导电高分子材料研究进展

2021-03-31孙建丽

电气传动自动化 2021年2期

孙建丽

（成都航空职业技术学院，四川成都 610100）

1 导电高分子材料的分类和应用

1.1 导电高分子材料概述

高分子导电材料是一类具有导电功能的高分子聚合材料，具有密度小、易加工、耐腐蚀和可大面积成膜等特点，可以作为多种金属材料和无机导电材料的代替品。不仅如此，高分子导电材料因其拥有这些特点而已经成为许多先进工业部门和尖端技术领域中不能代替、不可或缺的一种材料。事实上，高分子作为一种优良的电绝缘体，直到1977年，白川英树［1］等人才发现用五氟化砷掺杂着聚乙炔具有导电的作用，这才相继开发出了PPS等化合物和聚苯胺等能导电的高分子材料。

1.2 导电高分子材料的分类

高分子导电材料主要分为复合型和结构型，复合型的高分子导电材料是由通用的高分子材料与各种导电性物质通过填充复合、表面复合或者层积复合等方法研制而成的。而结构性的高分子导电材料，是指高分子结构本身或者经过掺杂之后具有了导电功能的高分子材料，这类材料根据电导率的大小又可以分为高分子半导体、高分子金属和高分子超导体，根据导电机理又可以分成电子导电高分子材料和离子导电高分子材料。复合型的高分子导电材料主要品种有导电塑料、导电橡胶、导电纤维物、导电涂料和透明导电薄膜等，这些材料的性能与导电填料的种类、数量、用量的分散情况都有很大的关系。而结构性导电高分子材料的结构特点则是具有线性或面型大共轭体系。在光或者热的作用下通过共轭π电子的活化进行导电，导电率一般在半导体的范围之内。适当的采用掺杂技术可以使这类材料的导电性得到大幅度的提升，比如经过掺杂的聚氮化硫在超低温下可以转变为高分子超导体，但是这样的高分子导电材料也存在一定的问题，比如稳定性比较差，特别是掺杂后的材料在空气中的氧化稳定性就很差，除此之外，这类的高分子导电材料在加工成型性和机械性方面尚存在一些问题，尚未进入实用阶段。

1.3 导电高分子材料的应用

在很长的一段时间内，高分子材料都被用在电绝缘材料，但随着科技的不断进步和需求的不断增加，加上不同应用的需求以及为了进一步拓宽高分子材料的应用范围，人们才逐渐将一些高分子材料赋予了一定程度的导电性。对于高分子导电材料的研究一直受到人们的广泛关注，而且经过多年的努力，导电高分子材料的应用已经得到了大大的扩展。由于电解合成的导电聚合物材料有一种特殊的性质，在电化学掺杂的过程中可以发生颜色上的变化，因此可以把它作为变色装置，而且这种聚合物的电化学反应是可逆的，这就是说明通过电化学掺杂和再次掺杂就可以变成绝缘体，在氧化掺杂之后还可以用来作为导体，但是需要注意的是根据去掺杂和再次掺杂的程度的不同，材料导电的性能也会有所不同。因此只要控制掺杂的量，就可以控制作用电量的不同而实现在导体、半导体和绝缘体之间的改变。不同类型材料电导率的变化对应着不同的化学性质，根据这个原理就可以制作出显示材料。除此之外，具有可逆的电化学反应和还原特性也是导电高分子材料所具有的一个重要的特征，再加之其密度相比于其他导电材料来说要小得多，所以在室温下具有导电率大和表面积大的特性，可以用来制作电池。如果解决了有机物质的耐久性和高压下的有机溶剂的稳定性，就可以实现导电聚合物材料而使电池二次商业化。

