导电高分子材料(1).pdf

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1、第卷总第期第期年河北科技大学学报文章编号一一一导电高分子 材 料李英,赵地顺河北科技大学化 学与制药工程 学院,河北 石家庄摘要介绍 了新 型导电高分子材料的分类、性能、导电机理,对提 高导电高分子材料的导电性 及力学性能的途径、应用以及发展前景作了探讨。关键词导电高分子导电率 导电机理中图分类号文献标识码导 电高分子材料具有易成型、质量轻、结构 易变和半导体特性,可用于制造轻量、高能、大功率充放 电的全固态 电池。目前人们已经发现 了多种聚合物,如聚苯、聚毗咯、聚唾吩、聚苯硫醚、聚苯胺等经掺杂后电导率可达到半导体甚至是金属导体的导电水平。导电高分子的光电导性、电致色变性以及非线形光学性等,显

2、示 出其广 阔的应用前景,使导电高分子材料研究日益引起人们的兴趣和重视。本文着重介绍 了导电高分子材料的分类、性能、导 电机理,提高导电性及力学性能的途径、应用及发展前景。导电高分子材料的分类及性能按结构 和制备方法不 同将导 电高分子材料分为复合型和结构型两大类。复合型导电聚合物复合型导电聚合物是以高分子聚合物作基体,加入相当数量的导 电物质如碳黑、石墨、碳纤维、金属粉、金属纤维、金属氧化物等组合成的,兼有高分子材料的加工性和金属的导电性。与金属相比较,导电性复合材料具有加工性好、工艺简单、耐腐蚀、电阻率可调范围大、价格低等优点。复合型导 电聚合物在 技术上比结构 型导 电聚合物具有更加成熟

3、的优势,用量最大 最为普及的是碳黑填充型及金属填充型。结构型导 电聚合物。结构型导电聚合物是指高分子聚合物本身或仅经少量掺杂后具有导电性的物质,一般是 电子高度离域的共扼聚合物经过适 当电子受体或供体进行掺杂后制得 的。从导 电时载流子的种类来看,结构型导电高分子聚合物又被分为离子型和电子型两类。离子收稿日期”一一修回日期一。一责任编辑陈玉堂基金项目河北省 自然科学基金资助项目作者简介 李英年生,女 河北晋州人,工程师 硕士研究生 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.h

4、ttp:/河北科技大学学报年型高分子。通 常又叫高分子 固体 电解质简称,它们导 电时的载流子主要是离子。电子型导电高分子指的是以共扼高分子为主体的导 电高分子材料,导 电时的载流子是电子或空穴。这类材料是 目前世界导 电高分子材料 中研究开发的重点。最早 发现的结构型高分子聚 合物 是掺杂聚乙炔,聚乙炔是优良的绝缘体,其电导 率仅 为一,而掺 杂后可高达,其化学掺杂的首次报道是在年,。后来人们相继 开发了聚苯硫醚、聚毗咯、聚哗吩、聚苯胺等,但大 多数聚合物由于熔点高、难溶、加工成型十分困难等限制了应 用,只有聚苯胺例外,这主要是 由于它性质稳定、易于 加工成膜,且膜的弹性好,最 主要是价格低

5、。高分子导电机理导 电过 程是载流子 在 电场 下作定 向运动的过程。高分子 聚合物要能导 电,必须具备两个条要 能产生 足够数量的载流子电子、空 穴或离子等大分子链内和链间要能形成 导电通件道在离子型导电高分子材料 中,聚醚、聚醋等的大分子链形成螺旋体空间结构,与其配位络合的 碱金属阳离子 在大分子链段运动促进下,便能在其螺旋孔道内通过 空位迁 移“自由体积模型”,或被大分子“溶剂 化”了的阳阴离子同时在大分子链的空隙间跃迁扩散“动 力学 扩散理论”。对于 电子型导 电高分子材料,作 为主体的高分子聚合物,大 多为共扼体系 至少是不饱和键体系,长链中一键电子较 为活泼,特别是与掺杂剂 形成

6、电荷转 移络合物 后,容 易从 轨道上逃逸出来而形成自由电子。大分子链 内和链间二一电子轨道重叠交盖所形成的导 电能带为载流子的转移和跃迁提 供 了通道。在外加能量和大分子链 振动的推动下,便可传导 电流川。提高导电性和力学性能的途径选择高聚物的结构理论研 究结果表明,聚合物分子主链共扼性越好,越有利于二一电子的离域及增加载流子迁移率,从而提高其导电性。选择离子化势低、带宽大的共扼聚合物有利于获得 良好的导电聚合物,因为前者能保证易于产生大 量载 流子,后者可提供载流子运动的通道。引人取代基聚合物具有长的共扼链,虽有利于电导率的提高,但使分子链刚硬,不易溶解和熔融,难于加工,为此常在 主链上

