有機(jī)導(dǎo)電高分子材料的導(dǎo)電機(jī)制分析

葛美珍

摘 ? 要：導(dǎo)電高分子材料具有非常獨(dú)特的性能，作為導(dǎo)電材料在現(xiàn)代生產(chǎn)中具有非常廣泛的運(yùn)用，同時(shí)在能源、傳感器、光電氣器件等領(lǐng)域也具有較大的潛在應(yīng)用價(jià)值?；诖?，對有機(jī)導(dǎo)電高分子材料的導(dǎo)電機(jī)制展開了分析和研究，僅供參考。

關(guān)鍵詞：高分子材料;導(dǎo)電機(jī)制;π鍵

物質(zhì)依據(jù)其導(dǎo)電性能可以將其劃分成絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體以及超導(dǎo)體，在之前的學(xué)界研究中，高分子材料通常都被認(rèn)為是絕緣體。然而時(shí)至今日，這種理念已經(jīng)被打破，并且經(jīng)過多年的研究，人們對導(dǎo)電高分子材料的種類已經(jīng)有了較為深入的認(rèn)知，對其導(dǎo)電機(jī)制進(jìn)行了更加深入的研究，有助于推動(dòng)有機(jī)導(dǎo)電高分子材料的發(fā)展和應(yīng)用。

1 ? ?導(dǎo)電高分子材料的種類

相比于傳統(tǒng)的導(dǎo)電材料，有機(jī)高分子材料具有質(zhì)量輕、容易加工、耐熱性好、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。因此，有機(jī)高分子材料在結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域已經(jīng)得到非常廣泛的應(yīng)用。目前，學(xué)界通常將導(dǎo)電高分子材料劃分成兩種類型，即結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料以及復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料[1]。所謂結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料指的是對高分子材料實(shí)施摻雜處理，從而使得這些材料擁有導(dǎo)電性能，這種材料又可以分為電子導(dǎo)電型以及離子導(dǎo)電型，在工業(yè)生產(chǎn)中，這種類型的材料由于其附加值非常高，在市場中的使用前景較為良好。復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料本身并不能導(dǎo)電，但是可以通過填充導(dǎo)電體的方式來實(shí)現(xiàn)材料的整體導(dǎo)電。

2 ? ?導(dǎo)電高分子的特殊結(jié)構(gòu)及其導(dǎo)電機(jī)理

2.1 ?結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子結(jié)構(gòu)及導(dǎo)電機(jī)理

結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子具有共軛長鏈狀結(jié)構(gòu)，因此其構(gòu)成的離域π鍵能夠在分子鏈上部形成電流，這種特征就可以使有機(jī)高分子材料具備導(dǎo)電能力。在結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子中，隨著其分子鏈長度的增加以及π電子數(shù)的不斷增多，這種材料的導(dǎo)電性能也就越好?，F(xiàn)在在學(xué)界中，人們對于結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子的導(dǎo)電機(jī)理以及相關(guān)理論研究非常多，也取得了一些成果，比如，按照有機(jī)高分子材料的導(dǎo)電機(jī)理，人們能夠采用下面兩種方式來使其導(dǎo)電率提升：

2.1.1 ?使其具有離域大π鍵結(jié)構(gòu)

對導(dǎo)電高分子材料的相關(guān)研究已經(jīng)充分表明，隨著其π鍵數(shù)量的不斷增多，其離域程度也會(huì)變大，分子整體的共軛性以及導(dǎo)電性能也會(huì)提升，所以可以從分子結(jié)構(gòu)方面展開研究，利用增加離域大π鍵的方式來提升其導(dǎo)電性能。

