聚合物的电学性能和热学性能
聚合物的电学性能和热学性能
Electrical Properties & Thermal Properties of Polymer
本章内容
内容 聚合物的介电性能 聚合物的导电性 聚合物的热学性能 Content Dielectric Properties of Polymer Electrical Conductivity Thermal Properties of Polymer
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2、介电损耗 定义：电介质在交变电场作用下，消耗一部分电能，转化 为热能，使电介质发热，称为介电损耗 产生原因：（1）电导损耗，电介质中含有的微量导电载流 子，在外电场作用下，产生电导电流，使一部分电能转变 为热能。（2）松弛损耗，取向极化时，一部分电能损耗 于克服介质的粘滞阻力转为热能
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介电损耗为介电损耗角的正切值：
0 1 2 2
,
,,
( 0 ) 1 2 2
tgδ=ε ” /ε ’ 其中，ε0为静介电常数 ε∞为光频时介电常数
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导电性能：在直流电场作用下的导电能力。
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6.1.1聚合物的介电性能 1、高分子的极化 非极性共价键：电子云中心与成键原子中心重合 极性共价键：电子云中心与成键原子中心不重合 非极性分子：正负电荷中心重合, 极性分子：正负电荷中心不重合 偶极距μ：两个电荷中心距离l和电荷q的乘积，表示极性 的强弱，偶极距具有加和性 μ=q×l 非极性分子μ为0，极性分子μ大于0
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聚合物极性的分类（按偶极距大小分）： ε2.0-2.3，为非极性聚合物 ε2.3-3.0，为弱极性聚合物 Ε3.0-4.0，为中极性聚合物 ε4.0-7.0，为强极性聚合物 ε10.0以下的聚合物为一般绝缘体。 ε2.0-2.8的聚合物为优良绝缘体，如：聚乙烯、聚四氟乙 烯、天然橡胶
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5）增塑剂 增塑剂使聚合物粘度下降，使取向极化容易，加增塑剂与 升高温度有相同作用。 6）杂质 极性杂质或导电杂质使电导电流增大，极化率增大，介电 损耗增大。如：水
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3、聚合物的介电击穿 介电击穿现象：在强电场中，随电压升高，dU/dI减小， 电流比电压增加得更快，当dU/dI=0，即电压不变，电流 继续增大，材料突然从介电状态变为导电状态，有时伴随 物理破坏 dU/dI=0时的电压Ub称为击穿电压
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非极性分子存在：电子极化和原子极化 另外，还有界面极化 界面极化：在外电场作用下，非均相电介质中电子或离子 在界面处堆集的现象 电介质的极化程度取决于：外电场强度、电介质的组成、 结构 介电常数：电介质极化程度的量度 极化程度越大，介电常数越大，绝缘性能越差，它可表征 电介质储存电能的能力
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频率很低，ω 0，所有极化完全跟得上电场的变化, 介电 常数达最大值，即ε ’ ε0，介电损耗最小， 即ε ” 0， tgδ 0 频率很高，ω ∞，取向极化完全跟不上电场的变化,不 能发生，只发生变形极化，介电常数很小， 即ε ’ ε∞，介电损耗也小，即ε ” 0， tgδ 0 频率在中间区域，取向极化跟不大上电场变化，介电常数 下降，出现介电损耗，当ωτ=1时，介电损耗达极大值。
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聚合物耐热性能评价：1）物理性能（力学、电学、光学等 性能）；2）热稳定性（研究方法TGA、DSC、MS-DSCTGA联用）
6.2.2 聚合物的耐热性与分子结构的关系 Tg、Tm、Tf、Td—分子运动—聚合物结构 结构因素： 1）提高刚性 主链引入芳香环或芳杂环 2）提高结晶度 定向聚合提高规整度、极性 3）交联 耐热性和力学性能提高
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3）玻璃态，链段运动被冻结，极性基团取向运动困难，对 聚合物介电常数贡献小；高弹态，链段运动被解冻，极性 基团取向运动较容易，对聚合物介电常数贡献大； 4）分子对称性越高，介电常数越小 5）交联使极性基团活动困难，介电常数下降 6）拉伸降低极性基团活动性，使介电常数下降 7）支化提高极性基团活动性，使介电常数升高
