高聚物的电学性质及其它性质

1、WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials高聚物的电学性能介电、导电、电击穿、静电现象WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials聚合物的介电性质WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials极化与介电现象 在外场作用下，电介质分子或其中某些基团中电荷分布发生的变化称极化，电场、力、温度等都可以产生极化现象。 在外电场的作用下，由于分子极化引起的电能的贮存和损耗称介电；相应的性质称介电性。 在外力、电场的作用下产生的极化称介电极化，包括电子极化、原子极化、取向极化、界面

2、极化等。WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials电子极化 电子极化是外电场作用下分子中各原子或离子的价电子云相对原子核产生位移而导致的极化。 极化过程所需时间极短，约10-1310-15秒。 极化率不随温度变化而变化。 除去外电场，位移立即恢复，无能量损耗，也称可逆极化或弹性极化。WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials原子极化 原子极化是分子骨架在外电场的作用下发生变形，分子中正、负电荷中心发生相对位移而造成的。如CO2分子的变形极化。极化所需时间约10-13秒，伴有微量能量损耗。以上两种极化统称变形

3、极化或诱导极化，极化率不随温度变化。非极性分子只有电子极化和原子极化。极化WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials取向极化 也称偶极极化，是具有永久偶极矩（m）的极性分子沿外场方向取向排列导致极化的现象。 偶极矩（m）：正负电荷中心之间的距离d与极上电荷q的乘积；m=qd；矢量，单位为库仑米或德拜（Debye，D），1D=3.3310-30库仑米 极性分子的取向需要克服本身的惯性和旋转阻力，因而极化时间较长，约10-9秒。 偶极极化与温度、外场强度等有关 外场强度大，取向明显，极化大； 温度升高，热运动加剧，取向干扰大，极化小；WUHAN UNIV

4、ERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials界面极化 界面极化是一种产生于非均相介质界面处的极化，是外电场作用下电介质中的电子或离子在界面处堆积的结果。 所需时间长，从几分之一秒到几分钟甚至更长。 与温度和外场强度有关，发生在低频区域。 聚合物中有界面的地方都有界面极化（共混、填充、杂质、缺陷等）。WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials聚合物中的极化现象 聚合物中的偶极极化其本质与小分子相同，但因具有不同运动单元的取向而使完成取向极化的时间范围变得很宽，与力学松弛时间谱类似，称介电松弛谱。 聚合物所处的电场频率与极化有关：频

5、率非常高：只有电子极化；中等频率：电子极化和原子极化；低频时：所有的极化都会发生。tanTWUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials介电常数 在充满电介质的电容器中，与真空电容器相比，充以相等的电压，电容器极板上的感应电荷与电容不等，以下标0表示真空电容器，定义介电常数：00CQCQ介电常数是衡量电介质极化的宏观物理量，表征电介质贮存电能的能力。聚合物的介电常数在1.88.4之间，多数为24。WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials分子极化率 介电常数 是电介质极化的宏观表现，而分子极化率 是反应分子极化

6、特征的微观物理量，定义极化率 为：101Emm1：诱导偶极矩；0：真空介电常数；E1：有效电场强度材料在电场中总的极化率 为：3,3eakTmmmea对非极性分子，只存在电子极化e和原子极化a对极性分子，还存在偶极极化mWUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials介电常数与分子极化率的关系 介电常数与分子极化率的关系可由Clausius-Mosotti方程给出：1()233eaMNN对非极性分子：对极性分子：2001()2333eaMNNkTmM：分子量；：密度；k：Boltzmann常数；N：Avogadro常数；T：绝对温标；WUHAN UNIVE

