高分子材料科学.pdf
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1、第七章 功能高分子材料第七章 功能高分子材料?导电高分子材料导电高分子材料?医用功能高分子材料医用功能高分子材料?可降解高分子材料可降解高分子材料定义和分类定义和分类一般说来,利用其力学性能的高分子,称为一高分子,如聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等;而利力学性能以外性能的高分子,具有声、光、电、磁、热、化学、生物等功能及转换功能的材料,叫做功高分子(一般说来,利用其力学性能的高分子,称为一高分子,如聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等;而利力学性能以外性能的高分子,具有声、光、电、磁、热、化学、生物等功能及转换功能的材料,叫做功高分子(FP,Functional Polymer)。)。功能高分子一般带有官
2、能团,化学结构较复因此,难以按化学结构来分类,一般按照其功能来类。功能高分子一般带有官能团,化学结构较复因此,难以按化学结构来分类,一般按照其功能来类。功能高分子分类功能高分子分类?化学功能化学功能包括离子交换、催化、氧化还原、光聚合、光交联、光分解、光降解、固体电解质、微生物分解等功能。包括离子交换、催化、氧化还原、光聚合、光交联、光分解、光降解、固体电解质、微生物分解等功能。?物理功能物理功能包括导电、热电、压电、电磁波的透过吸收、反射、热电子放射、超导、形状记忆、超塑性、低温韧性、磁化、透磁、电磁屏蔽、磁记录、光致变色、偏光性、光传导、光磁效应、光弹性、耐放射线、包括导电、热电、压电、电
3、磁波的透过吸收、反射、热电子放射、超导、形状记忆、超塑性、低温韧性、磁化、透磁、电磁屏蔽、磁记录、光致变色、偏光性、光传导、光磁效应、光弹性、耐放射线、x射线透过、射线透过、x射线吸收等功能。射线吸收等功能。功能高分子分类功能高分子分类?介于化学、物理之间或复合的功能介于化学、物理之间或复合的功能包括吸附、膜分离、高吸水、表面活性等功能。包括吸附、膜分离、高吸水、表面活性等功能。?生理功能生理功能包括组织适应性、血液适应性、生物体内分解非抽出性,非吸附性等功能。包括组织适应性、血液适应性、生物体内分解非抽出性,非吸附性等功能。第一节 导电高分子材料及电光技术第一节 导电高分子材料及电光技术电导
4、率电导率()mSm11=一、材料导电能力的差异与原因一、材料导电能力的差异与原因绝缘体:绝缘体:10-1810-7,半导体:,半导体:10-7105,导体:,导体:105108一、材料导电能力的差异与原因一、材料导电能力的差异与原因能带间隙能带间隙(Energy Band Gap)金属金属Eg0 eV,半导体,半导体Eg:1.03.5 eV,绝缘体,绝缘体Eg3.5 eV二、导电高分子的分类二、导电高分子的分类离子导电离子导电(由强极性基团的解离产生的正负离子)(由强极性基团的解离产生的正负离子)本征型本征型导电高分子材料导电高分子材料电子导电电子导电在高分子材料中添加导电性物质如金属、石墨在
5、高分子材料中添加导电性物质如金属、石墨复合型复合型三 导电高分子材料的导电机理三 导电高分子材料的导电机理有机化合物中的 键和键有机化合物中的 键和键在有机共轭分子中,键是定域键,构成分子骨架;而垂直于分子平面的在有机共轭分子中,键是定域键,构成分子骨架;而垂直于分子平面的p轨道组合成离域键,所有电子在整个分子骨架内运动。离键的形成,增大了电子活动范围,使体系能级降低、能级间隔变轨道组合成离域键,所有电子在整个分子骨架内运动。离键的形成,增大了电子活动范围,使体系能级降低、能级间隔变小,增加物质的导电性能。小,增加物质的导电性能。三 导电高分子材料的导电机理三 导电高分子材料的导电机理导电高分
6、子材料的共同特征交替的单键、双键共轭结构导电高分子材料的共同特征交替的单键、双键共轭结构聚乙炔由长链的碳分子以聚乙炔由长链的碳分子以sp2键链接而成,每一个碳原子有一个价电子未配对,且在垂直于键链接而成,每一个碳原子有一个价电子未配对,且在垂直于sp2面上形成未配对键。其电子云互相接触,会使得未配对电子很容易沿着长链移动,实现导电能力。面上形成未配对键。其电子云互相接触,会使得未配对电子很容易沿着长链移动,实现导电能力。三 导电高分子材料的导电机理三 导电高分子材料的导电机理半导体到导体的实现途径掺杂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
7、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。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。三 导电高分子材料的导电机理三 导电高分子材料的导电机理导电高分子材料的掺杂途径导电高分子材料的掺杂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+掺杂
8、后的聚合物形成盐类,产生电流的原因掺杂后的聚合物形成盐类,产生电流的原因并不是碘离子或钠离子而是共轭双键上的电子移动。并不是碘离子或钠离子而是共轭双键上的电子移动。三 导电高分子材料的导电机理三 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沿着分子移动,实现其导电能力。,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,结果使双键可以成功地沿着分子移动,
