导电高分子的应用与发展

导电高分子材料及其应用

班级：材料化学三班，

【摘要】：导电高分子材料因其独特的结构和物理化学性质而在很多方面得到广泛应用。本文介绍了导电高分子材料的分类、导电机理及其应用领域。

【关键词】：导电高分子材料分类机理应用

引言：导电高分子材料是指一类具有导电功能（包括半导电性、金属导电性和超导电性）、电导率在10S/m以上的聚合物材料。高分子材料长期以来被作为优良的电绝缘体，直到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具有类似金属的导电性以后,人们对共轭聚合物的结构和认识不断深入和提高。2000 年的诺贝尔化学奖分别授予了美国的Heeger、Mac Diarmid和日本的白川英树三位科学家，他们通过研究证明了大家通常认为绝缘的高分子材料在一定的条件下也可以具有导电性[1]，从那以后，导电高分子材料这一门新兴的学科就此迅速发展，成为材料学科研究中重要的一部分。

一、导电高分子材料的分类

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7μm。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[2]。

1.2结构型导电高分子材料

结构型导电高分子是指高分子本身或少量掺杂后具有导电性质,一般是电子高度离域的共轭聚合物经过适当电子受体或供体进行掺杂后制得的[3]。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)[4],这类材料是目前世界导电高分子中研究开发的重点。

二、导电高分子材料的导电机理

2.1复合型导电高分子材料的导电机理

复合型导电高分子材料的导电机理比较复杂。一般可分为导电回路如何形成以及回路形成后如何导电两个方面。大量的实验研究结果表明,复合体系中导电填料的含量增加到某一临界含量时,体系的电阻率急剧降低,电阻率—导电填料含量曲线上出现一个狭窄的突变区域,见图1所示。在此区域中,导电填料含量的任何细微变化均会导致电阻率的显著改变,这种现象通常称为“渗滤”现象,在突变区域之后,体系电阻率随导电填料含量的变化又恢复平缓。复合型导电高分子材料中填料的分散状态决定了材料的导电性，从渗流理论中可

看出，孤立分散的填料微粒松散地填充于材料中

时，当体积分散达到一定的临界含量以后，就可

能形成一个连续的导电通路。这时的离子处于两

种状态：一是电荷载流子可以在导体内连续地流

动，此时离子间发生的是物理接触；二是由于离

子间存在粘接剂薄层，载流子本身被激活而运动。

所以，复合型导电高分子材料能导电的条件是填

充材料应该既一定程度地分散，又能形成松散的

网络分布。复合型导电高分子材料中填充材料的

成分、填料粒子的分散状态及其与聚合物基体的

相互作用都决定了复合材料的导电性，要想材料

能具有更良好导电性，必须使填料粒子既能较好

地分散，又能形成三维网状结构或蜂窝状结构 [5]。

2.2结构型导电高分子材料的导电机理

物质的导电过程是载流子在电场作用下定向移动的过程[6]。高分子聚合物导电必须具备两个条件:(1)要能产生足够数量的载流子(电子、空穴或离子等);(2)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(“自由体积模型”);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。大分子链内与链间π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。

三、导电高分子材料的应用

3.1导电高分子材料在智能隐身技术中的应用

3.1.1雷达波智能隐身材料

导电聚合物作为新型的吸波材料倍受世界各国重视,国际上对导电聚合物雷达吸波材料的研究不仅已成为导电聚合物领域的一个新热点[7],而且是实现导电聚合物技术实用化

的突破口。据报道，用智能纤维增强的一种导电聚合物作为隐身的结构材料在雷达波智能隐身中已得到应用，不仅降低了雷达散射的截面，而且使飞机的质量减轻50%，并对声波也具有良好的隐身效果［8］。导电聚合物作为吸波材料有以下优点:(1)电磁参量可控。人们可以通过改变导电聚合物的主链结构、掺杂度、对阴离子的尺寸、制备方法等来调节导电聚合物的电磁参量,以满足实际要求。(2)表观密度低。导电聚合物的密度都在 1.1～1.2g/cm3。(3)易加工成型。导电聚合物可被加工成粉末、薄膜、涂层等,为其应用提供了便利条件。但由于导电聚合物属于电损耗的雷达吸波材料,因此在减薄涂层厚度和展宽频带方面存在困难。目前这类材料作为吸收雷达波的应用还未进入实施阶段。

3.2.2红外智能隐身材料

随着红外探测技术的不断进步以及背景环境的快速变化，传统意义的红外伪装——单一被动抑制目标红外辐射、改变辐射特性已经越来越不能适应现代战场的要求，对红外隐身材料的研究也在不断发展，尤其是在动态红外智能隐身材料研究方面。

美国陆军应用导电高分子电致变色材料（PEDT/PPS）制作士兵服装，使士兵能够在夜间不被对方的探测器发现。针对舰船、坦克、车辆等武器装备在不同环境下的伪装要求，采用导电高分子电致变色涂层（聚苯胺/聚二苯胺涂层）［9］，利用其红外发射率不同而达到夜间或白天红外伪装的目的。此种材料还可使武器装备表面涂层呈现不同的可见光迷彩伪装效果。

