聚合物的介電常數/擊穿電壓/體積電阻率屬于什么性質

聚合物的介電常數/擊穿電壓/體積電阻率屬于什么性質

一提起高聚物的電學性質，人們馬上會想起高聚物是一種優良的電絕緣體，廣泛用作電線包皮。這的確是高聚物優良的電學性質的一個重要方面，即高的電阻率、很高的耐高頻性、高的擊穿強度，所以是一種理想的電絕緣材料。

其實有的高聚物還具有大的介電常數和很小的介電損耗，從而可以用作薄膜電容器的電介質。

還有其他具有特殊電功能的高聚物相繼出現，比如高聚物駐極體、壓電體、熱電體、光導體、半導體、導體、超導體等。

研究高聚物的電學性質，除了生產上的實用價值外，它還有重要的物理意義，因為高聚物的電學性質往往靈敏地反映高分子內部結構和分子運動之間的關系。電學性質能在比力學性質更寬的頻率范圍內測定，測定精確性和靈敏性都高，因而成為研究高分子結構和分子運動的有力手段。

1 聚合物的介電性

介電性是指高聚物在電場作用下，表現出對靜電能的儲存和損耗的性質。通常用介電常數和介電損耗來表示。

根據高聚物中各種基團的有效偶極距μ，可以把高聚物按極性的大小分成四類：

非極性（μ＝0）：聚乙烯、聚丙烯、聚丁二烯、聚四氟乙烯等

弱極性（μ≤0.5）：聚苯乙烯、天然橡膠等

極性（μ＞0.5）：聚氯乙烯、尼龍、有機玻璃等

強極性（μ＞0.7）：聚乙烯醇、聚酯、聚丙烯腈、酚醛樹脂、氨基塑料等

聚合物在電場下會發生以下幾種極化：（1）電子極化，（2）原子極化，（3）偶極極化。聚合物的極化程度用介電常數ε表示。它定義為介質電容器的電容比真空電容器增加的倍數

式中：V為直流電壓；Q₀、Q分別為真空電容器和介質電容器的兩極板上產生的電荷；Q’為由于介質極化而在極板上感應的電荷。

介電常數的大小決定于感應電荷Q’的大小，所以它反映介質貯存電能的能力。

非極性分子只有電子和原子極化，ε較小；極性分子除有上述兩種極化外，還有偶極極化，ε較大。此外還有以下因素影響ε：

（1）極性基團在分子鏈上的位置。在主鏈上的極性基團活動性小，影響小；在柔性側基上的極性基團活動性大，影響大。

（2）分子結構的對稱性。分子結構對稱的，極性會相互抵消或部分抵消。

（3）分子間作用力。增加分子間作用力（交聯、取向、結晶）會使ε較大；減少分子間作用力（如支化）會使ε較小。

（4）物理狀態。高彈態比玻璃態的極性基團更易取向，所以ε較大。

表1列出常見聚合物的ε值。

表1 常見聚合物的介電常數

聚合物在交變電場中取向極化時，伴隨著能量損耗，使介質本身發熱，這種現象稱為聚合物的介電損耗。通常用介電損耗角正切tanδ來表示介電損耗。一般高聚物的介電損耗時非常小的，tanδ＝10^－3～10^－4。

當聚合物用作絕緣材料或電容器材料時，希望介電常數大而介電損耗小為好，以免發熱消耗電能，而且引起老化。但作為聚合物的高頻焊接，又希望有較大的介電損耗。

因為介電損耗主要是取向極化引起的，因而通常ε越大的因素也越會導致較大的介電損耗。非極性聚合物理論上講沒有取向極化，應當沒有介電損耗，但實際上總是有雜質（水、增塑劑等）存在，其中極性雜質會引起漏導電流，而使部分電能轉變為熱能，稱電導損耗。

與力學損耗相似，介電損耗也用來研究聚合物的玻璃化轉變和次級松弛，所得譜圖稱為聚合物的介電松弛譜（溫度譜或頻率譜）。圖7-60是聚四氟乙烯介電損耗的溫度譜。

2 聚合物的導電性

高聚物存在兩種導電機理：電子電導（電子、空穴）和離子電導（正、負離子）。一般高聚物主要是離子電導。有強極性原子或基團的高聚物在電場下產生本征解離，可產生導電離子。而非極性高聚物本應不導電，它的理論計算的比體積電阻10²⁵Ω·cm，但實際上要小好幾個數量級，原因是雜質帶來的。這些雜質是少量沒有反應的單體，殘留的催化劑、助劑以及水份，都能在電場下離解而成為導電的主要載流子。

高聚物導體、半導體則主要是電子電導。

對聚合物加一直流電源時，發現通過的電流為表面電流和體積電流之和。I=I_s＋I_v

相應地電阻也可以分為體積電阻R_v和表面電阻R_s

為了比較不同材料的導電性，通常采用電阻率。電阻的大小與試樣厚度h成正比，與試樣面積S成反比，比例系數就是體積電阻率ρ_v。

式中：l為電極的長度；b為電極間的距離。

一般講電阻率沒有特別注明時，都是指體積電阻率（即比體積電阻）。這是最重要的電學性質之一，按ρ_v將材料分為導體、半導體和絕緣體三類。

導體 ρ_v＝0～10³Ω·cm

半導體 ρ_v＝10³～10⁸Ω·cm

絕緣體 ρ_v＝10⁸～10¹⁸Ω·cm以上

ρ_v和ρ_s都是用一個三電極裝置測定（圖7-61），該裝置由主電極、環形電極和下電極組成。測定ρ_v時樣品被測面積就是主電極的面積；測定ρ_s時電極長度為主電極的周長。

