Диэлектрические свойства полимеров

Полимеры могут быть:
Диэлектрические свойства полимеров
проводниками (ρ = 103-10-3 Ом·см)
полупроводниками (ρ = 103-108 Ом·см)
диэлектриками ((ρ > 103 - 108 Ом·см).
Количественной характеристикой ослабления воздействия внешнего поля служит диэлектрическая проницаемость, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия двух зарядов в диэлектрике меньше, чем вакууме.
Вследствие поляризации в диэлектрике возникают диэлектрические потери, т.е. превращение электрической энергии в тепловую.
При некотором высоком напряжении внешнего электрического поля диэлектрик теряет свои электроизоляционные свойства. Это напряжение получило название напряжения пробоя, а отношение напряжения пробоя к толщине диэлектрика — электрической прочности.

От чего зависят диэлектрические свойства?
Диэлектрические свойства в значительной степени определяются
наличием, характером и концентрацией полярных групп в макромолекулах. Наличие у макромолекул галогенных, гидроксидных, карбоксидных и других полярных групп ухудшает диэлектрические свойства полимеров.
Хорошие диэлектриками:
фторопластполи-этилен, полиизобутилен, полистирол.
Молекулярной массой масса
Физическим состоянием полимера
Наличие воды в полимере
Диэлектрические свойства полимеров

Полярные полимеры имеют более высокую электрическую прочность по сравнению с неполярными

Применение полимерных диэлектриков
Диэлектрические свойства полимеров
Полимерные диэлектрики широко применяются в электротехнике и радиотехнике как материалы различных электротехнических изделий, защитных покрытий кабелей, проводов, изоляционных эмалей и лаков.
Некоторые полимеры обладают полупроводниковыми свойствами. Обычно это полимеры с системой сопряженных двойных связей. Полупроводниковые свойства таких полимеров обусловлены наличием делокализованных π-электронов сопряженных двойных связей. К органическим полупроводникам относятся вещества, электрическая проводимость которых лежит в пределах 10-10—10~4 Ом-см-1. Электрическая проводимость полупроводников возрастает с увеличением температуры и при воздействии света.
полиацетилен, поливинилены, полинитрилы, полиакрилонитрил

Параметрами, характеризующими поведение полимерного диэлектрика в переменном электрическом поле
диэлектрическая проницаемость
тангенс угла диэлектрических потерь.
Чтобы получить более полную информацию о поведении полимерного диэлектрика в переменных электрических полях, исследуют зависимости диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических портерь. Получив такие зависимости, можно охарактеризовать молекулярную подвижность в полимере, определить концентрацию и величину диполей в полимере, найти функцию распределения диполей по временам релаксации.

1. Диэлектрическая проницаемость
Диэлектрическая проницаемость ε’ характеризует увеличение емкости конденсатора С при внесении в него диэлектрика по сравнению с емкостью того же конденсатора, у которого в качестве диэлектрика вакуум (С0):
ε’ = С/С0-
Диэлектрическая проницаемость ε’ – относительная диэлектрическая проницаемость (относительно диэлектрической проницаемости вакуума). Абсолютной диэлектрической проницаемостью (в системе СИ) является величина ε0ε, где ε0 – электрическая постоянная (8,854·10-12 Ф/м), иногда называемая диэлектрической проницаемостью вакуума.
Диэлектрическая проницаемость диэлектриков является одним из основных параметров при разработке электрических конденсаторов. Использование материалов с высокой диэлектрической проницаемостью позволяют существенно снизить физические размеры конденсаторов. Параметр диэлектрической проницаемости учитывается при разработке печатных плат. Значение диэлектрической проницаемости вещества между слоями в сочетании с его толщиной влияет на величину естественной статической ёмкости слоев питания, а также существенно влияет на волновое сопротивление проводников на плате.

