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1、高分子材料基本加工工艺课件第二章第1页，此课件共24页哦 第二章第二章 高分子材料加工中的热行为高分子材料加工中的热行为 第一节第一节 高分子材料的热物理特性高分子材料的热物理特性 一、热膨胀一、热膨胀 二、热容二、热容 第二节第二节 高分子材料加工业中的热传导高分子材料加工业中的热传导一、传热基本概念一、传热基本概念二、加工中的热传导二、加工中的热传导三、热扩散系数三、热扩散系数第2页，此课件共24页哦 第一节第一节 高分子材料的热物理特性高分子材料的热物理特性一、热膨胀一、热膨胀 1、材料的基本属性、材料的基本属性 热胀冷缩热胀冷缩2、线膨胀系数、线膨胀系数（1）概念概念 （2）特点）特点
2、（3）线膨胀系数数据：）线膨胀系数数据：P52 表表2-1（4）胀缩性对高分子材料应用的意义）胀缩性对高分子材料应用的意义3、线胀系数的影响因素、线胀系数的影响因素第3页，此课件共24页哦二、热容二、热容 1、热的物理概念：热也可以按类似的二象性处理。可以、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粒子-声子。声子。2、热容和比热容的概念：、热容和比热容的概念：热容是材料的温度提高热容是材料的温度提高1（或（或1K）所需的能量）所需的能量,单位为单位为J/（或（或J/K）。）。比热容是将单位
3、质量材料的温度提高比热容是将单位质量材料的温度提高1（或（或J/K）所需的能量）所需的能量,单位为单位为J/（kg）。）。3、比热容的数据：、比热容的数据：P53 表表2-2 这些数据说明什么？这些数据说明什么？第4页，此课件共24页哦 第二节第二节 高分子材料加工业中的热传导高分子材料加工业中的热传导 一、传热基本概念一、传热基本概念 1、传热的基本方式、传热的基本方式：三种：三种2、高分子材料加工中的传热特性：、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，传热速塑料是热的不良导体，其导热系数比较低，传热速度较慢。度较慢。3、摩擦热和塑料熔化热：、摩擦热和塑料熔化热：剪
4、切摩擦产生的热量，是由机械能转换的重要剪切摩擦产生的热量，是由机械能转换的重要热源热源 这种热使物料不会被烧焦。原因：这种热使物料不会被烧焦。原因：第5页，此课件共24页哦二、高分子材料加工中的热传导二、高分子材料加工中的热传导 1、傅立叶（、傅立叶（Fourier）定律）定律 一个物体的内部，只要各点间有温差存在，则热一个物体的内部，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。量就会从高温点向低温点传导。2、单层平壁热传导、单层平壁热传导 P55 图图2-13、Fourier导热公式：导热公式：Q=A（Tw1-Tw2）/式中式中 Q单位时间内通过平壁的导热量，即单位时间内通过平壁的
5、导热量，即导热速率，导热速率，W；T平壁两侧表面的温差，平壁两侧表面的温差，；A垂直于导热方向的截面积，垂直于导热方向的截面积，m2；平壁的厚度，平壁的厚度，m；高分子材料的导热系数，高分子材料的导热系数，W/m。第6页，此课件共24页哦Fourier定律定律 在平壁内单位时间以热传导的方式传递的热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两侧的温差成正此，而与热流方向上的路程长度成反比度成反比 第7页，此课件共24页哦2.导热系数导热系数（1）导热系数的概念：）导热系数的概念：
6、导热系数是衡量物质导热能力的一个物理量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：）导热系数公式：（w1-Tw2）A/（2-3）（3）导热系数的影响因素）导热系数的影响因素：（4）导热系数数据：）导热系数数据：P56 表表2-3 热塑性塑料在物态转变点时，其导热系数有明显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，随压力料变化较小。导热系数也与压力有依赖性，随压力升高而增
7、大。升高而增大。第8页，此课件共24页哦3.经过平壁和圆筒壁的稳定热传导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）经过多层平壁的稳定传热 过程：过程：P56 图图2-2 计算式：计算式：P56式（式（2-5）讲解例讲解例1和例和例2（2）经过单层圆筒壁稳定热传导）经过单层圆筒壁稳定热传导 过程：过程：P57图图2-3 计算公式：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，单层圆筒壁两边外表面的温度，；L圆筒的长度，圆筒的长度，m；r1、r2圆筒的内外半径，圆筒的内外半径，m。（3）经过多层圆筒壁稳定热传导）经过多层圆筒壁
