聚合物加工中加熱和冷卻

1、<p>　　聚合物加工中加熱和冷卻</p><p><b>　　聚合物的加熱和冷卻</b></p><p>　　聚合物在成型加工過(guò)程中為使流動(dòng)的成型，加熱和冷卻是必須的。任何物料加熱與冷卻的難易是由溫</p><p>　　度或熱量在物料中的傳遞速度決定的，而傳遞速度又決定于物料的固有性能--熱擴(kuò)散系數(shù)α，這一系數(shù)的 定義為：

2、</p><p>　　式中K為導(dǎo)熱系數(shù)，Cp為定壓熱容，ρ為密度。某些材料的熱性能參見(jiàn)下表：</p><p>　　上表中所列的擴(kuò)散系數(shù)僅為常溫狀態(tài)下的，如果需要準(zhǔn)確計(jì)算加工溫度范圍內(nèi)各種聚合物的熱擴(kuò)散系數(shù) 是頗為麻煩的，因?yàn)槭剑?-34）中，幾個(gè)因素都隨溫度而變化。但是從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，在較大溫 度范圍內(nèi)各種聚合物熱擴(kuò)散系數(shù)的變化幅度并不很大，通常不到兩倍。雖然各

3、種聚合物由玻璃態(tài)至熔融態(tài) 的擴(kuò)散系數(shù)是逐漸下降的，但是在熔融狀態(tài)下較大溫度范圍內(nèi)幾乎保持不變，在熔融狀態(tài)下熱擴(kuò)散系數(shù)不 變的原因是：比熱容隨溫度上升的趨勢(shì)恰為密度隨溫度下降的趨勢(shì)所抵消。</p><p>　　從表中的數(shù)據(jù)可以看出，各種聚合物的熱擴(kuò)散系數(shù)相差并不很大，但與銅和鋼相比，則差得很多，幾乎 要小1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。這說(shuō)明聚合物熱傳導(dǎo)的傳熱速率很小，冷卻的加熱都不容易。其次，粘流態(tài)

4、聚合物由 于粘度很高，對(duì)流傳熱速率也很小?；粍?dòng)聲色這兩種原因，在成型過(guò)程中，要使一批塑料的各個(gè)部分在 較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到同一溫度，常常需要很復(fù)雜的設(shè)備和很大的消耗。即便如此，還往往不易達(dá)到要求，尤 其在時(shí)時(shí)間上很不經(jīng)濟(jì)。</p><p>　　對(duì)聚合物加熱時(shí)還有一項(xiàng)限制，就是不能將推動(dòng)傳熱速率的溫差提得過(guò)記，因?yàn)榫酆衔锏膫鳠峒热徊缓?#160;，則局部溫度就可能過(guò)高，會(huì)引起降解。聚合物

5、熔體在冷卻時(shí)也不能使冷卻介質(zhì)與熔體之間溫差太大，否 則就會(huì)因?yàn)槔鋮s過(guò)快而使其內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。因?yàn)榫酆衔锶垠w在快速冷卻時(shí)，皮層的降溫速率遠(yuǎn)比內(nèi)層為 快，這樣就中能使皮層溫度已經(jīng)低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度而內(nèi)層依然在這一溫度之上。此時(shí)皮層就成為堅(jiān)硬的 外殼，彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)內(nèi)層（大至103倍以上）。內(nèi)層獲得進(jìn)一步冷卻時(shí)，必會(huì)因?yàn)槭湛s而使其處于拉 伸狀態(tài)，同時(shí)也使皮層受到應(yīng)力的作用。這種冷卻情況下的聚合物制品，

6、其物理機(jī)械性能，如彎曲強(qiáng)度、 拉伸強(qiáng)度等都比應(yīng)有的數(shù)值低。嚴(yán)重時(shí)，制品會(huì)出現(xiàn)翹曲變形以致開(kāi)裂，成為廢品。</p><p>　　由于許多聚合物熔體的粘度都很大，因此在成型過(guò)程中發(fā)生流動(dòng)時(shí)，會(huì)因內(nèi)摩擦而產(chǎn)生顯著的熱量。此 摩擦熱在單位體積的熔體中產(chǎn)生的速率Q為：   式中τ為剪切速率，γ為剪切速率，ηa表觀粘度，J為熱功當(dāng)量。如果熔體的流動(dòng)是在圓管內(nèi)進(jìn)行的， 則Q在

7、管的中心處為零（因?yàn)閳A管中心處τ=0），而在管壁處最大。  借助摩擦熱而使聚合物升溫是成型中常用的一種方法，例如在擠出或注塑過(guò)程中聚合物的許多熱量來(lái)自 于摩擦的方法加熱對(duì)有些聚合物是十分有益的，它使熔體燒焦的可能性不大，因?yàn)楸碛^粘度常隨溫度的升 高而降低。</p><p>　　聚合物熔體在流動(dòng)過(guò)程中，由于粘度大，會(huì)在較短的流道內(nèi)造成很大的壓力降，從而可能使前后的密度 不一

8、致。密度變小表明熔體的體積膨脹，膨脹則會(huì)消耗熱能。關(guān)于這項(xiàng)熱能，雖在理論上有不少計(jì)算，但 實(shí)際有出入。</p><p>　　最后還須一提的是，結(jié)晶聚合物在受熱熔融時(shí)，伴隨有相態(tài)的轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變需要吸收較多有熱量。例 如，部分結(jié)晶的聚乙烯熔融時(shí)就比無(wú)定型的聚苯乙烯熔融時(shí)吸收更多的熱量。反過(guò)來(lái)，在冷卻時(shí)也會(huì)放出 更多的熱量。兩種聚合物熱焓隨溫度的變化情況見(jiàn)圖3-44，此圖是典型的結(jié)晶性聚