第十章 聚合物的电学性能、热性能、光学性能以及表面与界面性能

10.1 聚合物的介电性能 10.1.5 聚合物的静电现象 静电：当这样两个固体互相接触或摩擦时，它们各自的表面 就会发生电荷再分配，重新分离后，每一个固体都将带有比 接触前过量的正（或负）电荷，这种现象称为静电。 为了消除或减少静电，通常可加入抗静电剂来提高材料的表面 导电率，使带电的聚合物材料迅速放电以防止静电的积聚。
第十章 聚合物的电学性能、热性能、 光学性能以及表面与界面性能
10.1 聚合物的介电性能
基本概念介绍： 介电性能：聚合物在外电场作用下，由于分子极化将引起电 能的贮存和损耗的性能 压电性：在力场或者变化温度时产生电荷的现象 焦电性：在力场或者变化温度时显示极化的现象
10.1 聚合物的介电性能 10.1.1 介电极化 极化：在外电场作用下，电介质分子或其中某些基团中电荷分 布发生的相应变化称为极化； 包括电子极化、原子极化、取向极化、界面极化等 电子极化：外电场作用下分子中各个原子或离子的价电子云相
10.5 聚合物的表面和界面性能 10.5.2 表征仪器、方法
聚合物表面与界面的表征方法：仪器表征和接触角表征 （1）用于化学分析的电子光谱，也称X射线光电子能谱。 该法基于在X射线辐照下，观察电子的发射信息。 被发射的电子的能量是产生于电子对特定原子的 结合能。
（2）衰减全反射红外光谱 这是一种以内反射为基础的方法。
10.2 聚合物的导电性能
10.2.1 聚合物的电导率
S G D
G
D S
D——试样厚度； S——试样面积； σ——电导率，定义为单位电位下，流过1 cm 3 材料的电流， 1 m 1 Ω 显然，电导率与试样的尺寸无关，而只决定于材料的性质
10.2 聚合物的导电性能
10.2.2 导电聚合物的结构与导电性
1.光的折射和非线性光学性质 2.光的反射 3.光的吸收
10.5 聚合物的表面和界面性能 10.5.1 表面及界面特性 表面：物体（固体）的表面是真空状态下物体内部和真空 之间的过渡区域，即物体最外面的几层原子和覆盖在其上 的一些外来原子和分子所形成的表面层。习惯上是指处于 大气下的固体或液体的外部区域 对于聚合物而言，最表层为吸附层，第二时聚合物的表层， 然后为聚合物的本体。 固体聚合物的表面张力是由于分子间作用力（称为内聚力） 的不平衡而产生的。
10.5 聚合物的表面和界面性能 10.5.3 表面及界面改性
表面及界面改性有物理和化学两种方法 （1）表面接枝 在聚合物表面激发活性中心，然后再进行自由基聚合 将现成的高分子引入聚合物表面 （2）低温等离子法 （3）共混改性
10.1 聚合物的介电性能 10.1.3 聚合物驻极体及热释电介 驻极体:具有被冻结的长寿命（相对于观察时间而言）非平 衡电矩的电介质的统称
应用：聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯等聚合物超薄薄膜 驻极体已广泛用作能量转换器件；并在空气净化、骨伤治疗、 抗血栓等技术以及医疗领域显示了很大的潜力。
10.1 聚合物的介电性能 10.1.4 聚合物的电击穿 聚合物击穿时的破坏机理有多种形式： 如：电击穿、电机械击穿、热击穿、化学击穿、放电击等。 电击穿：当电场的强度达到某些临界数值（这对不同材 料是不同的）时，载流子从外部电场所获得的能量大大 超过它们与周围碰撞所损失的部分能量，将使被撞击的 高分子链发生电离，产生新的载流子，如此继续，就会 发生所谓的“雪崩”现象，以致电流急剧上升，聚合物 发生击穿.这类击穿叫做电击穿。
10.5 聚合物的表面和界面性能 10.5.2 表征仪器、方法 （3）接触角方法 确定固体表面张力的简便方法是测定接触角，即 测定一系列已知表面张力 L 的液体在固体表面的 接触角产生不同的效果，见图所示 a. θ=0（cosθ=1），液体浸润固体，液体在固体 表面完全铺展开； b. 0＜θ＜π/2 ，液体在表面有限度地铺展开； c. θ＞ π/2 ，液体不浸润固体表面，并有收缩、脱 离固体的倾向。
10.2 聚合物的导电性能 10.2.3 导电性复合材料 导电复合材料是在聚合物原料中加入各种导电性物质， 通过分散复合、层积复合、形成表面导电膜等方式构成 的材料
10.3 聚合物的热性能
10.3.1 耐热性 表征聚合物耐热的温度参数为玻璃华温度和熔点。欲提高 聚合物的耐热性，主要有以下3个结构因素： （1）增加高分子链的刚性 （2）提高聚合物的结晶性 （3）进行交联
D D0 cos(t ) D1 cos t D2 sin t
式中 D1——电位移矢量跟上施加电场的部分； D2——电位移矢量滞后于施加电场的部分。
D1 D0 cos D2 D0 sin
10.1 聚合物的介电性能 令 式中
D1 —＝ D2

