高分子物理第9章聚合物其它性能

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1、第9章聚合物的其它性能透气性表面和界面性质9.1聚合物电性能概述是指聚合物在外加电压或电场作用下的行为及其所表现出来的各种物理现象。介电性能：交变电场导电性能：弱电场击穿现象：强电场静电现象：聚合物表面绝大多数聚合物是绝缘体，具有很好的电绝缘性能，其介电损耗和电导率低，击穿强度高，为电器工业中不可缺少的介电材料和绝缘材料:电容器：介电损耗尽可能小，介电常数尽可能大，介电强度很高仪表绝缘：电阻率和介电强度高而介电损耗很低绝缘材料无线电遥控技术：优良的高频、超高频绝缘材料纺织和化工等方面：为了防止静电的积聚给生产带来麻烦，却要求材料具

2、有适当的导电性。导电高分子的研究和应用：分子链具有共轭π-电子结构的聚合物，如聚乙炔、聚苯胺等，通过不同的方式掺杂，可以具有半导体（电导率σ=10-10-102S•cm-1）甚至导体（σ=102-106S•cm-1）的电导率。电学性质的测量也成为研究聚合物结构与分子运动的一种有效手段：非常灵敏地反映材料内部结构的变化和分子运动状况一、电介质的极化现象二、极化机理三、介电性能四、影响介电性能的因素9.2聚合物介电性能介电性能：指高聚物在电场作用下，表现出对静电能的储存和损耗的性质，通常用介电常数和介电损耗来表示。这是由于聚合物分子在

3、电场作用下发生极化引起的。一、聚合物电介质在外电场中的极化现象1、介电极化在外电场作用下，或多或少会引起价电子或原子核的相对位移，造成了电荷的重新分布，称为极化。主要有以下几种极化：（1）电子极化（2）原子极化（3）偶极极化（4）界面极化。前两种产生的偶极矩称诱导偶极矩，后一种为永久偶极矩的取向极化。2、极化机理：①电子极化：外电场作用下分子中各个原子或离子的价电子云相对原子核的位移，使分子带上偶极矩。极化过程所需的时间极短，约为10-13~10-15s②原子极化：分子骨架在外电场作用下发生变形造成的，使分子带上偶极矩。如CO2分

4、子是直线形结构O=C=O，极化后变成个，分子中正负电荷中心发生了相对位移。极化所需要的时间约为10-13s并伴有微量能量损耗。以上两种极化统称为变形极化或诱导极化其极化率不随温度变化而变化，聚合物在高频区均能发生变形极化或诱导极化。③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。极化偶极矩μ的大小，与外电场强度（E）有关，比例系数称为分子极化率。(a)无电场（b）有电场图1偶极子在电场中取向按照极化机理不同，有电子极化率，原子极化率和取向极化率=（为永久

5、偶极矩）对于极性分子:对于非极性分子:高分子内原子间主要由共价键连结，成键电子对的电子云偏离两成键原子的中间位置的程度，决定了键是极性的还是非极性的以及极性的强弱。各原子在分子中的位置和排列，使分子具有确定的几何构型和构象，分子中的核电荷和电子云也各有一定的分布，正负电荷分布各有一个中心，正负电荷中心相重合的分子为非极性分子，不相重合便形成极性分子。根据高聚物中各种基团的有效偶极矩，高聚物按极性大小分为四类：非极性：PE、PP、PTFE弱极性：PS、NR极性：PVC、PA、PVAc、PMMA强极性：PVA、PET、PAN、酚醛树脂

6、、氨基树脂注：高聚物的有效偶极矩与所带基团的偶极矩不完全一致，结构对称性会导致偶极矩部分或全部相互抵消。④界面极化产生于非均相介质界面处的极化，它是由于在外电场的作用下，电介质中的电子或离子在界面处堆集的结果。耗时：较长，从几分之一秒至几分钟，甚至更长。共混、填充聚合物体系以及泡沫聚合物体系有时会发生界面极化。对均质聚合物，在其内部的杂质、缺陷或晶区、非晶区界面上，都有可能产生界面极化。界面极化的测量（要使用低频技术），是研究高聚物共混物的一种工具。二、聚合物的介电性能1、介电常数介质电容器的电容C比真空电容器的电容C0增加的倍数

7、。式中：为极板上的原有电荷，为感应电荷。真空电介质图2平行板电容器示意图是衡量高聚物极化程度的宏观物理量。表征电介质储存电荷和电能的能力，从上式可以看出，介电常数越大，极板上产生的感应电荷Qˊ和储存的电能越多。把电介质引入真空电容器，引起极板上电荷量增加，电容增大，这是由于在电场作用下，电介质中的电荷发生了再分布，靠近极板的介质表面上将产生表面束缚电荷，结果使介质出现宏观的偶极，这一现象称为电介质的极化。高分子电介质的极化现象的分子解释电介质在外电场下发生极化的现象，是其内部分子和原子的电荷在电场中运动的宏观表现。要深入了解极化现

8、象的本质，就必须在分子的水平上去考察极化作用。介电常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：式中、M、分别为电介质的摩尔极化强度、分子量和密度，N0为阿佛加德罗常数。对非极性介质，此式称Clausius-Mosotti方程