第三章--导电高分子材料优秀PPT.ppt

《第三章--导电高分子材料优秀PPT.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三章--导电高分子材料优秀PPT.ppt（73页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第三章第三章 导电高分子材料导电高分子材料(4学时学时)一、导电的基本概念一、导电的基本概念 材料的导电性能材料的导电性能:通常指材料在电场作用下传导通常指材料在电场作用下传导载流子的实力。导电实力的评价用电导（载流子的实力。导电实力的评价用电导（S S）or or 阻阻抗（抗（R R）表示。计算公式有欧姆定律：）表示。计算公式有欧姆定律：电阻：电导：第一节第一节 导电高分子材料概述导电高分子材料概述102S/m为导体 10-8102 S/m 半导体 10-8 S/m 绝缘体 二、聚合物的导电类型二、聚合物的导电类型 载流子的种类载流子的种类载流子的种类载流子的种类：电子、空穴、阴离子or阳离

2、子。当载流子主要是电子或空穴时，称为电子导体电子导体，如金属；当载流子主要是阴离子或阳离子时，称为离子导离子导电体。电体。对于金属的导电机理金属的导电机理，相继提出了经典自由电子导电理论、量子自由导电理论和能带导电理论。认为金属晶格之间存在大量自由电子是金属导电过程中的主要载流子，较好揭示了金属材料的导电本质。但对聚合物来讲，其是分子型聚合物，原子与原子但对聚合物来讲，其是分子型聚合物，原子与原子通过共享价电子形成共价键而构成分子，而共价键属通过共享价电子形成共价键而构成分子，而共价键属于定域键，价电子只能在分子内的确定范围内自由迁于定域键，价电子只能在分子内的确定范围内自由迁移，缺少可以长距

3、离迁移的自由电子，因此人们日常移，缺少可以长距离迁移的自由电子，因此人们日常见到的聚合物一般都是绝缘性，成为绝缘材料的主要见到的聚合物一般都是绝缘性，成为绝缘材料的主要组成之一。但自从两位美国的科学家组成之一。但自从两位美国的科学家HeegerHeeger与与MacDiarmidMacDiarmid及日本科学家及日本科学家ShirakawaShirakawa发觉聚乙炔有明显发觉聚乙炔有明显导电性质以后，有机聚合物不能作为导电材料这一观导电性质以后，有机聚合物不能作为导电材料这一观念被彻底变更了。上述三位科学家也因此获得了念被彻底变更了。上述三位科学家也因此获得了20002000年诺贝尔化学奖。

4、年诺贝尔化学奖。2000年诺贝尔化学奖得主年诺贝尔化学奖得主美国物理学美国物理学美国物理学美国物理学家家家家HeegerHeeger 美国化学家美国化学家美国化学家美国化学家MacDiarmidMacDiarmid 日本化学家日本化学家日本化学家日本化学家ShirakawaShirakawa Alan J.Heeger，1936 年诞生，1961年获得美国加州高校伯克利分校博士学位。1962年成为费城宾夕法尼亚高校的助理教授，1967至1982年任宾大的教授。1982年任加州圣巴巴拉加州高校的物理教授，该校高分子与有机固体探讨所所长。1990年创立UNIAX公司，出任公司董事会主席。Alan

5、G.MacDiarmid，1927年诞生在新西兰。1953年获得美国威斯康星高校博士学位，1955年获得英国剑桥高校博士学位。1956年受聘美国宾夕法尼亚高校助理教授，1956年成为终身教授。Hideki Shirakawa（白川英树），1936年诞生。1966年获得日本东京技术探讨所博士学位，同年成为日本Tsukuba高校材料科学探讨所的助理教授。1982年成为教授。导电高分子材料依据材料组成可以分为复合型导电导电高分子材料依据材料组成可以分为复合型导电高分子材料（高分子材料（composite conductive polymers)composite conductive polymer

6、s)和本征和本征型导电高分子材料（型导电高分子材料（intrinsic conductive polymers)or intrinsic conductive polymers)or 结构导电高分子材料（结构导电高分子材料（structure conductive structure conductive polymers)polymers)。复合型导电高分子：是在不具备导电性的高分子复合型导电高分子：是在不具备导电性的高分子材料中掺混入大量导电物质，如炭黑、金属粉、箔等，材料中掺混入大量导电物质，如炭黑、金属粉、箔等，通过分散复合、层积复合、表面复合等方法构成的复通过分散复合、层积复合、表面

7、复合等方法构成的复合材料，其中以分散复合最为常用。合材料，其中以分散复合最为常用。结构型（或称本征态）导电高分子：是指本身具结构型（或称本征态）导电高分子：是指本身具有有“固有固有”的导电性，由聚合物结构供应导电载流子的导电性，由聚合物结构供应导电载流子（电子、离子或空穴）。（电子、离子或空穴）。结构型导电聚合物如按其结构牲和导电机理可以分为三大类：（1）载流子为自由电子的电子导电聚合物（2）载流子为能在聚合物分子间迁移的正、负离子的离子导电聚合物（3）以氧化还原反应为电子转移机理的氧化还原型导电聚合物。导电材料的主要性质：导电材料的主要性质：导电材料的主要性质：导电材料的主要性质：电压与电流

