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聚合物的介電常數(shù)/擊穿電壓/體積電阻率屬于什么性質(zhì)
閱讀：7238發(fā)布時間：2022-4-13
聚合物的介電常數(shù)/擊穿電壓/體積電阻率屬于什么性質(zhì)
一提起高聚物的電學性質(zhì),，人們馬上會想起高聚物是一種優(yōu)良的電絕緣體,，廣泛用作電線包皮。這的確是高聚物優(yōu)良的電學性質(zhì)的一個重要方面,，即高的電阻率,、很高的耐高頻性、高的擊穿強度,，所以是一種理想的電絕緣材料,。
其實有的高聚物還具有大的介電常數(shù)和很小的介電損耗，從而可以用作薄膜電容器的電介質(zhì),。
還有其他具有特殊電功能的高聚物相繼出現(xiàn),，比如高聚物駐極體、壓電體,、熱電體、光導體,、半導體,、導體、超導體等,。
研究高聚物的電學性質(zhì),，除了生產(chǎn)上的實用價值外，它還有重要的物理意義,，因為高聚物的電學性質(zhì)往往靈敏地反映高分子內(nèi)部結構和分子運動之間的關系,。電學性質(zhì)能在比力學性質(zhì)更寬的頻率范圍內(nèi)測定，測定精確性和靈敏性都高,，因而成為研究高分子結構和分子運動的有力手段,。
1 聚合物的介電性
介電性是指高聚物在電場作用下，表現(xiàn)出對靜電能的儲存和損耗的性質(zhì),。通常用介電常數(shù)和介電損耗來表示,。
根據(jù)高聚物中各種基團的有效偶極距μ，可以把高聚物按極性的大小分成四類：
非極性（μ＝0）：聚乙烯,、聚丙烯,、聚丁二烯,、聚四氟乙烯等
弱極性（μ≤0.5）：聚苯乙烯、天然橡膠等
極性（μ＞0.5）：聚氯乙烯,、尼龍,、有機玻璃等
強極性（μ＞0.7）：聚乙烯醇、聚酯,、聚丙烯腈,、酚醛樹脂、氨基塑料等
聚合物在電場下會發(fā)生以下幾種極化：（1）電子極化,，（2）原子極化,，（3）偶極極化。聚合物的極化程度用介電常數(shù)ε表示,。它定義為介質(zhì)電容器的電容比真空電容器增加的倍數(shù)
式中：V為直流電壓,；Q0、Q分別為真空電容器和介質(zhì)電容器的兩極板上產(chǎn)生的電荷,；Q’為由于介質(zhì)極化而在極板上感應的電荷,。
介電常數(shù)的大小決定于感應電荷Q’的大小，所以它反映介質(zhì)貯存電能的能力,。
非極性分子只有電子和原子極化,，ε較小,；極性分子除有上述兩種極化外,，還有偶極極化，ε較大,。此外還有以下因素影響ε：
（1）極性基團在分子鏈上的位置,。在主鏈上的極性基團活動性小，影響??；在柔性側基上的極性基團活動性大，影響大,。
（2）分子結構的對稱性,。分子結構對稱的，極性會相互抵消或部分抵消,。
（3）分子間作用力,。增加分子間作用力（交聯(lián)、取向,、結晶）會使ε較大,；減少分子間作用力（如支化）會使ε較小。
（4）物理狀態(tài),。高彈態(tài)比玻璃態(tài)的極性基團更易取向,，所以ε較大,。
表1列出常見聚合物的ε值。
表1 常見聚合物的介電常數(shù)
聚 合 物 | ε |
聚四氟乙烯 | 2.0 |
聚丙烯 | 2.2 |
聚乙烯 | 2.3－2.4 |
聚苯乙烯 | 2.5－3.1 |
聚碳酸酯 | 3.0－3.1 |
聚對苯二甲酸乙二醇酯 | 3.0－4.4 |
聚氯乙烯 | 3.2－3.6 |
聚甲基丙烯酸甲酯 | 3.3－3.9 |
尼龍 | 3.8－4.0 |
酚醛樹脂 | 5.0－6.5 |
聚合物在交變電場中取向極化時,，伴隨著能量損耗,，使介質(zhì)本身發(fā)熱，這種現(xiàn)象稱為聚合物的介電損耗,。通常用介電損耗角正切tanδ來表示介電損耗,。一般高聚物的介電損耗時非常小的，tanδ＝10－3～10－4,。
