關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類(lèi),特性及應(yīng)用ppt課件

1、導(dǎo)電高分子導(dǎo)電高分子 200760010907材料化學(xué)一班材料化學(xué)一班1;.2思考題思考題: : 1.1.說(shuō)明導(dǎo)電高分子的類(lèi)型及其導(dǎo)電機(jī)理說(shuō)明導(dǎo)電高分子的類(lèi)型及其導(dǎo)電機(jī)理 2.2.說(shuō)明結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子的特性說(shuō)明結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子的特性 3.3.說(shuō)明結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子的應(yīng)用前景說(shuō)明結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子的應(yīng)用前景 3v 一、定義一、定義v 二、種類(lèi)二、種類(lèi)v 三、歷史三、歷史v 四、導(dǎo)電機(jī)理四、導(dǎo)電機(jī)理v 五、特性五、特性v 六、應(yīng)用六、應(yīng)用v 七、問(wèn)題與挑戰(zhàn)七、問(wèn)題與挑戰(zhàn)4一、導(dǎo)電高分子的定義一、導(dǎo)電高分子的定義 導(dǎo)電高分子導(dǎo)電高分子是指是指其本身或經(jīng)過(guò)其本身或經(jīng)過(guò)“摻雜摻雜”后具有導(dǎo)電性的一類(lèi)高分子材

2、料。后具有導(dǎo)電性的一類(lèi)高分子材料。5電導(dǎo)率mSm116材料導(dǎo)電能力的差異與原因能帶間隙 (Energy Band Gap) 金屬之Eg值幾乎為0 eV ，半導(dǎo)體材料Eg值在1.03.5 eV之間，絕緣體之Eg值則遠(yuǎn)大于3.5 eV。 7二、種類(lèi)二、種類(lèi)n1. 復(fù)合型：普通聚合物復(fù)合型：普通聚合物+導(dǎo)電粉末導(dǎo)電粉末 （如防靜電塑料袋、導(dǎo)電膠）（如防靜電塑料袋、導(dǎo)電膠）n2. 本征型：依靠分子結(jié)構(gòu)導(dǎo)電本征型：依靠分子結(jié)構(gòu)導(dǎo)電8三、導(dǎo)電高分子的歷史三、導(dǎo)電高分子的歷史n1862年年Lethebi聚苯胺聚苯胺n1973年，白川英樹(shù)、年，白川英樹(shù)、Hegger、 MacDiarmid摻雜聚乙炔（電導(dǎo)率達(dá)

3、摻雜聚乙炔（電導(dǎo)率達(dá)102s/cm）n1986年，年，Elsenbaumer R.L.等人得到了可溶性聚噻吩等人得到了可溶性聚噻吩 CHCHn9 1974年日本筑波大學(xué)H.Shirakawa在合成聚乙炔的實(shí)驗(yàn)中，偶然地投入過(guò)量1000倍的催化劑，合成出令人興奮的有銅色的順式聚乙炔薄膜與銀白色光澤的反式聚乙炔。 Ti(OC4H9)4Al(C2H5)3HCCH1000 倍催化劑108107 S/m103102 S/m導(dǎo)電高分子材料的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電高分子材料的發(fā)現(xiàn)10 1975年，年，G. MacDiarmid 、 J.Heeger與與H.Shirakawa合作進(jìn)行研究，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)聚合作進(jìn)行研究，他們發(fā)現(xiàn)

4、當(dāng)聚乙炔曝露于碘蒸氣中進(jìn)行摻雜氧化反應(yīng)乙炔曝露于碘蒸氣中進(jìn)行摻雜氧化反應(yīng)(doping)后，其電導(dǎo)率令人吃驚地達(dá)到后，其電導(dǎo)率令人吃驚地達(dá)到3000S/m。聚乙炔的摻雜反應(yīng)聚乙炔的摻雜反應(yīng)11 1980年，年，英國(guó)英國(guó)Durham大學(xué)的大學(xué)的W.Feast得到更大密度的聚乙炔。得到更大密度的聚乙炔。 1983年，加州理工學(xué)院的年，加州理工學(xué)院的H.Grubbs以烷基鈦配合物為催化劑將環(huán)辛四烯轉(zhuǎn)換了聚乙炔以烷基鈦配合物為催化劑將環(huán)辛四烯轉(zhuǎn)換了聚乙炔，其導(dǎo)電率達(dá)到其導(dǎo)電率達(dá)到35000S/m，但是難以加工且不穩(wěn)定，但是難以加工且不穩(wěn)定。 1987年年，德國(guó)德國(guó)BASF科學(xué)家科學(xué)家 N. Theop

