高聚物的介質損耗

電介質在交變電場作用下， 一部分電能轉化為熱能的消耗稱為介質損耗。

產生介質損耗的原因有， ① 聚合物中所含的引發劑、增塑劑、水分等雜質產生漏導電流， 使部分電能轉化為熱能， 稱為歐姆損耗， 這是引起非極性聚合物介質損耗的主要因素；② 由于內摩擦阻力， 偶極子轉動取向滯后于交變電場的變化， 偶極子受迫轉動， 吸收部分電能轉化為熱能， 這是偶極損耗， 它的大小決定于偶極極化的松弛特性， 它是極性聚合物介質損耗的主要原因。

高聚物

影響高聚物介質損耗的因素

1） 分子結構的影響

決定高聚物介質損耗大小的內在原因， 一個是高聚物極性的大小和極性基團的密度； 另一個是極性基團的可動性。

高聚物分子極性越大， 極性基團的密度越大， 則介質損耗越大。非極性高聚物tgδ 一般在10^-4數量級， 而極性高聚物的tgδ 一般在10^-2數量級。極性基團在分子鏈中位置不同影響也不同時， 一般在側鏈上的極性基團上較主鏈上的極性基團活動性大， 影響也大些。部分高聚物的介質損耗見下表。

部分高聚物的介質損耗

注： 橡膠為103 Hz 時的測定值， 其余為50Hz 時的測定值。

2） 頻率

在交變電場中， 這種極化產生的介質損耗與頻率關系相當復雜， 理論分析得

從上式可見：

當ω→0 時， 也就是低頻區域， ε′→ε0 （ε0： 直流電場中的介電常數）， ε″→0。即一切極化都有充分時間， 都跟得上電場的變化。因而介電常數達到最大值， 介質損耗最小， 幾乎無損耗。

當ω→∞， 也就是在光頻區域， 則ε′→ε∞ ， ε″→0， 由于頻率太高， 偶極子由于慣性，來不及隨電場變化， 只有電子極化和原子極化， 因而ε′不大， 損耗也很小。

在介電常數變化較快的頻率范圍區域， 也稱反常色散區域， 對應ε′變化最快的一點（ωτ =1）， ε″出現極大值：

溫度升高時， ε″極大值移向高頻， 如下圖所示。

頻率對介電性能的影響t1 < t2 < t3

關于介質在電場中極化討論知道， 不同的極化所需要的時間長短不同。隨電場頻率的增加， 各種極化過程將在不同的頻率范圍內先后出現跟不上電場變化的情況， 因而使ε″出現一個極值； 相應地， 由于各種極化過程先后不能完一全進行而對介電常數不再有貢獻， 因而ε′出現一個階梯形的降落，如下圖所示：

ε′（t）， ε″（t） 與ω 的關系

3） 溫度

對于非極性高聚物， 介電常數隨溫度上升， 略有下降， 如下圖所示。由于電子極化和原子極化均不受溫度的影響。由于熱膨脹， 單位體積的極化減少。因此， 隨溫度上升， 介電常數ε 略有下降。

非極性高聚物的ε'(t)ε″(t) 與t關系

對于極性高聚物， 溫度升高， 高聚物的黏度隨之改變， 因而介質極化建立過程所需要的時間也起變化。對于一個固定頻率， 溫度太低時， 介質黏度過大， 極化過程建立太慢， 甚至偶極轉向完一全跟不上電場的變化， 因此ε′小， ε″也小。隨著溫度的升高， 介質的黏度減少，偶極可以隨電場變化而轉向， 但又不完一全跟得上， 因此ε′增大， ε″也增大； 當溫度升高到足夠高后， 偶極轉向已完一全跟得上電場變化， 因此ε′增至最大， 而ε″變得小了。從下圖可以看出， ε″在固定頻率上與溫度的關系， 類似與在一定溫度下ε″與頻率的關系。

EVA 的ε′（t）、ε″（t） 與t 的關系

溫度對取向極化有兩種相反的作用， 一方面溫度升高， 分子間相互作用減弱， 黏度下降， 偶極轉向能夠進行， 使極化加強； 另一方面， 溫度升高了， 分子熱運動加劇， 對偶級取向干擾增大， 反而不利于偶極取向， 使極化減弱。因而極性高聚物的介電常數隨溫度的變化， 要視這兩個因素的消長而定。對一般高聚物來說， 在溫度不太高時， 前者占主導地位，因而溫度升高， 介電常數升高， 到一定溫度后， 后者影響超過前者， 介電常數隨溫度升高，介電常數下降。

此外， 造成介質損耗的另一個因素是漏導電流隨溫度上升按指數規律增加， 因此當溫度足夠高時， 它就可能成為主要的損耗了。

4） 增塑劑

加入增塑劑， 能使高聚物分子的活動性增強， 使取向極化容易進行， 相當于溫度升高的效果。在頻率不高時， 增塑劑加入使介質損耗增加， 如下圖所示。

增塑劑含量對PVC 的ε′， ε″的影響

注： 圖中數值代表PVC 中增塑劑的含量。

如果增塑劑是極性分子， 它不但增加了高分子鏈的活動性， 使原來取向速度加快， 同時引入了新的偶極損耗， 使得介質損耗增加更明顯。

5） 雜質

導電性雜質或極性雜質的存在， 會增加高聚物的漏導電流和極化率， 因而使介質損耗增大。特別是對于非極性高聚物來說， 雜質成了引起介質損耗的主要原因。理論上說， 純凈的非極性高聚物的介質損耗應該幾乎是0 的， 但實際上幾乎所有的高聚物tgδ 都在10 ^- 4 以上。例如， 低壓聚乙烯， 由于殘存的引發劑， 使介質損耗增大， 當灰分含量從1. 9% 降至0. 03%時， tgδ 從14 ×10^- 4降至3 ×10^- 4。有報道說， 質量濃度1 ×10 ^-3% 的極性雜質， 其tgδ 已在10^- 4左右。因此， 為了得到介質損耗特別小的高聚物， 必須謹慎選用各種添加劑， 并在生產、加工和使用過程中， 避免帶入和注意消除雜質。

水是一種最常見， 能明顯增加介質損耗的極性雜質。它能以離子電導形式增加漏導電流， 引起介質損耗； 另一方面， 它還可以以離子界面極化或偶極極化的形式增加介質損耗和介電常數。例如， 聚乙酸乙烯酯與聚氯乙烯在干燥的條件下， 介電性能相近， 但由于聚乙酸乙烯酯吸濕性強， 介質損耗增加， 因此它不像聚氯乙烯那樣廣泛應用于電氣工業。

在電力電纜的絕緣材料中， 往往要求介質損耗盡量小， 否則一方面會消耗較高的電能，另一方面還會引起材料發熱， 加速絕緣材料的老化， 降低電纜使用壽命， 所以在電力電纜中都使用介質損耗小的聚乙烯、聚氯乙烯、天然橡膠、丁苯橡膠、乙丙橡膠做絕緣材料。

但在高頻焊接、高頻加熱方面， 介質損耗就非常有意義了。