聚合物的其他性能

1、電、光、熱Polymer PhysicsPolymer PhysicsPolymer Physics高分子物理高分子物理高分子物理高分子物理高分子物理高分子物理110.1 Electrical Properties of Polymers高分子的電學性能高分子的電學性能 210.1.1 Introduction 概述概述3l高分子的電學性能，指高分子在電場作用下所表現(xiàn)出來的各種物理現(xiàn)象弱電場中的導電性 Electric conductivity交變電場中的介電性 Dielectric property強電場中的擊穿 Dielectric breakdown高分子表面的靜電現(xiàn)象 Static e

2、lectricity4Heeger、 MacDiarmid(美美)、 白川英樹白川英樹( (日日) ) 2000 化學獎化學獎l導電高分子研究，聚乙炔摻雜后，電導率從導電高分子研究，聚乙炔摻雜后，電導率從 3.2x103.2x10-6-6-1-1cmcm-1-1增加到增加到3838-1-1cmcm-1-1，提高了提高了10001000萬倍萬倍（接（接近鋁、銅）近鋁、銅）l提出孤子概念提出孤子概念Alan J. Heeger1936Alan G. MacDiarmid b. 1936b. 1927Hideki Shirakawa 10.1.2 Electric Conductivity 導電性導

3、電性半 導 體導體超導體絕 緣 體聚苯乙烯聚四氟乙烯酞菁銅聚乙烯咔唑聚乙炔硅鍺汞銅銀摻雜聚乙炔RUIRG11m1 各種材料的電導率各種材料的電導率 電阻電流電壓ShG電導電導率面積厚度10.1.2 Electric Conductivity 導電性導電性1071051020108聚乙烯5n 材料表面與內(nèi)部的導電性不同n 常用表面電阻率s、體積電阻率v表示導電性blRssvvRSh表面電阻電極間距電極長度 體積電阻試樣厚度電極面積m體積電阻率體積電阻率表面電阻率表面電阻率表面電阻測試裝置：刀形電極示意圖blUIsssURI10.1.2 Electric Conductivity 導電性導電性Su

4、rface Resistance and Bulk Resistance 表面電阻和體積電阻 6根據(jù)電導理論，決定電導的主要參數(shù)，是載流子的數(shù)目、遷移率 載流子，可以是電子、空穴，也可以是正、負離子高聚物一般都是電絕緣體 n高聚物本身沒有自由載流子 是共價鍵連接起來的長鏈分子，既沒有自由電子，也沒有自由離子n高分子鏈間堆砌靠的是范德華力，分子間距離較大，電子云交疊很差，即使分子內(nèi)有載流子，也很難從一分子傳遞到另一分子Electric Conductivity of Polymers 高分子的導電性10.1.2 Electric Conductivity 導電性導電性7 Factors Infl

5、uencing Electric Conductivity of Polymers 高分子的導電性的影響因素10.1.2 Electric Conductivity 導電性導電性分子結(jié)構(gòu)飽和的非極性高聚物，電絕緣性最好極性高聚物，電絕緣性稍差 (極性基團可發(fā)生微弱的本征解離，提供本征導電離子)共軛結(jié)構(gòu)高分子，具有一定的導電性 (電子可從一個CC鍵轉(zhuǎn)移到另一個CC鍵)聚集態(tài)結(jié)構(gòu)結(jié)晶和取向，使分子堆砌緊密，自由體積減小，離子遷移率下降 以離子電導方式的高聚物，其電導率隨結(jié)晶度或取向度增加而下降分子緊密堆砌，有利于分子間電子的傳遞 以電子電導方式的高聚物，其電導率隨結(jié)晶度或取向度的增加而增加雜質(zhì)，使

6、絕緣高聚物的絕緣性能下降導電填料的加入，會較大程度地提高高聚物的導電性 810.1.3 Dielectric Properties 介電性能介電性能n2個衡量指標l介電常數(shù)：表征電介質(zhì)的能力l介電損耗：表征電介質(zhì)通過發(fā)熱的多少n高聚物作為絕緣材料、或電容器的介電材料使用時，介電性是非常重要的性能 指電場作用下，高聚物儲蓄和損耗電能的性質(zhì)9l不論極性還是非極性高聚物，一般情況下呈電中性l電場作用下，高聚物會極化電子極化：電子傾向于正極，原子核傾向于負極，使分子電荷分布發(fā)生變化，產(chǎn)生偶極矩。較弱原子極化：分子中各原子發(fā)生相對位移，導致原子極化。 大小僅有電子極化的1/10取向極化：極性分子，原來無

