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文档简介
高分子材料基本加工工艺课件第二章第一页,共二十四页,2022年,8月28日
第二章高分子材料加工中的热行为
第一节高分子材料的热物理特性
一、热膨胀二、热容
第二节高分子材料加工业中的热传导一、传热基本概念二、加工中的热传导三、热扩散系数第二页,共二十四页,2022年,8月28日
第一节高分子材料的热物理特性
一、热膨胀1、材料的基本属性热胀冷缩2、线膨胀系数(1)概念(2)特点(3)线膨胀系数数据:P52表2-1(4)胀缩性对高分子材料应用的意义3、线胀系数的影响因素第三页,共二十四页,2022年,8月28日二、热容1、热的物理概念:热也可以按类似的二象性处理。可以把热作为向周围传递的波,也可以作为具有一定能量的粒子-声子。2、热容和比热容的概念:热容是材料的温度提高1℃(或1K)所需的能量,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J/K)所需的能量,单位为J/(kg·℃)。3、比热容的数据:P53表2-2这些数据说明什么?第四页,共二十四页,2022年,8月28日
第二节高分子材料加工业中的热传导一、传热基本概念
1、传热的基本方式:三种2、高分子材料加工中的传热特性:塑料是热的不良导体,其导热系数比较低,传热速度较慢。3、摩擦热和塑料熔化热:剪切摩擦产生的热量,是由机械能转换的重要热源这种热使物料不会被烧焦。原因:第五页,共二十四页,2022年,8月28日二、高分子材料加工中的热传导1、傅立叶(Fourier)定律一个物体的内部,只要各点间有温差存在,则热量就会从高温点向低温点传导。2、单层平壁热传导P55图2-13、Fourier导热公式:Q=λA(Tw1-Tw2)/δ
式中Q——单位时间内通过平壁的导热量,即导热速率,W;
ΔT——平壁两侧表面的温差,℃;A——垂直于导热方向的截面积,m2;
δ——平壁的厚度,m;
λ——高分子材料的导热系数,W/m·℃。第六页,共二十四页,2022年,8月28日Fourier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此,而与热流方向上的路程长度成反比第七页,共二十四页,2022年,8月28日2.导热系数(1)导热系数的概念:导热系数是衡量物质导热能力的一个物理量(2)导热系数公式:
λ=Q/[(Tw1-Tw2)A/δ](2-3)(3)导热系数的影响因素:(4)导热系数数据:P56表2-3
热塑性塑料在物态转变点时,其导热系数有明显变化;又导热系数与温度有依赖性,一般随温度升高而增大,特别是结晶型材料尤为显著,无定形材料变化较小。导热系数也与压力有依赖性,随压力升高而增大。第八页,共二十四页,2022年,8月28日3.经过平壁和圆筒壁的稳定热传导(1)经过多层平壁的稳定传热过程:P56图2-2
计算式:P56式(2-5)讲解例1和例2(2)经过单层圆筒壁稳定热传导过程:P57图2-3
计算公式:Q=2πL(Tw1-Tw2)/[λ-1ln(r2/r1)]Tw1,Tw2——单层圆筒壁两边外表面的温度,℃;
L——圆筒的长度,m;
r1、r2——圆筒的内外半径,m。(3)经过多层圆筒壁稳定热传导热传导过程:P57图2-7
计算式:P58式(2-7)第九页,共二十四页,2022年,8月28日4、经过平壁和圆筒壁不稳定热传导(1)
(1)不稳定热传导的概念:P58(2)四种无因次数群:A、毕渥准数,Bi=αl
/λcm
其中α为给热系数,l为长度,λcm为平均导热系数;B、傅立叶准数,F0=αt/δ2
其中α为导温系数;C、长度准数,L=x/l
。D、温度无因次数群θ/θ′
θ/θ′
=φ(Bi、F0、L)(2-10)式中θ′——物体最初差余温度,℃;θ——物体最终差余温度,℃。
第十页,共二十四页,2022年,8月28日4、经过平壁和圆筒壁不稳定热传导(2)(3)温度无因次数群表达式:
θ/θ′
=φ(Bi、F0、L)(2-10)
θw/θ′=φw(Bi、F0)(2-11)
θ0/θ′=φw(Bi、F0)(2-12)(4)热量无因次数群表达式:
Qt/Q′=φQ(Bi,F0)(2-13)(5)讲解例3、例4:体现图2-5~图2-10的应用第十一页,共二十四页,2022年,8月28日例3
一块大塑料板厚2cm,最初均匀温度为100℃,将它浸入冷水中,冷水的温度为20℃,如毕渥准数Bi=5,板的导温系数α=1×10-3cm2/s,当板在冷水中冷却100s后,试计算板的表面温度和中心温度。解:首先计算傅立叶准数:F0=αt/δ2=(1×10-3)×(100)/(2/2)2=0.10Bi=5(已知)根据图2-5,当F0=0.10、Bi=5,查出θw/θ’=0.3
(Tw-20)/(100-20)=0.3
