高分子材料基本加工工艺第三章 第一节第二节

高分子材料基本加工工艺

第三章 高分子材料加工中的热行为思考： 高分子材料的热行为与金属或非金属材料 有什么不同之处？ 高分子材料的热物理性能 (1)耐热性 (2)热稳定性 (3)导热性 (4)热膨胀性

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第一节 高分子材料的热物理特性一、热膨胀线胀系数

热膨胀体胀系数

部分高分子材料室温下的线膨胀系数高聚物材料 石英玻璃 热固性塑料酚醛树脂(填充木粉) 线膨胀系数×10-5, 1/K

高聚物材料 聚甲基丙烯酸甲酯 尼龙 聚丙烯 聚乙烯 聚氯乙烯 纤维素的醚及酯

线膨胀系数×10-5, 1/K

脲醛树脂 硫化天然橡胶 热塑性塑料 聚苯乙烯

0.1 2~5 3 3 8 6~20 7

4.5 6~9 9.8 11~13(HDPE) 16~18(LDPE) 5~18.5(未增塑) 6~17

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高分子材料的胀缩性对其应用的影响 如何减少热膨胀现象的产生？ 如何减少热膨胀现象的产生？ 二、热容

热容 比热容

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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 传热的基本方式热的传递是由于系统内或物体内温度不同而引起的， 热的传递是由于系统内或物体内温度不同而引起的，根 据传热机理不同，传热的基本方式有三种： 据传热机理不同，传热的基本方式有三种：

热传导(conduction); 热传导(conduction); 对流(convection); 对流(convection); 辐射(radiation)。 辐射(radiation)。 (radiation)

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又称导热) (1)热传导(又称导热) 物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、 物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、 原子和自 由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导。 由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导 。 特点： 特点：没有物质的宏观位移

气体 固体 液体

分子做不规则热运动时相互碰撞的结果 导电体：自由电子在晶格间的运动 非导电体：通过晶格结构的振动来实现的 机理复杂

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(2)热对流流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热 对流。 热对流仅发生在流体中。 对流。 热对流仅发生在流体中。

热对流的两种方式： 热对流的两种方式： 强制对流： 强制对流：用机械能使流体发生对流运动的称为强制对流。 用机械能使流体发生对流运动的称为强制对流。

自然对流： 自然对流：由于流体各处的温度不同而引起的密度差异， 由于流体各处的温度不同而引起的密度差异， 致使流体产 生相对位移，这种对流称为自然对流。 生相对位移，这种对流称为自然对流。 流动的原因不同， 对流传热的规律也不同。 流动的原因不同 ， 对流传热的规律也不同 。 在同一流体中 有可能同时发生自然对流和强制对流。 有可能同时发生自然对流和强制对流。

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(3)辐射因

热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。 因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。 所有物体都能将热以电磁波的形式发射出去， 所有物体都能将热以电磁波的形式发射出去，而不需要任何 介质。 介质。 任何物体只要在绝对零度以上都能发射辐射能，但是只有在 任何物体只要在绝对零度以上都能发射辐射能， 物体温度较高的时候，热辐射才能成为主要的传热形式。 物体温度较高的时候，热辐射才能成为主要的传热形式。

实际上，上述三种传热方式很少单独出现，而往往是相互 实际上， 上述三种传热方式很少单独出现， 伴随着出现的。 伴随着出现的。

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2.高分子材料加工中的传热特性 2.高分子材料加工中的传热特性

厚壁的塑料注塑制品 挤出成型 实例: 塑料制品厂

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二、高分子材料加工中的热传导1、傅立叶定律与热导率傅立叶定律是热传导的基本定律，它指出： 傅立叶定律是热传导的基本定律，它指出：单位时间内传导 的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比， 的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比，即

d = λA T /δ单位时间传导的热量， 式中 Q——单位时间传导的热量，简称导热速率，w 单位时间传导的热量 简称导热速率， A——导热面积，即垂直于热流方向的表面积，m2 导热面积，即垂直于热流方向的表面积， 导热面积

导热系数( λ——导热系数(thermal conductivity)

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(1) λ在数值上等于单位温度梯度下的热通量。 (2) λ是分子微观运动的宏观表现。 λ = f(结构,组成,密度,温度,压力) (3) 各种物质的热导率 λ金属固体 > λ非金属固体 > λ液体 > λ气体

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2.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如图所示： 如图所示：以三层平壁为例 假定各层壁的厚度分别为b 假定各层壁的厚度分别为 b1 , 各层材质均匀， b2,b3,各层材质均匀，导热系 数分别为λ 数分别为 λ1 , λ2 , λ3 , 皆视 为常数； 为常数； 层与层之间接触良好， 层与层之间接触良好 ， 相互 接触的表面上温度相等， 接触的表面上温度相等 ， 各等 温面亦皆为垂直于x 温面亦皆为垂直于x轴的平行平 面。 壁的面积为A 壁的面积为 A , 在稳定导热过 程中， 穿过各层的热量必相等。 程中 ， 穿过各层的热量必相等 。 t t1

Q b1

b

2

b

3

t

2

t

3

t

4

x

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圆筒壁的稳定热传导(1) 单层圆筒壁的稳定热传导 )如图所示： 如图所示：

设圆筒的内半径为r 设圆筒的内半径为 r1 , 内 壁温度为t 外半径为r 壁温度为 t1 , 外半径为 r2 , 外壁温度为t 外壁温度为t2。 温度只沿半径方向变化，

温度只沿半径方向变化， 等温面为同心圆柱面。 等温面为同心圆柱面。圆筒 壁与平壁不同点是其面随半 径而变化。 径而变化。

Q

t

2

t r r r1 2 1

dr

L

在半径r处取一厚度为dr的薄层，若圆筒的长度为L 在半径r处取一厚度为dr的薄层，若圆筒的长度为L,则半 dr的薄层 径为r 径为r处的传热面积为 A=2πrL。

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(2) 多层圆筒壁的稳定热传导对稳定导热过程，单位时间内由多层壁所传导的热量， 对稳定导热过程，单位时间内由多层壁所传导的热量，亦即 经过各单层壁所传导的热量。 经过各单层壁所传导的热量。 如图所示：以三层圆筒壁为例。 如图所示：以三层圆筒壁为例。 假定各层壁厚分别为b 假定各层壁厚分别为 b1= r2r1,b2=r3- r2,b3=r4- r3; 各 层 材 料 的 导 热 系 数 λ1 , 皆视为常数； λ2,λ3皆视为常数； 层与层之间接触良好， 层与层之间接触良好 ， 相互 接触的表面温度相等， 接触的表面温度相等 ， 各等温 面皆为同心圆柱面。 面皆为同心圆柱面。

r1 t2 t3 t4 t1

r2 r3

r4

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例1 例2

三、热扩散系数 热扩散系数差别大的原因 1.热导率λ随温度的变化而变化 2.高分子材料的密度ρ也随温度的升高而减 小 3.定压比热CP也随温度的变化而明显变化

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作业 P48 1, 6