聚合物的導電性能受分子結構及外界條件的影響：

（1）極性聚合物的導電性要好于非極性聚合物。

（2）存在共軛體系的，導電性好。

（3）分子量增大能使電子電導增大，但離子電導減小。

（4）結晶度增大可使電子電導增大，而離子電導減小。

（5）聚合物殘留的導電性“雜質"（如催化劑、導電性填料、水分等）含量越大，則導電性越好。其中水對極性聚合物影響大，但對非極性聚合物影響很小。

（6）溫度升高，聚合物導電性急劇增強。

表2列出了常見聚合物的體積電阻率

從表7-7可見普通聚合物是絕緣體。但有的聚合物導電性很強，稱為導電高分子，是一類功能高分子，詳見第八章的8.4.7。

聚合物處于強電場中，材料可以從介電狀態轉變為導電狀態，這時材料局部被燒毀，這種現象叫介質的擊穿。圖7-62表示材料在擊穿前后電壓與電流的關系，在圖上dV/dI=0處的電壓V_b稱為擊穿電壓。定義擊穿電壓與絕緣材料厚度h的比值為介電的介電強度：E_b = V_b/h（單位為MV·m^-1或KV·mm^-1）。這是高分子材料電絕緣性能的一個重要指標。一般極性聚合物E_b＝10～20 MV·m^-1，而作為絕緣用的聚合物薄膜要求E_b＝50～100 MV·m^-1。

3 聚合物的靜電現象

1．靜電的產生

任何兩個固體，不論其化學組成是否相同，只要他們的物理狀態不同（如表面的不均勻性等等），其內部結構中電荷載體能力的分布也就不同。當這樣兩個固體接觸時，在固－固表面上就會發生電荷的再分配，在它們重新分離之后，每一固體將有比接觸或摩擦前更多的正（或負）的電荷。這種現象叫靜電現象。

聚合物在生產、加工和使用過程中，與其他材料、器件發生接觸以至摩擦是免不了的，這時只要在高聚物幾百個原子中轉移一個電子，就會使整個聚合物帶有相當大的電荷量，變成帶電體。例如在日常生活中，大家都知道，脫去合成纖維的衣服時，經常會聽到放電的響聲，在暗處還可以看到放電的輝光。在生產中這類例子更多，塑料從模具中脫下來時常常帶有靜電。合成纖維在紡絲過程也會帶電，吸水性很低的（＜0.5%）聚丙烯腈纖維因摩擦而產生的靜電可達1500伏以上。纖維拉伸靜電的積累甚至可達上萬伏。

更重要的是一旦高聚物帶上靜電荷以后，由于聚合物的高絕緣性而難以漏導，一些非極性聚合物（聚乙烯等）靜電可保持幾個月之久。

關于靜電產生的機理至今還沒有定量的理論，一般認為是聚合物摩擦時，ε大的帶正電，ε小的帶負電。也就是極性易帶正電，非極性高聚物易帶負電。

物質在上述序列中的差距越大，摩擦產生的電量越多。

2．靜電的危害和利用

一般來說，靜電作用在聚合物加工和使用過程中是個不利因素。

（1）靜電妨礙正常的加工工藝。尤其是合成纖維工業中特別突出。摩擦生電產生吸引或排斥力，使合成纖維在紡絲、牽伸、織布、打包等各道工序都發生困難。

（2）靜電作用損壞產品質量。例如高聚物由于靜電吸附灰塵或水氣而影響材料的質量，膠卷會因為吸塵而影響清晰度，靜電電壓超過4000伏時會發生電火花而使膠片感光。滌綸制成的錄音帶由于滌綸片基放電產生噪音會影響錄音質量。

（3）可能危機人身及設備安全。靜電引起的火花放電，在有易燃易爆物質存在的場合下，會釀成巨大的災禍。有人統計，化學工業中的事故大約有十分之一是由靜電所引起的。

因此防止靜電所產生的危害是有重要意義的。

靜電另一方面人們又用它來為人類服務，靜電復印、靜電照相，日常生活中利用氯綸的靜電來治療關節炎也是人們熟知的。

3．靜電的防止

為消除靜電，目前，使用較為廣泛的是抗靜電劑，即將抗靜電劑加到聚合物材料中，或涂布在聚合物材料的表面上，以提高材料表面的導電性，使帶電的聚合物材料迅速放電，以防止靜電的積聚。

抗靜電劑是一些表面活性劑，如陰離子型（肥皂、烷基磺酸鈉、芳基磺酸酯等）；陽離子型（季胺鹽、胺鹽等），以及非離子型（聚乙二醇等）。

在纖維紡絲工序中則采取“上油"的措施，給纖維表面涂上一層具有吸濕性的油劑，它吸收空氣中的水分而增加導電性。而在塑料中，抗靜電劑常作為添加劑添加到塑料中，依靠抗靜電劑擴散到塑料表面而起作用。例如PVC糖果紙的生產中要將100張PVC薄膜疊在一起進行剪裁，如果不加抗靜電劑，切好的糖果紙很難分開，這時就需要添加內用型的抗靜電劑。

關鍵詞：電壓擊穿試驗儀 介電常數測試儀  體積電阻率測定儀