ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Электропроводность из "Основы переработки пластмасс" Обычно пластмассы являются хорошими электроизоляторами. Однако даже под действием радиации малой интенсивности электропроводность материалов заметно возрастает. После прекращения такого воздействия электропроводность вновь уменьшается. Установлено, что повышение электропроводности полимеров под действием излучения обусловливается возникновением электронной проводимости в результате взаимодействия частиц высоких энергий или уизлучения с молекулами полимера. Если макромолекулярные цепи содержат чередующиеся двойные или тройные связи, то полимер может проявлять свойства полупроводников. Облака л-электронов смежных атомов углерода перекрываются, и образуется общее облако дело-кализованных я-электронов по всей длине макромолекулы. Полимерные полупроводники способны проводить электрический ток и в некоторых случаях по значениям электропроводности приближаются к металлам. Электропроводность полупроводниковых полимеров составляет 10 —10 Ом -м и возрастает с повышением температуры по экспоненциальному закону. [c.86] Приведенные выше соображения о возможном механизме электропроводности полимеров относятся к ненаполненным материалам. Введение в полимерную композицию различных наполнителей иногда приводит к реализации совершенно новых механизмов электропроводности [52]. Так, при добавлении к полимерам электропроводящих наполнителей (некоторых сортов технического углерода, графита, металлических порошков) возникают цепочечные структуры из частиц наполнителя. Если самопроизвольно цепочечные структуры не образуются, то для получения электропроводящего материала требуется введение больших количеств электропроводящего наполнителя. В некоторых случаях цепочечные структуры удается получить искусственно, например, вводя в полимерную композицию электропроводящий ферромагнитный наполнитель (никелевый порошок) и проводя отверждение материала в магнитном поле. При этом частицы никеля располагаются вдоль силовых линий магнитного поля и в зависимости от формы поля значения рк в соответствующих направлениях могут изменяться на несколько порядков. Так, значение исходного эпоксидного связующего составляет 10 Ом-м, а после введения 37% (об.) электролитического никеля оно достигает Ом-м. В некоторых случаях удается достичь уменьшения на 20 десятичных порядков. Электропроводность таких систем в общем случае определяется электропроводностью частиц наполнителя, их концентрацией, числом контактов между частицами наполнителя, обеспечивающих прохождение электрического тока в заданном направлении, контактным сопротивлением, электрическим сопротивлением и толщиной прослоек связующего между частицами наполнителя. [c.87] Указанные выше характеристики относятся к системам, в которых электропроводящий наполнитель образует цепочечные структуры. Такие системы образуются, например, при добавлении в полимерную матрицу активного ацетиленового технического углерода в количестве 40—60% (масс.). Однако если электропроводящий наполнитель ввести, например, в ПП в количестве 15—25% (масс.), то при условии хорошего диспергирования цепочечные структуры не образуются. Соседние частицы технического углерода оказываются разделенными полимерной прослойкой, макромолекулы которой находятся в ориентированном состоянии [59]. [c.87] Введение электропроводящих наполнителей в неотвержден-ные полимерные композиции на базе термореактивных смол сопровождается резким изменением их электрических характеристик. В процессе отверждения увеличивается число контактов между частицами электропроводящего наполнителя, и материал становится электропроводным. [c.88] Важным показателем материала для изделий, используемых, например, в качестве нагревательных элементов, является температурный коэффициент сопротивления (ТКС). При положительном ТКС перегрев материала сопровождается увеличенп-ем ру, снижением силы тока и, следовательно, уменьшением выделяемого тепла. В результате этого материал будет автоматически предохраняться от перегрева. В случае отрицательного ТКС все будет наоборот. [c.88] Зависимость lgp — Ц 1Т) описывается кривой, состоящей из двух прямолинейных участков. Энергия активации (ширина запрещенной зоны), найденная как тангенс угла наклона