Электрические свойства полимеров кратко

Обновлено: 04.07.2024

К свойствам, определяющим функциональные возможности полимерных материалов, относят плотность, механические, термические, электрические, химические и оптические свойства, атмосферостойкость. Функциональная пригодность полимерных материалов зависит от прозрачности, цвета и блеска, к группе функциональных относят также оптические свойства.

Плотность полимеров колеблется от 0,85 (полипропилен) до 2,2 г/см 3 (политетрафторэтилен), т.е. значительно меньше плотности металлов, керамики, стекла и других конструкционных материалов. Плотность наполненных пластмасс зависит от природы и количества наполнителя. У газонаполненных пластмасс кажущаяся плотность (объемная масса) может составлять 0,01-0,02 г/см 3 , а у пресс-порошковых и слоистых достигает 2,5 г/см 3 и более.

Механические свойства пластических масс в значительной степени определяют их функциональную пригодность и надежность при оценке их как конструкционных материалов. Для характеристики механических свойств пользуются следующими показателями: прочность при растяжении (сжатии, изгибе), ударная вязкость (ударное разрушение), выносливость (усталостная прочность – способность выдерживать многократные нагрузки), хрупкость, жесткость и мягкость. Однако однозначно эти свойства характеризовать нельзя, так как показатели, определяющие их, зависят от молекулярной массы, структуры и степени кристалличности полимеров, ориентации и температурных условий. Кроме того, на механические свойства пластмасс существенно влияют наполнители, пластификаторы и другие добавки.

К термическим свойствам пластмасс относятся тепло- и морозостойкость, показатели теплоизоляционной способности, термического расширения и температурные константы (температура плавления, стеклования, текучести и т.д.).

Электрические свойства характеризуют электрическую проводимость и электризуемость полимеров. Для снижения статической электризации на поверхность полимерных материалов или в их состав вводят антистатики (электропроводящие материалы), действие которых основано на увеличении электрической проводимости, обеспечивающей утечку зарядов.

Химические свойства полимеров характеризуют их отношение к воде, кислотам, моющим средствам, растворителям и другим химическим реагентам. О стойкости к химическому реагенту судят по изменению внешнего вида полимера (цвета, блеска), растворимости, набухаемости, потере механических свойств и т.д. Для большинства полимеров характерна высокая химическая стойкость. Наибольшую стойкость проявляют фторопласты, полиэтилен, поливинилхлорид, полиэтилентерафталат и другие смолы, не содержащие полярных групп.

Введение в молекулу полимера полярной группы понижает его стойкость к воде и другим полярным веществам. Так, поливиниловый спирт благодаря наличию сильнополярной группы -ОН растворим в воде, но устойчив к жирам и бензину.

Химические свойства пластмасс определяются также видом наполнителя. Минеральные наполнители повышают водо-, кислото- и щелочестойкость, а органические их снижают.

Среди оптических свойств важными показателями являются прозрачность, цветность и блеск.

Атмосферостойкость – способность полимерных материалов выдерживать длительное воздействие различных атмосферных факторов (солнечной радиации, теплоты, кислорода и озона воздуха, влаги и промышленных газов) без значительного изменения внешнего вида и эксплуатационных свойств. В большинстве случает атмосферные факторы приводят к старению полимерных материалов, вызывая необратимые изменения: потерю блеска, изменение цвета, растрескивание, отслаивание, меление, образование пузырей и сыпи, рост жесткости и хрупкости, снижение прочности и износостойкости.

Эргономические свойства полимеров и пластмасс.

Полимеры и пластмассы (полистирол, полиметилметакрилат, поликарбонат) обладают высокими декоративными возможностями. Можно окрасить их в разнообразные цвета, придать поверхности различную фактуру, блеск или матовость, имитировать другие материалы.

В группу эргономических свойств входят также удобство производства (переработки) полимеров и пластмасс, их безопасность и безвредность, что позволяет характеризовать их с точки зрения удобства пользования и влияния на человека и окружающую среду.

