第九章聚合物的电性能与光性能

第九章聚合物的电性能与光性能9.1 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（＝＋）和取向极化率。

＝（为永因而对于极性分子＝＋＋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：为极为感介电常数的大小决定于感应电荷的大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，＝-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。

1 聚合物的极化与介电性能1.1 介电极化①什么是高分子的极化？高分子在外电场中的极化有哪几种形式？各有什么特点？极化的机理是什么？非极性分子和极性分子在外电场作用下极化有什么不同？绝大多数聚合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的相对位移，造成电荷的重新分布，称为极化。

高分子在外电场中的极化有电子极化 、原子极化和取向极化三种形式：（1）电子极化是分子中各原子的价电子云在外电场作用下，向正极方向偏移，发生了电子相对于分子骨架的移动，使分子的正、负电荷中心的位置发生变化引起的。

电子极化弱，但极快。

（2）原子极化是分子骨架在外电场作用下发生变形造成的。

原子极化比电子极化更弱，速度比电子极化慢。

（3）取向极化（或称偶极极化）是极性分子骨架在外电场作用下沿电场的方向排列，产生分子的取向。

取向极化较慢，但对总极化的贡献是很大的。

前两种产生的偶极矩为诱导偶极矩，后一种为永久偶极矩。

非极性分子只有电子极化和原子极化，而极性分子除电子极化和原子极化外还有取向极化。

②什么是分子极化率？极化偶极矩（μ）的大小与外电场强度（E ）有关，比例系数α称为分子极化率，μ=αE 。

③如何区分极性聚合物和非极性聚合物？列举至少3个极性聚合物与3个非极性聚合物 根据聚合物中各种基团的有效偶极矩μ或介电常数ε，可以把聚合物按极性大小分为四类：非极性（μ=0，ε=2.0~2.3），如PE,PP ,PTFE,PB ；弱极性（0＜μ≤0.5deb ，ε=2.3~3.0），如PS,NR ；极性（0.5deb ＜μ≤0.7deb ，ε=3.0~4.0），如PVC,PA,PVAc,PMMA ；强极性（μ＞0.7deb ，ε=4.0~7.0），如PVA,PET,PAN,酚醛树脂,氨基树脂。

