导电高分子材料ppt课件
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导电高分子材料
11
什么是导电高分子的掺杂呢？
纯净的导电聚合物本身并不导电，必须经过掺 杂才具备导电性
掺杂是将部分电子从聚合物分子链中迁移出来 从而使得电导率由绝缘体级别跃迁至导体级别 的一种处理过程
导电聚合物的掺杂与无机半导体的掺杂完全不 同
导电高分子的掺杂与无机半导体的掺杂的对比
目前掺杂的方式主要有两种 ：
氧化还原掺杂 ：可通过化学或电化学手段来实现 。化学 掺杂会受到磁场的影响
遗憾的是目前为止还没有发现外加磁场对聚合物的室温电 导率有明显的影响
质子酸掺杂 ：一般通过化学反应来完成，近年发现也可 通过光诱导施放质子的方法来完成
还有掺杂—脱掺杂—再掺杂的反复处理方法，这种掺杂方 法可以得到比一般方法更高的电导率和聚合物稳定性
6
导电机理与结构特征
④π价电子 两个成键原子中p电子相互重叠后产生 π键，构成π键的电子称为π价电子。当π电子孤立 存在时这种电子具有有限离域性，电子在两个原 子之间可以在较大范围内移动。当两个π键通过一 个σ键连接时，π电子可以在两个π键之间移动，这 种分子结构称为共轭π键。
7
导电机理与结构特征
利用导电高分子与金属线圈当电极，半导体高分子在中间，当两电 极接上电源时，半导体高分子将会开始发光。比传统的灯泡更节省能源 而且产生较少的热，具体应用包括平面电视机屏幕、交通信息标志等。
导电高分子材料的应用
半导体特性的应用－太阳能电池
导电高分子可制成太阳电池，结 构与发光二极管相近，但机制却相反 ，它是将光能转换成电能。 优势在于 廉价的制备成本，迅速的制备工艺， 具有塑料的拉伸性、弹性和柔韧性 。
导电高分子材料的应用
导体特性的应用
抗静电 理想的电磁屏蔽材料，可以应用在计算机、电视机、起搏器等 电磁波遮蔽涂布 能够吸收微波，因此可以做隐身飞机的涂料 防蚀涂料 能够防腐蚀，可以用在火箭、船舶、石油管道等
什么是导电高分子的掺杂呢？
纯净的导电聚合物本身并不导电，必须经过掺 杂才具备导电性
掺杂是将部分电子从聚合物分子链中迁移出来 从而使得电导率由绝缘体级别跃迁至导体级别 的一种处理过程
导电聚合物的掺杂与无机半导体的掺杂完全不 同
导电高分子的掺杂与无机半导体的掺杂的对比
目前掺杂的方式主要有两种 ：
氧化还原掺杂 ：可通过化学或电化学手段来实现 。化学 掺杂会受到磁场的影响
遗憾的是目前为止还没有发现外加磁场对聚合物的室温电 导率有明显的影响
质子酸掺杂 ：一般通过化学反应来完成，近年发现也可 通过光诱导施放质子的方法来完成
还有掺杂—脱掺杂—再掺杂的反复处理方法，这种掺杂方 法可以得到比一般方法更高的电导率和聚合物稳定性
6
导电机理与结构特征
④π价电子 两个成键原子中p电子相互重叠后产生 π键，构成π键的电子称为π价电子。当π电子孤立 存在时这种电子具有有限离域性，电子在两个原 子之间可以在较大范围内移动。当两个π键通过一 个σ键连接时，π电子可以在两个π键之间移动，这 种分子结构称为共轭π键。
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导电机理与结构特征
利用导电高分子与金属线圈当电极，半导体高分子在中间，当两电 极接上电源时，半导体高分子将会开始发光。比传统的灯泡更节省能源 而且产生较少的热，具体应用包括平面电视机屏幕、交通信息标志等。
导电高分子材料的应用
半导体特性的应用－太阳能电池
导电高分子可制成太阳电池，结 构与发光二极管相近，但机制却相反 ，它是将光能转换成电能。 优势在于 廉价的制备成本，迅速的制备工艺， 具有塑料的拉伸性、弹性和柔韧性 。
导电高分子材料的应用
导体特性的应用
抗静电 理想的电磁屏蔽材料，可以应用在计算机、电视机、起搏器等 电磁波遮蔽涂布 能够吸收微波，因此可以做隐身飞机的涂料 防蚀涂料 能够防腐蚀，可以用在火箭、船舶、石油管道等
有机导电材料-聚苯胺PPT
其他改性方法
其他改性方法包括交联改性、接枝改性、纳米改性等，这些方法可以改善聚苯胺的性能和拓宽其应用 领域。
交联改性是指通过化学反应使聚苯胺分子之间形成三维网络结构，提高其热稳定性和力学性能；接枝 改性是指将其他功能性基团连接到聚苯胺分子上，以改善其性能和拓宽其应用领域；纳米改性是指将 聚苯胺与纳米材料复合，利用纳米材料的特性改善聚苯胺的性能。
详细描述
模板法是一种制备具有特定形貌和结构聚苯胺材料的方法。通过使用不同的模板，如聚合物、无机物 或生物分子等，可以控制聚苯胺的聚合过程，从而得到具有特定结构和形貌的聚苯胺材料。该方法可 以制备出高性能的聚苯胺材料。
其他合成方法
总结词
除了上述三种方法外，还有一些其他合 成聚苯胺的方法，如光化学合成法、热 引发聚合等。
加强与其他学科的合作，推动聚苯胺在交叉学科领域 的应用和发展。
标准化与规范化
建立聚苯胺的标准化和规范化体系，促进其产业的健 康发展。
感谢观看
THANKS
此外，聚苯胺还可以作为药物载体和 生物医学成像剂等生物医学领域的应 用。
由于聚苯胺具有优异的电导率和环境稳 定性，它也被广泛应用于燃料电池、锂 离子电池和超级电容器等能源领域。
02
聚苯胺的导电机理
聚苯胺的导电性能
聚苯胺是一种具有导电性能的有机高分子材料，其导电性能 可以通过掺杂实现可调。在掺杂状态下，聚苯胺具有良好的 导电性和电化学活性，被广泛应用于传感器、电池、电容器 等领域。