Удобство производства выражается в том, что полимерные материалы легко подвергаются различным видам переработки в отличие от других поделочных материалов. Процесс формирования относительно прост и легко автоматизируется, не требуется дополнительных операций отделки, так как продукцию украшают преимущественно в ходе формирования. Формование изделий из пластмасс может быть выполнено традиционными методами переработки других материалов и является практически безотходным.

Выбор метода переработки зависит от термических свойств пластмасс, формы, конструктивных особенностей, назначения изделия, а также экономичности производства.

Безопасность полимерных материалов определяется главным образом их огнестойкостью - способностью противостоять действию огня. По огнестойкости (горючести) полимерные материалы, как и другие, подразделяют на горючие, трудносгораемые, негорючие (огнестойкие). Большинство полимерных композиций на основе термопластичных смол являются горючими. Особенно легко воспламеняются и хорошо горят нитроцеллюлозные пластики, полиметилкрилаты, полистиролы. Винилхлоридные полимеры, полиакрилонитрилы, поликарбонаты и реактопласты с органическими наполнителями трудно воспламеняются, горят только в пламени. Негорючие (огнестойкие) пластмассы не горрят вовсе или самозатухают, когда оказываются вне пламени; к ним относятся элементоорганические и неорганические полимеры, органические полимеры с ароматическими циклами в макромолекулях и фторопласты.

Опасность горючих пластмасс состоит не только в возможности их воспламенения и горения. При горении полимеров образуется раскаленный плав, нередко обильное дымовыделение и сильнотоксичные продукты. Для придания огнестойкости и снижения горючести в пластмассы вводят антипирены – специфические добавки и негорючие наполнители (каолин, цемент, асбест и т.д.).

Безвредность – характеризует потенциальную опасность материалов для здоровья человека и вредное влияние на окружающую среду. При оценке безвредности полимеров исходят из общего требования к материалам – не выделять в контактную среду токсических, канцерогенных, аллергических и других веществ в количествах, которые могут оказывать прямо или косвенно вредное влияние на организм человека, животный и растительный мир. Чистые восокомолекулярные полимеры физиологически безвредны, т.е. они не переходят в пищевые продукты и жидкие среды.

Безвредность пластиков и их допустимость для производства изделий различного функционального назначения устанавливают после тщательных санитарно-химических исследований, включающих:

- определение вида (идентификация) и концентрации веществ, мигрирующих из пластмасс в контактную среду;

- установление степени токсического воздействия пластмассы или мигрирующих из нее веществ на организм;

- определение характера влияния пластмассы на биологическую и пищевую ценность продукта (состав, вкус, запах, состояние поверхности и т.д.).

Надежность полимерного материала.

Его способность сохранять во времени установленные в заданных пределах показатели функциональных, эргономических и эстетических свойств, а также долговечность и сохраняемость.

Долговечностью полимерного материала принято считать продолжительность времени от начала нагружения до разрушения полимерного тела.

Сохраняемость характеризуется способностью полимеров проявлять установленный уровень свойств при хранении и транспортировании.

Функциональные свойства полимеров и пластмасс.

Среди оптических свойств важными показателями являются прозрачность, цветность и блеск.

Эргономические свойства полимеров и пластмасс.

- определение вида (идентификация) и концентрации веществ, мигрирующих из пластмасс в контактную среду;

- установление степени токсического воздействия пластмассы или мигрирующих из нее веществ на организм;

Надежность полимерного материала.

Таблицы электрических параметров (удельное объемное сопротивление, относительная диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь при 1 МГц, электрическая прочность) для диэлектрических полимерных материалов.