2.1.2 ?對共軛結(jié)構(gòu)進(jìn)行化學(xué)摻雜

很多導(dǎo)電高分子擁有共軛分子結(jié)構(gòu)，然而，如果π電子處于沒有激發(fā)的狀態(tài)，那么其依舊無法在整個(gè)分子鏈上進(jìn)行移動(dòng)，這樣就會(huì)使得其導(dǎo)電性能比較差。所以，有學(xué)者提出使用摻雜的方式引入對陰離子（p-型摻雜）或?qū)﹃栯x子（n-型摻雜），使得電子遷移的條件降低，提升高分子材料的導(dǎo)電性能。當(dāng)前，人們經(jīng)常運(yùn)用的摻雜劑有碘（I2）、五氟化砷（AsF5）、六氟化銻（SbF6）等[2]。不同的摻雜比例會(huì)對高分子材料的導(dǎo)電性能產(chǎn)生影響，但是當(dāng)其達(dá)到飽和后，材料的性能將會(huì)成為一個(gè)定值。所以，探尋更加合適的摻雜劑是當(dāng)前高分子行業(yè)研究的一個(gè)非常重要的方向。

2.2 ?復(fù)合型導(dǎo)電高分子

所謂復(fù)合型導(dǎo)電高分子指的是在其中添加和填充導(dǎo)電物質(zhì)，這種高分子材料提供的是一種黏合效應(yīng)，其導(dǎo)電性能由導(dǎo)電物質(zhì)提供。高分子材料作為機(jī)體，對于整個(gè)材料的抗性、機(jī)械強(qiáng)度等性能有著非常關(guān)鍵的影響。所以，在工業(yè)生產(chǎn)中，可以結(jié)合實(shí)際需求，選擇不同的機(jī)體和填充物。目前最為常見的機(jī)體材料為聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等。

填充物在復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料中主要起著載流子的作用，填充物的含量、本身特性以及形態(tài)特征都會(huì)對材料的整體性能造成影響，目前最常使用的填充料有炭黑、納米管、石墨烯等。人們通過相關(guān)研究得知，在填充物濃度非常低時(shí)，由于其在材料中無法構(gòu)成載流網(wǎng)絡(luò)，其導(dǎo)電性能極差，但是隨著填充物濃度的提升，整個(gè)材料的導(dǎo)電性能也會(huì)提升;當(dāng)濃度達(dá)到某一臨界值時(shí)，材料的導(dǎo)電性會(huì)呈現(xiàn)快速攀升的狀態(tài)。相比于結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料，復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料更容易制備，所以其在市場上的運(yùn)用更加廣泛。

3 ? ?導(dǎo)電高分子材料的加工工藝

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的導(dǎo)電材料已經(jīng)不能滿足人們的需求，因此，人們對于填充型導(dǎo)電高分子材料的研究非常重視。正常情況下，填充介質(zhì)的形態(tài)、種類和數(shù)量會(huì)直接影響復(fù)合材料的導(dǎo)電能力。在現(xiàn)實(shí)生活中，高分子材料通常被認(rèn)為是最佳的絕緣體，隨著對高分子材料研究的不斷深入，導(dǎo)電性高分子材料也被人們發(fā)現(xiàn)，隨之快速地發(fā)展起來，被人們熟知。

填充型導(dǎo)電高分子材料的加工工藝共分為3個(gè)部分：（1）混合工藝;（2）成型工藝;（3）后加工工藝。

混合工藝的作用主要是最大限度地將高分子材料混合均勻。包括以下幾個(gè)流程：高速攪拌機(jī)混合→冶煉機(jī)混合→開煉機(jī)塑煉或塑化→密煉機(jī)塑煉或塑化→螺桿基礎(chǔ)機(jī)塑煉或塑化。這個(gè)過程使高分子材料能夠攪拌均勻，然后利用螺桿擠出機(jī)將高分子材料制造成粒狀。

成型工藝是利用各種各樣的成型加工方法將高分子材料的熔體制備成一定尺寸的材料。成型加工方法有很多，分別為真空、擠出、注塑、壓延、吹塑、熔融抽絲等。它的主要流程為反應(yīng)注射→模壓→傳遞模塑→層壓→澆注→發(fā)泡等。

后加工工藝主要是對成型之后的填充型導(dǎo)電高分子材料進(jìn)行修飾、后處理等。處理方法有3種，分別為機(jī)械加工、人工修飾、后處理。機(jī)械加工主要有車削、銑削、鉆削、鋸削、沖切等;人工修飾主要有銼削、磨削、拋光、涂飾、印刷等;后處理主要是對填充型導(dǎo)電高分子材料進(jìn)行裝配和表面處理[3]。

