導電高聚物的應用及發(fā)展趨勢

導電高聚物的應用及發(fā)展趨勢*

劉俊娟

(河北師范大學附屬民族學院河北 石家莊050091)

魏增江

(石家莊理工職業(yè)學院河北 石家莊050091)

*河北省高等學?？茖W技術(shù)研究指導項目“側(cè)基取代有機共軛聚合物中極化子動力學的研究”，項目編號：Z2014034；河北師范大學科學研究基金項目“側(cè)基取代有機共軛聚合物中極化子動力學的研究”，項目編號：L2012Q18

摘 要：介紹了導電高聚物材料的特點、分類及其應用領(lǐng)域,并對導電高聚物的發(fā)展前景進行了展望.

關(guān)鍵詞：導電高聚物復合型結(jié)構(gòu)型

收稿日期：(2015-03-19)

作者簡介：劉俊娟(1982-)，女，碩士，講師，主要研究物理課程與教學論和從事高聚物的研究.

通訊作者：魏增江(1981-)，男，碩士，講師，主要研究物理課程與教學論和從事高聚物的研究.

1導電高聚物材料的特征

自1977年，百川英樹與A.MacDiarmid和A.Heeger合作，通過摻雜使聚乙炔的電導率提高了12個數(shù)量級，達到了103(Ω·cm)-1，變成了良導體，從而出現(xiàn)了導電聚合物.所謂導電聚合物(導電高分子)是由具有共軛π-鍵的高分子經(jīng)化學或電化學“摻雜”使其由絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)閷w的一類高分子材料[1].導電高分子除了具有高分子的結(jié)構(gòu)特征外，還由“摻雜”而引入的一價對陰離子(p-型摻雜)或?qū)﹃栯x子(n-型摻雜)構(gòu)成.所以，通常導電高分子是由高分子鏈結(jié)構(gòu)和與鏈非鍵合的一價陰離子或陽離子共同組成[2].因此，導電高分子不僅具有由于摻雜而帶來的金屬高電導率和半導體的特性，還具有高分子的可分子設(shè)計結(jié)構(gòu)多樣化、可塑性和耐腐蝕的特點，稱為一類新的有機導體.

2導電高聚物材料的分類

按照材料的結(jié)構(gòu)與組成, 可將導電高聚物材料分為兩大類:一類是復合型導電高聚物材料, 另一類是結(jié)構(gòu)型(或本征型)導電高聚物材料.

2.1復合型導電高聚物材料

復合型導電高分子材料是將各種導電性物質(zhì)以不同的方式和加工工藝填充到聚合物基體中而構(gòu)成的材料.復合型導電高分子所采用的復合方法主要有兩種[3,4]:一種是將親水性聚合物或結(jié)構(gòu)型導電高分子與基體高分子進行共混, 另一種則是將各種導電填料填充到基體高分子中,如填充各類金屬粉末、金屬化玻璃纖維、碳纖維、鋁纖維及鎳、鉻、鎂等金屬纖維.復合型導電高分子材料具有以下特點：(1)省力、經(jīng)濟，成型制品和屏蔽化一次完成；(2)無需二次加工, 無需特殊設(shè)備；(3)屏蔽性能長期穩(wěn)定、安全可靠.

2.2結(jié)構(gòu)型導電高聚物材料

結(jié)構(gòu)型導電高分子是帶有共軛雙鍵的結(jié)晶性高聚物，是指高分子材料本身或經(jīng)過摻雜后具有導電功能的聚合物.這種高分子材料本身具有“固有”的導電性，由其結(jié)構(gòu)提供導電載流子, 一旦經(jīng)摻雜后, 電導率可大幅度提高, 甚至可達到金屬的導電水平.結(jié)構(gòu)型導電高分子材料又被分為離子型和電子型兩類.它們的載流子分別為離子和電子(或空穴)，這類導電聚合物具有低密度、易加工成型、易導電性能等優(yōu)點.最早發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)型導電高聚物是摻雜聚乙炔,在隨后的研究中科研工作者又相繼開發(fā)了聚吡咯、聚對苯撐、聚噻吩、聚對苯撐乙烯撐、聚苯胺等導電高分子[5].

