高分子化合物的合成导电高分子材料优秀课件.ppt

高分子化合物的合成导电高分子材料第1页，本讲稿共23页本征型导电高分子：本征型导电高分子：是指具有是指具有共轭共轭-键，键，其本身或经过其本身或经过“掺杂掺杂”后具有导电性的一类高分子材料。后具有导电性的一类高分子材料。复合型导电高分子：复合型导电高分子：是指以绝缘高分子为基体，与其他是指以绝缘高分子为基体，与其他导电性物质以均匀分散复合、层叠复合或形成表面导电膜等方式，导电性物质以均匀分散复合、层叠复合或形成表面导电膜等方式，制得的一种有一定的导电性能的复合材料。制得的一种有一定的导电性能的复合材料。本征型导电高分子本征型导电高分子复合型导电高分子复合型导电高分子一.导电高分子的分类第2页，本讲稿共23页二.导电高分子材料的研究进展 1974年日本筑波大学年日本筑波大学H.Shirakawa在合成聚乙炔的实验中，偶然地投在合成聚乙炔的实验中，偶然地投入过量入过量1000倍的催化剂，合成出令人兴奋的有倍的催化剂，合成出令人兴奋的有铜色的顺式聚乙炔铜色的顺式聚乙炔薄膜与薄膜与银白色光泽的反式聚乙炔。银白色光泽的反式聚乙炔。Ti(OC4H9)4Al(C2H5)3HCCH1000 倍催化剂温度108107 S/m103102 S/m导电高分子材料的发现导电高分子材料的发现第3页，本讲稿共23页导电高分子材料的研究进展 1975年，年，G.MacDiarmid、J.Heeger与与H.Shirakawa合作进行研究，他们发现当合作进行研究，他们发现当聚乙炔曝露于碘蒸气中进行掺杂氧化反应聚乙炔曝露于碘蒸气中进行掺杂氧化反应(doping)后，其电导率令人吃惊地达到后，其电导率令人吃惊地达到3000S/m。聚乙炔的掺杂反应聚乙炔的掺杂反应第4页，本讲稿共23页Nobel Prize in Chemistry 2000“For the discovery and development of conductive polymers”G.MacDiarmid H.Shirakawa J.Heeger第5页，本讲稿共23页名称名称结构结构聚乙炔聚乙炔聚噻吩聚噻吩聚吡咯聚吡咯聚苯胺聚苯胺聚聚 苯苯等等其他其他种类种类 与聚乙炔相比，它与聚乙炔相比，它们在空气中更加稳定，们在空气中更加稳定，可直接掺杂聚合，电可直接掺杂聚合，电导率在导率在104S/m左右，可左右，可以满足实际应用需要。以满足实际应用需要。第6页，本讲稿共23页半导体到导体的实现途径半导体到导体的实现途径掺杂掺杂(doping)在共轭有机分子中在共轭有机分子中电子是无法电子是无法沿沿主链移动主链移动的，而的，而电子虽较易移动，但也相当定域化电子虽较易移动，但也相当定域化，因此必因此必需移去主链上部分电子需移去主链上部分电子(氧化氧化)或注入数个电子或注入数个电子(还还原原)，这些，这些空穴空穴或额外电子可以在分子链上移动，使此高或额外电子可以在分子链上移动，使此高分子成为导电体。分子成为导电体。导电高分子材料的共同特征导电高分子材料的共同特征交替的单键、双键共轭结构交替的单键、双键共轭结构三.本征导电高分子材料的导电机理第7页，本讲稿共23页导电高分子材料的掺杂导电高分子材料的掺杂途径途径氧化掺杂氧化掺杂(p-doping):CHn+3x/2 I2 CHnx+x I3-还原掺杂还原掺杂(n-doping):CHn+x Na CHnx-+x Na+添补后的聚合物形成盐类，产生电流的原因添补后的聚合物形成盐类，产生电流的原因并不是碘离子或钠并不是碘离子或钠离子而是共轭双键上的电子移动。离子而是共轭双键上的电子移动。本征导电高分子材料的导电机理掺杂导电高分子材料的导电机理掺杂导电高分子材料的导电机理 碘分子从聚乙炔抽取一个电子形成碘分子从聚乙炔抽取一个电子形成I3，聚乙炔分子形成带正电荷的，聚乙炔分子形成带正电荷的自由基阳离子，在外加电场作用下双键上的电子可以非常容易地移动，自由基阳离子，在外加电场作用下双键上的电子可以非常容易地移动，结果使双键可以成功地延着分子移动，实现其导电能力。结果使双键可以成功地延着分子移动，实现其导电能力。第8页，本讲稿共23页四 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导电高分子材料聚乙炔的电导率掺杂方法掺杂方法掺杂剂掺杂剂电导率，电导率，S/m未掺杂型未掺杂型顺式聚乙炔顺式聚乙炔反式聚乙炔反式聚乙炔1.71074.4 103 p掺杂型（氧化型）掺杂型（氧化型）碘蒸汽掺杂碘蒸汽掺杂五氟化二砷掺杂五氟化二砷掺杂高氯酸蒸汽高氯酸蒸汽电化学掺杂电化学掺杂5.5104 1.210551031105 n掺杂型（还原型）掺杂型（还原型）萘基钾掺杂萘基钾掺杂萘基钠掺杂萘基钠掺杂2104103104第9页，本讲稿共23页高分子材料导电能力的影响因素掺杂率对导电高分子材料导电能力的影响掺杂率对导电高分子材料导电能力的影响 掺杂率小时，电导率随着掺杂掺杂率小时，电导率随着掺杂率的增加而迅速增加；当达到一定率的增加而迅速增加；当达到一定值后，随掺杂率增加的变化电导率值后，随掺杂率增加的变化电导率变化很小，此时为饱和掺杂率。变化很小，此时为饱和掺杂率。第10页，本讲稿共23页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。