导电高分子材料及其应用综述

导电高分子材料及其应用

姓名：刘振杰

（常州轻工职业技术学院常州213164）

摘要：主要论述了导电高分子材料的种类、发展概况及其应用，对新近开发的复合型导电高分子材料产品进行了介绍，并对导电高分子材料的发展进行了展望。[1]导电高分子材料具有高电导率、半导体特性、电容性、电化学活性，同时还具有一系列光学性能等，具有与一般聚合物不同的特性。因此，它们在导电材料、电极材料、电显示材料、电子器件、电磁波屏蔽以及化学催化等方面具有很大的潜在应用。根据导电高分子材料的研究和应用现状分析了其今后的研究趋势，并展望了其应用前景。[2]

关键词：导电高分子应用导电高分子材料复合型导电高分子结构型导电高分子分类

1导电高分子材料的种类[3~6]

按照材料的结构与组成，可将导电高分子材料分为两大类。一类是复合型导电高分子材料，另一类是结构型（或本征型）导电高分子材料。

1.1复合型导电高分子材料

复合型导电高分子材料是将各种导电性物质以不同的方式和加工工艺（如分散聚合、层积复合、形成表面电膜等）填充到聚合物基体中而构成的材料。几乎所有的聚合物都可制成复合型导电高分子材料。其一般的制备方法是填充高效导电粒子或导电纤维，如填充各类金属粉末、金属化玻璃纤维、碳纤维、铝纤维、不锈钢纤维及锰、镍、铬、镁等金属纤维，填充纤维的最佳直径为7!m。复合型导电高分子材料在技术上比结构型导电高分子材料具有更加成熟的优势，用量最大最为普及的是炭黑填充型和金属填充型。

1.2结构型导电高分子材料

结构型（又称作本征型）导电高分子是指那些高分子材料本身或经过掺杂后具有导电功能的聚合物。这种高分子材料本身具有“固有”的导电性，由其结构提供导电载流子，一旦经掺杂后，电导率可大幅度提高，甚至可达到金属的导电水平。从导电时载流子的种类来看，结构型导电高分子材料又被分为离子型和电子型两类。离子型导电高分子通常又称为高分子固体电解质，它们导电时的载流子主要是离子。电子型导电高分子指的是以共轭高分子为主体的导电高分子材料。导电时的载流子是电子（或空穴），这类材料是目前世界导电高分子中研究开发的重点。

2导电高分子材料的发展概况［3~6］

复合型导电高分子材料在工业上的应用始于20世纪60年代。它是将导电的炭黑、金属粉末、金属丝或碳纤维混到高分子基质中而形成的导电材料。进入80年代，美、德、日等国先后制定了有关限制电磁干扰/射频干扰（EMI/RFI）公害的规定，规定生产的各种电子电气设备必须有电磁屏蔽设施，使得导电高分子材料的研究开发空前活跃，市场需求量增大。从1982~1987年，美国对导电高分子材料的需求量增长了3.3倍，日本从1980~1987年需求量增长了4.4倍。90年代随着微电子工业的发展，导电高分子材料的市场越来越大。据预测，到21世纪初，导电塑料总消费量将从上世纪90年代初的5.45万I增至20. 9万I，保持年增长率15%的势头。

结构型导电高分子材料是1971年由日本白川研究用齐格勒-纳塔催化剂合成聚乙炔时发现的。80年代以来，发现聚对苯硫醚、聚吡咯、聚噻吩、聚喹啉等共轭型聚合物均可通过掺杂形成高导电塑料。90年代，结构型导电高分子材料已部分进入实用化阶段，如德国Zippering Kessler公司制成了用于生产高剪切的结构型导电高分子材料模塑部件的专用小型设备。BASF公司研制的聚乙炔，在导电率与质量比上已经达到许多金属相同的量级。

虽然结构型导电高分子材料已开始进入实用化，但因其性能不稳定、难加工、成本高等缺点，使其占整个导电高分子材料的比重相当低，目前市场供应的产品90%以上是复合型的。据预测，到2010年结构型导电高分子材料将占总导电高分子材料销售

