高分子材料导论课程论文
考试序列号____
通识教育课程论文
论文题目：导电高分子材料
课程名称：高分子材料导论
学院信息工程学院
专业班级 08电子信息工程2班
学号 3108010691 姓名阿布杜
联系方式 150********
任课教师殷陶
2011 年11 月1 日
摘要长期以来,高分子材料由于具有良好的机械性能,作为结构材料得到广泛的用。关于电性能,人们一直只利用高分子材料的介电性,将其作为电绝缘材料使用。而它的导电性的发现、研究及开发则比较晚, 直到1977年才发现了第一个导电有机聚合物——掺杂型聚乙炔, 它具有类似金属的电导率。其后世界各国大批科学家相继研究导电高分子材料,成为高分子材料中非常活跃的一个领域。本文介绍了导电高分子材料的概念及分类,重点讨论了导电高分子材料的导电机理及其在抗静电和导电、自然温发热材料、电磁屏蔽等领域的应用。
关键词导电高分子导电机理应用
1.导电高分子材料的分类
导电性高分子材料一般分为结构型和复合型两大类。结构型导电高分子聚合物是1977年才发现的，它是有机聚合掺杂后的聚乙炔，具有类似金属的电导率。而纯粹的结构型导电高分子聚合物至今只有聚氮化硫类，其它许多导电聚合物几平均需采用氧化还原、离子化或电化学等手段进行掺杂之后才能有较高的导电性。其代表性的产物有聚乙炔、聚对苯撑、聚吡咯、聚噻吩、聚吡啶、聚苯硫醚等。还有一种叫作热分解导电高分子，这是把聚酰亚胺、聚丙烯腈等在高温下热处理，使之生成与石墨结构相近的物质，从而获得导电性。这些热分解导电高分子的特征是无须掺杂处理，故具有优异的稳定性。结构型导电高分子材料的主要用途是导电材料、蓄电池电极材料、光功能元件、半导体材料，其研究开发主要集中在以T4个方面：①具有与金属相同的电导率；②在空气中是稳定的；③具有高功能；④具有良好的加工成型性。另一类被称之为复合型导电高分子材料，它是由导电性物质与高分子材料复合而成。这是一类已被广泛应用的功能性高分子材料。
2.导电机理
所谓结构型导电高分子是高分子本身结构显示导电性, 通过离子或电子而导电。所以, 结构型导电高分子材料又可分为电子导电高分子材料和离子导电高子材料两类。
2.1结构型导电高分子的导电机理
有机固体要实现导电,首先要有易定向移动的载流子。电子导电的结构型高分子材料的载流子来源于它内部的含有部分占据的轨道的特殊结构。在下列三种情况下,见图1(a)为轨道全满,电子只能跃迁到LUMO轨道,但这需要很高的活化能, 这种有机固体常为绝缘体。(b)虽为部分占有轨道,但在这种半满情况下的电子跃迁既要克服同一轨道上两个电子间的库伦斥力,又要破坏原有的平衡体系,所需要的活化能也较高,这种有机固体在常温下为半导体或绝缘体。(c)既满足轨道部分占有,且电子跃迁后体系保持原态, 电子只需较小的活化能即可实现跃迁, 成为易定向移动的载流子电导率一般较高,为半导体或导体。
2.2复合型导电高分子的导电机理
复合型导电高分子材料是通过在一般高分子中加入各种导电填料、添加剂, 采用分散复合、层积复合、使其表面形成导电膜等方法制成。它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。对于第一个方面,人们是从导电渗滤现象开始研究的。大量的实验研究结果表明,是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,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(Pereolation phenomenon)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。
为了解释复合型导电高分子的导电渗杂现象,人们提出了各种不同的理论。其中较为成功的理论是等人提出的热力学理论。该理论认为高分子树脂基体与导电填料之间的界面效应对复合体系中导电回路的形成具有很大的影响。在复合型导电高分子材料的制备过程中,导电填料粒子的自由表面变成湿润的界面,形成聚合物—填料界面层,体系产生了界面能过剩,随着导电填料含量的增加,聚合物—填料的界面能过剩不断增大。当体系界面能过剩达到一个与聚合物种类无关的普适常数之后,导电粒子开始形成导电网络,宏观上表现为体系的电阻率突降。
3.导电高分子材料的应用
尽管人们对导电高分子材料的研究起步较晚,但由于导电高分子具有下列特点:（1）与金属相比, 重量轻；（2）成型性好,用浇铸模、压等比较简易的方法就能使其纤维化、薄膜化、制成涂料, 以及得到人们所需要的其他形状。而且易于加工成大面积的轻质的可挠性薄膜,以其大的面积厚度比来补偿它的电导率较低的不足。（3）易于合成和进行分子设计、材料设计,从而能较好地满足科学技术对这类功能材料提出的各种要求。（4 ）原料来源广等等。展现了其广阔的应用前景,受到世界各国科学家的重视,发展非常快。尤其是复合型导电高分子材料, 因其成本较低,简单易行已经得到了广泛的应用。