4 ? ?填充型導(dǎo)電高分子材料的加工工藝對其導(dǎo)電性能的影響

4.1 ?注塑機(jī)螺旋桿的轉(zhuǎn)速對填充型導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電性能的影響

在填充型導(dǎo)電高分子材料成型過程中，當(dāng)注塑機(jī)中螺旋桿的轉(zhuǎn)速不斷提高時(shí)，填充型導(dǎo)電高分子材料電阻率的變化趨勢是先變小后變大?？梢钥闯?，注塑機(jī)螺旋桿的轉(zhuǎn)速對填充型導(dǎo)電高分子材料的導(dǎo)電性能影響是非常大的。在加工填充型導(dǎo)電高分子材料時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)注塑機(jī)中螺旋桿的轉(zhuǎn)速在50～130 r/min時(shí)，填充型導(dǎo)電高分子材料的電阻率在這一時(shí)間段中呈現(xiàn)整體下降的趨勢;當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到105 r/min時(shí)，填充型導(dǎo)電高分子材料的電阻率比50～130 r/min時(shí)間段的電阻率略高一些;當(dāng)轉(zhuǎn)速大于140 r/min時(shí)，填充型導(dǎo)電高分子材料的電阻率會(huì)大幅度上升，也就是填充型導(dǎo)電高分子材料的導(dǎo)電性能變得越來越差。當(dāng)螺旋桿的轉(zhuǎn)速為140 r/min時(shí)，此時(shí)填充型導(dǎo)電高分子材料的電阻率是最小的，大約為11.46 Ω·mm，即在成型過程中，控制注塑機(jī)螺旋桿的轉(zhuǎn)速在140 r/min，填充型導(dǎo)電高分子材料的導(dǎo)電性能是最好的，因此，注塑機(jī)螺旋桿的轉(zhuǎn)速對填充型導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電性能的影響是非常大的。

4.2 ?注塑壓力對填充型導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電性能的影響

在填充型導(dǎo)電高分子材料成型過程中，注塑壓力對填充型導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電性能的影響也是非常大的。在加工填充型導(dǎo)電高分子材料時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)注塑壓力小于80 MPa時(shí)，填充型導(dǎo)電高分子材料的電阻率會(huì)隨著注塑壓力的逐漸增加而降低。這時(shí)填充型導(dǎo)電高分子材料的導(dǎo)電性能會(huì)慢慢地增強(qiáng);當(dāng)注塑壓力在80 MPa以上時(shí)，隨著注塑壓力的慢慢增加，填充型導(dǎo)電高分子材料的電阻率會(huì)逐漸上升，這時(shí)填充型導(dǎo)電高分子材料的導(dǎo)電性能會(huì)慢慢地變差。事后對這種現(xiàn)象進(jìn)行分析，總結(jié)出兩方面原因：當(dāng)壓力小于80 MPa時(shí)，在增加注塑壓力的時(shí)候，填充型導(dǎo)電高分子材料的纖維長度會(huì)逐漸地減小，分散性變得越來越好，使填充型導(dǎo)電高分子材料的導(dǎo)電性能變好;當(dāng)壓力大于80 MPa時(shí)，在逐漸增加注塑壓力的過程中，填充型導(dǎo)電高分子材料內(nèi)部熔體的流速會(huì)逐漸提高。同時(shí)，內(nèi)部的剪切力會(huì)逐漸變大，使纖維的流動(dòng)方向與熔體的流動(dòng)方向保持一致，這樣不利于填充型導(dǎo)電高分子材料內(nèi)部電網(wǎng)的形成，導(dǎo)致導(dǎo)電性能變差。

