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1、高分子材料电与光的性能 第一节、高分子材料的电学性能 聚合物的极化和介电性能 聚合物的导电性能和导电高分子材料 聚合物的静电特性 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、 电击穿性质以及与其他材料接触、摩擦时所 引起的表面静电性质等。就导电性而言，高 分子材料可以是绝缘体、半导体、导体和超 导体。 研究聚合物电学性能的缘由 ： 多数聚合物材料具有卓越的电绝缘性能，其 电阻率高、介电损耗小，电击穿强度高； 聚合物的电学性质非常灵敏地反映材料内部 的结构特征和分子运动状况。 一、聚合物的极化和介电性能 (一)聚合物电介质在外电场中的极化 在外电场作用下，电介质
2、分子中电荷分布发生 变化，使材料出现宏观偶极矩，这种现象称电 介质的极化。极化方式有两种：感应极化和取 向极化 。感应极化又分为电子极化和原子极化 。 感应极化的偶极矩： 1称感应极化率，e 和a分别为电子极化率和原子 极化率。 取向极化的偶极矩： 式中2称取向极化率，k为波尔兹曼常数。 为分子 永久偶极矩，E为外电场强度，T与绝对温度。 以上讨论单个分子产生的偶极矩，单位体积 内的偶极矩: P称介质极化率， 为分子极化率。对非极性 介质， ；对极性介质， 。 （二）聚合物的介电性能 1、介电系数 聚合物在外电场作用下贮存和损耗电能的性 质称介电性，这是由于聚合物分子在电场作 用下发生极化引起
3、的，通常用介电系数和介 电损耗 表示。介电系数反映了电介质储存 电荷和电能的能力。 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 。分为电导损耗和极化损耗。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。 越小，表示能量损耗越小。理想电容 器（即真空电容器） =0，无能量损失。 若选用聚合物作电工绝缘材料、电缆包皮、 护套或电容器介质材料，希望介电损耗越小 越好。否则，不仅消耗较多电能，还会引起 材料本身发热，加速材料老化破坏，引发事 故。 需要利用介电损耗进行聚合物高频干燥、塑 料薄膜高频焊接或
4、大型聚合物制件高频热处 理时，则要求材料有较大的 或 值。 3、影响聚合物介电性能的因素 （1）分子结构的影响 非极性聚合物具有低介电系数（约为2）和 低介电损耗（小于 10-4）；极性聚合物具有 较高的介电常数和介电损耗 。 分子链活动能力对偶极子取向有重要影响 。大分子交联也会妨碍极性基团取向，使介 电系数降低。 （2）温度的影响 温度升高一方面使材料粘 度下降，有利于极性基团取向，另一方面又 使分子布朗运动加剧，反而不利于取向 。 （3）杂质的影响 杂质对聚合物介电性能影响很大，尤其导电 杂质和极性杂质（如水份）会大大增加聚合 物的导电电流和极化度，使介电性能严重恶 化。对于非极性聚合物
5、来说，杂质是引起介 电损耗的主要原因。因此对介电性能要求高 的聚合物，应尽量避免在成型加工中引入杂 质。 二、聚合物的导电性能和导电高分子材料 （一）体积电阻与表面电阻 材料导电性通常用电阻率或电导率表示， 两者互为倒数关系。按定义有： 式中R为试样的电阻，S为试样截面积，d为试样长 度（ 或厚度，为电流流动方向的长度）。 在实际应用中，根据测量方法不同，人们又 将试样的电阻区分为体积电阻和表面电阻。 （三）导电高分子材料 本征型导电高分子：这些材料分子链结构的 一个共同特点是具有长程共轭结构，以单键隔 开的相邻双键或（和）三键形成共轭结构时， 会有 -电子云的部分交叠，使 -电子非定域 化。
