3.4. Контактная электризация полимеров

Электризация полимеров происходит путем переноса заряда электронами и / или ионами. Рассмотрим первый случай: при контакте двух материалов электроны перераспределяются спонтанно через границу раздела материалов. Важнейшей характеристикой идеального изолятора (полимера) является очень широкая запрещенная зона, свободная от каких-либо примесных уровней. В этом случае электризация с уравниванием уровней Ферми не может происходить путем переноса электронов в объем изолятора или из него. Причина этого проста – нехватка тепловой энергии для возбуждения электронов из валентной зоны в зону проводимости. Однако можно ожидать, что в реальных полимерах имеются локализованные состояния, обусловленные наличием примесей или дефектов, так что электроны могут перемещаться между этими состояниями посредством прыжкового механизма проводимости. В этом случае может иметь место перенос зарядов, аналогичный случаю полупроводника, однако гораздо более медленный.

Как показывает опыт, некоторые полимеры ведут себя как почти идеальные изоляторы и за много лет диссипации зарядов не происходит. Поэтому механизм контактной электризации посредством переноса электронов из объема или в объем полимера имеет место не всегда. Остается лишь одна возможность объяснения электризации на электронном уровне, а именно предположение о преобладающем влиянии поверхностных состояний. Участие поверхностных состояний в контактной электризации согласуется с данными о том, что в большинстве случаев речь идет о быстром процессе. Также было доказано, что плотность зарядов зависит от работы выхода электронов линейным образом. Это свидетельствует о том, что контактная электризация реализуется за счет поверхностных состояний и обусловлена электронными процессами.

В современных исследованиях, посвященных контактной электризации, обычно предполагается, что перенос зарядов осуществляется электронами, однако нельзя исключить и возможность переноса ионов через границу раздела, особенно в случае полимеров, содержащих ионные фрагменты структуры или ионные примеси. Вводимые в полимеры добавки, в особенности антистатики, выпотевают на поверхность, и в этом случае можно ожидать преобладания переноса зарядов ионами. Присутствие ионов на поверхности неизбежно ведет к их участию в процессе контактной электризации, хотя при этом следует принимать во внимание множество дополнительных факторов.

• степень диссоциации ионной компоненты. Это, в свою очередь, определяется окружением ионов. Присутствие воды, обладающей высокой диэлектрической проницаемостью, способствует ионизации, увеличивая число ионов для переноса;

• подвижность ионов. Она зависит от размера ионов и степени сольватации (связывания молекул растворителя, например воды, с ионами), которая снижает подвижность;

• относительная стабильность положительных и отрицательных ионов на обеих поверхностях. Это определяет конечное состояние равновесия.

Сложность явления послужила причиной того, что возможность ионного механизма контактной электризации долгое время оставалась лишь гипотезой. Тем не менее, для определенной категории полимеров с ионными компонентами в составе в настоящее время имеется достаточно свидетельств в пользу такого механизма. По данному механизму процесс переноса заряда определяется количеством диссоциированных ионов на поверхности, на концентрацию которых влияет целый ряд факторов, в том числе образование ионных пар и ионных агрегатов более высокого порядка. Это и объясняет нелинейную зависимость заряда от стехиометрической концентрации ионной составляющей [].