高分子的介电性能及其表征

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。

表征方法及原理

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。

所用仪器

矢量网络分析仪（微波专业实验室有此仪器）

参考文献



1、“高分子物理实验”（P.28，p85），何平笙，杨海洋，朱平平，瞿保均编
中国科技大学出版社，2002年
2、“高分子物理近代研究方法”（P.318），张俐娜，薛奇，莫志深，金熹高编著
武汉大学出版社，2003年
3、“现代高分子物理学”P.421，殷敬华，莫志深主编，科学出版社 2001年
4、周洪庆，刘敏等“微波复合介质制备及性能测试研究”，功能材料，1997，28（1）
5、厦门大学精品课程（董炎明）