4.3 ?保壓壓力對填充型導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電性能的影響

在填充型導(dǎo)電高分子材料成型過程中，保壓壓力對填充型導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電性能的影響也是非常大的。在加工填充型導(dǎo)電高分子材料時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)保壓壓力在64 MPa以下時(shí)，隨著保壓壓力的增加，填充型導(dǎo)電高分子材料的電阻率會(huì)逐漸地變小。當(dāng)保壓壓力大于或等于64 MPa時(shí)，填充型導(dǎo)電高分子材料的電阻率不會(huì)隨著保壓壓力的變化而變化。事后對這種現(xiàn)象進(jìn)行分析，得出的結(jié)果為：在填充型導(dǎo)電高分子材料加工時(shí)，保壓壓力對剛剛成型的材料有著補(bǔ)縮的作用。假如向填充型導(dǎo)電高分子材料中加入同等的石墨粉和鍍鎳碳纖維（NiCF），再逐漸增加保壓壓力，這時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)石墨粉和NiCF的數(shù)量會(huì)增加。在這種情況下，大大增加了填充型導(dǎo)電高分子材料內(nèi)部的纖維與活性物質(zhì)的接觸面積，使導(dǎo)電性能變得越來越好。

5 ? ?導(dǎo)電高分子材料的應(yīng)用

導(dǎo)電高分子材料在具有高分子材料加工性能的同時(shí)，還具備金屬材料的導(dǎo)電性能，在諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

5.1 ?在隱身技術(shù)中的應(yīng)用

電磁波在導(dǎo)體中會(huì)形成感應(yīng)電流而產(chǎn)生熱量，使得電磁波的能量被消耗，但是導(dǎo)電率太高會(huì)增加材料表面對電磁波的反射，不利于對電磁波的吸收。由于導(dǎo)電高分子材料具有可調(diào)控的電導(dǎo)率，合理調(diào)節(jié)導(dǎo)電高分子材料的電導(dǎo)率，對電磁波能夠起到完美的隱身效果。

5.2 ?在電池材料中的應(yīng)用

摻雜的結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子具有良好的導(dǎo)電性能，并且具有可逆的電化學(xué)氧化還原特性，用導(dǎo)電高分子材料制備的電池具有易加工成膜、可彎曲、能量高等特點(diǎn)，導(dǎo)電高分子在耐久性和穩(wěn)定性的問題解決之后，將會(huì)成為制作新型電池的完美材料。

5.3 ?在傳感器方面的應(yīng)用

導(dǎo)電高分子的導(dǎo)電率隨著質(zhì)量濃度、外界溫度、氣體環(huán)境等因素的改變而顯著變化，利用導(dǎo)電高分子制備的電化學(xué)傳感器、離子質(zhì)量濃度傳感器、溫度傳感器已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，并且由于高分子材料與人體的親和性，導(dǎo)電高分子作為生物醫(yī)學(xué)傳感器正在深入的研究當(dāng)中。

6 ? ?結(jié)語

有機(jī)導(dǎo)電高分子材料具有抗性好、耐性高以及導(dǎo)電率變化范圍廣等特征，因此，其在未來的生產(chǎn)中具有非常廣泛的應(yīng)用前景。填充型導(dǎo)電高分子材料的加工工藝比較復(fù)雜，它對材料的導(dǎo)電性能影響比較大。經(jīng)過上文分析可得，注塑機(jī)中螺旋桿的轉(zhuǎn)速在不同的區(qū)間對填充型導(dǎo)電高分子材料的導(dǎo)電性能影響不同;注塑壓力以80 MPa為臨界值，小于80 MPa時(shí)，導(dǎo)電性能好;大于80 MPa時(shí)，導(dǎo)電性能差;保壓壓力為64 MPa時(shí)，導(dǎo)電性能最好。因此，深入研究導(dǎo)電高分子材料加工工藝及性能的意義重大。

[參考文獻(xiàn)]

[1]沈 ? 偉，趙博文.鈷基自修復(fù)聚酰胺導(dǎo)電高分子材料的制備與性能[J].工程塑料應(yīng)用，2017，45（11）：1-6.

[2]鹿 ? 暢.導(dǎo)電高分子材料的研究進(jìn)展[J].當(dāng)代化工研究，2018，36（12）：167-168.

[3]馬德碩，黃傳峰，代 ?月，等.碳系復(fù)合導(dǎo)電高分子材料研究進(jìn)展[J].山東化工，2019，48（6）：57-58.