этих отрезков, соответственно равна 1,3-и 1,6-10 Дж. До температуры 160—170 °С перенос зарядов в материале происходит за счет электропроводящих примесей, а при более высоких температурах —за счет графита, что было установлено с помощью измерения эффекта Холла [52]. [c.89] Электропроводящие пластмассы, не подвергающиеся термообработке, обнаруживают р-тип проводимости (как п у полупроводников). Образцы, обработанные при температуре до 200 °С, также имеют р-тип проводимости, а термообработанные при 225—270 °С — р- и п-типы электропроводимости. [c.89] Переработка и применение пластмасс часто требуют придания им электропроводности. В процессе переработки пластмасс и эксплуатации изделий в результате деформации и трения возникают электрические заряды. Необходимо обеспечивать их стекание для предотвращения пожаров, электрического пробоя, преждевременного износа. Помимо описанных выше способов [52, 54] достижения объемной электропроводности эту задачу решают также путем придания пластмассам поверхностной электропроводности. [c.89] В ряде случаев на изделие наносят полимерное электропроводящее покрытие, получаемое способами, аналогичными описанным выше. Те же методы используют, например, при производстве электропроводящих оболочек из поливинилхлорида для кабельных изделий. В качестве антистатиков, вводимых в состав пластических масс или наносимых на поверхность изделия, применяют поверхностно-активные вещества (ПАВ). [c.89] По механизму антистатического действия ПАВ разделяют на три группы гигроскопичные, полярные и маслянистые (смазывающие) [54, с. 57]. Введение в состав пластических масс гигроскопичных ПАВ способствует адсорбированию влаги из атмосферы и образованию на поверхности изделия тонкого электропроводящего слоя. Такие вещества мало эффективны в сухой атмосфере. Полярные ПАВ (например, соли четвертичных аммониевых оснований) эффективны в присутствии даже следов влаги. Маслянистые ПАВ существенно снижают трение между поверхностями пластмасс и других тел, что препятствует накоплению электрических зарядов. [c.89] Поверхностную электропроводность пластмасс количественно оценивают по значению удельного поверхностного электрического сопротивления рз — сопротивления материала между противоположными сторонами единичного квадрата на поверхности, Электропроводность поверхности пластмасс обусловлена наличием носителей тока на поверхности материала. В тех случаях, когда композиция не содержит электропроводящих наполнителей, электропроводность поверхности пластмасс определяется главным образом концентрацией адсорбированных ионов. Значения р5 для некоторых промышленных полимеров при относительной влажности воздуха 100% и температуре 20°С составляют- для полиэтилена — 3-10 Ом, полистирола— 8,4-10 Ом, политетрафторэтилена — 3,6-10 Ом. [c.90] В зависимости от значений ру полимерные материалы принято подразделять на следующие пять групп [52] 1) полимерные электроизоляторы (ру=10 —10 Ом-м) 2) полимеры, не используемые ни в качестве проводников, ни в качестве изоляторов, но обладающие другими ценными свойствами (ру = = 10 —10 - Ом-м) 3) антистатические полимерные материалы, применяемые для снятия электростатических зарядов, возникающих при трении поверхностей, движении жидкостей, газов и сыпучих материалов по трубам и т. п. (ру=10 —10 Ом- см) 4) высокопроводящие полимерные материалы, используемые для изготовления эластичных электродов, гальванопла-стических форм, нагревательных элементов (ру=10 2ч-10 Ом- м) 5) сверхпроводящие полимерные материалы, применяемые для изготовления печатных электрических схем, волноводов, деталей радио- и телевизионной техники (ру=10 - - 10 2 Ом-м). [c.90] Точность измерений во многом определяется материалом электродов и способом их крепления. Образец в виде прямоугольной полоски помещают на пластину из электроизолирующего материала и присоединяют к токоведущим электродам (рис. 2.19). Для листовых рулонных материалов необходимо, чтобы давление электрода на образец составляло 10 кПа. Ток, протекающий от источника постоянного напряжения, измеряют микроамперметром, регулируя его силу переменным сопротивлением так, чтобы образец не нагревался. [c.91] Количественной характеристикой диэлектрических свойств пластмасс служит диэлектрическая проницаемость в, под которой понимают отношение емкостей электрического конденсатора, заполненного диэлектриком и без заполнения (помещенного в вакуум). Диэлектрическая проницаемость зависит от частоты электрического тока. Это обусловлено тем, что элементы структуры полимера — звенья молекулярных цепей, атомные группировки и т. п.