第二章高分子材料加工中的熱行為

1、第二章第二章 高分子材料加工中高分子材料加工中的熱行為的熱行為 第一節(jié) 高分子材料的熱物理特性第二節(jié) 高分子材料在加工業(yè)中的熱傳導(dǎo)第三節(jié) 高分子材料加工過(guò)程中的生成熱第一節(jié) 高分子材料的熱物理特性 熱行為對(duì)高分子材料加工過(guò)程的影響1.對(duì)加工過(guò)程的影響 加熱熔融塑化過(guò)程的影響2.對(duì)產(chǎn)品性能的影響 冷卻過(guò)程對(duì)產(chǎn)品形狀、尺寸、應(yīng)力的影響一 熱膨脹1. 材料因受溫度的升降而使體積發(fā)生膨脹或收縮的現(xiàn)象稱為材料的脹縮性。 為什么會(huì)發(fā)生熱膨脹的呢？ 怎么去衡量物體的脹縮性的大小呢？ 發(fā)生熱膨脹的根本原因是材料由于吸收熱能，相鄰原子或基團(tuán)由于振動(dòng)使得間距變大的緣故。 高分子材料的膨脹系數(shù)比金屬及陶瓷大，一般為

2、410-5310-4-1。2. 線膨脹系數(shù)線膨脹系數(shù)指固態(tài)物質(zhì)溫度改變1，其長(zhǎng)度的變化和它在原來(lái)溫度時(shí)長(zhǎng)度的比值，單位為1/3. 體脹系數(shù)體脹系數(shù)指物體溫度改變1，其體積的變化和它在原溫度時(shí)體積的比值4. 脹縮性對(duì)高分子材料的應(yīng)用精密儀器不同零件的配合和裝配5. 影響高分子材料脹縮性的因素： 分子結(jié)構(gòu)（柔性剛性）材料本身 材料組成（填充玻纖等物質(zhì)膨脹性降低）外界條件: 壓力、應(yīng)力、溫度等（如隨著溫度升高而增大，但一般并非溫度的線性函數(shù)，分子鏈運(yùn)動(dòng)，使得大分子鏈間“自由體積”增大，材料產(chǎn)生熱膨脹，溫度下降時(shí)，分子鏈段運(yùn)動(dòng)能下降，大分子鏈“自由體積”下降，產(chǎn)生冷卻收縮。）第一節(jié) 高分子材料的熱物理

3、特性二 熱容熱容材料的溫度提高1（或1K）所需要的能量，單位為J/（或J/K）。比熱容是將單位質(zhì)量材料的溫度提高1（或1K）所需要的能量。比熱容：Cp （單位J/kg）高分子材料的比熱容主要由高分子材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)決定，與物理結(jié)構(gòu)（晶粒密度、晶粒大小無(wú)關(guān)）。一般高分子材料的比熱容比金屬及無(wú)機(jī)材料的大。第二節(jié) 高分子材料在加工中的熱傳導(dǎo)一、傳熱的基本概念二、加工中的熱傳導(dǎo)三、熱擴(kuò)散系數(shù)一、傳熱的基本概念 傳熱即熱量傳遞。熱的傳遞是由于物體內(nèi)部或物體之間溫差而引起的。為了使得熱量平衡，故熱量從高溫部分傳遞給低溫部分，直至溫度平衡。1 主要傳熱方式：（1）傳導(dǎo)（2）對(duì)流（3）輻射高溫低溫（1）傳導(dǎo)又稱