7、規(guī)排列的分子沿電場方向規(guī)則排列，產(chǎn)生永久偶極Polarized Phenomena 極化現(xiàn)象+-+-+-+ -+-+-+l+-+-+l+_+l+l+l+l+l+l+l+lE電場強度電場強度極化率極化率偶偶極極矩矩Deybe10.1.3 Dielectric Properties 介電性能介電性能n高聚物的極性，通常用鏈節(jié)的偶極矩 來表示n根據(jù)鏈節(jié)的偶極矩，可將高聚物分為4類l非極性高聚物： = 0D， 如聚乙烯、聚四氟乙烯、聚丁二烯l弱極性高聚物： = 00.5D， 如聚苯乙烯、聚異丁烯、聚異戊二烯l 極性高聚物： = 0.50.7D，如聚氯乙烯、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯l強極性高聚物： 0.

8、7D， 如聚酯、聚乙烯醇、聚丙烯腈、酚醛樹脂 10Dielectric Constant 介電常數(shù) 0/oCQU0() /CQQU在真空中的兩塊電極板上施加電壓U，兩個電極板上產(chǎn)生電荷Q0，則真空電容器的電容為若兩電極板間充滿電介質(zhì)，電介質(zhì)在電場作用下極化，將在兩電極板上產(chǎn)生感應電荷Q，使電極板上電荷增大為Q0+Q。電容為介電常數(shù)，定義為充滿電介質(zhì)時電容/真空電容0/CC是描述介質(zhì)在電場中極化程度的物理量，反映介質(zhì)儲存電能的能力分子的極性分子的極性越大，介電越大，介電常數(shù)也越大常數(shù)也越大高分子高分子 高分子高分子 高分子高分子 聚四氟乙烯2.0聚碳酸酯2.973.17環(huán)氧樹脂3.55.0聚丙烯

9、2.2乙基纖維素3.04.2聚甲醛3.7聚三氟氯乙烯2.24聚酯3.04.36尼龍6, 663.84.0聚乙烯2.252.35聚砜3.14聚偏氯乙烯4.56.0聚苯乙烯2.453.10聚氯乙烯3.23.6酚醛樹脂5.06.5聚苯醚2.58PMMA3.33.9硝酸纖維素7.07.5硅樹脂2.754.20聚酰亞胺3.4聚偏氟乙烯8.4一些高聚物的介電常數(shù)(60Hz，ASTM150) 10.1.3 Dielectric Properties 介電性能介電性能11Dielectric Loss 介電損耗 對非極性聚合物，電導損耗可能是主要的 對 極性聚合物，介電損耗主要為極化損耗電介質(zhì)在交變電場中因消

10、耗部分電能而發(fā)熱的現(xiàn)象2個原因電導損耗：外電場作用下，含載流子的電介質(zhì)產(chǎn)生電導電流，消耗掉部分電能而發(fā)熱 原因：克服電阻而消耗電能松弛(極化)損耗：電場作用下，極化(特別是取向極化)過程，無規(guī)排列的分子(偶極子)轉(zhuǎn)動而消耗部分電能，以克服介質(zhì)的內(nèi)粘滯阻力，轉(zhuǎn)化為熱能 這部分損耗有時很大 原因：介質(zhì)具有內(nèi)粘滯作用，偶極子轉(zhuǎn)向?qū)⒖朔Σ磷枇Χ鴵p耗能量10.1.3 Dielectric Properties 介電性能介電性能1213制造電容器要求介電損耗盡可制造電容器要求介電損耗盡可能小、而介電常數(shù)盡可能大和能小、而介電常數(shù)盡可能大和介電強度很高的介電材料介電強度很高的介電材料電容器電容器Instr

