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4.1 热特性
===========

THERMAL PROPERTIES

固态聚合物的比容与温度呈近似线性增长，因此可以使用（立方）膨胀系数。在熔融状态下，膨胀也与温度呈近似线性关系，但膨胀率通常高于固态。半结晶聚合物（包括聚烯烃、尼龙、聚甲醛（POM）和聚对苯二甲酸乙二酯（PETP））的比容在熔点以下也会出现相当突然的增长，这是由于结晶区域在熔体中无序化为完全无定形状态所致；这种增长的幅度将取决于固体聚合物的结晶度，尤其是低密度聚乙烯和聚丙烯的结晶度，是前一冷却速率的函数。结晶度通常是未知的，只是影响固体密度的一个因素。然而，这并不影响密度\ :math:`\rho\,(\mathbf{k}\mathbf{g}\,\mathbf{m}^{-3})`
和熔体中的比容，尽管后者的数据并不总是可用。例如，在
:math:`190^{\circ}\mathbf{C}` 条件下，低密度聚乙烯的熔体密度大约为
:math:`760\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}`
:math:`(0.76\,\mathtt{g c m}^{-3})` ，而室温下为
:math:`920{-}940\,\mathbf{kg}\,\mathbf{m}^{-3}`
，因此在加工温度下将质量流量转换为体积流量时必须使用适当的值，反之亦然（图
A.1 ）。

比热 :math:`C_{\mathsf{p}}`
:math:`(\mathbf{J}\,\mathbf{kg}^{-1}\,\mathbf{K}^{-1})`
在固态下随温度变化很小，但在熔融状态下会稍高一些。如第 8.1
节所述，恒定的比热足以计算操作条件微小变化的影响，例如对能量平衡的影响。然而，当加热半结晶聚合物时，在熔点附近熔化结晶体时会吸收额外的热量，从而导致比热曲线出现尖锐的峰值；因此，最好使用内能（显热）\ :math:`\mathbf{J}\,\mathbf{kg}^{-1}`
与温度的积分形式（图 A.2），其中需要模具处的总能量
I。其形状与比容曲线相似，同样，下端取决于固态的初始结晶度。如第 8.1
节所述，在恒压下，焓的变化可视为等于内能的相应变化。

固态和熔融态的聚合物都是良好的热绝缘体，也就是说，与用于制造挤出机和模具的金属相比，热导率
:math:`k\,(\mathbf{W}\,\mathbf{m}^{-1}\,\mathbf{K}^{-1})`
的值非常低。绝缘体的热导率很难精确测量，尤其是在液体中，已公布的聚合物在熔融温度下的热导率数据很少，而且相互矛盾。图
A.4 和 A.5 列出了一些以前未公布的数据（Adamski，1974 年）。

表 4.1 热性能：换算系数和典型值

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   <table><tbody><tr><td>

Property

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   </td><td>

SI

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   </td><td>

c.g.s

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   </td><td>

f.p.s

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   </td></tr><tr><td>

Density

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   </td><td>

1000 kg m-3

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   </td><td>

1 g/cm3

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   </td><td>

62.351b/ft3 0.0361 1b/in3

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   </td></tr><tr><td>

Viscosity

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   </td><td>

1 Ns m-2

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   </td><td>

10 poise (P)

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   </td><td>

2420 1b/h·ft

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   </td></tr><tr><td>

Specific heat

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   </td><td>

1 MJ kg-/l K-1

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   </td><td>

238.9 cal/g.°C

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   </td><td>

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   </td></tr><tr><td>

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   </td><td>

4.19 × 103 Jkg-1K-1

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   </td><td>

1 cal/g. °℃C

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   </td><td>

1BTU/Ib.°F 1CHU/Ib . °℃

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   </td></tr><tr><td>

Thermal conductivity

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   </td><td>

1 W m-1 K-1

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   </td><td>

0.002 39 cal/cm ·s.°C

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   </td><td>

6.93BTU·in/ft2·h.°F 0.5775BTU·ft/ft²·h.°F

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   </td></tr><tr><td>

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   </td><td>

0.0419 W m -1 K-1

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   </td><td>

1 x 10-4 cal/cm ·s.°C

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   </td><td>

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   </td></tr><tr><td>

Heat transfer coefficient

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   </td><td>

1 W m~2 K-1

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   </td><td>

0.239 × 10-4 cal/cm2 ·s ·°C

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   </td><td>

0.176BTU/ft²·h·°F 0.176CHU/ft²·h.°C

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   </td></tr><tr><td>

Work

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   </td><td>

1J

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   </td><td>

0.239 g · cal

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   </td><td>

9.48 × 10-4 BTU

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   </td></tr><tr><td>

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   </td><td>

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   </td><td>

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   </td><td>

5.27 × 10-4 CHU

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   </td></tr><tr><td>

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   </td><td>

Air (at NTP)

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   </td><td>

Water Steel (at 15°C)

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   </td><td>

LDPE

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   </td></tr><tr><td>

Density (kg m-3)

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   </td><td>

1.224

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   </td><td>

1000 7800

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   </td><td>

760 (at 180°C)

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   </td></tr><tr><td>

Viscosity (Ns m-2) Specific heat

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   </td><td>

1.80 × 10-5

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   </td><td>

1.12 × 10-3

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   </td><td>

102-103

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   </td></tr><tr><td>

(Jkg-’ K-1)

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   </td><td>

1005

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   </td><td>

4190 503

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   </td><td>

2300-2850

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   </td></tr><tr><td>

Thermal conductivity

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   </td><td>

0.0255

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   </td><td>

0.585 50

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   </td><td>

0.33-0.50

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   </td></tr><tr><td>

(Wm-1 K-1)

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   </td><td>

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   </td><td>

(Copper 400)

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   </td><td>

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   </td></tr><tr><td>

Prandtl No.&nbsp;(Cpn/k)

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   </td><td>

0.70

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   </td><td>

8.0

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   </td><td>

5 ×106

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   </td></tr><tr><td>

Latent heat (Jkg-1)

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   </td><td>

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   </td><td>

22.6 × 105

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   </td><td>

1.3-1.7× 105

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   </td></tr><tr><td>

Thermal diffusivity

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   </td><td>

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   </td><td>

(steam) 1.3 × 10-5

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   </td><td>

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   </td></tr><tr><td>

(m² s-1)

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   </td><td>

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   </td><td>

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   </td><td>

1.5-3×10-7

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   </td></tr></tbody></table>

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如下所述，较低的传导性意味着与金属料筒壁的传导相比，聚合物内部的热传导可
以忽略不计，例如纵向的区与区之间的传导。其主要意义在于限制热量的传递，例如熔化过程中来自机筒加热器的热量传递（第
7 章）以及内部剪切加热产生的热量的散发（第 8.4
节）。在发生这种热流的地方，会产生很大的温度梯度和温差，特别是在厚截面上，而且这些梯度和温差消失得很慢。

热扩散率
:math:`\alpha=k/\rho C_{\mathfrak{p}}\,\,(\mathbf{m}^{2}\,\mathbf{s}^{-1})`
在瞬态热传导中非常重要（第 8.4
节），直接从（瞬态）冷却实验中测量可能比从组成值计算更简单。然而，当后者发生变化时，人们对其重要性产生了怀疑。在第
8.4
节中，它被用于料筒内螺槽间隙产生的粘性热量的耗散。由于大部分现有数据都以
f.p.s. 或 c.g.s. 为单位，表 4.1 列出了换算系数和一些典型值。