復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料研究進(jìn)展

汪琦 羅華斌 溫天宇

摘要：復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料主要通過將導(dǎo)電性物質(zhì)添加到高分子基體中，經(jīng)復(fù)合處理后得到多項(xiàng)復(fù)合體系，具有易于加工、耐腐蝕性能強(qiáng)、成本低廉、導(dǎo)電性能強(qiáng)、熱塑性與成形性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在電子工業(yè)、能源產(chǎn)業(yè)與信息行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文分析了復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料的主要類別，從應(yīng)用于導(dǎo)電塑料制造、應(yīng)用于導(dǎo)電涂料制造、應(yīng)用于導(dǎo)電橡膠制造以及在隱形技術(shù)中應(yīng)用等四個(gè)層面入手，探討復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料的具體應(yīng)用，以供參考。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)電高分子；復(fù)合材料；導(dǎo)電性物質(zhì)；材料制備

引言：

導(dǎo)電高分子材料隸屬于聚合物材料，依照不同的結(jié)構(gòu)特征與組合方式劃分為結(jié)構(gòu)型與復(fù)合型兩種類別，其中結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料的實(shí)用價(jià)值較低，而復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料憑借其性能優(yōu)勢(shì)得到了更加廣泛的應(yīng)用，值得我們進(jìn)行深入的研究與探討。

1復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料的主要類別

從導(dǎo)電填料的種類出發(fā)，復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料主要分為共混復(fù)合型和填充復(fù)合型兩種：

1.1共混復(fù)合型

共混復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料的導(dǎo)電填料包含了結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子的粉末或顆粒，將其添加到聚合物中，并借助機(jī)械共混法、共沉淀法等方法進(jìn)行材料制備，便可以達(dá)到良好的應(yīng)用效果。通常來(lái)說(shuō)，常用的結(jié)構(gòu)型高分子材料包含以下三種：

首先是聚苯胺，該物質(zhì)具有卓越的穩(wěn)定性、電化學(xué)性能，且價(jià)格較為低廉，可以借助熔融共混法與溶液共混法進(jìn)行加工制備，具有極強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。以聚苯胺/蒙脫石納米復(fù)合材料的制備為例，主要應(yīng)用原位插層聚合法，需要著重把控材料與摻雜劑的用量、控制反應(yīng)的溫度與時(shí)長(zhǎng)。通過實(shí)驗(yàn)可以得出，在選用5.1gPANI、將蒙脫石與其質(zhì)量比控制在0.09、選用50ml的2mol/L HCL溶液、將溫度控制在20°C、反映時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為6h，在此條件下便可以獲取到2.51S/cm的電導(dǎo)率，由此可證其具有極強(qiáng)的導(dǎo)電效能。

其次是聚吡咯，作為一種研發(fā)較早的導(dǎo)電高分子材料，聚吡咯具有導(dǎo)電率較高、穩(wěn)定性能強(qiáng)、氧化電位低等優(yōu)勢(shì)，易于發(fā)生電化學(xué)聚合反應(yīng)，生成致密薄膜。以石墨烯/聚吡咯納米復(fù)合材料的制備為例，可以選用FeCl3·6H20作為氧化劑、對(duì)甲苯磺酸鈉作為摻雜劑，借助超聲震蕩下的原位聚合反應(yīng)完成復(fù)合材料制備，該材料不僅大大提高了熱穩(wěn)定性，還能夠有效提高電導(dǎo)率，使其性能優(yōu)勢(shì)得到了更好的發(fā)揮[1]。

最后是聚噻吩，該物質(zhì)在常溫下的電導(dǎo)率為10-8S·cm-2，具有較強(qiáng)的導(dǎo)電性，薄膜的密度值也保持在最佳范圍內(nèi)。以P3HT-MWCNTs光敏性納米復(fù)合薄膜的制備為例，主要運(yùn)用化學(xué)氧化法作為制備方法，選用多壁碳納米管作為添加材料。在實(shí)驗(yàn)中可以觀察到，當(dāng)碳納米管含量不斷上升時(shí)，其在可見光的區(qū)域范圍內(nèi)產(chǎn)生了一定的紅移幅度，促使太陽(yáng)能利用率得到了顯著提高。

1.2填充復(fù)合型

填充復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料將聚乙烯、聚丙烯、環(huán)氧樹脂、聚酰胺等作為基體聚合物，將碳系、金屬系材料作為導(dǎo)電填料，通過二者結(jié)合最終制成高分子材料。依照導(dǎo)電填料的種類進(jìn)行劃分，可以分為以下兩種：

其一是碳系填充型，由炭黑、石墨、碳纖維等材料組合而成，其中炭黑具有密度小、價(jià)格低的優(yōu)勢(shì)，在導(dǎo)電材料制備中較為常用，然而由于其外觀呈現(xiàn)為黑色，一定程度上降低了產(chǎn)品的美觀度；石墨又因其內(nèi)部含有較多的雜質(zhì)，因此需要在使用前針對(duì)石墨進(jìn)行一定的清潔處理，導(dǎo)致加工工藝較為復(fù)雜；而碳纖維材料憑借其高強(qiáng)度、高模量、良好的耐腐蝕性能等優(yōu)勢(shì)，具有更為廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