额的17.5%。此外，日本的道化学、三菱气体化学、宇部工业、德国的BASF等公司对导电塑料已经进入了更高层次的研究。目前聚乙炔是技术上最为成熟的结构型导电高分子材料，并且得到了推广应用。

3导电高分子材料的应用

导电高分子材料与金属材料相比，具有质量轻、易成型、耐腐蚀性好、可选择的电导率范围宽、结构易变和半导体特性、具有高电导率、可逆氧化还原性、不同氧化态下的光吸收特性、电荷储存性、导电与非导电状态的可转换性等[7~10]。目前主要用于导电衬料、可充电电池电极材料、光电显示材料、信息记忆材料、屏蔽和抗静电材料、电子器件等方面。(1)作为导电材料导电聚合物具有高电导率，在理论上讲，导电聚合物应该成为金属电力输送材料的有力竞争者，但是对多数导电聚合物来说，电导率相对较低，化学稳定性较差，在空气中很快失去导电性能，因此，作为电力输送材料与金属相比还有较大差距，在这方面的大规模应用开发还有待上述性能的改进。聚乙炔在掺杂状态下的电导率能与铜媲美。由于电性不够稳定，导电高分子尚不能替代铜、铝、银等金属而加以利用。但是，目前已研制出一种加压性导电橡胶[11]，这种橡胶只有在加压时才表现导电性，而且仅在加压部位显示导电性，未加压部位仍保持绝缘性。加压性导电橡胶可用作压敏传感器，还被广泛应用于防爆开关、音量可变元件、高级自动把柄、医用电极、加热元件等方面。另外，导电高分子可制成彩色或无色透明轻质导电薄膜。除了在传统的透明导电膜玻璃的应用范围内得到应用外，还可用作电子材料的基材，如在电致发光面板、液晶和透明面板、指示计检测仪器窗口的防静电和电磁屏蔽材料等方面已经应用，目前正集中精力进行开发薄型液晶显示的透明电极、透明开关面板、太阳能电池的透明电板等，估计在不久也将得到应用.[12]

(2)作为电极材料导电聚合物不仅来源广泛，而且重量轻、不污染环境，与无机电极材料相比，由导电聚合物作为电极具有很高的能量比，电压特性好，这一优势对于以航空航天、以及电动汽车为应用对象的特种可充电电池的研制来说意义十分重大。根据其使用的掺杂剂不同，目前以导电聚合物为电极材料的二次电池主要有3种结构类型：①以导电聚合物作为电池的阴极材料；②作为阳极材料；③电池中的阳极和阴极都由不同氧化态的导电聚合材料构成。作为阳极，导电聚合物应进行p一型掺杂，被n．型掺杂的导电聚合物则作为电池阴极。作为电极材料，虽然经掺杂的聚乙炔的电导值已经超过1×105S／cm，可是其充放电稳定性差，最终影响其进一步的应用，从而促使人们将研究目标转向聚吡咯、聚苯胺等其他环境稳定性较好的导电高分子品种。以导电高分子材料作电极的蓄电池具有较高的电容量和能量密度，充电效率也较高，具有很大的开发潜力。但要实际应用，其电解质及电池材料的稳定性仍是需要解决的问题。

(3)作为显示材料导电聚合物在电极电压的作用下聚合物本身发生电化学反应，使其氧化态发生变化，在氧化还原反应的同时，聚合物的颜色在可见光区发生明显改变，由此建立电压和颜色的对应关系。导电聚合物电显示器就是以电压和颜色的对应关系为依据。与液晶显示器相比，这种装置的优点是没有视角的限制[13~14]。聚毗咯、聚噻吩和聚苯胺是显色性和稳定性均较好的电显示材料。随着电压的变化，聚吡咯可在黄色-蓝紫色间变化上万次以上，聚噻盼也可在红色一蓝色间变化。日本学者曾用电化学方法将聚邻苯二胺(无色．红色)、聚间氨基苯磺酸(无色-蓝色)和聚苯胺(无色．绿色)复合制成电致变色材料，在该领域作出了较为成功的探索。单一导电高分子品种很难实现三原色显示，通常将几类导电高分子通过化学、电化学或物理的方法共混成全色电致变色材料。