第9章-聚合物的热-电和光学性能.ppt
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2023/12/9,1,高分子物理,第九章高聚物的热、电和光学性能,高聚物的热学性能耐热性、导热性、热膨胀和比热高聚物的电学性能介电性能、电导性能和电强度高聚物的光学性能折反射、双折射、透明性和光导性,2023/12/9,2,高分子物理,1高聚物的热学性能,高聚物的耐热性能(热稳定性能)高聚物的导热性能高聚物的热膨胀性能高聚物的比热(热容),2023/12/9,3,高分子物理,1高聚物的热学性能,11耐热性能(热稳定性能)1概述热稳定性能高聚物的弱点“热”在实际应用中的重要性使用寿命小型化轻量化可靠性使用条件,2023/12/9,4,高分子物理,11耐热性能1概述,耐热性:
高聚物处于高温条件下保持其性能的能力耐热性能的表征短时耐热性长时耐热性Tg、Tf、Tm、Td耐热等级马丁耐热温度AEBFHC热变形温度105120135155180180维卡软化点温度指数,2023/12/9,5,高分子物理,11耐热性能1概述,马丁耐热温度10*15*120mm3弯曲应力50kg/cm2240mm处标尺下降6mmT升温:
50oC/hr,2023/12/9,6,高分子物理,11耐热性能概述,热变形温度高:
9.812.8mm宽:
34.2mm应力:
18.5kg/cm2升温:
2oC/min桡度:
0.250.33mmT,2023/12/9,7,高分子物理,11耐热性能1概述,维卡软化点10*10*3mm31mm2圆拄体针1kg力升温:
50oC/hr深入1mmT,2023/12/9,8,高分子物理,11耐热性能2Mark三角原理(塑料),是高聚物(塑料)结构与耐热性联系最常用的原理增加高分子链的刚性提高耐热性提高结晶能力提高耐热性分子链之间交联提高耐热性,2023/12/9,9,高分子物理,Mark三角原理(塑料),增加高分子链的刚性提高耐热性主链引入芳环、杂环等环状结构或主链具有共轭结构聚乙烯/137oC(Tm)下同聚乙炔/800oC聚碳/2800oC,2023/12/9,10,高分子物理,Mark三角原理(塑料),尼龙66/235oC芳香尼龙/450oC芳香尼龙/570oC聚酯/45oC涤沦/264oC芳香聚酯/500oC,2023/12/9,11,高分子物理,Mark三角原理(塑料),提高结晶能力提高耐热性引入极性基团、氢键、对称结构等酰胺键酰亚胺键引入主链脲键OH;NH2;CN等引入侧基,2023/12/9,12,高分子物理,对称结构,邻位聚酯/63oC间位聚酯/143oC对位聚酯/264oC,2023/12/9,13,高分子物理,Mark三角原理(塑料),分子链之间交联提高耐热性交联高聚物形成三维网络不溶不熔“Tg”“Tm”明显提高PE交联后200oC时仍具有形状保持能力,2023/12/9,14,高分子物理,11耐热性能3提高聚合物耐热性的途径,提高高分子主链的键能主链中引入环状结构合成具有“梯型”结构的聚合物引入无机元素元素有机高分子添加无机填充料复合材料热稳定剂的应用,2023/12/9,15,高分子物理,3提高聚合物耐热性的途径,提高高分子主链的键能T1/2:
真空中加热45分钟重量损失50%的温度,2023/12/9,16,高分子物理,3提高聚合物耐热性的途径主链中引入环状结构,聚合物结构式长期使用温度oC聚苯醚105聚碳酸酯120聚芳酯130聚砜150聚醚砜180聚苯硫醚220聚醚醚酮240,2023/12/9,17,高分子物理,3提高聚合物耐热性的途径,合成具有“梯型”结构的聚合物“梯型”聚合物通常具有特高的热稳定性但分子链刚性使加工使用性能很差,2023/12/9,18,高分子物理,梯型聚合物的应用实例,聚酰亚胺(Polyimide、PI)半梯型异常突出的热稳定性能起始分解温度达到500oC(聚四氟乙烯400)零点强度温度为815oC(铝600oC)使用寿命:
