Файл: Попов, В. М. Теплообмен через соединения на клеях.pdf

40 ®С па 30% и понижает в направлении, перпендикулярном ориен­ тации, на 10% по сравнению с изотропным полимером 1(рис. 1-13).

Наряду с экспериментальным исследованием анизотропии тепло­ проводности предпринимались попытки с помощью простейшей мо­ дельной схемы элементарного механизма теплопереноса вывести уравнение, характеризующее зависимость теплопроводности аморф­ ного полимера от анизотропии (Л. 31]:

(1-32)

где Хц— теплопроводность полимера в направлении, параллельном ориентации; Х^ — теплопроводность в направлении, перпендикуляр­

ном ориентации; Хиз — теплопроводность изотропного полимерного материала.

Экспериментальная проверка выражения 1(1-32) для блочных аморфных полимеров дает основание рекомендовать его к примене­ нию в расчетной практике.

Эффект анизотропии тепловых свойств присущ и двухосноориентированным полимерным материалам, хотя в этом случае имеют место определенные аномалии. Так, проведенные исследования теплопроводности двухосноориентированного непластифицированного ПММА показали (Л. 51], что увеличение степени вытяжки до 50— 60% уменьшает и увеличивает Хц (рис. 1-14). Дальнейшее уве­

личение степени вытяжки приводит к обратному эффекту, т. е. Xj^ несколько возрастает, а Хц уменьшается. Таким образом, обнаружи­ вается наличие оптимальных значений X^ и Х^ при степени вытяж­

ки порядка 50—'60%. Природа аномалии анизотропии ПММА при степени вытяжки 50—60% объясняется образованием крупнофибрил­ лярной структуры, которая по мере дальнейшего растяжения распа­ дается на мелкие структурные элементы или практически исчезает. Для двухосноориентированного аморфного полимера выражение (1-32) принимает вид:

Попытки получить более универсальные зависимости для расчета теплопроводности ориентированных полимерных систем до сих пор не увенчались заметным успехом, поскольку установление аналитиче­ ской зависимости между молекулярным весом и степенью ориентации для полимеров с различной химической природой сопряжено со зна­ чительными трудностями. Решение этого вопроса может быть достиг­ нуто лишь путем разработки универсальной модельной схемы тепло­ переноса с учетом всех современных достижений по изучению физи­ ко-химических и механических свойств полимеров и сравнения рас­ четных данных с результатами опытов.

До последнего времени как в отечественной, так и в зарубежной практике не предпринимались попытки обобщить накопленный экспе­ риментальный материал. Исключением в этом плане представляется работа (Л. 52], преследовавшая цель найти обобщенную зависимость для коэффициента теплопроводности аморфных полимеров выше тем­ пературы стеклования Гс. В качестве обобщенного параметра, связы-

36

вающего структурные изменения и коэффициент теплопроводности полимеров, принимается свободный объем [Л. 22]. Кроме того, учиты­ вается свойство многих полимеров иметь при температуре стеклова­ ния примерно одно и то же значение доли свободного объема, равное

/ с=0,025 itlo’003 [Л- 2-22]. В то же время изменение доли свобод­

ного объема при температуре выше температуры стеклования опи­ сывается соотношением

где Г — температура выше области стеклования; а — коэффициент термического расширения полимерного материала при температу­ ре Т.

где Яс> X — коэффициенты теплопроводности полимера соответственно при температуре стеклования и выше нее.

Проведенная по уравнению (1-35) обработка экспериментальных данных, полученных для гибкоцепных и жесткоцепных полимеров (рис. 1-15), показывает, что для этих полимеров имеет место инва­ риантная кривая теплопроводности, с помощью которой можно найти значение X при любой температуре выше Тс, располагая значением X только в одной точке.

Результаты анализа свойств блочных полимеров показывают, что механизм теплопереноса в таких системах значительно сложнее по сравнению с низкомолекулярными веществами. Это вызвано в пер­ вую очередь более сложной структурой полимерных материалов. Кроме того, несмотря на значительный объем экспериментального материала по теплофизическим свойствам полимеров до сих пор остается практически открытым вопрос о стройной теории теплопере­ носа в полимерах, исходящей из современных представлений о структурообразовании систем на молекулярном и надмолекулярном уров­

37

нях. Плодотворное решение этой проблемы для полимеров может быть реализовано лишь -с учетом новейших экспериментальных дан­ ных, отражающих связь теплофизических характеристик с физико­ химическими и реологическими свойствами.

1-3. ОБЗОР РАБОТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ТЕПЛООБМЕНА В ЗОНЕ КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Задача о теплообмене в зоне клеевых соединений впервые воз­ никла в начале 60-х годов в процессе широкого применения синтети­ ческих клеев в теплонапряженных узлах изделий, работающих в условиях форсированных нагрузок. С целью оценки современного состояния, проблемы теплообмена в зоне клеевых соединений сделаем

Метлбонд и двухкомпонентной клеевой композиции Ридакс (фенолоформальдегидная смола и порошок поливинилформаль) теплопровод­ ность соединений определялась на склеенных образцах из алюминие­ вого сплава 75S-T6, выполненных в виде цилиндрических блоков диаметром 76 и толщиной 25 мм. Подготовка 'поверхностей под склеивание осуществлялась на плоскошлифовальном станке до сред­ ней высоты микронеровностей порядка 0,3 мкм для соединений на основе композиции Ридакс и 0,75 мкм на основе клея Метлбонд. Исследования проводились на специально сконструированной уста­ новке, схема которой приводится на рис. 1-16. Исследуемая пара образцов и тепломер помещались между индукционным нагревателем

38

мощностью 1,5 кВт и воздушно-водяным холодильником. Тепломер в виде цилиндра из электролитически чистой меди с набором железоконстантановых термопар служил для измерения плотности теплового потока. Распределение температур по длине образцов определялось также с помощью железоконстантановых термопар, которые устанав­ ливались в предварительно подготовленные радиальные сверления. За исключением нижней части холодильника все элементы установки теплоизолировались е помощью засыпки из диатомовой земли.

Замер показаний термопар производился по установлению ста­ ционарного теплового режима. Тепловая проводимость клеевого шва определялась по формуле a=q[AT, где плотность теплового потока q рассчитывалась по известному уравнению Фурье, а температурный перепад в зоне клеевого шва АТ находился путем экстраполяции температурных кривых по длине образцов вплоть до зоны раздела.

Полученные экспериментальные данные (рис. 1-17) дают основа­ ние авторам отнести клеевые соединения к категории теплоизоля­ ционных систем. Действительно, тепловая проводимость соединений на клеях и листовом асбесте практически одинакова и почти на по­ рядок медьще тепловой проводимости соединений е алюминиевой

39