聚合物加工中加热和冷却

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1、聚合物加工中加热和冷却聚合物的加热和冷却聚合物在成型加工过程中为使流动的成型，加热和冷却是必须的。任何物料加热与冷却的难易是由温度或热量在物料中的传递速度决定的，而传递速度又决定于物料的固有性能--热扩散系数α，这一系数的 定义为：式中K为导热系数，Cp为定压热容，ρ为密度。某些材料的热性能参见下表：上表中所列的扩散系数仅为常温状态下的，如果需要准确计算加工温度范围内各种聚合物的热扩散系数 是颇为麻烦的，因为式（3-34）中，几个因素都随温度而变化。但是从实验数据统计结果可知，在较大温 度范围内各种聚合物热扩散系数的变化幅度并不很大，通常不到两倍。虽然各种聚合物由玻璃态至熔融态 的扩散系

2、数是逐渐下降的，但是在熔融状态下较大温度范围内几乎保持不变，在熔融状态下热扩散系数不 变的原因是：比热容随温度上升的趋势恰为密度随温度下降的趋势所抵消。从表中的数据可以看出，各种聚合物的热扩散系数相差并不很大，但与铜和钢相比，则差得很多，几乎 要小1~2个数量级。这说明聚合物热传导的传热速率很小，冷却的加热都不容易。其次，粘流态聚合物由 于粘度很高，对流传热速率也很小。基不动声色这两种原因，在成型过程中，要使一批塑料的各个部分在 较短的时间内达到同一温度，常常需要很复杂的设备和很大的消耗。即便如此，还往往不易达到要求，尤 其在时时间上很不经济。对聚合物加热时还有一项限制，就是不能将推动传

3、热速率的温差提得过记，因为聚合物的传热既然不好 ，则局部温度就可能过高，会引起降解。聚合物熔体在冷却时也不能使冷却介质与熔体之间温差太大，否 则就会因为冷却过快而使其内部产生内应力。因为聚合物熔体在快速冷却时，皮层的降温速率远比内层为 快，这样就中能使皮层温度已经低于玻璃化转变温度而内层依然在这一温度之上。此时皮层就成为坚硬的 外壳，弹性模量远远超过内层（大至103倍以上）。内层获得进一步冷却时，必会因为收缩而使其处于拉 伸状态，同时也使皮层受到应力的作用。这种冷却情况下的聚合物制品，其物理机械性能，如弯曲强度、 拉伸强度等都比应有的数值低。严重时，制品会出现翘曲变形以致开裂，成为废品。

4、由于许多聚合物熔体的粘度都很大，因此在成型过程中发生流动时，会因内摩擦而产生显著的热量。此 摩擦热在单位体积的熔体中产生的速率Q为：  式中τ为剪切速率，γ为剪切速率，ηa表观粘度，J为热功当量。如果熔体的流动是在圆管内进行的， 则Q在管的中心处为零（因为圆管中心处τ=0），而在管壁处最大。 借助摩擦热而使聚合物升温是成型中常用的一种方法，例如在挤出或注塑过程中聚合物的许多热量来自 于摩擦的方法加热对有些聚合物是十分有益的，它使熔体烧焦的可能性不大，因为表观粘度常随温度的升 高而降低。聚合物熔体在流动过程中，由于粘度大，会在较短的流道内造成很大的压力降，从而可能使前后的密度 不一致。密度

5、变小表明熔体的体积膨胀，膨胀则会消耗热能。关于这项热能，虽在理论上有不少计算，但 实际有出入。最后还须一提的是，结晶聚合物在受热熔融时，伴随有相态的转变，这种转变需要吸收较多有热量。例 如，部分结晶的聚乙烯熔融时就比无定型的聚苯乙烯熔融时吸收更多的热量。反过来，在冷却时也会放出 更多的热量。两种聚合物热焓随温度的变化情况见图3-44，此图是典型的结晶性聚合物和无定型聚合物的 热焓图。此外，聚乙烯在相态转变时，比热常有突变（见图3-45），但聚苯乙烯的比热变化就较为缓和 （见图4-46）。此图也是较为典型的结晶聚合物和无定形聚合物比热对温度变化图。