4、熱傳導(dǎo)，簡(jiǎn)稱導(dǎo)熱（固體熱傳遞的主要方式）。機(jī)理：當(dāng)物體的內(nèi)部或兩個(gè)直接接觸的物體之間存在溫差，物體中較高部分的分子因振動(dòng)而與相鄰分子碰撞，并將能量傳遞給后者，故熱能就從高的部分傳遞給低的部分或者從溫度高的物體傳給低的物體。特點(diǎn)：物體中的分子或質(zhì)點(diǎn)不發(fā)生宏觀的相對(duì)位移（2）對(duì)流又稱熱對(duì)流（發(fā)生在流體之間）。機(jī)理：流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移和混合，而將熱能由一處傳遞到另處。特點(diǎn)：質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移，流體的質(zhì)點(diǎn)攜帶熱能不斷運(yùn)動(dòng)，把熱能給出或者吸入的過(guò)程。自然對(duì)流相對(duì)移動(dòng)是由于流體內(nèi)部各處溫度不同而引起的局部密度差異。（自發(fā)的）強(qiáng)制對(duì)流用外力機(jī)械能（如攪拌流體）使流體發(fā)生運(yùn)動(dòng)。（人為的）如：擠出機(jī)、注塑機(jī)料

5、筒中的流動(dòng)（3）輻射又稱熱輻射機(jī)理：以電磁波傳遞熱能，放熱物體首先將熱能先轉(zhuǎn)化為輻射能，以電磁波形式向周圍空間發(fā)射，當(dāng)遇到另一物體，則部分或全部得吸收，重新又轉(zhuǎn)化為熱能。特點(diǎn)：既產(chǎn)生能量的傳遞，又發(fā)生能量轉(zhuǎn)移。不需要直接接觸，不需要任何物質(zhì)做媒介2 高分子加工中的傳熱特性加熱 + 冷卻例子：（1）PVC料和其他助劑混合（2）壁厚的塑料注塑制品需要退火和調(diào)濕處理退火使強(qiáng)迫冷凍的分子鏈得以松弛，消除內(nèi)應(yīng)力；提高結(jié)晶度，穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)，從而提高結(jié)晶塑料制品的彈性模量和硬度，降低斷裂伸長(zhǎng)率。調(diào)濕將剛脫模的制品放入熱水中，加快達(dá)到吸濕平衡，且隔絕空氣，以防氧化。（如PA）高溫與氧接觸易氧化； 易吸水膨脹，

6、得到穩(wěn)定的尺寸要較長(zhǎng)時(shí)間；適量的水份對(duì)PA起類似增塑劑的作用（3）塑料注射、擠出時(shí)加熱料筒的時(shí)候，在加熱到設(shè)定溫度的時(shí)，還需要一定時(shí)間保溫才啟動(dòng)主機(jī)二、加工中的熱傳導(dǎo)1、傅里葉定律 在平壁內(nèi)單位時(shí)間以熱傳導(dǎo)的方式傳遞的熱量，與垂直于熱流的橫截面積成正比，與平壁兩側(cè)的溫差成正比，而與熱流方向上的路程長(zhǎng)度成反比。是導(dǎo)熱的基本定律。21wwTTAQATTQww21導(dǎo)熱速率/W平壁兩側(cè)表面溫差/垂直于導(dǎo)熱方向截面積/平壁厚度/m熱導(dǎo)率/（W/m）熱傳導(dǎo)基本方程2.熱導(dǎo)率 熱導(dǎo)率是衡量物質(zhì)導(dǎo)熱能力的物理量。表示物質(zhì)導(dǎo)熱能力的大小。熱導(dǎo)率在數(shù)值上等于一個(gè)厚度為1m、表面積為1的平壁兩側(cè)維持1溫度差時(shí)，每單

7、位時(shí)間通過(guò)該平壁的熱量。21wwTTAQ 熱導(dǎo)率與物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、密度、溫度和壓力有關(guān)，金屬高分子材料。塑料的熱導(dǎo)率比較低，一般在（4.18546）10-2（W/m），其熱導(dǎo)率隨著溫度升高而增大（結(jié)晶型材料比較明顯）。另外壓力增大，熱導(dǎo)率也增大，如PS各種物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的比較1.金屬的導(dǎo)熱系數(shù)最大，非金屬的固體次之且其導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而增大；2.液體的導(dǎo)熱系數(shù)一般遠(yuǎn)較固體的為小（絕熱材料除外），液體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而減??；3.氣體的導(dǎo)熱系數(shù)較液體小，氣體在大氣壓下的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而增大，4.壓強(qiáng)變化不大時(shí)，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)與壓強(qiáng)無(wú)關(guān)、除非氣體的壓強(qiáng)過(guò)高大于2000atm（大氣壓）

