第二章 高分子材料加工中的热行为

1、第二章第二章 高分子材料加工中高分子材料加工中的热行为的热行为 第一节 高分子材料的热物理特性第二节 高分子材料在加工业中的热传导第三节 高分子材料加工过程中的生成热第一节 高分子材料的热物理特性 热行为对高分子材料加工过程的影响1.对加工过程的影响 加热熔融塑化过程的影响2.对产品性能的影响 冷却过程对产品形状、尺寸、应力的影响一 热膨胀1. 材料因受温度的升降而使体积发生膨胀或收缩的现象称为材料的胀缩性。 为什么会发生热膨胀的呢？ 怎么去衡量物体的胀缩性的大小呢？ 发生热膨胀的根本原因是材料由于吸收热能，相邻原子或基团由于振动使得间距变大的缘故。 高分子材料的膨胀系数比金属及陶瓷大，一般为

2、410-5310-4-1。2. 线膨胀系数线膨胀系数指固态物质温度改变1，其长度的变化和它在原来温度时长度的比值，单位为1/3. 体胀系数体胀系数指物体温度改变1，其体积的变化和它在原温度时体积的比值4. 胀缩性对高分子材料的应用精密仪器不同零件的配合和装配5. 影响高分子材料胀缩性的因素： 分子结构（柔性刚性）材料本身 材料组成（填充玻纤等物质膨胀性降低）外界条件: 压力、应力、温度等（如随着温度升高而增大，但一般并非温度的线性函数，分子链运动，使得大分子链间“自由体积”增大，材料产生热膨胀，温度下降时，分子链段运动能下降，大分子链“自由体积”下降，产生冷却收缩。）第一节 高分子材料的热物理

3、特性二 热容热容材料的温度提高1（或1K）所需要的能量，单位为J/（或J/K）。比热容是将单位质量材料的温度提高1（或1K）所需要的能量。比热容：Cp （单位J/kg）高分子材料的比热容主要由高分子材料的化学结构决定，与物理结构（晶粒密度、晶粒大小无关）。一般高分子材料的比热容比金属及无机材料的大。第二节 高分子材料在加工中的热传导一、传热的基本概念二、加工中的热传导三、热扩散系数一、传热的基本概念 传热即热量传递。热的传递是由于物体内部或物体之间温差而引起的。为了使得热量平衡，故热量从高温部分传递给低温部分，直至温度平衡。1 主要传热方式：（1）传导（2）对流（3）辐射高温低温（1）传导又称

4、热传导，简称导热（固体热传递的主要方式）。机理：当物体的内部或两个直接接触的物体之间存在温差，物体中较高部分的分子因振动而与相邻分子碰撞，并将能量传递给后者，故热能就从高的部分传递给低的部分或者从温度高的物体传给低的物体。特点：物体中的分子或质点不发生宏观的相对位移（2）对流又称热对流（发生在流体之间）。机理：流体中质点发生相对位移和混合，而将热能由一处传递到另处。特点：质点发生相对位移，流体的质点携带热能不断运动，把热能给出或者吸入的过程。自然对流相对移动是由于流体内部各处温度不同而引起的局部密度差异。（自发的）强制对流用外力机械能（如搅拌流体）使流体发生运动。（人为的）如：挤出机、注塑机料

5、筒中的流动（3）辐射又称热辐射机理：以电磁波传递热能，放热物体首先将热能先转化为辐射能，以电磁波形式向周围空间发射，当遇到另一物体，则部分或全部得吸收，重新又转化为热能。特点：既产生能量的传递，又发生能量转移。不需要直接接触，不需要任何物质做媒介2 高分子加工中的传热特性加热 + 冷却例子：（1）PVC料和其他助剂混合（2）壁厚的塑料注塑制品需要退火和调湿处理退火使强迫冷冻的分子链得以松弛，消除内应力；提高结晶度，稳定晶体结构，从而提高结晶塑料制品的弹性模量和硬度，降低断裂伸长率。调湿将刚脱模的制品放入热水中，加快达到吸湿平衡，且隔绝空气，以防氧化。（如PA）高温与氧接触易氧化； 易吸水膨胀，