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极化：在外电场作用下，电介质分子或某些基团中电荷分 布发生相应变化。 极化分为：电子极化、原子极化、偶极极化（取向极化） 电子极化：在外电场作用下，分子中各原子的价电子云发 生相对分子骨架的移动，分子的正负电荷中心的位置发生 变化 特点：电子云移动很小，极化时间极短 原子极化：在外电场作用下，分子骨架发生变形，使分子 中正负电荷中心发生相对位移
介电强度 Eb =Ub/h 其中，h为材料厚度
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4、聚合物的静电现象 静电现象：任二固体，只要其内部结构中电荷载体分布不 同，相互接触或摩擦时，它们各自表面就会发生电荷再分 配，重新分离后，每一固体都会带比接触前过量的正（或 负）的电荷现象 静电的危害： 1）使材料相互排斥或吸引，给一些工艺带来很大困难，如 ：聚丙烯腈纤维因摩擦产生的静电会使纺丝、拉伸、加捻 、织布各道工序难以正常进行
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6.1聚合物的电学性能
电学性能：在外电场作用下的行为，包括：介电性能；导 电性能；电击穿和表面静电现象。
介电性能：在交流电场中的电能的储存和损耗。聚合物绝 缘材料和电容器的重要性能指标。
介电性能反映在交流电场中的偶极运动，与聚合物结构和 分子运动密切相关。可用于力学松弛研究。
6.2 聚合物的热学性能
6.2.1 聚合物的耐热性 升温：聚合物物理变化（软化、熔融）、化学变化（降解 、分解、氧化、交联等等） 聚合物耐热性：聚合物在特定环境下的热变形性和热稳定 性 耐热聚合物：1）软化点、熔点高，并保持材料的刚性和强 度，在外力作用下，蠕变慢，保持尺寸稳定性；2）高温 下不发生热分解等 耐热聚合物加工性较差
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材料导电性：材料内部存在传递电流的自由电荷/载流子， 在外电场作用下，载流子在材料内作定向流动，形成电流 。 导电性与载流子数量和运动速度有关。聚合物中有电子电 导、离子电导
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影响聚合物导电性的因素： 1）结构 饱和的非极性聚合物有很好的绝缘性，极性聚合物的绝缘 性次之，带共轭双键的聚合物，由于π电子的离域性，有 大量的电子载流子，这类聚合物电导率大大提高，为高分 子半导体材料。 2）电子转移络合物，自由基-离子化合物， D+A D+ A 其中，D为电子给予体，A为电子接受体 将这些化合物与高分子接在一起，可得电导性好的聚合物
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3）有机金属化合物 将金属原子引入聚合物主链，使聚合物电子电导增加 4）分子量 对电子电导，分子量增大，电导率提高；对离子电导，分 子量减小，电导率提高 5）杂质 使电导率提高 6）温度 温度升高，使电导率提高
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6.2.3 耐热聚合物的结构 提高主链的化学键能，这些聚合物或力学性能、加工性能 差，或水解稳定性差，工业化的不多 在主链上引入芳香环或芳杂环 如：聚苯、聚酰亚胺 引入甲基取代基等有机基团或在主链环间引入N、O、S原 子或柔性基团，兼顾加工性 聚有机硅氧烷（有机硅）、聚有机金属硅氧烷（耐热性更 好，机械性能差，可用作耐热涂料） 含氟聚合物（键能高、分子间排列紧密，作用力大）
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特点：极化很小，约为电子极化的十分之一，极化时间比 电子极化长 电子极化、原子极化统称为：位移极化或变形极化，产生 的偶极距为诱导偶极距 偶极极化（取向极化）：在外电场作用下，具有永久偶极 距的极性分子沿外电场方向取向的现象 特点：极化时间比位移极化长，外电场越强，极性分子取 向程度越大，温度越高，分子热运动对极性分子的取向干 扰越大，取向程度越小
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2）影响产品质量
3）高压静电可能危及人和设备安全。如：造成易燃物品爆 燃。
静电的消除 加入抗静电剂以提高材料表面的电导率，使材料迅速放电 防止静电的积聚
静电的利用 静电复印、静电涂敷
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6.1.2 聚合物的导电性 表面电阻率ρs：试样单位正方形表面两刀形电极之间的电 阻 ρs=Rs(l/b) 其中，Rs为试样表面电阻，l为电极长度；b为两电极之间 距离 体积电阻率ρv：试样单位厚度和单位面积的电阻 ρv=Rv(S/h) 其中，Rv为试样体积电阻；S为电极面积；h为试样厚度
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3）温度 一定频率下，温度很低，聚合物粘度很大，极化过程太慢 ，甚至取向极化完全跟不上电场变化， 故ε ’， ε ”都小；温度升高，聚合物粘度减小，偶极 取向跟不大上电场变化， ε ’， ε ”都增大；温度升至 足够高，偶极取向完全跟得上电场变化， ε ’增至最大， ε ”变为很小。 4）电压 电压上升，极化程度增加，电导电流增大，使介电损 耗 增大
