導(dǎo)電高分子材料

1、導(dǎo)電高分子材料的應(yīng)用與發(fā)展材料化學(xué)3班 【摘要】：主要論述了導(dǎo)電高分子材料的種類、發(fā)展概況及其應(yīng)用，對新近開發(fā)的復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料產(chǎn)品進(jìn)行了介紹，介紹了導(dǎo)電高分子材料的分類、導(dǎo)電機(jī)制、在各領(lǐng)域中的應(yīng)用及研究進(jìn)展并對導(dǎo)電高分子材料的發(fā)展進(jìn)行了展望?！娟P(guān)鍵詞】：導(dǎo)電高分子材料；復(fù)合型導(dǎo)電高分子；結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料；制備；應(yīng)用傳統(tǒng)的高分子材料為絕緣材料，在使用時存在靜電積累、電磁波干擾等危害，如用其制造的傳送帶，在傳送煤炭的過程中易發(fā)生火災(zāi)和爆炸；油船因靜電引起火災(zāi)；塑料薄膜在生產(chǎn)過程中常因靜電發(fā)生事故。隨著大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，靜電及電磁波公害更加突出。隨著電子線路集成化水平的提高，電磁波

2、的影響將會引起誤動等危害。這些問題的出現(xiàn)已嚴(yán)重阻礙了高分子材料的發(fā)展，因此，必須研制開發(fā)導(dǎo)電高分子材料來解決上述問題。1 導(dǎo)電高分子材料的種類按照材料的結(jié)構(gòu)與組成，可將導(dǎo)電高分子材料分為兩大類。一類是復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料，另一類是結(jié)構(gòu)型（或本征型）導(dǎo)電高分子材料。1.1復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料是將各種導(dǎo)電性物質(zhì)以不同的方式和加工工藝（如分散聚合、層積復(fù)合、形成表面電膜等）填充到聚合物基體中而構(gòu)成的材料。幾乎所有的聚合物都可制成復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料。其一般的制備方法是填充高效導(dǎo)電粒子或?qū)щ娎w維，如填充各類金屬粉末、金屬化玻璃纖維、碳纖維、鋁纖維、不銹鋼纖維及錳、鎳、鉻、鎂等金屬纖

3、維，填充纖維的最佳直徑為7um。復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料在技術(shù)上比結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料具有更加成熟的優(yōu)勢，用量最大最為普及的是炭黑填充型和金屬填充型。1.2結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料結(jié)構(gòu)型（又稱作本征型）導(dǎo)電高分子是指那些高分子材料本身或經(jīng)過摻雜后具有導(dǎo)電功能的聚合物。這種高分子材料本身具有“固有”的導(dǎo)電性，由其結(jié)構(gòu)提供導(dǎo)電載流子，一旦經(jīng)摻雜后，電導(dǎo)率可大幅度提高，甚至可達(dá)到金屬的導(dǎo)電水平。從導(dǎo)電時載流子的種類來看，結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料又被分為離子型和電子型兩類。離子型導(dǎo)電高分子通常又稱為高分子固體電解質(zhì)，它們導(dǎo)電時的載流子主要是離子。電子型導(dǎo)電高分子指的是以共軛高分子為主體的導(dǎo)電高分子材料。導(dǎo)電時的載

4、流子是電子（或空穴），這類材料是目前世界導(dǎo)電高分子中研究開發(fā)的重點(diǎn)1。2.導(dǎo)電高分子材料的導(dǎo)電方式以及特性2.1復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料是指經(jīng)物理改性后具有導(dǎo)電性的材料一般是指將導(dǎo)電性填料經(jīng)改性后摻混于樹脂中制成的根據(jù)導(dǎo)電填料的不同又可分為碳黑填充型及金屬填充型復(fù)合型材料是目前用途最廣用量最大的一種復(fù)合型導(dǎo)電材料2.1.1碳黑填充型碳黑填充型導(dǎo)電材料是目前復(fù)合型導(dǎo)電材料中應(yīng)用最廣泛的一種。一是因?yàn)樘己趦r格低、廉實(shí)用性強(qiáng)。二是因?yàn)樘己谀芨鶕?jù)不同的導(dǎo)電要求有較大的選擇余地。聚合物碳黑體系電阻率可在10-108之間調(diào)整，不僅可以消除和防止靜電，還可以用作面裝發(fā)熱體，電磁波屏蔽以及高導(dǎo)