03
聚苯胺的合成方法
化学氧化法
总结词
通过氧化剂如过硫酸铵、过氧化氢等引发，使苯胺单体在适当的溶剂中进行聚合，得到 聚苯胺。
详细描述
化学氧化法是最常用的聚苯胺合成方法之一。在适当的反应条件下，使用氧化剂引发苯 胺单体的聚合反应，通常在有机溶剂中进行，如甲酸、水、甲醇等。该方法操作简便，
导电高分子材料
高强度导电高分子
通常化学合成的高分子常表现为没有任何 力学强度的粉末。例外：通过Shirakawa途 径可以得到高性能的聚乙炔薄膜 得到高性能导电高分子膜材料最有效和直 接的方法是电化学沉积法 低的聚合温度、强极性分子介质以及电化 学惰性的电极材料有利于生成堆积紧密， 性能良好的芳香导电高分子材料
导电高分子
导电高分子是指经化学或电化学掺杂后可以由绝缘 体向导体或半导体转变的含π电子共轭结构的有机 高分子的统称。 由于导电高分子具有特殊的结构和优异的物化性能, 使其在电子工业、信息工程、国防工程及其新技术 的开发和发展方面都具有重大的意义。
导电高分子
广义上的导电高分子材料可分为两大类：
纯净的导电聚合物本身并不导电，必须经过掺杂 才具备导电性 掺杂是将部分电子从聚合物分子链中迁移出来从 而使得电导率由绝缘体级别跃迁至导体级别的一 种处理过程 导电聚合物的掺杂与无机半导体的掺杂完全不同
★ 导电高分子的掺杂与无机半导体
的掺杂的对比
无机半导体中的掺杂
本质是原子的替代
导电高分子中的掺杂
导电高分子的导电机理
电子导电聚合物的特征是分子内含有大的共轭 π电子体系。随着π电子共轭体系的增大, 离域性 增强, 当共轭结构达到足够大时, 化合物才可提供 电子或空穴等载流子, 然后在电场的作用下, 载流 子可以沿聚合物链作定向运动, 从而使高分子材料 导电。所以说有机高分子材料成为导体的必要条件 是: 应有能使其内部某些电子或空穴具有跨键离域 移动能力的大π键共轭结构。
导电高分子的微波(100MHz—l2GHz)及毫米波(24— 40GHz)特性研究表明导电高分子如聚苯胺、聚吡咯 可用于电磁屏蔽
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Contex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
电子化学品制造工作与应用第六章导电高分子材料
电子化学于导电高聚物具有π-共轭链结构，故导电 高聚物在紫外-可见光区都有强的吸收。这 种强吸收限制了导电高聚物兼顾光学透明 性和导电性。
导电高聚物具有诱导吸收、光诱导漂白和光 致发光等非线性光学效应。这是由于导电 高聚物具有π-电子共轭体系和π-电子的离 域性极易在外加光场作用下发生极化，从 而导致导电高聚物呈现快速响应（10-13S） 和高的非线性光学系数。
从此“合成金属”（Synthetic metals）的新概念 和多学科交叉的新领域——导电高聚物诞生了。
电子化学品的制造工作和应用第六 章导电高分子材料
1、定义 所谓导电高聚物是由π-共轭体系高聚物经化学或 电化学掺杂，使其由绝缘体转变为导体的高聚物 的统称。
导电高聚物的普遍结构式： p-型掺杂 [（P+）1-y（A-1）y] n n-型掺杂 [（P-）1-y（A+1）y] n
电子化学品的制造工作和应用
第六章 导电高分子材料
电子化学品的制造工作和应用第六 章导电高分子材料
一、概述 物质按电学性能分类可分为绝缘体、半导体、导 体、和超导体。
70年代，Shirakawa等发现含交替单键和双键的 聚乙炔（polyacetylene, PA）经过碘掺杂之后， 其电学性能不仅由绝缘体（10-9S/cm）转变为金 属导体（103 S/cm ），而且伴随着掺杂过程，聚 乙炔薄膜的颜色也由银灰色转变为具有金属光泽 的金黄色。
电子化学品的制造工作和应用第六 章导电高分子材料
（4）电化学性能 通常导电高聚物都具有可逆的氧化还原特 性，并且伴随着氧化/还原过程，导电高聚 物的颜色也发生相应变化。
例如： 当聚苯胺经历由全还原态 中间氧化态 全氧化态的可逆变化时，聚苯胺的颜色也 伴随着淡黄色 蓝色 紫色的可逆变化。
导电高聚物具有诱导吸收、光诱导漂白和光 致发光等非线性光学效应。这是由于导电 高聚物具有π-电子共轭体系和π-电子的离 域性极易在外加光场作用下发生极化，从 而导致导电高聚物呈现快速响应（10-13S） 和高的非线性光学系数。
从此“合成金属”（Synthetic metals）的新概念 和多学科交叉的新领域——导电高聚物诞生了。
电子化学品的制造工作和应用第六 章导电高分子材料
1、定义 所谓导电高聚物是由π-共轭体系高聚物经化学或 电化学掺杂，使其由绝缘体转变为导体的高聚物 的统称。
导电高聚物的普遍结构式： p-型掺杂 [（P+）1-y（A-1）y] n n-型掺杂 [（P-）1-y（A+1）y] n
电子化学品的制造工作和应用
第六章 导电高分子材料
电子化学品的制造工作和应用第六 章导电高分子材料
一、概述 物质按电学性能分类可分为绝缘体、半导体、导 体、和超导体。
70年代，Shirakawa等发现含交替单键和双键的 聚乙炔（polyacetylene, PA）经过碘掺杂之后， 其电学性能不仅由绝缘体（10-9S/cm）转变为金 属导体（103 S/cm ），而且伴随着掺杂过程，聚 乙炔薄膜的颜色也由银灰色转变为具有金属光泽 的金黄色。
