聚合物的电学性质
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。
聚合物的电学性质
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。
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。
第10章聚合物的电性能
e和 的a 值不随温度而变化，仅取决于分子中电子云和原子
的分布情况。电子极化和原子极化在所有电介质中（包括极性介质和 非极性介质）都存在。
第六页，编辑于星期一：十六点 三十分。
取向极化或偶极极化
极性分子本身具有永久偶极矩，通常状态下由于分子的热运 动，各偶极矩的指向杂乱无章，因此宏观平均偶极矩几乎为零。
根据上式，我们可以通过测量电介质介电系数 求得分 子极化 率 。另外实验得知，对非极性介质，介电系数 与介质的光折射
率n的平方相等， ，此式联系着介质n2的电学性能和光学性能。
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2、介电损耗
电介质在交变电场中极化时，会因极化方向的变化而损 耗部分能量和发热，称介电损耗。
对非极性聚合物而言，电导损耗可能是主要的。 对极性聚合物的介电损耗而言，其主要部分为极化损耗。
已知分子极化速率很快。电子极化所需时间约
1秒0，15原 1子0极13
化需略大于
秒。但取向10极1化3 所需时间较长，对小分子约大于
秒，对大分子更长一些。10 9
第十六页，编辑于星期一：十六点 三十分。
极性电介质在交变电场中极化时，如果电场的交变频率很 低，偶极子转向能跟得上电场的变化，如图9-3（a），介电损 耗就很小。
实数部分 I R C0V * 与交变电压同相位，相当于流过 “纯电阻”的电流，这部分电流损耗能量。
第二十一页，编”电流与“电容”电流之比表征介质的介电损耗：
tg I R C0V * IC C0V *
（9-10）
式中δ称介电损耗角， t称g介电损耗正切。 tg 的物理意义是在每个交变电压周期中，介质损耗的能量
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。
高分子物理讲义提纲-第九章
第九章 聚合物的电学性质聚合物的电学性质:是指聚合物在外加电压或电场作用下的行为及其所表现出来的各种物理现象。
9.1 聚合物的介电性能介电性是指聚合物在电场作用下，表现出对静电能的储存和损耗的性质，通常电常数和介电损耗来表示。
（1）介电极化 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、耐高频高的击穿强度。
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，造成了电荷的重新分布，称为极化。
电介质在外电场下发生极化的现象，是其内部分子和原子的电荷在电场中运动的宏观表现。
主要有以下几种极化；①电子极化——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，发生了电子相对骨架的移动，使分子的正电荷中心的位置发生变化引起的。
②原子极化——是分子骨架在外电场下发生变形造成的。
分子弯曲极化是原子极化的主要形式。
③偶极极化——在外电场的作用下，极性分子沿电场的方向排列，产生分子的取向。
前两种产生的偶极矩诱导偶极矩，后一种为永久偶极矩的极化。
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，l u E α=按照极化机理不同，有电子极化率e α，原子极化率a α（上述两者合称变形极化d e a ααα=+）和取向极化率u α，即：23u u kTα= 为永久偶极矩。
因而对于极性分子e a u a ααα=++，对于非极性分子e a a αα=+。
界面极化：由于在外电场作用下，电介质中的电子或离子在界面处堆集的结果，称为~。
根据聚合物中各种基团的有效偶极矩，可以把聚合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。
聚合物的有效偶极矩与所带基团的偶极矩不完全一致，结构对称性会导致极矩部分或全部相互抵消。
介电常数ε是表示聚合物极化程度的宏观物理量，它定义为介质电容器，容C 比真空电容器C 0的电容增加的倍数，即0000//Q Q Q Q Q U Q U Q C C ′+====ε 式中：0Q 为极板上的原有电荷，Q ′为感应电荷。
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。
