高分子材料電及光的性能

1、高分子材料電與光的性能第一節(jié)、高分子材料的電學(xué)性能聚合物的極化和介電性能聚合物的導(dǎo)電性能和導(dǎo)電高分子材料聚合物的靜電特性高分子材料的電學(xué)性能是指在外加電場(chǎng)作用下材料所表現(xiàn)出來(lái)的介電性能、導(dǎo)電性能、電擊穿性質(zhì)以及與其他材料接觸、摩擦?xí)r所引起的表面靜電性質(zhì)等。就導(dǎo)電性而言，高分子材料可以是絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體和超導(dǎo)體。研究聚合物電學(xué)性能的緣由 ：多數(shù)聚合物材料具有卓越的電絕緣性能，其電阻率高、介電損耗小，電擊穿強(qiáng)度高；聚合物的電學(xué)性質(zhì)非常靈敏地反映材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征和分子運(yùn)動(dòng)狀況。一、聚合物的極化和介電性能(一)聚合物電介質(zhì)在外電場(chǎng)中的極化在外電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)分子中電荷分布發(fā)生變化，使材料出現(xiàn)宏

2、觀(guān)偶極矩，這種現(xiàn)象稱(chēng)電介質(zhì)的極化。極化方式有兩種：感應(yīng)極化和取向極化 。感應(yīng)極化又分為電子極化和原子極化。感應(yīng)極化的偶極矩：1稱(chēng)感應(yīng)極化率，e 和a分別為電子極化率和原子極化率。 EEae11取向極化的偶極矩：式中2稱(chēng)取向極化率，k為波爾茲曼常數(shù)。 為分子永久偶極矩，E為外電場(chǎng)強(qiáng)度，T與絕對(duì)溫度。以上討論單個(gè)分子產(chǎn)生的偶極矩，單位體積內(nèi)的偶極矩:P稱(chēng)介質(zhì)極化率， 為分子極化率。對(duì)非極性介質(zhì)， ；對(duì)極性介質(zhì)， 。EEkT220230EnnP00121（二）聚合物的介電性能1、介電系數(shù)聚合物在外電場(chǎng)作用下貯存和損耗電能的性質(zhì)稱(chēng)介電性，這是由于聚合物分子在電場(chǎng)作用下發(fā)生極化引起的，通常用介電系數(shù)和介

3、電損耗 表示。介電系數(shù)反映了電介質(zhì)儲(chǔ)存電荷和電能的能力。 2、介電損耗電介質(zhì)在交變電場(chǎng)中極化時(shí)，會(huì)因極化方向的變化而損耗部分能量和發(fā)熱，稱(chēng)介電損耗。分為電導(dǎo)損耗和極化損耗。對(duì)非極性聚合物而言，電導(dǎo)損耗可能是主要的。對(duì)極性聚tg 合物的介電損耗而言，其主要部分為極化損耗。 越小，表示能量損耗越小。理想電容器（即真空電容器） =0，無(wú)能量損失。 若選用聚合物作電工絕緣材料、電纜包皮、護(hù)套或電容器介質(zhì)材料，希望介電損耗越小越好。否則，不僅消耗較多電能，還會(huì)引起材料本身發(fā)熱，加速材料老化破壞，引發(fā)事故。需要利用介電損耗進(jìn)行聚合物高頻干燥、塑料薄膜高頻焊接或大型聚合物制件高頻熱處理時(shí)，則要求材料有較大的

4、 或 值。tgtgtg 3、影響聚合物介電性能的因素（1）分子結(jié)構(gòu)的影響非極性聚合物具有低介電系數(shù)（約為2）和低介電損耗（小于 10-4）；極性聚合物具有較高的介電常數(shù)和介電損耗 。分子鏈活動(dòng)能力對(duì)偶極子取向有重要影響 。大分子交聯(lián)也會(huì)妨礙極性基團(tuán)取向，使介電系數(shù)降低。（2）溫度的影響 溫度升高一方面使材料粘度下降，有利于極性基團(tuán)取向，另一方面又使分子布朗運(yùn)動(dòng)加劇，反而不利于取向 。tg（3）雜質(zhì)的影響雜質(zhì)對(duì)聚合物介電性能影響很大，尤其導(dǎo)電雜質(zhì)和極性雜質(zhì)（如水份）會(huì)大大增加聚合物的導(dǎo)電電流和極化度，使介電性能?chē)?yán)重惡化。對(duì)于非極性聚合物來(lái)說(shuō)，雜質(zhì)是引起介電損耗的主要原因。因此對(duì)介電性能要求高的聚

