聚合物其他性能

1、10 1ElectricalPropertiesofPolymers 高分子的电学性能 1 10 1 1Introduction概述 2 高分子的电学性能 指高分子在电场作用下所表现出来的各种物理现象弱电场中的导电性Electricconductivity交变电场中的介电性Dielectricproperty强电场中的击穿Dielectricbreakdown高分子表面的静电现象Staticelectricity 3 Heeger MacDiarmid 美 白川英树 日 2000化学奖导电高分子研究 聚乙炔掺杂后 电导率从3 2x10 6 1cm 1增加到38 1cm 1 提高了1000万倍 接近铝 铜 提出孤子概念 AlanJ Heeger 1936 AlanG MacDiarmid b 1936 b 1927 HidekiShirakawa 10 1 2ElectricConductivity导电性 半导体 导体 超导体 绝缘体 聚苯乙烯 聚四氟乙烯 酞菁铜 聚乙烯咔唑 聚乙炔 硅 锗 汞 铜 银 掺杂聚乙炔 1 m 1 各种材料的电导率 电阻 电流 电压 电导 电导率 面积 厚度

2、 10 1 2ElectricConductivity导电性 10 7 105 10 20 108 聚乙烯 4 材料表面与内部的导电性不同常用表面电阻率 s 体积电阻率 v表示导电性 表面电阻 电极间距 电极长度 体积电阻 试样厚度 电极面积 m 体积电阻率 表面电阻率 表面电阻测试装置 刀形电极示意图 10 1 2ElectricConductivity导电性 SurfaceResistanceandBulkResistance表面电阻和体积电阻 5 根据电导理论 决定电导的主要参数 是载流子的数目 迁移率载流子 可以是电子 空穴 也可以是正 负离子高聚物一般都是电绝缘体高聚物本身没有自由载流子是共价键连接起来的长链分子 既没有自由电子 也没有自由离子高分子链间堆砌靠的是范德华力 分子间距离较大 电子云交叠很差 即使分子内有载流子 也很难从一分子传递到另一分子 ElectricConductivityofPolymers高分子的导电性 10 1 2ElectricConductivity导电性 6 FactorsInfluencingElectricConductivityofPol

3、ymers高分子的导电性的影响因素 10 1 2ElectricConductivity导电性 分子结构饱和的非极性高聚物 电绝缘性最好极性高聚物 电绝缘性稍差 极性基团可发生微弱的本征解离 提供本征导电离子 共轭结构高分子 具有一定的导电性 电子可从一个C C键转移到另一个C C键 聚集态结构结晶和取向 使分子堆砌紧密 自由体积减小 离子迁移率下降以离子电导方式的高聚物 其电导率随结晶度或取向度增加而下降分子紧密堆砌 有利于分子间电子的传递以电子电导方式的高聚物 其电导率随结晶度或取向度的增加而增加杂质 使绝缘高聚物的绝缘性能下降导电填料的加入 会较大程度地提高高聚物的导电性 7 10 1 3DielectricProperties介电性能 2个衡量指标介电常数 表征电介质储存电能的能力介电损耗 表征电介质通过发热耗散电能的多少高聚物作为绝缘材料 或电容器的介电材料使用时 介电性是非常重要的性能 指电场作用下 高聚物储蓄和损耗电能的性质 8 不论极性还是非极性高聚物 一般情况下呈电中性电场作用下 高聚物会极化电子极化 电子倾向于正极 原子核倾向于负极 使分子电荷分布发生变化 产生偶极