11、ument insulant儀表絕緣要求電阻率和介電強度儀表絕緣要求電阻率和介電強度高而介電損耗很低的絕緣材料高而介電損耗很低的絕緣材料10.1.3 Dielectric Properties 介電性能介電性能n 固體高聚物介電損耗隨溫度(恒頻)、或頻率(恒溫)而變化的圖譜，稱介電松弛譜。前者為溫度譜，后者為頻率譜n 介電松弛譜，廣泛用于研究高聚物分子結(jié)構(gòu)與分子運動Dielectric Relaxation Spectrum 介電松弛譜 TtanDielectric relaxation spectrum of a polymer電場變化速度與微觀運動單元的本征極化速度相當時，才出現(xiàn)介電損耗峰

12、電場變化速度與微觀運動單元的本征極化速度相當時，才出現(xiàn)介電損耗峰10.1.3 Dielectric Properties 介電性能介電性能n 高聚物一般具有一個以上介電損耗極大值，對應不同尺寸運動單元的偶極子在電場中的松弛損耗n 非晶態(tài)均相高聚物的介電松弛譜上，松弛總是與鏈段運動相關(guān)；、等次級松弛則對應較小運動單元的運動1410.1.4 Dielectric Breakdown 介電擊穿介電擊穿EUhbb材料厚度材料厚度擊穿電壓擊穿電壓MV/m介電強度介電強度高壓下，電極間的材料迅速釋放大量電能而發(fā)生局部燒毀的現(xiàn)象n 在強電場(106108 V/m)中，材料電絕緣性能隨電壓升高而下降，產(chǎn)生局部

13、導電，變成導體n 高聚物的介電擊穿有多種形式，如本征擊穿、熱擊穿、放電擊穿等n 介電強度：高聚物材料最大能承受電場作用的能力高聚物Eb(MV/m)高聚物Eb(MV/m)聚乙烯1828聚乙烯薄膜4060聚丙烯2026聚丙烯薄膜100140PMMA1822聚苯乙烯薄膜5060聚氯乙烯1420聚酯薄膜100130聚苯醚1620聚酰亞胺薄膜80110聚砜1722芳香聚酰胺薄膜7090酚醛樹脂1216環(huán)氧樹脂1620高聚物的介電強度工程數(shù)據(jù) 1510.1.5 Electrostatic Phenomena 靜電現(xiàn)象靜電現(xiàn)象聚四氟乙烯聚丙烯聚乙烯聚苯乙烯聚苯醚聚偏二氯乙烯聚氯醚聚碳酸酯聚氯乙烯聚丙烯腈聚對

14、苯二甲酸乙二醇酯聚甲基丙烯酸甲酯乙酸纖維素纖維素 (棉)皮膚粘膠纖維蠶絲羊毛尼龍聚合物相互摩擦時，介電常數(shù)大的帶正電 介電常數(shù)小的帶負電 任何兩個固體，只要其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中分布不同，接觸(或摩擦)時就會在固-固表面發(fā)生電荷再分配，分離后每一固體都帶有過量的正(或負)電荷16l 接觸起電，與電荷逸出功有關(guān) l 兩種物質(zhì)接觸時，電荷將從逸出功低的物質(zhì)向逸出功高的物質(zhì)轉(zhuǎn)移，使逸出功高的物質(zhì)帶負電，逸出功低的物質(zhì)帶正電電荷逸出功，指電子克服原子核的吸引從物質(zhì)表面逸出所需的最小能量 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

15、5.14PMMA4.68聚氯乙烯5.13聚乙酸乙烯酯4.38氯化聚醚5.11聚異丁烯4.30聚砜4.95尼龍-664.30聚苯乙烯4.90聚氧化乙烯3.95幾種聚合物材料的電荷逸出功10.1.5 Electrostatic Phenomena 靜電現(xiàn)象靜電現(xiàn)象17Elimination of Electrostatic Phenomena 消除靜電的方法消除絕緣體表面靜電通過空氣消除表面 消除體內(nèi) 消除10.1.5 Electrostatic Phenomena 靜電現(xiàn)象靜電現(xiàn)象一般高聚物的電絕緣性能很好，一旦帶有靜電則消除很慢，故靜電現(xiàn)象更為常見可合理利用靜電作用。如靜電復印、靜電噴涂、靜電

