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\(\rho\,(\mathbf{k}\mathbf{g}\,\mathbf{m}^{-3})\) 和熔体中的比容，尽管后者的数据并不总是可用。例如，在 \(190^{\circ}\mathbf{C}\) 条件下，低密度聚乙烯的熔体密度大约为 \(760\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}\) \((0.76\,\mathtt{g c m}^{-3})\) ，而室温下为 \(920{-}940\,\mathbf{kg}\,\mathbf{m}^{-3}\) ，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 \(C_{\mathsf{p}}\) \((\mathbf{J}\,\mathbf{kg}^{-1}\,\mathbf{K}^{-1})\) 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）\(\mathbf{J}\,\mathbf{kg}^{-1}\) 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 \(k\,(\mathbf{W}\,\mathbf{m}^{-1}\,\mathbf{K}^{-1})\) 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
Property | SI | c.g.s | f.p.s |
Density | 1000 kg m-3 | 1 g/cm3 | 62.351b/ft3 0.0361 1b/in3 |
Viscosity | 1 Ns m-2 | 10 poise (P) | 2420 1b/h·ft |
Specific heat | 1 MJ kg-/l K-1 | 238.9 cal/g.°C | |
4.19 × 103 Jkg-1K-1 | 1 cal/g. °℃C | 1BTU/Ib.°F 1CHU/Ib . °℃ | |
Thermal conductivity | 1 W m-1 K-1 | 0.002 39 cal/cm ·s.°C | 6.93BTU·in/ft2·h.°F 0.5775BTU·ft/ft²·h.°F |
0.0419 W m -1 K-1 | 1 x 10-4 cal/cm ·s.°C | ||
Heat transfer coefficient | 1 W m~2 K-1 | 0.239 × 10-4 cal/cm2 ·s ·°C | 0.176BTU/ft²·h·°F 0.176CHU/ft²·h.°C |
Work | 1J | 0.239 g · cal | 9.48 × 10-4 BTU |
5.27 × 10-4 CHU | |||
Air (at NTP) | Water Steel (at 15°C) | LDPE | |
Density (kg m-3) | 1.224 | 1000 7800 | 760 (at 180°C) |
Viscosity (Ns m-2) Specific heat | 1.80 × 10-5 | 1.12 × 10-3 | 102-103 |
(Jkg-’ K-1) | 1005 | 4190 503 | 2300-2850 |
Thermal conductivity | 0.0255 | 0.585 50 | 0.33-0.50 |
(Wm-1 K-1) | (Copper 400) | ||
Prandtl No. (Cpn/k) | 0.70 | 8.0 | 5 ×106 |
Latent heat (Jkg-1) | 22.6 × 105 | 1.3-1.7× 105 | |
Thermal diffusivity | (steam) 1.3 × 10-5 | ||
(m² s-1) | 1.5-3×10-7 |
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 \(\alpha=k/\rho C_{\mathfrak{p}}\,\,(\mathbf{m}^{2}\,\mathbf{s}^{-1})\) 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。