3導電高聚物材料的特性及應用

導電高聚物材料的優(yōu)良特性，使其在很多方面都有廣泛的應用.

3.1電導體

通用高分子材料與各種導電性物質(zhì), 如金屬粉、炭黑等通過填充復合、表面復合等方式可以制成導電塑料、導電橡膠、導電纖維織物等[6].經(jīng)過復合得到的導電硅橡膠與金屬導體相比具有:優(yōu)良的加工性能；柔軟,耐腐蝕,低密度,高彈性；電導率可選擇的范圍寬等優(yōu)點.例如導電膠粘劑在印刷線路板、鍵盤開關(guān)、混合式集成電路、小片粘合等電氣、電子有關(guān)的產(chǎn)業(yè)部門已廣泛應用.

3.2電磁屏蔽材料

導電高分子室溫電導率可在絕緣體-半導體-金屬態(tài)范圍內(nèi)變化，具有高電導的導電高分子可用于電磁屏蔽、防靜電、分子導線等技術(shù)上.例如，質(zhì)量輕、耐腐蝕的導電塑料代替金屬作為電子產(chǎn)品的外殼可以有效的起到電磁屏蔽作用[7],電磁屏蔽主要用來防止高頻電磁場的影響，從而有效地控制電磁波從某一區(qū)域向另一區(qū)域進行輻射傳播.其基本原理是采用低電阻值的導體材料,利用電磁波在屏蔽導體表面的反射,在導體內(nèi)部的吸收及傳輸過程的損耗而產(chǎn)生屏蔽作用.

3.3隱身材料

導電高分子不僅可以摻雜，而且還可以脫摻雜，并且摻雜-脫摻雜的過程完全可逆.利用摻雜態(tài)導電高分子的導電性和半導體性，反射或吸收電磁波的特性，可用于隱身材料的應用.例如用導電聚吡咯纖維編制成迷彩蓋布，可以干擾敵方的電子偵察.利用導電高分子在摻雜前后導電能力的巨大變化，實現(xiàn)防護層從反射電磁波到透過電磁波的切換，從而實現(xiàn)智能隱身的功能[8].

3.4傳感器

實驗發(fā)現(xiàn)導電高分子與大氣某些介質(zhì)作用時其室溫電導率會發(fā)生明顯的變化，若除去這些介質(zhì)又會自動恢復到原狀.這種變化主要利用高聚物摻雜/脫摻雜的可逆過程，利用這一特性可實現(xiàn)高選擇性、靈敏度高和重復性好的氣體或生物傳感器.如,通過研究各種氣體與聚苯胺膜或聚吡咯膜的作用引起的電導率變化規(guī)律, 可將聚苯胺膜用于化學傳感器[9].

3.5顯示材料

電解合成的導電高分子材料在電化學摻雜時會伴隨著顏色的變化，利用這一特性可以將其用作變色器材.這一類導電高分子能夠進行電化學脫摻雜和再摻雜，并且發(fā)生還原可逆的電化學反應，通過電化學摻雜可以使導電高分子材料變?yōu)榻^緣體，氧化摻雜可以使其變?yōu)閷w，并且材料的導電性會隨著摻雜與脫摻雜的程度不同而發(fā)生相應變化，而其光學性質(zhì)也會隨其發(fā)生相應的變化[10]，根據(jù)這個特性，可以將其作為顯色材料.

3.6電池

導電高分子具有可逆的電化學氧化還原特性, 而且還有相對密度小、室溫電導率大和比表面積較大等特點，所以它可以作為電池極好的電極材料.比如聚毗咯有較高的摻雜程度和較強的穩(wěn)定性，并且對電信息的變化也十分敏感.用導電高分子材料做成的二次電池具有易生產(chǎn)加工成膜、可繞曲、小型輕便、能量高等特點.例如用間苯二酚糠醛生成的水凝膠和有關(guān)聚合物制備具有高能量密度的雙層電容器或用CO2作電極的電池[11]等.

