Для выявления влияния влаги на диэлектрические свойства полимерных пленок часто используют так же диэлектрический метод исследования. О характере изменения диэлектрических свойств смотрят по изменению массы и емкости датчика.

       В статье [8] используются следующие тонкие полимерные покрытия: гибкоцепный аморфно-кристаллический эластичный полимер (поливиниловый спирт, ПВС), толщиной 30 мкм, жесткоцепный и густосетчатый аморфный стеклообразный полимер (полиимид, ПИ) толщиной 3 мкм и отвержденная алифатическим амином смола ЭД-20, (ЭД-ПЭПА) толщиной 50 мкм.

Примеры первичных кинетических кривых относительных изменений емкости диэлектрического датчика и массы, рассчитываются по формулам:

                                                     (4.1)

                                                                  (4.2)

где С₀, С_t и G₀, G_t, – начальная и текущая емкость датчика и масса образца соответственно для образцов с покрытиями ПВС, ПИ и ЭД-ПЭПА при трех активностях паров воды.

Приведенные на рисунке 3.2.1 данные показывают, что между кривыми изменений емкости датчика и массы образца наблюдаются заметные различия не только в их положении относительно осей DС и DG, но и в их форме и положении относительно оси времени [8].

Рисунок 3.2.1 Кинетические изотермы изменения массы образцов (1-3) и емкости датчика (С₀=156 пФ) (1¢-3¢) с покрытиями ПВС (1,1¢), ПИ (2,2¢) и ЭД-ПЭПА (3,3¢) при активности паров 0,6 (1,1¢), 0,75 (2,2¢) и 0,9 (3,3¢) и температуре 20⁰С [8].

    По предельным значениям изменения массы и емкости образцов с покрытиями при различных значениях активности паров строятся равновесные изотермы изменения массы и емкости образцов с исследуемыми полимерными покрытиями (рисунок 3.2.2) и корреляционные соотношения между количеством сорбированной воды и изменениями емкости датчиков (рисунок 3.2.3).

Рисунок 3.2.2 Равновесные изотермы изменения массы (1,2,3) и емкости (1¢,2¢,3¢) образцов с покрытиями ПВС (1,1¢), ПИ (2,2¢) и ЭД-ПЭПА (3,3¢) при 20⁰С [8].

Рисунок 3.2.3 Зависимости изменения емкости датчика с покрытием ПВС (1), ПИ (2) и ЭД-ПЭПА (3) от содержания воды в полимере при 20 ⁰С [8].

S – образный характер равновесных изотерм изменения как емкости, так и массы образцов с покрытиями при сорбции паров воды (см. рисунок 3.2.2) наблюдается прямая пропорциональность между концентрацией воды и изменением емкости МДД (см. рисунок 3.2.3), свидетельствуют о решающей роли состояния, а не только количества сорбированной воды на изменение емкости МДД. Существуют различные состояния сорбированной полярными полимерами воды, обладающей различными диэлектрическими свойствами: связанной, или адсорбированной, свободно растворенной, или лабильной, агрегированной, или кластеризованной и конденсированной, или жидкоподобной [8].

Связанная вода соответствует начальным участкам изотерм, свободно растворенная - средним, а агрегированная и конденсированная - конечным. Предельная концентрация связанной воды, или начальная концентрация лабильной воды (С_л) может быть определена как концентрация насыщения монослоя по изотерме сорбции с использованием уравнения БЭТ:

                                                    (4.3)

представляющего собой прямую в координатах - а₁,

где: а₁ – активность паров воды; С – равновесная концентрация сорбированной воды; С_л – предельная концентрация связанной (адсорбированной) воды; k – константа, зависящая от характера взаимодействия полимер – сорбат.

Конечная концентрация лабильной воды, или начальная концентрация кластерообразования воды (С_кл) может быть рассчитана по уравнению Цимма-Ландберга:

                                                            (4.4)

где  – парциальный мольный объем, объемная доля и активность паров воды соответственно.

Образование кластеров молекул воды становится возможным при условии G₁₁/v₁ > -1, т.е. при  и, следовательно, С_кл может быть найдено по максимуму на кривой а₁/j₁ – С.

Значения соответствующих концентраций воды приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Значения концентраций воды, при которых появляется лабильная (С_л) и кластеризованная (С_кл) вода для исследованных полимерных покрытий [8].

В связанном состоянии диэлектрическая проницаемость (e¢) воды соответствует e¢ льда (3,2), в лабильном состоянии она соответствует величине порядка 30, а в агрегированном, как и в конденсированном, состоянии - 81. Соответственно, в областях связанной, лабильной и кластеризованной воды наблюдаются различные корреляцонные зависимости DС - DG (см. рисунок 3.2.3) [8].

Вклад сорбированной воды в изменение емкости МДД носит прямо пропорциональный характер только в определенных интервалах ее концентрации с различным наклоном прямых в этих интервалах. Это обусловлено как изменением молекулярной подвижности в полимерах при их пластификации водой, так и различием в диэлектрической проницаемости сорбированной воды в различном физическом состоянии, которое определяется количеством сорбированной воды и природой полимера. В то же время можно констатировать, что при учете этих факторов диэлектрический метод определения концентрации сорбированной воды в полимерных покрытиях и ее кинетики или коэффициентов диффузии отличаются простотой и малой трудоемкостью [8].

В статье [9] на основе полиимидной пленки толщиной 3 мкм (как и в статье [8]) создается тонкопленочный конденсатор. В качестве электродов используются слои алюминия и  ITO (рисунок 3.2.4 а). Увеличение емкости структуры объясняется диффузией молекул воды через тонкий слой металлического электрода в микропоры на поверхности полиимидной пленки. Полиимидная пленка обладает свойством обратимой сорбции молекул воды. При попадании паров воды в полиимидную пленку её диэлектрическая проницаемость возрастает, что приводит к увеличению емкости полученной конденсаторной структуры.

Приведена зависимость емкости  от относительной влажности воздуха (рисунок 3.2.4, б). Крутизна характеристик в полученных структурах изменяется в пределах 1,0–1,2 пФ/%. При уменьшении влажности практически отсутствует гистерезис (величина 1–2 %).

Рисунок 3.2.4 Тонкопленочный конденсатор: структурная схема датчика влажности (а),

зависимость емкости от влажности (б) [9].