4、矩 较弱原子极化 分子中各原子发生相对位移 导致原子极化 大小仅有电子极化的1 10取向极化 极性分子 原来无规排列的分子沿电场方向规则排列 产生永久偶极 PolarizedPhenomena极化现象 电场强度 极化率 偶极矩 Deybe 10 1 3DielectricProperties介电性能 高聚物的极性 通常用链节的偶极矩 来表示根据链节的偶极矩 可将高聚物分为4类非极性高聚物 0D 如聚乙烯 聚四氟乙烯 聚丁二烯弱极性高聚物 0 0 5D 如聚苯乙烯 聚异丁烯 聚异戊二烯极性高聚物 0 5 0 7D 如聚氯乙烯 聚酰胺 聚甲基丙烯酸甲酯强极性高聚物 0 7D 如聚酯 聚乙烯醇 聚丙烯腈 酚醛树脂 9 DielectricConstant介电常数 在真空中的两块电极板上施加电压U 两个电极板上产生电荷Q0 则真空电容器的电容为若两电极板间充满电介质 电介质在电场作用下极化 将在两电极板上产生感应电荷Q 使电极板上电荷增大为Q0 Q 电容为介电常数 定义为充满电介质时电容 真空电容 是描述介质在电场中极化程度的物理量 反映介质储存电能的能力 分子的极性越大 介电常数也越大 一些

5、高聚物的介电常数 60Hz ASTM150 10 1 3DielectricProperties介电性能 10 DielectricLoss介电损耗 对非极性聚合物 电导损耗可能是主要的对极性聚合物 介电损耗主要为极化损耗 电介质在交变电场中因消耗部分电能而发热的现象 2个原因电导损耗 外电场作用下 含载流子的电介质产生电导电流 消耗掉部分电能而发热原因 克服电阻而消耗电能松弛 极化 损耗 电场作用下 极化 特别是取向极化 过程 无规排列的分子 偶极子 转动而消耗部分电能 以克服介质的内粘滞阻力 转化为热能这部分损耗有时很大原因 介质具有内粘滞作用 偶极子转向将克服摩擦阻力而损耗能量 10 1 3DielectricProperties介电性能 11 12 制造电容器要求介电损耗尽可能小 而介电常数尽可能大和介电强度很高的介电材料 电容器 Instrumentinsulant 仪表绝缘要求电阻率和介电强度高而介电损耗很低的绝缘材料 10 1 3DielectricProperties介电性能 固体高聚物介电损耗随温度 恒频 或频率 恒温 而变化的图谱 称介电松弛谱 前者为温度谱 后者为

6、频率谱介电松弛谱 广泛用于研究高聚物分子结构与分子运动 DielectricRelaxationSpectrum介电松弛谱 T tan Dielectricrelaxationspectrumofapolymer 电场变化速度与微观运动单元的本征极化速度相当时 才出现介电损耗峰 10 1 3DielectricProperties介电性能 高聚物一般具有一个以上介电损耗极大值 对应不同尺寸运动单元的偶极子在电场中的松弛损耗非晶态均相高聚物的介电松弛谱上 松弛总是与链段运动相关 等次级松弛则对应较小运动单元的运动 13 10 1 4DielectricBreakdown介电击穿 材料厚度 击穿电压 MV m 介电强度 高压下 电极间的材料迅速释放大量电能而发生局部烧毁的现象 在强电场 106 108V m 中 材料电绝缘性能随电压升高而下降 产生局部导电 变成导体高聚物的介电击穿有多种形式 如本征击穿 热击穿 放电击穿等介电强度 高聚物材料最大能承受电场作用的能力 高聚物的介电强度工程数据 14 10 1 5ElectrostaticPhenomena静电现象 聚四氟乙烯聚丙烯聚乙烯聚苯

7、乙烯聚苯醚聚偏二氯乙烯聚氯醚聚碳酸酯聚氯乙烯聚丙烯腈聚对苯二甲酸乙二醇酯聚甲基丙烯酸甲酯乙酸纤维素纤维素 棉 皮肤粘胶纤维蚕丝羊毛尼龙 聚合物相互摩擦时 介电常数大的带正电介电常数小的带负电 任何两个固体 只要其内部结构中电荷载体能量分布不同 接触 或摩擦 时就会在固 固表面发生电荷再分配 分离后每一固体都带有过量的正 或负 电荷 15 接触起电 与电荷逸出功有关两种物质接触时 电荷将从逸出功低的物质向逸出功高的物质转移 使逸出功高的物质带负电 逸出功低的物质带正电 电荷逸出功 指电子克服原子核的吸引从物质表面逸出所需的最小能量 几种聚合物材料的电荷逸出功 10 1 5ElectrostaticPhenomena静电现象 16 EliminationofElectrostaticPhenomena消除静电的方法 消除绝缘体表面静电 通过空气消除 表面消除 体内消除 10 1 5ElectrostaticPhenomena静电现象 一般高聚物的电绝缘性能很好 一旦带有静电则消除很慢 故静电现象更为常见可合理利用静电作用 如静电复印 静电喷涂 静电植绒 在高聚物表面涂抗静电剂 提高表面导电

