PET薄膜流涎成型工艺的CAE分析

2005Fluent中国用户大会论文集338PET薄膜流涎成型工艺的CAE分析*郑泓俞炜周持兴(上海交通大学高分子科学与工程系上海200240)王晓王顺隋洪涛(飞昂软件技术（上海）有限公司上海200001)摘要：采用CAE技术对PET薄膜流涎成型工艺进行模拟分析，准确预测了流涎中薄膜缩颈及Edgebead现象。计算得到流场参数，如速度场，温度场与实测值进行对比，二者基本吻合，证明方法的准确性。探讨了流涎拉伸比对缩幅及废边面积的影响，并绘制工作曲线。分析得到PET薄膜流涎最优拉伸比为4。CAE分析技术弥补了实验手段的局限性，帮助全面了解加工流场参数的变化，容易分析操作条件对产品性能的影响，高效、省时、省力。关键字：POLYFLOWCAE技术PET薄膜流涎缩颈Edgebead流涎是一种重要的塑料薄膜材料生产技术，其制品广泛地应用于包装、胶卷、磁带及许多建筑材料。在我国，经过20多年的发展，薄膜流涎已成为具有相当的生产能力和生产规模的产业，消费市场也不断增大，竞争不断激烈[1]。理想流涎膜具有均匀厚度，而实际流涎线稳定生产时将产生薄膜边缘收缩（即缩颈，Neck-in）和废边（即Edgebead现象：流涎膜两侧边缘处的厚度远大于内部）。缩幅太大将无法得到满足要求的薄膜制品。同时，生产中废边将被切除，造成原料浪费并影响产量。为了减少缩幅和Edgebead范围，需要加强对流涎生产加工过程的研究。本文中对三维聚对苯二甲酸乙二醇酯（Poly(ethyleneterephthalate),PET）薄膜流涎成型进行CAE（ComputerAidedEngineering）分析，预测缩颈和Edgebead现象的产生，并分析工艺参数如拉伸比（DrawRatio,DR）,温度等的影响。关于三维聚合物材料薄膜流涎成型非等温成型过程的计算机辅助设计至今未曾研究过[2]。1薄膜流涎工艺简介从喂料到薄膜产品，聚合物材料要经历挤出机塑化输送、T型机头流涎、冷却辊冷却定型、牵引、电晕处理、卷取、分切及成品等阶段，但对薄膜制品最终性能起决定作用的是T型机头流涎阶段，如图1所示。聚合物熔体从略有弯曲的T型口模挤出，受冷却辊旋转牵引并冷却定型。冷却辊处的拉伸速度与口模熔体挤出速率之比定义为拉伸比（DrawRatio,DR），这个工艺参数对薄膜最终形状影响很大。同时，流涎中有时安装有气刀（AirKnife），塑料熔体冷却，结晶聚合物可能发生结晶等相变过程。流涎时薄膜收缩，且薄膜边缘厚度增大。利用CAE模拟分析技术，可以深入研究这两种工艺现象形成的原因及关系，并探讨工艺条件对制品的影响，从而指导实际生产。*周持兴、上海交通大学化学化工学院2005Fluent中国用户大会论文集339图1薄膜流涎示意图。Wdie、h0：挤出口模的长度及宽度；ω：冷却辊旋转角速度。2CAE分析方法采用FLUENT公司的POLYFLOW软件对PET薄膜流涎过程进行计算模拟。假设PET熔体不可压缩，忽略材料弹性及界面张力等作用。采用Bird-Carreau模型描述材料剪切变稀性质，Arrhenius方程表示温度对粘度的影响。计算时由于对称性，取1/4区域进行计算以减少计算量。网格及边界条件如图2所示，在自由边界附近加密网格以减少计算误差。流涎过程存在自由边界条件，计算时网格要发生大变形，需要采用网格重置技术及时进行网格的重新划分以保证计算收敛[3]。计算时模型参数、材料的物理参数见附录[4]。图2计算网格及边界条件3结果与讨论3.1CAE结果与实验值的比较对PET薄膜流涎过程进行了计算机模拟，拉伸比为3.44。图3中对流涎薄膜表面不同位置PET熔体流动速度计算结果与实测值进行了对比[4]。可以发现：除了薄膜边缘处二者存在差异，大部分区域内计算所预测的流体速度与实际较好吻合。边缘处薄膜剧烈收缩且厚度增大导致测量结果有偏差是形成差异的原因，因此利用计算机模拟技术可以弥补实验手段的欠缺，从而更全面地了解加工流场的参数分布。流涎过程，熔体流动速度逐渐增大，薄膜两边缘处流体的速度要低于中央区域，原因在于Edgebead现象的作用，薄膜厚度加大，流体速度必然减少。2005Fluent中国用户大会论文集340-0.3-0.2-0.10.00.10.20.30.160.140.120.100.080.060.040.020.00z=12.7cmz=6.35cmVelocity[m/s]Transverseposition[m]z=1.27cm图3不同截面上流涎薄膜表面熔体流动速度计算值与实验值的比较温度是聚合物加工中最重要的影响因素之一，因此希望能够在线地检测和控制。图4中比较了温度分布的差异。实测及模拟结果均表明：流涎过程，PET熔体温度下降约15℃，到达冷却辊处熔体的温度仍高于PET结晶温度，因此在此生产工艺中，流涎过程PET不发生结晶。中央大部分区域熔体温度均匀，仅在薄膜两侧边缘处有较大降低，模拟方法准确预测这种变化。且比较发现，越接近冷却辊，实验值和计算值吻合更好。在误差允许范围内，认为模拟得到的温度分布与实测值较好符合。同时，模拟计算也较好地预测了缩颈现象的产生及大小，如图5所示。可以看出，流涎过程PET薄膜明显收缩，当拉伸比为3.44时，缩幅高达19％。实际生产中要避免薄膜缩幅太大，因此需要选择合适的拉伸比及其他工艺条件。