Электрические свойства полимерных материалов

Полимерные материалы	Диэлектрическая проницаемость ε' при частоте электрического поля ν, Гц
Полимерные материалы	50	10 3	10 6
Полиэтилентерефталат (ПЭТФ)	3,3	3,2	3,1
Полибутилентерефталат (ПБТФ)	3,91	3,86	3,74
Поликарбонат (ПК)	3,05	2,9	2,8
Полиметилметакрилат (ПММА)	3,5	2,3	2,6
Полиэтилен низкой плотности (высокого давления) (ПЭВД)	2,28	2,28	2,2
Полиэтилен высокой плотности (низкого давления) (ПЭНД)	2,3	2,3	2,3
Полиамид 6, капрон (ПА-6)	4,0	3,8	3,6
Полистирол (ПС)	2,65	2,6	2,6

в ГОСТе на лавсан конденсаторы как и на электролиты говорится что если он на 100 вольт, то постоянки стоит 70в подавать, а переменки в ней не должно быть больше 20VAC при 50гц, а от 1000гц резко потери возрастать начинают и они в резисторы превращаются - точнее как банкомат берущий за ввод вывод комиссию постоянно десяти-сто так примерно кратную в сравнении с ПП, также годятся ПС(К71), слюда "ириски" КСО, фторопласт(тефлон), вакуумные
они могут до максимума заряжаться и тутже разряжаться и переполюсовываться в обратку- не греясь при этом на 20-500кГц - только надо на толщину выводов ориентироваться, тогда как у лавсана ее всегда хватает - в нее не упирается
(в многоискоровую систему зажигания именно такие - низкопотерьны типа ПС ПП ставят перед тиристором и катушкой зажигания - т.к. лавсан три периода синуса прокачается и остановится, а ПП будет звенеть пока не потратит энергию на пробое, который переменкой "добивается" надёжнее чем одним импульсом высоковольтным.
тангенс угла потерь грубо говоря это 1/Q , тоесть "антидобротность", добротность Q можно счиатать числом колебаний качелей контура с таким конденсатором - "до остановки на 90%(или сколько там. )", а тангенс угла потерь примерно равен доле энергии заряда теряемой за один вывод-ввод банковского вклада - туда обратно, потому при тангенсе угла потерь 0.1, добротность 10, и контур накапливает амплитуду(усилку всё тяжелее - как на велике при разгоне)10качаний качелей-периодов, удесятеряясь по амплитуде условно, и за 10качаний по инерции - теряя по 10% каждый период - "останавливается", это показаельная простая аппроксимация, полезная на практике, кроме конденсатора еще мешает добротность тонкого провода катушки, выходное сопротивление усилка, и сердечник катушки - требующий как выключатель - для перемагничивания гистерезисных потерь(на щелкнуть тумблером - пусть у него и много положений в плюс и в минус - как ящик на резинке по асфальту - тока требует сердечник, благо напряжение уравнивает в каждом витке трансформатора - в этом аспекте его линейным оставляя и инвариантным ко времени почти

Полимеры являются уникальной группой материалов, обладающие множеством полезных свойств при невысокой стоимости. Несмотря на то, что пластики вошли в жизнь людей совсем недавно – менее столетия назад – сегодня абсолютно невозможно представить жизнь без полимеров.

По своей природе они представляют из себя высокомолекулярные соединения, состоящие из многих тысяч повторяющихся групп атомов – мономеров. От химического строения мономеров и от их пространственного расположения и взаимодействия с другими атомами той же самой или прочих молекул полимера и зависят его свойства.

Рис.1. Наглядная схема макромолекулы

В данном материале мы в общих чертах рассмотрим особенности основных полимеров, которые, конечно же очень многообразны. Полимеры являются гигантским классом материалов с безграничным количеством применений, причем постоянно появляются новые и новые.

Главное, что определяет качество полимера и возможность его применения в той или иной области – это механические свойства полимеров. Они зависят от атомного состава макромолекулы, ее молекулярной массы, пространственной и кристаллической структур и физического состояния. Все полимеры в той или иной степени характеризуются хорошими эластичностью и прочностью. Также они (в случае с термопластами) довольно легко и при невысоких температурах переходят в вязкотекучее состояние (плавятся) и принимают нужную форму изделия.

