引言：热塑性聚氨酯（TPU）具有优良的物理性能和化学性能，在包装、农业、工业、医疗等领域具有广泛的应用前景。其生产方法有湿法和干法，湿法是将物料制成薄膜，用热风或蒸汽对薄膜进行干燥后的薄膜在常温下存放。干法是将物料制成薄膜，利用真空或低温将薄膜干燥后的薄膜具有较高的强度、韧性和透明度。
一、试验材料与方法
试验材料为不同厚度的聚醚型热塑性聚氨酯薄膜，分别为50~500μm、200~500μm。试验中，将薄膜置于真空干燥箱中进行干燥。使用DZF-6020型真空泵，对薄膜进行真空干燥；使用DMC-1010型高温超热解炉进行升温和降速处理，使薄膜内部温度达到500℃以上；使用 ZGJS型电子天平，测量真空干燥过程中薄膜重量损失；使用 EHSON型红外光谱仪（型号：UV-2500，波长为480 nm）对薄膜的红外光谱进行测试，测量范围为200～400cm-1。同时采用扫描电子显微镜（SEM）对薄膜表面形貌进行表征。
（一）试验设备
试验设备包括真空干燥箱（DMC-1010）、电子天平（ZGJS）、红外光谱仪（EHSON）和扫描电子显微镜（SEM）。DMC-1010型真空干燥箱尺寸为9m×12m，由箱体、加热管、蒸发器和抽真空系统组成。加热管采用DZF-6020型真空泵，抽真空系统采用DZF-6020型双室真空泵[1]。蒸发皿采用不锈钢材质，并利用蒸发皿内表面与大气接触，使其达到更高的干燥温度。干燥箱内的温度由触摸屏控制，湿度由控制箱的温控装置控制，具有升温、降温及恒温功能。加热管、冷凝管和蒸发器均为不锈钢材质，蒸发皿和干燥箱内壁为聚四氟乙烯材料。电子天平是日本岛津公司生产的。在干燥过程中，由于薄膜内部水分蒸发，薄膜重量会有所减少，电子天平会显示出相应的变化值。其特点是能够在任何材料表面上实现高分辨率的扫描，能够观察到原子或分子的形貌及表面化学结构。在试验中使用 SEM对薄膜表面形貌进行表征。
（二）试验方法
根据上文所述，对不同厚度的聚醚型热塑性聚氨酯薄膜真空干燥过程中质量损失的变化规律进行研究，将其分为两个阶段。第1阶段为低温干燥阶段，即薄膜处于露点温度以下，此时水分蒸发，质量损失较小；第2阶段为高温干燥阶段，即薄膜处于露点温度以上的高温环境下进行干燥，水分蒸发剧烈，质量损失较大。针对不同厚度的聚醚型热塑性聚氨酯薄膜，分别选择其对应的温度、湿度和时间参数进行试验。通过使用电子天平测量真空干燥过程中薄膜质量损失的变化，同时采用傅里叶红外光谱仪对不同厚度的聚醚型热塑性聚氨酯薄膜进行红外光谱测试，并进行对比分析。
红外光谱分析使用美国 Biomaterials公司的 FTIR （傅里叶变换红外）分析仪测试不同厚度的聚醚型热塑性聚氨酯薄膜在真空干燥过程中红外光谱的变化。在干燥过程中，聚醚型热塑性聚氨酯薄膜的吸收峰在696 nm和576 nm处发生了明显的红移现象，且在696nm处吸收峰强度减小，在576 nm处吸收峰强度增大[2]。在真空干燥过程中，随着薄膜厚度的增加，聚醚型热塑性聚氨酯薄膜中各羟基的吸收峰强度不断降低，这是由于聚醚型热塑性聚氨酯薄膜在干燥过程中其水分含量降低所致。
（三）试验指标
