聚合物的其他性能

聚合物的其他性能1第1頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月10.1ElectricalPropertiesofPolymers高分子的電學性能2第2頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月10.1.1Introduction概述高分子的電學性能，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Electricconductivity交變電場中的介電性Dielectricproperty強電場中的擊穿Dielectricbreakdown高分子表面的靜電現(xiàn)象Staticelectricity3第3頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月Heeger、MacDiarmid(美)、白川英樹(日)

2000化學獎導電高分子研究，聚乙炔摻雜后，電導率從

3.2x10-6Ω-1cm-1增加到38Ω-1cm-1，提高了1000萬倍（接近鋁、銅）提出孤子概念AlanJ.Heeger1936AlanG.MacDiarmid

b.1936b.1927HidekiShirakawa

10.1.2ElectricConductivity導電性4第4頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月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1m1

各種材料的電導率

電阻電流電壓電導電導率面積厚度10.1.2ElectricConductivity導電性1071051020108聚乙烯5第5頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月材料表面與內部的導電性不同常用表面電阻率s、體積電阻率v表示導電性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體積電阻率表面電阻率表面電阻測試裝置：刀形電極示意圖blUIs10.1.2ElectricConductivity導電性SurfaceResistanceandBulkResistance表面電阻和體積電阻6第6頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(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，即使分子內有載流子，也很難從一分子傳遞到另一分子ElectricConductivityofPolymers高分子的導電性10.1.2ElectricConductivity導電性7第7頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月FactorsInfluencingElectricConductivityofPolymers高分子的導電性的影響因素10.1.2ElectricConductivity導電性分子結構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)共軛結構高分子，具有一定的導電性(電子可從一個C＝C鍵轉移到另一個C＝C鍵)聚集態(tài)結構結晶和取向，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，其電導率隨結晶度或取向度的增加而增加雜質，使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

8第8頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月10.1.3DielectricProperties介電性能2個衡量指標介電常數(shù)：表征電介質儲存電能的能力介電損耗：表征電介質通過發(fā)熱耗散電能的多少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9第9頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月不論極性還是非極性高聚物，一般情況下呈電中性電場作用下，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，原來無規(guī)排列的分子沿電場方向規(guī)則排列，產(chǎn)生永久偶極PolarizedPhenomena極化現(xiàn)象+-+-+-+-+-+-+l+-+-+l++++++______+l+l+l+l+l+l+l+l電場強度極化率偶極矩Deybe10.1.3DielectricProperties介電性能高聚物的極性，通常用鏈節(jié)的偶極矩

來表示根據(jù)鏈節(jié)的偶極矩，可將高聚物分為4類非極性高聚物：

=0D，如聚乙烯、聚四氟乙烯、聚丁二烯弱極性高聚物：

=0~0.5D，如聚苯乙烯、聚異丁烯、聚異戊二烯極性高聚物：

=0.5~0.7D，如聚氯乙烯、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯強極性高聚物：

>0.7D，如聚酯、聚乙烯醇、聚丙烯腈、酚醛樹脂10第10頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月DielectricConstant介電常數(shù)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，電介質在電場作用下極化，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)，定義為充滿電介質時電容/真空電容是描述介質在電場中極化程度的物理量，反映介質儲存電能的能力分子的極性越大，介電常數(shù)也越大高分子高分子高分子聚四氟乙烯2.0聚碳酸酯2.97~3.17環(huán)氧樹脂3.5~5.0聚丙烯2.2乙基纖維素3.0~4.2聚甲醛3.7聚三氟氯乙烯2.24聚酯3.0~4.36尼龍6,663.8~4.0聚乙烯2.25~2.35聚砜3.14聚偏氯乙烯4.5~6.0聚苯乙烯2.45~3.10聚氯乙烯3.2~3.6酚醛樹脂5.0~6.5聚苯醚2.58PMMA3.3~3.9硝酸纖維素7.0~7.5硅樹脂2.75~4.20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)10.1.3DielectricProperties介電性能11第11頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月DielectricLoss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在交變電場中因消耗部分電能而發(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)轉動而消耗部分電能，以克服介質的內粘滯阻力，轉化為熱能

