聚合物电学性能讲解

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。

聚合物材料的电学性能研究及其应用聚合物材料在电子技术领域已经占据了重要的位置，其电学性能的研究成为了一个热门的话题。

本文将从聚合物材料的电学性能、研究方法、应用等几个方面进行探讨。

一、聚合物材料的电学性能聚合物材料的电学性能是指它在电场作用下的响应能力，主要包括电导率、介电常数、介质损耗、热释电效应等。

电导率是聚合物材料传导电子的能力。

通常情况下，聚合物材料的电导率很低，但通过掺杂、复合等方式可以提高其电导率，使其成为电器材料的一种良好选择。

介电常数是聚合物材料对电场的响应能力，其值越大代表其对电场的响应能力越强。

一般来说，聚合物材料的介电常数大，介质相对稳定，抗电击穿性能强。

介质损耗是指在电场作用下，介质材料的能量耗散程度。

聚合物材料的介质损耗小，因此在高频电路、电磁辐射屏蔽等方面具有优良的性能表现。

热释电效应是指在聚合物材料受到光、热、电等刺激后，可以释放出电荷。

这一特性使得聚合物材料在太阳能电池、传感器等方面有着广泛的应用。

二、聚合物材料电学性能研究方法要研究聚合物材料的电学性能，需要一个完整的实验方法来评估其性能。

在实验中，需要测量聚合物材料的电导率、介电常数、介质损耗等参数，同时还需要探究其热释电效应等特性。

电导率的测量可以通过传统的四接法测量或者交流阻抗谱测量来实现。

介电常数的测量可以使用介电谱或者扫描电子显微镜等技术来实现。

介质损耗的测量可以采用共振技术和非共振技术等方法。

热释电效应的研究则需要使用一些特殊的仪器和设备，如卢米谱仪、光电导测量系统、飞秒光谱仪等。

总体来说，聚合物材料的电学性能研究需要全面考虑其物理和化学特性，采用多种测量和分析方法的综合运用。

三、聚合物材料电学性能在实际应用中的表现聚合物材料由于其良好的电学性能，广泛地应用于电子、信息技术、光学和力学市场。

在信息技术领域，聚合物材料被用于制造电子元器件、光电开关等；在激光波导器和光纤通信市场，聚合物可以承受高温，高速操作上也很好。

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。

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。