The Physics and Chemistry of Polymers
The Physics and Chemistry of Polymers 聚合物的物理和化学聚合物是由许多重复的结构单元组成的高分子化合物。
这些结构单元被称为单体，它们在经历聚合反应过程之后，形成了聚合物长链。
聚合物在我们的生活和工业中扮演着重要的角色，例如材料科学、医学、食品工业等。
聚合物的物理和化学特性和其决定性的高分子结构有关。
在本文中，我们将讨论聚合物的物理和化学性质以及它们如何决定了聚合物的行为。
1.聚合物的物理性质聚合物的物理性质和它的分子结构有关。
聚合物相对于单体来说，具有不同的物理性质，因为它们是由数百或数千个单体化合物构成的。
这些性质包括它们的热学性质、力学性质和电学性质等。
1.1 热学性质聚合物的热学性质是非常重要的，因为它们直接影响聚合物的加工和使用。
热学性质包括软化温度、熔化温度和玻璃化转变温度等。
软化温度指的是从坚硬到可变形的温度范围，熔化温度指的是从固态到液态的温度，玻璃转变温度指的是聚合物变为玻璃态的温度。
聚合物的软化温度和熔化温度通常是关联的。
例如，聚合物的熔化温度越高，它的软化温度也会越高。
在实际应用中，我们需要根据热学性质选择适当的聚合物材料来制造产品。
1.2 力学性质聚合物的主要力学性质是弹性和塑性。
弹性是指聚合物在受到力的情况下会回到原始状态的能力，而塑性则是指聚合物在受到力时发生不可逆变形的能力。
这些性质取决于聚合物分子量和架桥情况等因素。
聚合物的力学性质对于材料科学和工程应用非常重要。
例如，纤维素和酚醛等聚合物是常用的结构材料，而聚丙烯和聚乙烯等聚合物则用于生产塑料袋和其他包装材料。
不同的聚合物材料具有不同的强度和硬度，可以根据不同应用的需求进行选择。
1.3 电学性质聚合物还具有很强的电学性质。
例如，聚合物可以是导电或绝缘体。
导电聚合物能够传导电流，被广泛应用于半导体、传感器和其他电子器件。
绝缘聚合物能够分隔电路和保护电子设备不受损坏。
这些电学性质也与聚合物的分子结构有关。
聚合物电性能
7.4 聚合物的电学性质一提起高聚物的电学性质，人们马上会想起高聚物是一种优良的电绝缘体，广泛用作电线包皮。
这的确是高聚物优良的电学性质的一个重要方面，即高的电阻率、很高的耐高频性、高的击穿强度，所以是一种理想的电绝缘材料。
其实有的高聚物还具有大的介电常数和很小的介电损耗，从而可以用作薄膜电容器的电介质。
还有其他具有特殊电功能的高聚物相继出现，比如高聚物驻极体、压电体、热电体、光导体、半导体、导体、超导体等。
研究高聚物的电学性质，除了生产上的实用价值外，它还有重要的物理意义，因为高聚物的电学性质往往最灵敏地反映高分子内部结构和分子运动之间的关系。
电学性质能在比力学性质更宽的频率范围内测定，测定精确性和灵敏性都高，因而成为研究高分子结构和分子运动的有力手段。
7.4.1 聚合物的介电性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。
根据高聚物中各种基团的有效偶极距μ，可以把高聚物按极性的大小分成四类：非极性（μ＝0）：聚乙烯、聚丙烯、聚丁二烯、聚四氟乙烯等弱极性（μ≤0.5）：聚苯乙烯、天然橡胶等极性（μ＞0.5）：聚氯乙烯、尼龙、有机玻璃等强极性（μ＞0.7）：聚乙烯醇、聚酯、聚丙烯腈、酚醛树脂、氨基塑料等聚合物在电场下会发生以下几种极化：（1）电子极化，（2）原子极化，（3）偶极极化。
聚合物的极化程度用介电常数ε表示。
它定义为介质电容器的电容比真空电容器增加的倍数式中：V为直流电压；Q0、Q分别为真空电容器和介质电容器的两极板上产生的电荷；Q’为由于介质极化而在极板上感应的电荷。
介电常数的大小决定于感应电荷Q’的大小，所以它反映介质贮存电能的能力。
非极性分子只有电子和原子极化，ε较小；极性分子除有上述两种极化外，还有偶极极化，ε较大。
此外还有以下因素影响ε：（1）极性基团在分子链上的位置。
在主链上的极性基团活动性小，影响小；在柔性侧基上的极性基团活动性大，影响大。
高分子物理-聚合物的性质
Ub h
• 聚合物的介电击穿按其形成的机理，大致
可分为三种主要形式。
• 1. 本征击穿 • 2. 热击穿 • 3. 放电引起的击穿
9.1.6 聚合物的静电现象
• 物质接触或摩擦重新分离之后，每一种物
质都将带有比其接触或摩擦前过量的正(或 负)电荷，这种现象称为静电现象。
• 由于聚合物的电绝缘性能很好，它们一旦
交变电场中要损耗能量——介电损耗。
• 介质的极化可以分为变形极化Pd与取向极化Pr两
种，
•
P=Pd+Pr
• 变形可以瞬间完成，取向是松弛的。介电常数与
频率有关，在极高频率（光频）下，取向极化为
0。而
Pd 0( 1)E