3.3.3 可见光智能隐身材料

为了提高目标在可见光背景下的伪装能力，有些国家致力于伪装材料在可见光背景下的环境自适应技术研究，其中电致变色高分子材料已成为可见光智能隐身的一个重要研究方向。

美国佛罗里达大学研制出一种电致变色聚合物材料，将这种材料制成薄板覆盖在目标表面，板在加电时能发光并改变颜色，在不同电压的控制下会发出蓝、灰、白等不同颜色的光，必要时还可产生不同的色调，以便与太空的色调相一致，能够消除目标与背景的色差，达到可见光隐身的效果[10]。

3.2导电高分子材料在电子元器件开发中的应用

2.1.1防静电和电磁屏蔽方面

电磁屏蔽技术通常使用标准金属及复合材料,它们的屏蔽效能很好,但是存在重量大、价格昂贵、易腐蚀、难于调节屏蔽效能等缺点.导电高分子材料具有同样电磁屏蔽性能且重量轻、韧性好、易加工、电导率易调节、成本低、易大面积涂敷、施工方便。因此,它是一种非常理想的替代传统金属的新型电磁屏蔽材料,可应用在计算机房、手机、电视机、电脑和心脏起搏器等电子电器元件上[11]。

2.1.2芯片开发

在各种带有微芯片的卡片以及条码读取设备上，高分子聚合物逐渐取代硅材料。塑料芯片的价格仅为硅芯片的1％～10％，并且由于其具有可溶性的特性而更易于加工处理[12]。

目前国际上已经研制出集成了几百个电子元器件的塑料芯片，采用这种导电塑料制造的新款芯片可以大大缩小计算机的体积，提高计算机的运算速度[13]。

2.1.3显示材料

电解合成的导电高分子材料可以进行电化学脱掺杂和再掺杂,发生还原可逆的电化学反应。电化学脱掺杂使导电型高分子材料变为绝缘体,氧化掺杂又使绝缘体变为导电体。并且高分子材料的导电性随脱掺杂与掺杂的程度不同而变化。通过控制电量,高分子材料的导电度可以在导电体、半导体、绝缘体之间任意变动,并且随着导电度的变化,高分子材料的光学特性也发生变化。利用这一特性,高分子材料可以用作显示材料[14]。

3.3导电高分子材料在医学工程中应用

3.3.1药物释放

离子电疗法就是借助电化学过程驱动药物通过皮肤而进入体内。利用导电高聚物的掺杂和脱杂是一个嵌入和脱嵌入过程，制作一种含药物的导电高分子电池，当需要时，只要接通电流，药物就能释放出来通过皮肤而进入血液。聚吡咯是在这方面研究最早也是最广泛的一种导电高分子。

3.3.2生物医学传感器

将聚吡咯通过电化学方法固定葡萄糖氧化酶，当葡萄糖氧化酶使葡萄糖氧化分解时，产生的过氧化氢可掺杂聚吡咯，从而提高聚吡咯膜的电导率。通过检测聚吡咯膜电导率的变化，就可以测定血液或其他溶液中的葡萄糖浓度[15]。

3.3.3.组织工程

聚吡咯是一种生物相容性较好的高分子。细胞外基质蛋白和生长因子不但可以通过侧链、配基以共价键结合Ppy的表面高分子基团上，而且通过离子键合掺的药物和生物活性分子还可通过电化学控制释放，实现生物分子定量释放表达，作用于细胞，以获得预期的细胞贴壁、增殖、分化性质，实现表面功能化、可控化。利用Ppy构建生物电活性涂层，可以通过掺杂分子和控制加电方式、电刺激强度以及作用时间提供局域定向电刺激，获得不同的表面特性[16]。Ppy能促组织细胞生长，刺激神经再生，可用于人造血管移植以及器官细胞组织工程等领域。

3.4导电高分子材料在透明导电膜方面的应用

导电高分子可制成彩色或无色透明的质轻的导电薄膜,在一些特殊的环境中使用。透明导电膜,是在透明的高分子膜表面上形成的对可见光透明的导电性薄膜,除了在历来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、开关等电板材料、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。

3.5导电高分子材料在其他方面的应用

导电聚合物是有吸引力和取代传统材料的新概念产品，由于其独特的组合加工性、稳

定性、可控电导率、光学和机械性能，使其能在不同的工业领域得以广泛应用：

（1）包装行业：注塑成型产品，防静电膜；

（2）电子领域：防静电包装的组件，印刷电路板；

（3）开窗：电致变色灵巧窗，电致变色汽车后视系统；

（4）纺织业：导电布；

（5）汽车行业：抗静电电荷消散，油漆底漆，电致变色后视系统；

（6）建筑：防静电地板，防静电工作面；

（7）矿业：导电管爆炸物，防静电包装[17]。

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