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聚合物加工基础 第四章 传热 热量传递是自然界最普遍的现象。凡有温差存在的地方，热量总是自发地由高温向低温传递--热力学第二定律。 化学工业与传热关系尤为密切，几乎所有的过程都有热量的进出。 4.1 传热基本问题和原理 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，即 4.1.1 传热原理 聚合物加工中的热传导服从傅立叶定律。 式中 Q——单位时间传导的热量，简称传热速率，w S——导热面积，即垂直于热流方向的表面积，m2 λ——导热系数(thermal conductivity)，w/m.k。 式中的负号指热流方向和温度梯度方向相反。 黏性发热-内摩擦力产生热能 塑性形变加热-颗粒移动，机械能转化 4.1.2 聚合物的热稳定性 聚合物的热稳定性限制了加工最高温度和经受高温的时间。 传热的判据（温度梯度和熔融速率） 4.1.3 聚合物的热物理性能参数 密度、比热容、粘度、热导率、热扩散系数等与温度和聚合物形态密切相关。 实际上各种添加剂会导致各项参数的变化。 4.1.4 选择适宜的速度 熔体的粘度很大，会造成粘性耗散，导致聚合物热降解。 外部输入机械功能量消耗大 流动速度标准：最高传热速率，加热均匀，停留时间短 4.1.5 压实体的性质 聚合物的形态为微细粒子（＜3mm） 粒状、粉状、纤维状 压实后具有一定刚性和不均匀的孔隙度，应力分布不均匀。 4.2 传热机理 热能量平衡方程 单位体积内能增加速率 对流传热引起的内能增加速率 由热传导引起的内能增加速率 由压缩做功产生的内能增加速率（可逆） 由机械功耗散引起的内能增加速率，包括黏性耗散和塑性形变耗散（不可逆） 外界加入其他能源，如介电加热和反应热引起的内能增加速率 对流传热 热传导 压缩能量 黏性耗散 塑性形变耗散 耗散混合熔融 4.3 熔融方法分类 无熔体移走的传导熔融 移动热源的加热和熔融 强制熔体移走的传导和熔融 耗散混合熔融 4.3.1 无熔体移走的传导熔融 4.3.1.1 操作原理 熔融全部热量由接触或暴露表面提供，熔融速率仅由传导决定。 例：滚塑 4.3.2移动热源的加热和熔融 在聚合加工中，如聚氯乙烯焊接，连续介电加热密封或两辊间加热或冷却薄板、薄膜。热源和聚合物材料之间总有一个静止，一个移动。 另一种情况，结晶聚合物的熔体冷却。熔体不移动，但熔－固界面处放出结晶潜热，视为内部移动热源。 4.3.3强制熔体移走的传导熔融 有拖动移走和压力移走两种方法。 特点： 1、液相传导速率因液相层薄，增大了温度梯度，所以提高了传导速率； 2、因及时移走部分熔体，使熔体在高温区的停留时间缩短，减少了降解机会。因而存在提高壁温的可能 性。 3、膜内的黏性耗散为加热熔融增加了一个重要热源。 4.3.3 强制熔体移走的传导熔融 熔融的一部分热量由接触表面的传导提供， 一部分热量通过熔膜中的黏性耗散将机械能转变为热能来提供。 4.3.4 耗散混合熔融 双螺杆挤出机的特点是挤压、破碎、混合能力强。进入撤出机的粒子群很快受到强烈的挤压，粒子的塑性形变产生形迹耗散，随即被新生熔体、漏流和返流熔体强烈混合形成固液悬浮液，同时将耗散参量均匀分布在整个容积内，体系呈现耗散混合熔融机理。 4.4 几何形状、边界条件和物理性质对熔融过程的影响 聚合物传热问题的边界条件可以归纳为三类： （1）限定表面温度； （2）限定表面对流条件； （3）限定表面热流密度。 4.5 聚合物在注射成型中的冷却 结晶性聚合物冷却阶段的温度分布 无定型聚合物冷却阶段的温度分布 冷却时间的计算 4.5.3 冷却时间的计算 什么是塑件在模具内的冷却时间？ 通常指塑料熔体从充满型腔时起到可以开模取出制件的这一段时间。 可开模的标准：塑件已充分固化，具有一定的强度和刚度，开模推出时不致变形开裂。 衡量塑件已充分固化的准则： ①塑件最大壁厚中心部分的温度已冷却到该种塑料的热变形温度以下。 ②塑件截面内的平均温度已达到所规定的塑件的出模温度。 ③对于结晶形塑料，最大壁厚的中心层温度达到固熔点，或结晶度达到某一百分比。 (1) 塑件最大壁厚中心部分温度达到热变形温度时所需的冷却时间T1(s)为 式中 S——塑件的壁厚，mm； α1——塑料热扩散率，mm2／s； tc——塑料注射温度，℃； tM——模具温度，℃； t1——塑料的热变形温度，℃；确定t1时还应根据经验。 针对上述三种准则，有三种计算塑件冷却时间公式 (2)塑件截面内平均温度达到规定的塑件出模温