—ориентируются в направлении приложенного электрического поля. В результате деформационной и ди-польной поляризации, происходящей под действием внешнего поля, последнее в диэлектрике ослабляется. Поскольку указанный эффект связан с условиями ориентации элементарных диполей, то он зависит от частоты поля. При высокой частоте поля ориентация диполей за время полупериода колебаний не успевает развиться и значение диэлектрической проницаемости мало. С понижением частоты успевает произойти частичная ориентация элементарных диполей. При этом как только она начнет осуществляться, значение е также начнет возрастать, достигая максимума, который соответствует предельно возможной ориентации. Естественно, что повышение температуры способствует увеличению подвижности структурных элементов, что проявляется в увеличении е (действительной части комплексной величины е). На рис. 2.20 изображены температурные зависимости диэлектрической проницаемости поливинилхлорида при различных частотах [60, с. 143]. [c.92] При переходе пластмасс из стеклообразного и в высокоэластическое состояние наблюдается изменение наклона кривых б =/(— Т). В самом деле, изменение характера теплового движения должно сопровождаться изменением характера поляризации. При этом различают дипольно-групповые (ДГ) поляризацию и потери и соответствующие дипольно-сегменталь-ные (ДС) характеристики. Первые проявляются при условии, что основная цепь макромолекулы за период изменения поля остается неподвижной, а вторые — только при условии Т Тс, когда приходят в двил ение сегменты макромолекул. Поскольку входящие в состав макромолекул полярные группы обладают способностью ориентироваться во внешнем поле независимо друг от друга с разными значениями времен релаксации, то соответственно числу типов полярных групп возникает несколько максимумов потерь типа ДГ. Для статистических сополимеров и гомополимеров независимо от их строения наблюдается только один максимум ДС-потерь. [c.93] При увеличении энергии электрического поля возрастает электропроводность, увеличивается поляризация, ослабляются связи между элементами структуры полимерного материала. При достаточно сильном электрическом поле в пластмассах происходят необратимые изменения. В результате этого вещество теряет электрическую прочность, разрушается, и наступает пробой. Процессы, приводящие к потере электрической прочности пластмасс, определяются их структурой и условиями эксплуатации — температурой, длительностью действия напряжения и др. [c.93] Для теплового пробоя характерно экспоненциальное уменьшение электрической прочности с возрастанием температуры. При низких температурах электрическая прочность полярных пластмасс практически не зависит от температуры. Однако при повышении температуры выше некоторого определенного значения, характерного для каждого типа пластмассы, ее электрическая прочность быстро снижается. Указанные значения температуры составляют для полиэтилена 40°С, для полистирола 90 °С. Электрическая прочность полярных полимеров выше, чем неполярных. Для эластомеров наблюдается немонотонная температурная зависимость электрической прочности. [c.94] Эти закономерности справедливы только в диапазоне температур, в котором при заданной частоте изменения электрического поля не возникают релаксационные переходы в материале. На рис. 2.21 представлено изменение электрической прочности полиэтилена и полистирола в широком интервале температур. Средняя молекулярная масса использованного полиэтилена составляла 1,5-10 , а полистирола—1-10 . [c.94] Зависиность тангенса угла диэлектрических потерь полиметилметакрилата (1) и полиметилакрила-та (2) от температуры при частоте 20 Гц. [c.95] Для полярных пластмасс значения р1/ более низкие, чем для неполярных 10 °—10 Ом-м, а е, наоборот, для них несколько выше 2,5—3,0. Приведенные данные типичны для материалов в стеклообразном состоянии. Значение tg б вне областей максимумов составляет 10 з—10 [61]. [c.95] Вернуться к основной статье