8、关系（成正比例关系）电压与电流关系（成正比例关系）电压与电流关系（成正比例关系）电压与电流关系（成正比例关系）温度与电导之间的关系温度与电导之间的关系温度与电导之间的关系温度与电导之间的关系 负温度系数负温度系数（negative temperature negative temperature cofficientcofficient NTC)NTC)导电材料指导电材料指 本征导电高分子材料和半导电材料本征导电高分子材料和半导电材料本征导电高分子材料和半导电材料本征导电高分子材料和半导电材料 正温度系数正温度系数（positive temperature positive temperatu

9、re cofficientcofficient PTC)PTC)导电材料指导电材料指 金属、复合型高分子导电材料金属、复合型高分子导电材料金属、复合型高分子导电材料金属、复合型高分子导电材料 电压与材料颜色之间的关系电压与材料颜色之间的关系电压与材料颜色之间的关系电压与材料颜色之间的关系 电压与材料辐射性质之间的关系电压与材料辐射性质之间的关系电压与材料辐射性质之间的关系电压与材料辐射性质之间的关系 导电性质与材料掺杂状态的关系导电性质与材料掺杂状态的关系导电性质与材料掺杂状态的关系导电性质与材料掺杂状态的关系 其次节其次节 复合型导电高分子材料复合型导电高分子材料一、复合型导电高分子材料的结

10、构与导电机一、复合型导电高分子材料的结构与导电机理理1、结构、结构 分散复合结构：选用物理性能适宜的高分分散复合结构：选用物理性能适宜的高分子材料为连续相，导电性粉末、纤维等材料子材料为连续相，导电性粉末、纤维等材料接受化学或物理方法匀整分散在基体材料作接受化学或物理方法匀整分散在基体材料作为分散相构成的高分子复合导电材料，导电为分散相构成的高分子复合导电材料，导电粉末粒子、纤维之间构成导电通路实现导电粉末粒子、纤维之间构成导电通路实现导电性能。性能。层状复合结构：导电层独立并与同样独立层状复合结构：导电层独立并与同样独立存在的聚合物基体层复合，导电性能的实现存在的聚合物基体层复合，导电性能的

11、实现仅由导电层来实现。仅由导电层来实现。表面复合结构：指一种物质附着在另一种表面复合结构：指一种物质附着在另一种物质表面构成，导电实力仅由导电层的性质物质表面构成，导电实力仅由导电层的性质有关。有关。梯度复合结构：指两种材料，如金属和高分子梯度复合结构：指两种材料，如金属和高分子梯度复合结构：指两种材料，如金属和高分子梯度复合结构：指两种材料，如金属和高分子材料各自构成连续相，两个连续相之间有一个浓材料各自构成连续相，两个连续相之间有一个浓材料各自构成连续相，两个连续相之间有一个浓材料各自构成连续相，两个连续相之间有一个浓度涟变的过渡层，通常可以通过电解和电渗透共度涟变的过渡层，通常可以通过电

12、解和电渗透共度涟变的过渡层，通常可以通过电解和电渗透共度涟变的过渡层，通常可以通过电解和电渗透共同作用来制备。同作用来制备。同作用来制备。同作用来制备。2 2、组成、组成、组成、组成 （1 1）高分子基体材料：作为连续相与粘结体，）高分子基体材料：作为连续相与粘结体，）高分子基体材料：作为连续相与粘结体，）高分子基体材料：作为连续相与粘结体，有两方面作用：发挥基体材料的物理化学性质与有两方面作用：发挥基体材料的物理化学性质与有两方面作用：发挥基体材料的物理化学性质与有两方面作用：发挥基体材料的物理化学性质与固定导电分散材料。固定导电分散材料。固定导电分散材料。固定导电分散材料。高分子材料与导电

13、材料的相容性和目标复合高分子材料与导电材料的相容性和目标复合高分子材料与导电材料的相容性和目标复合高分子材料与导电材料的相容性和目标复合材料的运用性能是选择基体材料常常考虑的主要材料的运用性能是选择基体材料常常考虑的主要材料的运用性能是选择基体材料常常考虑的主要材料的运用性能是选择基体材料常常考虑的主要因素。因素。因素。因素。目前用作复合型导电高分子基料的主要有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS、环氧树脂、丙烯酸酯树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯、聚氨酯、聚酰亚胺、有机硅树脂等。此外，丁基橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶和自然橡胶也常用作导电橡胶的基质。（2）导电填充材料：起供应载流子的作用。目前主