'
，
D2 —＝ E0
10.2 聚合物的导电性能 10.2.2 导电聚合物的结构与导电性
（3）掺杂
聚乙烯类共轭聚合物电导率不高。研究发现，将聚乙烯 保露在 Cl2、 2或 I 2 等卤素蒸汽中时，其电导率竟然能增 Br 加6~7个数量级 聚乙烯类共轭聚合物化学掺杂的实质就是电荷转移 在掺杂过程中仅发生了部分电荷转移，这种部分电荷转 移正是提高掺杂共轭聚合物电导性的重要原因
聚合物材料的导热系数很小，是优良的绝热保温材料.
10.3.4 热膨胀 热膨胀：由于温度变化 而引起的材料尺寸和外形的变化.
对于结晶聚合物和取向聚合物，热膨胀具有很大的各向 异性； 在同向聚合物中，热膨胀在很大程度上取决于微弱的链 间相互作用； 与金属相比，聚合物的热膨胀系数较大.

10.4 聚合物的光学性能

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—— " ——
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实测的介电系数，代表体系的储电能力；
损耗因子，代表体系的耗能部分。
通常，用耗电角正切 tg 表征聚合物介质耗能ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ储能之比，
在不太高的温度范围内，取向作用占优势，介电系数随
着温度升高而增加。 当温度很高时，分子热运动加剧，促使偶极子解取向， 且这种解取向作用占优势，故介电系数将随着温度升高而 缓慢下降。
对原子核的位移. 原子极化：分子骨架在外电场作用下发生形变造成的. 取向极化：又称偶极极化，是具有永久偶极距的极性分子沿外 场方向排列的现象 界面极化：外电场作用下，电介质中的分子或离子在界面处堆 积的结果
10.1 聚合物的介电性能 10.1.2 介电松弛 松弛现象：实际体系对 外场刺激响应的滞后现象的统称. 由于聚合物的粘滞力作用，偶极取向跟不上外电场变化，电位 移矢量迟后于施加电场，相位差为δ，即：
（1）具有共轭双键的聚合物
一些具有共轭双键结构的有机小分子化合物如蒽
具有半导体的性质，这种共轭双键结构体系的半导体 性能使与π电子的非定域化有关的. 具有共轭双键的聚合物常具有半导性甚至导电性
10.2 聚合物的导电性能 10.2.2 导电聚合物的结构与导电性 （2）电荷转移型聚合物 电荷转移复合物是一种分子复合物，它是在电子给体 分子D和电子受体分子A之间由于分子D部分或完全地 转移到分子A上而形成的复合物，这种分子聚合物可用 [ D A ]表示，这里δ代表了相互作用的强度。这类 电荷转移相互作用是电性质的，它比范德华力强些，但 是通常比离子或共价键弱些。这样形成的电荷转移复合 物的偶极矩和电导性都已不同于起始分子。 另一类电荷转移型聚合物是离子自由基盐聚合物。
10.3 聚合物的热性能
10.3.1 耐热性
聚合物的热稳定性与高分子链的结构密切相关； 提高聚合物热稳定性的途径有以下三种： （1）在高分子链中避免弱键 （2）在高分子主链中避免长串亚甲基键，引入较大比例的
环状结构 （3）合成梯形、螺形和片状结构的聚合物
10.3 聚合物的热性能 10.3.3 导热性 材料热传导能力表征：导热系数λ