新型显示用聚乙烯醇(Poly(vinyl alcohol), PVA)偏光膜基膜是显示面板上游关键光学膜材料之一，其长期高度依赖进口。由于其热降解温度与熔点接近，PVA偏光膜基膜一般通过湿法流延加工制备。PVA湿法流延过程中涉及到高浓度PVA水溶液干燥成膜。PVA水溶液干燥是典型的多组分非平衡相变过程，热风干燥可以加快干燥效率，提高生产效率，是PVA偏光膜基膜加工过程常见的操作条件。但随气流速度增加，薄膜极易出现结皮、起皱等现象。影响PVA成膜过程中传质效能的因素很多(如温度、风速等)，且彼此相互作用，这给研究流延成膜加工工况下PVA成膜机理带来了较大的挑战。揭示多加工外场参数下PVA成膜机理对工业上制备高性能PVA偏光膜基膜具有重要的指导作用。

PVA成膜过程中，溶液黏度、溶剂挥发速率及温度梯度等因素相互耦合，导致传质设备效能受多参数协同影响。预测传质设备中的浓度场、未知的传质参数以及局部和整体传质效率的数学模拟和计算极为复杂。因此，迫切需要发展能够耦合PVA与溶剂水分相互作用、溶剂内部相互作用参数，以及多物理场影响的综合模型。中国科学技术大学李良彬研究员团队的陈威教授利用数值模拟研究了PVA溶液在热风干燥下溶剂损失，建立了二维流动-传热-传质干燥多物理场耦合模型，提出了PVA水溶液在快速干燥阶段的扩散过程由对流主导，并揭示了风速与传质速率非单调性依赖性。数值模拟建立示意图如图1所示，模型首先计算稳态空气域的风速，之后将该风速值分别应用于空气域、薄膜和基板的传热计算及薄膜的传质计算中。其中，传热和传质过程通过蒸发量和温度的双向耦合进行瞬态计算。

图1 湍流-传热-传质多物理耦合模型示意图(注：红色实框为计算场)。

作者根据干燥箱内风场的计算薄膜附近的压强、Peclet数Pe(对流与扩散速率之比，反映传质主导机制)以及雷诺数Re(惯性力与黏性力之比，表征流动状态)。如图2所示，薄膜与空气接触面的最大压强为 -6.3 Pa，远低于薄膜溶液中溶剂的分压范围(2561 - 26741 Pa)。除此，图3显示在膜上表面x位置处，Pe 数(61 - 12458)和Re 数(48 -17614)较大，表明扩散过程主要由对流主导。这表明忽略空气风速对薄膜表面压强影响的假设是合理的，且可用边界层理论近似计算的传质系数。

图2 不同风速下的速度和等压线等值线图: (a) 1.5 m/s；(b) 2.0 m/s；(c) 2.5 m/s。

图3 (a) Peclet数(Pe)和(b)雷诺数(Re)在膜x位置计算。

随后，作者将模型计算溶剂损失时间曲线与实验结果(图4为PVA膜在鼓风干燥箱干燥的实验装置)对比，对边界层理论计算的传质系数进行修正。如图5所示，2.0 m/s时溶剂损失值最小，这与Cairncross等人曾发现在中等流速下溶剂损失最多的结论相符。若不考虑传质系数与风速的依赖性，即传质修正因子α为1，模型计算的溶剂损失偏大，且数值模拟中的溶剂损失速率随着风速的增大而增大。该模拟结果与实验相比，其水分损失速率偏低。为进一步拟合实验数据，将修正因子α数值进行调整使计算的溶剂损失曲线与实验结果在快速干燥阶段符合良好。对于风速与传质系数的关系，由模型计算的溶剂损失结果与实验对比得出传质系数的修正因子α(实际值与计算值的比值)：在中等风速(2.0 m/s)下，修正因子α最大，为 2.5；在较低风速(1.5 m/s)和较高风速(2.5 m/s)下，修正因子分别为 1.3 和 1.5。这说明风速对传质过程具有显著影响，传质系数与风速之间呈现明显的非单调关系。之后研究了风速对扩散系数、溶剂分压及传质过程的影响，指出本文模型仅适用于干燥初期(<500 s)，后续计划对薄膜的结构变化和结晶效应建立分段模型(参考两段扩散模型)，进一步细化热风下PVA水溶液干燥机理研究。

图4 PVA膜在鼓风干燥箱干燥示意图。

图5 实验测量与模拟计算溶剂损失时间曲线对比。

在这项工作中，我们研究了不同干燥箱入口风速对 PVA 薄膜表面压强的影响，并结合速度、压强云图及无量纲数(Pe数、Re数)探讨了传热传质规律。并结合模型计算溶剂损失时间曲线与实验结果，对边界层理论计算的传质系数进行修正后研究了风速对扩散系数、溶剂分压及传质过程的影响，揭示了风速对薄膜干燥速率的调控作用。

相关成果以研究论文形式即将在《高分子学报》2025年第6期“高分子优秀青年学者”专题印刷出版，论文的第一作者为中国科学技术大学工程科学学院博士研究生魏晓颖，通信联系人为中国科学技术大学核科学技术学院陈威教授。

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