7、RSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials聚合物的介电常数 介电常数决定于介质的极化，而极化与介质的分子结构及其所处的物理状态有关。 介质极化中取向极化的贡献最大而且只有极性分子可以发生，其强弱与介质分子极性有关。介电常数成为分子极性大小的衡量。 聚合物分子的偶极矩是分子中所有键矩的矢量和。 按平均偶极矩（ ）的大小，聚合物大致可分为： 非极性聚合物： =0D，= 2.0-2.3 弱极性聚合物：0 0.5， =2.3-3.0 中等极性聚合物：0.5D0.7D， =4.0-7.0mmmmmWUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials

8、常见聚合物的介电常数聚合物聚合物PTFE2.0乙基纤维素3.0-4.2四氟乙烯-六氟丙烯共聚物2.1聚酯3.00-4.36PP2.2聚砜3.14聚三氟氯乙烯2.24PVC3.2-3.6LDPE2.25-2.35PMMA3.3-3.9乙-丙共聚物2.3PI3.4HDPE2.30-2.35Epoxy3.5-5.0ABS2.4-5.0POM3.7PS2.45-3.10Nylon-63.8HIPS2.45-4.75Nylon-664.0乙烯-醋酸乙烯共聚物2.5-3.4聚偏氯乙烯4.5-6.0聚苯醚2.58酚醛树脂5.0-6.5PC2.97-3.17硝化纤维素7.0-7.5WUHAN UNIVERSI

9、TY of TECHNOLOGYWHUTMaterials介电损耗 电介质在交变电场中由于消耗一部分电能而介质本身发热的现象称介电损耗。 产生介电损耗的原因： 电介质中含有载流子，在外电场作用下产生电导电流消耗掉部分电能转化为热能，称电导损耗； 电介质的取向是一个松弛过程，取向时，部分电能损耗于克服介质的内滞阻力上转化为热能，发生松弛损耗。 介电损耗与交变电场的频率有关WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials介电损耗与频率的关系 频率很低时：偶极子的取向跟得上电场的变化，电场能量几乎不损耗； 频率中等时：偶极子的取向受到摩擦阻力的影响，落后于电场的

10、变化，在电场作用下发生强迫运动，电场能量损耗很大； 频率很高时：偶极子完全跟不上电场的变化，取向极化几乎不发生，电场能量的损耗又降低。00tt Eletronic field Polarization TT/2WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials介电损耗的表征 类似交变应力中的复数模量，交变电场中的介电常数是复数介电常数，由实部（近似实测的介电常数）和虚部”（介电损耗因素）组成，相位差称介电损耗角，是每周期内介质损耗的能量与介质贮存的能量的比值。02202202201()1()tan*i = = 01m1m02tan log tan0mtanm

11、 WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials温度对介电损耗的影响 温度很低时，聚合物粘度很大，极化时间长，偶极转向困难，跟不上电场变化，、”都很小； 温度升高，粘度减小，偶极可以转向但跟不上电场变化， 、”都增大； 温度足够高后，偶极转向完全跟得上电场的变化， 增至最大而”又变小。 T 温度升高还可能使电导电流增大，到一定程度时，电导损耗成为主要的损耗。WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials其他影响介电损耗的因素 分子结构的影响： 分子极性越大、极性基团密度越大，介电损耗越大；非极性聚合物的tan在10

12、-4数量级，极性聚合物在10-2数量级 电压的影响： 电压增大，一方面使极化增大，另一方面使电导电流增大，都造成介电损耗增大 增塑剂的影响： 加入非极性增塑剂使介电损耗峰向低温方向移动（在较低温度下就出现较大的介电损耗）； 加入极性增塑剂使介电损耗增加，浓度增加也使损耗峰移向低温方向 杂质的影响： 导电杂质或极性杂质的存在会增加聚合物的电导电流和极化率，使介电损耗增加WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials聚合物的导电性WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials材料导电性的表征 电阻R： 电导G： 电阻率