14、要有碳系材料、金属材料、金属氧化物材料和结构型导电高分子四种。碳系材料：炭黑、石墨、碳纤维等。金属材料：金、银、铜、镍、不锈钢等。金属氧化物：金属氧化物：金属氧化物：金属氧化物：氧化锡、氧化钛、氧化钒、氧化锌等。导电聚合物：导电聚合物：导电聚合物：导电聚合物：聚吡咯、聚噻吩等。常见的导电添加剂材料及其性能见书中表3-1。3、导电机理、导电机理（1）导电通道机理（渗流理论）导电通道机理（渗流理论）试验发觉，将各种金属粉末或碳黑颗粒混入绝缘性的高分子材料中后，材料的导电性随导电填料浓度的变更规律大致相同。在导电填料浓度较低时，材料的电导率随浓度增加很少，而当导电填料浓度达到某一值时，电导率急剧上升

15、，变更值可达10个数量级以上。超过这一临界值以后，电导率随浓度的变更又趋缓慢，见图3-2。图图3-2 3-2 电导率与导电填料之间的关系电导率与导电填料之间的关系 用电子显微镜技术视察导电材料的结构发觉，当导电填料浓度较低时，填料颗粒分散在聚合物中，相互接触很少，故导电性很低。随着填料浓度增加，填料颗粒相互接触机会增多，电导率逐步上升。当填料浓度达到某一临界值时，体系内的填料颗粒相互接触形成无限网链。这个网链就像金属网贯穿于聚合物中，形成导电通道，故电导率急剧上升，从而使聚合物变成了导体。明显，此时若再增加导电填料的浓度，对聚合物的导电性并不会再有更多的贡献了，故电导率变更趋于平缓。在此，电导

16、率发生突变的导电填料浓度称为“渗滤阈值”。渗流理论的指导意义是借用试验数据找出一些合适的常数，使阅历公式用于制备工艺探讨。（2）隧道导电理论 导电通路理论不能说明导电分散相的浓度还不足以形成网络的状况下，复合型导电高分子材料也具有确定的导电性能，因此，除了导电通路理论之外，导电现象必定还有其他非接触缘由，说明这种非接触导电现象的理论主要有电子隧道效应和电场放射理论。电子隧道效应：当导电粒子接近到确定距离时，在电子隧道效应：当导电粒子接近到确定距离时，在分子热振动时电子可以在电场作用下通过相邻导电分子热振动时电子可以在电场作用下通过相邻导电粒子之间形成的某种隧道实现定向迁移。粒子之间形成的某种隧

17、道实现定向迁移。电场放射理论：指由于两个相邻导电粒子之间存在电场放射理论：指由于两个相邻导电粒子之间存在电位差，在电场作用下发生电子放射过程，实现电电位差，在电场作用下发生电子放射过程，实现电子的定向流淌而导电。子的定向流淌而导电。总体上来讲，复合型导电高分子材料的导电实力主总体上来讲，复合型导电高分子材料的导电实力主要由接触性导电（导电通道），隧道导电和电场放要由接触性导电（导电通道），隧道导电和电场放射导电三种方式实现。射导电三种方式实现。导电通道，隧道导电和电场放射导电图导电通道，隧道导电和电场放射导电图3-4直观描直观描述。述。图图3-4 复合型导电高分子的导电机理模型复合型导电高分子

18、的导电机理模型（1）一部分导电颗粒完全连续的相互接触形成电流通路，相当于电流流过一只电阻。（2）一部分导电颗粒不完全连续接触，其中不相互接触的导电颗粒之间由于隧道效应而形成电通流路，相当于一个电阻与一个电容并联后再与电阻串联的状况。（3）一部分导电粒子完全不连续，导电颗粒间的聚合物隔离层较厚，是电的绝缘层，相当于电容器的效应。（3 3）复合型导电高分子材料的）复合型导电高分子材料的）复合型导电高分子材料的）复合型导电高分子材料的PTCPTC效应效应效应效应l PTC PTC效应效应:l PTC PTC强度强度:当温度上升一度，电阻值增加的幅度，当温度上升一度，电阻值增加的幅度，用以衡量材料的温

19、度敏感效应。用以衡量材料的温度敏感效应。l 常见的具有高常见的具有高PTCPTC效应的材料主要指一些热敏陶效应的材料主要指一些热敏陶瓷和复合型导电高分子材料。瓷和复合型导电高分子材料。l 对于复合型导电高分子来讲，其温度敏感范围对于复合型导电高分子来讲，其温度敏感范围比较低，多数在于比较低，多数在于200200以下，与基体材料的种类相以下，与基体材料的种类相关，当然还与材料中导电添加材料的相对含量、形态、关，当然还与材料中导电添加材料的相对含量、形态、粒度和外观形态等因素有关，特殊是导电添加剂的浓粒度和外观形态等因素有关，特殊是导电添加剂的浓度特别重要，仅在确定浓度区域内具有度特别重要，仅在确

20、定浓度区域内具有PTCPTC效应。效应。PTCPTC效应产生的主要理论：效应产生的主要理论：效应产生的主要理论：效应产生的主要理论：热膨胀说热膨胀说热膨胀说热膨胀说 高分子基体与导电填料的热膨胀率不同（通常高分子基体与导电填料的热膨胀率不同（通常高分子基体与导电填料的热膨胀率不同（通常高分子基体与导电填料的热膨胀率不同（通常连续相大于导电相），导致导电通道与隧道理论导电连续相大于导电相），导致导电通道与隧道理论导电连续相大于导电相），导致导电通道与隧道理论导电连续相大于导电相），导致导电通道与隧道理论导电机理的破坏，从而电阻率上升。机理的破坏，从而电阻率上升。机理的破坏，从而电阻率上升。机理的