其二是金屬填充型，通常選用電絕緣性高分子材料作為基體，選用金屬物質(zhì)作為填充材料，如金屬絲及粉末等，經(jīng)過混煉與成型加工制備而成，具有良好的導(dǎo)電性能。通常情況下可以選用金、銀、銅、鋁等金屬作為填充材料，其中金、銀類金屬在電導(dǎo)率與熱穩(wěn)定性方面具有較強(qiáng)的性能優(yōu)勢(shì)，然而成本較高、密度較大是其存在的突出問題；而銅、鋁等材料具有價(jià)格低、導(dǎo)電性強(qiáng)、穩(wěn)定性好的優(yōu)勢(shì)，但極易與空氣接觸發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)電性能并不穩(wěn)定，因此常被應(yīng)用于電磁屏蔽與印刷線路引線等材料的制作中[2]。

2復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料的具體應(yīng)用

2.1應(yīng)用于導(dǎo)電塑料制造

復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料憑借組成方式和制備工藝的差別，與結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料形成了明顯的區(qū)分，然而在材料的實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料的應(yīng)用數(shù)量?jī)H占據(jù)10%，復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料憑借其性能優(yōu)勢(shì)掌握了更高的實(shí)用價(jià)值。具體來(lái)說(shuō)，通常將熱固性或熱塑性聚合物作為高分子基體，如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、尼龍等，在其中加入導(dǎo)電性物質(zhì)或改性添加劑，最終便制成了復(fù)合型導(dǎo)電塑料，現(xiàn)普遍被應(yīng)用于電磁屏蔽、抗靜電等材料的制作中。以雙級(jí)板制作為例，可以選用聚乙烯作為高分子基體，導(dǎo)電填料可以選用炭黑、石墨等，利用碳布進(jìn)行加固，最終便可以制成釩電池三明治型導(dǎo)電塑料基復(fù)合雙級(jí)板，在電流、電壓及能量效率等方面都得到了顯著的上升，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

2.2應(yīng)用于導(dǎo)電涂料制造

我國(guó)早在1950年代便著手研發(fā)導(dǎo)電涂料，經(jīng)歷半個(gè)多世紀(jì)的科學(xué)技術(shù)發(fā)展，如今導(dǎo)電涂料在電子工業(yè)、航空航天、化工領(lǐng)域與印刷行業(yè)都得到了普遍的應(yīng)用，憑借其良好的導(dǎo)電性能與排除積累靜電荷的作用橫跨軍用工業(yè)領(lǐng)域與民用工業(yè)領(lǐng)域，具有極為廣泛的實(shí)用價(jià)值。以丁苯橡膠/聚苯胺復(fù)合涂料的制造為例，可以選用硫酸銅溶液作為電解質(zhì)，在恒電位的情況下使其發(fā)生電化學(xué)聚合反應(yīng)，最終合成丁苯橡膠/聚苯胺復(fù)合涂層，在此基礎(chǔ)上將其放置在3.5%氯化鈉與0.5mol/L鹽酸中，借助塔菲爾曲線、開路電位測(cè)量法以及EIS針對(duì)該涂層的耐腐蝕性能進(jìn)行對(duì)比研究，最終結(jié)果表明該涂層具有較強(qiáng)的耐腐蝕性，相應(yīng)也具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

2.3應(yīng)用于導(dǎo)電橡膠制造

相較于普通橡膠而言，復(fù)合導(dǎo)電橡膠主要添加了導(dǎo)電填料，選用天然橡膠、硅橡膠等作為基體，不僅使得橡膠的柔韌性能得到顯著提高，簡(jiǎn)化了加工工藝與流程，還具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，被廣泛應(yīng)用于抗靜電材料、傳感等領(lǐng)域的制作中。需要注意的是，導(dǎo)電填料的填充濃度及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、聚合物類型、粘度等都會(huì)對(duì)其導(dǎo)電性能產(chǎn)生較為直接的影響，因此應(yīng)當(dāng)著重從這些層面入手進(jìn)行把控[3]。

2.4在隱形技術(shù)中應(yīng)用

復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料在隱形技術(shù)中也具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值，一般選擇將其與納米微粒材料結(jié)合，將其填充到橡膠或樹脂基質(zhì)中。鑒于納米微粒材料的體積與尺寸遠(yuǎn)小于雷達(dá)發(fā)射電磁波的波長(zhǎng)，因此相對(duì)來(lái)說(shuō)能夠有效提高電磁波透過率、降低電磁波反射率，有效使反射信號(hào)減弱，起到良好的隱形效果。同時(shí)，相較于普通材料而言，納米微粒材料可以有效提高紅外光波與電磁波的吸收率，進(jìn)一步降低了雷達(dá)與探測(cè)器的信號(hào)探測(cè)功效，從而更好的達(dá)到隱形的效果。

結(jié)論：

總而言之，復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料在質(zhì)量、耐用性、導(dǎo)電性能等方面都具有顯著的優(yōu)勢(shì)，且制造成本較低、對(duì)于加工流程并無(wú)過高要求，在現(xiàn)如今的規(guī)模化、批量化生產(chǎn)中具有較強(qiáng)的適用價(jià)值。伴隨科學(xué)技術(shù)的持續(xù)深入發(fā)展，電子制造行業(yè)、能源產(chǎn)業(yè)、信息行業(yè)等都會(huì)相應(yīng)提高對(duì)于復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料的需求量，這種新型材料也必將在市場(chǎng)研發(fā)與應(yīng)用中收獲良好的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊逢時(shí)，張瓊，李國(guó)斌，等.復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料的研究進(jìn)展[J].化工新型材料，2013，41，（12）：1-3.

[2]陳東紅，虞鑫海，徐永芬.導(dǎo)電高分子材料的研究進(jìn)展[J].化學(xué)與黏合，2012，34，（06）：61-64+76.

[3]霍小平.復(fù)合導(dǎo)電高分子材料的改性及應(yīng)用研究進(jìn)展[J].中國(guó)膠黏劑，2016，（6）：57-61.