导电高分子材料研究1

1、化学103 徐军开放性专题讨论目录 导电高分子介绍 导电高分子的分类 导电高分子的研究进展 导电高分子材料的导电机理 高分子材料导电能力的影响因素 导电高分子材料的应用 结构型导电高分子材料的发展趋势 总结一.导电高分子介绍 高分子导电材料(conductive polymeric material)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10-6S/m以上的聚合物材料。高分子导电材料具有密度小易加工耐腐蚀可大面积成膜以及电导率可在十多个数量级的范围內进行调节等特点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。 导电

2、高分子材料分为结构型和复合型两种。二.导电高分子的分类结构型导电高分子材料： 是指其具有共轭-键，其本身或是经过“参杂”后，具有导电性的一类高分子材料。复合型导电高分子材料： 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， 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、 如碳黑、石墨、碳纤维、金属粉、金属纤维、 金属氧化物等 其他种类与聚乙炔相比，他们在空气中更加稳定，可以直接掺杂聚合，电导率在 左右，可以满足实际需要三.导电高分子的研究进展导电高分子材料的发现1974年日本筑波大学H.Shirakawa在合成聚乙炔的实验中投入过量1

3、000倍的催化剂，合成出令人兴奋的有铜的顺式聚乙炔膜与银白色的反式聚乙炔。 1000倍催化剂 温度三.导电高分子的研究进展聚乙炔的参杂反应 1975年，G.MacDiarmid、J.Heeger与H.shirakawa合作进行研究，他们发现当聚乙炔暴露于碘蒸气中进行掺杂氧化反应后，其导电率令人吃惊地达到3000S/m三.导电高分子的研究进展 1862年lethebi-聚苯胺 1977年白川和MacDiarmid-掺杂聚乙炔 1986年，ElsenbaumerR.L.等人得到了可溶性聚噻吩NOBEL PRIZE IN CHEMISTRY“For the discovery and develop

4、ment of conductive polymers”G.MacDiarmidH.shirakawaJ.Heeger四.导电高分子材料的导电机理 导电高分子材料的共同特征交替的单键、双键共轭结 半导体到导体的实现途径掺杂(doping) 在共轭有机分子中电子是无法沿主链移动的，而电子虽较易移动，但也相当定域化，因此必需移去主链上部分电子(氧化)或注入数个电子(还原)，这些空穴或额外电子可以在分子链上移动，使此高分子成为导电体。 四.导电高分子材料的导电机理四.导电高分子材料的导电机理五.高分子材料导电能力的影响因素 导电高分子材料聚乙炔的电导率 五.高分子材料导电能力的影响因素 掺杂率对导电

5、高分子材料导电能力的影响 掺杂率小时，电导率随着掺杂率的增加而迅速增加，当达到一定值后，变化很小，此时为饱和掺杂率。五.高分子材料导电能力的影响因素 共轭链长度对导电高分子材料导电能力的影响 电子运动的波函数在沿着分子链方向有较大的电子云密度，并且随着共轭链长度的增加，这种趋势更加明显，导致聚合物电导率的增加 。 五.高分子材料导电能力的影响因素 温度对导电高分子材料导电能力的影响 对金属晶体，温度升高引起的晶格振动阻碍其在晶体中的自由运动；而对于聚乙炔，温度的升高有利于电子从分子热振动中获得能量，克服其 能带间隙，实现导电过程。六.导电高分子材料的应用半导体/导体/可逆掺杂 半导体特性的应用

6、 半导体特性的应用发光二极管 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。六.导电高分子材料的应用 半导体特性的应用 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 。 六.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

7、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 六.导电高分子材料的应用 电化学掺杂/去掺杂之可逆性的应用电变色组件 共轭高分子在电化学氧化还原时都会产生变色现象。电变色性在汽车防眩后视镜、光信息储存组件、太阳眼镜、军事用途护目镜、飞机驾驶舱遮篷及智能窗等可控制电变色性质的应用上具有极大的发展潜力。六.导电高分子材料的应用 电化学掺杂/去掺杂之可逆性的应用可反复充放电电池 导电高分子电极与对应电极及电解质构成一个蓄有电能的电池，若加电场而掺杂充电，加负载而去掺杂放电，该充电/放电过程为可逆反应。具有价廉、能量密度高、循环寿命长、和低自身放电等优点。 高分子掺杂态储存电能

8、、脱掺杂过程中释放电能。 全塑电池 六.导电高分子材料的应用 电化学掺杂/去掺杂之可逆性的应用 电化学掺杂 去掺杂之可逆性的应用气体检测器 检测的气体包括氧化性气体与还原性气体，氧化性气体在高分子膜内将导电高分子氧化，形成阴离子掺杂，增加导电度；还原性气体在高分子薄膜内则会将导电高分子还原，形成阳离子掺杂，降低导电度因为其对电信号的变化非常敏感，因此可以用做检测器。 葡萄糖传感器 葡萄糖传感器、尿素传器、乳酸传感器、 器、乳酸传感器、胆固醇 传感器 七.结构型导电高分子材料的发展趋势 高分子材料替代金属材料是今后材料学科领域的发展趋势，由此带来导电性高分子的市场需求也将日益增长，其应用领域也会

9、逐步扩大，这就必然对导电性高分子提出更高的要求，其发展趋势主要集中在以下几个方面：(1)具有与金属相同的电导率：掺杂聚乙炔的电导率从最初的 10的3次方S/cm 增加到 10的5次方S/cm，与铜的电导率差不多，其它导电高分子的电导率水平也在提高。(2)在空气中的稳定性：导电性高分子中氧原子对水是极不稳定的，这是妨碍其实用化的最大问题。 七.结构型导电高分子材料的发展趋势(3)具有高功能：支化和树枝状聚苯、环状聚苯和环状聚苯乙烯、环番(cyclophane，环状苯环化合物)等，这些大分子在分子自组装形成特殊的分子结构排列，分子器件和分子电路材料以及特殊功能方面具有很多优点。(4)具有良好的加工

10、成型性：导电高分子主链中的共轭结构使分子链僵硬，不溶不熔，从而给自由地成型加工带来困难。(5)掺杂剂无毒：掺杂剂多是有毒的，如 等(6)经济性：其价格比金属及普通塑料高，难以实用化。七.总结导电高分子材料的优越性具有半导体及导体双重特性，可低温加工、可大面积化、 具有半导体及导体双重特性，具有塑 料的拉伸性、弹性和柔韧性等 所以制作成本低，组件特性优越，所以制作成本低，组件特性优越，对 未来电子及信息工业将产生巨大影响。导电高分子材料面临的挑战综合电学性能与铜相比还有差距， 理论上还沿用无机半导体理论 和掺杂概念；导电聚合物的自构筑、自组装分子器件的研究也存在很 多问题；加工性能和力学性能以及稳定性上也需要改进。参考文献 杨鸿昌,李志刚.结构型导电高分子材料现状及发展趋势J.广 东 化 工. 2010，37(5)：41-43 陈其道,卢建平,