400oC/12小时350oC/6天300oC/3月275oC/18月250oC/9年225oC/长期,2023/12/9,19,高分子物理,聚苯并咪唑聚苯并噻唑聚苯并噁唑聚咪唑酮,几种重要的梯型、半梯型聚合物,2023/12/9,20,高分子物理,3提高聚合物耐热性的途径,引入无机元素元素有机高分子主链引入Si、Al、B、P等使主链的键能提高CC(35104J/mol)SiSi(45104J/mol)AlO(58104J/mol)FC(52104J/mol)PN(58104J/mol)BN(44104J/mol),2023/12/9,21,高分子物理,3提高聚合物耐热性的途径,添加无机填充料复合材料,2023/12/9,22,高分子物理,3提高聚合物耐热性的途径添加无机填充料复合材料,聚合物添加20%玻璃纤维后热变性温度变化HDPE49127oCTm137尼龙649218oC220结晶高聚物取尼龙6671255oC265决于熔融温度PET124227oC267PS93104oCTg105非晶聚合物取PC132143oC150决于玻化温度,2023/12/9,23,高分子物理,3提高聚合物耐热性的途径,热稳定剂的应用减缓或抑制热分解反应PVC(CH2CHCl)分解产物HCl促进进一步分解添加吸收HCl的物质能提高PVC的热稳定性铅盐、有机锡等PVC的热温定剂,2023/12/9,24,高分子物理,12导热性,使用中的要求:
隔热材料导热性小电绝缘材料导热性大聚合物热绝缘体(一般聚合物不导电,热不能通告电子传递)聚合物热量的传递分子间的碰撞(分子间排列疏松导热性较差)聚合物导热系数范围105010-2J/s.m.oc,2023/12/9,25,高分子物理,13热膨胀性能,使用中的要求:
影响聚合物制品尺寸稳定性聚合物与其它材料的粘结性热膨胀性依赖于原子间的相互作用随温度的变化共价键中原子间作用越大热膨胀系数越低(石英、金属为三维有序晶格)液体中仅是分子间的相互作用,热膨胀大聚合物分子链方向是共价键其它方向只是分子间的作用力聚合物热膨胀系数范围:
42010-5m/m.oC,2023/12/9,26,高分子物理,14比热(热容),比热与物质的电子结构和晶格结构有关在玻璃化转变时比热发生明显变化结晶聚合物熔融时比热出现最大值聚合物比热范围:
0.52.3kJ/kg.k,2023/12/9,27,高分子物理,2高聚物的电学性能,高聚物的介电性能高聚物的电导性能(电绝缘性能)高聚物的电强度(电击穿性能),2023/12/9,28,高分子物理,2高聚物的电学性能,高聚物的电学性能:
高聚物在外电场作用下的行为及其表现出来的各种物理现象介电常数高聚物的介电损耗tg电学性能绝缘电阻(系数)介电强度E,2023/12/9,29,高分子物理,21高聚物的介电性能,高聚物在外电场作用下出现的对电能的储存和损耗的性质介电是由高聚物的分子在外电场中性能的极化引起的由介电常数和介质损耗tg描述,2023/12/9,30,高分子物理,21高聚物的介电性能1分子的极化,分子的极化分子原子借助化学键相互结合构成正负电荷中心重合非极性分子正负电荷中心不重合极性分子分子极性的强弱极距(偶极距)(德拜),2023/12/9,31,高分子物理,1分子的极化,极化在外电场作用下电介质分子中的电荷分布发生相应的变化极性分子在电场中的转动,2023/12/9,32,高分子物理,1分子的极化,极化过程:
需要克服分子间的相互作用需要时间对小分子可忽略(10-810秒)高聚物分子运动单元有大有小(多重性)极化过程不能忽略(10-几-10秒),2023/12/9,33,高分子物理,21高聚物的介电性能2介电常数,C:
含有电介质电容器的电容Co:
该真空电容器的电容o为真空电容率=88510-12法拉/米,2023/12/9,34,高分子物理,2介电常数,介电常数描述电介质材料储存电能大小的物理量是宏观上反映电介质极化的程度大极化强小极化弱,2023/12/9,35,高分子物理,21高聚物的介电性能3介质损耗tg,介质损耗:
在交变电场中电介质产生的损耗而发热介质损耗的原因:
分子极化过程中由于分子运动克服内摩擦力作功消耗电能为“极化损耗”微量的导电载流子在交变电场下运动时克服内摩擦力作功消耗电能为“电导损耗”极性高聚物的介质损耗主要是极化损耗介质损耗的利用:
高频加热(薄膜袋封口等),2023/12/9,36,高分子物理,21高聚物的介电性能4影响介电性能的因素,高聚物的分子结构非极性高聚物介电常数和介质损耗tg较低:
222.7tg:
10-4极性高聚物介电常数和介质损耗tg较大:
307.0tg:
10-1-3,2023/12/9,37,高分子物理,4影响介电性能的因素,温度T温度很低:
分子运动松弛时间电场变化的作用时间t极化转向不能进行tg0温度很高:
分子运动松弛时间电场变化的作用时间t极化转向滯后电场变化极小0特定温度:
分子运动松弛时间电场变化的作用时间t介质损耗tg有最大值,2023/12/9,38,高分子物理,4影响介电性能的影响电场频率,对tg的影响:
频率很高:
tg较小作用时间分子运动时间频率很低:
tg较小作用时间分子运动时间适当频率:
tg最大作用时间分子运动时间,2023/12/9,39,高分子物理,4影响介电性能的因素电场频率,对介电常数的影响电子极化:
