介电常数与高聚物结构的关系

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介电常数与高聚物结构的关系

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网易

https://www.163.com/dy/article/JIG177F30556ALQA.html

介电常数是描述材料电学性质的重要参数，它与高聚物的分子结构、物理状态等因素密切相关。本文将深入探讨介电常数与高聚物结构的关系，帮助读者理解这一重要概念及其在材料科学中的应用。

高聚物的极化现象

电介质在外加电场下发生极化的现象，是其内部分子和原子的电荷在电场中运动的宏观表现。要深入了解极化现象的本质，必须在分子级的水平上去考察极化作用。

不管是极性高分子聚合物或是非极性高分子聚合物，在正常不加电场情况下，分子偶极取向是杂乱无章的，宏观上都呈现电中性。

在外加电场作用下，其分子受外电场作用，分子内电荷分布发生相应的改变，导致分子的偶极距增大，这种现象称为极化。

分子极化

高聚物的介电常数

如果在真空平行板电容器加上直流电压U，在两个极板上将产生一定量的电荷 Q。这个真空电容器的电容 Co为

Co=Qo/U

电容与所加电压的大小无关，而决定于电容器的几何尺寸。如果电容器极板面积为S，而两极板间的距离为d，则

比例系数ε0 为真空电容率，在国际单位制中： ε0 =8. 85 ×10^-12F/ m。

如果在上述电容器的两极板间充满高聚物电介质，这时极板上的电荷将增加到Q（Q =Q0 + Q′），电容器里的电容C比真空电容器增加了εr 倍：

εr———相对介电常数（以下简称介电常数），也称相对电容率。

介电常数与高聚物结构的关系

介质极化决定于介电常数的大小，而介质极化与介质的分子结构及所处的物理状态有关。

从前面的讨论可知，介质的极化按其机理至少可分为电子极化、原子极化、偶极取向极化，其中以偶极取向极化的贡献最大，而取向极化只有极性分子才能发生。因此碳氢化合物类的非极性高聚物，如天然橡胶、聚苯乙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯只有电子极化、原子极化，其介电常数较小，εr 在2 ～3 左右。极性高聚物如聚氯乙烯、有机玻璃、聚酯等，εr 在3 ～7范围。而且极性基团在分子链中的位置不同，对介电常数的影响也不同。一般说来，主链上的极性基团活动性小，它的取向需要随主链的构象改变，因而这种极性基团对介电常数影响较小；而侧基上的极性基团，特别是柔性的极性侧基，因其活动性较大，对介电常数影响较大。

显然，发生偶极取向运动时需要改变主链构象的极性基团，包括在主链上的和与主链硬性连接的那些极性基因，它们对高聚物介电常数的贡献大小，强烈地依赖于高聚物所处的物理状态。在玻璃态下，链段被冻结，这类极性基团的取向运动有困难，因而它们对高聚物的介电常数的贡献很小；而在高弹态时，链段可以运动，极性基团取向得以顺利进行，对介电常数贡献也就大了，这就不难解释聚氯乙烯所含的极性基团密度几乎比氯丁橡胶多一倍，而室温下介电常数后者是前者的三倍。完全可以预料，那些主链上含有极性基因或极性基团与主链硬连接的聚合物，当温度提高到玻璃化温度以上时，其介电常数将大幅度提高，如聚氯乙烯的介电常数将从3. 5 增加到15。

分子结构对介电常数也有很大影响，对称性越高，介电常数越小，对同一高聚物来说，全同立构的介电常数高，间同立构介电常数低，而无规立构介于两者之间。

此外，交联、支化、拉伸等对介电常数也有影响。交联结构使极性基因活动取向有困难，因而降低了介电常数，如酚醛塑料，虽然极性很大，但介电常数并不太高。拉伸使分子整齐排列，从而增加分子间相互作用力，但降低了极性基团的活动性，而使介电常数减少，相反支化则使分子间的相互作用减弱，因而使得介电常数升高。