Гибкость макромолекулы и, соответственно, эластичность полимеров в общем случае снижается с ростом молекулярной массы. При этом некоторые мономеры повышают эластичность, такие как, например, диеновые углеводороды. В случае их введения в полимерную матрицу любого полимера, эластичность, как правило, повышается.

Полимеры обладают специальным состоянием вещества – высокоэластическим. В случае с термореактивными пластмассами их молекулы способны образовывать сшитые на элементарном уровне сетчатые структуры, не способные к повторному плавлению и переработке.

Прочностные свойства полимеров повышаются с ростом молекулярной массы, и кроме того, при сшивке – получении сначала разветвленных макромолекул, а затем трехмерных структур. Кристаллические полимеры обладают большей прочностью, чем аморфные, даже если по химическому составу они идентичны. Так, прочность при растяжении на разрыв кристаллического ПЭ на полтора-два порядка выше прочности аморфного ПЭ.

Прочность, рассчитанная исходя из площади высокомолекулярных соединений высокой кристалличности не очень отличается от аналогичной прочности стали, а при расчетах на единицу массы – выше нее. Стереорегулярные полимеры обладают лучшими прочностными характеристиками, чем неупорядоченные.

Электрические свойства полимеров

Как известно, любое вещество может в той или иной степени быть диэлектриком, либо полупроводником, либо проводником электрического тока.

Большая часть пластмасс – диэлектрики, но с очень различными свойствами, которые находятся в зависимости от химсостава и структуры полимерных молекул. Главным образом, электрические характеристики зависят от количества и состава полярных групп в макромолекулах. Если в составе есть галогенные, гидроксидные, карбоксидные и т.п. и другие полярные области молекул, то это ослабляет диэлектрические и электроизоляционные свойства.

Рис.2. Кабели – одно из полимероемких направлений производства

Например, диэлектрическая проницаемость ПВХ в 1,5 раза меньше, а прочие электрические характеристики намного более низкие, чем у полиэтилена. Исходя из вышесказанного самые лучшие диэлектрики – это пластики, в мономерное звено которых не входят полярные звенья, например упомянутый выше ПЭ, фторопласты, полиизобутилен, полистирол.

При росте молекулярной массы диэлектрические характеристики пластмасс становятся выше. Обратное можно сказать про переход полимеров от стеклообразного к вязкотекучему состоянию через высокоэластичное. При этом удельная электрическая проводимость растет. Это происходит ввиду более интенсивного перемещения ионов, которые получаются при разложении макромолекул на более мелкие составные части (термодеструкции при нагреве). Свой вклад в повышение электропроводности дает и диссоциация примеси, которые могут состоять из остатков веществ после поликонденсации, растворителей, эмульгаторов, инициаторов и катализаторов реакции синтеза. Из описанного следует, что при необходимости повышения диэлектрических качеств полимеров нужно как можно лучше очищать их от примесей.

Важно, что наличие определенных атомных групп, таких как гидроксигруппа, повышает гидрофильность полимеров. Полимеры с гидроксигруппами в составе лучше поглощают воду, что в свою очередь ведет к росту их электропроводности.

Полимерными полупроводникам называют соединения, обладающие более высокой электропроводимостью. Чаще всего это полимеры, имеющие в составе наличие сопряженных двойных связей С=С. Полупроводниковые качества у них связаны с образованием свободных электронов этих двойных связей. При попадании в электрическое поле такие электроны иногда имеют возможность перемещения вдоль полимерной цепи, таким образом перенося электрический заряд. Так, полимерами-полупроводниками являются полиацетилен, поливинилены, полинитрилы и некоторые другие.

Значение проводимости полупроводниковых полимеров также растет не только при повышении температуры, но и при действии света.

