導電高分子材料論文

1、導電高分子材料所謂導電高分子是由具有共軛n鍵的高分子經(jīng)化學或電化學“摻雜” 使其由絕緣體轉變?yōu)閷w的一類高分子材料。它完全不同于由金屬或 碳粉末與高分子共混而制成的導電塑料。導電高分子具有特殊的結構 和優(yōu)異的物理化學性能使它在能源、光電子器件、信息、傳感器、分 子導線和分子器件以及電磁屏蔽、金屬防腐和隱身技術上有著廣泛、誘人 的應用前景因此，導電高分子自發(fā)現(xiàn)之日起就成為材料科學的研究熱 點。經(jīng)過近30多年的發(fā)展，導電高分子已取得了重要的研究進展。一類具有導電功能（包括半導電性、金屬導電性和超導電性）、 電導率在10S/m以上的聚合物材料。1高分子導電材料具有密度小、 易加工、耐腐蝕、可大面積成

2、膜以及電導率可在十多個數(shù)量級的范圍 內進行調節(jié)等特點，不僅可作為多種金屬材料和無機導電材料的代用 品，而且已成為許多先進工業(yè)部門和尖端技術領域不可缺少的一類材 料。高分子材料長期以來被作為優(yōu)良的電絕緣體，直至1977年，日 本白川英樹等人才發(fā)現(xiàn)用五氟化砷或碘摻雜的聚乙炔薄膜具有金屬 導電的性質，電導率達到10S/m。這是第一個導電的高分子材料。以 后，相繼開發(fā)出了聚毗咯、聚苯硫醚、聚酞菁類化合物、聚苯胺、聚 噻吩等能導電的高子材料。導電高分子材料具有良好的導電性和電化學可逆性，可用作充電 電池的電極材料。利用Ppy制作的可充電電池，經(jīng)300次充放電循 環(huán)后，效率無下降，已達到商業(yè)應用價值。導電

3、性高聚物在太陽能電 池上的應用也引起了廣泛的關注，美國科學家Jeskocheim利用聚毗 咯和聚氧化乙烯固態(tài)電介質膜試制了光電池，可產(chǎn)生1mA/cm2的電 流，0.35V的電壓。盡管這種光電池日前還不如Si太陽能電池，但 由于導電聚合物重量較輕、易成形、工藝簡單，并能生成大面積膜， 具有綠色環(huán)保的特點，因而發(fā)展前景十分誘人。導電高分子材料還是 制作超級電容器的理想材料。如采用摻雜后的聚毗咯高分子化合物， 電導率高達100 S/cm，頻率特征非常出色，尤其在高頻區(qū)的特性與 以前電容器相比有很大改善。經(jīng)過多年世界范圍內的廣泛研究，導電聚合物在新能源材料方面 的應用已獲得了很大的發(fā)展，但離實際大規(guī)模

4、應用還有一定的距離。 這主要是因為其加工性不好和穩(wěn)定性不高造成的。高分子導電材料通常分為復合型和結構型兩大類：復合型高分 子導電材料。由通用的高分子材料與各種導電性物質通過填充復合、 表面復合或層積復合等方式而制得。主要品種有導電塑料、導電橡膠、 導電纖維織物、導電涂料、導電膠粘劑以及透明導電薄膜等。其性能 與導電填料的種類、用量、粒度和狀態(tài)以及它們在高分子材料中的分 散狀態(tài)有很大的關系。常用的導電填料有炭黑、金屬粉、金屬箔片、 金屬纖維、碳纖維等。結構型高分子導電材料。是指高分子結構本身或經(jīng)過摻雜之后 具有導電功能的高分子材料。根據(jù)電導率的大小又可分為高分子半導 體、高分子金屬和高分子超導體

5、。按照導電機理可分為電子導電高分 子材料和離子導電高分子材料。電子導電高分子材料的結構特點是具 有線型或面型大共軛系，在熱或光的作用下通過共軛n電子的活化 而進行導電，電導率一般在半導體的范圍。采用摻雜技術可使這類材 料的導電性能大大提高。如在聚乙炔中摻雜少量碘，電導率可提高 12個數(shù)量級，成為“高分子金屬”。經(jīng)摻雜后的聚氮化硫，在超低溫下 可轉變成高分子超導體。結構型高分子導電材料用于試制輕質塑料蓄 電池、太陽能電池、傳感器件、微波吸收材料以及試制半導體元器件 等。但日前這類材料由于還存在穩(wěn)定性差（特別是摻雜后的材料在空 氣中的氧化穩(wěn)定性差）以及加工成型性、機械性能方面的問題，尚未 進入實用

