第二節(jié)　高分子材料加工業(yè)中的熱傳導

高分子材料在加工中都離不開熱交換和能量的轉(zhuǎn)換，因此，我們必須了解塑料加工中的傳熱學。

一、傳熱基本概念

1.傳熱的基本方式

傳熱即熱量傳遞。熱量傳遞是由于物體內(nèi)部或物體之間的溫差而引起的。當無外功輸入時，根據(jù)熱力學第二定律可知，熱總是自動地從溫度較高的部分傳給溫度較低的部分，或是從溫度較高的物體傳給溫度較低的物體。根據(jù)傳熱機理的不同，傳熱的基本方式有：傳導、對流和輻射三種。

（1）傳導　傳導又稱熱傳導，簡稱導熱。其機理是當物體的內(nèi)部或兩個直接接觸的物體之間存在著溫差時，物體中溫度較高部分的分子因振動而與相鄰分子碰撞，并將能量的一部分傳給后者，為此，熱能就從物體的溫度較高部分傳到溫度較低部分或從一個溫度較高的物體傳遞給直接接觸的溫度較低的物體。其特點是物體中的分子或質(zhì)點不發(fā)生宏觀的相對位移。在金屬固體中，自由電子的擴散運動，對導熱起主要作用，在不良導熱體的固體和大部分液體中，導熱是通過振動能從一個分于傳遞到另一個分子；在氣體中，導熱則是由于分子不規(guī)則熱運動而引起的。導熱是固體中熱傳遞的主要方式。在高分子材料加工中，熱傳導是熱主要的傳遞方式。

（2）對流　對流又稱熱對流。對流僅發(fā)生在流體中，其機理是由于流體中質(zhì)點發(fā)生相對位移和混合，而將熱能由一處傳遞到另一處。若流體質(zhì)點的相對移動是因流體內(nèi)部各處溫度不同而引起的局部密度差異所致，則稱為自然對流。用機械能（如攪拌流體）使流體發(fā)生對流運動的稱為強制對流。熱對流的實質(zhì)是流體的質(zhì)點攜帶著熱能在不斷的流動中，把熱能給出或吸入的過程。在同一種流體中，有可能同時發(fā)生自然對流和強制對流。

強制對流在高分子材料加工中時有應用，如塑料熔體在擠出機或注射機料筒中的流動就是強制對流的一種表現(xiàn)形式。

但在實際上，熱對流的同時，流體各部分之間還存在著導熱，而形成一種較復雜的熱傳遞過程。但在某種狀態(tài)下，是某種熱傳遞方式為主導。

（3）輻射　輻射又稱熱輻射，是一種以電磁波傳遞熱能的方式。一切物體都能把熱能以電磁波形式發(fā)射出去，熱輻射的特點是不僅產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，而且還伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換。如兩個物體以熱輻射的方式進行熱能傳遞時，放熱物體的熱能先轉(zhuǎn)化為輻射能，以電磁波形式向周圍空間發(fā)射，當遇到另一物體，則部分成全部地被吸收，重新又轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。熱傳導和熱對流都是靠質(zhì)點直接接觸而進行熱的傳遞，而熱輻射則不需要任何物質(zhì)作媒介。任何物體只要在絕對零度以上，都能發(fā)射輻射能，但是只有在高溫下物體之間溫度差很大時，輻射才成為主要的熱傳遞方式。

高分子材料加工中，溫度往往較低（一般不超過300℃），因此，輻射傳熱的程度較輕。實際上，上述三種傳熱的基本方式，很少單獨存在，而往往是互相伴隨著同時出現(xiàn)。

2.高分子材料加工中的傳熱特性

高分子材料的加工與傳熱的關(guān)系甚為密切。因為高分子材料的加工中的很多單元操作，都需要進行加熱和冷卻。例如，高分子材料的擠出通常要控制在一定的溫度下進行，為了達到和保持所要求的加工溫度，就需要通過加熱器向擠出機的料筒導入一定的熱量，使物料熔融塑化；又如高分子材料被輸送到擠出機頭口模后，需要采取一定方式冷卻定型。整個擠出過程都有一定的溫度要求，所以需要向擠出設(shè)備或輔助設(shè)備導入或向外移出一定的熱量。

高分子材料在加工中在傳熱特性與加工工藝過程及工藝參數(shù)控制有著密切的聯(lián)系。由于塑料是熱的不良導體，其熱導率比較低，傳熱速度較慢。在塑料的加熱或冷卻過程中，其傳熱效果影響著塑料的加工過程和產(chǎn)品的質(zhì)量。

PVC原料和其他助劑在高速混合機中通過高速混合產(chǎn)生的摩擦熱使物料升溫，當升溫至規(guī)定溫度后出料，出料后需及時進行攪拌冷卻，否則，出料后混合料堆積在一起，堆積在中間的PVC混合物料由于熱量不能及時散發(fā)，導致PVC發(fā)生熱降解，其熱降解反應產(chǎn)生的反應熱使物料進一步升溫，促使PVC混合物料進一步加速熱分解。

對于厚壁的塑料注塑制品，由于其表面的冷卻速率與其內(nèi)部的冷卻速率不同，使表面的大分子鏈與內(nèi)部大分子鏈的松弛時間不同，導致表面收縮率與內(nèi)部收縮率不同，使制品容易產(chǎn)生內(nèi)應力，而使制品生產(chǎn)翹曲、變形，產(chǎn)生銀紋，嚴重時產(chǎn)生開裂現(xiàn)象；再如，在塑料的注射、擠出操作中，在開機前首先要加熱料筒，當料筒溫度被加熱至設(shè)定溫度時，還需進行保溫一段時間才能啟動主機，其原因是料筒內(nèi)原有的塑料物料傳熱速度比較慢，需要一定時間熱量才能通過傳熱作用均勻分布于料筒內(nèi)部，否則容易產(chǎn)生啟動載荷過大，使電機過載而損壞，嚴重時使螺桿損壞。

擠出成型中，單螺桿擠出機向高效高速方向發(fā)展，現(xiàn)已出現(xiàn)螺桿轉(zhuǎn)速高達1000r/min，在這樣高的轉(zhuǎn)速下，固體塑料在螺槽內(nèi)受剪切摩擦產(chǎn)生的熱量足以使其熔融塑化，生產(chǎn)正常后，往往不需要外界加熱。相反，甚至剪切摩擦產(chǎn)生的熱量過剩，反而需要通過冷卻來降低料筒溫度。因此，這種物料自身由于剪切摩擦產(chǎn)生的熱量，是由機械能轉(zhuǎn)換的重要熱源，必須引起重視。

二、高分子材料加工中的熱傳導

在塑料加工過程中，必須將塑料加熱至高彈態(tài)或加熱至黏流態(tài)，視各種加工方法而定。總之，需要熱量傳給塑料，最后還得冷卻物料而得到制品，這就涉及傳熱問題。傳熱學在塑料加工過程中至關(guān)重要。

1.傅立葉定律

一個物體的內(nèi)部，只要各點間有溫差存在，則熱量就會從高溫點向低溫點傳導。由熱傳導方式所產(chǎn)生熱流的大小，取決于物體內(nèi)部各點的溫度分布情況。

如圖2-1所示，為一個由均勻材料構(gòu)成的單層平壁，兩側(cè)表面積都等于A（m²），壁厚為δ（m），壁的兩側(cè)表面上溫度保持為T_w1和T_w2。如果T_w1>T_w2，則熱量以熱傳導的方式，從溫度為T_w1的平面?zhèn)鬟f到溫度為T_w2的平面上，導熱公式為

Q=λAΔT/δ　　（2-2）

式中　Q——單位時間內(nèi)通過平壁的導熱量，即導熱速率，W；

ΔT——平壁兩側(cè)表面的溫差， ℃，ΔT=T_w1-T_w2；

A——垂直于導熱方向的截面積，m²；

δ——平壁的厚度，m；

λ——高分子材料的熱導率，W/（m·℃）。

式（2-2）就是傅立葉導熱公式。傅立葉定律的內(nèi)容是：“在平壁內(nèi)單位時間以熱傳導的方式傳遞的熱量，與垂直于熱流的橫截面積成正比，與平壁兩側(cè)的溫差成正比，而與熱流方向上的路程長度成反比。”這是對導熱現(xiàn)象經(jīng)驗的規(guī)律性總結(jié)，是導熱的基本定律。據(jù)此定律可以確定在物體各點間存有溫差時，因熱傳導而產(chǎn)生熱流的大小。式（2-2）是研究熱傳導的基本方程。

2.熱導率

熱導率是衡量物質(zhì)導熱能力的一個物理量。式（2-2）可改寫為：

λ=Q/［（T_w1-T_w2）A/δ］　?。?-3）

當A=1m²、δ=1m、ΔT=T_w1-T_w2=1℃時，則單位時間內(nèi)的導熱量Q就和熱導率相等。這就是說，熱導率在數(shù)值上等于一個厚度為1m、表面積為1m²的平壁兩側(cè)維持1℃溫度差時，每單位時間通過該平壁的熱量。所以熱導率是物質(zhì)的一種物理性質(zhì)，它表示物質(zhì)導熱能力的大小，λ值愈大，則物質(zhì)的導熱性能越好。其單位由式（2-2）可知，為W/（m·℃）。

工程計算中所用的各種物質(zhì)的熱導率值都由實驗測定。

物質(zhì)的熱導率與物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、密度、溫度和壓力有關(guān)。一般來說，金屬的熱導率最大，非金屬的固體次之，固體的熱導率隨溫度的升高而增大。液體的熱導率一般遠較固體的為?。ń^熱材料除外），液體的熱導率隨溫度的升高而減小。表2-3是各種塑料的熱導率。

塑料的熱導率在固體材料中稍偏低，熱塑性塑料的熱導率一般在（4.185～46）×10^-2W/（m·℃）范圍內(nèi)。所以，在加工過程中冷卻或加熱厚制品是一個難題，需要新技術(shù)改進。

熱塑性塑料在物態(tài)轉(zhuǎn)變點時，其熱導率有明顯變化；熱導率與溫度有依賴性，一般隨溫度升高而增大，特別是結(jié)晶型塑料尤為顯著，無定形材料變化較小。熱導率也與壓力有依賴關(guān)系，隨壓力升高而增大。

經(jīng)過單層平壁的穩(wěn)定熱傳導示于圖2-1中，式（2-2）適用于單層平壁的穩(wěn)定熱傳導，可簡化為：

Q=λA（T_w1-T_w2）/δ=［（T_w1-T_w2）A］/（δ/λ）　?。?-4）

3.經(jīng)過平壁和圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導

經(jīng)過多層平壁的穩(wěn)定傳熱示于圖2-2中，而式（2-2）成為下列形式：

　　（2-5）

式中　T_w1，T_w2——多層串聯(lián)壁兩外表面的溫度， ℃；

n——壁的層數(shù)；

i——壁層的序數(shù)。

例1　某平模板壁厚d為0.37m，外表面溫度T_w1=280℃，內(nèi)表面溫度T_w2=100℃，模板材料的熱導率λ=0.815+0.00076T。若將熱導率按平均熱導率計算時，試求通過每平方米該平模板的導熱量。

解：平模板的平均溫度為T_a=（T_w1+T_w2）/2=（280+100）/2=190℃

平模板材料的平均熱導率為λ_a=0.815+0.00076×190=0.959W/（m·℃）

依式（2-4）可求得每平方米該平壁的導熱量為

Q/A=λ（T_w1-T_w2）/δ=0.959×（280-100）/0.37=466.54W/m²

例2　某材料厚度δ₁=20mm，材料的熱導率λ₁=58W/（m·℃）。若在該材料內(nèi)壁復合一層保溫層厚δ₂=1mm熱導率λ₂=1.16W/（m·℃）的材料。已知該材料表面溫度為T_w1=260℃，內(nèi)壁復合材料的內(nèi)表面溫度T_w2=200℃。求該復合材料每平方米表面積的導熱速率及兩層材料間的溫度T'_w2。

解：由式（2-4）得

由式（2-2）得

經(jīng)過單層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導示于圖2-3，而式（2-2）成了下列形式：

　?。?-6）

式中　T_w1，T_w2——單層圓筒壁兩邊外表面的溫度， ℃；

L——圓筒的長度，m；

r₁，r₂——圓筒的內(nèi)外半徑，m。

　　　圖2-3　單層圓筒壁的熱傳導

經(jīng)過多層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導示于圖2-4中，而式（2-2）成為下列形式：

　　（2-7）

式中　T_w1，T_w2——多層圓筒壁兩邊外表面的溫度， ℃；

n——圓筒壁的層數(shù)；

i——壁層的序數(shù)。

不穩(wěn)定熱傳導的計算較復雜，有興趣者可參閱有關(guān)專著，本書略。

三、熱擴散系數(shù)

高分子材料的熱擴散系數(shù)（α）是其熱導率（λ）除以其定壓比熱容（C_p）與密度（ρ）的乘積。其表達式如下：

α=λ/（ρC_p）　?。?-8）

式中　α——熱擴散系數(shù)，10^-2cm²/s；

λ——熱導率，W/（m·℃）；

ρ——密度，g/cm³；

C_p——定壓比熱容，J/（g·℃）。

某些材料常溫下的傳熱性能數(shù)據(jù)見表2-4。

由表2-4可知，高分子材料是熱的不良導體，其熱導率比金屬材要小3～4個數(shù)量級，而定壓比熱容只比金屬材料大一個數(shù)量級，熱擴散系數(shù)要比金屬材料小2～3個數(shù)量級。因此，在加工過程中，要在不長的時間內(nèi)使物料內(nèi)部溫度很均勻，這是不現(xiàn)實的；然而，生產(chǎn)中也不要求物料內(nèi)部的溫度很均勻，只要各部分的溫度差比較小，能生產(chǎn)出合格的制品即可。

值得注意的是，從各種資料查得的熱擴散系數(shù)的數(shù)據(jù)有很大差別。表2-4中所列的數(shù)據(jù)是在常溫狀態(tài)下求得的。如果需要計算加工溫度范圍內(nèi)各種高分子材料的熱擴散系數(shù)是頗為麻煩的。其原因有這樣三個方面。

第一，熱導率λ是隨溫度的變化而變化。一般固體的熱導率隨溫度上升而增加；液體的熱導率（除水和甘油外）隨溫度的上升而下降。高分子材料在T_g以下時具有固體性質(zhì)，即熱導率也隨溫度的上升而增加，因而在T_g處出現(xiàn)一極大值。橡膠以外的各種非晶態(tài)高分子材料的熱導率也都符合這一規(guī)律。

第二，高分子材料的密度ρ也隨溫度的升高而減小。在熔體狀態(tài)下高分子材料的密度也很難計算。

第三，定壓比熱容C_p也隨溫度的變化而明顯變化，而且變化規(guī)律也較復雜。因此，熱擴散系數(shù)的數(shù)據(jù)在很大程度上是很粗糙的，從所有的實驗數(shù)據(jù)來看，在較大溫度范圍內(nèi)，各種高分子材料的熱擴散系數(shù)的變化幅度通常不足兩倍。