9、实现其导电能力。三 导电高分子材料的导电机理三 导电高分子材料的导电机理导电高分子无机半导体的掺杂的对比导电高分子无机半导体的掺杂的对比无机半导体中的掺杂无机半导体中的掺杂导电高分子中的掺杂导电高分子中的掺杂本质是原子的替代本质是原子的替代一种氧化还原过程一种氧化还原过程掺杂量极低(万分之几)掺杂量极低(万分之几)掺杂量一般在百分之几到百分之几十之间掺杂量一般在百分之几到百分之几十之间掺杂剂在半导体中参与导电掺杂剂在半导体中参与导电只起到对离子的作用,不参与导电只起到对离子的作用,不参与导电没有脱掺杂过程没有脱掺杂过程掺杂过程是完全可逆的掺杂过程是完全可逆的聚乙炔的电导率聚乙炔的电导率掺杂方法
10、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1.71074.4103p掺杂型掺杂型(氧化型)(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 1.210551031105n掺杂型掺杂型(还原型)(还原型)萘基钾掺杂萘基钾掺杂萘基钠掺杂萘基钠掺杂2104103104其它导电高分子材料其它导电高分子材料NHpolypyrrole(PPy)nSpolythiophene(PT)npoly(phenylene vinylene)(PPV)nHNHNNNpolyanilinen与聚乙炔相比
11、,它们在空气中更加稳定,可直接掺杂聚合,电导在与聚乙炔相比,它们在空气中更加稳定,可直接掺杂聚合,电导在104S/m左右,可以满足实际应用需要。左右,可以满足实际应用需要。四 导电高分子材料的应用四 导电高分子材料的应用半导体半导体/导体导体/可逆掺杂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。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
12、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。发光二极管发光原理发光二极管发光原理透明玻璃载板阴极透明玻璃载板阴极阳极发光高分子阳极发光高分子迁移迁移迁移迁移LUMOHOMO阳极阳极e-()极化子生成()极化子生成(注入电子)(注入电子)单重态激子辐射衰变单重态激子辐射衰变(+/-极化子偶合)(+/-极化子偶合)()极化子生成()极化子生成(注入空穴)(注入空穴)电光电光阴极阴极e-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能电池,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
13、料的拉伸性、弹性和柔韧性。导电高分子可制成太阳能电池,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。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、起搏器等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、石油管道等能够防腐蚀,可以用在火箭、船舶、石油管道等美国密里肯公司将聚吡咯与纤维复合,制备了商品名为美国
14、密里肯公司将聚吡咯与纤维复合,制备了商品名为Contex和和Intrigue的导电纤维,并制成了轻型伪装网,美国国防部已经将其以用于隐形轰炸机的隐身涂料的导电纤维,并制成了轻型伪装网,美国国防部已经将其以用于隐形轰炸机的隐身涂料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的电子能级与可见光重叠,并且其光吸收系数都比较大,在电化学氧化还原时都会产生变色现象。应用: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共轭高分子的电子能级与可见光重叠,并且其光吸收系数都比较大,在电化学氧化还原时都会产生变色现象。应用:汽车
15、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共轭高分子共轭高分子颜色变化颜色变化氧化态/还原态氧化态/还原态共轭高分子共轭高分子颜色变化颜色变化氧化态/还原态氧化态/还原态聚吡咯聚吡咯棕色/黄色棕色/黄色聚(3,4-二甲基噻吩)聚(3,4-二甲基噻吩)深蓝色/蓝色深蓝色/蓝色聚(3-乙酰基吡咯)聚(3-乙酰基吡咯)黄棕色/棕黄色黄棕色/棕黄色聚(3-苯基噻吩)聚(3-苯基噻吩)蓝绿色/黄色蓝绿色/黄色聚(3,4-二甲基吡咯)聚(3,4-二甲基吡咯)红紫色/绿色红紫色/绿色聚(3,4-二苯基噻吩)聚(3,4-二苯基噻吩)蓝灰色/黄色蓝灰色/黄色聚(N-甲基吡咯)
16、聚(N-甲基吡咯)棕红色/桔黄色棕红色/桔黄色聚(2,2-联噻吩)聚(2,2-联噻吩)蓝灰色/红色蓝灰色/红色聚(3-甲基噻吩)聚(3-甲基噻吩)蓝色/红色蓝色/红色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的电池,若加电场而掺杂充电,加负载而去掺杂放电,该充电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。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
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