13、：单位面积和厚度试样的电阻值 电导率s： 聚合物的电导率：10-710-18W-1m-1。URI1IGRUhRSSGhWUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials聚合物的导电特点 聚合物中存在电子导电，也存在离子导电，即导电载流子可以是电子、空穴，也可以是正离子、负离子。 多数聚合物中存在离子电导： 带有强极性基团的聚合物发生本征离解产生电导离子； 聚合、加工过程中引入的催化剂、添加剂、填料、水份及其他杂质也可提供导电离子 共轭聚合物、聚合物的电荷转移络合物、聚合物的自由基-离子化合物及有机金属聚合物等具有强的电子电导。WUHAN UNIVERSITY

14、 of TECHNOLOGYWHUTMaterials表面电阻率与体积电阻率 聚合物的表面和本体中具有不同的导电特性。 表面电阻率：单位正方形表面上两刀形电极之间的电阻，沿表面电流方向的直流场强与该处单位长度的表面电流之比，sssslU bRbIl体积电阻率：单位立方体两相对面上的电极之间的电阻，体积电流方向的直流场强与该处体积电流密度之比。vvvvSU hRhISUblIsWUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials聚合物的导电性与分子结构 饱和的非极性聚合物具有最好的绝缘性能：PS、PTFE、PE的实测电阻率约1018、1016Wm，理论值高达10

15、23Wm； 极性聚合物绝缘性稍差：聚砜、聚酰胺、PAN、PVC的电阻率约1012-15Wm； 共轭高聚物是半导体材料：共轭p电子去定域化提供了电子载流子。聚丙烯腈脱氢裂解环化产物的电导率约0.1W-1m-1； 电荷转移络合物和自由基-离子化合物具有高电导性：聚2-乙烯基吡啶-碘的电导率约0.1W-1m-1； 有机金属聚合物金属离子引入聚合物主链，具有更高的电导率，聚酞菁铜电导率约5W-1m-1。WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials聚酞菁铜结构NNNNNNNNCunnWUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMateri

16、als聚合物电阻率与温度的关系 温度增加，聚合物中的载流子浓度增加，电阻率急剧下降。ERTAe在玻璃化转变区，电阻率-温度曲线会有一个突变，可以利用来测定玻璃化温度。WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials高聚物的介电击穿WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials介电击穿现象与介电强度 强电场中（107-108V/m），电压与电流不再符合欧姆定律 ，dU/dI逐渐减小。 在高电压下，大量电能迅速释放，电极之间的材料局部被烧毁，材料从介电状态突然变成导电状态，称介电击穿。 dU/dI=0时的电压称击穿电压，

17、记作Ub。 介电强度Eb是材料击穿电压与厚度h之比，即材料能长期承受的最大场强，也称击穿场强，单位为MV/m。UI0UbbbUEhWUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials聚合物的介电击穿机理 本征击穿：在高电压电场作用下，聚合物中微量杂质产生的离子或电子被电场加速沿电场方向作高速运动，与大分子碰撞激发新的电子，新的电子获得能量由激发更多的电子，恶性循环的结果导致击穿。其主要影响因素是聚合物的结构与电场强度，与冷却条件、外加电压方式（持续或脉冲）和时间及试样的厚度无关。 热击穿：在高电压电场作用下，介电损耗产生的热量来不及散发，使聚合物温度升高，导致

18、电导率升高，产生更多热量，恶性循环的结果导致聚合物的氧化、熔融和焦化以致击穿。热击穿电压与环境温度、散热条件、加压时间和升压速度有关（脉冲加压的击穿电压高于缓慢升温的击穿电压）。 放电击穿（化学击穿）：聚合物表面和内部气泡的介电强度远低于材料本身，在高电压电场作用下，首先电离放电，产生的热量、气氛如臭氧O3使聚合物降解、氧化、老化，反复放电使材料侵蚀加深，最终导致击穿。击穿通道往往呈树枝状。WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials聚合物的实际介电强度 纯粹均匀的聚合物介电强度超过100MV/m。实际介电强度低得多。 实际强度的影响因素：环境介质、物