21、破坏，从而电阻率上升。晶区破坏说晶区破坏说晶区破坏说晶区破坏说 对于高分子复合材料，添加的导电材料只分散对于高分子复合材料，添加的导电材料只分散对于高分子复合材料，添加的导电材料只分散对于高分子复合材料，添加的导电材料只分散在非结晶区，但温度上升，晶区破坏，非晶区扩大，在非结晶区，但温度上升，晶区破坏，非晶区扩大，在非结晶区，但温度上升，晶区破坏，非晶区扩大，在非结晶区，但温度上升，晶区破坏，非晶区扩大，导电粒子的非晶区的相对浓度下降，电阻率上升。导电粒子的非晶区的相对浓度下降，电阻率上升。导电粒子的非晶区的相对浓度下降，电阻率上升。导电粒子的非晶区的相对浓度下降，电阻率上升。一般认为，当温度

22、接近或超过高分子材料软化一般认为，当温度接近或超过高分子材料软化一般认为，当温度接近或超过高分子材料软化一般认为，当温度接近或超过高分子材料软化点温度时，其晶区起先受到破坏，晶区变小，造成电点温度时，其晶区起先受到破坏，晶区变小，造成电点温度时，其晶区起先受到破坏，晶区变小，造成电点温度时，其晶区起先受到破坏，晶区变小，造成电阻率快速上升。阻率快速上升。阻率快速上升。阻率快速上升。二、复合型导电高分子材料的制备方法二、复合型导电高分子材料的制备方法二、复合型导电高分子材料的制备方法二、复合型导电高分子材料的制备方法1 1、导电填料的选择、导电填料的选择、导电填料的选择、导电填料的选择 从相容性

23、、导电性能、成本、密度等方面考虑。从相容性、导电性能、成本、密度等方面考虑。从相容性、导电性能、成本、密度等方面考虑。从相容性、导电性能、成本、密度等方面考虑。2 2、聚合物基体材料的选择、聚合物基体材料的选择、聚合物基体材料的选择、聚合物基体材料的选择 主要是从材料的运用性能考虑。主要是从材料的运用性能考虑。主要是从材料的运用性能考虑。主要是从材料的运用性能考虑。3 3、导电聚合物的混合工艺、导电聚合物的混合工艺、导电聚合物的混合工艺、导电聚合物的混合工艺 从混合型导电复合材料的制备工艺而言，目前从混合型导电复合材料的制备工艺而言，目前从混合型导电复合材料的制备工艺而言，目前从混合型导电复合

24、材料的制备工艺而言，目前主要有三种方法：反应法、混合法和压片法。主要有三种方法：反应法、混合法和压片法。主要有三种方法：反应法、混合法和压片法。主要有三种方法：反应法、混合法和压片法。反应法：是将导电填料匀整分散在聚合物单体或反应法：是将导电填料匀整分散在聚合物单体或反应法：是将导电填料匀整分散在聚合物单体或反应法：是将导电填料匀整分散在聚合物单体或者预聚物溶液体系中，通过加入引发剂进行聚合反应，者预聚物溶液体系中，通过加入引发剂进行聚合反应，者预聚物溶液体系中，通过加入引发剂进行聚合反应，者预聚物溶液体系中，通过加入引发剂进行聚合反应，干脆生产与导电填料混合匀整的高分子复合材料。干脆生产与导

25、电填料混合匀整的高分子复合材料。干脆生产与导电填料混合匀整的高分子复合材料。干脆生产与导电填料混合匀整的高分子复合材料。混合法：是利用各种高分子的混合工艺，将导电混合法：是利用各种高分子的混合工艺，将导电混合法：是利用各种高分子的混合工艺，将导电混合法：是利用各种高分子的混合工艺，将导电填料粉末填料粉末填料粉末填料粉末与处在熔融或熔解状态的聚合物本体混合匀整，然后用注射，流延、拉伸等方法成型。压片法：是将高分子基体材料的粉末与导电填料充分混合后，通过模具内加压成型制备具有确定形态的导电复合材料。三、复合型导电高分子材料的性质与应用1、复合型导电塑料复合型导电塑料：指经过物理改性后具有导电性的塑

26、性高分子材料。其常常用作电磁屏蔽材料、抗静电材料。复合型导电塑料主要有添加型导电塑料、共混型导电塑料、表面涂覆型导电塑料和导电性泡沫塑料四大类。2、复合型导电橡胶 导电橡胶广泛用于外科手术橡胶制品，与可燃性粉体、气体、燃料和有机溶剂接触运用的胶管、胶带、胶辊和胶布等，以防止产生静电火花，并将其用于抗高压电缆电晕放电的电线护套，此外，导电橡胶还用于防止音响部件的杂音和表面生热材料、静电印刷胶辊的橡胶部件。3、复合型导电涂料 依据应用特征，可将导电涂料归纳四大类：作为导电体运用的涂料：包括混合式集成电路、印刷线路板、键盘开头、冬季取温煦汽车玻璃防霜的加热漆、船舶防污导电涂料等。辐射屏蔽涂料 抗静电