电子化学品的制造工作和应用第六 章导电高分子材料
（4）电化学性能 通常导电高聚物都具有可逆的氧化还原特 性，并且伴随着氧化/还原过程，导电高聚 物的颜色也发生相应变化。
例如： 当聚苯胺经历由全还原态 中间氧化态 全氧化态的可逆变化时，聚苯胺的颜色也 伴随着淡黄色 蓝色 紫色的可逆变化。
第六章导电高分子材料讲课文档
3 第3页，共120页。
第六章 导电高分子材料
目前，对结构型导电高分子的导电机理、聚合 物结构与导电性关系的理论研究十分活跃。应用性 研究也取得很大进展，如用导电高分子制作的大功 率聚合物蓄电池、高能量密度电容器、微波吸收材
料、电致变色材料，都已获得成功。
4 第4页，共120页。
第六章 导电高分子材料
10
第10页，共120页。
第六章 导电高分子材料
目前，巳经发现的许多具有超导性的金属和合 金，都只有在超低温度下或超高压力下才能转变为 超导体。显然这种材料作为电力、电器工业材料来 应用，在技术上、经济上都是不利的，因此，研制 具有较高临界超导温度的超导体是人们关切的研究 课题。
11 第11页，共120页。
为什么结构型导电高分子的实际应用尚不普遍？？
大多数结构型导电高分子在空气中不稳定，导电性 随时间明显衰减。此外，导电高分子的加工性往往不够 好，也限制了它们的应用。
科学家们正企图通过改进掺杂剂品种和掺杂技术， 采用共聚或共混的方法，克服导电高分子的不稳定性， 改善其加工性。
5 第5页，共120页。
第六章 导电高分子材料
无阻共轭是指共轭链分子轨道上不存在“缺陷”， 整个共轭链的π电子离城不受影响。
例如反式聚乙炔，聚苯撑、聚并苯、热解聚丙烯腈 等，都是无阻共轭链的例子。
顺式聚乙炔分子链发生扭曲，π电子离域受到一 定阻碍，因此，其电导率低于反式聚乙炔。
25
第25页，共120页。
第六章 导电高分子材料
聚乙炔 顺式：σ＝10-7Ω-1·cm-1 反式：σ＝10-3Ω-1·cm-1
共轭聚合物的分子链越长，π电子数越多，则电子
活化能越低，亦即电子越易离域，则其导电性越好。下 面以聚乙炔为例进行讨论。
第六章 导电高分子材料
目前，对结构型导电高分子的导电机理、聚合 物结构与导电性关系的理论研究十分活跃。应用性 研究也取得很大进展，如用导电高分子制作的大功 率聚合物蓄电池、高能量密度电容器、微波吸收材
料、电致变色材料，都已获得成功。
4 第4页，共120页。
第六章 导电高分子材料
10
第10页，共120页。
第六章 导电高分子材料
目前，巳经发现的许多具有超导性的金属和合 金，都只有在超低温度下或超高压力下才能转变为 超导体。显然这种材料作为电力、电器工业材料来 应用，在技术上、经济上都是不利的，因此，研制 具有较高临界超导温度的超导体是人们关切的研究 课题。
11 第11页，共120页。
为什么结构型导电高分子的实际应用尚不普遍？？
大多数结构型导电高分子在空气中不稳定，导电性 随时间明显衰减。此外，导电高分子的加工性往往不够 好，也限制了它们的应用。
科学家们正企图通过改进掺杂剂品种和掺杂技术， 采用共聚或共混的方法，克服导电高分子的不稳定性， 改善其加工性。
5 第5页，共120页。
第六章 导电高分子材料
无阻共轭是指共轭链分子轨道上不存在“缺陷”， 整个共轭链的π电子离城不受影响。
例如反式聚乙炔，聚苯撑、聚并苯、热解聚丙烯腈 等，都是无阻共轭链的例子。
顺式聚乙炔分子链发生扭曲，π电子离域受到一 定阻碍，因此，其电导率低于反式聚乙炔。
25
第25页，共120页。
第六章 导电高分子材料
聚乙炔 顺式：σ＝10-7Ω-1·cm-1 反式：σ＝10-3Ω-1·cm-1
共轭聚合物的分子链越长，π电子数越多，则电子
活化能越低，亦即电子越易离域，则其导电性越好。下 面以聚乙炔为例进行讨论。
导电高分子
电压和颜色关系（光吸收） 电压和颜色关系（光吸收）
在特定电压作用下，高分子结构发生变化，导致光吸收波长 的变化，称为电致变色（electrochromism）。 电致变色（ 电致变色 ） 如线形共轭高分子
10
1.4 导电高分子的电学性质
电压和发光
材料在电场作用而发光称为电致发光（ 材料在电场作用而发光称为电致发光（eletroluminecence） 电致发光 ） 共轭高分子具有该性质，发光的波长和发光效率与高分子的结 构、发光器件构造和外界条件相关。 电转化） 材料在光能作用下，形成电流（ 材料在光能作用下，形成电流（光-电转化） 所以，共轭高分子在发光器件、 所以，共轭高分子在发光器件、显示和光电池等方面有巨大 的应用价值。 的应用价值。
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2.3 复合导电高分子的导电机理
渗流理论（导电通道理论） 渗流理论（导电通道理论） Bueche经验公式 经验公式
Flory的凝胶化理论：Wf为分子的临界体积分数，f为分子的功 的凝胶化理论： 的凝胶化理论 能度，α为官能团的反应几率。
W f = 1−
(1 − α ) 2 y (1 − y ) 2 α
复合型导电高分子；氧化还原型导电高分子仅在特定电压 范围内才有导电性，不复合欧姆定律；
温度与电导关系