5、合物，應(yīng)盡量避免在成型加工中引入雜質(zhì)。 二、聚合物的導(dǎo)電性能和導(dǎo)電高分子材料（一）體積電阻與表面電阻材料導(dǎo)電性通常用電阻率或電導(dǎo)率表示，兩者互為倒數(shù)關(guān)系。按定義有： 式中R為試樣的電阻，S為試樣截面積，d為試樣長(zhǎng)度（ 或厚度，為電流流動(dòng)方向的長(zhǎng)度）。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)測(cè)量方法不同，人們又將試樣的電阻區(qū)分為體積電阻和表面電阻。/1dSR（三）導(dǎo)電高分子材料本征型導(dǎo)電高分子：這些材料分子鏈結(jié)構(gòu)的一個(gè)共同特點(diǎn)是具有長(zhǎng)程共軛結(jié)構(gòu)，以單鍵隔開(kāi)的相鄰雙鍵或（和）三鍵形成共軛結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)有 -電子云的部分交疊，使 -電子非定域化。聚乙炔、聚對(duì)苯撐、聚吡咯、聚噻吩 。 復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料：復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料

6、是指以絕緣的有機(jī)高分子材料為基體，與其它導(dǎo)電性物質(zhì)以均勻分散復(fù)合、層疊復(fù)合或形成表面導(dǎo)電膜等方式制得的一種有一定導(dǎo)電性能的復(fù)合材料。環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、硅橡膠、乙丙橡膠 三、聚合物的靜電特性 摩擦起電和接觸起電是人們熟知的靜電現(xiàn)象，對(duì)于高分子材料尤其常見(jiàn)。在高分子材料加工和使用過(guò)程中，相同或不同材料的接觸和摩擦是十分普遍的。一般來(lái)說(shuō)，靜電是有害因素。常用的除靜電方法有在聚合物表面噴涂抗靜電劑或在聚合物內(nèi)填加抗靜電劑。加入抗靜電劑的主要作用是提高聚合物表面電導(dǎo)性或體積電導(dǎo)性，使迅速放電，防止電荷積累。 第二節(jié)、高分子材料的光學(xué)性能光的折射光的反射光的吸收光的散射高分子材料的透光性與霧度一、光的折

7、射1.折射與折射率當(dāng)光從真空進(jìn)入較致密的材料時(shí)，其速度降低。光在真空和材料中的速度之比即為材料的折射率。兩種材料間的相對(duì)折射率：n1和n2是兩種材料的折射率。cn材料真空21211221sinsinnnnii2、高分子材料折射率的影響因素介電系數(shù)與介質(zhì)的光折射率n的平方相等， 。大多數(shù)碳-碳聚合物的折射率大約為1.5左右具有較大極化率；較小分子體積的苯環(huán)具有較高的折射率；折射率一般按下列順序增大折射率一般按下列順序增大2nOC F2COC H2C C l2C B r2,含有相同碳數(shù)的碳?xì)浠鶊F(tuán)，折射率按支化鏈直鏈脂環(huán)芳環(huán)的順序變大。分子中引入除F以外的鹵族元素、S、P、砜基、稠環(huán)、重金屬離子等均