6、階段。高分子材料在很長一段時期都被用作電絕緣材料.隨著不同應用 領域的需要以及為進一步拓寬高分子材料的應用范圍，一些高分子材 料被賦予某種程度的導電性以致成為導電高分子材料.第一個高導電 性的高分子材料是經(jīng)碘摻雜處理的聚乙炔，其后又相繼開發(fā)了聚毗咯、 聚對苯撐、聚苯硫醚、聚苯胺等導電高分子材料由于這些導電高分子材料都具有共軛鍵結構，并且主要是由化學 方法處理得到的，因此常稱為本征型導電高分子材料.但是，這類材 料的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性較差，電導率分布范圍較窄，成本較高，而且加 工困難，尚未進入批量生產(chǎn)的實用階段本征型導電高分子材料在應用方面遇到的困難短期難以解決，促 使人們轉而研究和開發(fā)導電高分子復

7、合材料.導電高分子復合材料是 以高分子材料為基體，通過加入導電功能體，經(jīng)過分散復合、層積復 合以及形成表面導電膜等方式處理后形成的多相復合導電體系.由于 原料易得、工藝相對簡單、成本較低、電阻率可在較大范圍內調節(jié)，同時具有一定程度的再加工性并兼有高分子基體材料的一些優(yōu)異性 能而受到廣泛重視.導電高分子復合材料的研究工作主要有：復合材料導電機理的理論研究、特殊效應機理的理論研究；用不同方法研制新材料的實驗研究；材料應用的實驗研究.導電高分子復合材料導電機理的理論研究工作通常又包括導電 通路的形成和形成導電通路后的導電機理兩方面.前者研究的是加入 聚合物基體中的導電功能體在給定的加工工藝條件下，如

8、何達到電接 觸而在整體上自發(fā)地形成導電通路這一宏觀自組織過程；后者則主要 涉及導電通路或部分導電通路形成后載流子遷移的微觀過程.顯然， 無論是宏觀過程還是微觀過程，它們都受到復合體系的幾何拓撲、熱 力學和動力學等多種因素的制約.因此，導電高分子復合材料的理論 研究工作一方面呈現(xiàn)多樣性、復雜性，另一方面又與實驗結果之間存 在著不同程度的差異，而且許多理論結果往往不具有普適性.新材料 的實驗研究工作采用的主要方法有：組分改造（改變基體種類、改變 導電功能體種類）；整體或組分物性改造（磁化、接枝、熱處理、結品、 浸漬）；結構改造（板狀、疊層、發(fā)泡）；導電功能體形狀改造（粒狀、 球狀、中空狀、纖維狀）

9、等.應用研究則包括根據(jù)應用條件和具體要求 解決各種實際問題的理論和實驗研究導電聚合物具有高電導率，在理論上講，導電聚合物應該成為金 屬電力輸送材料的有力競爭者，但是對多數(shù)導電聚合物來說，電導率 相對較低，化學穩(wěn)定性較差，在空氣中很快失去導電性能，因此，作 為電力輸送材料與金屬相比還有較大差距，在這方面的大規(guī)模應用開 發(fā)還有待上述性能的改進。導電高分子可制成彩色或無色透明的質輕的導電薄膜，在一些特 殊的環(huán)境中使用。透明導電膜，是在透明的高分子膜表面上形成的對 可見光透明的導電性薄膜，除了在歷來的透明導電膜玻璃的應用范圍 內得到應用外，還可用作電子材料的基材，如在電致發(fā)光面板、液晶和 透明面板、開

10、關等電板材料、指示計檢測儀器窗口的防靜電和電磁屏 蔽材料等方面已經(jīng)應用，日前正集中精力進行開發(fā)薄型液晶顯示的透 明電極，透明開關面板，太陽能電池的透明電板等，估計在不久也將得 到應用。聚乙炔在摻雜狀態(tài)下的電導率能與銅媲美。由于電性不夠穩(wěn)定， 導電高分子尚不能替代銅、鋁、銀等金屬而加以利用。但是，日前已 研制出一種加壓性導電橡膠. “，這種橡膠只有在加壓時才表現(xiàn)導電 性，而且僅在加壓部位顯示導電性，未加壓部位仍保持絕緣性。加壓 性導電橡膠可用作壓敏傳感器，還被廣泛應用于防爆開關、音量可變 元件、高級自動把柄、醫(yī)用電極、加熱元件等方面。另外，導電高分子可制成彩色或無色透明輕質導電薄膜。除了在 傳統(tǒng)

