高分子材料基本加工工艺课件第二章.ppt

1、第二章 高分子材料加工中的热行为,学习指南 掌握高分子材料的热物理性质； 掌握高分子材料在加工中的生成热； 掌握高分子热膨胀和热容的基本性质； 掌握高分子材料在加工过程中的热传导的基本行为及有关计算； 掌握高分子材料在加工过程中的生成热与成型加工过程的关系。,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

2、缩性对高分子材料应用的意义 3、线胀系数的影响因素,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：

3、 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：,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2-1 3、 Fourier导热公式： Q=A（Tw1- Tw2）/ 式中 Q单位时间内通过平壁的导热量，即导热速率，W； T平壁两侧表面的温差，； A垂直于导热方向的截面积，m2； 平壁的厚度，m； 高分子材料的导热系数，W/m。,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

4、热流方向上的路程长度成反比,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： （w1-Tw2）A/ （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。,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-

5、3 计算公式：Q=2L（Tw1-Tw2）/-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：P 58 式（2-7）,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=l/cm 其中为给热系数，l为长度，cm为平均导热系数； B、傅立叶准数，F0=t/2 其中为导温系数； C、长度准数，L=x/l 。 D、温度无因次数群/ / =（Bi、F0、L） （2-10） 式中物体最初差余温度，； 物

6、体最终差余温度，。,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： / =（Bi、F0、L） （2-10） w/=w（Bi、F0） （2-11） 0/=w（Bi、F0） （2-12） （4）热量无因次数群表达式： Qt/Q=Q（Bi ,F0） （2-13 ） （5）讲解例3、例4：体现图2-5图2-10的应用,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=110-3cm2/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=t/2=（110-3）（100）/

7、（2/2）2=0.10 Bi=5（已知） 根据图2-5，当F0=0.10、Bi=5，查出w/=0.3 （Tw-20）/（100-20）=0.3 Tw =800.97+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0/=0.97 于是 （TO-20）/（100-20）=0.97 T0 =800.97+20=97.6 即在水中冷却100s，其中心温度仍有97.6的高温 。,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

8、寸为100060020mm，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。,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与最终差余温度w，分别为： =200-20=180 w =Tw-20 其中Tw为平板表面温度，所以w/=（Tw-20）/180 又 F0=at /2 式中： t=18min=0.3h 板的厚度=20/2mm=0.01m(因两面传热)； PP的=11.718J（cms）=0.4183kJ（mh）； Cp=2.928kJ/（kg） =900kgm

9、3 =k/（Cp）=0.4183/(2.928900)=1.614-4m2/h,将数据代入上式,得 F0=1.614-40.3/0.012=0.48,例4的解题过程（2）,又Bi=/， 式中为水对金属的给热系数,取836.6kJ/( mh)；=0.01m； =0.4183kJ/( mh),于是 Bi=836.6000.01/0.4183=20 当F0=0.48、Bi=20，由图2-5中查得w/=0.05，则（Tw-20）/180=0.05 得 Tw=1800.05+20=29 既PP塑料板材经过18min冷却后,其表面温度为29.,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

10、余温度 即=200-20=180 0=T0-20 所以，0/=（T0-20）/180 当F0=0.48 Bi=20,由图2-10查得0/=0.42，则 （T0-20）/180=0.42 得T0=1800.42+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。,三、热扩散系数（导温系数）,1、热扩散系数的概念：P60 2、热扩散系数的计算式：=/（ Cp） 3、热扩散系数的数据：P61 表2-4 4、热扩散系数的精确性差的原因： 第一，导热系数是随温度的变化而变化。 第二，高分子材料的密度也随温度的升高

11、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

12、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。,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：63式（2-15） 3、利用生成热的优点：P64 4、注塑时，熔料流经喷嘴时所产生的温升计算：P64,二、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=00sin （3）内耗峰的出现及其分析：P65 图2-13,三、高分子材料在成型加工中的化学反应热,高分子材料在加工