聚合物的电学性质
第九章聚合物的电性能与光性能 91 高聚物的介电性能
第九章聚合物的电性能与光性能9.1 高聚物的介电性能介电性是指高聚物在电场作用下，表现出对静电能的储存和损耗的性质，通常用介电常数和介电损耗来表示。
（1）介电极化绝大多数高聚物是优良的电绝缘体，有高的电阻率，低介电损耗、高的耐高频性和高的击穿强度。
但在外电场作用下，或多或少会引起价电子或原子核的相对位移，造成了电荷的重新分布，称为极化。
主要有以下几种极化：（1）电子极化，（2）原子极化，（3）偶极极化。
前两种产生的偶极矩称诱导偶极矩，后一种为永久偶极矩的取向极化。
极化偶极矩（）的大小，与外电场强度（E）有关，比例系数称为分子极化率。
＝ E按照极化机理不同，有电子极化率，原子极化率（＝＋）和取向极化率。
＝（为永因而对于极性分子＝＋＋对于非极性分子＝＋根据高聚物中各种基团的有效偶极矩，可以把高聚物按极性大小分为四类：非极性：PE、PP、PTFE弱极性：PS、NR极性：PVC、PA、PVAc、PMMA强极性：PVA、PET、PAN、酚醛树脂、氨基树脂高聚物的有效偶极矩与所带基团的偶极矩不完全一致，结构对称性会导致偶极矩部分或全部相互抵消。
介电常数是表示高聚物极化程度的宏观物理量，它定义为介质电容器的电容C比真空电容器C0的电容增加的倍数。
式中：为极为感介电常数的大小决定于感应电荷的大宏观物理量与微观物理量之间的关系可以用Clausius-Mosotti方程给出：摩尔极化度P＝（对非极性介质）＝（对极性介质）（2）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。
常用复数介电常数来同时表示介电常数和介电损耗两方面的性质：为实部，即通常实验测得的；为虚部，称介电损耗因素。
＝+＝式中：为静电介电系数；为光频介电系数；为偶极的松弛时间。
介电损耗为＝，一般高聚物的介电损耗很少，＝-2～10-4，与的关系可用Debye方程描述：式中：N为单位体积中的分子数。
以对作图称为Cole-Cole图，表征电介质偏离Debye松弛的程度。
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)
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。
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
例如喷涂在聚合物表面的抗静电剂，通过其亲水基团吸附空气中的水分子，会形成一层导电的水膜，使静电从水膜中跑掉。
在涤纶电影片基上涂敷抗静电剂烷基二苯醚磺酸钾，结果片基表面电阻率降低7~8个数量级。
另外，根据制造复合型导电高分子材料的原理，在聚合物基体中填充导电填料如炭黑、金属粉、导电纤维等也同样能起到抗静电作用。
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ห้องสมุดไป่ตู้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）
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。
聚合物介电常数和介电损耗的测定
聚合物介电常数和介电损耗的测定
聚合物的介电常数和介电损耗是指材料在电场作用下的电学性质。
介电常数描述了材料在电场中的响应能力，介电损耗则表示了
材料在电场中能量的耗散情况。
测定聚合物的介电常数和介电损耗
通常需要进行以下步骤和方法：
1. 介电常数的测定：
静电法，通过测量材料在不同电场下的电容来计算介电常数。
谐振法，利用谐振电路的谐振频率和电容值来计算介电常数。
微波法，利用微波在材料中的传播速度和波长来计算介电常数。
2. 介电损耗的测定：
并联谐振法，利用谐振电路的损耗因子和谐振频率来计算介
电损耗。
阻抗分析法，通过测量材料在不同频率下的阻抗来计算介电
损耗。
热量法，通过测量材料在电场中的温度变化来计算介电损耗。
3. 实验条件：
在测定介电常数和介电损耗时，需要控制温度、湿度和外界
电磁场等因素，以确保实验结果的准确性和可重复性。
4. 数据处理：
对测得的数据进行统计分析和处理，计算出介电常数和介电
损耗的平均值和误差范围。
5. 应用：
了解聚合物的介电常数和介电损耗对于材料在电子器件、电
力设备和电力系统中的应用具有重要意义，可以指导材料的选用和