第11页，本讲稿共23页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，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。克服其能带间隙，实现导电过程。第12页，本讲稿共23页1.电导率范围宽电导率范围宽五.导电高分子材料的特性第13页，本讲稿共23页导电高分子不仅可以掺杂导电高分子不仅可以掺杂,而且还可以脱掺杂而且还可以脱掺杂,并并且掺杂且掺杂-脱掺杂的过程完全可逆。脱掺杂的过程完全可逆。2.掺杂掺杂-脱掺杂过程可逆脱掺杂过程可逆导电高分子材料的特性3.响应速度快响应速度快响应速度快响应速度快(10(10-13-13 sec)sec)第14页，本讲稿共23页4.具有电致变色性具有电致变色性导电高分子材料的特性第15页，本讲稿共23页六.导电高分子材料的应用第16页，本讲稿共23页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半导体特性的应用发光二极管发光二极管 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更节省能源而且产生较少的热热，具体应用包括，具体应用包括平面电视机屏幕、交通信息平面电视机屏幕、交通信息标志等。标志等。第17页，本讲稿共23页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太阳能电池 导电高分子可制成太阳电池，结构与发光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，它是将光能转换二极管相近，但机制却相反，它是将光能转换成电能。成电能。优势在于廉价的制备成本，迅速的制优势在于廉价的制备成本，迅速的制备工艺，备工艺，具有塑料的拉伸性、弹性和柔韧具有塑料的拉伸性、弹性和柔韧性性。第18页，本讲稿共23页导电高分子材料的应用导体特性的应用导体特性的应用抗静电抗静电 理想的电磁屏蔽材料，可以应用在计算机、电视机、理想的电磁屏蔽材料，可以应用在计算机、电视机、起搏器等起搏器等电磁波遮蔽涂布电磁波遮蔽涂布 能够吸收微波，因此可以做隐身飞机的涂料能够吸收微波，因此可以做隐身飞机的涂料 防蚀涂料防蚀涂料 能够防腐蚀，可以用在火箭、船舶、能够防腐蚀，可以用在火箭、船舶、石油石油管道管道等等 第19页，本讲稿共23页导电高分子材料的应用电化学掺杂电化学掺杂/去掺杂之可逆性的应用去掺杂之可逆性的应用电变色组件电变色组件 共轭高分子共轭高分子在在电化学氧化还原电化学氧化还原时都会时都会产生变色现象产生变色现象。电变色性在汽车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。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。第20页，本讲稿共23页导电高分子材料的应用电化学掺杂电化学掺杂/去掺杂之可逆性的应用去掺杂之可逆性的应用可反复充放电电池可反复充放电电池 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的电池，若电池，若加电场而加电场而掺杂掺杂充电充电，加负载而去掺杂放电，加负载而去掺杂放电，该，该充电充电/放电放电过程过程为可逆反应。具有价廉、能量密度高、循环寿命长、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。和低自身放电等优点。高分子掺杂态储存电能、脱掺杂过程中释放电能。高分子掺杂态储存电能、脱掺杂过程中释放电能。全塑电池全塑电池第21页，本讲稿共23页导电高分子材料的应用电化学掺杂电化学掺杂/去掺杂之可逆性的应用去掺杂之可逆性的应用气体检测器气体检测器 检测的气体包括检测的气体包括氧化性气体氧化性气体与与还原性气体，氧化性气体在高分子薄膜内将导电还原性气体，氧化性气体在高分子薄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。电高分子还原，形成阳离子掺杂，降低导电度。因为其因为其对电信号的变化非常敏感，对电信号的变化非常敏感，因此可以因此可以用用做做检测器。检测器。生物传感器生物传感器葡萄糖传感器、尿素传感器、葡萄糖传感器、尿素传感器、乳酸传感器、胆固醇传感器乳酸传感器、胆固醇传感器第22页，本讲稿共23页七.总结导电高分子材料的优越性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，可低温加工、可大面积化、具有塑料的拉伸性、具有塑料的拉伸性、弹性和柔韧性弹性和柔韧性等，所以制作成本低，组件特性优越，对未来电子及信息工业等，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。将产生巨大影响。导电高分子材料面临的挑战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。多问题；加工性能和力学性能以及稳定性上也需要改进。第23页，本讲稿共23页