聚合物的电学、热学和光学性能-聚合物的电学性能（高分子物理课件）

1、电阻率与电导率

当在材料的两端施加电压V时，材料中有电流I流过，这种现象称为导电，电流I值可用欧姆定律表示∶I=V/R电阻R=ρL/S电阻率ρ=E(电场强度)/J(电流密度)

电阻与试验材料的几何尺寸有关，而电阻率只与材料本性有关，因此评定导电性的基本参数是ρ而不是R。导电高分子

表征材料电性能的另一个重主要参量是电导率。电导率的定义可以由欧姆定律给出：当施加的电场产生电流时，电流密度J正比于电场强度E，其比例常数，即为电导率σ，即：电导率σ=J(电流密度)/E(电场强度)

电导率与电阻率关系为σ=1/ρ，单位为西门子每米，即S/m。

电导率的大小反映了物质输送电流的能力。ρ愈小,σ愈大，材料导电性能就越好。金属：导体、半导体（半导体金属砷、碲等）陶瓷：绝缘体、半导体高分子材料：绝缘体、半导体、导体其它：硅、锗（半导体），石墨（导体）导体的ρ值小于10-2Ω·m

绝缘体的ρ值大于1010Ω·m半导体ρ介于10-２～1010Ω·m之间不同材料的导电能力相差很大，由于它们的结构与导电本质所决定的。42.1.3.5Electricalproperty载流子：电荷的载体，即载运电流的带电粒子（电子、离子、空穴）。电流是电荷的定向运动，任何一种物质，只要存在电荷的载体—载流子，就可以在电场作用下产生导电电流金属中：自由电子无机材料中：电子(负电子e'、电子空穴h˙)---电子电导离子（正离子、负离子、空位）----离子电导高分子材料中：电子(负电子e'、电子空穴h˙)---电子电导离子（正离子、负离子、空位）----离子电导2、导电机理：物体的导电现象，其微观本质是载流子在电场作用下的定向迁移。2.1.3.5Electricalproperty设单位体积试样中载流子数目为

n0

，载流子电荷量为q0，载流子迁移率（单位电场强度下载流子的迁移速度）为ν，则材料电导率σ等于：可见，材料的导电性能主要取决于两个重要的参数：单位体积试样中载流子数目的多少和载流子迁移率的大小。高分子材料内的载流子很少。已知大分子结构中，原子的最外层电子以共价键方式与相邻原子键接，不存在自由电子或其它形式载流子（具有特定结构的聚合物例外）。①结构型：聚合物自身具有长的共轭大键结构，如聚乙炔、聚苯乙炔、聚酞菁铜等，通过“掺杂”可以提高导电率6～7个数量级，一个典型例子是用AsF3掺杂聚乙炔。②电荷转移复合物：由电子给体分子和电子受体分子组成的复合物，目前研究较多的是高分子给体与小分子受体的复合物，如聚2-乙烯吡啶或聚乙烯基咔唑作为高分子电子给体。碘作为电子受体，可做成高效率的固体电池。③掺杂型：在树脂中添加导电的金属（粉或纤维）或炭粒等组成。其导电机理是导电性粒子相互接触形成连续相而导电，因而金属粉的含量要超过50％。导电性高分子聚对苯撑（PPP)聚吡咯衍生物（PPy)聚噻吩(PTP)聚苯胺（PAn)聚对苯撑乙炔衍生物（PPV)4、复合导电高分子材料

复合型导电高分子材料是指以绝缘的有机高分子材料为基体，与其它导电性物质以均匀分散复合、层叠复合或形成表面导电膜等方式制得的一种有一定导电性能的复合材料。

相对于本征型导电高分子而言，这种复合材料的制备无论在理论上还是应用上都比较成熟，具有成型简便、重量轻、可在大范围内根据需要调节材料的电学和力学性能、成本低廉等优点，因而得以广泛开发应用。复合型导电高分子的基体有：常用的导电填料有：碳类（石墨、炭黑、碳纤维、石墨纤维等）

金属类（金属粉末、箔片、丝、条或金属镀层的玻璃纤维、玻璃珠等）金属氧化物（氧化铝、氧化锡等）。

热塑性树脂（如不饱和聚酯、聚烯烃等），热固性树脂（如环氧树脂、酚醛树脂）合成橡胶（如硅橡胶、乙丙橡胶）。绝大多数聚合物是绝缘体，具有卓越的电绝缘性能，其介电损耗和电导率低，击穿强度高，为电器工业中不可缺少的介电材料和绝缘材料:电容器：介电损耗尽可能小，介电常数尽可能大，介电强度很高仪表绝缘：电阻率和介电强度高而介电损耗很低绝缘材料无线电遥控技术：优良的高频、超高频绝缘材料

聚合物的极化和介电性能电子极化原子极化取向极化（偶极极化）界面极化一、电介质在外电场中的极化现象在外电场的作用下，电介质分子或者其中某些基团中电荷分布发生的相应变化称为极化外电场作用下分子中各个原子或离子的价电子云相对原子核的位移，使分子带上偶极矩

。极化过程所需的时间极短，约为10-13~10-15s外电场去除位移立即恢复，无能量损耗，锁业也称可逆极化或弹性极化。电子极化分子骨架在外电场作用下发生变形造成的，使分子带上偶极矩

