高分子材料的物理和化学性能

3-4-3 光性能 一、折射 ※折射现象：当光由一种介质进入另一种介质时， 折射现象：当光由一种介质进入另一种介质时， 由于光在两种介质中的传播速度不同而产生的折 射现象。 射现象。 ※折射率： 折射率：
※折光指数：通常以各种物质对真空的折射率作为 折光指数： 该物质的折射率，即折光指数。 该物质的折射率，即折光指数。聚合物的折光指 数一般都在1.5左右 数一般都在1.5左右。 左右。 ※各向同性的材料：无应力的非晶态聚合物，在光 各向同性的材料：无应力的非晶态聚合物， 学上也是各向同性的，因此只有一个折光指数。 学上也是各向同性的，因此只有一个折光指数。 ※结晶和各向异性的材料：折光指数沿不同的主轴 结晶和各向异性的材料： 方向有不同的数值，该材料被称为双折射的（如 方向有不同的数值，该材料被称为双折射的（ 非晶态聚合物因分子取向而产生双折射。 非晶态聚合物因分子取向而产生双折射。 ※双折射的应用：研究形变微观机理的有效方法； 双折射的应用：研究形变微观机理的有效方法； 由应力感生的双折射可应用于光弹性应力分析。 由应力感生的双折射可应用于光弹性应力分析。
非极性聚合物： 非极性聚合物：极性杂质常常是介电损耗的主要 原因。非极性聚合物的tg 一般小于10 tgδ 原因。非极性聚合物的tgδ一般小于10-4； 极性聚合物：tgδ 之间。 极性聚合物：tgδ在10-1～5×10-3之间。
三、介电强度 ——电击穿：当电场强度超过某一临界值时， ——电击穿：当电场强度超过某一临界值时，电介 电击穿 质就丧失其绝缘性能，这称为电击穿。 质就丧失其绝缘性能，这称为电击穿。 ——击穿电压：发生电击穿的电压。 ——击穿电压：发生电击穿的电压。 击穿电压 ——击穿电场强度： ——击穿电场强度：击穿电压与击穿处介质厚度之 击穿电场强度 简称介电强度。 比，简称介电强度。 ——热击穿：在强电场下， ——热击穿：在强电场下，因温度上升导致聚合物 热击穿 的热破坏而引起的击穿；其击穿电压要比固有击 的热破坏而引起的击穿； 穿电压小。 穿电压小。
般并非温度的线性函数。 般并非温度的线性函数。
3-4-2 电性能 ——概念： ——概念： 概念 高分子材料的电学性能是指在外加电场作用下材 料所表现出来的介电性能、导电性能、电击穿性 料所表现出来的介电性能、导电性能、 质以及与其他材料接触、摩擦时所引起的表面静 质以及与其他材料接触、 电性质等。 电性质等。
五、聚合物驻极体和热释电流 ——驻极体：将聚合物薄膜夹在两个电极当中， ——驻极体：将聚合物薄膜夹在两个电极当中，加热 驻极体 到薄膜成型温度，施加每厘米数千伏的电场，使聚 到薄膜成型温度，施加每厘米数千伏的电场， 合物极化、取向，再冷却至室温，而后撤去电场。 合物极化、取向，再冷却至室温，而后撤去电场。 这时由于聚合物的极化和取向单元被冻结，因而极 这时由于聚合物的极化和取向单元被冻结， 化偶矩可长期保留。这种具有被冻结的寿命很长的 化偶矩可长期保留。 非平衡偶极矩的电介质称为驻极体。 非平衡偶极矩的电介质称为驻极体。
3-4 高分子材料的物理性能
3-4-1 热性能 一、热导率 ——热扩散速率：对于非金属材料， ——热扩散速率：对于非金属材料，扩散速率主要 热扩散速率 取决于邻近原子或分子的结合强度。 取决于邻近原子或分子的结合强度。 ⊕主价键结合：热扩散快→热导率大→热良导体； 主价键结合：热扩散快→热导率大→热良导体； ⊕次价键结合：导热性差，热导率小。 次价键结合：导热性差，热导率小。
二、介电损耗 （一）概念 ——介电损耗：电介质在交变电场作用下， ——介电损耗：电介质在交变电场作用下，由于发 介电损耗 热而消耗的能量。 热而消耗的能量。 ——产生原因 ——产生原因： 产生原因： ⊕因电介质中微量杂质而引起的漏导电流； 因电介质中微量杂质而引起的漏导电流； ⊕电介质在电场中发生极化取向时，由于极化取向 电介质在电场中发生极化取向时， 与外加电场有相位差而产生的极化电流损耗—— 与外加电场有相位差而产生的极化电流损耗—— 主要原因。 主要原因。