-0.3-0.2-0.10.00.10.20.3270272274276278280282284286288290z=12.7cmTemperature[oC]Transverseposition[m]z=6.35cm图4不同截面上流涎薄膜表面熔体温度计算值与实验值的比较2005Fluent中国用户大会论文集3410.150.200.250.300.140.120.100.080.060.040.020.00MeasurementNumericalresultNeck-inTransverseposition[m]Neck-in0.2667图5缩颈大小预测值与实测值的对比3.2工艺CAE分析利用CAE技术可以研究工艺参数如冷却气流、挤出速率、拉伸比等对薄膜最终性能的影响。作为例子，本文中考察了拉伸比对两类现象，即缩颈和废边的影响，并分析结果，选择最优拉伸比。图6中计算分析了拉伸比对PET薄膜缩幅的影响，(a)图描绘了不同拉伸比下薄膜收缩变形后薄膜边缘形状曲线，直观地说明：随着拉伸比的增大，缩幅也增大。当拉伸比很大时，如DR＝20，流涎到达冷却辊处薄膜宽度仍未固定，依然有收缩的趋势，这时经过冷却辊固定成膜将造成应力残余，其制品仍有收缩的可能，造成次品。(b)中绘制拉伸比与缩幅大小的关系曲线。从此曲线可以根据要控制的缩幅大小来选择合适的拉伸比。例如，实际生产中，要求薄膜缩幅应少于20％，否则将无法得到符合要求的薄膜制品，因此对于PET流涎，拉伸比应小于4。0.140.160.180.200.220.240.260.140.120.100.080.060.040.020.00DR=20DR=10DR=5Neck-in[m]Transverseposition[m]DR=3.44(a)Neck-in(a)024681012141618202251015202530354045Neck-in[%]DrawRatio(b)(4.1,20%)图6拉伸比对缩幅的影响薄膜制品要求厚度均匀，因此希望废边面积越小越好，也就是要控制Edgebead现象发生的区域。图7分析了不同拉伸比下，到达冷却辊处流涎PET薄膜厚度变化。如(a)图所示，增大拉伸比，流涎后薄膜厚度下降，同时由于缩颈的影响，最终薄膜厚度均匀区域变小。薄膜两侧厚度严重不均匀区域将作为废边切除，(b)图中描述了拉伸比对切除废边面积比例的影响曲线。可以看出，随着拉伸比的增大，被切除的废边面积先增大，然后趋向一平衡值，存在一个临界拉伸比。对于PET流涎而言，此临界拉伸比约为6.7，废边部分的平衡值约为16.5％。因此如果在此临界拉伸比下，薄膜的缩幅在允许范围内，我们可以提高流涎2005Fluent中国用户大会论文集342速度，以增加生产产量。综合考虑PET流涎生产中，拉伸比对缩颈及废边面积的影响，认为最佳拉伸比约为4，这时PET薄膜缩幅约为20％，被切除废边比例约为14％。0.000.050.100.150.200.250.0000.0010.0020.0030.0040.0050.0060.007DR=20DR=10DR=5Edgebead(m)Transverseposition(m)DR=2(a)51015205101520Trimmedareapercentage(%)DrawRatio(b)图7拉伸比对Edgebead的影响附录PET材料参数及加工条件：（1）PET粘度曲线：Bird-Carreau模型：1220()(1)nηγηλγ−=+&&模型中，η粘度，0η零剪切粘度，λ松弛时间，n流动指数，γ&剪切速率。表1-1Bird-Carreau模型参数值温度（℃）0η（Pa*s）λ(s)nT=2701500.07040.765T=285130.170.07310.748（2）Arrhenius方程：0011()exp[()]aEaHTRTTTT=−−−方程中，Ea流动活化能，R气体常数，0T参考温度，αT周围环境温度。本文中，EaR=2865.7K，11314.8−−⋅⋅=KmolJR，2730−=T，25=αT℃。（3）PET材料物理参数：密度：1356kg/m3热导率：0.15W/(m*k)热容：10J/(Kg*℃)对流系数：α=1.03W/（m*℃）结晶温度：265℃（4）加工参数：挤出口模尺寸：53.34cm×0.18cm2005Fluent中国用户大会论文集343挤出流量：Q=3.4kg/min拉伸比：DR=2～20挤出口模温度：Tdie=290℃参考文献[1]陈英，“聚丙烯流涎薄膜的生产技术与进展”，塑料包装，2004，v.14，p29-34[2]S.Smith,D.Stolle,“NumercalsimulationoffilmcastingusinganupdatedLagrangianfiniteelementalgorithm”,PolymerEngineeringandScience,2003,v.43(5)，p1105-1122[3]FluentCo.,PolyflowUser’sGuide,2001[4]B.Seyfzadeh,G.M.Harrison,“Experimentalstudiesonthedevelopmentofacastfilm”,PolymerEngineeringandScience,2005,v.45(4)，p443-450