5、體電極材料等。三是導(dǎo)電持久穩(wěn)定2。其缺點(diǎn)是產(chǎn)品顏色只能是黑色而影響外觀。碳黑填充型導(dǎo)電機(jī)理可用導(dǎo)電能帶、隧道效應(yīng)和場致發(fā)射發(fā)射來解釋。2.1.2金屬填充型導(dǎo)電材料金屬填充型導(dǎo)電高分子材料起始于70年代初期，開始僅限于金屬粉末填充用于消除靜電的場合或用于金、鐵、銅粉配制導(dǎo)電粘合劑。目前已使用的方法有表面金屬化和填充金屬型兩種。表面金屬化即采用電鍍、噴涂、粘貼等方法使塑料制品表面形成一層高導(dǎo)電金屬。填充金屬型是以聚合物為基材，以金屬粉末、金屬絲、金屬纖維等高導(dǎo)電材料為填充材料經(jīng)適當(dāng)混煉和成型加工后而得到的性能優(yōu)異的導(dǎo)電材料3。銀作為導(dǎo)電填料而制備的復(fù)合型導(dǎo)電材料是金屬填充型導(dǎo)電材料的重要一種。從單

6、一物質(zhì)的導(dǎo)電性而言，使用銀粉（或條）當(dāng)然是既有效又經(jīng)濟(jì)的，當(dāng)需要特別高的導(dǎo)電率時，最好選用銀粉作填料，當(dāng)銀粉體系中含量為50%-55%時，體系電導(dǎo)率約為10-4W cm 甚至可達(dá)5-7 W cm。但由于銀價格昂貴，使用范圍非常受限。同時銀粉用量常比碳黑大，因?yàn)橐话闱闆r下金屬粉末不利于形成鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，而這樣高的金屬含量又常導(dǎo)致聚合物力學(xué)性能受損。此外，高相對密度的銀粉和低相對密度的高聚物樹脂也存在分散和相容的困難。2.2結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料是帶有共軛雙鍵的結(jié)晶性高聚物。其導(dǎo)電機(jī)理主要是通過高聚物分子中的電子域（結(jié)構(gòu)中帶有共雙鍵，鍵電子作為載流子）引入導(dǎo)電性基團(tuán)或者摻雜一些其他物

7、質(zhì)通過電荷變換形成導(dǎo)電性。結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料具有有機(jī)高分子的低密度、易加工成型的優(yōu)點(diǎn)，又具有一定導(dǎo)電性的優(yōu)點(diǎn)。1977 年發(fā)現(xiàn)聚乙炔的導(dǎo)電現(xiàn)象以來，在世界范圍內(nèi)掀起了研究和開發(fā)導(dǎo)電高聚物的熱潮。盡管聚乙炔是最早發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)電高分子，具有接近銅的電導(dǎo)率，但由于它的環(huán)境穩(wěn)定性問題一直未得到解決，應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面的工作比較薄弱。而環(huán)境穩(wěn)定性好的聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺目前已成為導(dǎo)電高分子的三大主要品種4。3. 導(dǎo)電高分子材料的發(fā)展概況復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料在工業(yè)上的應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代。它是將導(dǎo)電的炭黑、金屬粉末、金屬絲或碳纖維混到高分子基質(zhì)中而形成的導(dǎo)電材料。進(jìn)入80年代，美、德、日等國先后制定了有

