高分子材料基本加工工艺第二章

高分子材料基本加工工艺课件第二章第1页，共24页，2023年，2月20日，星期四

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2页，共24页，2023年，2月20日，星期四

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3页，共24页，2023年，2月20日，星期四二、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4页，共24页，2023年，2月20日，星期四

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5页，共24页，2023年，2月20日，星期四二、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6页，共24页，2023年，2月20日，星期四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7页，共24页，2023年，2月20日，星期四2.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8页，共24页，2023年，2月20日，星期四3.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9页，共24页，2023年，2月20日，星期四4、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10页，共24页，2023年，2月20日，星期四4、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11页，共24页，2023年，2月20日，星期四例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12页，共24页，2023年，2月20日，星期四例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13页，共24页，2023年，2月20日，星期四例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14页，共24页，2023年，2月20日，星期四例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15页，共24页，2023年，2月20日，星期四例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16页，共24页，2023年，2月20日，星期四三、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17页，共24页，2023年，2月20日，星期四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18页，共24页，2023年，2月20日，星期四

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19页，共24页，2023年，2月20日，星期四二、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20页，共24页，2023年，2月20日，星期四第21页，共24页，2023年，2月20日，星期四第22页，共24页，2023年，2月20日，星期四第2