這部分損耗有時很大原因：介質具有內粘滯作用，偶極子轉向將克服摩擦阻力而損耗能量10.1.3DielectricProperties介電性能12第12頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月制造電容器要求介電損耗盡可能小、而介電常數(shù)盡可能大和介電強度很高的介電材料電容器Instrumentinsulant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10.1.3DielectricProperties介電性能13第13頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月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，后者為頻率譜介電松弛譜，廣泛用于研究高聚物分子結構與分子運動DielectricRelaxationSpectrum介電松弛譜TtanDielectricrelaxationspectrumofapolymer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10.1.3DielectricProperties介電性能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；、等次級松弛則對應較小運動單元的運動14第14頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月10.1.4DielectricBreakdown介電擊穿材料厚度擊穿電壓MV/m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)象在強電場(106~108V/m)中，材料電絕緣性能隨電壓升高而下降，產(chǎn)生局部導電，變成導體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18~28聚乙烯薄膜40~60聚丙烯20~26聚丙烯薄膜100~140PMMA18~22聚苯乙烯薄膜50~60聚氯乙烯14~20聚酯薄膜100~130聚苯醚16~20聚酰亞胺薄膜80~110聚砜17~22芳香聚酰胺薄膜70~90酚醛樹脂12~16環(huán)氧樹脂16~20高聚物的介電強度工程數(shù)據(jù)15第15頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月10.1.5ElectrostaticPhenomena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，只要其內部結構中電荷載體能量分布不同，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16第16頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月接觸起電，與電荷逸出功有關兩種物質接觸時，電荷將從逸出功低的物質向逸出功高的物質轉移，使逸出功高的物質帶負電，逸出功低的物質帶正電電荷逸出功，指電子克服原子核的吸引從物質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10.1.5ElectrostaticPhenomena靜電現(xiàn)象17第17頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月EliminationofElectrostaticPhenomena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消除10.1.5ElectrostaticPhenomena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18第18頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月ChesterF.Carlson

Thefirstxerographicimage1959,Xerox941Xerography靜電復印10.1.5ElectrostaticPhenomena靜電現(xiàn)象19第19頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月10.2OpticalPropertiesofPolymers高分子的光學性能20第20頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月高聚物縮寫折光指數(shù)透光率，%色散系數(shù)聚甲基丙烯酸甲酯PMMA1.4909257.5聚苯乙烯PS1.59088~9230.8聚碳酸酯PC1.58680~9029.9苯乙烯-丙烯酸酯共聚物NAS1.53380~8842.4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

10.2.1Absorption,Scattering,Transmission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21第21頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月10.2.2Absorption吸收樣品厚度吸收系數(shù)透光率可見光波長范圍內，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22第22頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月10.2.3Scattering散射一束光通過介質時，除一部分透過外，還有一部分被介質所散射材料透明度的損失，除光的吸收和反射外，主要起因于材料內部對光的散射散射，由材料內部結構不均勻性(裂紋、雜質、填料、結晶、共混)所引起用于研究高分子的聚集態(tài)結構，尤其是球晶的尺寸和形態(tài)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23第23頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月10.2.4Refraction&Reflection光的折射和反射R8%反射率n=1.5折射高聚物的折射率一般約為1.5取決于分子的電子結構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，只有一個折射率結晶、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反射射在透明物體上的光，除被折射外，還有一部分被反射光垂直入射時，24第24頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月10.2.5TotalReflection全反射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(折光指數(shù)n1)進入光疏介質(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)生全反射光密介質光疏介質25第25頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月10.2.6Non-linearOptics非線性光學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)聚合物通訊調節(jié)器，多路驅動器，中繼器光信號處理神經(jīng)網(wǎng)絡，空間光調制器(3)聚合物數(shù)字式光計算光開關，光雙穩(wěn)態(tài)全光過程并行信號處理，串行信號處理由光電場誘發(fā)的非線性光學效應非線性光學：在強輻照下，介質的光學參量隨輻照強度而變化線性光學：介質光學參量(如折光指數(shù)、吸收系數(shù)等)與輻照強度無關26第26頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月10.3ThermalPropertiesofPolymers高分子的熱性能27第27頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月10.3.1CharacteristicTemperatures特性溫度熔融溫度TmMeltingTemp.晶體在平衡條件下完全熔融的溫度玻璃化溫度TgGlassTransitionTemp.鏈段開始作短距離移動時的溫度粘流溫度TfFlowTemp.非晶態(tài)聚合物