27、涂料其他如电致变色涂层、光电导涂层等到。4、导电粘合剂 导电粘合剂的运用范围很广，可粘接引线、导电元件。在电磁屏蔽领域可填充狭缝、永久性凹槽、粘接屏蔽窗，波导等。四、复合型导电高分子材料的其他性质与应用（自学）1、PTC效应的应用 电加热器件、限流器等。2、压敏性质 压敏效应是指材料受到外力作用时，材料的电学性能发生明显变更的现象。第三节第三节第三节第三节 电子导电型聚合物电子导电型聚合物电子导电型聚合物电子导电型聚合物 一、导电机理与结构特征一、导电机理与结构特征一、导电机理与结构特征一、导电机理与结构特征1 1、有机化合物中电子存在的四种方式、有机化合物中电子存在的四种方式、有机化合物中电

28、子存在的四种方式、有机化合物中电子存在的四种方式l 内层电子l 价电子l n电子l 价电子2 2、结构特征：、结构特征：、结构特征：、结构特征：有机高分子成为导体的必要条件是应有能使其内部有机高分子成为导体的必要条件是应有能使其内部有机高分子成为导体的必要条件是应有能使其内部有机高分子成为导体的必要条件是应有能使其内部某些电子或空穴具有跨键离域移动实力的大共轭结构。某些电子或空穴具有跨键离域移动实力的大共轭结构。某些电子或空穴具有跨键离域移动实力的大共轭结构。某些电子或空穴具有跨键离域移动实力的大共轭结构。已知的电子导电型高分子材料的共同特征：分子内已知的电子导电型高分子材料的共同特征：分子内

29、已知的电子导电型高分子材料的共同特征：分子内已知的电子导电型高分子材料的共同特征：分子内具有特别大的共轭具有特别大的共轭具有特别大的共轭具有特别大的共轭 电子体系，具有跨键移动实力的电子体系，具有跨键移动实力的电子体系，具有跨键移动实力的电子体系，具有跨键移动实力的 价电子。价电子。价电子。价电子。3 3、导电机理：、导电机理：、导电机理：、导电机理：具体以聚乙炔为例：具体以聚乙炔为例：具体以聚乙炔为例：具体以聚乙炔为例：聚乙炔具有最简洁的共轭双键结构：聚乙炔具有最简洁的共轭双键结构：聚乙炔具有最简洁的共轭双键结构：聚乙炔具有最简洁的共轭双键结构：(CH)x(CH)x。组成主链的碳原子有四个价

30、电子，其中三个为电子（sp2杂化轨道），两个与相邻的碳原子连接，一个与氢原子链合，余下的一个价电子电子(Pz轨道)与聚合物链所构成的平面相垂直（如下图）。在聚乙炔分子中相邻碳原子之间的p电子在平面外相互重叠构成共轭键。随电子体系的扩大，出现被电子占据的成键态和空的*反键态。随分子链的增长，形成能带，其中成键状态形成价带，而*反键状态则形成导带（如下图）。假如电子在链上完全离域，并且相邻的碳原子间的链长相等，则-*能带间的能隙（或称禁带）消逝，形成与金属相同的半满能带而变为导体。图3-2 分子共轭体系中能级分裂示意图二、电子导电聚合物的性质二、电子导电聚合物的性质 1、掺杂过程、掺杂剂及掺杂量与

31、电导率之间的关系、掺杂过程、掺杂剂及掺杂量与电导率之间的关系掺杂概念：掺杂概念：无机半导体中的掺杂概念：指在纯净的无机半导体无机半导体中的掺杂概念：指在纯净的无机半导体材料中（锗、硅或镓等）中加入少量具有不同价态的材料中（锗、硅或镓等）中加入少量具有不同价态的其次种物质，以变更半导体材料中空穴和自由电子的其次种物质，以变更半导体材料中空穴和自由电子的分布状态和密度。其完全是杂质原子取代主体原子的分布状态和密度。其完全是杂质原子取代主体原子的置换的过程，且掺杂度极低。置换的过程，且掺杂度极低。聚合物的掺杂：是指因添加了电子受体或电子给体而聚合物的掺杂：是指因添加了电子受体或电子给体而提高电导率的

32、方法。提高电导率的方法。其特点：其特点：l 从化学角度讲掺杂的实质完全是一个氧化还原氧化还原过程。l 从物理角度看，掺杂是1价对阴离子嵌入的过程。进入高分子链上的对阴离子也可以脱离高分子链，即脱掺杂过程。导电高分子脱掺杂后失去高电导率特性。l 掺杂和脱掺杂是一个完全可逆的过程。l 掺杂量大大超过无机半导体的掺杂量的限度。掺杂方法：掺杂方法：掺杂方法：掺杂方法：A、化学掺杂（物质掺杂）化学掺杂（物质掺杂）OX1和Red2是氧化剂和还原剂，而Red1和OX是电荷转移后对应的产物。掺杂速度和最大的掺杂浓度由氧化剂或还原剂的浓度限制。B、电化学掺杂（非物质掺杂）C、质子酸掺杂、质子酸掺杂 1986年，

