2. Характер электропроводности

Макромолекулы подавляющего большинства полимеров в переносе зарядов не участвуют. Чаще всего электропроводность определяется присутствием низкомолекулярных примесей (кислоты, щелочи, остатки катализатора, эмульгатора и т.п.) и носит ионный характер.

Некоторые факторы, влияющие на электропроводность

Вязкость среды. Чем выше вязкость, тем ниже подвижность ионов и электропроводность: наиболее низкая вязкость в стеклообразном состоянии, пластификаторы увеличивают электропроводность на 3-5 порядков, кристаллизация резко снижает электропроводность.

Введение наполнителя изменяет электропроводность в зависимости от природы наполнителя. Например, электропроводность полиэтилена сильно возрастает от диэлектрика до сверхпроводника при добавлении 25% сажи. Эффект роста электропроводности возрастает, если наполнитель хорошо смачивается полимером.

Природа полимера. Этот фактор подробно описан ниже.

3. Электропроводность полимеров с сопряженными двойными связями

У таких высокомолекулярных соединений основные электрические и магнитные свойства создаются двумя главными факторами:

- степенью сопряжения, т.е. легкостью возбуждения -электронной системы в сопряженной молекуле, являющейся источником подвижных электронов;

- структурой вещества, т.е. характером упаковки, который определяет возможности межмолекулярных переносов электрона в твердом теле.

Полимеры с системой сопряженных связей содержат непрерывность по всей цепи или на достаточно больших ее участках. Это условие хорошо соблюдается у поливинилена, поли –п-фенилена:

и у некоторых гетероциклических, гетероцепных и хелатных полимеров.

Длинная цепь увеличивает число -электронов, следовательно, уменьшается энергия возбуждения. Низкая энергия возбуждения приводит к свободному движению электронов по цепи, а также к перемещению их от одной макромолекулы к другой, значит, весь полимер приобретает свойство электропроводности, которая усиливается при переходе от аморфной структуры к кристаллической.

Электронная неоднородность структуры полимеров с сопряженными связями приводит к тому, что хорошо проводящие области разделены диэлектрическими барьерами. Поэтому механизм электропроводности сопряженных полимеров может быть только перескоковым: ток переносится путем активационных перескоков носителей из одной полисопряженной области в другую над диэлектрическими барьерами. Повышение температуры экспоненциально увеличивает вероятность перескоков.

На основе полимеров с системой сопряженных связей можно синтезировать сверхпроводники, которые будут обладать сверхпроводимостью при обычных температурах: надо получить строго упорядоченную структуру из длинных цепей сопряженных связей с соответствующими заместителями, способными создавать и поддерживать в цепи сопряжения особые возбужденные состояния электронов.

4. Полимеры как диэлектрики. Основные характеристики диэлектриков

Знание диэлектрических характеристик полимеров необходимо для технического применения их как диэлектриков. Исследование диэлектрических свойств – один из методов изучения строения полимеров.

Удельное электрическое сопротивление , – это сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м². Определяется наличием свободных зарядов и их подвижностью. С ростом температуры  падает.

Электрическая прочность , – напряженность электрического поля, при которой происходит «пробой» диэлектрика. Увеличение полярности полимера, сорбированная влага, включения воздуха понижают электрическую прочность.

Диэлектрическая проницаемость  – величина, обратная емкости конденсатора, заполненного диэлектриком, к емкости того же конденсатора в вакууме. Чем ближе  к 1, тем лучше диэлектрик в поле переменного тока. Диэлектрическая проницаемость позволяет судить о способности диэлектрика проводить переменный ток, так как связана с поляризуемостью вещества. Суммарный диэлектрический момент в электрическом поле складывается из ориентационного момента (диполи ориентируются) и деформационного (смещение электронных оболочек). Чем легче ориентация диполей, тем худший диэлектрик в поле переменного тока.

Тангенс угла потерь – количественная характеристика диэлектрических потерь. Диэлектрические потери – часть энергии электрического поля, которая необратимо рассеивается в виде теплоты. Существует два типа диэлектрических потерь:

• дипольно-эластические – связанные с поворотом звеньев или сегментов в электрическом поле при Т > T_c;

• дипольно-радикальные – связанные с движением полярных заместителей (радикалов) при Т < T_c .

Дипольно-эластические на порядок выше дипольно-радикальных.

– это угол, дополняющий угол сдвига фаз до 90. В результате замедленного движения диполей в каждый момент времени между вектором напряжений электрического поля и ориентационным моментом наблюдается некоторый сдвиг фаз, величина которого характеризуется углом . Чем меньше , тем меньше потери энергии в диэлектрике.

Энергия электромагнитного поля, рассеиваемая в единице объема диэлектрика в виде тепла в области низких частот, невелика. Количество рассеянной энергии быстро увеличивается с повышением частоты. Поэтому понятно, какое важное значение имеет величина и ее зависимость от температуры и частоты, особенно при выборе диэлектриков для работы при высоких частотах.