
- •Кафедра химии и технологии
- •Часть II.
- •Часть II.
- •2. Энергетические модели.
- •3. Решеточные модели.
- •1. Пожароопасность пм и методы ее количественной характеристики.
- •1.2.Горючесть полимерных материалов.
- •Параметры износа полимерных материалов
- •2. Полимерные диэлектрики.
- •4. Полимерные антистатики.
- •5. Полимерные полупроводники.
- •6.1. Композиции с наполнителем в виде металлических порошков и волокон.
- •4.1 Теплофизические свойства полимеров.
- •Часть I.
- •Часть II.
- •Часть 2.
2. Полимерные диэлектрики.
Электропроводность полимерных диэлектриков в обычных условиях (умеренные напряжения, отсутствие ионизирующих излучений) имеет преимущественно ионный характер, хотя концентрация ионов в большинстве неполярных полимеров невелика (10-6 – 10-10 г/г полимера). Поэтому электропроводность полимеров, в первую очередь, связана с чистотой исходных мономеров, наличием остатков катализаторов, содержанием влаги. Например, v полиамида при увеличении содержания влаги от 0,1 до 1% возрастает в 1000 раз. Введение пластификатора в полимеры также резко увеличивает их электропроводность за счет увеличения подвижности ионов. Введение даже небольшого количества посторонних ионов в неполярный полимер приводит к резкому возрастанию его электропроводности. Например, добавка 0,1% нитрата меди в ПС приводит к росту v в 100 раз. При прочих равных условиях пониженной электропроводностью и низкой диэлектрической проницаемостью обладают полимеры с высокой температурой стеклования. Ионная проводимость полимерных диэлектриков снижается при их кристаллизации и ориентации, что также связано с уменьшением подвижности ионов низкомолекулярных примесей.
Введение наполнителей в полимерные материалы позволяет варьировать их электропроводность и диэлектрические свойства. Диэлектрическая проницаемость композиций с диэлектрическими наполнителями зависит от типа структуры смесей: либо это т.н. матричная структура с равномерным распределением частиц по всему объему, либо – статистическая с возможным образованием агрегатов частиц. Для композиций с матричной структурой сферических частиц с невысокой ’ ее значения для композита можно рассчитать по формуле:
,
где ’М, ’Н и ’КМ – диэлектрическая проницаемость матрицы, наполнителя и композита. Для композитов со статистическим распределением частиц по объему зависимость ’ от состава имеет более сложный характер:
,где
А
= 0,25[(2-3)м’
+(3-1)’н].
Если значения
’
наполнителя и матрицы различаются
значительно, то этот показатель можно
рассчитать по аддитивности логарифмов:
lgэКМ = lg'Н + (1 - ) lg’М.
Для диэлектриков с волокнистыми и слоистыми наполнителями диэлектрическая проницаемость становится анизотропной. Если tg наполнителя и полимера достаточно мал (<<1), то диэлектрическая проницаемость композита в направлении, параллельном ориентации волокон, изменяется аддитивно составу: ’ = ’Н + (1-)’М, а в направлении, перпендикулярном ориентации, аддитивной является обратная величина. В целом, введение непроводящих наполнителей мало меняет электропроводность композитов. Диэлектрическая проницаемость меняется в большей степени, а значения tg , в основном, определяются свойствами матрицы.
3. Полимерные электреты и пьезоэлектрики. Полимерные электреты представляют собой полимерные диэлектрики, способные долго находиться в наэлектризованном состоянии.Они применяются в качестве источников постоянного электрического поля в различных датчиках, электрометрах, в высоковольтных генераторах, дозиметрах радиоактивности. Пленочные электреты используют в микрофонах, громкоговорителях, звукоснимателях. Можно использовать полимерные электреты как источники или аккумуляторы электрической энергии для питания различных приборов в аварийных ситуациях. Заряды, находящиеся на поверхности электрета, могут быть созданы различными способами:
1) нагревом и охлаждением диэлектрика в постоянном электрическом поле (термоэлектреты);
2) действием света (фотоэлектреты);
3) действием магнитного поля (магнитоэлектреты);
4) действием электрического поля высокой напряженности (электроэлектреты);
5) пучка заряженных частиц (радиоэлектреты);
6) коронного разряда в газовой среде (короноэлектреты);
7) за счет механического воздействия (механоэлектреты);
8) трением (трибоэлектреты);
9) при полимеризации и отверждении связующих в электрическом поле (хемоэлектреты).
С
течением времени поверхностный заряд
на электретах уменьшается. Это связано
с тепловой разориентацией диполей и с
компенсацией зарядов за счет
электропроводности полимера. Время
жизни электрета, характеризующееся
временем релаксации, т. е. уменьшением
поверхностной плотности зарядов э
в е
раз, при нормальных условиях хранения
составляет
0,5—5 лет.
Максимальная величина гетерозаряда,
обусловленного дипольной ориентацией,
Ро
связана с диэлектрической проницаемостью
полимера соотношением
где Еп
— напряженность
поляризующего поля; S
— площадь
электрета; о.
ст,
— диэлектрическая
проницаемость вакуума (8,85-10-12
Ф/м) и электрета в статических условиях
(
= 0) и при частоте
соответственно.
На полимерных пластинках из ПММА (термоэлектрет) толщиной 1—2 мм можно получить плотность заряда э = (3-5) 10-5 Кл/м2, а на пленках толщиной 10 мкм из ПТФЭ, ПЭТФ, ПК (термо- и короноэлектреты) можно получить значения э = 103— 104 Кл/м2. Поверхностное напряжение на пленках из ПТФЭ за 120 сут снижается от исходного значения 200 В, не более чем на 20%. Во влажных условиях хранения релаксация зарядов на полимерных электретах существенно ускоряется, особенно для электретов на основе ПИ и ПЭТФ.
Для некоторых полимерных электретов характерно важное свойство — способность изменять величину и знак поверхностного заряда при механическом воздействии — нагружении (пьезоэффект) или при изменении температуры (пироэффект). Эти эффекты наблюдаются только в том случае, если электрет предварительно заряжен (поляризован). Наибольшие по величине пьезоэффекты получают на тонких пленках ПВДФ и ПВХ. Пленочные термоэлектреты на основе ПВДФ и его сополимеров характеризуются пьезоэлектрическим коэффициентом (10 - 20) - 1012 Кл/Н, электреты на основе ПВХ имеют пьезоэлектрический коэффициент почти на порядок ниже: 3-10 12 Кл/Н. Полимерные пьезоэлектрические материалы в сравнении с традиционными пьезокерамиками (цирконат-титанат свинца или титанат бария) характеризуются низкой плотностью, гибкостью, простотой изготовления, высокой пьезочувствительностью. Возможно получение полимерных композитов с пьезоэлектрическими свойствами за счет наполнения полимерной матрицы твердыми пьезоэлектриками.