性能优化。
总的来说，测定聚合物的介电常数和介电损耗需要结合多种方
法和技术，以获得准确可靠的实验结果，并且这些性质的测定对于材料的研究和应用具有重要意义。
高分子物理考研习题整理09 聚合物的电学性能汇编
1 聚合物的极化与介电性能1.1 介电极化①什么是高分子的极化？高分子在外电场中的极化有哪几种形式？各有什么特点？极化的机理是什么？非极性分子和极性分子在外电场作用下极化有什么不同？绝大多数聚合物是优良的电绝缘体，有高的电阻率、低介电损耗、高的耐高频性和高的击穿强度。
但在外电场作用下，或多或少会引起价电子或原子的相对位移，造成电荷的重新分布，称为极化。
高分子在外电场中的极化有电子极化 、原子极化和取向极化三种形式：（1）电子极化是分子中各原子的价电子云在外电场作用下，向正极方向偏移，发生了电子相对于分子骨架的移动，使分子的正、负电荷中心的位置发生变化引起的。
电子极化弱，但极快。
（2）原子极化是分子骨架在外电场作用下发生变形造成的。
原子极化比电子极化更弱，速度比电子极化慢。
（3）取向极化（或称偶极极化）是极性分子骨架在外电场作用下沿电场的方向排列，产生分子的取向。
取向极化较慢，但对总极化的贡献是很大的。
前两种产生的偶极矩为诱导偶极矩，后一种为永久偶极矩。
非极性分子只有电子极化和原子极化，而极性分子除电子极化和原子极化外还有取向极化。
②什么是分子极化率？极化偶极矩（μ）的大小与外电场强度（E ）有关，比例系数α称为分子极化率，μ=αE 。
③如何区分极性聚合物和非极性聚合物？列举至少3个极性聚合物与3个非极性聚合物 根据聚合物中各种基团的有效偶极矩μ或介电常数ε，可以把聚合物按极性大小分为四类：非极性（μ=0，ε=2.0~2.3），如PE,PP ,PTFE,PB ；弱极性（0＜μ≤0.5deb ，ε=2.3~3.0），如PS,NR ；极性（0.5deb ＜μ≤0.7deb ，ε=3.0~4.0），如PVC,PA,PVAc,PMMA ；强极性（μ＞0.7deb ，ε=4.0~7.0），如PVA,PET,PAN,酚醛树脂,氨基树脂。
注意：聚合物的有效偶极矩与所带基团的偶极矩并不完全一致，结构对称性会导致偶极矩部分或全部抵消。
聚合物的分子结构与物理性质
聚合物的分子结构与物理性质聚合物是由大量重复单元构成的高分子化合物。
随着科技的发展，聚合物在人类生产和生活中的应用越来越广泛。
然而，聚合物的性质和应用取决于其分子结构，因此对聚合物分子结构与物理性质的研究尤为重要。
一、聚合物的分子结构聚合物的分子结构与其化学和物理性质密切相关。
聚合物的分子结构与单体种类、聚合方法、反应条件以及控制试剂的种类和用量等有关。
聚合物的分子结构可以从宏观和微观两个层面进行描述。
从宏观上看，聚合物的分子结构可以分为线性、支化、交联和聚集态等。
线性聚合物的分子链呈直线状排列，没有分支；支化聚合物的分子链上存在分支，分支可以根据分支链的数量和长度不同分为两种：分子段分支和侧链分支；交联聚合物的分子链之间通过交联点互相连结，呈网络状结构；而聚集态分子则是由数个分子组成的复合物。
从微观上看，聚合物的分子结构是由化学键和官能团组成的。
根据化学键的性质，聚合物分子的结构可以分为三类：相邻两个重复单元之间的化学键称为主链键；主链键以外的化学键称为辅助键，辅助键决定了聚合物分子的分支情况；在分子中存在的其他化学基团称为官能团，它们通过化学反应与其他分子发生反应，改变聚合物分子的性质。
聚合物的分子结构图如下图所示：二、聚合物的物理性质聚合物的物理性质主要包括力学性质、热学性质、电学性质以及光学性质等。
力学性质是指聚合物在力的作用下发生的变形和断裂等现象。
聚合物的弹性模量、拉伸强度、抗拉伸应变、屈服强度、断裂伸长率等是衡量聚合物力学性质的重要指标。
热学性质是指聚合物在不同温度下表现出来的性质。
聚合物的热稳定性、玻璃转移温度、熔融温度、热膨胀系数等是衡量聚合物热学性质的指标。
电学性质是指聚合物在电场作用下表现出来的性质。
聚合物的电导率、介电常数、击穿场强等是衡量聚合物电学性质的指标。
光学性质是指聚合物在光的作用下表现出来的性质。
聚合物的透光性、发光性、荧光性等是衡量聚合物光学性质的指标。
三、聚合物分子结构的控制通过控制聚合物分子结构可以使聚合物具有更好的性能和更广泛的应用。
聚合物电学性能
Chapter10 聚合物的电性能
• 热合PVC等极性材料是适宜的。而PE薄膜等非极 性材料就很难用高频热合。