33、年，A.G.MacDiarmid首次发觉聚苯胺的中首次发觉聚苯胺的中间氧化态可以通过质子酸掺杂而变成导体。这种掺杂间氧化态可以通过质子酸掺杂而变成导体。这种掺杂被称之为质子酸掺杂。与氧化还原掺杂相比，质子被称之为质子酸掺杂。与氧化还原掺杂相比，质子酸掺杂没有变更高聚物链上的电子数目。酸掺杂没有变更高聚物链上的电子数目。D、光掺杂、光掺杂 高分子材料吸取光能，价电子跃迁到导带，分子高分子材料吸取光能，价电子跃迁到导带，分子进入激发态，然后产生正负离子对，构成载流子实现进入激发态，然后产生正负离子对，构成载流子实现导电。导电。E、电荷注入掺杂、电荷注入掺杂上述掺杂的目的：上述掺杂的目的：上述掺杂的

34、目的：上述掺杂的目的：都是为了在材料中的空轨道中加入电子，或从占都是为了在材料中的空轨道中加入电子，或从占有轨道中拉出电子，进而变更现有有轨道中拉出电子，进而变更现有 电子能带的能级，电子能带的能级，出现能量居中的半充溢能带，削减能带间的能量差，出现能量居中的半充溢能带，削减能带间的能量差，在产生大量载流子的同时使自由电子或空穴迁移时的在产生大量载流子的同时使自由电子或空穴迁移时的阻碍削减。阻碍削减。1 1、掺杂剂的用量与聚合物电导率之间的关系：、掺杂剂的用量与聚合物电导率之间的关系：从书上图形从书上图形3-43-4可知，在掺杂剂量小时，电导率可知，在掺杂剂量小时，电导率随着掺杂量的增加而快速

35、增加，但是随着掺杂剂量的随着掺杂量的增加而快速增加，但是随着掺杂剂量的接着加大，电导率增加的速度逐步减慢，最终达到定接着加大，电导率增加的速度逐步减慢，最终达到定值。其用量可以用下式计算：值。其用量可以用下式计算：2 2、温度与电子导电聚合物电导率之间的关系、温度与电子导电聚合物电导率之间的关系、温度与电子导电聚合物电导率之间的关系、温度与电子导电聚合物电导率之间的关系（NTCNTC效应）效应）效应）效应）电子导电高分子材料的电导率与温度的关系可用下电子导电高分子材料的电导率与温度的关系可用下面的数学式来表示：面的数学式来表示：缘由是温度上升有利于电子从能量较低的价带向能量较高的导带迁移，从而

36、较简洁完成其导电过程。3 3、聚合物电导率与分子共轭链长度之间的关系、聚合物电导率与分子共轭链长度之间的关系、聚合物电导率与分子共轭链长度之间的关系、聚合物电导率与分子共轭链长度之间的关系 对于线型共轭导电聚合物的电导率随着其共轭链对于线型共轭导电聚合物的电导率随着其共轭链对于线型共轭导电聚合物的电导率随着其共轭链对于线型共轭导电聚合物的电导率随着其共轭链长度的增加而呈指数快速增加。因此说提高共轭链的长度的增加而呈指数快速增加。因此说提高共轭链的长度的增加而呈指数快速增加。因此说提高共轭链的长度的增加而呈指数快速增加。因此说提高共轭链的长度是提高导电高分子材料导电性能的重要手段之一。长度是提高

37、导电高分子材料导电性能的重要手段之一。长度是提高导电高分子材料导电性能的重要手段之一。长度是提高导电高分子材料导电性能的重要手段之一。三、电子导电聚合物的制备方法三、电子导电聚合物的制备方法三、电子导电聚合物的制备方法三、电子导电聚合物的制备方法 有化学聚合和电化学聚合两大类。化学聚合法有干有化学聚合和电化学聚合两大类。化学聚合法有干有化学聚合和电化学聚合两大类。化学聚合法有干有化学聚合和电化学聚合两大类。化学聚合法有干脆法和间接法两种。脆法和间接法两种。脆法和间接法两种。脆法和间接法两种。1、干脆法2、间接法3、电化学聚合法 1862年，Letheby在苯胺的稀硫酸溶液中用阳极氧化法电解，在