5、hiou 對(duì)對(duì)聚乙炔聚乙炔合成方法進(jìn)行了改良，合成方法進(jìn)行了改良，得到的聚乙炔得到的聚乙炔電電導(dǎo)率與銅在同一數(shù)量級(jí)導(dǎo)率與銅在同一數(shù)量級(jí)，達(dá)到，達(dá)到107S/m。 后續(xù)研究進(jìn)展后續(xù)研究進(jìn)展12其它導(dǎo)電高分子材料其它導(dǎo)電高分子材料NHpolypyrrole (PPy)nSpolythiophene (PT)npoly(phenylene vinylene) (PPV)nHNHNNNpolyanilinen 與聚乙炔相比，它們?cè)诳諝庵懈臃€(wěn)定，可直接摻雜聚合，電導(dǎo)率在與聚乙炔相比，它們?cè)诳諝庵懈臃€(wěn)定，可直接摻雜聚合，電導(dǎo)率在104S/m左右，左右，可以滿足實(shí)際應(yīng)用需要?？梢詽M足實(shí)際應(yīng)用需要。13名

6、稱名稱結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)聚乙炔聚乙炔聚噻吩聚噻吩聚吡咯聚吡咯聚苯胺聚苯胺聚聚 苯苯S()nNH()n()NHn()n等等本征型：本征型：14四 導(dǎo)電高分子材料的導(dǎo)電機(jī)理有機(jī)化合物中的有機(jī)化合物中的 鍵和鍵和鍵鍵 在有機(jī)共軛分子中，鍵是定域鍵，構(gòu)成分子骨架；而垂直于分子平面的p軌道組合成離域鍵，所有電子在整個(gè)分子骨架內(nèi)運(yùn)動(dòng)。離域鍵的形成，增大了電子活動(dòng)范圍，使體系能級(jí)降低、能級(jí)間隔變小，增加物質(zhì)的導(dǎo)電性能。15導(dǎo)電高分子材料的共同特征交替的單鍵、雙鍵共軛結(jié)構(gòu)導(dǎo)電高分子材料的共同特征交替的單鍵、雙鍵共軛結(jié)構(gòu) 聚乙炔由長(zhǎng)鏈的碳分子以聚乙炔由長(zhǎng)鏈的碳分子以sp2鍵鏈接而成，每一個(gè)碳原子有一個(gè)價(jià)電子未配對(duì)，且在鍵

7、鏈接而成，每一個(gè)碳原子有一個(gè)價(jià)電子未配對(duì)，且在垂直于垂直于sp2面上形成未配對(duì)鍵。其電子云互相接觸，會(huì)使得未配對(duì)電子很容易沿著長(zhǎng)鏈移面上形成未配對(duì)鍵。其電子云互相接觸，會(huì)使得未配對(duì)電子很容易沿著長(zhǎng)鏈移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電能力。動(dòng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電能力。16半導(dǎo)體到導(dǎo)體的實(shí)現(xiàn)途徑摻雜半導(dǎo)體到導(dǎo)體的實(shí)現(xiàn)途徑摻雜(doping) 在共軛有機(jī)分子中在共軛有機(jī)分子中電子是無(wú)法電子是無(wú)法沿沿主鏈移動(dòng)的，而主鏈移動(dòng)的，而電子電子雖較易移動(dòng)，但也相當(dāng)定域化雖較易移動(dòng)，但也相當(dāng)定域化，因此必需移去主鏈上部分電因此必需移去主鏈上部分電子子(氧化氧化)或注入數(shù)個(gè)電子或注入數(shù)個(gè)電子(還原還原)，這些，這些空穴空穴或額外電子可以或額外