8、可提高折射率，而分子中含有甲基和F原子時(shí)折射能力降低。3.色散與色散系數(shù)材料的折射率隨入射光的頻率的減小(或波長(zhǎng)的增加)而減小的性質(zhì)，稱(chēng)為色散。平均色散：nFnC，有時(shí)用表示。nF：是指用氫光譜中的F線(xiàn)（F=486.1nm，藍(lán)色）為光源測(cè)出的折射率。nC：是指用氫光譜中的C線(xiàn)（C=656.3nm，紅色）為光源測(cè)出的折射率。色散系數(shù)：也叫阿貝數(shù)、色散倒數(shù)或倒數(shù)相對(duì)色散，這是最常用的數(shù)值 。色散應(yīng)用實(shí)例：折射率 nD，平均色散nF-nC，由此可以算出阿貝數(shù)，阿貝數(shù)是光學(xué)玻璃的重要性質(zhì)之一，例如光學(xué)玻璃就是按阿貝數(shù)的大小分成兩大類(lèi)：冕牌玻璃和火石玻璃。CFDDnnn1二、光的反射二、光的反射1.反射

9、與反射系數(shù)反射與反射系數(shù)R在垂直入射的情況下，光在界在垂直入射的情況下，光在界面上的反射的多少取決于兩種面上的反射的多少取決于兩種介質(zhì)的相對(duì)折射率介質(zhì)的相對(duì)折射率n21。RnnWW22121112.界面反射與光澤界面反射與光澤當(dāng)光照射到表面光潔度非常高的材料上，反當(dāng)光照射到表面光潔度非常高的材料上，反射光線(xiàn)具有明確的方向性，一般稱(chēng)之為射光線(xiàn)具有明確的方向性，一般稱(chēng)之為鏡反鏡反射射。當(dāng)光照射到表面粗糙的材料上，反射光線(xiàn)沒(méi)當(dāng)光照射到表面粗糙的材料上，反射光線(xiàn)沒(méi)有方向性，稱(chēng)之為有方向性，稱(chēng)之為漫反射漫反射。光澤度光澤度的測(cè)量以鏡面為參照物，在規(guī)定的入的測(cè)量以鏡面為參照物，在規(guī)定的入射角下，試樣的射角

10、下，試樣的鏡面反射率鏡面反射率與同等條件下與同等條件下基基準(zhǔn)面的反射率準(zhǔn)面的反射率之比；一般光澤度常用百分?jǐn)?shù)之比；一般光澤度常用百分?jǐn)?shù)表示。表示。提高塑料制品的表面光澤度，稱(chēng)為增亮改性；反之稱(chēng)為消光改性。塑料增亮1）樹(shù)脂的選擇：其中蜜胺樹(shù)脂和ABS兩種光澤性最突出2）添加劑的選擇 幾種填料影響大小的為：金屬鹽玻璃纖維滑石粉云母填料的形狀其影響大小的為：球狀粒狀針狀片狀填料的填充增大，填充制品的表面光澤度降低。填料的粒度越小，填料制品的光澤度下降幅度小。塑料消光塑料消光方法與增亮方法正好相反，其改性目的是降低塑料的表面光澤。一般要使其光澤度下降到15以下，才可稱(chēng)其為消光表面。選擇合適的樹(shù)脂與填料

11、；添加消光劑，如無(wú)定型二氧化硅；提高模具的表面粗糙度；塑料表面涂層固體微粒；塑料表面機(jī)械消光。三、光的吸收光在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)有能量的損失，使透過(guò)介質(zhì)的光強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象，這就是光的吸收。 吸收系數(shù) K為吸收率，與介質(zhì)材料的特性有關(guān)。 T為光透過(guò)率leII0/4 KleIIT0/四、光的散射 光波遇到不均勻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生與主波方向不一致的次級(jí)波，與主波合成出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，使光偏離原來(lái)的方向，從而引起散射。五、高分子材料的透光性和霧度透光性的定義：材料可以使光透過(guò)的性質(zhì)。透光性是個(gè)綜合指標(biāo)，即光通過(guò)介質(zhì)材料后剩余光能所占的百分比，光的能量可以用照度表示。霧度的定義為：材料的散射光通量與透過(guò)材料光通量的百分?jǐn)?shù)。一般說(shuō)來(lái)，透光率與霧度之間成反比關(guān)系，即透光率高的材料