38、铂电极表面得到一种蓝黑色的粉末状物质。1968年，DallOlio等在吡咯的稀硫酸溶液中用阳极氧化法电解，在铂电极表面得到一种黑色的膜状聚合物，电导率为8S/cm。1979年，Diaz等人在有机溶液乙腈中，通过阳极氧化反应，在铂电极表面得到一种柔性的，性能稳定的聚吡咯薄膜，电导率为100S/cm。电化学反应属于氧化偶合反应（1）电极从芳香族单体上夺取一个电子，使其氧化成阳离子自由基。（2）生成的阳离子自由基之间发生加成性偶合反应，再脱去两个质子，成为比单体更易氧化的二聚体。（3）在阳极旁边的二聚体接着被电极氧化成阳离子，接着其链式偶合反应，直到生成长链的聚合物。如聚吡咯的反应：-C 上的质子化

39、-C上的质子化电极电位保持在1.2V。在电化学聚合反应中，水、乙腈主二甲基酰胺做溶剂。季铵的高氯酸、六氟化磷和四氟化硼作电解质。工作电极的电压的选择应稍高于单体的氧化电位。得到的聚合物的聚合度为1001000，相当于分子量度10000100000。四、电子导电聚合物的性质与应用1、导电性能及应用 运用：二次电池电极材料和微波吸波材料 1979年A.G.MacDiarmid首次研制成功聚乙炔的模型二次电池并在当年的美国物理年会上当众演示第一个全塑电池。全塑聚乙炔电池(CH)x|PEO-NaI|(CH)x是以p型掺杂的聚乙炔为阳极，以n型掺杂的聚乙炔为阴极构成。之后不到十年的时间，日本的精工电子公

40、司和桥石公司联合研制的3V钮扣式聚苯胺电池已在日本市场销售。已经实现商品化的：Li-Al(-)LiBF4在聚碳酸酯(PC)+DME(二甲氧基乙烷)(电解液)PAn(+)的箔型聚合物二次电池，有3V级池电压、3mAh容量、千次以上的充放电寿命和可长期保存等特点，可期用于不需维护的电源。西德的BASF公司研制的聚吡咯二次电池也在欧洲市场出现。通常电磁屏蔽材料是由铜或铝箔构成，虽然它具有很好的屏蔽效率，但是它重量重且价格昂贵，从而限制了它的应用范围。高电导率的导电高聚物具有类似金属特性，因此它在电磁屏蔽上呈现迷人的应用前景。据有关资料报道，美国、西德、日本等国都已进行过导电合物作为电磁屏蔽材料的探讨

41、。美国的能源部与电力探讨所探讨过利用导电高分子替代炭黑作为乙烯共聚物的导电填充物。与此同时，其它探讨机构也探讨过含导电聚合物化纤和尼龙织物的电磁屏蔽材料。西德的BASF公司曾报导过聚吡咯导电高聚物薄膜在01000MHz范围内电磁屏蔽效率高达40db。2 2、电致变色性能及其应用、电致变色性能及其应用、电致变色性能及其应用、电致变色性能及其应用 电致变色：指当施加电场时材料的光吸取波长发电致变色：指当施加电场时材料的光吸取波长发电致变色：指当施加电场时材料的光吸取波长发电致变色：指当施加电场时材料的光吸取波长发生变更，去掉电场，又能够完全复原的性质。生变更，去掉电场，又能够完全复原的性质。生变更

42、，去掉电场，又能够完全复原的性质。生变更，去掉电场，又能够完全复原的性质。运用：智能窗、光记录材料运用：智能窗、光记录材料运用：智能窗、光记录材料运用：智能窗、光记录材料 据报道，据报道，据报道，据报道，Allied-Signal Allied-Signal 公司研制的一种导公司研制的一种导公司研制的一种导公司研制的一种导电高分子涂料在导电态对可见光透亮，对红外光全电高分子涂料在导电态对可见光透亮，对红外光全电高分子涂料在导电态对可见光透亮，对红外光全电高分子涂料在导电态对可见光透亮，对红外光全反射，这在燥热的夏天可阻挡太阳光的热辐射。而反射，这在燥热的夏天可阻挡太阳光的热辐射。而反射，这在燥

43、热的夏天可阻挡太阳光的热辐射。而反射，这在燥热的夏天可阻挡太阳光的热辐射。而其非导电态是浅蓝色的，在冬天可以透过阳光，从其非导电态是浅蓝色的，在冬天可以透过阳光，从其非导电态是浅蓝色的，在冬天可以透过阳光，从其非导电态是浅蓝色的，在冬天可以透过阳光，从而降低了空调的费用。而降低了空调的费用。而降低了空调的费用。而降低了空调的费用。利用某些导电高分子能在不同电压或不同电利用某些导电高分子能在不同电压或不同电利用某些导电高分子能在不同电压或不同电利用某些导电高分子能在不同电压或不同电流频率下变更自身颜色的特性可以用来制备光记录流频率下变更自身颜色的特性可以用来制备光记录流频率下变更自身颜色的特性可