8、或過(guò)低（小于20mmHg） 時(shí)。熱塑性塑料的熱傳導(dǎo)系數(shù)1.熱塑性塑料熱導(dǎo)系數(shù)偏低，影響加工過(guò)程(冷卻或加熱厚制品是個(gè)難題）。2.塑料材料的物態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)生變化3.塑料材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而增大4.塑料材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨壓力升高而增大3.經(jīng)過(guò)平壁和圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)（一維流動(dòng)）-了解niiiinwwTTAQ1) 1(1iiniiinwwrrTTLQ11)1(1ln12多層平壁穩(wěn)定熱傳導(dǎo)多層圓壁穩(wěn)定熱傳導(dǎo)三、熱擴(kuò)散系數(shù) 熱擴(kuò)散系數(shù)是高分子材料在溫度場(chǎng)中變化速率的決定性因素，是其熱導(dǎo)率除以比熱容與密度的乘積。pCa熱擴(kuò)散系數(shù),10-2cm2s；導(dǎo)熱系數(shù)，Wm；密度，gcm3； Cp定壓比熱

9、，J/（g.）。1.物理意義 描述高分子材料在溫度場(chǎng)中溫度變化速率2.熱擴(kuò)散系數(shù)的影響因素隨溫度的升高熱導(dǎo)率增加，則熱擴(kuò)散系數(shù)也增加（和液體相反）；隨溫度的升高密度下降，熱擴(kuò)散系數(shù)上升；高分子材料的比熱容隨溫度的變化趨勢(shì)較復(fù)雜，則其對(duì)熱擴(kuò)散系數(shù)的影響也較復(fù)雜。第三節(jié) 高分子材料加工過(guò)程中的生成熱l加工過(guò)程中生成熱的來(lái)源1.高混機(jī)中的物料、設(shè)備內(nèi)壁間的磨擦2.擠出、注射中的剪切3.橡膠塑煉或混煉中的剪切、拉伸4.交變應(yīng)力作用于材料時(shí)內(nèi)耗5.加工過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)，如發(fā)泡、交聯(lián)等一、高分子熔體因摩擦而生成的熱量Q剪切摩擦的熱流量，Jcm3s；J熱功當(dāng)量，9.610-2Jkgcm；剪切速率，s-1；a

10、表觀粘度，kgscm2 JQa/.2摩擦生熱在高分子材料加工中的應(yīng)用1.利用剪切生熱升溫來(lái)塑化高分子材料2.利用剪切生熱來(lái)降低熔體的黏度（注射）T熔體通過(guò)噴嘴時(shí)的溫升值，K；P通過(guò)噴嘴時(shí)的壓力降，Nm2；熔體密度，kgm3；Cp定壓比熱，J（kgK）。 )/(pCPT二、在周期應(yīng)力作用下由內(nèi)耗所引起的溫升1.外力作用頻率和材料彈性的關(guān)系高分子鏈段的松弛時(shí)間決定作用頻率和材料彈性間的關(guān)系隨著外力作用頻率的增加，原本彈性好的材料可能變得越來(lái)越韁硬提高外力作用頻率相當(dāng)于降低材料的溫度二、在周期應(yīng)力作用下由內(nèi)耗所引起的溫升2.周期應(yīng)力帶來(lái)的材料的溫升周期應(yīng)力帶來(lái)的材料的溫升每一周期形變所做的功W即周期形變的損耗： W=00sin 0應(yīng)力的最大振幅； 0應(yīng)變的最大振幅； 相位差（又叫做損耗角） tsin0)sin(0t溫度對(duì)周期應(yīng)力作用效果的影響1.TTg 材料處于玻璃態(tài)，應(yīng)變小，此時(shí)形變由鍵長(zhǎng)、鍵角的改變所引起的，速度較快，能跟得上，應(yīng)力變化