2. Диэлектрические потери
Диэлектрические потери характеризуют потери энергии при прохождении электрического тока через конденсатор с диэлектриком.
Для всех полимеров установлено два типа диэлектрических потерь. Первый тип диэлектрических потерь, называемых дипольно-сегментальными, связан с ориентационными поворотами полярных звеньев макромолекулы в условиях, когда возможно сегментальное движение, т.е. в высокоэластичееком состоянии (выше Тст полимера). Второй тип - дипольно-групповые потери — обусловлены ориентацией самих полярных групп. Этот вид потерь может проявляться и ниже Тст полимера, т. е. в стеклообразном состоянии.

Влияние строения и полярности на диэлектрические потери
Чем сильнее внутри- и межмолекулярные взаимодействия, тем менее подвижны звенья, тем выше температура, при которой наблюдается максимум tg, и тем больше время релаксации.
С увеличением длины алкильного радикала tg дипольно-сегментальных потерь смещается в сторону более низких температур .
Рис. Зависимость tgδ от температуры для некоторых ацеталей поливинилового спирта (а) и ПММА (б)

Влияние стереорегулярности на диэлектрические потери
Наличие в макромолекуле участков синдиотактического или изотактического строения, их протяженность и количественное соотношение существенно влияют на подвижность сегментов и групп, а следовательно, и на диэлектрические характеристики полимера.
Рис. Зависимость tgδ стереорегулярных образцов ПММА при 20 Гц
1 – изотактический;
2 – синдиолтактический;
3 – атактический.

Влияние кристаллизации на диэлектрические потери
Существенное значение имеют не только степени кристалличности полимера, но и размер, дефектность, тип кристаллических образований . При увеличении степени кристалличности полимера снижается электропроводность, возрастает пробивная напряженность. Если степень кристалличности полимера высока, дипольно-сегментальных потерь, связанных с движением сегментов макромолекул в аморфных частях, может и не быть (например, в полиэтилене). Возможно появление релаксационной области дипольных потерь, обусловленных движением цепей внутри кристаллических образований, например внутри ламелей.

Влияние пластификаторов на диэлектрические потери

Методы измерения
Диэлектрическая проницаемость и потери полимеров зачастую исследованы в диапазоне от 10-4 Гц до оптических частот. В зависимости от частоты применяют различные методы исследования.

Мостовые методы
.
Для измерения эквивалентных емкости и сопротивления образца наиболее широко применяется схема типа моста Уитстона, в которой неизвестные величины сравниваются с эталонными компонентами. Одной из таких схем является универсальный мост Шеринга, позволяющий с высокой точностью измерять свойства диэлектриков в диапазоне частот от 10 до 105 Гц (область звуковых частот). Схема такого моста показана на рис

Резонансные методы
В диапазоне радиочастот наиболее чувствительный метод исследования материалов с низкими или средними потерями состоит в том, чтобы сделать его частью резонансного контура. Метод Hartshorn и Ward (1936), схема которого приведена на рис

Волновые методы
По мере того как частота электромагнитного поля увеличивается до 109 Гц, длина волны становится сравнимой с размерами образца. Поле внутри образца изменяется от точки к точке, и диэлектрический отклик необходимо анализировать с помощью уравнений Максвелла для электромагнитного поля. Для целей измерения удобно локализовать волну в коаксиальном волноводе, представляющем собой центральный проводник, заключенный в полую проводящую трубку или. при очень высоких частотах, простой волновод прямоугольного или круглого сечения. Диапазон длин волн, в котором может использоваться этот метод, от 1 до 300 мм, обычно называют СВЧ-(сверхвысокочастотным) диапазоном.

Заключение
Таким образом, диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери являются важными характеристиками полимерных материалов, определяющими область применения полимера. Существуют различные методы для определения диэлектрических свойств полимеров. В зависимости от диапазона частоты измерения применяют разные методы: мостовые, резонансные, волновые. Исследование свойств новых материалов следует начинать с низких частот с помощью мостовых методов, которые позволяют производить измерения ε и tgδ с любым наперед заданным шагом по частоте и обнаруживать наличие максимумов или минимумов на кривых ε и tgδ, если таковые имеются.