高聚物的介电性能

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。

（1）介电极化

绝大多数高聚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核的相对位移，造成了电荷的重新分布，称为极化。主要有以下几种极化：（1）电子极化，（2）原子极化，（3）偶极极化。前两种产生的偶极矩称诱导偶极矩，后一种为永久偶极矩的取向极化。

极化偶极矩（）的大小，与外电场强度（E）有关，比例系数

称为分子极化率。

＝

E

按照极化机理不同，有电子极化率，原子极化率

（上述两者合称变形极化率

＝

＋）和取向极化率。

＝

（为永久偶极矩）

因而对于极性分子

＝

＋

＋

对于非极性分子

＝

＋

根据高聚物中各种基团的有效偶极矩，可以把高聚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

高聚物的有效偶极矩与所带基团的偶极矩不完全一致，结构对称性会导致偶极矩部分或全部相互抵消。

介电常数

是表示高聚物极化程度的宏观物理量，它定义为介质电容器的电容C比真空电容器C0的电容增加的倍数。

式中：

为极板上的原有电荷，为感应电荷。

介电常数的大小决定于感应电荷的大小，所以它反映介质贮存电能的能力。

宏观物理量

与微观物理量

之间的关系可以用Clausius-Mosotti方程给出：

摩尔极化度P＝

（对非极性介质）

＝

（对极性介质）

（2）介电损耗

聚合物在交变电场中取向极化时，伴随着能量消耗，使介质本身发热，这种现象称为聚合物的介电损耗。

常用复数介电常数来同时表示介电常数和介电损耗两方面的性质：

为实部，即通常实验测得的；

为虚部，称介电损耗因素。

＝

+

＝

式中：

为静电介电系数；

为光频介电系数；

为偶极的松弛时间。

介电损耗为

＝，一般高聚物的介电损耗很少，＝10-2～10-4，与的关系可用Debye方程描述：

式中：N为单位体积中的分子数。

以

对

作图称为Cole-Cole图，表征电介质偏离Debye松弛的程度。半圆形为Debye松弛，偏离时得圆弧形图。

固体聚合物在不同温度下或不同频率下观察介电损耗的情况，得到的温度谱或频率谱称为高聚物的介电松弛谱，它与力学松弛谱一样用于研究高聚物的转变，特别是多重转变。测定聚合物介电松弛谱的方法主要有热释电流法（TSC）。TSC属低频测量，频率在10-3～10-5Hz范围，分辩率高于动态力学和以往的介电方法。

（3）影响介电性的因素

①

结构

分子极性越大，一般来说

高聚物的介电性能

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。

（1）介电极化

绝大多数高聚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核的相对位移，造成了电荷的重新分布，称为极化。主要有以下几种极化：（1）电子极化，（2）原子极化，（3）偶极极化。前两种产生的偶极矩称诱导偶极矩，后一种为永久偶极矩的取向极化。

极化偶极矩（）的大小，与外电场强度（E）有关，比例系数

称为分子极化率。

＝

E

按照极化机理不同，有电子极化率，原子极化率

（上述两者合称变形极化率

＝

＋）和取向极化率。

＝

（为永久偶极矩）

因而对于极性分子

＝

＋

＋

对于非极性分子

＝

＋

根据高聚物中各种基团的有效偶极矩，可以把高聚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

高聚物的有效偶极矩与所带基团的偶极矩不完全一致，结构对称性会导致偶极矩部分或全部相互抵消。

介电常数

是表示高聚物极化程度的宏观物理量，它定义为介质电容器的电容C比真空电容器C0的电容增加的倍数。

式中：

为极板上的原有电荷，为感应电荷。

介电常数的大小决定于感应电荷的大小，所以它反映介质贮存电能的能力。

宏观物理量

与微观物理量

之间的关系可以用Clausius-Mosotti方程给出：

摩尔极化度P＝

（对非极性介质）

＝

（对极性介质）

（2）介电损耗

聚合物在交变电场中取向极化时，伴随着能量消耗，使介质本身发热，这种现象称为聚合物的介电损耗。

常用复数介电常数来同时表示介电常数和介电损耗两方面的性质：

为实部，即通常实验测得的；

为虚部，称介电损耗因素。

＝

+

＝

式中：

为静电介电系数；

为光频介电系数；

为偶极的松弛时间。

介电损耗为

＝，一般高聚物的介电损耗很少，＝10-2～10-4，与的关系可用Debye方程描述：

式中：N为单位体积中的分子数。

以

对

作图称为Cole-Cole图，表征电介质偏离Debye松弛的程度。半圆形为Debye松弛，偏离时得圆弧形图。

固体聚合物在不同温度下或不同频率下观察介电损耗的情况，得到的温度谱或频率谱称为高聚物的介电松弛谱，它与力学松弛谱一样用于研究高聚物的转变，特别是多重转变。测定聚合物介电松弛谱的方法主要有热释电流法（TSC）。TSC属低频测量，频率在10-3～10-5Hz范围，分辩率高于动态力学和以往的介电方法。

（3）影响介电性的因素

①

结构

分子极性越大，一般来说

和

都增大。而其中

还对极性基团的位置敏感，极性基团活动性大的（比如在侧基上），较小。

交联、取向或结晶使分子间作用力增加，减少；支化减少分子间作用力，增加。

②

频率和温度

与力学松弛相似

③

外来物的影响

增塑剂的加入使体系黏度降低，有利于取向极化，介电损耗峰移向低温。极性增塑剂或导电性杂质的存在会使

和

都增大。

聚合物在作电工绝缘材料或电容器材料使用时，要求其介电损耗越小越好，相反在塑料高频焊接或高频“热处理”等情况下，要求

大一些才好。

和

都增大。而其中

还对极性基团的位置敏感，极性基团活动性大的（比如在侧基上），较小。

交联、取向或结晶使分子间作用力增加，减少；支化减少分子间作用力，增加。

②

频率和温度

与力学松弛相似

③

外来物的影响

增塑剂的加入使体系黏度降低，有利于取向极化，介电损耗峰移向低温。极性增塑剂或导电性杂质的存在会使

和

都增大。

聚合物在作电工绝缘材料或电容器材料使用时，要求其介电损耗越小越好，相反在塑料高频焊接或高频“热处理”等情况下，要求

大一些才好。

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