第四讲 高聚物的物理性能2.ppt

1、第4讲：聚合物的物理性质(2)，这一讲的内容是：聚合物的电学性质；聚合物的化学稳定性；聚合物的光学性质；老化聚合物的改性方法；聚合物的电学性质极化；在外电场的作用下，电介质分子中的电荷分布发生变化，导致材料的宏观偶极矩。这种现象被称为电介质极化。非极性分子没有偶极矩，在外电场的作用下，原子中的价电子云相对于原子核移动，从而使正负电荷中心分离，分子带偶极矩；或者在外部电场的作用下，不同电负性的原子相对位移，使分子携带偶极矩。这种极化称为激发极化，也称为激发极化或变形极化。在外部电场存在的情况下，极性分子不仅经历电子极化和原子极化，而且它们的偶极沿电场方向旋转和排列，导致分子取向并显示宏观偶极矩。

2、这种现象被称为定向极化或偶极极化，聚合物-电介质行为的电特性，以及两个电容器的电容比，这被称为均匀电介质的介电系数。介电系数反映了电介质储存电荷和电能的能力。介电系数越大，在板上产生的感应电荷和电能越多。聚合物的电特性-介电损耗。当电介质在交变电场中极化时，由于极化方向的改变，它会损失一些能量和热量，这就是所谓的介质损耗。它通常由介质损耗角的正切值来表征。聚合物的电性能介电行为，介电常数和介电损耗越小，绝缘性能越好。影响介电性能的因素：玻璃态分子结构的影响，链段的运动被冻结，结构单元上极性基团的取向受到链段的约束，取向能力低；在高弹性状态下，链段的迁移率较大，取向时极性基团较少受到链段的约束，

3、因此高弹性状态下相同聚合物的介电系数和介电损耗大于玻璃状态下的介电系数和介电损耗。交联还会阻碍极性基团的取向并降低介电系数。温度和交变电场频率的影响。杂质的影响，聚合物的导电性。从微观导电机理来看，材料的导电性是载流子(电子、空穴、离子等)定向迁移的结果。)在电场作用下的材料。电导率由材料中载流子的浓度和迁移速率决定。聚合物的电特性是导电的，并且在聚合物材料中几乎没有载流子。在已知的大分子结构中，原子的最外层电子通过共价键与相邻原子结合，没有自由电子或其他形式的载体(具有特定结构的聚合物除外)。理论计算表明，结构完整的纯聚合物的电导率仅为1025scm-1。然而，实际聚合物的电导率通常比聚合物

4、绝缘体的电导率大几个数量级，这表明聚合物绝缘体中的载流子主要来自材料外部，即由杂质引起。这些杂质来自聚合物合成和加工过程，包括少量未反应的单体、残留的引发剂和其他添加剂，以及被聚合物吸附的微量水分。水对聚合物的绝缘性能影响最大，特别是当聚合物材料为多孔或极性时，它吸收更多的水，影响更大。例如，填充橡胶的聚苯乙烯在浸入水中前后的电导率相差两个数量级，而填充锯屑的聚苯乙烯在相同条件下的电导率增加了八个数量级。当聚合物经历玻璃化转变时，电导率或电阻率曲线会突然转向。聚合物的玻璃化转变温度可以用这一原理来测量。结晶、取向和交联都会降低聚合物绝缘体的导电性。通常，聚合物主要是离子导电的。结晶、取向和交联

5、将使该模制品之后，麦克迪尔米德、西格和白川英树发现，在同等掺杂后，聚乙炔薄膜的电导率提高了13个数量级。聚合物的导电性和聚合物的电击穿。当电压上升到某一临界值时，聚合物中突然形成局部电导，绝缘性能丧失。这种现象被称为电击穿。当故障发生时，材料的化学结构被破坏，通常是焦化和燃烧。它由聚合物结构共价键的电离能决定。引起材料击穿的极限电压称为击穿电压Vc，击穿电压Vc与样品厚度D之比，即介电强度Ec，通常用来表示材料的耐压指数：它表示一定厚度的样品所能承受的极限电压。聚合物的电击穿和聚合物的电击穿。在工业中，耐压试验通常用于测试材料的耐高压性。耐压试验是对样品施加额定电压，观察样品在规定时间后是否击

6、穿。如果样品没有分解，它们就是合格的产品。击穿场强和耐压是绝缘材料的重要指标，但不是高分子材料的特征物理量。因为这些指标受材料缺陷、杂质、成型历史、样品几何形状、环境条件、测试条件和其他因素的影响。事实上，在某些条件下，它只是一个相对比较值。聚合物的电学性质静电现象，静电现象：任何两种具有不同物理状态的固体，只要其内部结构中的电荷载流子的能量分布不同，当它们接触(或摩擦)时，就会在固体表面发生电荷再分布，从而使每种固体在再分离后都会有过量的正电荷(或负电荷)。这种现象被称为静电现象。在加工和使用高分子材料的过程中，相同或不同材料的接触带电和摩擦带电是非常常见的。一般来说，静电是一种有害因素。例