6、得到稳定的尺寸要较长时间；适量的水份对PA起类似增塑剂的作用（3）塑料注射、挤出时加热料筒的时候，在加热到设定温度的时，还需要一定时间保温才启动主机二、加工中的热传导1、傅里叶定律 在平壁内单位时间以热传导的方式传递的热量，与垂直于热流的横截面积成正比，与平壁两侧的温差成正比，而与热流方向上的路程长度成反比。是导热的基本定律。21wwTTAQATTQww21导热速率/W平壁两侧表面温差/垂直于导热方向截面积/平壁厚度/m热导率/（W/m）热传导基本方程2.热导率 热导率是衡量物质导热能力的物理量。表示物质导热能力的大小。热导率在数值上等于一个厚度为1m、表面积为1的平壁两侧维持1温度差时，每单

7、位时间通过该平壁的热量。21wwTTAQ 热导率与物质的组成、结构、密度、温度和压力有关，金属高分子材料。塑料的热导率比较低，一般在（4.18546）10-2（W/m），其热导率随着温度升高而增大（结晶型材料比较明显）。另外压力增大，热导率也增大，如PS各种物质导热系数的比较1.金属的导热系数最大，非金属的固体次之且其导热系数随温度的升高而增大；2.液体的导热系数一般远较固体的为小（绝热材料除外），液体的导热系数随温度的升高而减小；3.气体的导热系数较液体小，气体在大气压下的导热系数随温度的升高而增大，4.压强变化不大时，气体的导热系数与压强无关、除非气体的压强过高大于2000atm（大气压）

8、或过低（小于20mmHg） 时。热塑性塑料的热传导系数1.热塑性塑料热导系数偏低，影响加工过程(冷却或加热厚制品是个难题）。2.塑料材料的物态转变时，导热系数发生变化3.塑料材料的导热系数随温度升高而增大4.塑料材料的导热系数随压力升高而增大3.经过平壁和圆筒壁的稳定热传导（一维流动）-了解niiiinwwTTAQ1) 1(1iiniiinwwrrTTLQ11)1(1ln12多层平壁稳定热传导多层圆壁稳定热传导三、热扩散系数 热扩散系数是高分子材料在温度场中变化速率的决定性因素，是其热导率除以比热容与密度的乘积。pCa热扩散系数,10-2cm2s；导热系数，Wm；密度，gcm3； Cp定压比热

9、，J/（g.）。1.物理意义 描述高分子材料在温度场中温度变化速率2.热扩散系数的影响因素随温度的升高热导率增加，则热扩散系数也增加（和液体相反）；随温度的升高密度下降，热扩散系数上升；高分子材料的比热容随温度的变化趋势较复杂，则其对热扩散系数的影响也较复杂。第三节 高分子材料加工过程中的生成热l加工过程中生成热的来源1.高混机中的物料、设备内壁间的磨擦2.挤出、注射中的剪切3.橡胶塑炼或混炼中的剪切、拉伸4.交变应力作用于材料时内耗5.加工过程中的化学反应，如发泡、交联等一、高分子熔体因摩擦而生成的热量Q剪切摩擦的热流量，Jcm3s；J热功当量，9.610-2Jkgcm；剪切速率，s-1；a

10、表观粘度，kgscm2 JQa/.2摩擦生热在高分子材料加工中的应用1.利用剪切生热升温来塑化高分子材料2.利用剪切生热来降低熔体的黏度（注射）T熔体通过喷嘴时的温升值，K；P通过喷嘴时的压力降，Nm2；熔体密度，kgm3；Cp定压比热，J（kgK）。 )/(pCPT二、在周期应力作用下由内耗所引起的温升1.外力作用频率和材料弹性的关系高分子链段的松弛时间决定作用频率和材料弹性间的关系随着外力作用频率的增加，原本弹性好的材料可能变得越来越缰硬提高外力作用频率相当于降低材料的温度二、在周期应力作用下由内耗所引起的温升2.周期应力带来的材料的温升周期应力带来的材料的温升每一周期形变所做的功W即周期形变的损耗： W=00sin 0应力的最大振幅； 0应变的最大振幅； 相位差（又叫做损耗角） tsin0)sin(0t温度对周期应力作用效果的影响1.TTg 材料处于玻璃态，应变小，此时形变由键长、键角的改变所引起的，速度较快，能跟得上，应力变化