导电高分子材料论文

1、导电高分子材料所谓导电高分子是由具有共轭n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。导电高分子具有特殊的结构 和优异的物理化学性能使它在能源、光电子器件、信息、传感器、分 子导线和分子器件以及电磁屏蔽、金属防腐和隐身技术上有着广泛、诱人 的应用前景因此，导电高分子自发现之日起就成为材料科学的研究热 点。经过近30多年的发展，导电高分子已取得了重要的研究进展。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。1高分子导电材料具有密度小、 易加工、耐腐蚀、可大面积成

2、膜以及电导率可在十多个数量级的范围 内进行调节等特点，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。高分子材料长期以来被作为优良的电绝缘体，直至1977年，日 本白川英树等人才发现用五氟化砷或碘掺杂的聚乙炔薄膜具有金属 导电的性质，电导率达到10S/m。这是第一个导电的高分子材料。以 后，相继开发出了聚毗咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺、聚 噻吩等能导电的高子材料。导电高分子材料具有良好的导电性和电化学可逆性，可用作充电 电池的电极材料。利用Ppy制作的可充电电池，经300次充放电循 环后，效率无下降，已达到商业应用价值。导电

3、性高聚物在太阳能电 池上的应用也引起了广泛的关注，美国科学家Jeskocheim利用聚毗 咯和聚氧化乙烯固态电介质膜试制了光电池，可产生1mA/cm2的电 流，0.35V的电压。尽管这种光电池日前还不如Si太阳能电池，但 由于导电聚合物重量较轻、易成形、工艺简单，并能生成大面积膜， 具有绿色环保的特点，因而发展前景十分诱人。导电高分子材料还是 制作超级电容器的理想材料。如采用掺杂后的聚毗咯高分子化合物， 电导率高达100 S/cm，频率特征非常出色，尤其在高频区的特性与 以前电容器相比有很大改善。经过多年世界范围内的广泛研究，导电聚合物在新能源材料方面 的应用已获得了很大的发展，但离实际大规模

4、应用还有一定的距离。 这主要是因为其加工性不好和稳定性不高造成的。高分子导电材料通常分为复合型和结构型两大类：复合型高分 子导电材料。由通用的高分子材料与各种导电性物质通过填充复合、 表面复合或层积复合等方式而制得。主要品种有导电塑料、导电橡胶、 导电纤维织物、导电涂料、导电胶粘剂以及透明导电薄膜等。其性能 与导电填料的种类、用量、粒度和状态以及它们在高分子材料中的分 散状态有很大的关系。常用的导电填料有炭黑、金属粉、金属箔片、 金属纤维、碳纤维等。结构型高分子导电材料。是指高分子结构本身或经过掺杂之后 具有导电功能的高分子材料。根据电导率的大小又可分为高分子半导 体、高分子金属和高分子超导体

5、。按照导电机理可分为电子导电高分 子材料和离子导电高分子材料。电子导电高分子材料的结构特点是具 有线型或面型大共轭系，在热或光的作用下通过共轭n电子的活化 而进行导电，电导率一般在半导体的范围。采用掺杂技术可使这类材 料的导电性能大大提高。如在聚乙炔中掺杂少量碘，电导率可提高 12个数量级，成为“高分子金属”。经掺杂后的聚氮化硫，在超低温下 可转变成高分子超导体。结构型高分子导电材料用于试制轻质塑料蓄 电池、太阳能电池、传感器件、微波吸收材料以及试制半导体元器件 等。但日前这类材料由于还存在稳定性差（特别是掺杂后的材料在空 气中的氧化稳定性差）以及加工成型性、机械性能方面的问题，尚未 进入实用

