介电性是指高分子聚合物在电场作用下,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
绝大多数高分子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。
根据高分子聚合物中各种基团的有效偶极矩,可以把高分子聚合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
高分子聚合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。
2.介电常数
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。
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:
3.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:
以虚部对实部作图称为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分子聚合物的介电松弛谱,它与力学松弛谱一样用于研究高分子聚合物的转变,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。
4.影响介电性的因素
4.1结构
分子极性越大,一般来说介电常数和介电损耗都增大。而其中介电损耗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),介电损耗较小。
交联、取向或结晶使分子间作用力增加,介电常数减少;支化减少分子间作用力,介电常数增加。
4.2频率和温度
与力学松弛相似
4.3 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介电常数和介电损耗都增大。
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,要求介电损耗大一些才好。
5.聚合物介电常数和介电损耗的表征 用Wiltron37217A型矢量网络分析仪,对聚合物按制样要求,制成一定尺寸的薄板样品,放于仪器中两个空腔谐振器的中央,使试样所处位置在微波磁场为零,而微波电场最大处。对谐振腔用微波进行激励,通过扰动后谐振器频率向低频侧移动的变化量及无载品质因素Q值的变化,借助计算机软件,计算出聚合物样品的复数介电常数值ε,其中ε=ε'+jε"为聚合物的实数介电常数,ε"为聚合物的虚数介电常数值,即介电损耗值。 |