NTC导电材料（negative temperature coefficient）： 导电材料（ ）：电 导电材料 ）： 阻率随温度升高而降低；如本征导电高分子。 PTC导电材料（ positive temperature coefficient ）： 导电材料（ 导电材料 电阻率随温度升高而升高；如复合型导电高分子和金属。 理想的低温加热材料和廉价的电路保护材料
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复合型导电高分子的导电填料
导电高分子材料聚吡咯
导电高分子材料聚吡咯
Байду номын сангаас
胡伟伟 070804208
a
1
• 一、导电高分子分类 • 二、聚吡咯导电机理 • 三、PPy的制备及影响电导率的因素 • 四、Ppy的性能改进
a
2
导电高分子的分类
• 所谓导电高分子是由具有共轭π键的高分子 经化学或电化学“掺杂”使其由绝缘体转 变为导体的一类高分子材料。它完全不同 于由金属或碳粉末与高分子共混而制成的 导电塑料。
a
11
三、PPy的制备及其影响电导率的因素
• 目前，PPy导电高分子材料的制备主要有2 种方法：电化学合成法和化学氧化法。其 中，化学氧化法得到的一般为粉末样品， 而电化学合成法则可直接得到导电PPy 薄膜。
a
12
• 电化学合成法：电化学合成法是通过控制 电化学氧化聚合条件(含吡咯单体的电解液、 支持电解质和溶剂、聚合电位、电流和温 度等)，在电极上沉积为导电PPy薄膜
a
3
a
4
• 根据导电载流子的不同，结构型导电高分 子有两种导电形式：电子导电和离子传导。
• 一般认为，四类聚合物具有导电性：高分 子电解质、共轭体系聚合物、电荷转移络 合物和金属有机螯合物。其中除高分子电 解质是以离子传导为主外，其余三类聚合 物都是以电子传导为主的。
a
5
二、聚吡咯导电机理
• 优点：具有共轭双键的导电高分子聚吡咯 由于合成方便、抗氧化性能好，与其他导 电高分子相比，因具有电导率较高、易成 膜、柔软、无毒等优点
温度提高、PH值的升高PPy 的导电率反而下 降。
a
17
• 化学氧化法：化学氧化法是在一定的反应 介质中加入特定的氧化剂，使得单体在反 应中直接生成聚合物并同时完成掺杂过程。
Байду номын сангаас
胡伟伟 070804208
a
1
• 一、导电高分子分类 • 二、聚吡咯导电机理 • 三、PPy的制备及影响电导率的因素 • 四、Ppy的性能改进
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导电高分子的分类
• 所谓导电高分子是由具有共轭π键的高分子 经化学或电化学“掺杂”使其由绝缘体转 变为导体的一类高分子材料。它完全不同 于由金属或碳粉末与高分子共混而制成的 导电塑料。
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三、PPy的制备及其影响电导率的因素
• 目前，PPy导电高分子材料的制备主要有2 种方法：电化学合成法和化学氧化法。其 中，化学氧化法得到的一般为粉末样品， 而电化学合成法则可直接得到导电PPy 薄膜。
a
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• 电化学合成法：电化学合成法是通过控制 电化学氧化聚合条件(含吡咯单体的电解液、 支持电解质和溶剂、聚合电位、电流和温 度等)，在电极上沉积为导电PPy薄膜
a
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a
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• 根据导电载流子的不同，结构型导电高分 子有两种导电形式：电子导电和离子传导。
• 一般认为，四类聚合物具有导电性：高分 子电解质、共轭体系聚合物、电荷转移络 合物和金属有机螯合物。其中除高分子电 解质是以离子传导为主外，其余三类聚合 物都是以电子传导为主的。
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二、聚吡咯导电机理
• 优点：具有共轭双键的导电高分子聚吡咯 由于合成方便、抗氧化性能好，与其他导 电高分子相比，因具有电导率较高、易成 膜、柔软、无毒等优点
温度提高、PH值的升高PPy 的导电率反而下 降。
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• 化学氧化法：化学氧化法是在一定的反应 介质中加入特定的氧化剂，使得单体在反 应中直接生成聚合物并同时完成掺杂过程。
《导电聚合物》PPT课件
YBa2Cu3O7(125K)
(BEDT-TTF)2Cu(SCN)2 1024 (10.4K)C60K(38K)
金属 半导体 绝缘体
金，银，铜 (SN)x石墨
锗
硅 AgBr 水
106 103 100 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15
掺 掺杂 杂聚 聚对 乙苯 炔撑
乙 烯
掺掺 杂杂 聚聚 吡噻 咯吩
整理ppt
8
导电高分子的定义
导电率为σ= 10-12~106 S.cm-1 ，其本征态可能不导电，或 者是半导体，但掺杂后成为 半导体或导体。
整理ppt
9
导电高分子的应用
半导体 半导体器件：场 效应晶体管、(发 光)光电二极管、 太阳能电池等.