8、電子可以在分子鏈上移動(dòng)，使此高分子成為導(dǎo)電體。在分子鏈上移動(dòng)，使此高分子成為導(dǎo)電體。17導(dǎo)電高分子材料的摻雜途徑導(dǎo)電高分子材料的摻雜途徑氧化摻雜 (p-doping): CHn + 3x/2 I2 CHnx+ + x I3-還原摻雜 (n-doping): CHn + x Na CHnx- + x Na+ 添補(bǔ)后的聚合物形成鹽類(lèi)，產(chǎn)生電流的原因并不是碘離子或鈉離子而是共軛雙鍵上的電子移動(dòng)。18摻雜導(dǎo)電高分子材料的導(dǎo)電機(jī)理?yè)诫s導(dǎo)電高分子材料的導(dǎo)電機(jī)理 碘分子從聚乙炔抽取一個(gè)電子形成碘分子從聚乙炔抽取一個(gè)電子形成I3，聚乙炔分子形成帶正電荷的自由基陽(yáng)離，聚乙炔分子形成帶正電荷的自由基陽(yáng)離子，在外加

9、電場(chǎng)作用下雙鍵上的電子可以非常容易地移動(dòng)，結(jié)果使雙鍵可以成功地子，在外加電場(chǎng)作用下雙鍵上的電子可以非常容易地移動(dòng)，結(jié)果使雙鍵可以成功地延著分子移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)其導(dǎo)電能力。延著分子移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)其導(dǎo)電能力。1920高分子材料導(dǎo)電能力的影響因素?fù)诫s率對(duì)導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電能力的影響摻雜率對(duì)導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電能力的影響 摻雜率小時(shí)，電導(dǎo)率隨著摻雜率的增摻雜率小時(shí)，電導(dǎo)率隨著摻雜率的增加而迅速增加；當(dāng)達(dá)到一定值后，隨摻雜加而迅速增加；當(dāng)達(dá)到一定值后，隨摻雜率增加的變化電導(dǎo)率變化很小，此時(shí)為飽率增加的變化電導(dǎo)率變化很小，此時(shí)為飽和摻雜率。和摻雜率。211.00E-091.00E-071.00E-051.00E-03

10、1.00E-011.00E+011.00E+03020406080100120聚乙炔的共軛度（摻碘率3.5，室溫測(cè)試）電導(dǎo)率，S / m共軛鏈長(zhǎng)度對(duì)導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電能力的影響共軛鏈長(zhǎng)度對(duì)導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電能力的影響 電子運(yùn)動(dòng)的波函數(shù)在沿著分子鏈方向有較大的電子云密度，并且隨著共軛鏈長(zhǎng)度的電子運(yùn)動(dòng)的波函數(shù)在沿著分子鏈方向有較大的電子云密度，并且隨著共軛鏈長(zhǎng)度的增加，這種趨勢(shì)更加明顯，導(dǎo)致聚合物電導(dǎo)率的增加。增加，這種趨勢(shì)更加明顯，導(dǎo)致聚合物電導(dǎo)率的增加。22溫度對(duì)導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電能力的影響溫度對(duì)導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電能力的影響 對(duì)金屬晶體，溫度升高引起的晶格振動(dòng)阻對(duì)金屬晶體，溫度升高引起的晶格振

11、動(dòng)阻礙其在晶體中的自由運(yùn)動(dòng)；而對(duì)于聚乙炔，溫礙其在晶體中的自由運(yùn)動(dòng)；而對(duì)于聚乙炔，溫度的升高有利于電子從分子熱振動(dòng)中獲得能量，度的升高有利于電子從分子熱振動(dòng)中獲得能量，克服其能帶間隙，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電過(guò)程?？朔淠軒чg隙，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電過(guò)程。231. 電導(dǎo)率范圍寬電導(dǎo)率范圍寬五、導(dǎo)電高分子的特性五、導(dǎo)電高分子的特性24導(dǎo)電高分子不僅可以摻雜導(dǎo)電高分子不僅可以摻雜, ,而且還可以脫摻雜而且還可以脫摻雜, ,并且摻雜并且摻雜- -脫摻脫摻雜的過(guò)程完全可逆。雜的過(guò)程完全可逆。 2. 摻雜摻雜-脫摻雜過(guò)程可逆脫摻雜過(guò)程可逆253. 具有電致變色性具有電致變色性26NN()NHN()NN()NHNH()H全氧 化態(tài)P