8、稳定热传导 热传导过程：热传导过程：P57图图2-7 计算式：计算式：P 58 式（式（2-7）第9页，此课件共24页哦4、经过平壁和圆筒壁不稳定热传导（、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：）不稳定热传导的概念：P58（2）四种无因次数群：）四种无因次数群：A、毕渥准数，、毕渥准数，Bi=l/cm 其中其中为给热系数，为给热系数，l为长度，为长度，cm为平均导热系数；为平均导热系数；B、傅立叶准数，、傅立叶准数，F0=t/2 其中其中为导温系数；为导温系数；C、长度准数，、长度准数，L=x/l 。D、温度无因次数群、温度无因次数群/=（Bi、F0、L）（2-10）式中
9、式中物体最初差余温度，物体最初差余温度，；物体最终差余温度，物体最终差余温度，。第10页，此课件共24页哦4、经过平壁和圆筒壁不稳定热传导（、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：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：）热量无因次数群表达式：Qt/Q=Q（Bi,F0）（2-13）（5）讲解例）讲解例3、例、例4：体现图：体现图2-5图图2-10的应用的应用第11页，此课件共24页哦例例3 一块大塑料板厚一块大塑料板厚2cm,最初均匀温度为最初均匀温度为100
10、,将它浸入冷水中将它浸入冷水中,冷水的温度为冷水的温度为20，如毕渥准数，如毕渥准数Bi=5，板的导温系数，板的导温系数=110-3cm2/s，当板在冷水中冷却，当板在冷水中冷却100s后，试计算板的表面温度和中心温度。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：解：首先计算傅立叶准数：F0=t/2=（110-3）（100）/（2/2）2=0.10 Bi=5（已知）（已知）根据图根据图2-5，当，当F0=0.10、Bi=5，查出，查出w/=0.3 （Tw-20）/（100-20）=0.3 Tw=800.97+20=44即当板在水中冷却即当板在水中冷却100s后，其表面温度为后，其
11、表面温度为44。根据图根据图2-6，当，当FO=0.10、Bi=5时，查出时，查出0/=0.97于是于是 （TO-20）/（100-20）=0.97 T0=800.97+20=97.6即在水中冷却即在水中冷却100s，其中心温度仍有，其中心温度仍有97.6的高温的高温 。第12页，此课件共24页哦例例4 通过例通过例3的计算说明：对于厚度较厚的高的计算说明：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。度的温差仍然很大。例例4、现有、现有PP塑料板其外形尺
12、寸为塑料板其外形尺寸为100060020mm，最初平均温度达，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，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，金属面温度始属的另一面却有冷却水流过，金属面温度始终保持终保持20，当冷却，当冷却18min后，试求塑料平后，试求塑料平板表面温度和中心温度。板表面温度和中心温度。第13页，此课件共24页哦例例4的解题过程（的解题过程（1）（1）平板表面温度：平壁表面的最初差余温度平板表面温度：平壁表面的最初差余温度与最终差余与最终差余温度温度w，分别为：，分别为：=200-20=180 w=Tw-20 其中其中Tw为平板表面温
13、度，所以为平板表面温度，所以w/=（Tw-20）/180又又 F0=at/2 式中：式中：t=18min=0.3h板的厚度板的厚度=20/2mm=0.01m(因两面传热因两面传热)；PP的的=11.718J（cms）=0.4183kJ（mh）；）；Cp=2.928kJ/（kg）=900kgm3=k/（Cp）=0.4183/(2.928900)=1.614-4m2/h,将数据代入上将数据代入上式式,得得 F0=1.614-40.3/0.012=0.48第14页，此课件共24页哦例例4的解题过程（的解题过程（2）又又Bi=/，式中式中为水对为水对金属金属的给热系数的给热系数,取取836.6kJ/(