注意：聚合物的有效偶极矩与所带基团的偶极矩并不完全一致，结构对称性会导致偶极矩部分或全部抵消。

聚合物光电响应性能的研究及应用引言聚合物光电响应性能的研究与应用一直是材料科学领域的热点话题。

随着人们对更高效能的光电器件需求的不断提升，聚合物材料也得到了更广泛的关注。

随着材料科学的快速发展，聚合物光电响应性能不断被改进和优化。

本文将着重探讨此方面的研究进展和应用前景。

第一部分聚合物光电响应性能介绍聚合物是一种由多个单体化合物通过共价键结合而成的高分子化合物。

聚合物具有很高的化学稳定性，耐光性和耐热性。

此外，它们也能够表现出许多独特的光学和电学性质，因此成为了新型光电器件的有力材料之一。

聚合物的光电响应性能取决于聚合物中在材料结构中的位置和配置。

聚合物材料中的共轭结构是实现高电荷移动性和光响应性的关键要素。

第二部分聚合物光电响应性能的研究2.1 光敏性聚合物的光敏性是指聚合物在受光照射后发生的一系列光学变化。

这些光学变化包括色谱移动，吸收率变化和荧光发射。

聚合物的光响应性能取决于聚合物分子中的共轭体系。

2.2 光电导率聚合物的光电导率是指在光照射下聚合物的导电性能。

这种光电响应性能使得聚合物成为了新型高效能太阳能电池的有力材料之一。

聚合物的光电导率取决于聚合物分子结构和共轭位置。

2.3 生物传感器聚合物也可以被应用于生物传感器中。

聚合物生物传感器主要利用聚合物的特殊的光学和电学响应性质来检测生物分子。

例如，聚合物薄膜可以被表面浸润修饰以使其与特定分子复合，从而实现检测和分析。

第三部分聚合物光电响应性能的应用3.1 光电器件聚合物电池是一种新型的太阳能电池，利用聚合物作为光吸收材料和电荷传输材料。

聚合物太阳能电池具有结构简单，生产成本低廉，可弯曲等特点，已经成为了可持续能源技术的热门材料。

3.2 智能材料聚合物的光电响应性质还被应用于智能材料中。

智能材料是一种能够根据外部刺激而自主变化形态或性质的材料。

在智能材料中，聚合物通常被利用其特殊的系统响应性能，例如，电致变色，热致开关和机械反应等。

3.3 生物材料聚合物也能在生物医学上实现广泛的应用。

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。

聚合物材料的光学性质分析和应用近年来，随着科学技术的不断发展和进步，聚合物材料的光学性质逐渐成为了研究的热点之一，并在众多领域得到了广泛的应用。

本文将论述聚合物材料的光学性质分析和应用。

一、聚合物材料的光学性质聚合物材料的光学性质主要包括透明性、折射率、吸收系数、发光性能等。

其中，透明性是指材料对光的穿透能力，一般来说，聚合物材料具有良好的透明性，而且其透明度还可以根据需要进行调节。

折射率是指光线通过材料时的折射程度，它与材料的密度有关。

聚合物材料的折射率较低，通常在1.2左右。

吸收系数是指材料对光的吸收能力，聚合物材料吸收紫外线和可见光波段的光线，而在近红外波段上则有较好的透明度。

发光性能是指聚合物材料在受到外部刺激后的发光能力，如荧光材料和磷光材料等。

二、聚合物材料的光学性质分析聚合物材料的光学性质分析可以通过很多方法进行，如紫外-可见光分光光谱仪、荧光光谱仪、透射电镜以及X射线衍射等。

这些方法可以有效地研究聚合物材料的结构、形态和光学性质等方面的问题。

除此之外，聚合物材料的红外光谱和拉曼光谱也可以用来研究材料的化学组成和结构。

其中，红外光谱主要用于确认功能基团的存在和不同官能团之间的化学键组合，而拉曼光谱则主要用于揭示分子的振动模式和结构。

三、聚合物材料的应用聚合物材料的光学性质逐渐受到人们的关注，并被广泛应用于许多领域，如光学器件、光电器件、生物医学领域等。

在光学器件方面，聚合物材料被广泛应用于光学波导、光纤和湿敏器件等。

其中，光学波导是基于聚合物材料的波导，其应用于光通信领域。

而光纤则是聚合物材料制成的柔性杆状器件，主要应用于医疗、军事等领域。

湿敏器件则是一类可以感测水、气等物质的器件。

在光电器件方面，聚合物材料主要应用于有机发光二极管（OLED）和有机太阳能电池（OPV）等领域，其中OLED具有高亮度、显示逐渐成为手机、平板电脑等高端电子设备最重要的显示屏技术。

在生物医学领域方面，聚合物材料可以应用于药物的递送、制备生物传感器等方面。

聚合物光、电、磁性能的表征| [<<][>>]用途对电磁波（光、电、磁）而言，传统上认为聚合物仅是惰性的绝缘材料，不导电，不导磁，对光也仅是吸收透过和反射，不会对电磁波产生影响。

随着科学技术的发展，逐渐出现了导电高分子化合物，导磁高分子化合物和对光波有调制作用的非线性高分子化合物。

这些新高分子化合物的出现，引起人们对高分子聚合物用作光、电、磁材料产生了兴趣。

为了探讨高分子聚合物在光、电、磁等信息领域的应用，产生了对高分子化合物光、电、磁性能表征的需要。

目前，对高分子光、电、磁性能的表征，主要是表征下述一些参数：光学性能：透光率，折光指数（n），非线性光学性质（二阶、三阶极化系数，倍频系数（d），线性电光系数（r），折光指数变化系数（n2）等）；电性能：电导率（σ），电阻率（ρ），电阻的温度系数，电致发光性能，介电常数（ε＇），介电损耗ε＂（或复数介电常数ε，ε＝ε＇＋jε＂）等；磁性能：磁导率（μ＇），磁损耗μ＂（或复数磁导率μ，μ＝μ＇＋jμ＂）磁滞曲线等。

由于水平所限，这里只收集了部分的表征方法，希望能起到抛砖引玉的作用，盼有关学者能协助补充其他性能的表征方法。

表征方法及原理（1）油浸法测聚合物纤维的折射率采用偏光显微镜观测浸于油中的纤维，“浸油”是用阿贝折光仪已测得折光指数的油剂，变换不同折光指数的油剂浸泡纤维，用偏光显微镜来观测，直至偏光显微镜目镜中不再出现纤维和浸油界面因折射率不同而出现的黑线带（称贝克线）为止，这时浸油的折光指数就是纤维在某一个方向的折光指数（例称为n││）。

再旋转载物台9 0度，如上方法测定纤维在垂直前一方向的折光指数（例称为n┴）。

如此，即可得到纤维状聚合物在二个不同方向上的折光指数。

（聚合物成纤时，纤维内部高分子有取向产生，因此出现双折射现象）。

（2）聚合物电阻率（ρ）、电导率（σ）的测量对高聚物的导电性能表征，常常需要分别表征表面导电性能和体积导电性能，即表面电阻率（ρs）（表面电导率σs），和体积电阻率ρv（体积电导率σv）。