12、NB+e-e中 間 氧 化態(tài)EBn+e-e全還原態(tài)LEB+nn紫色藍(lán) 色淡黃 色綠色-0.2V0.8V0.5V+27響應(yīng)速度快響應(yīng)速度快(10(10-13-13 sec) sec)4.響應(yīng)速度快響應(yīng)速度快28六、導(dǎo)電高分子的應(yīng)用六、導(dǎo)電高分子的應(yīng)用291.發(fā)光二極發(fā)光二極-半導(dǎo)體特性的應(yīng)用半導(dǎo)體特性的應(yīng)用 利用導(dǎo)電高分子與金屬線圈當(dāng)電極，半導(dǎo)體高分子在中間，當(dāng)兩電極接上電源時(shí)，半利用導(dǎo)電高分子與金屬線圈當(dāng)電極，半導(dǎo)體高分子在中間，當(dāng)兩電極接上電源時(shí)，半導(dǎo)體高分子將會(huì)開(kāi)始發(fā)光。比傳統(tǒng)的燈泡導(dǎo)體高分子將會(huì)開(kāi)始發(fā)光。比傳統(tǒng)的燈泡更節(jié)省能源而且產(chǎn)生較少的熱更節(jié)省能源而且產(chǎn)生較少的熱，具體應(yīng)用包括，具體

13、應(yīng)用包括平平面電視機(jī)屏幕、交通信息面電視機(jī)屏幕、交通信息標(biāo)志等。標(biāo)志等。高分子發(fā)光二極管具有顏色可調(diào)、可彎曲、大面積和低成本等優(yōu)點(diǎn)。高分子發(fā)光二極管具有顏色可調(diào)、可彎曲、大面積和低成本等優(yōu)點(diǎn)。302.太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池-半導(dǎo)體特性的應(yīng)用半導(dǎo)體特性的應(yīng)用 導(dǎo)電高分子可制成太陽(yáng)電池，結(jié)構(gòu)與發(fā)光導(dǎo)電高分子可制成太陽(yáng)電池，結(jié)構(gòu)與發(fā)光二極管相近，但機(jī)制卻相反，它是將光能轉(zhuǎn)換二極管相近，但機(jī)制卻相反，它是將光能轉(zhuǎn)換成電能。成電能。 優(yōu)勢(shì)在于廉價(jià)的制備成本，迅速的制備工優(yōu)勢(shì)在于廉價(jià)的制備成本，迅速的制備工藝，藝，具有塑料的拉伸性、彈性和柔韌性具有塑料的拉伸性、彈性和柔韌性 。31v一個(gè)分子類(lèi)似于一根導(dǎo)線。

14、一個(gè)分子類(lèi)似于一根導(dǎo)線。v可用于高靈敏度檢測(cè)、超大規(guī)模集成技術(shù)等?？捎糜诟哽`敏度檢測(cè)、超大規(guī)模集成技術(shù)等。v“模板聚合、分子束沉積等方法模板聚合、分子束沉積等方法制備制備“分子導(dǎo)線分子導(dǎo)線”或?qū)щ姼叻肿游⒐芑驅(qū)щ姼叻肿游⒐? (或納米或納米管管) ) 3.分子導(dǎo)線分子導(dǎo)線324.二次電池二次電池高分子摻雜態(tài)儲(chǔ)存電能、脫高分子摻雜態(tài)儲(chǔ)存電能、脫摻雜過(guò)程中釋放電能摻雜過(guò)程中釋放電能 全塑電池全塑電池輸出電壓輸出電壓3V3V、電池容量、電池容量3mA.h3mA.h，復(fù)充放電上千次。，復(fù)充放電上千次。 335.生物傳感器生物傳感器-電化學(xué)摻雜電化學(xué)摻雜/去摻雜之可逆性的應(yīng)用去摻雜之可逆性的應(yīng)用葡萄糖傳

15、感器、尿素葡萄糖傳感器、尿素傳感器、乳酸傳感器、傳感器、乳酸傳感器、膽固醇傳感器膽固醇傳感器346.氣體傳感器氣體傳感器導(dǎo)電高分子與大氣某些介質(zhì)作用導(dǎo)電高分子與大氣某些介質(zhì)作用-電導(dǎo)率改變電導(dǎo)率改變, , 除去介質(zhì)除去介質(zhì)-恢復(fù)。（摻雜恢復(fù)。（摻雜/ /或脫摻雜或脫摻雜過(guò)程）。過(guò)程）?？捎米鬟x擇性高、靈敏度高和重復(fù)性好的氣體傳感器?？捎米鬟x擇性高、靈敏度高和重復(fù)性好的氣體傳感器。 35 導(dǎo)電性可以在絕緣體、半導(dǎo)體、金屬導(dǎo)體之間變化導(dǎo)電性可以在絕緣體、半導(dǎo)體、金屬導(dǎo)體之間變化, ,不同的吸波性能不同的吸波性能v密度小密度小輕輕v加工性能加工性能薄薄v穩(wěn)定性較好穩(wěn)定性較好高溫使用高溫使用 7.雷達(dá)

