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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：6682發(fā)布時(shí)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(xué)性質(zhì),，人們馬上會(huì)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(xué)性質(zhì)的一個(gè)重要方面,，即高的電阻率,、很高的耐高頻性、高的擊穿強(qiáng)度,，所以是一種理想的電絕緣材料,。
其實(shí)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(dǎo)體、半導(dǎo)體,、導(dǎo)體,、超導(dǎo)體等。
研究高聚物的電學(xué)性質(zhì),，除了生產(chǎn)上的實(shí)用價(jià)值外,，它還有重要的物理意義，因?yàn)楦呔畚锏碾妼W(xué)性質(zhì)往往靈敏地反映高分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)和分子運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系。電學(xué)性質(zhì)能在比力學(xué)性質(zhì)更寬的頻率范圍內(nèi)測(cè)定,，測(cè)定精確性和靈敏性都高,，因而成為研究高分子結(jié)構(gòu)和分子運(yùn)動(dòng)的有力手段。
1 聚合物的介電性
介電性是指高聚物在電場(chǎng)作用下,，表現(xiàn)出對(duì)靜電能的儲(chǔ)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(tuán)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(jī)玻璃等
強(qiáng)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(chǎng)下會(huì)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(yīng)的電荷,。
介電常數(shù)的大小決定于感應(yīng)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?。粯O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(tuán)在分子鏈上的位置,。在主鏈上的極性基團(tuán)活動(dòng)性小,，影響小,；在柔性側(cè)基上的極性基團(tuán)活動(dòng)性大,，影響大,。
（2）分子結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性。分子結(jié)構(gòu)對(duì)稱的,，極性會(huì)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(jié)晶）會(huì)使ε較大,；減少分子間作用力（如支化）會(huì)使ε較小,。
（4）物理狀態(tài)。高彈態(tài)比玻璃態(tài)的極性基團(tuán)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(duì)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(chǎng)中取向極化時(shí),，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(shí)非常小的，tanδ＝10－3～10－4,。
當(dāng)聚合物用作絕緣材料或電容器材料時(shí),，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?yàn)榻殡姄p耗主要是取向極化引起的,，因而通常ε越大的因素也越會(huì)導(dǎo)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(yīng)當(dāng)沒有介電損耗,，但實(shí)際上總是有雜質(zhì)（水、增塑劑等）存在,，其中極性雜質(zhì)會(huì)引起漏導(dǎo)電流,，而使部分電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽Q電導(dǎo)損耗,。
與力學(xué)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(jí)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(dǎo)電性
高聚物存在兩種導(dǎo)電機(jī)理：電子電導(dǎo)（電子,、空穴）和離子電導(dǎo)（正、負(fù)離子）,。一般高聚物主要是離子電導(dǎo),。有強(qiáng)極性原子或基團(tuán)的高聚物在電場(chǎng)下產(chǎn)生本征解離，可產(chǎn)生導(dǎo)電離子,。而非極性高聚物本應(yīng)不導(dǎo)電,，它的理論計(jì)算的比體積電阻1025Ω·cm，但實(shí)際上要小好幾個(gè)數(shù)量級(jí),，原因是雜質(zhì)帶來的,。這些雜質(zhì)是少量沒有反應(yīng)的單體，殘留的催化劑,、助劑以及水份,，都能在電場(chǎng)下離解而成為導(dǎo)電的主要載流子。
高聚物導(dǎo)體,、半導(dǎo)體則主要是電子電導(dǎo),。
對(duì)聚合物加一直流電源時(shí)，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(yīng)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(dǎo)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(zhǎng)度,；b為電極間的距離,。
一般講電阻率沒有特別注明時(shí)，都是指體積電阻率（即比體積電阻）,。這是最重要的電學(xué)性質(zhì)之一,，按ρv將材料分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體三類,。
導(dǎo)體 ρv＝0～103Ω·cm
半導(dǎo)體 ρv＝103～108Ω·cm
絕緣體 ρv＝108～1018Ω·cm以上
ρv和ρs都是用一個(gè)三電極裝置測(cè)定（圖7-61）,，該裝置由主電極、環(huán)形電極和下電極組成,。測(cè)定ρv時(shí)樣品被測(cè)面積就是主電極的面積,；測(cè)定ρs時(shí)電極長(zhǎng)度為主電極的周長(zhǎng)。
聚合物的導(dǎo)電性能受分子結(jié)構(gòu)及外界條件的影響：
（1）極性聚合物的導(dǎo)電性要好于非極性聚合物,。
（2）存在共軛體系的,，導(dǎo)電性好。
（3）分子量增大能使電子電導(dǎo)增大,，但離子電導(dǎo)減小,。
（4）結(jié)晶度增大可使電子電導(dǎo)增大,，而離子電導(dǎo)減小。
（5）聚合物殘留的導(dǎo)電性“雜質(zhì)"（如催化劑,、導(dǎo)電性填料,、水分等）含量越大，則導(dǎo)電性越好,。其中水對(duì)極性聚合物影響大,，但對(duì)非極性聚合物影響很小。
（6）溫度升高,，聚合物導(dǎo)電性急劇增強(qiáng)。
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(dǎo)電性很強(qiáng),，稱為導(dǎo)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(qiáng)電場(chǎng)中，材料可以從介電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài),，這時(shí)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(guān)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(qiáng)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(gè)重要指標(biāo),。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(gè)固體,，不論其化學(xué)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(jié)構(gòu)中電荷載體能力的分布也就不同,。當(dāng)這樣兩個(gè)固體接觸時(shí),，在固－固表面上就會(huì)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(fù)）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(shí)只要在高聚物幾百個(gè)原子中轉(zhuǎn)移一個(gè)電子,，就會(huì)使整個(gè)聚合物帶有相當(dāng)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(shí)，經(jīng)常會(huì)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(shí)常常帶有靜電,。合成纖維在紡絲過程也會(huì)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(dá)1500伏以上。纖維拉伸靜電的積累甚至可達(dá)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(dǎo)，一些非極性聚合物（聚乙烯等）靜電可保持幾個(gè)月之久,。
關(guān)于靜電產(chǎn)生的機(jī)理至今還沒有定量的理論,，一般認(rèn)為是聚合物摩擦?xí)r，ε大的帶正電,，ε小的帶負(fù)電,。也就是極性易帶正電，非極性高聚物易帶負(fù)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(gè)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(huì)因?yàn)槲鼔m而影響清晰度，靜電電壓超過4000伏時(shí)會(huì)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(huì)影響錄音質(zhì)量,。
（3）可能危機(jī)人身及設(shè)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(chǎng)合下,，會(huì)釀成巨大的災(zāi)禍,。有人統(tǒng)計(jì)，化學(xué)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(wù)，靜電復(fù)印,、靜電照相,，日常生活中利用氯綸的靜電來治療關(guān)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(dǎo)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(dǎo)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(kuò)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(jìn)行剪裁,，如果不加抗靜電劑，切好的糖果紙很難分開,，這時(shí)就需要添加內(nèi)用型的抗靜電劑,。
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