• 轮胎经高频热处理消除内应力，可大幅度延长使 用寿命。
• 塑料注射成型时常因含水而产生气泡，经高频干 燥能很好解决这个问题。
Chapter10 聚合物的电性能
(3)高聚物的介电松弛谱
□ 高分子分子运动的时间与温度依赖性可在其介电性质上得 到反映。借助于介电参数的变化可研究聚合物的松弛行为。
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
Chapter10 聚合物的电性能
• 偶极极化（取向极化）：
是具有永久偶极矩的极性分子沿外场方向排列的现象。极 化所需要的时间长，一般为10-9s，发生于低频区域。
(a)无电场
（b）有电场
图1 偶极子在电场中取向
Chapter10 聚合物的电性能
三、影响聚合物介电性能的因素
• 高分子材料的介电性能首先与材料的极性有关。 这是因为在几种介质极化形式中，偶极子的取向 极化偶极矩最大，影响最显著。
• 决定聚合物介电损耗大小的内在因素： ①分子极性大小和极性基团的密度 ② 极性基团的可动性
Chapter10 聚合物的电性能
Chapter10 聚合物的电性能
• 介电损耗温度谱示意图
在这些图谱上，高聚物的介电损耗一 般都出现一个以上的极大值，分别对 应于不同尺寸运动单元的偶极子在电 场中的介电损耗(因偶极子的取向极化 过程伴随着分子运动过程，运动模式 各异，其松弛时间也不一致,其受阻程 度不同)按照这些损耗峰在图谱上出现 的先后，在温度谱上从高温到低温， 在频率谱上从低频到高频，依次用、 、命名。
聚合物电解质的电化学性质及其在电池中的应用
聚合物电解质的电化学性质及其在电池中的应用聚合物电解质（Polymer electrolyte）是一种电导率很高的聚合物体系，可以在电池中代替传统的无机盐电解液，具有较高的安全性、耐久性和稳定性等优点。
近年来，随着电动车市场的兴起和绿色能源的发展，聚合物电解质电池已经成为当前的热点研究领域。
一、聚合物电解质的电化学性质（一）离子传输机制传统的无机盐电解液是通过离子迁移实现电荷传输，而聚合物电解质是通过带声子谱线动力学相互作用实现离子传输。
这种传输机制的基本原理是聚合物链的空间结构对离子的合适尺寸造成筛选性渗透，可使电池中离子传输速率达到很高的水平。
（二）电解质衍生物稳定性聚合物电解质衍生物稳定性是指其在电解质和阳极、阴极反应中的稳定性。
聚合物电解质的衍生物稳定性直接影响电池的寿命和性能，因此，最新的研究已经将注意力集中在聚合物电解质衍生物的稳定性上。
（三）空气稳定性聚合物电解质的空气稳定性也是衡量其优劣的重要指标。
电化学稳定性和空气稳定性之间存在相当的联系，因为良好的电化学稳定性通常会导致较好的空气稳定性。
二、聚合物电解质在电池中的应用（一）锂离子电池目前使用最广泛的聚合物电解质就是用于锂离子电池中的聚合物电解液，由于其具有嗜水性和高点阵竞争，其导电性可与无机盐电解液相媲美。
聚合物电解质锂离子电池优点显著，首先是化学惰性和电化学稳定性好，能耐受锂电池的电化学反应；其次是其具有高离子导电性和低离子工程学阻力，能使锂离子电池的能量密度更高；此外，对于电池容量越来越大的应用需求，聚合物电解质中的离子不易聚集、不易沉积，能够满足电池高功率输出的需求。
因此，锂离子电池的发展离不开聚合物电解质。
（二）锂空气电池与锂离子电池不同，在锂空气电池中，聚合物电解质发挥的作用并不是很重要，反而是催化剂和空气电极的使用更加关键。
但是，由于聚合物电解质中的高离子导电性和空气稳定性，作为一种常见的电解质，可作为电池界面的陶瓷膜，在锂空气电池中起到了一定的加强作用。
导电聚合物的电化学性质和应用
导电聚合物的电化学性质和应用导电聚合物是一类特殊的聚合物，具有优秀的导电性能和电化学性质，因此在电子、化学和材料科学领域得到了广泛的研究和应用。
本文将从导电聚合物的基本概念、电化学性质以及应用方面进行介绍。
一、导电聚合物的基本概念导电聚合物是一种具有导电性质的高分子化合物，即通过化学结构的改变，使得聚合物分子内存在导电的π键结构。
导电聚合物可以分为有机导电聚合物和无机导电聚合物两类。
其中，有机导电聚合物多为碳材料，如聚苯胺、聚噻吩等，而无机导电聚合物则为金属氧化物、导电聚合物复合材料等。
导电聚合物具有一系列优良的性质。
首先，它们具有良好的导电性能。
通过控制聚合物的结构和组成，可以调节导电性能。
其次，导电聚合物具有良好的物理、化学和生物相容性。