导体 电极、电磁 波屏蔽、抗 静电材料等。
可逆掺杂 聚合物电池、电 致变色显示器、 传感器、人工肌 肉等。
整理ppt
32
载流子
➢ 材料的导电性是由于物质内部存在的带电粒子 的移动引起的。这些带电粒子可以是正、负离 子，也可以是电子或空穴，统称为载流子。载 流子在外加电场作用下沿电场方向运动，就形 成电流。可见，材料导电性的好坏，与物质所 含的载流子数目及其运动速度有关。
整理ppt
33
高分子和导电剂的种类—导电剂
室温导电率（欧 姆厘米）-1
1.2×103、 5×102 80 10-2
10-5
10-4
AsF5
2.9×10-4
整理ppt
18
CH C H = C H 0 .9 4 B r0 .0 6
CH=CH N=N
I2 I2 AsF5 AsF5 AsF5 AsF5 ClO4 BF4
0.5 0.16 0.4 1.0 0.75
高分子导电材料
高分子导电材料高分子导电材料是一种具有良好导电性能的高分子材料。
传统的高分子材料如聚合物、橡胶等通常具有绝缘性能，而高分子导电材料则能在一定程度上表现出导电、导热等金属或半导体的特性。
这使得高分子导电材料在电子器件、能源储存和传输方面有重要的应用潜力。
高分子导电材料的导电机制主要有两种：掺杂导电和共轭导电。
掺杂导电主要是通过在高分子材料中掺入电子给体或电子受体来实现导电性能的改变。
电子给体能够在高分子链中转移电子，从而使整个材料具有导电性能。
常见的电子给体包括有机金属配合物、有机胺等。
而电子受体能够从高分子链中接收电子，促使电子在材料中的传递。
共轭导电则是通过构建共轭结构的高分子材料来实现导电性能的提升。
共轭结构的高分子材料具有大量的π键和共轭电子体系，使得电子能够自由传递，从而提高导电性能。
高分子导电材料的应用领域非常广泛。
首先，它们在电子器件方面有着重要的应用。
新型的高分子导电材料可以用于制备柔性显示器、有机发光二极管（OLED）、柔性薄膜电池等电子器件。
相比传统的无机导电材料，高分子导电材料具有重量轻、柔性好、可塑性强等优点，可以制备出更加轻薄和灵活的电子器件。
其次，高分子导电材料还可以用于能源储存和传输方面。
高分子导电材料可以应用于锂离子电池、超级电容器等能源储存装置中，提高电池的导电性能和循环稳定性。
同时，高分子导电材料还可以用于太阳能电池、燃料电池等能源转换装置中，提高能源转换效率。
此外，高分子导电材料还应用于传感器、光电存储器、导电涂层等领域。
高分子导电材料能够应对不同的环境变化，如温度、湿度、压力等，因此可应用于各种传感器中，实现对环境参数的敏感检测。
光电存储器是一种基于高分子导电材料的储存器，具有良好的写入速度和可重复擦除等特点。
导电涂层则可以在各种基材上形成导电层，提高基材的导电性能，广泛用于电磁屏蔽、防腐蚀和导电材料修复等方面。
综上所述，高分子导电材料是一种具有良好导电性能的高分子材料，应用领域广泛。
功能高分子05第4章导电高分子材料PPT教学课件
2020/10/16
12
复合型导电高分子材料的导电作用主要通过其中的 导电材料完成。
复合型导电高分子材料的结构形式：
(1)分散复合结构 导电性粉末 、纤维分散在基体中
(2)层状复合结构 导电层独立存在，两面覆盖基体材 料
(3)表面复合结构 导电材料复合到基体表面
(4)梯度复合结构 两材料连续相间有浓度渐变的过渡 层
因为σ电子是无法延主链移动的，而π电子虽较易
移动，但也相当定域化，因此必需再加以掺杂，亦
即移去主链上部分电子(氧化)或注入数个电子(还原)，
这些电洞或额外电子可以在分子链上移动，使此高
分子成为导电体。
2020/10/16
18
当聚乙炔被氧化或还原后主链上即产生自由 基离子或称为极子。
以卤素为氧化剂及碱金属为还原剂为例，掺 杂反应式如下：
2020/10/16
7
按其结构特征及导电机理又可分为： 电子导电聚合物、 离子导电聚合物、 氧化还原型导电聚合物。
2020/10/16
8
复合型导电高分子材料是由绝缘性高分子材 料和各种导电物质通过复合方式制成。
导电物质：炭黑、石墨、碳纤维、金属粉、金 属纤维、金属氧化物等。
复合型导电高分子材料兼有高分子材料的易加 工特性和金属的导电性。
2020/10/16
13
复合型导电高分子材料的性质： (1)导电性质
分散相在连续相中形成导电网络 (2) 压敏性质
材料受到外力作用时，其电性能明显变化 (3) 热敏性质
温度变化时，材料电性能明显变化
2020/10/16
14
复合型导电高分子材料的应用：
(1) 导电性质的应用
金属/环氧树脂导电胶粘剂用于电子器件的连接， 抗震性能好
导电高分子材料聚吡咯ppt课件
15
介质的选择：
16
反应体系的理化性质：包括反应温度、 pH 值、电压、电流密度等对PPy 的导 电性也有不同程度的影响。大量研究表 明，随反应温度提高、PH值的升高 PPy 的导电率反而下降。