• 是光频下介电常数的极限值。
• 如果是静电场：P 0(s 1)E
Pr 0 (s )E
第九章 聚合物的其他性质
• 9.1 聚合物的电学性质 • 9.2 聚合物的光学性质 • 9.3 聚合物的透气性 • 9.4 高分子的表面和界面性质
• 9.1 聚合物的电学性质
• 高聚物的电学性质：聚合物在外加电
压或电场作用下的行为及其所表现出 来的各种物理现象。
• 在交变电场中的介电性质 • 在弱电场中的导电性质 • 在强电场中的击穿现象 • 在聚合物表面的静电现象
• N是单位体积内的分子数。
• 材料的介电常数决定于分子极矩。
•
Clausius和Mosotti导出：
1 2
Na
3 0
• 如果介质的分子量为M，密度为ρ，利用
Avogadro常数有 1 M N~a
2 30
• 定义摩尔极化强度PM:
PM
N~a
3 0
1 2
聚合物材料的结构和性能研究
聚合物材料的结构和性能研究聚合物材料是指由单体经过聚合反应形成的高分子化合物，具有许多种类和广泛的应用领域。
随着科学技术的不断发展，对聚合物材料的性能和结构研究越来越深入，对于提高材料的性能和开发新材料具有重要意义。
一、聚合物的结构聚合物的结构对于材料的性能有着决定性的影响。
从宏观上来看，聚合物材料一般是由线性、支化、交联和网状四种结构组成。
其中，线性结构是指聚合物链呈直线状排列；支化结构是指聚合物链呈分支状排列；交联结构是指聚合物链之间通过交联作用连接在一起；网状结构是指聚合物链互相连接形成一个三维网状结构。
从微观结构来看，聚合物的化学结构和形态也会对材料的性能产生影响。
例如，在聚合物链的化学结构方面，聚合物可以分为有机聚合物和无机聚合物两大类。
在形态方面，可以分为均聚物和共聚物。
其中，均聚物是指由同一种单体聚合而成的聚合物，而共聚物则是由两种或两种以上不同的单体聚合而成的聚合物。
二、聚合物的性能聚合物材料的性能包括力学性质、热学性质、光学性质、电学性质、气体渗透性和水合性等方面。
其中，力学性质是指聚合物材料对力的响应能力和承受力的极限能力。
对于高分子材料而言，力学性质是其中最为重要的性质之一。
在热学性质方面，聚合物材料的热稳定性能和耐热性能对于材料的应用也具有重要的意义。
在光学性质方面，聚合物材料主要表现为透明或半透明和不同颜色的吸光特性。
在电学性质方面，聚合物材料常常用来制作电池、电容器、传感器等电子器件。
气体渗透性是聚合物材料在化学工业、环保等方面被广泛应用的领域之一，而水合性也对于有机高分子材料的制备具有重要的影响。
三、聚合物材料的研究方向随着社会科技的发展，聚合物材料的研究方向也发生了明显的变化。
目前，聚合物材料的研究重点已经从传统的结构与性能关系研究转向功能化、加工性能改善和绿色可持续发展方向。
在功能化方面，科学家们正在努力研制具有特定功能的聚合物材料，例如具有生物相容性、耐磨性、阻燃性、自修复性等特点的聚合物材料。
聚合物材料的电化学性能
聚合物材料的电化学性能聚合物材料的电化学性能是指其在电化学系统中的行为以及与电子和离子的相互作用。
随着聚合物材料在能源存储和转换、传感器、生物医学和电子器件等领域的广泛应用，对其电化学性能的研究变得越来越重要。
首先，聚合物材料的电导性是其电化学性能的关键指标之一。
电导性取决于聚合物分子内的共轭结构以及材料中的离子运动能力。
共轭结构是指芳香性或共轭键的存在，能够形成电子能级的相互重叠，从而实现电子的长距离传导。
因此，多数具有良好电导性的聚合物材料都具有共轭结构，如聚噻吩、聚苯胺和聚咔唑等。
其次，聚合物材料的电化学稳定性也是考察电化学性能的重要因素之一。
在电化学过程中，聚合物材料需要承受电位变化和化学反应的影响，因此其化学结构和物理性质需要具备一定的稳定性。
一些聚合物材料在高电位或低电位下可能会发生氧化或还原反应，导致材料的破坏。
因此，为了提高聚合物材料的电化学稳定性，研究人员通常通过合成控制、材料界面的修饰以及添加稳定剂等方法来实现。
此外，聚合物材料的离子传输性能也是影响其电化学性能的重要因素之一。
在能源领域的应用中，聚合物材料通常被用作电解质或电极材料，因此其内部需要具备良好的离子传输通道，以确保充电和放电反应的顺利进行。
为了提高聚合物材料的离子传输性能，研究人员通常采用导电添加剂、离子液体等方法来提高材料的电导率，以及通过适当控制孔隙结构和表面改性来提高离子扩散速率。
此外，聚合物材料的电化学性能还与其溶液阻抗、表面活性以及电化学反应的动力学等参数密切相关。
溶液阻抗是指在电化学系统中，聚合物材料与电解质溶液之间的阻抗大小，直接影响材料的电荷传递速率。
表面活性是指聚合物材料表面的化学性质，如亲水性、疏水性等，对材料在电化学界面上的行为以及与电解质溶液之间的相互作用有着重要影响。
