第10讲聚合物的电学性能.ppt

§10.1 聚合物电性能概述 一、聚合物电介质在外电场中的极化现象 偶极极化（取向极化）： 是具有永久偶极矩的极性分子沿外场方向排列的现象。极化所需要的时间长，一般为10-9s，发生于低频区域。 二、聚合物的介电性能 介电系数在宏观上反映了电介质的极化程度，它与分子极化率存在着如下的关系： 2、介电损耗 定义：聚合物在交变电场中取向极化时，伴随着能量消耗，使介质本身发热，这种现象称为聚合物的介电损耗。 产生原因： （1）电导损耗 ：指电介质所含的含有导电载流子在电场作用下流动时，因克服电阻所消耗的电能。这部分损耗在交变电场和恒定电场中都会发生。由于通常聚合物导电性很差，故电导损耗一般很小。 （2）极化损耗 ：这是由于分子偶极子的取向极化造成的。取向极化是一个松弛过程，交变电场使偶极子转向时，转动速度滞后于电场变化速率，使一部分电能损耗于克服介质的内粘滞阻力上，这部分损耗有时是很大的。 □ 应用 热合PVC等极性材料是适宜的。而PE薄膜等非极性材料就很难用高频热合。 轮胎经高频热处理消除内应力，可大幅度延长使用寿命。 塑料注射成型时常因含水而产生气泡，经高频干燥能很好解决这个问题。 介电损耗温度谱示意图 三、影响聚合物介电性能的因素 高分子材料的介电性能首先与材料的极性有关。这是因为在几种介质极化形式中，偶极子的取向极化偶极矩最大，影响最显著。 决定聚合物介电损耗大小的内在因素： ①分子极性大小和极性基团的密度 ② 极性基团的可动性 思 考 题 非极性聚合物是否可以用介电松弛谱表征其分子结构特征 二、静电的危害 静电妨碍正常的加工工艺； ?静电作用损坏产品质量； 可能危及人身及设备安全 1.将抗静电剂加到高分子材料中或涂布在表面。抗静电剂是一些表面活化剂，如阴离子型（烷基磺酸钠、芳基磺酸酯等）、阳离子型（季胺盐、胺盐等）以及非离子型（聚乙二醇等）。纤维纺丝工序中采取“上油”的办法，给纤维表面涂上一层吸湿性的油剂，增加导电性。 2、 外来物的影响 增塑剂的加入使体系黏度降低，有利于取向极化，介电损耗峰移向低温。极性增塑剂或导电性杂质的存在会使 和 都增大。 PVC lgtanδ 1.5 1.0 0.5 -100 0 100 T (℃) (a) 图10-几种高分子材料的介电损耗ε″与温度的关系 这是PVC加增塑剂的情况，当增塑剂浓度中等时会出现双峰，低温峰是增塑剂的Tg。高温峰是PVC的Tg。 频率和温度与力学松弛相似: T升高， ?增大 3、频率 T1 T2 T2 T1 ε0 ε∞ ε T1 T2 ωmax ω′max ω lgδ ω1 ω2 Tmax T′max T lgδ ω1 ω2 ω2 ω1 ε 图10－2介电系数和介电损耗与频率(a)及温度(b)的关系 （a） （b） 一、高聚物的导电机理 二、导电性的表征 三、影响导电性的因素 四、导电性高分子 §10.3 聚合物导电性能 高聚物主要存在两种导电机理： ①一般高聚物主要是离子电导。有强极性原子或基团的高聚物在电场下产生本征解离，可产生导电离子。非极性高聚物本应不导电，理论比体积电阻为1025Ω.cm，但实际上要大许多数量级，原因是杂质（未反应的单体、残留催化剂、助剂以及水分）离解带来的。 ②聚合物导体、半导体主要是电子电导。 一、高聚物的导电机理 电阻率（未特别注明时指体积电阻率）是材料最重要的电学性质之一。按将材料分为导体、半导体和绝缘体三类。 导体 0～103Ω.cm 半导体 103～108Ω.cm 绝缘体 108～1018Ω.cm以上 有时也用电导率表示，电导率是电阻率的倒数。 二、导电性的表征 ①极性聚合物的导电性远大于非极性聚合物。 ②共轭体系越完整，导电性越好。 ③结晶度增大使电子电导增加，但离子电导减少。 ④“杂质”含量越大，导电性越好。 ⑤温度升高，电阻率急剧下降，导电性增加，利用这点可以测定 ，因为时 ～1/T曲线有突变。 （6） Mn增加使其电子电导增大 比较PE PAN 聚乙炔的导电性 三、导电性的表征 导电性高分子可分为以下三类。 ①结构型：聚合物自身具有长的共轭大键结构，如聚乙炔、聚苯乙炔、聚酞菁铜等，通过“掺杂”可以提高导电率6～7个数量级，一个典型例子是用AsF3掺杂聚乙炔。 ②电荷转移复合物：由电子给体分子和电子受体分子组成的复合物，目前研究较多的是高分子给体与小分子受体的复合物，如聚2-乙烯吡啶或聚乙烯基咔唑作为高分子电子给体。 碘作为电子受体，可做成高效率的固体电池。 ③添加型：在树脂中添加导电的金属（粉或纤维）或炭粒等组成。其导电机理是导电性粒子相互接触形成连续相而导电，因而金属