19、理状态、温度、加压方式和速度、电场频率、纯度及电极类型等。聚合物PEPPPMMAPVCEpoxyPS薄膜PET膜Eb(MV/m)18-2820-2618-2214-2016-2050-60100-130击穿试验是破坏试验，往往以耐压试验来考察其介电击穿性能：在聚合物制件上施以试验电压，经指定时间后不发生击穿则认为合格。WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials聚合物的静电现象WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials静电现象 任何两种物质互相接触或摩擦时，由于其内部结构中电荷载体的能量分布不同而导致接触界面

20、上的电荷再分配，分离时，两种物质表面将带上比其接触或摩擦前过量的正/负电荷，称静电现象。 聚合物电绝缘性很好，因而其静电耗散较慢，表现出的静电现象较明显。聚合物半衰期（秒）正电荷负电荷聚乙烯基咪唑0.180.24聚丙烯酸1.500.96棉3.604.80聚丙烯腈667687尼龙66936720WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials静电起电机理与耗散机理 起电机理： 双电层学说、静电起电与功函数学说、量子力学理论、离子转移理论 都假定双电层的分离使物体表面产生相反的电荷，只不过是形成双电层的机理不同而已。此外，其它如热电生电和压电生电现象，也可能起

21、一定的作用。 耗散机理： 最初分离阶段，电荷借量子力学的隧道贯穿机理，通过微小的间隙转移； 电荷通过大气放电而转移 电荷通过正在接触中的物体而转移 电荷沿接触表面而转移WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials摩擦起电序 电子克服原子核的作用从材料表面逸出所需要的最小能量称逸出功或功函数。不同物质的功函数各不相同。 材料接触时，电子从功函数较小的一方向较大的一方转移，分离时功函数较高的材料带负电而较低的带正电。尼龙66纤维素醋酸纤维聚甲基丙烯酸甲酯维尼纶涤纶聚丙烯腈聚氯乙烯聚碳酸酯聚氯醚聚偏二氯乙烯聚苯醚聚苯乙烯聚乙烯聚丙烯聚四氟乙烯WUHAN UN

22、IVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials静电的危害、防治和应用 危害：干扰、击穿、电击、火花、爆炸， 防治： 选择适当的材料（对材料进行抗静电改性） 减少接触 加快耗散（接地、降低材料电阻率、保持湿度） 应用： 静电除尘、防腐、复印、植绒、喷涂， 静电纺丝（纳米纤维）WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials高聚物的其他性质热性能、气密性、光性能、表面与界面性能WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials高聚物的热性能WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYW

23、HUTMaterials高聚物热性能的内容 温度升高影响： 力学性能； 玻璃化转变； 非晶聚合物的粘流转变； 结晶聚合物的熔融转变等。 聚合物材料的 热稳定性； 热膨胀性； 热传导； 燃烧与阻燃。WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials热稳定性 材料在给定温度下保持其应用所需的物理、力学性能（强度、韧性等）的能力。 聚合物的长期耐热性不如金属、陶瓷等无机材料，但由于其绝热性好，瞬间耐热性优于金属、陶瓷等。 载人飞行器使用聚合物材料为表面以耐受短时间1100016700C的高温。WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMa

24、terials聚合物受热时的变化 物理变化： 软化（玻璃化转变温度Tg） 熔融（粘流温度Tf，熔融温度Tm） 化学变化： 环化、分解、交联、氧化、降解 材料应用中应考虑： 使用的时间、使用环境、性能变化的允许范围 温度、时间、环境、性能四个条件并列WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials提高聚合物耐热性的方法 从结构对分子运动影响出发：提高玻璃化温度和熔融温度 增加链刚性；引入共轭双键及环状结构；增加分子链的规整性、分子间作用力、取代基的对称性和极性、氢键；交联。 改变聚合物的结构、提高耐热分解的能力 在高分子主链中避免弱键（如碳链中的季碳和叔碳原

