导电高分子材料的简介

导电高分子材料的简介、应用和发展前景

摘要：与传统导电材料相比较,导电高分子材料具有许多独特的性能。导电高聚物可用作雷达吸波材料、电磁屏蔽材料、抗静电材料等。介绍了导电高分子材料的结构、种类及导电机理、合成方法、导电高分子材料的应用、研究现状及发展趋势。

关键词:导电高分子制备方法导电机理性能应用发展趋势

1.简介

高分子材料在很长一段时期都被用作电绝缘材料.随着不同应用领域的需要以及为进一步拓宽高分子材料的应用范围，一些高分子材料被赋予某种程度的导电性以致成为导电高分子材料。导电高分子又称导电聚合物，自从1976年，美国宾夕法尼亚大学的化学家Mac Diarmid领导的研究小组首次发现掺杂后的聚乙炔（Poly acetylene，简称PA）具有类似金属的导电性（导电高分子的导电性如图）；1977年，日本白川英树等人才发现用五氟化砷或碘掺杂的聚乙炔薄膜具有金属导电的性质，电导率达到10S/m。这是第一个导电的高分子材料。人们对共轭聚合物的结构和认识不断深入。以后，相继开发出了聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺、聚噻吩等能导电的高分子材料。这个新领域的出现不仅打破了高分子仅为绝缘体的传统观念,而且它的发现和发展为低维固体电子学,乃至分子电子学的建立和完善作出重要的贡献,进而为分子电子学的建立打下基础,而具有重要的科学意义。

现有的研究成果表明，发展导电高分子兼具有机高分子材料的性能及半导体和金属的电性能, 具有密度小，易加工成各种复杂的形状，耐腐蚀，可大面积成膜及可在十多个数量级的范围内进行调节等特点，因此高分子导电材料不仅可作为多种金属材料和无机导电材料的代用品，而且已成为许多先进工业部门和尖端技术领域不可缺少的一类材料。

1.1导电高分子材料的分类

按结构和制备方法不同将导电高分子材料分为复合型与结构型两大类。复合型导电材料是由高分子和导电剂（导电填料）通过不同的复合工艺而构成的材料。结构型结构型导电高分子又称本征型导电高分子（Intrinsically conducting polymer，简称ICP），是指高分子材料本身或经过少量掺杂处理而具有导电性能的材料，其电导率可达半导体甚至金属导体的范围。

1.2 高分子导电材料的制备方法

复合型导电高分子所采用的复合方法主要有两种：一种是将亲水性聚合物或结构型导电高分子进行混合，另一种则是将各种导电填料填充到基体高分子中。结构型导电聚合物一般用电子高度离域的共轭聚合物经过适当电子给体或受体进行掺杂后制得。

1.3 导电机理

高分子聚合物导电必须具备两个条件：一要能产生足够数量的载流子( 电子、空穴或离子等)；二大分子链内和链间要能够形成导电通道。在离子型导电高分子材料中, 聚醚、聚酯等的大分子链呈螺旋体空间结构,与其配位络合的阳离子在大分子链段运动作用下, 就能够在螺旋孔道内通过空位迁移;或被大分子“溶剂化”了的阴阳离子同时在大分子链的空隙间跃迁扩散(“动力学扩散理论”)。对于电子型导电高分子材料,作为主体的高分子聚合物大多为共轭体系(至少是不饱和键体系),长链中的π键电子较为活泼, 特别是与掺杂剂形成电荷转移络合物后, 容易从轨道上逃逸出来形成自由电子[3]。大分子链内与链间电子轨道重叠交盖所形成的导电能带为载流子的转移和跃迁提供了通道。在外加能量和大分子链振动的推动下, 便可传导电流。

复合型导电高分子材料存在着导电通道、隧道效应、场致发射3种导电机理,复合型导电高分子的导电性能是这3种导电机理作用的竞争结果。在不同情况下出现以其中一种机理为主导的导电现象。

