高聚物的極化現(xiàn)象

電介質(zhì)在外加電場下發(fā)生極化的現(xiàn)象,， 是其內(nèi)部分子和原子的電荷在電場中運動的宏觀表現(xiàn)。要深入了解極化現(xiàn)象的本質(zhì),， 必須在分子級的水平上去考察極化作用。

不管是極性高分子聚合物或是非極性高分子聚合物,， 在正常不加電場情況下,， 分子偶極取向是雜亂無章的， 宏觀上都呈現(xiàn)電中性,。

在外加電場作用下,， 其分子受外電場作用， 分子內(nèi)電荷分布發(fā)生相應的改變,， 導致分子的偶極距增大,， 這種現(xiàn)象稱為極化。

分子極化

高聚物的介電常數(shù)

如果在真空平行板電容器加上直流電壓U,，在兩個極板上將產(chǎn)生一定量的電荷 Q,。，這個真空電容器的電容 Co為

 Co=Qo/U

電容與所加電壓的大小無關,， 而決定于電容器的幾何尺寸,。如果電容器極板面積為S，而兩極板間的距離為d,， 則

比例系數(shù)ε0 為真空電容率,， 在國際單位制中： ε0 =8. 85 ×10^-12F/ m。

如果在上述電容器的兩極板間充滿高聚物電介質(zhì),， 這時極板上的電荷將增加到Q （Q =Q0 + Q′）,， 電容器里的電容C 比真空電容器增加了εr 倍：

εr———相對介電常數(shù)（以下簡稱介電常數(shù)）， 也稱相對電容率,。

介電常數(shù)與高聚物結構的關系

介質(zhì)極化決定于介電常數(shù)的大小,， 而介質(zhì)極化與介質(zhì)的分子結構及所處的物理狀態(tài)有關。

從前面的討論可知,， 介質(zhì)的極化按其機理至少可分為電子極化,、原子極化、偶極取向極化,， 其中以偶極取向極化的貢獻最大,， 而取向極化只有極性分子才能發(fā)生。因此碳氫化合物類的非極性高聚物,， 如天然橡膠,、聚苯乙烯、聚乙烯,、聚四氟乙烯只有電子極化,、原子極化， 其介電常數(shù)較小,， εr 在2 ～3 左右,。極性高聚物如聚氯乙烯,、有機玻璃、聚酯等,， εr 在3 ～7范圍,。而且極性基團在分子鏈中的位置不同， 對介電常數(shù)的影響也不同,。一般說來,， 主鏈上的極性基團活動性小， 它的取向需要隨主鏈的構象改變,， 因而這種極性基團對介電常數(shù)影響較?。?而側基上的極性基團,， 特別是柔性的極性側基,， 因其活動性較大， 對介電常數(shù)影響較大,。

顯然,， 發(fā)生偶極取向運動時需要改變主鏈構象的極性基團， 包括在主鏈上的和與主鏈硬性連接的那些極性基因,， 它們對高聚物介電常數(shù)的貢獻大小,， 強烈地依賴于高聚物所處的物理狀態(tài)。在玻璃態(tài)下,， 鏈段被凍結,， 這類極性基團的取向運動有困難， 因而它們對高聚物的介電常數(shù)的貢獻很??； 而在高彈態(tài)時， 鏈段可以運動,， 極性基團取向得以順利進行,， 對介電常數(shù)貢獻也就大了,， 這就不難解釋聚氯乙烯所含的極性基團密度幾乎比氯丁橡膠多一倍,， 而室溫下介電常數(shù)后者是前者的三倍?？梢灶A料,， 那些主鏈上含有極性基因或極性基團與主鏈硬連接的聚合物， 當溫度提高到玻璃化溫度以上時,， 其介電常數(shù)將大幅度提高,， 如聚氯乙烯的介電常數(shù)將從3. 5 增加到15。

分子結構對介電常數(shù)也有很大影響,， 對稱性越高,， 介電常數(shù)越小,， 對同一高聚物來說，全同立構的介電常數(shù)高,， 間同立構介電常數(shù)低,， 而無規(guī)立構介于兩者之間。

此外,， 交聯(lián),、支化、拉伸等對介電常數(shù)也有影響,。交聯(lián)結構使極性基因活動取向有困難,， 因而降低了介電常數(shù)， 如酚醛塑料,， 雖然極性很大,， 但介電常數(shù)并不太高。拉伸使分子整齊排列,， 從而增加分子間相互作用力,， 但降低了極性基團的活動性， 而使介電常數(shù)減少,，相反支化則使分子間的相互作用減弱,， 因而使得介電常數(shù)升高。

絕緣材料的介電常數(shù)是決定通信電纜傳輸信號衰減的一個重要因素,， 所以通信電纜的絕緣材料其介電常數(shù)越小越好,， 通常采用介電常數(shù)小的聚乙烯、聚苯乙烯,、聚丙烯,。而在電容器中， 則宜采用介電常數(shù)大的絕緣材料,， 以提高電容量,。

除此之外， 溫度,、頻率對介電常數(shù)影響也大,。下表給出了部分高聚物的介電常數(shù)：

部分高聚物的介電常數(shù)

注： 橡膠為103 Hz 時的測定值， 其余為50Hz 時的測定值,。

測試高聚物介電常數(shù)的儀器

北京航天偉創(chuàng)生產(chǎn)的LDJD系列介電常數(shù)及介質(zhì)損耗測試儀,，能夠測試高聚物的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗。

LDJD-A介電常數(shù)及介質(zhì)損耗測試儀