當聚合物用作絕緣材料或電容器材料時,，希望介電常數(shù)大而介電損耗小為好，以免發(fā)熱消耗電能,，而且引起老化,。但作為聚合物的高頻焊接，又希望有較大的介電損耗,。
因為介電損耗主要是取向極化引起的,，因而通常ε越大的因素也越會導致較大的介電損耗。非極性聚合物理論上講沒有取向極化,，應當沒有介電損耗,，但實際上總是有雜質(zhì)（水、增塑劑等）存在,，其中極性雜質(zhì)會引起漏導電流,，而使部分電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽Q電導損耗,。
與力學損耗相似,，介電損耗也用來研究聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變和次級松弛，所得譜圖稱為聚合物的介電松弛譜（溫度譜或頻率譜）,。圖7-60是聚四氟乙烯介電損耗的溫度譜。
2 聚合物的導電性
高聚物存在兩種導電機理：電子電導（電子,、空穴）和離子電導（正,、負離子）。一般高聚物主要是離子電導,。有強極性原子或基團的高聚物在電場下產(chǎn)生本征解離,，可產(chǎn)生導電離子。而非極性高聚物本應不導電,，它的理論計算的比體積電阻1025Ω·cm,，但實際上要小好幾個數(shù)量級，原因是雜質(zhì)帶來的,。這些雜質(zhì)是少量沒有反應的單體,，殘留的催化劑,、助劑以及水份，都能在電場下離解而成為導電的主要載流子,。
高聚物導體,、半導體則主要是電子電導。
對聚合物加一直流電源時,，發(fā)現(xiàn)通過的電流為表面電流和體積電流之和,。I=Is＋Iv
相應地電阻也可以分為體積電阻Rv和表面電阻Rs
為了比較不同材料的導電性，通常采用電阻率,。電阻的大小與試樣厚度h成正比,，與試樣面積S成反比，比例系數(shù)就是體積電阻率ρv,。
式中：l為電極的長度,；b為電極間的距離。
一般講電阻率沒有特別注明時,，都是指體積電阻率（即比體積電阻）,。這是最重要的電學性質(zhì)之一，按ρv將材料分為導體,、半導體和絕緣體三類,。
導體 ρv＝0～103Ω·cm
半導體 ρv＝103～108Ω·cm
絕緣體 ρv＝108～1018Ω·cm以上
ρv和ρs都是用一個三電極裝置測定（圖7-61），該裝置由主電極,、環(huán)形電極和下電極組成,。測定ρv時樣品被測面積就是主電極的面積；測定ρs時電極長度為主電極的周長,。
聚合物的導電性能受分子結構及外界條件的影響：
（1）極性聚合物的導電性要好于非極性聚合物,。
（2）存在共軛體系的，導電性好,。
（3）分子量增大能使電子電導增大,，但離子電導減小。
（4）結晶度增大可使電子電導增大,，而離子電導減小,。
（5）聚合物殘留的導電性“雜質(zhì)"（如催化劑、導電性填料,、水分等）含量越大,，則導電性越好。其中水對極性聚合物影響大,，但對非極性聚合物影響很小,。
（6）溫度升高，聚合物導電性急劇增強,。
表2列出了常見聚合物的體積電阻率
從表7-7可見普通聚合物是絕緣體,。但有的聚合物導電性很強,，稱為導電高分子，是一類功能高分子,，詳見第八章的8.4.7,。
聚合物處于強電場中，材料可以從介電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷щ姞顟B(tài),，這時材料局部被燒毀,，這種現(xiàn)象叫介質(zhì)的擊穿。圖7-62表示材料在擊穿前后電壓與電流的關系,，在圖上dV/dI=0處的電壓Vb稱為擊穿電壓,。定義擊穿電壓與絕緣材料厚度h的比值為介電的介電強度：Eb = Vb/h（單位為MV·m-1或KV·mm-1）。這是高分子材料電絕緣性能的一個重要指標,。一般極性聚合物Eb＝10～20 MV·m-1,，而作為絕緣用的聚合物薄膜要求Eb＝50～100 MV·m-1。