17
化学氧化法：化学氧化法是在一定的反 应介质中加入特定的氧化剂，使得单体 在反应中直接生成聚合物并同时完成掺 杂过程。
表面活性剂、反应时间、反应温度及反 应制备工艺对Ppy的导电性都有影响
18
四、聚吡咯的性能改进
1、聚吡咯与纳米材料的复合：保留导 电性能的同时可降低材料成本，而且又 赋予材料其他功能特征。
2、聚吡咯与其他聚合物的复合：如可 以提高尼龙-66的结晶度和结晶度完整 性，其复合膜表面的Ppy具有网状结构 等。
5
二、聚吡咯导电机理
优点：具有共轭双键的导电高分子聚吡 咯由于合成方便、抗氧化性能好，与其 他导电高分子相比，因具有电导率较高、 易成膜、柔软、无毒等优点
6
聚吡咯(polypyrrole,PPy)掺杂后才具 有较好的导电性。常用的掺杂剂有金属 盐类如如FeCl3，卤素如I2、Br2，质子 酸如H2SO4 及路易斯酸如BF3 等。不同 种类的掺杂剂对PPy掺杂以形成高导电 性的机理不同，一般分为电荷转移机理 和质子酸机理。
导电高分子材料聚吡咯
1
一、导电高分子分类 二、聚吡咯导电机理 三、PPy的制备及影响电导率的因素 四、Ppy的性能改进
2
导电高分子的分类
所谓导电高分子是由具有共轭π键的高 分子经化学或电化学“掺杂”使其由绝 缘体转变为导体的一类高分子材料。它 完全不同于由金属或碳粉末与高分子共 混而制成的导电塑料。
9
此时PPy的链结构即为一般的氧化掺杂结构， 如图 1(a)。
介质的选择：
16
反应体系的理化性质：包括反应温度、 pH 值、电压、电流密度等对PPy 的导 电性也有不同程度的影响。大量研究表 明，随反应温度提高、PH值的升高 PPy 的导电率反而下降。
17
化学氧化法：化学氧化法是在一定的反 应介质中加入特定的氧化剂，使得单体 在反应中直接生成聚合物并同时完成掺 杂过程。
表面活性剂、反应时间、反应温度及反 应制备工艺对Ppy的导电性都有影响
18
四、聚吡咯的性能改进
1、聚吡咯与纳米材料的复合：保留导 电性能的同时可降低材料成本，而且又 赋予材料其他功能特征。
2、聚吡咯与其他聚合物的复合：如可 以提高尼龙-66的结晶度和结晶度完整 性，其复合膜表面的Ppy具有网状结构 等。
5
二、聚吡咯导电机理
优点：具有共轭双键的导电高分子聚吡 咯由于合成方便、抗氧化性能好，与其 他导电高分子相比，因具有电导率较高、 易成膜、柔软、无毒等优点
6
聚吡咯(polypyrrole,PPy)掺杂后才具 有较好的导电性。常用的掺杂剂有金属 盐类如如FeCl3，卤素如I2、Br2，质子 酸如H2SO4 及路易斯酸如BF3 等。不同 种类的掺杂剂对PPy掺杂以形成高导电 性的机理不同，一般分为电荷转移机理 和质子酸机理。
导电高分子材料聚吡咯
1
一、导电高分子分类 二、聚吡咯导电机理 三、PPy的制备及影响电导率的因素 四、Ppy的性能改进
2
导电高分子的分类
所谓导电高分子是由具有共轭π键的高 分子经化学或电化学“掺杂”使其由绝 缘体转变为导体的一类高分子材料。它 完全不同于由金属或碳粉末与高分子共 混而制成的导电塑料。
9
此时PPy的链结构即为一般的氧化掺杂结构， 如图 1(a)。
导电高分子
• 离子导电型聚合物的分子有亲水性．柔性好，在一定温
度条件下有类似液体的性质。允许相对体积较大的正负
离子在电场作用下在聚合物中迁移。
• 氧化还原型导电聚合物必须在聚合物骨架上带有可进行 可逆氧化还原反应的活性中心。
4.导电高分子分类
复合型导电高分子
导 电 高 分 子
结构型（本征型）导电 高分子
电子型
未掺卤素的顺式聚乙炔的导电
率为10-8～10-7S/m；未掺卤素的
Heeger
MacDiarmid
反式聚乙炔为10-3～10-2 S/m，
而当聚乙炔曝露于碘蒸气中进 行掺杂氧化反应后，其电导率 可达3000S/m。
Shirakawa
3.导电机理
• 电子导电型聚合物的共同结构特征是分子内有大的线性 共轭n电子体系，给载流子-自由电子提供离域迁移的条 件。
聚苯胺（PANI） （1980年）
聚对苯乙烯撑（PPV） （1979年）
聚噻吩（PT） （1981年）
聚庚二炔（PPP）
5.导电高分子应用
显示材料 导电材料电子来自件应用电极材料
化学反应催化剂
电磁屏蔽材料
参考文献
[1]冀勇斌等.导电高分子材料及其应用[J].材料导报,2005,9:274-276. [2]曹丰,李东旭,管自生.导电高分子聚苯胺研究进展[J].材料导 报.2007,21(8):48-50. [3] 陈东红, 虞鑫海, 徐永芬.导电高分子材料的研究进展[J].化学与 黏合.2012, 34(6):61-64. [4]马冰琳. 导电高分子材料的研究与应用探究[J]. 科研发展. 2011:36-38.