16、植絨在高聚物表面涂抗靜電劑，提高表面導電性，使電荷迅速釋放，避免靜電積聚抗靜電劑是一些陽離子或非離子型活性劑主要依靠空氣中帶相反符號的帶電粒子中和添加炭黑、碳纖維、金屬細紛等導電粒子，增加材料的導電性1819Chester F. Carlson The first xerographic image1959, Xerox941Xerography 靜電復印10.1.5 Electrostatic Phenomena 靜電現(xiàn)象靜電現(xiàn)象10.2 Optical Properties of Polymers高分子的光學性能高分子的光學性能 20高聚物高聚物縮寫縮寫折光指數(shù)折光指數(shù)透光率，透光率，%色

17、散系數(shù)色散系數(shù)聚甲基丙烯酸甲酯PMMA1.4909257.5聚苯乙烯PS1.590889230.8聚碳酸酯PC1.586809029.9苯乙烯-丙烯酸酯共聚物NAS1.533808842.4聚4-甲基戊烯-1TPX1.4659056.2烯丙基二甘醇聚碳酸酯CR-391.5049257.8一些主要光學塑料的性能 10.2.1 Absorption, Scattering, Transmission 光的吸收、散射和透射光的吸收、散射和透射 材料的透明性，取決于反射、吸收、散射三者間的關(guān)系相對于反射，若吸收、散射可忽略不計，則材料是透明的 若吸收或散射高， 則材料幾乎不透明 2110.2.2 Ab

18、sorption 吸收吸收IId0exp()樣品厚度樣品厚度 吸收系數(shù)吸收系數(shù) 透光率n可見光波長范圍內(nèi)，多數(shù)無定形高聚物無特殊的吸收，吸收系數(shù) 很小，基本是透明的n紅外光譜區(qū)，所有高聚物均有一定的吸收紅外吸收來自原子、基團的振動不同高聚物具有不同的紅外吸收。紅外光譜是分析、鑒別高聚物的重要方法之一 n除具有波長選擇性外，高聚物對光的吸收還有方向選擇性兩個方向上的吸收系數(shù)之差稱為二向色性紅外二向色性可用于測定高聚物的取向度2210.2.3 Scattering 散射散射n一束光通過介質(zhì)時，除一部分透過外，還有一部分被介質(zhì)所散射n材料透明度的損失，除光的吸收和反射外，主要起因于材料內(nèi)部對光的散射

19、散射，由材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻性(裂紋、雜質(zhì)、填料、結(jié)晶、共混)所引起用于研究高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，尤其是球晶的尺寸和形態(tài) n高分子溶液的散射光強度取決于散射角、溶液濃度，與高分子的分子量、分子尺寸及分子形態(tài)有關(guān)利用高分子溶液的光散射，可測定高分子的分子量、分子尺寸、分子鏈形態(tài)在入射光的其他方向上，也能觀察到散射光2310.2.4 Refraction & Reflection 光的折射和反射光的折射和反射 Rnn()1122R8 %反射率反射率n = 1.5n折射高聚物的折射率一般約為1.5取決于分子的電子結(jié)構(gòu)因輻射的光頻電場作用所發(fā)生的形變程度各向同性材料具有光學各向同性，只有一個折射率

20、結(jié)晶、取向及其他各向異性材料，折射率沿不同的主軸方向有不同的數(shù)值。該現(xiàn)象稱雙折射。雙折射是研究高聚物形變微觀機理的有效方法之一 n反射射在物體上的光，除被折射外，還有一部分被反射光垂直入射時， 2410.2.5 Total Reflection 全反射全反射 21sin/cnn光導纖維工作原理 光線鞘材：n 小于芯材的材料，如聚氟代烯烴芯材：高透明的高分子材料，如聚丙烯酸酯光從光密介質(zhì)(折光指數(shù)n1)進入光疏介質(zhì)(折光指數(shù)n2)時折射角 入射角折射角隨入射角增加而增加入射角增至臨界值( )，折射角達90，折射光消失入射角繼續(xù)增加，光線將全部折回，發(fā)生全反射25光密介質(zhì)光疏介質(zhì)10.2.6 No