为了研究真空干燥过程中薄膜的质量变化规律，在试验过程中，使用 ZGJS型电子天平测量薄膜的重量损失。干燥过程中，当质量损失达到5%时，开始记录这一重量损失量。采用标准差（SD）、平均相对偏差（RMS）来表示干燥过程中薄膜的质量损失值。SD是表征平均相对偏差的指标， RMS是表征最大绝对偏差的指标。
为表征真空干燥过程中薄膜的质量变化情况，同时考虑到影响薄膜质量变化的主要因素是真空度，因此选择真空度作为主要考察对象。本文采用真空度值（K）来表示真空干燥过程中薄膜的质量损失。式中：K为真空干燥过程中薄膜质量的变化量（g/min）；R为真空度与薄膜厚度之比；ε为真空度与薄膜厚度之比。真空度可以用单位时间内薄膜重量损失的量表示，单位为g/min。式中：k表示真空干燥过程中薄膜质量损失值，K=（1-ε）/ε1/2。
二、试验讨论
热塑性聚氨酯薄膜的真空干燥过程分为干燥前、中、后三个阶段。根据物料和真空环境的温度、相对湿度和初始压力等因素，将物料的真空干燥过程分为干湿两个阶段。真空干燥工艺的主要参数有加热功率、热风温度、风速和热风流量等。
根据热升华干燥过程中物料表面温度下降曲线，结合物料水分蒸发过程中的比热容和物料厚度变化，可以将真空干燥过程分为3个阶段：第一阶段为低温阶段，随着加热功率的增加，水分快速蒸发；第二阶段为高温阶段，随着加热功率的增加，水分蒸发速率加快；第三阶段为低温降温阶段，随着加热功率的继续增加，物料表面温度开始下降。
采用真空干燥技术可以实现热塑性聚氨酯薄膜的快速干燥，并能有效降低生产能耗。但由于热塑性聚氨酯薄膜在真空中的干燥时间延长，因此需要研究其在真空条件下的干燥动力学问题。采用真空干燥技术，将热塑性聚氨酯薄膜放入真空干燥器内，利用真空泵产生的高压使薄膜中的水分从薄膜中被抽出，并迅速进行加热干燥，从而达到快速干燥的目的。因此，研究热塑性聚氨酯薄膜在真空条件下的干燥动力学具有重要意义。
（一）干燥前阶段
随着加热功率的增加，热塑性聚氨酯薄膜中的水分迅速蒸发，薄膜表面温度逐渐下降，其中在60℃~70℃温度范围内干燥时间最短，可以认为是物料中的水分快速蒸发。随着加热功率的增加，薄膜表面温度先迅速上升然后开始下降。物料中的水分在加热过程中先蒸发一部分，当加热到60℃左右时，薄膜表面温度仍高达71.6℃，此时的干燥时间很短，所以该阶段没有明显的干燥现象发生。
根据热塑性聚氨酯薄膜中水分蒸发动力学模型的理论可知，当物料的初始质量与环境质量之比为1、空气湿度为100%时，物料表面温度与水蒸气分子直径之比为1/n、空气分子直径与水蒸气分子直径之比为1/n时对应的临界蒸发速率分别为10.0、19.8、22.6 kJ/（m 2·h）。根据上述计算可知，在真空干燥前阶段热塑性聚氨酯薄膜中的水分蒸发速率较快。但是由于加热功率的增加使薄膜表面温度升高，同时物料表面水分蒸发所需的时间也相应增加，导致热塑性聚氨酯薄膜干燥时间延长。
三、能量传输机理分析
将薄膜放置在真空干燥室，由真空泵抽真空并保持一定时间后，薄膜被加热至一定温度，再经干燥介质加热至一定温度后，薄膜达到干燥平衡。真空干燥是指利用物质的蒸发或升华来进行干燥的过程。在真空环境下，物质的蒸发和升华现象很难进行，但仍存在少量水蒸气。
因此，在真空条件下进行热升华干燥时，由于热量的传递具有“高效、节能、无污染”的优点，热升华干燥过程被认为是一种绿色节能的干燥技术。其主要原理是通过利用热升华来实现对材料的加热，从而达到对物质进行干燥的目的。在真空条件下进行热升华干燥时，热量源传递至温度较高处并被材料吸收，再通过热辐射将热量传递至材料表面并被其吸收，从而实现对物质的干燥。