2 导电高分子材料的应用

2.1 电磁屏蔽材料

导电塑料代替金属作为电子产品的外壳可以有效的起到电磁屏蔽作用,且质量轻、耐腐蚀。

2.2 导电液晶材料

液晶高聚物材料具有高强度、高模量、耐高温、低膨胀系数、低成型收缩率以及良好的介电性和耐化学腐蚀性等一系列优异的综合性能。具有与π电子结构相关联的线性聚烯烃和芳杂环等的共轭聚合物通过分子改性可以获得导电液晶聚合物,并且这些材料具有可溶性和可加工性。

2.3 催化剂载体

利用杂多酸对导电高分子的氧化或掺杂作用可将具有催化活性的凯金型或道森型杂多酸催化剂固定在聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺的粉末,此时导电高分子可视为一种新的催化剂载体,能提高杂多酸的催化性能。

2.4 气体分离膜

现代气体分离技术中,膜分离技术由于能耗和成本比其他分离方法低,并且无环境污染,因而十分引人注目。已广泛应用于石油开采、化工、食品包装、保鲜、炼油厂、废气回收、工业燃烧炉节能以及环保等方面。

2.5军事隐身（隐形）材料

隐身材料是指能够减少军事目标的雷达特征、红外特征、光电特征及目视特征的材料的系统。雷达吸波材料的作用就是将人射的雷达电磁波吸收衰掉而使武器不被雷达所发现雷达吸波材料是现代隐身技术的重点。美国密里肯公司通过控制现场聚合条件将聚吡咯与纤维复合，制备了商品名为Centex和Intrigue的导电纤维，并制成了轻型伪装网，美国国防部已经将其以用于隐形轰炸机的隐身涂料。中国新一代隐形战机歼-20成功试飞曾引起了世界各国的广泛关注，歼-20之所以能吸引如此多的目光，最主要是因为其隐身战斗的特性，中国已占领隐身材料的制高点。

2.6其他

导电聚合物还可以作为抗静电材料、二次电池的电极材料、太阳能电池材料、电致变色材料、自然温发热材料等,在此方面的研究已取得了很大程度的进展,且有些已经在生产中得到应用

3导电高分子的发展前景

各类高分子因有不同电子结构，故各具有不同光电、导电、电化学等特性，因而有不同应用方向。如引进不同机能之机团于主链及侧链，更可调节其光电特性及溶解性，扩大应用范围。未经掺杂者为半导体，经掺杂后为导体，除各具有与无机半导体及导体类似之特性外，在组件制作时尚有可低温加工、可大面积化、可挠曲等特性，故具有低制作成本及独特组件特性之优点，对未来电子及信息工业将产生巨大影响。导电高分子之应用，大致可分三类：半导体特性，导体特性，电化学掺杂／去掺杂之可逆性。其工业化目前尚在萌芽阶段，仅有少数工业品出现，例如利用其导体特性的固态电容器、抗静电及防蚀涂料等。

本征型导电高分子材料目前的应用前景不在于导线上，而在于特殊的光电磁和机械性能上。一是说不能获得赢电导率的本征型导电商分子材料，二是获得的本征型导电高分子材料在空气中不稳定，电导率会很快下降。而经过修饰的本征型导电高分子材料在光电磁学方面都有特殊的性质，往往认为在纳米微米器件上会有很广阔和应用前景。在现实应用上，本征型导电高分子材料目前也还处在突破的前夜，真正的实用化还未取得质的进步，需要进一步验证。关键在于其性能、价格以及市场需要与无机材料竞争；它的稳定性也需要加强，脱掺杂问题需要很好的解决；在加工性能和力学性能上，它也比工程塑料差。这些问题都需要在规模化应用之前解决。

总之，结构型导电高分子材料主要的开发应用方向是大功率蓄电池、微波吸收材料、太阳能电池、新型感光材料。复合型导电高分子材料是目前开发应用的重点, 主要集中在抗静电材料和电磁屏蔽产品。

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