Tw=80×0.97+20=44℃即当板在水中冷却100s后,其表面温度为44℃。根据图2-6,当FO=0.10、Bi=5时,查出θ0/θ’=0.97于是(TO-20)/(100-20)=0.97
T0=80×0.97+20=97.6℃即在水中冷却100s,其中心温度仍有97.6℃的高温。第十二页,共二十四页,2022年,8月28日例4
通过例3的计算说明:对于厚度较厚的高分子材料的制品,在冷却过程中经过一定时间的冷却,此时,制品的表面温度与中心温度的温差仍然很大。例4、现有PP塑料板其外形尺寸为1000×600×20mm,最初平均温度达200℃,它上下两面均与冷金属面完全接触,而金属的另一面却有冷却水流过,金属面温度始终保持20℃,当冷却18min后,试求塑料平板表面温度和中心温度。第十三页,共二十四页,2022年,8月28日例4的解题过程(1)(1)
平板表面温度:平壁表面的最初差余温度θ’与最终差余温度θw,分别为:θ’=200-20=180℃θw=Tw-20
其中Tw为平板表面温度,所以θw/θ’=(Tw-20)/180又F0=a×t/δ2式中:t=18min=0.3h板的厚度δ=20/2mm=0.01m(因两面传热);PP的λ=11.718J/(cm·s·℃)=0.4183kJ/(m·h·℃);Cp=2.928kJ/(kg·℃)ρ=900kg/m3α=k/(ρ·Cp)=0.4183/(2.928×900)=1.6×14-4m2/h,将数据代入上式,得F0=1.6×14-4×0.3/0.012=0.48第十四页,共二十四页,2022年,8月28日例4的解题过程(2)又Bi=α×δ/λ,式中α为水对金属的给热系数,取836.6kJ/(m·h·℃);δ=0.01m;λ=0.4183kJ/(m·h·℃),于是
Bi=836.600×0.01/0.4183=20当F0=0.48、Bi=20,由图2-5中查得θw/θ’=0.05,则(Tw-20)/180=0.05得Tw=180×0.05+20=29℃既PP塑料板材经过18min冷却后,其表面温度为29℃.第十五页,共二十四页,2022年,8月28日例4的解题过程(3)(2)求平板的中心温度平板中心的最初差余温度即θ’=200-20=180℃θ0=T0-20
所以,θ0/θ’=(T0-20)/180当F0=0.48Bi=20,由图2-10查得θ0/θ’=0.42,则(T0-20)/180=0.42得T0=180×0.42+20=95.6℃即PP塑料板经18min冷却后,中心温度仍有95.6℃。通过此题的计算表明,要使塑料制品中心处的温度降下来,是需要很长的时间。第十六页,共二十四页,2022年,8月28日三、热扩散系数(导温系数)1、热扩散系数的概念:P602、热扩散系数的计算式:α=λ/(ρ·Cp)3、热扩散系数的数据:P61表2-44、热扩散系数的精确性差的原因:第一,导热系数λ是随温度的变化而变化。第二,高分子材料的密度ρ也随温度的升高而减小。第三,定压比热Cp也随温度的变化而明显变化,而且变化规律也较复杂。热扩散系数的数据在很大程度上是很粗糙的,从所有的实验数据来看,在较大温度范围内,各种高分子材料的热扩散系数的变化幅度通常不足两倍。第十七页,共二十四页,2022年,8月28日第三节高分子材料加工过程中的生成热
高分子材料在加工过程中,在不同的情况下,会产生各种形式的生成热。在受机械力的作用下,部分的机械能会转变热能,如物料在高速混合机中进行高速混合,由于物料与混合设备内壁产生摩擦而产生摩擦热;高分子熔体在挤出、注射等加工的流动过程中,由于受到各种剪切作用,而形成剪切热;生胶在塑炼、混炼等加工工序中,因弹性等因素而产生热能;橡胶制品使用时常受到周期应力或交变应力作用,会使制品的温度升高;在塑料发泡成型中,还存在化学反应热。第十八页,共二十四页,2022年,8月28日
一、高分子熔体因摩擦而生成的热量
1、生成热的作用:在高分子熔体流动过程中,由于高分子熔体内部分子的摩擦而产生大量的热量,使得熔体粘度降低许多。
2、摩擦生成热的计算式:P63式(2-15)
3、利用生成热的优点:P644、注塑时,熔料流经喷嘴时所产生的温升计算:P64第十九页,共二十四页,2022年,8月28日二、在周期应力作用下,由内耗所引起的温升。
1、不同频率下,温度与变形的关系:P64图2-11在橡胶加工中的应用
2、滞后现象引起的内耗,使温度上升(1)应力和应变的相位角P65图2-12
(2)滞后所消耗的功:W=πσ0ε0sinδ
(3)内耗峰的出现及其分析:P65图2-13第二十页,共二十四页,2022年,8月28日第二十一页,共二十四页,2022年,8月28日第二十二页,共二十四页,2022年,8月28日第
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