动力学参数则与电化学反应的速率有关，包括反应的起始电位、电化学反应的速率常数等。
综上所述，聚合物材料的电化学性能涉及多个方面的研究内容，包括电导性、电化学稳定性、离子传输性能、溶液阻抗、表面活性以及电化学反应的动力学等。
electrical properties of polymers
electrical properties of polymers
聚合物是一类重要的材料，具有各种不同的电学特性。
这些特性是由聚合物内部结构和分子间相互作用所决定的。
在电学方面，聚合物通常被认为是一种绝缘体，但是一些聚合物却具有半导体或导电性能。
聚合物的电学性质是通过对其电导率、电容、介电常数等参数的测量得到的。
聚合物的电导率通常很低，但是在一些情况下，可以通过添加导电材料来提高电导率。
聚合物的电容很高，这使得它们在储存能量和制造电容器方面具有广泛的应用。
介电常数是聚合物电学性质中的另一个重要参数，它决定了材料对电场的响应。
除了这些基本参数外，聚合物的电学性质还受到其他因素的影响，例如温度、湿度、压力等。
这些因素可以改变聚合物的导电性能、介电常数和电容等特性。
总的来说，聚合物具有丰富的电学特性，这使得它们在电子学、电力电子、电池等领域中具有广泛的应用前景。
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第八章：聚合物的电性质
在理论上，聚合物的电学性质往往最灵敏的反映 了聚合物内部结构与精细运动之间的关系。尤其可在 相当宽的频率范围内进行观察，所得的结果有时比力 学性能的更可靠，更深入。因此聚合物电学性能的研 究已成为高分子物理学科研究高分子运动最重要的手 段之一。 通过聚合物电性能的研究可以为电气工程提供选 材的数据和理论依据。
非极性聚合物的tgδ<1X10-4,极性聚合物的
tgδ=1X10-1～5X10-3 在交变电量中介电系数写成复数形式
*
ε*=ε′-iε″ 通常用作绝缘材料或电容器材料的聚合物要求tgδ越 小越好。否则不仅会消耗较多的电能，还会引起材料本 身发热，加速材料老化。如果需要对聚合物高频加热进 行干燥，模塑或对塑料薄膜进行高频焊接，则要求聚合 物具有较高的tgδ值。
1
S R h
h G S
上式中，ρ—电阻率，Ω.m； ζ—电导率，Ω-1 .m-1 显然电阻率或电导率与材料的尺寸无关，而只 决定于材料的性质，故用来表征材料的导电性，电 阻率越小或导电率越大，则导电性越好。
有时需要分别表示材料表面和内部不同的导电性， 其指标为表面电阻率和体积电阻率。 通过试样表面的电流Ｉs Ｉ 相应R 通过试样体积内的电流ＩV Rs—表面电阻 RV—体积电阻
电阻越大，或电阻率越高，电导率越小，绝缘性 越好。 按电阻率或电导率的大小可分为绝缘体，半导体， 导体，超导体。 电阻率(Ω .m) 绝缘体 半导体 导体 超导体 1018 ～107 107 ～10-5 10-5 ～10-8 <10-8 电导率(Ω-1 .m-1 ) 10-18 ～10-7 10-7 ～105 105 ～108 >108
弱极性聚合物： 0<μ≤0.5 ε=2.3～3.0 tgδ=4x10-4 ～10-3 ρv=1015 ～1016 如：PS，PＩB，NR
副电聚合物
副电聚合物
副电聚合物是一种具有特殊电学性质的高分子材料。
它们具有高的电导率和电容率，可以用于制造电子元件和电池等电学设备。
副电聚合物的研究和应用已经成为当今材料科学领域的热点之一。
副电聚合物的制备方法有很多种，其中最常见的是化学合成法和自组装法。
化学合成法是通过化学反应将单体分子聚合成高分子链，而自组装法则是通过分子间的相互作用力使分子自组装成高分子结构。
这两种方法各有优缺点，可以根据具体应用需求选择合适的制备方法。
副电聚合物的电学性质主要取决于其分子结构和化学成分。
一般来说，含有大量共轭结构的分子会具有较高的电导率和电容率。
此外，副电聚合物的电学性质还受到温度、湿度、压力等环境因素的影响，因此在实际应用中需要进行相应的环境适应性测试。
副电聚合物的应用领域非常广泛。
它们可以用于制造电子元件，如场效应晶体管、有机发光二极管等。
此外，副电聚合物还可以用于制造电池和超级电容器等电学设备，具有很高的能量密度和功率密度。
此外，副电聚合物还可以用于制造传感器、光学器件等。
副电聚合物是一种非常有前途的高分子材料。
它们具有特殊的电学性质，可以应用于电子元件、电池、超级电容器等电学设备的制造。
随着科技的不断发展，副电聚合物的研究和应用前景将会越来越广
阔。
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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。