14、mh)；=0.01m；=0.4183kJ/(mh),于是于是 Bi=836.6000.01/0.4183=20当当F0=0.48、Bi=20，由图，由图2-5中查得中查得w/=0.05，则，则（Tw-20）/180=0.05得得 Tw=1800.05+20=29既既PP塑料板材经过塑料板材经过18min冷却后冷却后,其表面温度为其表面温度为29.第15页，此课件共24页哦例例4的解题过程（的解题过程（3）(2)求平板的中心温度求平板的中心温度 平板中心的最初差余温度平板中心的最初差余温度 即即=200-20=180 0=T0-20 所以，所以，0/=（T0-20）/180当当F0=0.48 B
15、i=20,由图由图2-10查得查得0/=0.42，则，则（T0-20）/180=0.42得得T0=1800.42+20=95.6即即PP塑料板经塑料板经18min冷却后冷却后,中心温度仍有中心温度仍有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。降下来，是需要很长的时间。第16页，此课件共24页哦三、热扩散系数（导温系数）三、热扩散系数（导温系数）1、热扩散系数的概念：、热扩散系数的概念：P602、热扩散系数的计算式：、热扩散系数的计算式：=/（Cp）3、热扩散系数的数据：、热扩散系数的数据：P61 表表2-44、热
16、扩散系数的精确性差的原因：、热扩散系数的精确性差的原因：第一，导热系数第一，导热系数是随温度的变化而变化。是随温度的变化而变化。第二，高分子材料的密度第二，高分子材料的密度也随温度的升高而减小。也随温度的升高而减小。第三，定压比热第三，定压比热Cp也随温度的变化而明显变化，而且变化规律也较也随温度的变化而明显变化，而且变化规律也较复杂。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。化幅度通常不足两
17、倍。第17页，此课件共24页哦第三节第三节 高分子材料加工过程中的生成热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，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
18、塑炼、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，还存在化学反应品的温度升高；在塑料发泡成型中，还存在化学反应热。热。第18页，此课件共24页哦一、高分子熔体因摩擦而生成的热量一、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，、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由于高分子熔体内部分子的摩擦而产生大量的热量，
19、使得熔体粘度降低许多。量，使得熔体粘度降低许多。2、摩擦生成热的计算式：、摩擦生成热的计算式：63式（式（2-15）3、利用生成热的优点：、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：、注塑时，熔料流经喷嘴时所产生的温升计算：P64 第19页，此课件共24页哦二、在周期应力作用下，由内耗所引起的温升。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：、不同频率下，温度与变形的关系：P64 图图2-11 在橡胶加工中的应用在橡胶加工中的应用 2、滞后现象引起的内耗，使温度上升、滞后现象引起的内耗，使温度上升 （1）应力和应变的相位角）应力和应变
20、的相位角 P65 图图2-12 （2）滞后所消耗的功：）滞后所消耗的功：W=00sin （3）内耗峰的出现及其分析：）内耗峰的出现及其分析：P65 图图2-13第20页，此课件共24页哦第21页，此课件共24页哦第22页，此课件共24页哦第23页，此课件共24页哦三、高分子材料在成型加工中的化学反应热三、高分子材料在成型加工中的化学反应热 高分子材料在加工过程中，凡发生化学反应之时，高分子材料在加工过程中，凡发生化学反应之时，都伴随着热效应。用有化学发泡剂生产泡沫塑料时，都伴随着热效应。用有化学发泡剂生产泡沫塑料时，有生产热的产生或吸收热量。有生产热的产生或吸收热量。在橡胶硫化过程中，生胶与硫磺之间的化学反在橡胶硫化过程中，生胶与硫磺之间的化学反映也是放热反应。实验证明，在映也是放热反应。实验证明，在184硫化时，含硫化时，含4%硫磺胶料的反应热为硫磺胶料的反应热为+41.8J/g。这在硫化工艺中。这在硫化工艺中是不能忽视的一个因素，尤其是硬质橡胶制品硫化时是不能忽视的一个因素，尤其是硬质橡胶制品硫化时所产生的热量更大。在制订工艺条件时，必须对生成所产生的热量更大。在制订工艺条件时，必须对生成热的量有正确的估算，以便在工艺上采取相应的措施。热的量有正确的估算，以便在工艺上采取相应的措施。第24页，此课件共24页哦