7、如，在绝缘材料的生产中，由于静电吸附灰尘颗粒和其他有害杂质，产品的电气性能将大大降低；由于摩擦，运输易燃液体的塑料管和矿山用的橡胶带可能会发生火花放电，从而导致事故。聚合物的电学性质-静电现象，静电的来源：接触带电的机理，这与两种物质之间电荷功函数的不同有关。不同的物质有不同的功函。当两种物质接触时，电荷将从低功函的物质转移到高功函的物质，这样高功函的物质将带负电，低功函的物质将带正电。摩擦起电很复杂，其机理尚不完全清楚。介电系数大的聚合物带正电荷，而介电系数小的聚合物带负电荷。此外，聚合物的摩擦带电序列与其功函数序列基本一致，功函数高的一般带负电。聚合物的电学性质静电消除，因为静电给聚合物的

8、加工和使用带来很大的危害，所以我们应该尽量减少静电的产生，并尽量消除产生的静电。一般来说，很难控制静电的产生。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，以便静电能尽快泄漏。常用的抗静电方法是在聚合物表面喷涂抗静电剂或在聚合物中加入抗静电剂。抗静电剂是一些具有两亲性结构的表面活性剂，它们的分子结构通常是：R y x，分子一端的R是亲脂性基团，即C12以上的烷基；x在另一端是亲水基团，如羟基、羧基、磺酸基等。y是一个连接基团。根据提高聚合物的表面电导率或体积电导率、使其快速放电和防止电荷积累的原理，制造复合导电聚合物材料，在聚合物中填充导电填料如炭黑、金属粉末和导电纤维相似的相容性：一般

9、来说，极性聚合物不耐极性溶剂，而非极性聚合物不耐非极性溶剂，并且聚合物是化学稳定的。在理想状态下，一次性饭盒应该由高纯度聚丙烯塑料制成。这是一种半透明的圆形颗粒，像大米一样，具有很高的柔韧性和耐高温性，在正己烷和醋酸溶液中浸泡时不会发生化学反应。然而，在实际生产中，除了主要原料外，人们会在纯聚丙烯中加入一定比例的碳酸钙和滑石粉作为“填料”。根据国家规定，原料中填料的比例不能超过20。但事实是，碳酸钙在一些制造商的原材料中的比例超过一半，有些“甚至超过80”。然而，有了这些粉笔样的粉末，就不可能制造出柔韧防水的饭盒。因此，工人需要添加石蜡和工业废塑料作为原材料的补充。这些工业废塑料的来源可能是工

10、厂的废料、回收的旧塑料，甚至是医疗废物。聚合物和光传输材料(透镜、光纤、光导管等)的光学特性。)；发光和反光装饰材料(指示灯、反射镜等。)，聚合物的热性能与金属材料和无机非金属材料相比，具有较差的耐高温性和热稳定性。聚合物的热稳定性可分为两个方面：物理结构的稳定性和化学结构的稳定性。聚合物受热时的物理变化主要是软化和熔融，化学变化主要是环化、降解、交联、氧化、水解等结构变化。提高热稳定性的方法是添加稳定剂(抗氧化剂)或改善聚合物的化学结构。聚合物导热性差，可用作隔热材料。聚合物的热性质、聚合物的热膨胀系数、聚合物的老化、老化现象：1)外观变化：材料是粘性的、坚硬的、易碎的、变形的、变色的、银色

11、条纹或斑点、气泡等。2)物理性质变化：由于相对分子质量和结构的变化而引起的溶解和溶胀的变化；3)力学性能变化：拉伸强度、弯曲强度、硬度、弹性和耐磨性等。在高分子材料的加工、储存和使用过程中，由于内外因素的综合作用，其性能逐渐退化，导致最终失去使用价值。这种现象正在老化。聚合物老化、老化原因、膨胀、溶解、变色、在溶剂(酸、碱、盐、有机溶剂等)中分层应力开裂。)，等等。例如聚酯的水解。天然高分子材料被昆虫吃掉，聚氯乙烯增塑剂受到细菌和霉菌的影响。高聚物老化、炭黑、抗氧剂(仲芳胺)稳定剂(无机锡)、表面喷涂、涂膜等。隔绝与外界的接触，避免杂质的引入，减少大分子链的支链和不饱和度，改善大分子链的结构，

12、消除内部老化因素，控制结构，改善使用条件，提高材料的使用效率。聚合物的改性方法主要有五种，即聚合物改性和共混改性，将两种或两种以上的聚合物混合，制成宏观上均匀的混合聚合物材料。共混改性方法主要包括熔融共混、溶液共混、乳液共混等。这取决于原料聚合物的性质和配方，也取决于它们的混合状态。互溶体系的性质介于两种聚合物之间。当两相共存时，有两个玻璃化转变温度。高聚物的改性化学改性通过化学反应改变现有高聚物的化学组成和结构，或将两种或两种以上单体组成的高聚物进行共聚，从而达到改性的目的。化学改性主要包括共聚和交联。共聚，如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物工程塑料，是由丙烯腈，丁二烯和苯乙烯共聚。交联改性线性聚合物在光、热、辐射或交联剂的作用下，在分子链之间产生共价键，反应由线性结构转变为体结构。适度交联可以大大提高机械性能、尺寸稳定性、耐溶解性和化学稳定性高聚物的改性填充改性通过添加不同于高聚物基体的组成和结构的固体添加剂来降低成本和提高性能的一种方法。填料分为无机和有机两类，事实上，无机填料是最常用的。填料在基体中的性质、形状、分散性及其与基体的结合对性能(力学、光学、热学等)有很大影响。)的材料。提高聚合物