10聚合物的其他性能.

10OtherPropertiesofPolymers高分子的其他性能电、光、热PolymerPhysics高分子物理110.1ElectricalPropertiesofPolymers高分子的电学性能210.1.1Introduction概述3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Staticelectricity4Heeger、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3.2x10-6Ω-1cm-1增加到38Ω-1cm-1，提高了1000万倍（接近铝、铜）提出孤子概念AlanJ.Heeger1936AlanG.MacDiarmidb.1936b.1927HidekiShirakawa10.1.2ElectricConductivity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RUIRG11m1各种材料的电导率电阻电流电压ShG电导电导率面积厚度10.1.2ElectricConductivity导电性1071051020108聚乙烯5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blRssvvRSh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blUIsssURI10.1.2ElectricConductivity导电性SurfaceResistanceandBulkResistance表面电阻和体积电阻6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7FactorsInfluencingElectricConductivityofPolymers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810.1.3DielectricProperties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9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+-+l+l++++++______+l+l+l+l+l+l+l+lE电场强度极化率偶极矩Deybe10.1.3DielectricProperties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10DielectricConstant介电常数0/oCQU0()/CQQU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0/CC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，介电常数也越大高分子高分子高分子聚四氟乙烯2.0聚碳酸酯2.97~3.17环氧树脂3.5~5.0聚丙烯2.2乙基纤维素3.0~4.2聚甲醛3.7聚三氟氯乙烯2.24聚酯3.0~4.36尼龙6,663.8~4.0聚乙烯2.25~2.35聚砜3.14聚偏氯乙烯4.5~6.0聚苯乙烯2.45~3.10聚氯乙烯3.2~3.6酚醛树脂5.0~6.5聚苯醚2.58PMMA3.3~3.9硝酸纤维素7.0~7.5硅树脂2.75~4.20聚酰亚胺3.4聚偏氟乙烯8.4一些高聚物的介电常数(60Hz，ASTM150)10.1.3DielectricProperties介电性能11DielectricLoss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1213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Ttan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1410.1.4DielectricBreakdown介电击穿EUhbb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Eb(MV/m)高聚物Eb(MV/m)聚乙烯18~28聚乙烯薄膜40~60聚丙烯20~26聚丙烯薄膜100~140PMMA18~22聚苯乙烯薄膜50~60聚氯乙烯14~20聚酯薄膜100~130聚苯醚16~20聚酰亚胺薄膜80~110聚砜17~22芳香聚酰胺薄膜70~90酚醛树脂12~16环氧树脂16~20高聚物的介电强度工程数据1510.1.5ElectrostaticPhenomena静电现象聚四氟乙烯聚丙烯聚乙烯聚苯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16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聚合物逸出功/eV聚合物逸出功/eV聚四氟乙烯5.75聚乙烯4.90聚三氟氯乙烯5.30聚碳酸酯4.80氯化聚乙烯5.14PMMA4.68聚氯乙烯5.13聚乙酸乙烯酯4.38氯化聚醚5.11聚异丁烯4.30聚砜4.95尼龙-664.30聚苯乙烯4.90聚氧化乙烯3.95几种聚合物材料的电荷逸出功10.1.5ElectrostaticPhenomena静电现象17EliminationofElectrostaticPhenomena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1819ChesterF.CarlsonThefirstxerographicimage1959,Xerox941Xerography静电复印10.1.5ElectrostaticPhenomena静电现象10.2OpticalPropertiesofPolymers高分子的光学性能20高聚物缩写折光指数透光率，%色散系数聚甲基丙烯酸甲酯PMMA1.4909257.5聚苯乙烯PS1.59088~9230.8聚碳酸酯PC1.58680~9029.9苯乙烯-丙烯酸酯共聚物NAS1.53380~8842.4聚4-甲基戊烯-1TPX1.4659056.2烯丙基二甘醇聚碳酸酯CR-391.5049257.8一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2110.2.2Absorption吸收IId0exp()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2210.2.3Scattering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