这为导电聚合物在生物医学等领域的应用提供了广阔的空间。
此外，导电聚合物还具有热稳定性、化学稳定性和机械强度等优良性质。
二、导电聚合物的电化学性质导电聚合物的电化学性质主要包括电化学储能、电化学传感和电催化等方面。
1. 电化学储能导电聚合物作为一种新型的储能材料，可以被广泛应用于超级电容器、电化学电池等领域。
导电聚合物电容器具有高的功率密度、长的寿命、低的内阻和高的电化学稳定性等优点。
2. 电化学传感导电聚合物可以通过改变其导电性能，在电化学传感领域中起到重要作用。
导电聚合物传感器主要用于检测生命体征、环境污染物、药物残留等方面。
它们具有快速、灵敏、可再现和高选择性等特点。
3. 电催化导电聚合物具有良好的电催化性质，被广泛应用于电解水制氢等方面。
导电聚合物在电解水过程中可以作为高效催化剂，实现催化反应的高效率和稳定输出氢气的能力。
由此，导电聚合物对于清洁能源的发展具有重要的意义。
三、导电聚合物的应用导电聚合物在多个领域中都有广泛的应用。
下面介绍部分应用场景：1. 传感器导电聚合物传感器具有快速、灵敏、可再现和高选择性等特点。
它们可以被用于检测生命体征、环境污染物、药物残留等方面。
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聚合物的静电现象
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。
由于高聚物的高绝缘性而使静电难以漏导，吸水性低的聚丙烯腈纤维加工时的静电可达15千伏以上。
电子从材料的表面逸出，需要克服原子核的吸引作用，它所需的最小能量可用功函数（即逸出功）来表征。
摩擦时电子从功函数小的一方转移到功函数大的一方，使两种材料分别带上不同的静电荷。
一些主要高分子的功函数及起电次序（tribo-electric series）见表10-1。
表10-1高聚物的摩擦起电序
物质在上述序列中的差距越大，摩擦产生的电量也越多。
一般认为摩擦起电序与有一定关系，大的带正电，小的带负电。
静电一般有害，主要是：
（1）静电妨碍正常的加工工艺；
（2）静电作用损坏产品质量；
（3）可能危及人身及设备安全。
因而需要消除静电。
目前较广泛采取的措施是将抗静电剂加到高分子材料中或涂布在表面。
抗静电剂是一些表面活化剂，如阴离子型（烷基磺酸钠、芳基磺酸酯等）、阳离子型（季胺盐、胺盐等）以及非离子型（聚乙二醇等）。
纤维纺丝工序中采取“上油”的办法，给纤维表面涂上一层吸湿性的油剂，增加导电性。
静电现象有时也能加以利用。
如静电复印、静电记录、静电印刷、静电涂敷、静电分离与混合、静电医疗等，都成功地利用了高分子材料的静电作用。
聚合物的其他电学性质
（1）力－电性
在机械力的作用下，高聚物的电学性质反映主要是压电效应。
将高聚物的试样置于两电极之间，在机械力的作用下，因发生形变（伸长线缩短）而发生极化，同时产生电场，这种现象称正压电效应。
反之，在高聚物试样上加上电场，试样发生相应的形变，同时产生应力，这个现象称为逆压电效应。
产生压电效应的高聚物主要结晶高聚物（单轴取向）和高分子驻极体。
如PVC、PC、PTFE 和HDPE等。
利用高聚物的压电效应，可做成话筒、传感器等转换元件。
（2）热－电性
在热的作用下，高聚物材料具有热释电性，这是非常重要的电学性质。
驻极体：将电介质置于高压电场中极化，随即冻结极化电荷，可获得静电持久极化，这种长寿命的非平衡电矩的电介质称驻极体。
高聚物驻极体研究从上世纪四十年代开始，现已投入使用优点聚偏氟乙烯、PET、PP、PC等高聚物超薄薄膜驻极体，广泛用作电容器传声隔膜，计算机储存器、爆炸起爆器、血液凝固加速作用等方面。
高聚物驻极体的制备方法是：将高聚物薄膜夹在两个电极中，加热到聚合物的主转变温度以
上，然后施加电场，使薄膜极化一段时间。
在电场作用下以一定速度缓慢冷却至室温（或低温），最后撤去外电场。
热释电流：将上述高聚物驻极体夹在两电极之间，接上微电流计再程序升温，在热的作用下，激发了分子链偶极的运动而发生解取向极化，释放出退极化电荷，在电流计上记录到退极化电流，测得的放电电流随温度的变化称为热释电流谱（TSC），又称为去极化介电谱或热刺激电流谱。
（3）光－电性
光电导性：光照射下高聚物的导电性能发生变化的现象。
如聚乙烯基咔唑、聚萘酯等吸收光能而放出光电子，使电导率增大。
在信息传递方面得到了一些应用。
本章还包括高分子的热性能、光学性能以及表面与界面性能。