21、n-linear Optics 非線性光學非線性光學 EEEEEEP)3()2()1(宏觀電極化三階非線性極化率二階非線性極化率線性極化率入射光電場非線性光學高分子的應用 聚合物可能的應用(2)聚合物通訊調(diào)節(jié)器，多路驅(qū)動器，中繼器光信號處理神經(jīng)網(wǎng)絡，空間光調(diào)制器(3)聚合物數(shù)字式光計算光開關(guān)，光雙穩(wěn)態(tài)全光過程并行信號處理，串行信號處理n由光電場誘發(fā)的非線性光學效應非線性光學：在強輻照下，介質(zhì)的光學參量隨輻照強度而變化 線性光學：介質(zhì)光學參量(如折光指數(shù)、吸收系數(shù)等)與輻照強度無關(guān)2610.3 Thermal Properties of Polymers高分子的熱性能高分子的熱性能 2710.3

22、.1 Characteristic Temperatures 特性溫度特性溫度 熔融溫度TmMelting Temp. 晶體在平衡條件下完全熔融的溫度 玻璃化溫度TgGlass Transition Temp. 鏈段開始作短距離移動時的溫度粘流溫度TfFlow Temp. 非晶態(tài)聚合物高彈態(tài)和粘流態(tài)間的轉(zhuǎn)變溫度 軟化溫度Ts(維卡、馬丁耐熱溫度)Soft Temp. 指定條件下，試樣達到一定形變值時的溫度脆化溫度TbBrittle Temp. 從韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔训臏囟?熱分解溫度TdHeat-decomposition Temp. 開始發(fā)生熱分解的溫度n 受熱過程中，高聚物會產(chǎn)生兩類變化

23、l 物理變化：如軟化、熔融等，是高聚物受熱后產(chǎn)生形變的主要原因l 化學變化：如交聯(lián)、降解、氧化等，是高聚物受熱后性能劣化的主要原因n 特性溫度2810.3.2 Heat resistance 耐熱性耐熱性 u 從應用角度講，三大類材料(金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料)中，高分子材料的耐熱性最差 通用塑料，最高使用溫度僅100C左右 一些耐高溫塑料，長期使用溫度不超過300 Cu 從高分子結(jié)構(gòu)考慮，提高Tg、Tm的因素，如增加鏈剛性、引入極性基團、交聯(lián)等，有利于提高耐熱性u 大多數(shù)耐高溫聚合物，上含有醚鍵、酰胺鍵、酰亞胺鍵等， 或上帶有羥基、氨基、硝基、腈基或氟原子 29性能LDPELLD

24、PEHDPEPMMAPPPSHIPSABSPVC(硬)PVC(軟)熔融溫度(結(jié)晶), C98115122124130137160175熔融溫度(無定型), C-2590105-207410593105881207510575105擠塑加工溫度, C149232177260177260182264191288177260177260176260其它加工溫度, CI:121232I:232316I:177274I:163260I:177260I:177260I:149210I:160196模塑壓力, Mpa341033410383103341376913834138691386927555172壓

25、縮比1.83.6321.63.02.02.4342.52.72.02.32.02.3收縮率, cm/cm0.0150.0500.0200.0220.0150.0400.0010.0040.0100.0250.0040.0070.0040.0070.0040.0070.0020.0060.0100.050拉伸斷裂強度, Mpa832132822314876314136521343175538891024斷裂伸長率, %1006501009651012002101006001.22.52065201004080200450拉伸屈服強度, Mpa91491817253137144130444045壓

26、縮強度, Mpa721243855838936695589612彎曲強度, Mpa741314155691032369279669110拉伸模量, Mpa1722832625171081109722413241117215852275330911032551896289524134136壓縮模量, Mpa25513176103420683309337810342689彎曲模量, Mpa2413315311032162122413176117217232620337811032689896303420683447懸臂梁沖擊強度(有缺口),J/m不斷裂不斷裂22212163221751924513