44、以用来制备光记录流频率下变更自身颜色的特性可以用来制备光记录材料。目前巳制成广告显示器、仪器、仪表显示器材料。目前巳制成广告显示器、仪器、仪表显示器材料。目前巳制成广告显示器、仪器、仪表显示器材料。目前巳制成广告显示器、仪器、仪表显示器及复印机的敏感成像物等。及复印机的敏感成像物等。及复印机的敏感成像物等。及复印机的敏感成像物等。3 3、电致发光性质及其应用、电致发光性质及其应用、电致发光性质及其应用、电致发光性质及其应用 电致发光（电致发光（电致发光（电致发光（electroluminescent):electroluminescent):指材料在指材料在指材料在指材料在电场作用下可以可见光

45、的性质。电场作用下可以可见光的性质。电场作用下可以可见光的性质。电场作用下可以可见光的性质。4 4、化学催化性质及其应用、化学催化性质及其应用、化学催化性质及其应用、化学催化性质及其应用 导电高分子具有氧化还原催化功能，该性能在分导电高分子具有氧化还原催化功能，该性能在分导电高分子具有氧化还原催化功能，该性能在分导电高分子具有氧化还原催化功能，该性能在分析化学、催化和化学敏感器的制作方面得到了应用。析化学、催化和化学敏感器的制作方面得到了应用。析化学、催化和化学敏感器的制作方面得到了应用。析化学、催化和化学敏感器的制作方面得到了应用。5 5、开头性能和在有机电子器件制备方面的应用、开头性能和在

46、有机电子器件制备方面的应用、开头性能和在有机电子器件制备方面的应用、开头性能和在有机电子器件制备方面的应用 美国美国美国美国BellcoreBellcore公司探讨过某些导电高分子作为公司探讨过某些导电高分子作为公司探讨过某些导电高分子作为公司探讨过某些导电高分子作为光开关器的可能性，已证明聚二乙炔制成的器件可具光开关器的可能性，已证明聚二乙炔制成的器件可具光开关器的可能性，已证明聚二乙炔制成的器件可具光开关器的可能性，已证明聚二乙炔制成的器件可具有有有有微秒级的光开关速度。出于材料具有特别高的非线性光学系数，因此可用于低能的染料激光器，从而大大降低成本。6、电子导电高分子材料在超级电容器方面

47、的应用第四节第四节 离子导电型高分子材料离子导电型高分子材料 以正、负离子为载流子的导电聚合物被称为离子导电高分子。一、有关离子导电的一些基本概念一、有关离子导电的一些基本概念1、离子导电和离子导电聚合物、离子导电和离子导电聚合物离子导电体：离子导电体：物体内具有这种可以在外力驱动下相对移动的离子的物体。离子导电高分子材料：离子导电高分子材料：具有离子导电体性质的高分子。2、离子导电过程和离子导电体的特征、离子导电过程和离子导电体的特征 离子导电高分子材料是由含有可移动离子的非晶态柔性高分子构成，具有能够将正负离子解离的溶剂化正负离子解离的溶剂化力和允许体积相对较大的离子迁移的结构是构成离子力

48、和允许体积相对较大的离子迁移的结构是构成离子导电高分子材料的必要条件。导电高分子材料的必要条件。离子的体积作用导致大部分别子导电是液体。离子的体积作用导致大部分别子导电是液体。3、电化学过程与电化学反应、电化学过程与电化学反应 电化学过程：指有电参量参与的化学过程。电化学过程：指有电参量参与的化学过程。电能电能 化学能（原电池，电解）化学能（原电池，电解）4、电化学反应装置、电化学反应装置 电化学装置：指能承受电化学过程的反应装置。电化学装置：指能承受电化学过程的反应装置。如原电池、一次电池、电解池、如原电池、一次电池、电解池、电镀、二次电池等。电镀、二次电池等。二、固态离子导电机理二、固态离

49、子导电机理二、固态离子导电机理二、固态离子导电机理1、发展固态离子导电体的意义 离子导电体重要的用途是作为电解质用于工业与科研工作中的各种电化学过程，以及须要化学能与电能转换场合中的离子导电介质。固态电解质就是具有液体电解质的允许离子在其中移动，同时对离子有确定溶剂合作用，但是又没有液体流淌性与挥发性的一种导电物质。是为了克服液体电解质缺点而发展的。2、固体电解质的种类、固体电解质的种类 除了加入固体材料的半固态电解质（干电池）半固态电解质（干电池）和以溶胀聚合物为载体的溶胶电解质溶胶电解质为准固体电解质外，目前已有的真正固态电解质真正固态电解质主要分成两类：一是以某些无机盐为代表的晶体型或半

50、晶体型晶体型或半晶体型固体电解质，另一种是以玻璃态或高弹态存在玻璃态或高弹态存在的离子导电高分子材料。3、固体离子导电机理、固体离子导电机理 目前已有的离子导电理论：缺陷导电缺陷导电（defect conduction)、无扰亚晶格离子迁移导电无扰亚晶格离子迁移导电（highly disordered sub-lattice motion)和非晶区传导导电非晶区传导导电（amorphors rgion transport)(1)(1)缺陷导电缺陷导电缺陷导电缺陷导电 主要指的是无机盐晶体无机盐晶体。缺陷导电指的是晶体缺陷处的离子在足够大的电场力作用下可以借助跳转（hopping)作用，在相邻的