导电高聚物的应用及发展趋势

2015-03-19刘俊娟,魏增江

物理通报 2015年8期

关键词：高聚物高分子导电

导电高聚物的应用及发展趋势*

刘俊娟

(河北师范大学附属民族学院河北石家庄050091)

魏增江

(石家庄理工职业学院河北石家庄050091)

*河北省高等学校科学技术研究指导项目“侧基取代有机共轭聚合物中极化子动力学的研究”，项目编号：Z2014034；河北师范大学科学研究基金项目“侧基取代有机共轭聚合物中极化子动力学的研究”，项目编号：L2012Q18

摘要：介绍了导电高聚物材料的特点、分类及其应用领域,并对导电高聚物的发展前景进行了展望.

关键词：导电高聚物复合型结构型

收稿日期：(2015-03-19)

作者简介：刘俊娟(1982-)，女，硕士，讲师，主要研究物理课程与教学论和从事高聚物的研究.

通讯作者：魏增江(1981-)，男，硕士，讲师，主要研究物理课程与教学论和从事高聚物的研究.

1导电高聚物材料的特征

自1977年，百川英树与A.MacDiarmid和A.Heeger合作，通过掺杂使聚乙炔的电导率提高了12个数量级，达到了103(Ω·cm)-1，变成了良导体，从而出现了导电聚合物.所谓导电聚合物(导电高分子)是由具有共轭π-键的高分子经化学或电化学“掺杂”使其由绝缘体转变为导体的一类高分子材料[1].导电高分子除了具有高分子的结构特征外，还由“掺杂”而引入的一价对阴离子(p-型掺杂)或对阳离子(n-型掺杂)构成.所以，通常导电高分子是由高分子链结构和与链非键合的一价阴离子或阳离子共同组成[2].因此，导电高分子不仅具有由于掺杂而带来的金属高电导率和半导体的特性，还具有高分子的可分子设计结构多样化、可塑性和耐腐蚀的特点，称为一类新的有机导体.

2导电高聚物材料的分类

按照材料的结构与组成, 可将导电高聚物材料分为两大类:一类是复合型导电高聚物材料, 另一类是结构型(或本征型)导电高聚物材料.

2.1复合型导电高聚物材料

复合型导电高分子材料是将各种导电性物质以不同的方式和加工工艺填充到聚合物基体中而构成的材料.复合型导电高分子所采用的复合方法主要有两种[3,4]:一种是将亲水性聚合物或结构型导电高分子与基体高分子进行共混, 另一种则是将各种导电填料填充到基体高分子中,如填充各类金属粉末、金属化玻璃纤维、碳纤维、铝纤维及镍、铬、镁等金属纤维.复合型导电高分子材料具有以下特点：(1)省力、经济，成型制品和屏蔽化一次完成；(2)无需二次加工, 无需特殊设备；(3)屏蔽性能长期稳定、安全可靠.

2.2结构型导电高聚物材料

结构型导电高分子是带有共轭双键的结晶性高聚物，是指高分子材料本身或经过掺杂后具有导电功能的聚合物.这种高分子材料本身具有“固有”的导电性，由其结构提供导电载流子, 一旦经掺杂后, 电导率可大幅度提高, 甚至可达到金属的导电水平.结构型导电高分子材料又被分为离子型和电子型两类.它们的载流子分别为离子和电子(或空穴)，这类导电聚合物具有低密度、易加工成型、易导电性能等优点.最早发现的结构型导电高聚物是掺杂聚乙炔,在随后的研究中科研工作者又相继开发了聚吡咯、聚对苯撑、聚噻吩、聚对苯撑乙烯撑、聚苯胺等导电高分子[5].

3导电高聚物材料的特性及应用

导电高聚物材料的优良特性，使其在很多方面都有广泛的应用.

3.1电导体

通用高分子材料与各种导电性物质, 如金属粉、炭黑等通过填充复合、表面复合等方式可以制成导电塑料、导电橡胶、导电纤维织物等[6].经过复合得到的导电硅橡胶与金属导体相比具有:优良的加工性能；柔软,耐腐蚀,低密度,高弹性；电导率可选择的范围宽等优点.例如导电胶粘剂在印刷线路板、键盘开关、混合式集成电路、小片粘合等电气、电子有关的产业部门已广泛应用.

3.2电磁屏蔽材料

导电高分子室温电导率可在绝缘体-半导体-金属态范围内变化，具有高电导的导电高分子可用于电磁屏蔽、防静电、分子导线等技术上.例如，质量轻、耐腐蚀的导电塑料代替金属作为电子产品的外壳可以有效的起到电磁屏蔽作用[7],电磁屏蔽主要用来防止高频电磁场的影响，从而有效地控制电磁波从某一区域向另一区域进行辐射传播.其基本原理是采用低电阻值的导体材料,利用电磁波在屏蔽导体表面的反射,在导体内部的吸收及传输过程的损耗而产生屏蔽作用.