11、的透明導電膜玻璃的應用范圍內得到應用外，還可用作電子材料 的基材，如在電致發(fā)光面板、液晶和透明面板、指示計檢測儀器窗口 的防靜電和電磁屏蔽材料等方面已經(jīng)應用，日前正集中精力進行開發(fā) 薄型液晶顯示的透明電極、透明開關面板、太陽能電池的透明電板等，估計在不久也將得到應用。導電聚合物不僅來源廣泛，而且重量輕、不污染環(huán)境，與無機電 極材料相比，由導電聚合物作為電極具有很高的能量比，電壓特性好， 這一優(yōu)勢對于以航空航天、以及電動汽車為應用對象的特種可充電電 池的研制來說意義十分重大。根據(jù)其使用的摻雜劑不同，日前以導電 聚合物為電極材料的二次電池主要有3種結構類型：以導電聚合物 作為電池的陰極材料；作為陽

12、極材料；電池中的陽極和陰極都由 不同氧化態(tài)的導電聚合材料構成。作為陽極，導電聚合物應進行P 一 型摻雜，被n-型摻雜的導電聚合物則作為電池陰極。雖然經(jīng)摻雜的聚乙炔的電導值已經(jīng)超過lX105S/cm，可 是其充放電穩(wěn)定性差，最終影響其進一步的應用，從而促使人們將研 究日標轉向聚毗咯、聚苯胺等其他環(huán)境穩(wěn)定性較好的導電高分子品 種。以導電高分子材料作電極的蓄電池具有較高的電容量和能量密 度，充電效率也較高，具有很大的開發(fā)潛力。但要實際應用，其電解 質及電池材料的穩(wěn)定性仍是需要解決的問題。作為電磁屏蔽材料隨著各種商用和家用電子產(chǎn)品數(shù)量的迅速增加，電磁波干擾已成 為一種新的社會公害。對計算機房、手機、電

13、視機、電腦和心臟起博 器等電子儀器、設備進行電磁屏蔽是極為重要的。日前導電涂料和直 接使用導電高分子材料作成儀器設備的外殼是導電高分子在電磁屏 蔽方面的主要應用。導電涂料是一種功能性涂料，既有一般涂料的特點，又有導電功 能，通常由合成樹脂、導電填料、溶劑和添加劑組成，將其涂敷于物 體表面而形成一層固體膜，產(chǎn)生導電效果。導電涂料用的合成樹脂有 丙烯酸樹脂、環(huán)氧類樹脂、聚氨酯和乙烯基樹脂等，常見的導電填料 有銀、鎳、銅及炭黑等。導電涂料用作電磁屏蔽的最大的優(yōu)點是簡單 實用而且適用面較廣。直接使用混有導電高分子制成儀器設備的外殼，而導電聚合物具 有防靜電的特性，因此可用于電磁屏蔽，其成形與屏蔽一體化

14、，而且 成本低，不消耗資源，日前已經(jīng)研制出了保護用戶免受電磁輻射的電 腦屏保。這方面聚苯胺被認為是屏蔽電磁干擾最有希望的新材料。導電高分子是日前從絕緣體到半導體再到導體的變化跨度最大 的物質，因而有許多優(yōu)異的性能。（1）作為電極材料。尤以蓄電池的 電極材料應用研究最為廣泛。這類電池采用導電高分子代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金 屬或石墨電極，加工方便，有質輕、高比能量特點。（2）電磁屏蔽材 料。導電聚合物具有防靜電的特性，可以用于電磁屏蔽，是非常理想 的電磁屏蔽材料替代品。（3）抗靜電。添加抗靜電劑是高分子材料常 用的抗靜電方法，能避免材料表面的靜電積累和火花放電，對基材的 原有物性影響小、工藝簡單。（4）催化劑載體。利用雜多酸對導電高 分子的氧化或摻雜作用可將催化劑固定在聚乙炔、聚毗咯、聚噻吩和 聚苯胺的粉末，成為新的催化劑載體。導電材料出現(xiàn)以后，人們開發(fā)了一系列的具有優(yōu)異性能的導電聚 合物，對這類物質的導電行為有了進一步的了解。近年來，科研工作者 又在高強度導電高分子、可加工導電高分子領域開展大量研究工作, 并取得了很大的進展。今后導電高分子的發(fā)展趨勢為:(1)