導電高分子材料探究

王睿

(鄭州大學材料科學與工程學院，河南 鄭州 450001)

導電高分子材料探究

王睿

(鄭州大學材料科學與工程學院，河南 鄭州 450001)

摘要：導電高分子復合材料是一類具有重要理論研究價值和廣闊應用前景的新型功能材料,導電高分子材料具有高電導率、半導體特性、電容性、電化學活性，同時還具有一系列光學性能等，具有與一般聚合物不同的特性。因此，導電高分子復合材料是一類具有重要理論研究價值和廣闊應用前景的新型功能材料。

關鍵詞：導電高分子復合材料;新型功能材料;理論價值

前言

導電高分子又稱導電聚合物，自從1976年，美國賓夕法尼亞大學的化學家Mac Diarmid領導的研究小組首次發(fā)現(xiàn)摻雜后的聚乙炔(Poly acetylene，簡稱PA)具有類似金屬的導電性(導電高分子的導電性如圖一),人們對共軛聚合物的結構和認識不斷深入?，F(xiàn)有的研究成果表明，發(fā)展導電高分子兼具有機高分子材料的性能及半導體和金屬的電性能 , 具有密度小，易加工成各種復雜的形狀 ，耐腐蝕，可大面積成膜及可在十多個數(shù)量級的范圍內進行調節(jié)等特點，因此高分子導電材料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。

1導電高分子材料的分類

按照材料的結構與組成，高分子導電材料通常分為結構型和復合型兩大類

1.1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。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。但目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，尚未進入實用階段。

1.2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。復合型導電高分子材料在技術上比結構型導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。目前，復合型導電高分子所采用的復合方法主要有兩種，一種是用結構型導電聚合物粉末或顆粒與基體樹脂共混,它們是抗靜電材料和電磁屏蔽材料的主要用料, 其用途十分廣泛,是目前最有實用價值的導電塑料。另一種則是將各種導電填料填充到基體高分子中的導電樹脂基復合材料。

2導電機理

2.1結構型導電聚合物導電機理。物質的導電過程是載流子在電場作用下定向移動的過程。高分子聚合物導電必須具備兩個條件: (1) 要能產(chǎn)生足夠數(shù)量的載流子(電子、空穴或離子等);(2) 大分子鏈內和鏈間要能夠形成導電通道。在離子型導電高分子材料中，聚醚、聚酯等的大分子鏈呈螺旋體空間結構,與其配位絡合的陽離子在大分子鏈段運動作用下,就能夠在螺旋孔道內通過空位遷移(“自由體積模型”) ; 或被大分子“溶劑化”了的陰陽離子同時在大分子鏈的空隙間躍遷擴散(“動力學擴散理論”) 。

對于電子型導電高分子材料,作為主體的高分子聚合物大多為共軛體系(至少是不飽和鍵體系) ,長鏈中的π鍵電子較為活潑,特別是與摻雜劑形成電荷轉移絡合物后,容易從軌道上逃逸出來形成自由電子。大分子鏈內與鏈間π電子軌道重疊交蓋所形成的導電能帶為載流子的轉移和躍遷提供了通道。在外加能量和大分子鏈振動的推動下,便可傳導電流。

2.2 復合型導電聚合物導電機理。關于復合型導電高分子材料導電機理研究報道的較多,人們從多方面進行了廣泛深入的研究,建立了許多數(shù)學模型或物理模型。目前比較流行的有3 種理論: (1)是宏觀滲流理論,即導電通路學說; (2)是微觀量子力學隧道效應理論; (3)是微觀量子力學場致發(fā)射效應理論。

3導電高分子材料的應用

3.1電磁屏蔽材料。導電塑料代替金屬作為電子產(chǎn)品的外殼可以有效的起到電磁屏蔽作用,且質量輕、耐腐蝕。

3.2電導體。經(jīng)過復合得到的導電硅橡膠與金屬導體相比具有: (1)優(yōu)良的加工性能,可批量生產(chǎn); (2)柔軟、耐腐蝕、低密度、高彈性; (3)可選擇的電導率范圍寬; (4)價格便宜等特點。因此,在各種發(fā)酵用容器加溫、冰雪融化、防止盥洗室鏡子和復印機的沾露及除濕等方面已得到廣泛應用。同時它還具有保存中電阻變化小,混煉后電阻增加少,耐熱、耐寒、耐氣候、永久壓縮形變特性等特點。現(xiàn)在它已經(jīng)成為用量最大的導電橡膠。

3.3導電液晶材料。液晶高聚物材料具有高強度、高模量、耐高溫、低膨脹系數(shù)、低成型收縮率以及良好的介電性和耐化學腐蝕性等一系列優(yōu)異的綜合性能。具有與π電子結構相關聯(lián)的線性聚烯烴和芳雜環(huán)等的共軛聚合物通過分子改性可以獲得導電液晶聚合物,并且這些材料具有可溶性和可加工性。

3.4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具有催化活性的凱金型或道森型雜多酸催化劑固定在聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺的粉末,此時導電高分子可視為一種新的催化劑載體,能提高雜多酸的催化性能。

3.5其他。導電聚合物還可以作為抗靜電材料、二次電池的電極材料、太陽能電池材料、電致變色材料、自然溫發(fā)熱材料等,在此方面的研究已取得了很大程度的進展,

4展望

今后導電高分子的發(fā)展趨勢為: 合成具有高導電率及在空氣中長期穩(wěn)定的導電聚合物,其中特別值得重視的是可加工的非電荷轉移(單組分) 結構型導電聚合物的研究。有機聚合物超導體的研究。對有機材料電子性能的研究,另一重要目標是開發(fā)出具有無機材料不可代替的新一代功能材料。導電聚合物的研究使人們對有機固體的電子過程了解更加深入。

中圖分類號:TN915

文獻標志碼：A

文章編號：1671-1602(2016)12-0015-01