离子型
4.1复合型导电高分子
复合型导电高分子是在本身不具备导电性的高分子材料 中掺混入大量导电物质，如如碳黑、石墨、碳纤维、金属 粉、金属纤维、金属氧化物等
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1983年：加州理工学院的 Robert H. Grubbs 以烷基钛配合物为 催化剂将环辛四烯转换成了聚乙炔，导电率35000S/m， 但难以加工且不稳定。
6 01
导电高分子分类
(广义)导电高分子材料
结构型(本征型)(狭义导电高分子)
主链结构具有导电功能的 高分子，一般以电子高度离域 的共轭聚合物经过适当电子受 体或供体的掺杂后得到。
•对阴离子和对阳离子与高分子链之间没有化学键合，仅 起到正负电荷平衡的作用
9 02
导电高分子
•纯净无缺陷的理想π共轭结构高分子：绝缘体，不导电。
•导电行为的产生：激发使π共轭结构出现缺陷，最常用的方法是掺杂 (doping)，其他有光激发等物理方法。
•导电高分子的掺杂：在π共轭结构高分子链上发生电荷转移或氧化还
原反应，是实现由绝缘体向半导体、导体转变的必要途径。
(CH)n + nx A→ [(CH)+x ·xA-1] n
氧化掺杂（I2、ASF5）
(CH)n + nx A→ [(CH)-x ·xA+1] n
还原掺杂（Na、K）
x——掺杂度，即高分子被氧化还原的程度；聚乙炔：x=0~0.1
•掺杂目的：降低能带隙
Conductive Polymer
导电高分子材料
1
导电高分子
Conductive Polymer or Conducting Polymer or Electroactive Polymer or Synthetic Polymer 按材料的导电性分： 绝缘体（insulator）半导体（semiconductor） 导体（conductor） 超导体（superconductor） 电导率 σ =1/ρ=1/(Ω*m)=S/m
11 02
导 电 高 分 子 特性
•1.导电率变化范围宽
随掺杂度变化，可在绝缘体－半导体－金属态之间变化
导电高分子的电导率范围
12 02
导 电 高 分 子 特性
•2.掺杂-脱掺杂过程可逆
导电高分子不仅可以掺杂, 而且还可以脱掺杂, 并且掺杂-脱掺杂的 过程完全可逆。
•3.具有光学性能（光诱导
吸收、光致发光等非线性光学
复合型
将碳素、金属、金属氧化 物等导电粒子引入到绝缘高分 子材料基材中，得到具有导电 性能的多相复合体系。
不仅具有由于掺杂而带来的 金属特性（高电导率）和半导体 （p和n型）特性之外，还具有分 子可设计性，可加工性和密度小 等特点。
在较大范围内调节电学和力 学性能，成本较低，易于成型 和大规模生产。
2000年获得诺贝尔化学奖
G. MacDiarmid H.Shirakawa
J.Heeger
艾伦·马克迪尔米德 白川英树
艾伦·黑格
5 01
发展历程
1980年：英国 Durham大学的W. Feast 得到更大密度的聚乙炔。
1987 年：德国 BASF 科学家 Herbert Naarman 和 Nicholas Theophiou 在H.Shirakawa方法基础上150℃改良了合 成方法，得到的聚乙炔电导率与铜在同一数 量级，达107S/m 。
104
108
绝缘体 σ<10-10
半导体 10-10<σ<102
导体
σ>102
3 01
超导体
σ>1020
发展历程
1862年：英国伦敦医学专科学校 H.Letheby 在硫酸中电解 苯胺而得到少量导电性物质（可能是聚苯胺）。
1954年：米兰工学院 G.Natta 用 Et3Al-Ti(OBu)4为催化剂制 得聚乙炔, 虽然有非常好的结晶体和规则的共轭结 构，然而难溶解、难熔化、不易加工和实验测定， 这种材料未得到广泛利用。)
(聚苯亚乙烯)
8 02
导电高分子
•具有π-共轭体系，经过“掺杂”后具有导电性的一类高分 子材料的统称。
•结构通式：[P+x·xA-]n（p—型掺杂） [P-x·xA+]n（n—型掺杂）
式中：P+、P-——带正电和带负电的π-共轭体系高分子链； A- 、A+——一价对阴离子和一价对阳离子； x——掺杂度。
ρ—电阻率，ρ=RS/L 单位：mS/m, S/cm, μS/cm…
2 01
导电高分子
Conjugated polymer
insulator
semi-conductor
metal
S/cm
10-14
10-10
10-6
10-2
102
106
Conductivity 10-16
10-12
10-8
10-4
100
特性）、磁学性能、电化 学性能（随氧化/还原过程，
颜色发生变化）等
13 02
导 电 高 分 子 聚乙炔PA Polyacetylene 顺式聚乙炔 反式聚乙炔
（铜色） （银白色）
当聚乙炔曝露于碘蒸气中进行掺杂氧化反应后，其电导率 可达3000S/m。研究最早，最系统，实测导电率最高，但由于 其稳定性差，难以使用。聚乙炔是尚在开发研究中的新型功能 高分子，已成功制成太阳能电池、电极和半导体材料，但尚未 达到工业应用阶段。
14 02
导 电 高 分 子 聚吡咯 Polypyrrole
五元环，稳定性相对较好。
方法
电化学合成法
（PPy ） 化学氧化法
定义 样品形状
10 02
导电高分子
•导电高分子的掺杂 VS 无机半导体的掺杂
名称
掺杂本质 掺杂量 可逆性
无机半导体中的掺杂
本质是原子的替代 极低：万分之几 没有脱掺杂过程
导电高分子中的掺杂
是一种氧化还原过程，通过电荷 的转移实现
高：一般在百分之几到百分之几 十之间
存在脱掺杂， 掺杂过程是完全可逆的
掺杂的结果：在聚合物的空轨道中加入电子或从占有轨道中拉走 电子，从而改变原有π电子能带的能级，产生能量居中的半充满 能带，减小能带间的能级差，使自由电子迁移阻力降低。电子迁 移阻力降低了，就更容易导电了。
1970年：科学家发现类金属的无机聚合物聚硫氮(SN)x具有 超导性。
4 01
发展历程