25、子、C-O键等）； 避免长串的亚甲基； 引入环状结构（苯环和杂环）提高分解温度WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials聚合物的热膨胀 热膨胀：材料由于温度变化引起的尺寸和外形的变化。线膨胀（线膨胀系数）、面膨胀、体膨胀（体膨胀系数）。 温度升高，原子在其平衡位置的振动加剧，导致膨胀。 原子晶体如金刚石，原子间完全是化学键的强相互作用，热膨胀系数极小（10-6K-1）； 分子晶体，由范德华力关联，相互作用弱，膨胀系数大（10-4K-1）； 聚合物：主链上是化学键，分子链间是范德华力，因而平行和垂直于主链上的膨胀系数不同。但：材料中分子杂乱取向，表现为

26、各向同性，热膨胀系数更多地决定于微弱的链间作用。WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials常见材料的热膨胀系数材料(10-5K-120C)材料(10-5K-120C)软钢1.1HDPE11.0-13.0黄铜1.9PA669.0PVC6.6PC6.3PS6.0-8.0PMMA7.6PP11.0天然橡胶22.0LDPE20.0-22.0WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials高聚物的热传导 热传导：热量在材料中再分配直至温度相等的过程。热导率k。 金属：电子运动导热，热导率大 聚合物：分子之间的碰撞导热，热导

27、率小。 热导率随温度增加，总体上增加。 玻璃化温度上下，分子堆砌没有明显变化，热导率显示微弱的最大值。 结晶聚合物在熔融时，分子堆砌破坏，导热率下降很快。WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials部分材料的热导率材料k (J/smK)材料k (J/smK)PP（无规）0.172PC0.193PS0.142Epoxy0.180PVC0.168银418.68PMMA0.193铝237.25PET0.218黄铜142.35PU0.1471Cr18Ni9Ti16.28WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials聚合物

28、的燃烧 除非作阻燃处理，多数聚合物可燃且易燃。 燃烧：物质与空气中的氧发生剧烈化学反应放出热和光的过程。 燃烧过程包括：加热、热分解、氧化、着火。 燃点（着火点）：使材料开始燃烧的最低温度。 延燃：材料开始燃烧后产生的热量使周围物质或自身未燃部分受热燃烧的现象； 阻燃（自熄、不延燃）：材料开始燃烧后产生的燃烧热不足以使未燃部分继续燃烧的现象。WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials聚合物燃烧机理 复杂的自由基连锁反应过程： 首先聚合物热解产生碳氢化合物片段RH2：形成自由基后开始链式反应：PolymerRH2RH2+ O2RH+HO2具有高反应活性

29、。多数阻燃剂通过抑制其产生来阻燃。RH+O2RHO2RO+OHRH2H2ORH+聚合物往往燃烧不完全放出毒害性气体，含N聚合物如PU、PA、PAN等产生氰化氢（HCN），含氯聚合物如PVC产生氯化氢（HCl）。WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials聚合物燃烧性能的表征参数 燃烧速率：标准试样在外部辐射热源存在下水平方向火焰的传播速度。mm/min。 氧指数：在规定条件下，试样在氧气和氮气的混合气流中维持稳定燃烧所需的最低氧气浓度，以混合气流中氧气的体积百分比表示。氧指数越小越易燃烧。 氧指数 27：高难燃材料。WUHAN UNIVERSITY o

30、f TECHNOLOGYWHUTMaterials部分聚合物的燃烧性质材料燃烧速率(mm/min)氧指数(O2%V)材料燃烧速率(mm/min)氧指数(O2%V)PE7.6-30.517.4-17.5PA自熄26.7PP17.8-40.617.4PTFE不燃79.5PS12.7-63.518.1氯化聚乙烯自熄21.1PMMA15.2-40.617.3硝酸纤维素迅速燃烧PC自熄26-28醋酸纤维素12.7-50.8PVC自熄45-49硅橡胶26-39WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials使聚合物阻燃的方法 与高难燃聚合物共混：PVC/ABS, CP