。如CO2分子是直线形结构O=C=O，极化后变成个，分子中正负电荷中心发生了相对位移。极化所需要的时间约为10-13s，并伴有微量能量损耗。

以上两种极化统称为变形极化或诱导极化，其极化率不随温度变化而变化，聚合物在高频区均能发生变形极化或诱导极化。原子极化极性分子本身具有永久偶极矩，通常状态下由于分子的热运动，各偶极矩的指向杂乱无章，因此宏观平均偶极矩几乎为零当有外电场时，极性分子除发生电子极化和原子极化外，其偶极子还会沿电场方向发生转动、排列，产生分子取向，表现出宏观偶极矩。这种现象称取向极化或偶极极化。取向极化或偶极极化

除上述三种极化外，还有一种产生于非均相介质界面处的界面极化。由于界面两边的组分可能具有不同的极性或电导率，在电场作用下将引起电荷在两相界面处聚集，从而产生极化。共混、填充聚合物体系以及泡沫聚合物体系有时会发生界面极化。对均质聚合物，在其内部的杂质、缺陷或晶区、非晶区界面上，都有可能产生界面极化。界面极化PE能否发生取向极化？纯PE，界面极化能否发生？思考题介电性指在电场作用下,构成物质的带电粒子只能产生微观上的位移而不能进行宏观上的迁移的性质，宏观表现出对静电能的储蓄和损耗的性质，这是由于聚合物分子在电场作用下发生极化引起的，通常用介电系数ε和介电损耗表示。二、聚合物的介电性能介电常数介电强度介电损耗182.1.3.5Electricalproperty电容C（capacitance）

对相距为L的平衡金属板施加电压V，撤去电压后所产生的电荷基本上保留在板上，这一储存电荷的特性称为电容。

数值上：C=

(A/L)C=q/V单位：F（法拉第）

：介电常数或电容率，是衡量高聚物极化程度的宏观物理量。表征电介质储存电荷和电能的能力，从上式可以看出，介电常数越大，极板上产生的感应电荷Qˊ和储存的电能越多。定义为电荷量q与电压V的比值：

19介电强度：一定间隔的平板电容器的极板间可以维持的最大电场强度，也称击穿强度。V/d当电容器极板间施加的电压超过该值时，电容器将被击穿或放电，即正负电荷“挣脱”相互束缚，发生长程迁移，由介电状态变为导电状态。介电强度20介电损耗：聚合物在交变电场中取向极化时，伴随着能量消耗，使介质本身发热，这种现象称为聚合物的介电损耗。它是由于电荷运动而造成的能量损失。通常用介电损耗角正切tanδ衡量。介电损耗越小，绝缘材料的质量愈好，绝缘性能也愈好。聚合物作电工绝缘材料、电缆包皮、护套或电容器介质材料：介电损耗越小越好。否则，不仅消耗较多电能，还会引起材料本身发热，加速材料老化破坏，引发事故。介电损耗

聚合物的静电现象静电现象静电的产生静电现象的危害静电的消除任何两个固体，不论其化学组成是否相同，只要它们的物理状态不同，其内部结构中电荷载体能量的分布也就不同。这样两个固体接触时，在固-固表面就会发生电荷的再分配。在它们重新分离之后，每一固体将带有比接触或摩擦前更多的正（或负）电荷。这种现象称为静电现象。高聚物在生产、加工和使用过程中会与其他材料、器件发生接触或摩擦，会有静电发生。一、静电现象

关于接触起电的机理，研究表明与两种物质的电荷逸出功之差有关。

电荷逸出功U是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。

不同物质的逸出功不同。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。接触界面上的电荷转移量Q与两种物质的逸出功差和接触面积S成正比。热力学平衡状态下，有：式中α为比例系数。二、静电的产生聚

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5.14聚甲基丙烯酸甲酯4.68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

其中任何两种聚合物接触时，位于表中前面的聚合物将带负电，后面的带正电。高分子材料与金属接触时，界面上也发生类似的电荷转移。

摩擦起电的情况较复杂，机理不完全清楚。实验表明，聚合物与金属摩擦起电，带电情况与电荷逸出功大小有关。

例如尼龙66与不同金属摩擦，对逸出功大的金属，尼龙带正电；对逸出功小的金属，尼龙带负电。

聚合物与聚合物摩擦时，介电系数大的聚合物带正电，介电系数小的带负电。另外聚合物的摩擦起电顺序与其逸出功顺序也基本一致，逸出功高者一般带负电。

静电问题是高分子材料加工和使用中一个相当重要的问题。

一般来说，静电是有害因素：

例如，在聚丙烯腈纺丝过程中，纤维与导辊摩擦产生的静电压高达15kV以上，从而使纤维的梳理、纺纱、牵伸、加捻、织布和打包等工序难以进行

在绝缘材料生产中，由于静电吸附尘粒和其他有害杂质，会使产品的的电性能大幅度下降；输送易燃液体的塑料管道、矿井用橡胶运输带都可能因摩擦而产生火花放电，导致事故发生。

三、静电危害

由于静电给聚合物加工和使用带来很多危害，因此应尽量减少静电的产生和设法消除已产生的静电。

一般说来控制静电产生较为困难，人们更关心的是如何提高材料的表面电导率或体积电导率，使静电尽快泄漏。

常用的除静电方法有在聚合物表面喷涂抗静电剂或在聚合物内填加抗静电剂。

抗静电剂是一些具有两亲结构的表面活性剂，其分子结构通常为：R—y—x，分子一端R是亲油基，为C12以上的烷基；另一端x是亲水基，如羟基