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文档简介
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
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