31、VC（氯化聚乙烯）与其他塑料共混。 加入无机填料：填充后可减缓可燃气体到达火焰的速度。CaCO3，硅酸盐类，陶土等。 接枝法：ABS-g-PVC 交联法：交联可提高耐热性，减缓热分解。 共聚法：将阻燃性单体（含磷、溴、氮等）共聚到材料中制成阻燃型聚合物。 添加阻燃剂WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials阻燃剂阻燃 阻燃剂：能保护材料不着火或使火焰难以蔓延的添加剂。 无机阻燃剂：占到阻燃剂总量的60% Al(OH)3、Sb2O3、Mg(OH)2、硼化物等； 有机阻燃剂： 磷系：磷酸三辛酯、三(氯乙基)磷酸酯等； 卤系：氯化石蜡、氯化聚乙烯、四溴双酚

32、A、十溴二苯醚等。 发展方向：阻燃、阻烟、无毒WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials阻燃剂的阻燃机理 吸热效应：使聚合物温度上升困难。如硼砂的结晶水释放时吸热142KJ/mol； 覆盖效应：生成稳定的覆盖层或分解生成泡沫状物质覆盖于聚合物表面，阻隔分解产生的可燃气体逸出，隔热、隔绝空气。磷酸酯类化合物及防火发泡涂料； 稀释效应：受热时产生不燃气体稀释可燃性气体，使其不达到可燃浓度。如磷酸铵、氯化铵、碳酸铵等分解产生CO2、NH3、HCl、H2O等； 转移效应：改变聚合物的热分解模式，抑制可燃性气体产生，从而阻燃。如氯化铵、磷酸铵等； 抑制效应：捕

33、捉自由基，如溴、氯的有机化合物与燃烧产生的OH自由基作用生成水，抑制连锁反应发生； 协同效应：某些物质本身不阻燃，但与其他物质配合使用可显著阻燃。如Sb2O3与卤素化合物的配合使用。WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials聚合物的气密性WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials高分子材料的透气性理论 材料暴露于气体时，能吸收相当于自身体积一定部分的气体（吸收系数），吸收量随温度变化而变化； 材料吸收气体的数量与气体的分压成正比； 材料两面存在浓度梯度（高浓度一面相当于材料浸没于气体中，真空一面没有吸收气体

34、）； 材料内部气体的扩散服从菲克（Fick）扩散定律。 材料可看作粒子密堆积的结果，堆积中的缺陷是气体透过的根本条件。（晶体中的缺陷、聚合物中的自由体积等）WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials高分子材料透气过程 首先：低分子量气体（液体）在聚合物中溶解；（溶解速率） 然后：气体在材料内部扩散；（扩散速率） 最后：气体（液体）离开材料进入另一面（速率决定于低分子物质在材料中的能量）121212()()()AtD dcAtDAtQccDS PPIdxIIIQpDSAt PPQ为时间t内气体透过面积为A的数量，D为与浓度无关的扩散系数；dc/dx为浓

35、度梯度，c1, c2, P1, P2分别为材料两面的气体浓度、分压，I 为材料厚度，S为气体在材料中溶解度系数透过性常数WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials影响聚合物透气性的因素 膜在气体中暴露面积的大小和厚度； 影响扩散常数和溶解度的因素，如压力、温度、材料的性质及气体的性质等； 膜材料的性质 内聚能高，结构紧密，扩散常数小，透气性小； 材料中加入填料使透气性增加，交联使透气性下降； 结晶度增加，透气性下降； 扩散气体的性质：气体分子的大小、在材料中的溶解度、是否与材料本身作用等 膜材料的分子结构的影响 非极性分子气体（水蒸汽）透过率较低，极