Не так давно было обнаружено важное качество полиацетилена и некоторых более редких полимеров резко повышать свою электропроводность при добавлении в систему положительно заряженных ионов, например Li+, или, наоборот, отрицательных ионов, например СlO4-. Такие полупроводники называются легированными и пригодны для использования в аккумуляторах и конденсаторах даже для замены металлов, которым пока не было альтернативы в этой области.

Оптические свойства полимеров

С точки зрения светопропускания и прочих оптических свойств полимеры ведут себя очень дифференцированно. В науке и промышленности известны как пластики с превосходными оптическими характеристиками, так и не имеющие такие качеств.

Рис.3. Пластики все чаще используют в оптике

Большие успехи достигнуты в направлении получения прозрачных полиолефинов, являющихся одними из наиболее дешевых полимеров. Если гомо-полипропилен и особенно полиэтилен являются непрозрачными, то некоторые этилен-пропиленовые сополимеры обладают этим ценным качеством.

Главные типы полимеров

Рассмотрим кратко особенности основных крупнотоннажных пластмасс, широко использующихся на сегодняшний день.

Полиэтилен – простейший из термопластов и полиолефинов, имеющий формулу (— СН2 — СН2—)n, где n — здесь и далее равна степени полимеризации. Материал подразделяется на несколько видов, свойства которых существенно отличаются. Наиболее употребимыми являются полиэтилен низкого давления (высокой плотности) и полиэтилен высокого давления (низкой плотности), которые получаются при разных условиях синтеза и наличия специальных катализаторов. Плотность ПЭВД – около 920 кг/куб.м, плотность ПЭНД –около 960 кг/куб.м.

ПЭНД – более кристаллический полимер, он обладает лучшими прочностными характеристиками, жесткостью и более высокой температурой размягчения. Полиэтилен имеет хорошие химические характеристики, стоек к воде органике и хлорорганике, но нестоек к сильным окислителям и фотодеструкции. ПЭ обладает отличными диэлектрическими характеристиками и широким диапазоном температур эксплуатации.

Полипропилен, имеющий формулу (—СН(СН3) — СН2 —)n — также относится к классу полиолефинов. Это вид полимеров, имеющих значительную степень кристалличности, при примерно равной стоимости с полиэтиленом выигрывает у него за счет более низкой плотности, которая составляет около 900 кг/куб.м.

ПП имеет лучшую термостойкость, чем полиэтилен и может эксплуатироваться до 140 градусов С (для некоторых марок). Также он славится хорошей прочностью и жесткостью, стоек к истиранию, эластичен.

Полистирол — термопласт, который синтезируют путем полимеризации стирола. В чистом виде ПС является хрупким прозрачным пластиком. ПС имеет хорошие диэлектрические данные и применяется для электроизоляции. Полистирол, как и описанные выше полиолефины хорошо перерабатывается в изделия всеми способами переработки.

В современной промышленности используются в основном сополимеры стирола, так называемые стирольные пластики. В их перечень входят как ударопрочные марки полистирола (на самом деле сополимеры главным образом с каучуками), так и широко известный АБС-пластик, полимеры SAN, ASA и многие другие.

Важнейшее качество ПВХ – его трудногорючесть. Поливинилхлорид не поддерживает горение, поэтому широко используется в строительстве. Этот полимер обладает хорошими физико-механическими данными. Хотя как диэлектрик поливинилхлорид уступает ПЭ и ПС он гораздо чаще используется (в качестве пластиката) для изоляции проводов и кабелей ввиду своей негорючести. Недостатком ПВХ является сложность его переработки в изделия, т.к. он склонен к деструкции уже при температурах около 100 градусов С, тогда как плавится при гораздо более высоких значениях.

