3.2 Теплопроводность

Это процесс переноса тепла от более нагретых частей тела к менее нагретым, который приводит к выравниванию температур.

Теплопроводность характеризуется коэффициентом теплопроводности , равным количеству теплаQ, протекающего в единицу времени через еденицу площади поверхности перпендикулярной к направлению теплового потока при перепаде температур в 1 К на еденицу длины:

, Вт/(м*К) (Вт=кг*м²*с^-3)

Коэффициент теплопроводности зависит от температуры, физического и фазового состояния и структуры полимера.

В металлах перенос тепла осуществляется электронами. В полимерах, являющихся диэлектриками, перенос тепла происходит за счет решеточных колебаний сетки полимера. Для описания теплопроводности в твердом агрегатном состоянии (аморфном и кристаллическом) используют положения фононной теории (фонон – это квазичастица, представляющая собой квант упругих колебаний среды). Согласно этой теории теплопроводность определяется взаимодействием (перебросом) фононов и зависит от теплоемкости, средней скорости распространения фононов () и средней длины их пробега (). Температурная зависимость идеальных кристаллических полимеров – кривая 1. При низких температурах (Т<30 К) теплопроводность определяется переносом фононов на границах кристалла и зависит только от теплоемкости. Так как в процессе переброса участвует мало фононов, то длина и скорость их пробега практически постоянны (=const, =const), (область I).

При увеличении температуры Т>30 К увеличивается число фононов и взаимодействие между ними, при этом длина пробега уменьшается и теплопроводность уменьшается в области II.

При температурах Т> 200 К возбуждено много фононов, величина среднего пробега мала и практически не зависит от температуры, сопротивление переносу фононов пропорционально температуре, а теплопроводность , при плавлении кристалловрезко уменьшается.

Итак, в идеальных кристаллах перенос тепла осуществляется за счет переброса фононов внутри и на границе кристаллов. В реальных кристаллах теплопроводность ниже вследствие рассеяния фононов на дефектах кристаллов.

Теплопроводность аморфных полимеров в области низких температур значительно ниже, чем у кристаллических за счет рассеяния фононов (они застревают в сетке аморфной, наиболее неупорядоченной области полимера).

При температуре стеклования наблюдается излом зависимости . Это объясняется изменением механизма переноса тепла при переходе полимера в высокоэластическое состояние (перенос тепла происходит не за счет упругих волн – переброс фононов, а за счет внутри- и межмолекулярных взаимодействий, т.е. как в жидкостях).

В целом теплопроводность много ниже, чем у металлов. Она определяется фазовым состоянием (аморфным или кристаллическим), строением полимера, надмолекулярной структурой, наполнителем:

1) Зависимость от фазового состояния рассмотрена выше (фазовые переходы при плавлении кристаллов приводят к резкому уменьшению, а при кристаллизации – резкое возрастание);

2) Строение: увеличение разветвленности и размеров боковых групп уменьшают , за счет увеличения сопротивления передачи тепла;

3) Наполнитель, как правило, снижает ;

4) ориентированные кристаллические и аморфные полимеры обнаруживают анизотропию .

Теплопроводность в направлении ориентации () выше, чем в направлении, перпендикулярном ориентации (). Коэффициент анизотропиив аморфных полимерах невысок и обычно не более 2, в кристаллических – существенно выше, может быть 50 и более.