（一）传热
在真空条件下进行热升华干燥时，热量的传递主要是通过热辐射和热传导两种方式来进行的。真空条件下的热辐射是指热辐射穿过真空干燥室的空气层，然后再穿过真空干燥室，再到达物料表面的过程。在真空干燥过程中，真空干燥室中有一层较薄的空气层，该空气层能够有效地阻止外部空气对真空干燥室内的加热。当被加热物体周围的空气层温度与其温度差达到一定程度时，即可发生热传递现象。由于热传导和热辐射两种方式是同时存在且相互转化的，因此在热升华干燥过程中，传热过程是相互影响且存在一定规律的。由于热辐射具有穿透性较强、不易被材料吸收等特点，因此在真空干燥过程中往往需要同时考虑热辐射和热传导两种传热方式。当采用热辐射方式进行传热时，通常会受到热源体温度、距离以及空间尺寸等因素的影响。由于真空干燥室内环境为真空状态，因此在考虑辐射传热时应考虑真空度、真空温度以及被加热物体和辐射源之间的距离等因素。另外，当采用热传导方式进行传热时，通常会受到被加热物体与辐射源之间的温度差以及被加热物体表面温度与辐射源表面温度之间差等因素的影响。
本研究中采用真空泵对薄膜进行抽真空处理，同时采用加热棒对薄膜进行加热处理。由于被加热物体与加热器之间存在温度差和距离等因素，因此在考虑热辐射与热传导两种传热方式时应同时考虑这些因素。
（二）能量传递的数学模型
对于真空干燥过程中的能量传递，目前主要采用热动力学和热力学两种方式进行分析，前者是以传质传热为基础，后者是以热传递为基础。在真空条件下，传热过程通常具有对流换热和辐射换热两种形式。对流换热的形式主要是指在真空条件下，薄膜中水分蒸发时，与周围空气的对流作用。这种形式在实际干燥过程中很少使用，主要是由于水分蒸发的速度较慢，同时需要花费大量的时间。因此，热动力学的分析结果与热力学分析结果是一致的。此外，真空干燥过程中薄膜内部不同位置的温度变化情况也与传热过程中的传热情况一致。而辐射换热的形式则是指在真空条件下薄膜表面温度升高时，会产生辐射现象。由于辐射换热是由薄膜内部热量分布决定的，所以辐射换热在真空干燥过程中起着重要作用。通常情况下，辐射换热主要发生在薄膜表面。虽然真空干燥过程中薄膜内部水分蒸发时会产生辐射现象，但由于真空干燥过程中薄膜表面温度变化较小，所以辐射换热很少发生。
结语：在热塑性聚氨酯薄膜的真空干燥过程中，干燥温度、真空干燥时间均对薄膜的干燥速率和干燥质量有显著影响。采用正交试验得到最优真空干燥工艺参数为：真空度100 Pa，抽真空时间2.0h，抽真空温度65℃，真空干燥时间2h。通过对不同厚度的薄膜进行真空干燥实验，得到了薄膜在不同厚度条件下的含水率分布情况。因此，可以通过控制薄膜的厚度来控制其含水率。随着热塑性聚氨酯膜厚的增加，其单位质量湿膜所吸收能量呈递增趋势。
参考文献：
[1] 胡恩源，阎格，蔡利海，朱孟府，邵伟光.聚醚型热塑性聚氨酯薄膜的真空干燥特性研究[J].真空科学与技术学报，2022,43(02):104-111.
[2] 胡恩源，张学文，陈俊等.热塑性聚氨酯模压成型工艺优化[J].工程塑料应用，2022,50(04):70-75.