7、引入取代基。不 同的高 聚物 引入不同的取代基后 电导率的变化是不同的。如苯基取代聚乙炔掺杂后 电导率只能到一,聚毗咯和聚苯胺体系,也 发现侧基取代后导电性有所下降川。取代基 的引入也赋予导 电高分子一些新的性能。如聚烷基唾 吩具有热致变色和溶致变色功能。总之,取代基的引入拓宽了导 电高分子的性能 及应用领域。选择最佳掺杂剂选择最佳掺杂剂,可以提 高聚合物 的稳定性。如果选择的掺杂剂合适,在提高稳定性的 同时,还可以提高机械强度。提 高导 电高分子的导 电性的另一个有效手段是改变材料的掺杂方式和掺杂程度。共混或增塑 1994-2008 China Academic Journal Electr

8、onic Publishing House.All rights reserved.http:/第期李英等导 电高 分子材料对 于型 导电聚合物,增 塑剂 可以有效地降低 聚合物的了,和结 晶度,从而提高其 电导率。最近杨蕾玲川等人认为复合增塑剂的效果高于其中任一种增塑剂。赵地顺等制备了无机盐一腮固熔体系,依此 为主体的高分子 固体电解质室温 电导率最高可达火。一。寻找新的制备工艺为 了寻求理想 的导 电高聚物材料,其合成、掺杂、成型加工等制备工艺进行了不少改进。如对型聚 合物成膜,以往采用的是溶液 浇铸法,目前正在研究热熔热压法、真空蒸发法等。导电聚 合物 的掺杂也从液相法 发展到了气相法、

9、电化学法、光化学法和离子注 入法等。应用防止静电与 电磁屏 蔽静 电的积 累不仅给人们生活带来许多危害,在炸药、石油、化工、纺织等行业还 可能 因静 电引起燃烧和爆炸事故。导 电塑料在 防止静电方面已经得到 广泛应 用。电子产 品容易发生 由于外界电磁波干扰而造成的错误 动作、图象障碍等故障,而且 电子产品本身产生的电磁波对人体也有一定危害,电子产品的外壳应有一定的电磁波屏蔽性。导电塑料代替金属 不仅可以起到防静电和电磁屏 蔽作用,而且质量轻、抗腐蚀。全 固态高能 电池材 料离子型导 电高分子材料 是开发全固态高能二次 电池的理想 电解质材料。电极也可选用合适的导电高分子材料,这种全塑 电池体

10、积小、质量轻、比能量高、不易发生漏液,且每 次 充放 电的时间也缩短了,许 多国家都将此项研究列为重点研究课题。目前,这种材料已步入商业 化的初级 阶段。显示材料有些导电高分子材料能随所施加的电流电压、电流强度、电流频率等 的不同而改变颜色,这类 电致变色功 能高分子材料,许多都在显示元件、仪器仪表等方面得到 了应用。轻小装配导线导电高分子材料代替金属作输电导线是最大的潜在市场,有专家估计,这种导线很 可能是由结构 型导 电高分子材料为芯线,外表包覆绝缘性高分子材料而构成的。但是,至今世界上这方面的报道还很少,因为 尚有一些关键性问题未解决。由于高分子聚合物 电线质量轻、体积 小,特别适 合于

11、作飞机、航天器等的装配电线。此外,还可用来制造 多种形式的无线 电收发报 机的各种天线。展望虽然导 电高分子材料的发展史只有短短的年,但当前导电高分子聚合物在 国民经济中的地 位,在许多方面不亚于世纪年代初传统塑料的地位。在合成、加工和应用方面取得 了突破性进展,走 向 了实用化,同时很 多潜 在的应用正在探索研究 中。目前,其研究方向可以概括为以下几个主要方面高导 电性,通过复合、改变分子结构等手段挖掘导电高分子材料潜在性能。最近,已成功研制出导 电率达的聚苯乙炔。多功能化,其中包括光、电、磁之间的转换,改善稳定性、可加工性。提 高导电材料的实用性,按实用要求确定攻关方 向。多行业 多学 科

12、交叉结合,开 发导 电高分子材料应用新领域,加速其商品化进程。参考文献张卫民韦平导电有机高分子材料 研 究进展广西化工,一李 晓常,李世晋导 电聚合物的进展化工进展,一仁 李星玮导电高分子材料的性能及 应用 化工新型材料,一 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/河北科技大学 学报年敬松结构型 导电高分子材料数字 四川化工,一,一,一【时会文,曾幸荣,杨卫可加工导电高分子材料的研究进展合成树脂及塑料,一【时高全 李春 梁映秋高性能导电高分子材料大学化学,一【幻

13、张升水,刘庆国,杨曹玲高分子固体 电解质性能的改进月,石油化工,一一赵地顺,一张星辰,一周清泽以硫和硫氛酸铰为主体的固体 电解质的研究功能高分子学报,一。朱艳秋导电高分了材料塑料加工应用,一一一赵地顺一张星辰,一周清泽以脉和硫脉 为主体的高分子 固体电解质的研究高等学校化学学报,一敬松结构 型导电高分子材料一四川化工一一【李艘恒,范丽明,许耀光导电性高分子材料,一,一,出,刁召冲勺容,。冲。切刁御气气勺出刁召却气右冲知感刁出勺。冲右协气台刁,出刁出刁刁知出即勺。冲。协勺出刁出冲知出,名冲知占刁出刁出郑方刁勺上接第页一,一,一,一,一,一、台一一一一 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/