Elektrické vlastnosti polymerů

Polymery patří mezi dobré elektrické izolanty. Tato vlastnost je široce využívána v izolacích vodičů a kabelů, stejně jako v součástkách různých elektrospotřebičů. Některé polymery, např. chloroprenový kaučuk (CR) nebo butadien-akrylonitrilový kaučuk (NBR) obsahují elektricky polarizovatelné dipóly a na elektrické izolace se proto hodí méně. Izolační vlastnosti se ovšem mohou zhoršit některými vodivými přísadami (např. sazemi, grafitem, antistatickými přísadami, kovovými prášky, uhlíkovými vlákny apod.), absorpcí vody u navlhavých polymerů nebo jejich vystavením prostředí vodní páry. Na druhé straně existují také polymery s mimořádně dobrou elektrickou vodivostí, jedná se o tzv. vodivé polymery, které se s výhodou používají čím dál častěji v mikroelektronice, kde vytlačují tradiční křemíkové polovodiče nebo se používají pro povrchové úpravy ve formě lakového nátěru apod. Jsou to vesměs speciální polymery (viz kap. 19).

Měřítkem izolačních vlastností (viz tab. 10 a příklad materiálového listu na obr. 52) jsou:

• Měrný vnitřní nebo povrchový izolační odpor (objemová nebo povrchová rezistivita), který vyjadřuje velikost elektrického odporu vodiče redukovaný na jeho objem nebo plochu. Čím je jejich hodnota menší, tím je větší vodivost polymeru. Měrný vnitřní izolační odpor(ρ_v) je definován jako poměr stejnosměrného napětí a proudu, který protéká polymerem mezi dvěma elektrodami dotýkajících se jeho protilehlých ploch redukovaný na objemovou jednotku. Povrchový izolační odpor (ρ_p) je definován poměrem stejnosměrného napětí a proudu protékajícího na povrchu polymeru mezi dvěma elektrodami redukovaný na jednotkovou plochu.
• Elektrická (průrazová) pevnost vyjadřuje intenzitu elektrického pole, při které se polymer v některém místě stane natolik vodivý, že nastane průraz. Její hodnota je dána poměrem příslušného napětí a tloušťky polymeru. Nejedná se o materiálovou vlastnost, ale její hodnota závisí na tloušťce polymeru (roste s klesající tloušťkou), ale také na jeho historii (stárnutí), teplotě a vlhkosti prostředí (s rostoucí teplotou a vlhkostí výrazně klesá), době působení napětí (s časem užívání polymerního dílu se zhoršuje), tvaru elektrod apod.

Polymery s měrným povrchovým izolačním odporem ρ_p < 10⁴ Ω se obvykle pokládají za elektricky vodivé, mezi (10⁴ + 10⁸) Ω za antistatické a nad 10⁸ Ω za izolační (naměřený odpor ovšem závisí značně na geometrii vzorku, takže toto rozdělení není zcela jednoznačné). Důsledkem izolačních vlastností (vysokého povrchového izolačního odporu) je, že se polymery snadno nabíjí statickou elektřinou (elektrostatický náboj se nestačí dostatečně rychle odvádět). Polymer může získat povrchový náboj přímým působením napětí nebo v důsledku tření s jiným povrchem. Přítomnost statické elektřiny může způsobit zpomalení, nebo dokonce úplné zastavení výroby vlivem ulpívání materiálů, přitahováním prachu, přitahováním součástí vzájemně apod. Přitahováním prachů a nečistot ovlivňuje statická elektřina negativně kvalitu povrchové úpravy plastů zejména při lakování a potiskování. V elektrotechnickém průmyslu způsobuje často elektrostatický výboj (jiskry), který poškodí nebo zcela zničí citlivé součástky, způsobí ztrátu dat v paměti, nesprávné vstupy atd.

Většinu problémů se statickou elektřinou je možné úspěšně řešit přídavkem antistatických přísad, které snižují povrchový odpor polymeru (tj. přídavkem pevných elektricky vodivých látek), látkami schopnými udržovat povrch materiálů navlhlý, a tedy i elektricky lépe vodivý, nebo přímo při výrobě polymerních dílů použitím zařízení na principu ionizace vzduchu, které neutralizuje statickou elektřinu. Mezi takováto zařízení patří např. ionizační vzduchové ventilátory umístěné vedle zpracovatelského stroje nebo nad dopravníkem, vzduchové nože s antistatickou tyčí pevně instalované nad dopravníkem nebo ionizační pistole pro ruční neutralizaci a čištění povrchu dílu. V nouzi je možno si pomoci potřením povrchu polymeru vhodným antistatickým prostředkem. Tyto prostředky jsou však dobře rozpustné ve vodě a z povrchu dílu se snadno stírají nebo smývají, takže jejich funkce je na rozdíl od průmyslově přidávaných antistatických přísad do celé hmoty časově omezena.

Tab. 10: Typické hodnoty elektrických vlastnosti polymerů

Polymery jako dobré izolanty jsou i výbornými dielektriky. Dielektrikem rozumíme materiál, který může být polarizován v elektrickém poli (izolant je podmnožinou dielektrik, každý izolant je dielektrikum, nikoliv však každé dielektrikum je izolantem - např. voda). Míru polarizovatelnosti polymeru vyjadřují následující dielektrické vlastnosti:

• Relativní permitivita (ε_r), která udává, kolikrát se zvýší kapacita kondenzátoru, pokud bude použito dotyčného polymeru jako dielektrika ve srovnání s kondenzátorem, jehož dielektrikum tvoří vakuum, eventuelně vzduch (pozn.: kondenzátor slouží k dočasnému uchování elektrického náboje a tím i k uchování potenciální elektrické energie).
• Ztrátový činitel (tan δ), který vyjadřuje míru ztracené energie v polymeru (energie se přemění na teplo). Polymery s vysokým ztrátovým činitelem se ve střídavém elektrickém poli zahřívají a nechají se případně takto svařovat. Naopak pro vysokofrekvenční aplikace (např. v telekomunikační technice) by ztrátový činitel měl být co nejmenší.