Политетрафторэтилен (простейший и наиболее используемый фторопласт, также известный как фторопласт-4), обладающий формулой (— CF2—CF2 —)n является термопластичным полимером, который получают полимеризацией тетрафторэтилена. Фторопласт имеет отличную химическую стойкость, диэлектрические характеристики и одни из самых широких возможностей эксплуатации по температуре - от -270 градусов С до 260 градусов С. ПТФЭ не растворим в органических растворителях. Материал имеет прекрасные антифрикционные и гидрофобные свойства, что обеспечивает его применение для выпуска различных покрытий и изделий для снижения их коэффициентов трения до минимальных значений.

Полиметилметакрилат (ПММА, оргстекло) – также термопласт, получаемый полимеризацией ММА. Материал обладает хорошей прочностью, хим- и маслобензостойкостью.

Главным достоинством ПММА является его оптическая прозрачность, что позволяет применять материал в светотехнике, а также электротехнике, лазерной технике и в качестве клеевой основы.

Полиамиды — категория термопластичных полимеров, имеющих в цепи макромолекулы амидогруппу —NH—СО— (вместо Н возможен другой радикал). Плотность полиамидов варьируется от 1000 до 1300 кг/куб.м.

ПА имеют высокую прочность, которая в сочетании с волокнистыми наполнителями дает этому виду полимеров успешно замещать металлические детали. Также полиамиды обладают износостойкостью, маслобензостойкостью, хорошими диэлектрическими качествами. Отличная химическая резистентность также присуща почти всем полиамидам.

Реактопласты (термореактивные смолы) – группа материалов, отличная от термопластов тем, что после первоначального синтеза и получения изделий не способна к повторной переработке ввиду образования неплавкой сетчатой структуры между макромолекулами. Такой процесс также называют сшивкой. Существует много вариантов термореактивных полимеров, например резольные, новолачные, эпоксидные, полиэфирные смолы и т.д.

Термореактопласты, благодаря своей природе, характеризуются очень высокими химсвойствами, хорошими термо-механическими и диэлектрическими характеристиками.

Электропроводность полимеров изменяется в широких пределах, что зависит от состава и структуры макромолекул, наличия, характера и концентрации полярных групп. Большинство полимеров являются диэлектриками, т.е. не проводят электрического тока. Наличие в макромолекулах галогенных, гидроксильных, карбоксильных и др. полярных групп ухудшает диэлектрические свойства. Хорошими диэлектриками являются такие полимеры как фторопласт, полиэтилен, полиизобутилен, полистирол. Диэлектрические свойства выше у полимеров с более высокой молекулярной массой. Повышение электрической проводимости наблюдается при переходе от стеклообразного состояния полимера к вязкотекучему.

Такие полимеры как полиацетилен (–СН=СН–)_n, поливинилены (–HC=C – , или катионов Li + при электрохимическом окислении или восстановлении.

Применение и свойства некоторых полимеров приведены в приложении 13.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение реакции полимеризации. Рассмотрите радикальный механизм полимеризации (инициирование, рост цепи, обрыв цепи) на примере получения поливинилхлорида.

2. Объясните механизм ионной полимеризации (катодной и анодной). Какие вещества можно использовать в качестве инициаторов ионной полимеризации?

3. Дайте определение реакции поликонденсации. Какие полимеры получают методом поликонденсации?

4. Дайте определение полимерам, олигомерам и мономерам. Как подразделяются полимеры?

5. Опишите строение, свойства, использование натурального каучука.

6. Опишите строение молекулы крахмала, его химические свойства и использование.

7. Опишите строение, физические и химические свойства молекул целлюлозы, применение целлюлозы для получения взрывчатых веществ и искусственных волокон.

8. Дайте характеристику белкам как высокомолекулярным веществам. Опишите строение и структуру белков, их функции в живом организме.

9. Опишите структуру полимеров: линейную (регулярную, нерегулярную) разветвленную, сетчатую. В чем состоит различие кристаллических и аморфных полимеров?

10. Опишите физические и химические свойства синтетических полимеров. Какое применение находят полимеры благодаря их свойствам?

Читайте также: