2019/7/10,1,单元八 塑料熔融与冷却,◆塑料熔融所需热量的来源 ◆塑料熔融方法 ◆传热基本原理 ◆塑料传热因素分析,2019/7/10,2,一、塑料熔融所需热量的来源,（一）外加热,塑料加工外部加热有电加热、蒸汽加热、远红外线及热空气加热等方式，一般来说电加热的应用比较多a) (b) 图8-1 塑料挤出机的电加热置 （a）挤出机电热器的位置，（b）电加热器,2019/7/10,3,,（a）,图8-2 介质加热压延机辊筒 (a)加热介质在辊筒中的流动方向；(b)介质温度控制器,(b),2019/7/10,4,（二）内摩擦热,,图8-3 塑料摩擦生热混合机,图8-4 电磁动态塑化挤出机螺杆 作周向脉动、轴向振动及大分子运动示意图,2019/7/10,5,二、塑料熔融方法,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,（一）无熔体移走的传导熔融,2019/7/10,6,（二）、移动热源的加热和熔融,,图8-6 聚氯乙烯塑料使用焊枪焊条的焊接,2019/7/10,7,（三）、强制熔体移走的传导熔融,2019/7/10,8,（四）、耗散-混合熔融,2019/7/10,9,（五）、压缩耗散熔融与其它能源耗散熔融,,(a) (b ) 图8-9 压缩耗散与其它能源耗散熔融示意图 (a)压缩耗散熔融 （b）其它能源耗散熔融,2019/7/10,10,三、传热基本原理,（一）、对流传热,对流传热是指流体各部分发生相对位移而引起的传热现象，由于塑料成型加工过程中塑料熔体的黏度较大，一般都是蠕动流动，所以熔体内的对流传热不多，但这种传热方式在塑料加工过程中主要用在配料过程中的热混合、冷混合，也可用于物料的干燥。
图8-12 物料混合过程中的对流传热 1-回转盖2-容器3-挡板4-快转叶轮 5-出料口6-机座7-电机8-进料,2019/7/10,11,（二）、热传导,在塑料成型加工过程中，无论是加热塑料让塑料熔融还是将塑料熔体冷却成固体，如注射成型过程中，注射机料筒内物料的熔融，料筒上的电加热器将热量通过料筒壁传导给料筒内的物料即为热传导过程，模具中塑料熔体冷却过程是冷却流道中的冷却介质将塑料熔体中的热量传导出来，通过冷却介质带走2019/7/10,12,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,塑料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2019/7/10,13,（三）、热辐射,,图8-15 辐射能的吸收、反射和透射,2019/7/10,14,,（a）管式加热 （b）板式加热 图8-16 塑料片材辐射加工装置 1-罩壳 2-反射罩 3-管式辐射元件 4-塑料片材 5-下反射板 6-板式辐射元件,2019/7/10,15,（四）、压缩能量,塑料成型加工过程中熔体多数情况下会受到压缩，如压制成型过程中塑料要受到压缩，挤出成型过程中物料经过螺杆压缩段时也要受到压缩等，从而使塑料熔体获压缩能量。
在物料受到压缩时其密度会增大，从理论上来说，压缩过程会使大分子之间的距离变小，大分子靠近的过程中要克服大分子之间作用力，会导致塑料熔体内能增加，熔体的温度会有所升高但一般我们认为塑料熔体可压缩性很小，压缩导致塑料熔体温度的升高可以忽略不计2019/7/10,16,（五）、黏性耗散,塑料在成型加工过程中，大多数情况下都与塑料熔体的流动有关，由于塑料熔体的黏度一般都比较大，在流动时熔体会产生内摩擦，内摩擦会生热，该热直接加热物料熔体，导致物料的温度升高该过程即为黏性耗散其实黏性耗散也是由机械能转换而来，是导致塑料熔体流动的机械能转化为物料的内摩擦热2019/7/10,17,对于牛顿性流体，内摩擦热已经有公式进行计算Q-内摩擦热； J-热功当量； ηa-熔体黏度； γ-剪切速率 在内摩擦热产生较多时要注意剪切速率的大小，过大会产生过多的内摩擦热导致物料过热分解一般来说，剪切速率增大，塑料熔体的黏度会下降，这样在一定程度上可防止物料产生过大的内摩擦热而分解2019/7/10,18,（六）、塑性形变耗散,当外压力施加到塑料原料树脂颗粒群上时，颗粒群开始流动后，颗粒之间相互滑动产生摩擦力因粒子表面摩擦力而产生的热能叫阻力能耗散。
当粒子受到外压力作用发生变形、破裂产生的热能，叫塑性形变耗散这二者都是由外加机械功转换为热能，是不可逆过程当塑料颗粒被压实为压实体后，压实体不是真正的固体，它是各向异性的，且是不均质、不可重复和离散性的，甚至压实体内处于不同位置的单个粒子的内部应力分布和所受压力也是不均一的，所以要量化阻力能耗散与塑性形变耗散十分困难2019/7/10,19,四、塑料传热因素分析,（一）、塑料的热稳定性,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）,2019/7/10,20,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二）、塑料的热物理参数,2019/7/10,21,（三）、传热的速度控制,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,2019/7/10,22,（四）、塑料熔体冷却方式,在塑料成型加工过程中，使用成型模具或其它形式的成型工具，塑料在一定温度下通过流动与变形得到塑件形状，再通过冷却将形状保存下来得到制品根据塑料成型工艺不同，冷却方法有不同的选择。
冷却的主要方式有风冷、水冷、介质冷却等2019/7/10,23,,图8-20 塑料挤出成型冷却示意图 1-料斗座冷却夹套；2-螺杆冷却介质孔道,2019/7/10,24,,图8-26 塑料注射成型时模具中的冷却,2019/7/10,25,（五）、冷却速度对塑料聚集态结构与性能的影响,塑料成型过程中，通过加热的方法使塑料发生流动与变形而成型，需要对成型的半成品进行冷却，冷却的速率不断要影响生产的效率及能源消耗，而且会影响到塑料的聚集态结构，结构决定了材料的性能，所以冷却速度会影响到塑料产品的生能2019/7/10,26,这种情况下，由于晶核生成速度低，且生成的晶核数目少，而聚合物分子链的运动活性很大，故制品中易生成粗大的结晶晶粒，但晶粒数量少，结晶速度慢粗大的晶粒结构会使制品韧性降低，力学性能劣化 冷却速度太慢会使成型周期延长，生产效率降低；另外，由于模具温度太高，成型出的制品刚度往往不够，易扭曲变形，所以实际生产中较少采用这种操作1）等温冷却,模具温度接近于聚合物熔点，熔体冷却缓慢，结晶过程在近似于等温条件下进行，过冷度很小,,2019/7/10,27,此时冷却速度太快，聚合物分子链运动重排的松弛速度滞后于温度的降低速度，这一点对制品表层尤为突出。
2）快速冷却,模具温度远低于熔点，而接近聚合物的Tg值，过冷度很大,,慢冷却时晶粒长得更大，快冷时晶粒相对小些,2019/7/10,28,快速冷却造成的结晶结果是这样的：,,由于熔体 温度骤冷， 造成制品总 的结晶度很低， 会使结晶型聚 合物的物理及 力学性能 大大 降 低,其 次,2019/7/10,29,,熔体冷却速度↓,,塑件壁厚↑ 料筒温度↑ 模具温度↑,塑件结晶度↑,结晶型塑料的性能与成型时的冷却速度有很大关系 调节冷却速度→控制塑件性能2019/7/10,30,结晶度 密度 透明性 柔软性 耐折性 伸长率 冲击强度,,,,,,,,,,2019/7/10,31,对于注射成型，塑件的外层熔体最先接触低温的模具型腔表面，很大的冷却速率将使其外表层迅速冻结，因此，这些被冻结的外表面层不可能产生任何的取向，但是稍微向里一点的熔体高分子有些端部与冻结的表层相连接，并仍然随着熔体前沿一起运动，这些熔体层将承受很高的剪切速率而发生取向，并随剪切速率的增大而增加强烈的剪切作用使高分子链取向而生成原纤晶核，并进一步沿其自身轴向成核，然后按垂直于应力的方向生长便形成了纤维状晶体塑件芯部由于受剪切作用极弱，且由于塑料导热不良，熔体冷却缓慢，有利于球晶生长，故在塑件芯部是大球晶层。
这说明同一个塑件上由于各部位的冷却与分子运动情况不同，结晶度及结晶的形态也可能不同，这也会导致同一塑件上不同部位的性能也会不同，塑件上性能最差的部位是其受力被破坏的易损部位2019/7/10,32,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2019/7/10,33,(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,2019/7/10,34,(2)塑件截面内平均温度达到规定的塑件出模温度时所需要的冷却时间T2(s)为,式中 t2——截面内平均温度，℃。
3)结晶形塑料制件的最大壁厚中心温度达到固熔点时所需的冷却时间T3(s),①聚乙烯,(棒类),（板类）,② 聚丙烯,(棒类),（板类）,以上两式的适用范围是tc=193.3～248.9℃，tM=4.4～79.4℃以上两式的适用范围是tc=232.2～282.2℃，tM=4.4～79.4℃2019/7/10,35,③聚甲醛,(棒类),（板类）,以上两式的适用范围是tc190℃，tM125℃2019/7/10,36,思考题,为什么塑料加热与冷却不能有太大的温差？ 答：塑料是热的不良导体，导热性较差加热时，热源与被加热物的温差大，物料表面已达到规定温度甚至已经分解，而内部温度还很低，造成塑化不均匀冷却时温差大，物料表面已经冷却，而内部冷却较慢，收缩较大，形成较大的内应力2019/7/10,37,本单元结束，谢谢。