8、關(guān)限制電磁干擾/ 射頻干擾（EMI / RFI）公害的規(guī)定，規(guī)定生產(chǎn)的各種電子電氣設(shè)備必須有電磁屏蔽設(shè)施，使得導(dǎo)電高分子材料的研究開發(fā)空前活躍，市場需求量增大。從1982 - 1987年，美國對導(dǎo)電高分子材料的需求量增長了3.3倍，日本從1980- 1987年需求量增長了4.4倍。90年代隨著微電子工業(yè)的發(fā)展，導(dǎo)電高分子材料的市場越來越大。據(jù)預(yù)測，到21世紀(jì)初，導(dǎo)電塑料總消費(fèi)量將從上世紀(jì)90 年代初的5.45萬t增至20.9萬t，保持年增長率15%的勢頭。結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料是1971年由日本白川研究用齊格勒- 納塔催化劑合成聚乙炔時發(fā)現(xiàn)的。80年代以來，發(fā)現(xiàn)聚對苯硫醚、聚吡咯、聚噻吩、聚喹啉

9、等共軛型聚合物均可通過摻雜形成高導(dǎo)電塑料。90年代，結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料已部分進(jìn)入實(shí)用化階段，如德國Zippering Kessler 公司制成了用于生產(chǎn)高剪切的結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料模塑部件的專用小型設(shè)備。BASF 公司研制的聚乙炔，在導(dǎo)電率與質(zhì)量比上已經(jīng)達(dá)到許多金屬相同的量級。雖然結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料已開始進(jìn)入實(shí)用化，但因其性能不穩(wěn)定、難加工、成本高等缺點(diǎn)，使其占整個導(dǎo)電高分子材料的比重相當(dāng)?shù)?，目前市場供?yīng)的產(chǎn)品90%以上是復(fù)合型的。據(jù)預(yù)測，到2010年結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料將占總導(dǎo)電高分子材料銷售額的17.5%。此外，日本的道化學(xué)、三菱氣體化學(xué)、宇部工業(yè)、德國的BASF等公司對導(dǎo)電塑料已經(jīng)進(jìn)

10、入了更高層次的研究。目前聚乙炔是技術(shù)上最為成熟的結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料，并且得到了推廣應(yīng)用。4.導(dǎo)電高分子的應(yīng)用4.1在隱身技術(shù)中的應(yīng)用在結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子中的吸波機(jī)理可認(rèn)為是電損耗和介電損耗。由于電磁波的存在，材料被反復(fù)極化，從而使分子電偶極子跟隨電磁場的振蕩而產(chǎn)生分子摩擦。與此同時，由于材料存在電導(dǎo)率，電磁波就會在材料中形成感應(yīng)電流而產(chǎn)生熱量，使得電磁波在這一過程中能量被消耗掉。要注意的是，并不是電導(dǎo)率越高吸收電磁波的效果越好，因?yàn)樘叩碾妼?dǎo)率會增加材料表面對電磁波的反射，反而不利于電磁波的吸收。所以需要通過各種方法來調(diào)節(jié)電導(dǎo)率，從而調(diào)節(jié)到最好的隱身效果5。在復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料中通常會加入納

11、米微粒材料作為吸收劑，摻雜到橡膠或樹脂基質(zhì)中。由于納米微粒的尺寸在1100nm之間，而這又遠(yuǎn)小于雷達(dá)發(fā)射的電磁波波長，所以納米微粒材料對電磁波的透過率要比其他常規(guī)材料強(qiáng)得多，很大程度上減少了電磁波的反射率，使得雷達(dá)接收到的反射信號很微弱，從而就達(dá)到了隱身的作用。而且納米微粒材料的比表面積比微米級材料要大很多，對于電磁波和紅外光波的吸收率也比普通材料大很多，因而分別由探測物和雷達(dá)發(fā)射的紅外光和電磁波被納米粒子吸收掉，使得紅外探測器和雷達(dá)就很難發(fā)現(xiàn)目標(biāo)了6。4.2用于防靜電和電磁屏蔽方面導(dǎo)電高聚物最先應(yīng)用是從防靜電開始的。將特定比例的十二烷基苯磺酸和對甲苯磺酸混合酸摻雜的PANI與聚(丙烯腈一丁二

