第二章高分子材料加工中的热行为.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,4,10,-5,310,-4,-1,。,2.,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,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：,C,p,（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，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。,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，每单位时间通过该平壁的热量。,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（,4.185,46,）,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,2000,atm,（大气压）,或过低（小于,20,mmHg,）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,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。,热扩散系数,10,-2,cm,2,s,；,导热系数，,W,m,；,密度，,g,cm,3,；,C,p,定压比热，,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,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，,J,cm,3,s,；,J,热功当量，,9.610,-2,J,kgcm,；,剪切速率，,s,-1,；,a,表观粘度，,kgs,cm,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，,N,m,2,；,熔体密度，,kg,m,3,；,C,p,定压比热，,J,（,kgK,）。,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,=,0,0,sin,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）,温度对周期应力作用效果的影响,1.T,T,g,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，相位差小，因而内耗小。,2.T,g,TT,m,或,T,f,大分子链之间可相互滑移，内耗急剧增加,温度对周期应力作用效果的影响,三、高分子材料在成型加工中的化学反应热,发泡,交联,硫化,接技,高分子材料加工过程中，发生化学反应，伴随热效应产生。,例如：,手糊成型玻璃钢制品，所用树脂为不饱和聚酯树脂或环氧树脂，在引发剂作用下树脂交联放出大量热。,本章结束,