——高分子材料的介电常数是以上几种因素所产生 ——高分子材料的介电常数是以上几种因素所产生 介电常数分量的总和。 介电常数分量的总和。 （二）相关数值 ——介电现象产生的原因：分子极化。 ——介电现象产生的原因：分子极化。 介电现象产生的原因 ——介电常数数值：非极性聚合物2左右； ——介电常数数值：非极性聚合物2左右；极性聚合 介电常数数值 见表3 11）。 物3-9（见表3-11）。
——极化：在外电场作用下， ——极化：在外电场作用下，分子中电荷分布的变化称 极化 为极化。 为极化。 ——分子极化种类： ——分子极化种类： 分子极化种类 ⊕电子极化 ⊕原子极化 又称变形极化或诱导极化 所需时间很短， 所需时间很短，10-15～10-11s
⊕取向极化：由永久偶极所产生，与温度有关；其所产 取向极化：由永久偶极所产生，与温度有关； 生的偶极矩与绝对温度成反比；所需时间>10 生的偶极矩与绝对温度成反比；所需时间>10-9s。 ⊕界面极化：由于电荷在非均匀介质分界面上集聚而产 界面极化： 生的；所需时间几分之一秒至几分钟乃至几个小时。 生的；所需时间几分之一秒至几分钟乃至几个小时。
二、比热容及热膨胀性 ——比热容：主要由高分子材料的化学结构决定， ——比热容：主要由高分子材料的化学结构决定，1比热容 3kJ· 3kJ·K-1，比金属及无机材料的大； 比金属及无机材料的大； ——热膨胀性：比金属及陶瓷大， ——热膨胀性：比金属及陶瓷大，4×10-5～3×10-4K热膨胀性
1。聚合物的膨胀系数随温度的提高而增大，但一 聚合物的膨胀系数随温度的提高而增大，
——当上述序列中的两种物质进行相互摩擦时， ——当上述序列中的两种物质进行相互摩擦时，总是 当上述序列中的两种物质进行相互摩擦时 左边的带正电，二者相距越远产生的电量越多。 左边的带正电，二者相距越远产生的电量越多。
——消除方法： ——消除方法： 消除方法 ⊕体积传导 ⊕表面传导：主要方法，目前工业上广泛采用的抗 表面传导：主要方法， 静电剂都是用以提高聚合物的表面导电性 ——抗静电剂：一般都具有表面活性的功能， ——抗静电剂：一般都具有表面活性的功能，常增 抗静电剂 加聚合物的吸湿性而提高表面导电性，从而消除 加聚合物的吸湿性而提高表面导电性， 静电现象的一种物质。 静电现象的一种物质。
——介电松弛：即聚合物的介电损耗， ——介电松弛：即聚合物的介电损耗，与力学松弛 介电松弛 原理上是一样的。介电松弛是在交变电场刺激下 原理上是一样的。 的极化响应， 的极化响应，它决定于松弛时间与电场作用时间 的相对值。 的相对值。 ——介电损耗峰： ——介电损耗峰：当电场频率与某种分子极化运动 介电损耗峰 单元松弛时间的倒数接近或相等时，相位差最大， 单元松弛时间的倒数接近或相等时，相位差最大， 产生共振吸收峰即介电损耗峰。 产生共振吸收峰即介电损耗峰。 ——介电谱： ——介电谱：聚合物在不同温度下的介电损耗叫介 介电谱 电谱。 电谱。
二、透明性及光泽 ※大多数高聚物当不含结晶、杂质和疵痕时都是透 大多数高聚物当不含结晶、 明的（如PMMA、聚苯乙烯等），对可见光的透 ），对可见光的透 明的（ PMMA、聚苯乙烯等）， 过程度达92%以上 过程度达92%以上。 以上。 ※透明度损失的原因：光的反射和吸收；材料内部 透明度损失的原因：光的反射和吸收； 对光的散射；与光所经的路程（物体厚度）有关， 对光的散射；与光所经的路程（物体厚度）有关， 厚度↑ 透明度↓ 厚度↑，透明度↓。 ※散射产生原因：结构的不均匀性，如聚合物表面 散射产生原因：结构的不均匀性， 或内部的疵痕、裂纹、杂质、填料、结晶等。 或内部的疵痕、裂纹、杂质、填料、结晶等。
四、静电现象 ——静电现象： ——静电现象：两种物体互相接触和摩擦时会有电 静电现象 子的转移而使一个物体带正电， 子的转移而使一个物体带正电，另一个带负电的 现象。 现象。 ——聚合物静电的产生： ——聚合物静电的产生：高电阻率使其有可能积累 聚合物静电的产生 大量静电荷→ 大量静电荷→例如聚丙烯腈纤维因摩擦可产生高 达1500v的静电压。 1500v的静电压 的静电压。 ——规律：一般介电常数大的聚合物带正电， ——规律：一般介电常数大的聚合物带正电，小的 规律 带负电， 带负电，如——