16、隱身材料雷達(dá)隱身材料36v摻雜摻雜/ /脫摻雜實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體脫摻雜實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體- -絕緣體之間的轉(zhuǎn)變，絕緣體之間的轉(zhuǎn)變，v且電位、且電位、PHPH、摻雜量等變化伴隨顏色變化，、摻雜量等變化伴隨顏色變化， 可用于電顯示可用于電顯示8.電顯示材料電顯示材料37導(dǎo)電高分子材料的優(yōu)越性導(dǎo)電高分子材料的優(yōu)越性 具有半導(dǎo)體及導(dǎo)體雙重特性，可低溫加工、可大面積化、具有塑料的拉伸性、彈性和柔韌性等，所以制作成本低，組件特性優(yōu)越，對(duì)未來(lái)電子及信息工業(yè)將產(chǎn)生巨大影響。 導(dǎo)電高分子材料面臨的挑戰(zhàn)導(dǎo)電高分子材料面臨的挑戰(zhàn) 綜合電性能與銅相比還有差距，理論上還沿用無(wú)機(jī)半導(dǎo)體理論；導(dǎo)電聚合物的自構(gòu)筑、自組裝分子器件的研究也存在很多

17、問(wèn)題；加工性能和力學(xué)性能以及穩(wěn)定性上也需要改進(jìn)。七、問(wèn)題與挑戰(zhàn)七、問(wèn)題與挑戰(zhàn)38394041炭黑填充聚乙烯導(dǎo)電復(fù)合材料的性能研究炭黑填充聚乙烯導(dǎo)電復(fù)合材料的性能研究n1. 3試樣制備n將炭黑在高速混合機(jī)中于50預(yù)混15 min,然后加入一定量的溶于無(wú)水乙醇的鈦酸酯偶聯(lián)劑,升溫至100,混合40 min后出料,室溫下停放24 h以揮發(fā)掉多余的溶劑。將經(jīng)表面處理的炭黑與LLDPE按一定比例混合,在雙螺桿擠出機(jī)中擠出造粒得炭黑母粒。n將炭黑母粒與HDPE按不同比例(炭黑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為3%、6%、8%、10%、12%、15%)混合,加入一定量的增容劑POE或PE2g2MAH,混合均勻后用雙螺桿擠出機(jī)

18、擠出造粒。所得粒料用注塑機(jī)注射成力學(xué)性能測(cè)試試樣;將粒料在雙輥開(kāi)煉機(jī)上于130塑煉15 min,拉片出料后剪裁、疊加,在加硫成型機(jī)上于150、5 MPa下壓制10 min,在室溫、10MPa下快速冷卻制得電性能測(cè)試試樣。4243炭黑炭黑-聚酯復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料的電熱性能研究聚酯復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料的電熱性能研究n加工條件為, 預(yù)混料: 溫度110 , 時(shí)間10 m in。真空干燥: 溫度110 , 時(shí)間6 h。擠出造粒: 溫度260 280 , 測(cè)量: 將制得的顆粒狀炭黑2聚酯(CB2PET ) 復(fù)合材料分別用注塑成型工藝和模壓成型工藝制成標(biāo)準(zhǔn)樣品或各種不同尺寸的樣品, 按國(guó)標(biāo)測(cè)量其力學(xué)性能, 用二電極法測(cè)量電阻率。4445導(dǎo)電聚苯胺的合成及其性能研究n摻雜聚苯胺的制備n在一定溫度下, 將減壓蒸餾的分析純苯胺加入一定量水中, 不斷攪拌, 加入酸生成苯胺鹽, 再將含有一定量的氧化劑的酸溶液緩慢地滴入其中, 連續(xù)反應(yīng)數(shù)小時(shí)后, 過(guò)濾, 洗滌, 干燥, 得到粉末狀樣品。n苯胺聚合反應(yīng)的最佳條件是: 反應(yīng)溫度0左右, 鹽酸的濃度約為1mol/L , 過(guò)硫酸銨與苯胺的摩爾比為1