聚合物的介電常數(shù)/擊穿電壓/體積電阻率屬于什么性質(zhì)

一提起高聚物的電學(xué)性質(zhì)，人們馬上會想起高聚物是一種優(yōu)良的電絕緣體，廣泛用作電線包皮。這的確是高聚物優(yōu)良的電學(xué)性質(zhì)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(shù)和很小的介電損耗，從而可以用作薄膜電容器的電介質(zhì)。

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

研究高聚物的電學(xué)性質(zhì)，除了生產(chǎn)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(xué)性質(zhì)往往靈敏地反映高分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)和分子運動之間的關(guān)系。電學(xué)性質(zhì)能在比力學(xué)性質(zhì)更寬的頻率范圍內(nèi)測定，測定精確性和靈敏性都高，因而成為研究高分子結(jié)構(gòu)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(xiàn)出對靜電能的儲存和損耗的性質(zhì)。通常用介電常數(shù)和介電損耗來表示。

根據(jù)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(fā)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(shù)ε表示。它定義為介質(zhì)電容器的電容比真空電容器增加的倍數(shù)

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

介電常數(shù)的大小決定于感應(yīng)電荷Q’的大小，所以它反映介質(zhì)貯存電能的能力。

非極性分子只有電子和原子極化，ε較??；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?。辉谌嵝詡?cè)基上的極性基團活動性大，影響大。

（2）分子結(jié)構(gòu)的對稱性。分子結(jié)構(gòu)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(lián)、取向、結(jié)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(tài)。高彈態(tài)比玻璃態(tài)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(shù)

聚合物在交變電場中取向極化時，伴隨著能量損耗，使介質(zhì)本身發(fā)熱，這種現(xiàn)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(dāng)聚合物用作絕緣材料或電容器材料時，希望介電常數(shù)大而介電損耗小為好，以免發(fā)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(dǎo)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(yīng)當(dāng)沒有介電損耗，但實際上總是有雜質(zhì)（水、增塑劑等）存在，其中極性雜質(zhì)會引起漏導(dǎo)電流，而使部分電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽Q電導(dǎo)損耗。

與力學(xué)損耗相似，介電損耗也用來研究聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)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(dǎo)電性

高聚物存在兩種導(dǎo)電機理：電子電導(dǎo)（電子、空穴）和離子電導(dǎo)（正、負(fù)離子）。一般高聚物主要是離子電導(dǎo)。有強極性原子或基團的高聚物在電場下產(chǎn)生本征解離，可產(chǎn)生導(dǎo)電離子。而非極性高聚物本應(yīng)不導(dǎo)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(shù)量級，原因是雜質(zhì)帶來的。這些雜質(zhì)是少量沒有反應(yīng)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(dǎo)電的主要載流子。

高聚物導(dǎo)體、半導(dǎo)體則主要是電子電導(dǎo)。

對聚合物加一直流電源時，發(fā)現(xiàn)通過的電流為表面電流和體積電流之和。I=I_s＋I_v

相應(yīng)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(dǎo)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(shù)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(xué)性質(zhì)之一，按ρ_v將材料分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體三類。

導(dǎo)體 ρ_v＝0～10³Ω·cm

半導(dǎo)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(huán)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(dǎo)電性能受分子結(jié)構(gòu)及外界條件的影響：

（1）極性聚合物的導(dǎo)電性要好于非極性聚合物。

（2）存在共軛體系的，導(dǎo)電性好。

（3）分子量增大能使電子電導(dǎo)增大，但離子電導(dǎo)減小。

（4）結(jié)晶度增大可使電子電導(dǎo)增大，而離子電導(dǎo)減小。

（5）聚合物殘留的導(dǎo)電性“雜質(zhì)"（如催化劑、導(dǎo)電性填料、水分等）含量越大，則導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電性很強，稱為導(dǎo)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(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)，這時材料局部被燒毀，這種現(xiàn)象叫介質(zhì)的擊穿。圖7-62表示材料在擊穿前后電壓與電流的關(guān)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(biāo)。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(xiàn)象

1．靜電的產(chǎn)生

任何兩個固體，不論其化學(xué)組成是否相同，只要他們的物理狀態(tài)不同（如表面的不均勻性等等），其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中電荷載體能力的分布也就不同。當(dāng)這樣兩個固體接觸時，在固－固表面上就會發(fā)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(fù)）的電荷。這種現(xiàn)象叫靜電現(xiàn)象。

聚合物在生產(chǎn)、加工和使用過程中，與其他材料、器件發(fā)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(zhuǎn)移一個電子，就會使整個聚合物帶有相當(dāng)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(jīng)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(chǎn)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(chǎn)生的靜電可達(dá)1500伏以上。纖維拉伸靜電的積累甚至可達(dá)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(dǎo)，一些非極性聚合物（聚乙烯等）靜電可保持幾個月之久。

關(guān)于靜電產(chǎn)生的機理至今還沒有定量的理論，一般認(rèn)為是聚合物摩擦?xí)r，ε大的帶正電，ε小的帶負(fù)電。也就是極性易帶正電，非極性高聚物易帶負(fù)電。

物質(zhì)在上述序列中的差距越大，摩擦產(chǎn)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(yè)中特別突出。摩擦生電產(chǎn)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(fā)生困難。

（2）靜電作用損壞產(chǎn)品質(zhì)量。例如高聚物由于靜電吸附灰塵或水氣而影響材料的質(zhì)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(fā)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(chǎn)生噪音會影響錄音質(zhì)量。

（3）可能危機人身及設(shè)備安全。靜電引起的火花放電，在有易燃易爆物質(zhì)存在的場合下，會釀成巨大的災(zāi)禍。有人統(tǒng)計，化學(xué)工業(yè)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(chǎn)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(wù)，靜電復(fù)印、靜電照相，日常生活中利用氯綸的靜電來治療關(guān)節(jié)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(dǎo)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(dǎo)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(chǎn)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(nèi)用型的抗靜電劑。

關(guān)鍵詞：電壓擊穿試驗儀 介電常數(shù)測試儀  體積電阻率測定儀