27、7480640211174硬度SD4450SD5556SD6673M75R80120M6075R5082R75115SD6585SA50100線膨脹系數(shù), *10-6cm/cm*C10022059110509081100508344.2601305010070250熱變形溫度(1.82MPa), C74994860769477121771046077熱變形溫度(0.46MPa), C404479917910710712168967493771135282熱導率, W/m*K0.0260.0350.0380.010.020.00890.009相對密度0.9170.9320.9180.9400.9

28、420.9451.171.200.9000.9101.041.051.031.061.021.081.301.581.161.35吸水性, %24h0.010.010.10.40.010.030.010.030.050.070.200.450.040.40.150.75介電強度, kV/mm184018201620242023142014201216薄膜薄膜薄膜有機玻璃薄膜裝飾材料儀器外殼機械零件建材電線絕緣主要用途電線絕緣管材容器裝飾材料容器玩具容器儀器外殼容器薄膜管材機械零件泡沫塑料冰箱內(nèi)膽容器包裝人造革通用塑料性能一覽表通用塑料性能一覽表10.3.2 Heat resistance 耐熱

29、性耐熱性 強度1050MPa、熱變形溫度 100 C 30性能均聚甲醛共聚甲醛PTFE尼龍66PCPETPIPPO聚砜PEEK熔融溫度(結(jié)晶), C175181160175255265245265熔融溫度(無定型), C164150190擠塑加工溫度, C177260238274316371其它加工溫度, CI:193243I:182232I:260327I:271I:266316C:329366I:204332I:329399I:338427模塑壓力, Mpa341033410371725510314482134831383413869138壓縮比3.04.53.04.52.54.53.04

30、.01.745.53.1341.332.53.51.53收縮率, cm/cm0.0180.0250.020.030.060.0070.0180.0050.0070.0200.0250.0060.0080.0070.0050.007拉伸斷裂強度, Mpa676914349667704870741176697斷裂伸長率, %25754075200400158011012030300810605010060拉伸屈服強度, Mpa66836172556284486268103壓縮強度, Mpa1081241101884103698976103207276110276142彎曲強度, Mpa949989

31、1212495971241311936697104152拉伸模量, Mpa31023585282631773995511585379224132758413720682482262024822964壓縮模量, Mpa46193013414241325522896彎曲模量, Mpa262029652551310355228273241234424133103310234472275275826893309懸臂梁沖擊強度(有缺口),J/m16839443811602953640690133780267645364硬度M9294M7890D5055R120M7074M94101E5299R11812

32、0M69M109110線膨脹系數(shù), *10-6cm/cm*C100113618580686545563377564756熱變形溫度(1.82MPa), C8512012413675881211322138277360107140174197200熱變形溫度(0.46MPa), C164172155166121218246138137196207210熱導率, W/m*K0.020.020.020.0180.0150.0100.0110.00070.0170.0190.05相對密度1.421.412.142.201.131.151.21.291.401.361.431.041.091.241.2

33、51.27吸水性, %24h0.250.400.200.220.011.02.80.150.10.20.240.060.120.30.25介電強度, kV/mm20201924141820232220281719主要用途機械零件機械零件防腐襯里機械零件機械零件容器宇航材料機械零件機械零件機械零件脫模材料儲油容器容器薄膜(耐高溫)(耐水)工程塑料性能一覽表工程塑料性能一覽表10.3.2 Heat resistance 耐熱性耐熱性 強度50100 MPa、熱變形溫度100200 C 31性能環(huán)氧樹脂呋喃樹脂密胺樹脂酚醛樹脂聚酰亞胺有機硅樹脂尿醛樹脂醇酸樹脂不飽和聚酯不飽和聚酯澆鑄料石棉填充纖維素

34、填充木粉填充熱固性澆鑄料纖維素填充礦物填充澆鑄料玻纖增強加工溫度, CC:135149I:349427C:143171C:238252C:135177C:143177C:77160模塑壓力, Mpa0.73.45513814138481991413814138214壓縮比2.13.11.01.511.22.23.01.82.51收縮率, cm/cm0.0010.0100.0050.0150.0040.0090.0010.0100.0060.0060.0140.0030.0100.00020.02拉伸斷裂強度, Mpa278921313489346230159274222162489103207斷裂伸