6、阶段。高分子材料在很长一段时期都被用作电绝缘材料.随着不同应用 领域的需要以及为进一步拓宽高分子材料的应用范围，一些高分子材 料被赋予某种程度的导电性以致成为导电高分子材料.第一个高导电 性的高分子材料是经碘掺杂处理的聚乙炔，其后又相继开发了聚毗咯、 聚对苯撑、聚苯硫醚、聚苯胺等导电高分子材料由于这些导电高分子材料都具有共轭键结构，并且主要是由化学 方法处理得到的，因此常称为本征型导电高分子材料.但是，这类材 料的稳定性、重现性较差，电导率分布范围较窄，成本较高，而且加 工困难，尚未进入批量生产的实用阶段本征型导电高分子材料在应用方面遇到的困难短期难以解决，促 使人们转而研究和开发导电高分子复

7、合材料.导电高分子复合材料是 以高分子材料为基体，通过加入导电功能体，经过分散复合、层积复 合以及形成表面导电膜等方式处理后形成的多相复合导电体系.由于 原料易得、工艺相对简单、成本较低、电阻率可在较大范围内调节，同时具有一定程度的再加工性并兼有高分子基体材料的一些优异性 能而受到广泛重视.导电高分子复合材料的研究工作主要有：复合材料导电机理的理论研究、特殊效应机理的理论研究；用不同方法研制新材料的实验研究；材料应用的实验研究.导电高分子复合材料导电机理的理论研究工作通常又包括导电 通路的形成和形成导电通路后的导电机理两方面.前者研究的是加入 聚合物基体中的导电功能体在给定的加工工艺条件下，如

8、何达到电接 触而在整体上自发地形成导电通路这一宏观自组织过程；后者则主要 涉及导电通路或部分导电通路形成后载流子迁移的微观过程.显然， 无论是宏观过程还是微观过程，它们都受到复合体系的几何拓扑、热 力学和动力学等多种因素的制约.因此，导电高分子复合材料的理论 研究工作一方面呈现多样性、复杂性，另一方面又与实验结果之间存 在着不同程度的差异，而且许多理论结果往往不具有普适性.新材料 的实验研究工作采用的主要方法有：组分改造（改变基体种类、改变 导电功能体种类）；整体或组分物性改造（磁化、接枝、热处理、结品、 浸渍）；结构改造（板状、叠层、发泡）；导电功能体形状改造（粒状、 球状、中空状、纤维状）

9、等.应用研究则包括根据应用条件和具体要求 解决各种实际问题的理论和实验研究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。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

10、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，日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。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，日前已 研制出一种加压性导电橡胶. “，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

11、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，日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。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，日前以导电 聚合物为电极材料的二次电池主要有3种结构类型：以导电聚合物 作为电池的阴极材料；作为阳

12、极材料；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。虽然经掺杂的聚乙炔的电导值已经超过lX105S/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 究日标转向聚毗咯、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。作为电磁屏蔽材料随着各种商用和家用电子产品数量的迅速增加，电磁波干扰已成 为一种新的社会公害。对计算机房、手机、电

13、视机、电脑和心脏起博 器等电子仪器、设备进行电磁屏蔽是极为重要的。日前导电涂料和直 接使用导电高分子材料作成仪器设备的外壳是导电高分子在电磁屏 蔽方面的主要应用。导电涂料是一种功能性涂料，既有一般涂料的特点，又有导电功 能，通常由合成树脂、导电填料、溶剂和添加剂组成，将其涂敷于物 体表面而形成一层固体膜，产生导电效果。导电涂料用的合成树脂有 丙烯酸树脂、环氧类树脂、聚氨酯和乙烯基树脂等，常见的导电填料 有银、镍、铜及炭黑等。导电涂料用作电磁屏蔽的最大的优点是简单 实用而且适用面较广。直接使用混有导电高分子制成仪器设备的外壳，而导电聚合物具 有防静电的特性，因此可用于电磁屏蔽，其成形与屏蔽一体化

14、，而且 成本低，不消耗资源，日前已经研制出了保护用户免受电磁辐射的电 脑屏保。这方面聚苯胺被认为是屏蔽电磁干扰最有希望的新材料。导电高分子是日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、聚毗咯、聚噻吩和 聚苯胺的粉末，成为新的催化剂载体。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)