3 聚合物的靜電現(xiàn)象
1．靜電的產(chǎn)生
任何兩個固體,，不論其化學組成是否相同,，只要他們的物理狀態(tài)不同（如表面的不均勻性等等），其內(nèi)部結構中電荷載體能力的分布也就不同,。當這樣兩個固體接觸時,，在固－固表面上就會發(fā)生電荷的再分配，在它們重新分離之后,，每一固體將有比接觸或摩擦前更多的正（或負）的電荷,。這種現(xiàn)象叫靜電現(xiàn)象。
聚合物在生產(chǎn),、加工和使用過程中,，與其他材料、器件發(fā)生接觸以至摩擦是免不了的,，這時只要在高聚物幾百個原子中轉(zhuǎn)移一個電子,，就會使整個聚合物帶有相當大的電荷量，變成帶電體,。例如在日常生活中,，大家都知道，脫去合成纖維的衣服時,，經(jīng)常會聽到放電的響聲，在暗處還可以看到放電的輝光,。在生產(chǎn)中這類例子更多,，塑料從模具中脫下來時常常帶有靜電。合成纖維在紡絲過程也會帶電,，吸水性很低的（＜0.5%）聚丙烯腈纖維因摩擦而產(chǎn)生的靜電可達1500伏以上,。纖維拉伸靜電的積累甚至可達上萬伏,。
更重要的是一旦高聚物帶上靜電荷以后，由于聚合物的高絕緣性而難以漏導,，一些非極性聚合物（聚乙烯等）靜電可保持幾個月之久,。
關于靜電產(chǎn)生的機理至今還沒有定量的理論，一般認為是聚合物摩擦時,，ε大的帶正電,，ε小的帶負電。也就是極性易帶正電,，非極性高聚物易帶負電,。
物質(zhì)在上述序列中的差距越大，摩擦產(chǎn)生的電量越多,。
2．靜電的危害和利用
一般來說,，靜電作用在聚合物加工和使用過程中是個不利因素。
（1）靜電妨礙正常的加工工藝,。尤其是合成纖維工業(yè)中特別突出,。摩擦生電產(chǎn)生吸引或排斥力，使合成纖維在紡絲,、牽伸,、織布、打包等各道工序都發(fā)生困難,。
（2）靜電作用損壞產(chǎn)品質(zhì)量,。例如高聚物由于靜電吸附灰塵或水氣而影響材料的質(zhì)量，膠卷會因為吸塵而影響清晰度,，靜電電壓超過4000伏時會發(fā)生電火花而使膠片感光,。滌綸制成的錄音帶由于滌綸片基放電產(chǎn)生噪音會影響錄音質(zhì)量。
（3）可能危機人身及設備安全,。靜電引起的火花放電,，在有易燃易爆物質(zhì)存在的場合下，會釀成巨大的災禍,。有人統(tǒng)計,，化學工業(yè)中的事故大約有十分之一是由靜電所引起的。
因此防止靜電所產(chǎn)生的危害是有重要意義的,。
靜電另一方面人們又用它來為人類服務,，靜電復印、靜電照相,，日常生活中利用氯綸的靜電來治療關節(jié)炎也是人們熟知的,。
3．靜電的防止
為消除靜電，目前，使用較為廣泛的是抗靜電劑,，即將抗靜電劑加到聚合物材料中,，或涂布在聚合物材料的表面上，以提高材料表面的導電性,，使帶電的聚合物材料迅速放電,，以防止靜電的積聚。
抗靜電劑是一些表面活性劑,，如陰離子型（肥皂,、烷基磺酸鈉、芳基磺酸酯等）,；陽離子型（季胺鹽,、胺鹽等），以及非離子型（聚乙二醇等）,。
在纖維紡絲工序中則采取“上油"的措施,，給纖維表面涂上一層具有吸濕性的油劑，它吸收空氣中的水分而增加導電性,。而在塑料中,，抗靜電劑常作為添加劑添加到塑料中，依靠抗靜電劑擴散到塑料表面而起作用,。例如PVC糖果紙的生產(chǎn)中要將100張PVC薄膜疊在一起進行剪裁,，如果不加抗靜電劑，切好的糖果紙很難分開,，這時就需要添加內(nèi)用型的抗靜電劑,。
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