分子中的电子发生位移产生的极化原子极化:
原子发生位移的极化偶极极化:
偶极分子运动产生的极化界面极化:
界面电荷运动产生的极化,2023/12/9,40,高分子物理,4影响介电性能的影响,增塑剂增塑剂加入分子间作用减小极化转向容易相当于温度加入极性增塑剂增加新的极化作用使tg和杂质对介电性能影响很大导电杂质和极性杂质(如水),2023/12/9,41,高分子物理,22高聚物的导电性能1导电性的表征电阻率,表面电阻系数体积电阻系数S:
电极面积d:
厚度l:
电极长度RV:
体积电阻RS:
表面电阻,2023/12/9,42,高分子物理,2高聚物的漏电流(体积电阻率),高聚物的体积电阻率:
10101020之间高聚物的漏电流包括三个部分:
瞬时电流Id由电子或原子极化引起10-1310-15秒极化电流Ia由极性基团、偶极取向极化等引起,随时间逐渐减小0。
1004秒漏电电流I由可移动的离子、自由电子等带电粒子沿电场方向运动形成的稳定电流,2023/12/9,43,高分子物理,高聚物的漏电流,2023/12/9,44,高分子物理,3影响高聚物导电性能的因素,分子结构高聚物导电性能的内在因素饱和的非极性高聚物:
(PE等)一般的极性高聚物:
(PVC等)共轭结构的高聚物:
(聚乙炔等)电荷转移络合物自由基-离子化合物较高的导电性能有机金属聚合物等,2023/12/9,45,高分子物理,3影响高聚物导电性能的因素,温度对导电性能的影响:
E活化能A、R常数T温度如:
PMMAT=20oC时T100oC时,2023/12/9,46,高分子物理,3影响高聚物导电性能的因素,结晶、取向和交联:
链段运动困难、自由体积减小使离子迁移困难离子电导分子堆砌紧密有利于分子间电子的传递电子电导分子量:
分子量增加分子内的通道电子电导分子量由于链端效应使自由体积离子电导杂质、添加剂使电导明显增加,2023/12/9,47,高分子物理,23高聚物的击穿,当所加电场强度达到某一临界值使高聚物丧失电绝缘的性能击穿击穿性能的表征击穿强度E,2023/12/9,48,高分子物理,23高聚物的击穿击穿的两种形式,热击穿漏电流使聚合物发热发热使温度升高进而使电阻率进一步使漏电流继续使温度电阻率直至击穿特征:
击穿电压与温度、厚度有关,电击穿带电粒子在电场作用下运动当电场强度很高时带电粒子运动速度极快高动能的带电粒子碰撞产生新的带电粒子连锁反应使带电粒子数量激增直至击穿特征:
击穿电压与温度、厚度物关,2023/12/9,49,高分子物理,23高聚物的击穿,聚合物击穿强度的范围:
1030千伏/毫米(kV/mm)影响聚合物击穿强度的因素:
聚合物结构及制品的形状外界的介质环境、温度电场的频率、加压的方式和电极的形状聚合物的纯度与杂质含量,2023/12/9,50,高分子物理,3高聚物的光学性能,反射光介质吸收热能进入介质散射透过,2023/12/9,51,高分子物理,31折射、反射和吸收,1折射光线:
空气聚合物聚合物的折射率:
n(1.31.7)影响聚合物折射率的因素:
芳环具有较高的折射率甲基、F原子具有较低的折射率波长折射率,2023/12/9,52,高分子物理,31折射、反射和吸收,2反射光线垂直由空气介质聚合物介质反射系数R所以:
聚合物的nR,2023/12/9,53,高分子物理,31折射、反射和吸收,3吸收光的吸收与聚合物的化学结构和光的波长有关聚合物在可见光区一般无特殊的吸收聚合物在红外、紫外区有特殊的吸收带光谱分析基本原理:
原子或基团振动频率=光波频率时有吸收,2023/12/9,54,高分子物理,32双折射,介质在相互垂直的两个方向折射率之差n=n/-n高分子薄膜、纤维各向异性明显n大光弹性效应:
应力作用使介质产生光学各向异性应力去除介质恢复各向同性,2023/12/9,55,高分子物理,33透明性与光导,1透明性的衡量透过率TT=I/IoIo、I分别为入射、透射光强反射与介质折射率有关光损失吸收与介质化学结构、波长有关散射与介质微观的聚集状态有关非晶聚合物散射损耗小结晶聚合物散射损耗大,2023/12/9,56,高分子物理,几种高透过率材料的极限透过率,PSPMMAPCPET石英n1.601.491.591.581.45T%89.992.590.190.593.5,2023/12/9,57,高分子物理,33透明性与光导,2光导纤维全反射光从介质空气入射角反射角当达到90o时则将不产生折射全反射全反射时的临界入射角:
nsin=1介质,
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- 聚合物 光学 性能