2 导电高分子材料的制备方法

电子导电聚合物是由大共轭结构组成的，因此导电聚合物的研究就是围绕着如何建成共轭结构而展开和进行的。从制备方法上进行分类，大致可以分为化学聚合和电化学聚合，其中化学聚合还可以分为间接法和直接法，直接法指的是直接以单体为原料，一步就制备成共轭结构，间接法则是指在得到聚合物之后还需要一个步骤或者多个步骤进行转化，最后在聚合链上形成共轭结构。其中，双键的构成和制备在化学上有很多方法可以使用，比如通过炔烃的加氢反应和一些比较简单的反应都可以用于形成双键。采用直接聚合法虽然方法比较简单，但是在反应的过程中由于形成的聚合物溶解度较差，且在反应的过程中大多以沉淀的方式退出了聚合反应，因此很难得到高分子量的聚合物，除此之外，其产物的加工也是一个很重要的问题。间接合成法首先是合成溶解和加工性能比较好的共轭聚合物前体，然后利用消除反应获得共轭结构。利用间接法，消除反应可以在加热的情况下自主进行，这样虽然比较简单，但制作出来的聚合物导电能力不强，导电率也不高，这是因为在脱氯化氢的过程中有交联反应发生，导致在产生共轭结构共轭链时出现缺陷，使得共轭链缩短。如果想要采用这样的方法，就要用聚丁二烯作为原料，并通过氯化和脱氯化氢的反应来制备乙炔型导电聚合物。

3 导电高分子材料的研究进展和展望

3.1 导电高分子材料的研究进展

结构型导电高分子材料是带有共轭双键的结晶性高聚合物，其导电机理主要是通过聚合物分子中的电子结构中带有共轭双键，在引入导电性基团或者掺杂一些其他物质通过电荷变换形成导电性，自从1977年人们发现聚乙炔有导电的性质之后，在世界范围之内就掀起了一股研究和开发导电聚合物的热潮。虽然聚乙炔是最早发现的导电高分子，而且具有最接近铜的电导率，但是它对环境的稳定性太差的问题一直没与得到有效解决。

导电高分子复合材料的研究方法主要有组分改造，即改变基体结构和导电功能体种类；另一个方法是机构改造，即改变板状、叠层或者发泡；第三种方法是导电功能体形状改造，它的应用研究包括根据实际条件和要求解决各种实际问题的基础理论研究。导电高分子复合材料的研究内容主要有：复合材料导电机理的理论研究、特殊效应机理的理论研究、用不同的方法进行新材料的试验研究、材料相关性能和使用性能的实验研究等。导电高分子聚合材料导电机理除了试验之外还包括理论研究，理论研究又包括导电通路的形成研究和形成之后导电通路的导电机理研究两个部分。导电通路的形成研究主要是研究加入聚合物基体后其导电功能在特定的加工工艺下是如何达到电接触的，在电接触之后又是如何自发地形成一条导电通路的，这是一个宏观自组织的过程。而后者则主要研究导电通路形成后载流子迁移的微观过程。显然，无论是研究宏观过程还是微观过程，它们都会受到复合体系的热力学或者动力学等多种因素的制约。因此，导电高分子复合材料的理论研究是一项多样且复杂的工作，一方面它呈现出多样性和复杂性，另一方面，它与实验结果之间存在着不同程度的差异，许多理论结果有可能并不符合普适性。

3.2 高分子导电材料的应用前景和展望

经过科学家们多年的不断研究，导电聚合物在新能源材料方面的应用已经得到了很大的发展，但是离大规模应用还有一定的距离。从高分子导电材料的吸波特征来看，它具有很好的应用前景，比如在军事方面的应用价值。自导电聚合物出现开始，导电聚合物就被用作为最新型的有机聚合物雷达波吸收材料而成为导电聚合物领域研究的热点和导电聚合物实用化的突破点，并参与进了隐身技术之中。

通过对高分子导电材料的优势和劣势以及其应用方法等进行研究，我们发现高分子导电材料在今后的发展中具有极大的潜能，它能解决其他导电高聚物的不稳定和不易加工等问题。如果高分子导电聚合物的期望成为现实，传统的科技电子行业将会掀起一股新的技术浪潮，这将会极大地推动国家科技实力的发展。