1975年：A.G.MacDiarmid、A.J.Heeger与H.Shirakawa合作研究，将无机 导电聚合物研制与有机导电聚合物研制相结合。发现未掺卤素的顺式聚乙炔 的导电率为10-8～10-7S/m；未掺卤素的反式聚乙炔为10-3～10-2 S/m，而当聚 乙炔曝露于碘蒸气中进行掺杂氧化反应后，其电导率可达3000S/m。
6 01
导电高分子分类
(广义)导电高分子材料
结构型(本征型)(狭义导电高分子)
主链结构具有导电功能的 高分子，一般以电子高度离域 的共轭聚合物经过适当电子受 体或供体的掺杂后得到。
•对阴离子和对阳离子与高分子链之间没有化学键合，仅 起到正负电荷平衡的作用
9 02
导电高分子
•纯净无缺陷的理想π共轭结构高分子：绝缘体，不导电。
•导电行为的产生：激发使π共轭结构出现缺陷，最常用的方法是掺杂 (doping)，其他有光激发等物理方法。
•导电高分子的掺杂：在π共轭结构高分子链上发生电荷转移或氧化还
原反应，是实现由绝缘体向半导体、导体转变的必要途径。
(CH)n + nx A→ [(CH)+x ·xA-1] n
氧化掺杂（I2、ASF5）
(CH)n + nx A→ [(CH)-x ·xA+1] n
还原掺杂（Na、K）
x——掺杂度，即高分子被氧化还原的程度；聚乙炔：x=0~0.1
•掺杂目的：降低能带隙
Conductive Polymer
导电高分子材料
1
导电高分子
Conductive Polymer or Conducting Polymer or Electroactive Polymer or Synthetic Polymer 按材料的导电性分： 绝缘体（insulator）半导体（semiconductor） 导体（conductor） 超导体（superconductor） 电导率 σ =1/ρ=1/(Ω*m)=S/m
11 02
导 电 高 分 子 特性
•1.导电率变化范围宽
随掺杂度变化，可在绝缘体－半导体－金属态之间变化
导电高分子的电导率范围
12 02
导 电 高 分 子 特性
•2.掺杂-脱掺杂过程可逆
导电高分子不仅可以掺杂, 而且还可以脱掺杂, 并且掺杂-脱掺杂的 过程完全可逆。
•3.具有光学性能（光诱导
吸收、光致发光等非线性光学
复合型
将碳素、金属、金属氧化 物等导电粒子引入到绝缘高分 子材料基材中，得到具有导电 性能的多相复合体系。
不仅具有由于掺杂而带来的 金属特性（高电导率）和半导体 （p和n型）特性之外，还具有分 子可设计性，可加工性和密度小 等特点。
在较大范围内调节电学和力 学性能，成本较低，易于成型 和大规模生产。
2000年获得诺贝尔化学奖
G. MacDiarmid H.Shirakawa
J.Heeger
艾伦·马克迪尔米德 白川英树
艾伦·黑格
5 01
发展历程
1980年：英国 Durham大学的W. Feast 得到更大密度的聚乙炔。
1987 年：德国 BASF 科学家 Herbert Naarman 和 Nicholas Theophiou 在H.Shirakawa方法基础上150℃改良了合 成方法，得到的聚乙炔电导率与铜在同一数 量级，达107S/m 。
104
108
绝缘体 σ<10-10
半导体 10-10<σ<102
导体
σ>102
3 01
超导体
σ>1020
发展历程
1862年：英国伦敦医学专科学校 H.Letheby 在硫酸中电解 苯胺而得到少量导电性物质（可能是聚苯胺）。
1954年：米兰工学院 G.Natta 用 Et3Al-Ti(OBu)4为催化剂制 得聚乙炔, 虽然有非常好的结晶体和规则的共轭结 构，然而难溶解、难熔化、不易加工和实验测定， 这种材料未得到广泛利用。)
(聚苯亚乙烯)
8 02
导电高分子
•具有π-共轭体系，经过“掺杂”后具有导电性的一类高分 子材料的统称。
•结构通式：[P+x·xA-]n（p—型掺杂） [P-x·xA+]n（n—型掺杂）
式中：P+、P-——带正电和带负电的π-共轭体系高分子链； A- 、A+——一价对阴离子和一价对阳离子； x——掺杂度。
ρ—电阻率，ρ=RS/L 单位：mS/m, S/cm, μS/cm…
2 01
导电高分子
Conjugated polymer
insulator
semi-conductor
metal
S/cm
10-14
10-10
10-6
10-2
102
106
Conductivity 10-16
10-12
10-8
10-4
100
特性）、磁学性能、电化 学性能（随氧化/还原过程，
颜色发生变化）等
13 02
导 电 高 分 子 聚乙炔PA Polyacetylene 顺式聚乙炔 反式聚乙炔
（铜色） （银白色）
当聚乙炔曝露于碘蒸气中进行掺杂氧化反应后，其电导率 可达3000S/m。研究最早，最系统，实测导电率最高，但由于 其稳定性差，难以使用。聚乙炔是尚在开发研究中的新型功能 高分子，已成功制成太阳能电池、电极和半导体材料，但尚未 达到工业应用阶段。
14 02
导 电 高 分 子 聚吡咯 Polypyrrole
五元环，稳定性相对较好。
方法
电化学合成法
（PPy ） 化学氧化法
定义 样品形状
10 02
导电高分子
•导电高分子的掺杂 VS 无机半导体的掺杂
名称
掺杂本质 掺杂量 可逆性
无机半导体中的掺杂
本质是原子的替代 极低：万分之几 没有脱掺杂过程
导电高分子中的掺杂
是一种氧化还原过程，通过电荷 的转移实现
高：一般在百分之几到百分之几 十之间
存在脱掺杂， 掺杂过程是完全可逆的
掺杂的结果：在聚合物的空轨道中加入电子或从占有轨道中拉走 电子，从而改变原有π电子能带的能级，产生能量居中的半充满 能带，减小能带间的能级差，使自由电子迁移阻力降低。电子迁 移阻力降低了，就更容易导电了。
1970年：科学家发现类金属的无机聚合物聚硫氮(SN)x具有 超导性。
4 01
发展历程
1975年：A.G.MacDiarmid、A.J.Heeger与H.Shirakawa合作研究，将无机 导电聚合物研制与有机导电聚合物研制相结合。发现未掺卤素的顺式聚乙炔 的导电率为10-8～10-7S/m；未掺卤素的反式聚乙炔为10-3～10-2 S/m，而当聚 乙炔曝露于碘蒸气中进行掺杂氧化反应后，其电导率可达3000S/m。