36、性分子透过率较大； 含有亲水基团的聚合物的水蒸汽透过率较大，如PVA等WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials复合包装膜材料 采用两层或两层以上的基材复合制成多层材料以满足多种防护功能的要求。 塑料薄膜、玻璃纸、纸张、铝箔等；纸塑复合、铝塑复合等 干复合法、湿复合法、热压复合法、流延复合法、共挤出复合法等。WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials聚合物的光学性质WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials光的折射 折光指数，折射率：irir介质真空sinsin

37、sinsin irnri多数碳链聚合物的折光指数1.5碳链上带有较大侧基时，折光指数较大；带有氟、甲基等时，折光指数较小。WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials聚合物的折光指数聚合物折光指数(25C, l589.3nm)聚合物折光指数(25C, l589.3nm)PTFE1.3-1.4PB1.515PDMS1.404PAN1.518PVAc1.467Nylon-661.53POM1.48PVC1.544PMMA1.488PC1.585PIB1.509PS1.59PE1.51-1.54PET1.64PP1.495-1.510PVDC1.63WUHA

38、N UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials非线型光学性质 光波是一种电磁波，可通过谐振过程使介质极化。极化强度p（P）与电磁波的电场强度E有如下关系：23(1)(2)2(3)30.(.)pEEEPEEE对于微观的原子或分子：对于宏观材料： (1)分别是微观和宏观的线性极化率；(2)(3)等分别是微观和宏观的高阶极化率，或称非线性系数；0是真空的介电常数光波的场强很弱，高次项可忽略，表现为线性光学性质。场强很大时（如激光），高次项不可忽略，表现出非线性的光学性质（Nonlinear Optics ，NLO）。WUHAN UNIVERSITY of TECHNO

39、LOGYWHUTMaterials高分子二阶非线性光学材料 选择具有较大值的不对称性共轭结构单元连接到聚合物分子上，通过电场极化使之成为驻极体，使整个材料具有宏观不对称性，成为二阶非线性光学材料。NCH3CH2CH3CH2NNCHCCNCNNO2NNNOHOH分散红19：CH2NCOONOCH2CH2CH2CH2ONNNO2xnWUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials反射、全反射与光纤 折射角r：sinarcsin()irnirir12在表面1：i r；在表面2：i r时，入射光全部反射，没有折射，全反射。1sincinsinsin sinsin

40、irnrir=90，sinr=1如果使i ic ，光线不会穿出纤维表面，光纤WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials光的吸收 光从物质中透过时，透射光强与入射光强符合：0abII ea：试样厚度；b：吸收系数，是材料的特征量，与波长有关玻璃态聚合物在可见光范围没有特征吸收，a很小，通常为无色透明。PS, PMMA结晶聚合物总含有晶相和非晶相，造成散射，透明性下降，呈乳白色。PVC, PP等。WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials光限制吸收 通常透射光能量与入射光能量成正比； 反饱和吸收时：透射光能量被

41、限制在一个值以下不随入射光能量增加而增加。+NH2SiCH3CH2OOCH2CH3OCH2CH3x4HNHSi(OCH2CH3)3xPTMOMDINCOOCN+HOOHmH2NNHSiCH3OOCH3OCH3+NHCNHCNHOOPTMOMDINMDISiOCH3CH3OOCH3PTMOxyH2OH2OHNHSi(OCH2CH3)3xPTMOMDINCH2CH2NHMDIPTMOMDINHCH2CH2NMDISiOOOSi OOOnPTMOMDINHCH2CH2NMDISiOOOSiOONCH2CH2NHMDIMDIPTMOmnWUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHU

42、TMaterialsC60 Containing PU050010001500200025000100200300400500600 0% 0.16% 0.30% 0.42% 0.52%Transmitted Fluence, mJ/cm2Incident Fluence, mJ/cm2WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials聚合物的表面与界面性能WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGYWHUTMaterials表面与界面特性 表面（Surface）：真空状态下物体（固体）内部与真空之间的过渡层，包括物体最外面的几层原子和覆盖在其上的一些外来原子和分子。 界面（Interface）：两种物质相互接触时二者之间