12、烯一苯乙烯)樹脂(ABS)共混擠出，制備了雜多酸摻雜PANIABS復(fù)合材料，通過現(xiàn)場聚合的方法在透明聚酯表面聚合了_一層導(dǎo)電PANI，表面電阻可控制在1061097 。通過對復(fù)合材料EMI屏蔽的研究，發(fā)現(xiàn)在101 GHz下，復(fù)合材料的屏蔽效能隨其中PANI含量的增大而增大。摻雜能提高PANI的屏蔽效能8。4.3生物傳感器Cosnier等研究發(fā)現(xiàn)了一種獨(dú)特的內(nèi)插層(一個分子可以將自己插層到DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)中)為基礎(chǔ)的固定技術(shù)通過電流測定法測定單螺旋DNA結(jié)構(gòu)。目標(biāo)DNA螺旋可以被檢測到，當(dāng)它形成被搛針標(biāo)記的雙層DNA螺旋，隨后被親和力很強(qiáng)的內(nèi)插層固定，而內(nèi)插層被共價結(jié)合在PPy大分子上。這些P

13、Py表面不僅可以用來檢測任何的單鏈的DNA螺旋，而且其檢出極限低，甚至可以達(dá)到1pgml。相反的，一個自由標(biāo)記的DNA生物傳感器可以用來檢測在PPy包覆的微電極表面以離子交換機(jī)理中靜電交換為基礎(chǔ)的雜交。經(jīng)磷酸分子功能化的吡烙接枝到PPy表面使得DNA探針可以通過靜電復(fù)合DNA磷酸鹽基團(tuán)(通過磷酸和鎂離子)而被固定。而且也具有很低的檢測限。這些傳感器可以提供自由標(biāo)記檢測，并且可以再生而重復(fù)利用9。5. 導(dǎo)電高分子材料的展望隨著電子、電器領(lǐng)域?qū)?dǎo)電高分子材料需求的增長，導(dǎo)電高分子材料的開發(fā)及應(yīng)用也日益擴(kuò)大。目前導(dǎo)電高分子材料在美、日、德等國家的使用量已經(jīng)達(dá)到較高的程度，需求量正在逐年成倍地增加。以

14、美國為例，其導(dǎo)電高分子材料的市場值在l987年僅為l70萬美元，而2000的市場值就達(dá)到了900萬美元。在中國導(dǎo)電高分子材料各方面的開發(fā)研究正在積極展開，而且在電子、電器工業(yè)中，導(dǎo)電高分子材料的需求量也在逐年增加。結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料主要的開發(fā)應(yīng)用方向是大功率蓄電池、微波吸收材料、太陽能電池、新型感光材料。復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料是目前開發(fā)應(yīng)用的重點(diǎn)，主要集中在抗靜電材料和電磁屏蔽產(chǎn)品。復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料的發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面：（1）提高導(dǎo)電性，同時降低填料填充量；（2）在增加填充量和提高導(dǎo)電性的前提下，維持和改善復(fù)合材料的成型加工性能、力學(xué)性能及其它性能；（3）開發(fā)導(dǎo)電材料新品種，拓寬應(yīng)

15、用領(lǐng)域；（4）復(fù)合材料的多功能化，除了具有導(dǎo)電性外，還具有優(yōu)良的阻燃性、阻隔性、耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦等性能。經(jīng)過幾十年的探索與研究，導(dǎo)電高分子材料無論在分子結(jié)構(gòu)理論、導(dǎo)電機(jī)理上，還是在品種、高導(dǎo)電率和實(shí)際應(yīng)用上都已取得驚人的進(jìn)展。參考文獻(xiàn)：1張凱,曾敏,雷毅,江潞霞.導(dǎo)電高分子材料的進(jìn)展J.化工新型材料2002,07:13-15+24.2周祚萬,盧易穎等.復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電性能影響因素研究概況J.高分子材料科學(xué)與工程,1998,(2):53范五一,黃鎖,蔡碧華等.切屑法銅纖維填充復(fù)合材料性能的研究.塑料科技1993,(4):74楊永芳,劉敏江.導(dǎo)電高分子材料研究進(jìn)展J.工程塑料應(yīng)用,2002,07:5