3.1 导电高分子材料在医学工程中应用
塑料等高分子聚合物可以像金属一样导电,而且可以制作成各种特殊性能的新材料。目前导电高分子材料已悄然走进生物医学领域，是生物材料和组织工程学家关注的焦点
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聚吡咯（Polypyrrole,Ppy）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杂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。
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. 将Ppy用于桥接周围神经损伤，并电刺激。结果显示，局部微电流能通过局部反射与微蛋白电解产生的活性肽的作用，扩张血管，促进血液渗出，使再生室中基质前体增多，加速了基质束的形成，有利于形成连接两断端的桥状束，促进损伤周围神经重建。对神经再生微环境形成有积极意义。
3.2 雷达吸波材料
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，而且是实现导电聚合物技术实用化的突破口。导电聚合物作为吸波材料有以下优点:(1)电磁参量可控。对导电聚合物聚吡咯(Polypyrrole,PPY)进行研究发现,其雷达波吸收率与掺杂浓度间关系式在10GHz 频率下出现极值,并且聚吡咯对雷达波的透过、反射和吸收强烈依赖于聚吡咯的电导率。聚苯胺的介电损耗则随着对阴离子的尺寸的增大而增大、随着掺杂度的增加而增加。这些研究表明,导电聚合物的电磁参量的频谱特征和吸收率的频谱特征依赖于导电聚合物的主链结构、对阴离子的尺寸、掺杂度及制备的条件。因此,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。随着“模块合成”、“分子沉积法”、“扫描微探针电化学”等制备导电聚合物微管和纳米管的方法相继出现以及计算机模拟分子设计技术的日趋成熟,导电聚合物必将作为舰船和武器装备的吸波材料得到广泛的应用。
3.3 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。
M1Uoda等[23]研究发现,在PPP 聚合物分子链上引入对称的侧基烷氧基得到的聚2,5-二烷氧基苯可以溶于四氢呋喃中,且该聚合物仍然具有很好的导电性。崔峻等[24]根据这一研究成果,合成出带有液晶基元的二烷氧基苯单体。该单体在催化剂FeCl3作用下和惰性气体N2气保护下,反应得到侧链导电液晶聚合物聚1,4-(2-甲氧基-5-正己酸联苯酯醚)苯。
3.4 透明导电膜的应用
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 导电高分子在其他方面的应用
导电高分子是目前从绝缘体到半导体再到导体的变化跨度最大的物质，因而有许多优异的性能。（1）作为电极材料。尤以蓄电池的电极材料应用研究最为广泛。这类电池采用导电高分子代替传统的金属或石墨电极，加工方便，有质轻、高比能量特点。（2）电磁屏蔽材料。导电聚合物具有防静电的特性，可以用于电磁屏蔽，是非常理想的电磁屏蔽材料替代品。（3）抗静电。添加抗静电剂是高分子材料常用的抗静电方法，能避免材料表面的静电积累和火花放电，对基材的原有物性影响小、工艺简单。（4）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催化剂固定在聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺的粉末，成为新的催化剂载体。
4结语
导电材料出现以后,人们开发了一系列的具有优异性能的导电聚合物,对这类物质的导电行为有了进一步的了解。近年来,科研工作者又在高强度导电高分子、可加工导电高分子领域开展大量研究工作,并取得了很大的进展。今后导电高分子的发展趋势为:(1)合成具有高导电率及在空气中长期稳定的导电聚合物,其中特别值得重视的是可加工的非电荷转移(单组分)结构型导电聚合物的研究。(2)有机聚合物超导体的研究。(3)对有机材料电子性能的研究,另一重要目标是开发出具有无机材料不可代替的新一代功能材料。导电聚合物的研究使人们对有机固体的电子过程了解更加深入。今后,人们将在此基础上向有机导电材料的各个领域开展新的研究,为在本世纪末或下世纪初实现更高密度的信息处理材料,更高效率的能量转换和传递材料而努力。
5参考文献