4導電高聚物材料的發(fā)展趨勢

隨著生產(chǎn)和科技的發(fā)展，人們對高聚物材料的性能提出了各種各樣新的要求.總的來說，今后高分子材料總的發(fā)展趨勢是高性能化、高功能化、復合化、智能化和綠色化.

4.1高功能化

功能高分子材料是材料領(lǐng)域最具活力的新領(lǐng)域，目前功能高分子材料分為兩類: 一類是在原來高分子材料的基礎(chǔ)上，使其成為更高性能和功能的高分子材料，另一類是具有新型功能的高分子，例如，化學功能高分子材料、光功能高分子材料、電功能高分子材料、高分子液晶等[12]，如可以像金屬一樣導熱導電的高聚物，能吸收自重幾千倍的高吸水性樹脂，可以作為人造器官的醫(yī)用高分子材料等.鑒于以上發(fā)展，高分子吸水性材料、光致抗蝕性材料、高分子分離膜、高分子催化劑等都是功能高分子的研究方向.

4.2高性能化和復合化

復合化是達到材料高性能化與高功能化的必要途徑之一.高性能的結(jié)構(gòu)復合材料是新材料革命的一個重要方向，目前主要用于航空航天、造船、海洋工程等方面，今后其研究方向主要有：(1)高性能、高模量的纖維增強材料的研究與開發(fā)；(2)合成具有高強度，優(yōu)良成型加工性能和優(yōu)良耐熱性的基體樹脂；(3)界面性能、粘結(jié)性能的提高及評價技術(shù)的改進等方面.

4.3智能化和綠色化

高分子材料的智能化是一項具有挑戰(zhàn)性的重大課題.智能材料是使材料本身帶有生物所具有的高級智能，例如預知預告性，自我診斷、自我識別能力，刺激響應和環(huán)境應答能力等特性，根據(jù)人體的狀態(tài)，控制和調(diào)節(jié)藥劑釋放的微膠囊材料等.由功能材料到智能材料是材料科學的又一次飛躍.同時，任何材料的使用給人類帶來的污染是不能忽視的，因此要求高分子材料生產(chǎn)的綠色化，選用無毒無害的原料，利用可再生資源合成高分子材料，高分子材料的再循環(huán)利用等.

另外，導電高聚物也面臨著納米化和實用化的挑戰(zhàn)，若這些挑戰(zhàn)所帶來的發(fā)展機遇與導電高聚物相結(jié)合，堅信這將成為21世紀材料科學的研究前沿.

參 考 文 獻

1萬梅香. 導電高分子．高分子通報，1999，9(3)：47

2(日)雀部博之. 導電高分子材料. 曹鏞，葉成，朱道本譯.北京: 科學出版社, 1989. 205

3張福強, 王立新.永久性抗靜電劑.塑料科技, 1996(1):5

4王克智.共混高聚物——炭黑復合材料的導電特性.塑料科技,1996(4):42

5藍立文.功能高分子材料.西安:西北工業(yè)大學出版社, 1995.124

6江東亮.新材料.上海:上?？茖W技術(shù)出版社, 1994 .224

7酈華興,王松林，彭力賢，等.金屬填充導電高分子材料研究.中國塑料, 1999 , 13(1):18

8宮兆合，梁國正，任鵬剛，等.導電高分子材料在隱身技術(shù)中的應用.高分子材料科學與工程，2004，20(5):31

9謝丹．聚苯胺基LB膜的制備及氣敏特性的研究.高分子學報,2001(2)：224～227

10袁玫．導電高分子材料的發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢．民營科技,2014(3)：5

11周朝華，張?zhí)炖恚?糠醛系功能高分子材料概述．高等化學學報,1985(6) ：281

12呂傳香,金鳳玉，梁鳳，等．新型功能高分子材料．廣州化工,2013，41(20)：8