8、性 使电荷迅速释放 避免静电积聚抗静电剂是一些阳离子或非离子型活性剂 主要依靠空气中带相反符号的带电粒子中和 添加炭黑 碳纤维 金属细纷等导电粒子 增加材料的导电性 17 18 ChesterF Carlson Thefirstxerographicimage 1959 Xerox941 Xerography静电复印 10 1 5ElectrostaticPhenomena静电现象 10 2OpticalPropertiesofPolymers 高分子的光学性能 19 一些主要光学塑料的性能 10 2 1Absorption Scattering Transmission光的吸收 散射和透射 材料的透明性 取决于反射 吸收 散射三者间的关系相对于反射 若吸收 散射可忽略不计 则材料是透明的若吸收或散射高 则材料几乎不透明 20 10 2 2Absorption吸收 样品厚度 吸收系数 透光率 可见光波长范围内 多数无定形高聚物无特殊的吸收 吸收系数 很小 基本是透明的红外光谱区 所有高聚物均有一定的吸收红外吸收来自原子 基团的振动不同高聚物具有不同的红外吸收 红外光谱是分析 鉴别高聚物

9、的重要方法之一除具有波长选择性外 高聚物对光的吸收还有方向选择性两个方向上的吸收系数之差称为二向色性红外二向色性可用于测定高聚物的取向度 21 10 2 3Scattering散射 一束光通过介质时 除一部分透过外 还有一部分被介质所散射材料透明度的损失 除光的吸收和反射外 主要起因于材料内部对光的散射散射 由材料内部结构不均匀性 裂纹 杂质 填料 结晶 共混 所引起用于研究高分子的聚集态结构 尤其是球晶的尺寸和形态高分子溶液的散射光强度取决于散射角 溶液浓度 与高分子的分子量 分子尺寸及分子形态有关利用高分子溶液的光散射 可测定高分子的分子量 分子尺寸 分子链形态 在入射光的其他方向上 也能观察到散射光 22 10 2 4Refraction Reflection光的折射和反射 R 8 反射率 n 1 5 折射高聚物的折射率一般约为1 5取决于分子的电子结构因辐射的光频电场作用所发生的形变程度各向同性材料具有光学各向同性 只有一个折射率结晶 取向及其他各向异性材料 折射率沿不同的主轴方向有不同的数值 该现象称双折射 双折射是研究高聚物形变微观机理的有效方法之一反射射在透明物体上的光

10、除被折射外 还有一部分被反射光垂直入射时 23 10 2 5TotalReflection全反射 光导纤维工作原理 光线 鞘材 n小于芯材的材料 如聚氟代烯烃 芯材 高透明的高分子材料 如聚丙烯酸酯 光从光密介质 折光指数n1 进入光疏介质 折光指数n2 时折射角 入射角折射角随入射角增加而增加入射角增至临界值 折射角达90 折射光消失入射角继续增加 光线将全部折回 发生全反射 24 光密介质 光疏介质 10 2 6Non linearOptics非线性光学 宏观电极化 三阶非线性极化率 二阶非线性极化率 线性极化率 入射光电场 非线性光学高分子的应用 由光电场诱发的非线性光学效应 非线性光学 在强辐照下 介质的光学参量随辐照强度而变化 线性光学 介质光学参量 如折光指数 吸收系数等 与辐照强度无关 25 10 3ThermalPropertiesofPolymers 高分子的热性能 26 10 3 1CharacteristicTemperatures特性温度 受热过程中 高聚物会产生两类变化物理变化 如软化 熔融等 是高聚物受热后产生形变的主要原因化学变化 如交联 降解 氧化等 是

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