3.3隐身材料

导电高分子不仅可以掺杂，而且还可以脱掺杂，并且掺杂-脱掺杂的过程完全可逆.利用掺杂态导电高分子的导电性和半导体性，反射或吸收电磁波的特性，可用于隐身材料的应用.例如用导电聚吡咯纤维编制成迷彩盖布，可以干扰敌方的电子侦察.利用导电高分子在掺杂前后导电能力的巨大变化，实现防护层从反射电磁波到透过电磁波的切换，从而实现智能隐身的功能[8].

3.4传感器

实验发现导电高分子与大气某些介质作用时其室温电导率会发生明显的变化，若除去这些介质又会自动恢复到原状.这种变化主要利用高聚物掺杂/脱掺杂的可逆过程，利用这一特性可实现高选择性、灵敏度高和重复性好的气体或生物传感器.如,通过研究各种气体与聚苯胺膜或聚吡咯膜的作用引起的电导率变化规律, 可将聚苯胺膜用于化学传感器[9].

3.5显示材料

电解合成的导电高分子材料在电化学掺杂时会伴随着颜色的变化，利用这一特性可以将其用作变色器材.这一类导电高分子能够进行电化学脱掺杂和再掺杂，并且发生还原可逆的电化学反应，通过电化学掺杂可以使导电高分子材料变为绝缘体，氧化掺杂可以使其变为导体，并且材料的导电性会随着掺杂与脱掺杂的程度不同而发生相应变化，而其光学性质也会随其发生相应的变化[10]，根据这个特性，可以将其作为显色材料.

3.6电池

导电高分子具有可逆的电化学氧化还原特性, 而且还有相对密度小、室温电导率大和比表面积较大等特点，所以它可以作为电池极好的电极材料.比如聚毗咯有较高的掺杂程度和较强的稳定性，并且对电信息的变化也十分敏感.用导电高分子材料做成的二次电池具有易生产加工成膜、可绕曲、小型轻便、能量高等特点.例如用间苯二酚糠醛生成的水凝胶和有关聚合物制备具有高能量密度的双层电容器或用CO2作电极的电池[11]等.

4导电高聚物材料的发展趋势

随着生产和科技的发展，人们对高聚物材料的性能提出了各种各样新的要求.总的来说，今后高分子材料总的发展趋势是高性能化、高功能化、复合化、智能化和绿色化.

4.1高功能化

功能高分子材料是材料领域最具活力的新领域，目前功能高分子材料分为两类: 一类是在原来高分子材料的基础上，使其成为更高性能和功能的高分子材料，另一类是具有新型功能的高分子，例如，化学功能高分子材料、光功能高分子材料、电功能高分子材料、高分子液晶等[12]，如可以像金属一样导热导电的高聚物，能吸收自重几千倍的高吸水性树脂，可以作为人造器官的医用高分子材料等.鉴于以上发展，高分子吸水性材料、光致抗蚀性材料、高分子分离膜、高分子催化剂等都是功能高分子的研究方向.

4.2高性能化和复合化

复合化是达到材料高性能化与高功能化的必要途径之一.高性能的结构复合材料是新材料革命的一个重要方向，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、高模量的纤维增强材料的研究与开发；(2)合成具有高强度，优良成型加工性能和优良耐热性的基体树脂；(3)界面性能、粘结性能的提高及评价技术的改进等方面.

4.3智能化和绿色化

高分子材料的智能化是一项具有挑战性的重大课题.智能材料是使材料本身带有生物所具有的高级智能，例如预知预告性，自我诊断、自我识别能力，刺激响应和环境应答能力等特性，根据人体的状态，控制和调节药剂释放的微胶囊材料等.由功能材料到智能材料是材料科学的又一次飞跃.同时，任何材料的使用给人类带来的污染是不能忽视的，因此要求高分子材料生产的绿色化，选用无毒无害的原料，利用可再生资源合成高分子材料，高分子材料的再循环利用等.

另外，导电高聚物也面临着纳米化和实用化的挑战，若这些挑战所带来的发展机遇与导电高聚物相结合，坚信这将成为21世纪材料科学的研究前沿.

参考文献

1万梅香. 导电高分子．高分子通报，1999，9(3)：47

2(日)雀部博之. 导电高分子材料. 曹镛，叶成，朱道本译.北京: 科学出版社, 1989. 205

3张福强, 王立新.永久性抗静电剂.塑料科技, 1996(1):5

4王克智.共混高聚物——炭黑复合材料的导电特性.塑料科技,1996(4):42

5蓝立文.功能高分子材料.西安:西北工业大学出版社, 1995.124

6江东亮.新材料.上海:上海科学技术出版社, 1994 .224

7郦华兴,王松林，彭力贤，等.金属填充导电高分子材料研究.中国塑料, 1999 , 13(1):18

8宫兆合，梁国正，任鹏刚，等.导电高分子材料在隐身技术中的应用.高分子材料科学与工程，2004，20(5):31

9谢丹．聚苯胺基LB膜的制备及气敏特性的研究.高分子学报,2001(2)：224～227

10袁玫．导电高分子材料的发展现状及未来发展趋势．民营科技,2014(3)：5