6、聚乙炔、聚对苯撑、聚吡咯、聚噻吩 。 复合型导电高分子材料：复合型导电高分子 材料是指以绝缘的有机高分子材料为基体，与 其它导电性物质以均匀分散复合、层叠复合或 形成表面导电膜等方式制得的一种有一定导电 性能的复合材料。环氧树脂、酚醛树脂、硅橡 胶、乙丙橡胶 三、聚合物的静电特性 摩擦起电和接触起电是人们熟知的静电 现象，对于高分子材料尤其常见。在高分子 材料加工和使用过程中，相同或不同材料的 接触和摩擦是十分普遍的。一般来说，静电 是有害因素。常用的除静电方法有在聚合物 表面喷涂抗静电剂或在聚合物内填加抗静电 剂。加入抗静电剂的主要作用是提高聚合物 表面电导性或体积电导性，使迅速放电，防 止
7、电荷积累。 第二节、高分子材料的光学性能 光的折射 光的反射 光的吸收 光的散射 高分子材料的透光性与雾度 一、光的折射 1.折射与折射率 当光从真空进入较致密的材料时，其速度降 低。光在真空和材料中的速度之比即为材料 的折射率。 两种材料间的相对折射率： n1和n2是两种材料的折射率。 2、高分子材料折射率的影响因素 介电系数与介质的光折射率n的平方相等， 。 大多数碳-碳聚合物的折射率大约为1.5左右具 有较大极化率；较小分子体积的苯环具有较高 的折射率； 折射率一般按下列顺序增大 含有相同碳数的碳氢基团，折射率按支化链 直链脂环芳环的顺序变大。 分子中引入除F以外的卤族元素、S、P、砜
8、基、稠环、重金属离子等均可提高折射率， 而分子中含有甲基和F原子时折射能力降低。 3.色散与色散系数 材料的折射率随入射光的频率的减小(或波长 的增加)而减小的性质，称为色散。 平均色散：nFnC，有时用表示。 nF：是指用氢光谱中的F线（F=486.1nm， 蓝色）为光源测出的折射率。 nC：是指用氢光谱中的C线（C=656.3nm， 红色）为光源测出的折射率。 色散系数：也叫阿贝数、色散倒数或倒数相 对色散，这是最常用的数值 。 色散应用实例：折射率 nD，平均色散nF-nC， 由此可以算出阿贝数，阿贝数是光学玻璃的重 要性质之一，例如光学玻璃就是按阿贝数的大 小分成两大类：冕牌玻璃和火石
9、玻璃。 二、光的反射 1.反射与反射系数R 在垂直入射的情况下，光在界 面上的反射的多少取决于两种 介质的相对折射率n21。 2.界面反射与光泽 当光照射到表面光洁度非常高的材料上，反 射光线具有明确的方向性，一般称之为镜反 射。 当光照射到表面粗糙的材料上，反射光线没 有方向性，称之为漫反射。 光泽度的测量以镜面为参照物，在规定的入 射角下，试样的镜面反射率与同等条件下基 准面的反射率之比；一般光泽度常用百分数 表示。 提高塑料制品的表面光泽度，称为增亮改性；反之称为 消光改性。 塑料增亮 1）树脂的选择：其中蜜胺树脂和ABS两种光泽性最突出 2）添加剂的选择 几种填料影响大小的为： 金属盐
10、玻璃纤维滑石粉云母 填料的形状其影响大小的为： 球状粒状针状片状 填料的填充增大，填充制品的表面光泽度降低。 填料的粒度越小，填料制品的光泽度下降幅度小。 塑料消光 塑料消光方法与增亮方法正好相反，其改性 目的是降低塑料的表面光泽。一般要使其光泽 度下降到15以下，才可称其为消光表面。 选择合适的树脂与填料；添加消光剂，如无 定型二氧化硅；提高模具的表面粗糙度；塑料 表面涂层固体微粒；塑料表面机械消光。 三、光的吸收 光在介质中传播时会有能量的损失，使透过 介质的光强度减弱的现象，这就是光的吸收 。 吸收系数 K为吸收率，与介质材料的特性有关。 T为光透过率 四、光的散射 光波遇到不均匀结构产
11、生与主波方向不一致 的次级波，与主波合成出现干涉现象，使光 偏离原来的方向，从而引起散射。 五、高分子材料的透光性和雾度 透光性的定义：材料可以使光透过的性质。 透光性是个综合指标，即光通过介质材料后 剩余光能所占的百分比，光的能量可以用照 度表示。 雾度的定义为：材料的散射光通量与透过材 料光通量的百分数。 一般说来，透光率与雾度之间成反比关系， 即透光率高的材料，雾度低；反之亦然。 按材料的透光率大小，可将其分为如下三类 透明材料，半透明材料和不透明材料。 增加塑料透明性方法： 可以添加成核剂，它可以促进结晶的小分子 物质。它在树脂中可以起到晶核的作用。 共混改进塑料的透明性，就是在透明树脂中 加入其他树脂，提高透明性。 双向拉伸改进塑料的透明性，可以使制品中 原有的结晶颗粒破碎使晶体尺寸变小，到达 提高透光率的目的。 谢谢！