——聚合物的导热性 ——聚合物的导热性 ⊕一般较差（因靠分子间力结合的）。 一般较差（因靠分子间力结合的）。 ⊕固体聚合物的热导率范围较窄（0.22W·m-1·K-1左 固体聚合物的热导率范围较窄（0.22W· 右）。 ⊕结晶聚合物的热导率稍高，非晶聚合物的热导率 结晶聚合物的热导率稍高， 随分子量增大而增大。 随分子量增大而增大。 ⊕低分子的增塑剂的加入：会使热导率下降。 低分子的增塑剂的加入：会使热导率下降。
——例子：聚偏氟乙烯、涤纶树脂、PP、PC等聚合 ——例子：聚偏氟乙烯、涤纶树脂、PP、PC等聚合 例子 物超薄薄膜驻极体已广泛用于电容器传声隔膜及 计算机贮存器等方面。 计算机贮存器等方面。 ——热释电流：若加热驻极体以激发其分子运动， ——热释电流：若加热驻极体以激发其分子运动， 热释电流 极化电荷将被释放出来，产生退极化电流，称为 极化电荷将被释放出来，产生退极化电流， 热释电流（TSC）。 热释电流（TSC）。
⊕温度：聚合物热导率随温度的变化有所波动，但 温度：聚合物热导率随温度的变化有所波动， 波动范围一般不超过10 波动范围一般不超过10％。 10％。 ⊕取向：引起热导率的各向异性，沿取向方向热导 取向：引起热导率的各向异性， 率增大，横向减小→聚氯乙烯伸长300％时，轴向 300％ 率增大，横向减小→聚氯乙烯伸长300 的热导率比横向的要大一倍多。 的热导率比横向的要大一倍多。 ⊕微孔聚合物：热导率非常低，一般为0.03W·m-1·K-1 0.03W· 微孔聚合物：热导率非常低，一般为0.03W 左右，随密度的下降而减小。 左右，随密度的下降而减小。 ⊕热导率大致是固体聚合物和发泡气体热导率的平 均值。 均值。
一、电阻率和介电常数 （一）概念 ——体积电阻率： ——体积电阻率：聚合物的体积电阻率常随充电时 体积电阻率 间的延长而增加。因此，常规定采用1min的体积 1min的体积 间的延长而增加。因此，常规定采用1min 电阻率数值。在各种电工材料中，聚合物是电阻 电阻率数值。在各种电工材料中， 率非常高的绝缘体（图3-36）。 36）。 率非常高的绝缘体（ ——电介质：用来隔开电容器极板的物质； ——电介质：用来隔开电容器极板的物质； 电介质 ——介电常数：电容与极板间为真空时的电容之比， ——介电常数：电容与极板间为真空时的电容之比， 介电常数 为无因次量，数值1 10之间。 为无因次量，数值1-10之间。 之间
——纯电击穿（固有击穿）： ——纯电击穿（固有击穿）：当电场强度增加到临 ）：当电场强度增加到临 纯电击穿 界值时，撞击分子发生电离，使聚合物击穿，称 界值时，撞击分子发生电离，使聚合物击穿， 为纯电击穿或固有击穿；此击穿过程极为迅速， 为纯电击穿或固有击穿；此击穿过程极为迅速， 击穿电压与温度无关。 击穿电压与温度无关。 ——聚合物介电强度：可达1000 MV/m。 ——聚合物介电强度：可达1000 MV/m。 聚合物介电强度 ——决定因素：上限是由共价键电离能所决定的。 ——决定因素：上限是由共价键电离能所决定的。 决定因素
（二）影响因素 ⊕极性：极性聚合物才有明显的介电损耗。 极性：极性聚合物才有明显的介电损耗。 ⊕非晶态极性聚合物：介电谱上一般均出现两个介 非晶态极性聚合物： 电损耗峰，分别记作α 见图3 37）。 电损耗峰，分别记作α和β（见图3-37）。
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α峰：相应于主 链链段构象重排， 链链段构象重排， 它和Tg是对应的。 它和Tg是对应的。 Tg是对应的 β峰：相应于次 级转变， 级转变，对聚醋 酸乙烯酯 是柔性侧基的运 动，对PVC相应 PVC相应 于主链的 局部松弛运动。 局部松弛运动。