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高分子材料——导电聚合物简介

高分子材料——导电聚合物简介
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摘要:导电混合物的性能、应用以及面临的挑战。共轭导电聚合物和芳香族金属导电聚合物的简介

关键词:高分子材料导电聚合物共轭导电聚合物芳香族金属导电聚合物

1 导电聚合物

1.1前言

导电高分子又称导电聚合物(conducting polymer),是指通过掺杂等手段,使其电导率在半导体和导体范围内的聚合物。这类聚合物通常指本征导电聚合物(intrinsic condcuting polymer),在它们的主链上含有交替的单键和双键,从而形成了大的共轭π体系,π电子的流动产生了导电的可能性。

导电聚合物导电需要两个条件。第一个条件是它必须具有共轭的π电子体系,第二个条件是它必须经过化学或电化学掺杂,即通过氧化还原过程使聚合物链得或失电子。

自由电子是金属的载流子,而电子或空穴是半导体的载流子。导电高聚物的载流子是什么呢?黑格等首先提出孤子(soliton)模型,来解释聚乙炔的电导及其他物理性质。但聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺等具有导电性质的聚合物有非简并基态,不能形成孤子,只能形成极化

子(polaron)和双极化子 (bipolaron)。尽管孤子、极化子和双极化子来自不同的简并态,但它们的物理本质都是能隙间的定域态,因此可以认为它们是导电聚合物的载流子。

导电聚合物材料可以分为共轭型和复合型两大类。共轭型导电聚合物是指聚合物本身具有导电性或经掺杂处理后才具有导电功能的聚合物材料。复合型导电聚合物,即导电聚合物复合材料,是指以通用聚合物为基体,通过加入各种导电性物质,采用物理化学方法复合后而得到的既具有一定导电功能又具有良好力学性能的多相复合材料,其导电作用主要通过其中的导电材料完成。而共轭导电聚合物是依靠分子本身产生的导电载流子导电。

本文主要涉及共轭导电聚合物和芳香族金属导电聚合物。

1.2 导电聚合物的应用

导电聚合物得研究始于30多年前。2000年诺贝尔化学奖颁给了导电聚合物的三位发明者:美国物理学家黑格(A.J.Heeger)、美国化学家麦克迪尔米德(A.G.MacDiarmid)和日本化学家白川英树(H.Shirakawa)。

在传统观念中,有机高分子聚合物塑料是绝缘体,不导电。但上述三位科学家成功地制造出了一种"导电聚合物",其导电性能达到了103s/cm,约为铜的一半.自此有机聚合物不能作为电解质这一观念被彻底改变1。据有无导电性,材料可以分为:绝缘体、半导体、导体和超导体。导电聚合物实现了从绝缘体到半导体、再到导体的变化。

是所有物质中能够完成这种形态变化跨度最大的,正是这些特性使导电聚合物具有了许多优异的应用性能。

导电聚合物在工业生产和常生活等领域都有很大的应用价值。发光二极管现在已经可以与无机发光材料相提并论,并且已经实现商业化,这将使导电聚合物大规模使用成为可能。导电聚合物具有防静电的特性,可以用于电磁屏蔽。与传统的电磁屏蔽材料铜相比,导电聚合物几乎具有同样的性能,但是它成本更低,而且不会消耗资源,可以广泛使用。因此它是一种非常理想的电磁屏蔽材料替代品。

导电聚合物具有掺杂和脱掺杂特性,可以做可充放电的电池、电极材料;它对电信号非常敏感,可以做传感器;它能够吸收微波,可以做隐形飞机的涂料;它能够防腐蚀,可以用在火箭、船舶、石油管道以及污水管道中;利用导电聚合物可以由绝缘体变为半导体再变为导体的特性,可以使巡航导弹在飞行过程隐形;与纳米技术相结合,导电聚合物可以制成分子导电材料,制作分子器件和其他电子元件。最新研究发现,DNA具有导电性。因此导电聚合物可以与生命科学相结合,用来制造人造肌肉和人造神经,以促进DNA生长和修饰DNA。这将是导电聚合物在应用上的又一重大突破。

导电聚合物星光璀璨,不仅是因为它具有良好的电性能,而且它还具有不寻常的光学特性。导电高聚物具有好的非线性光学性能,它的非线性光学系数大, 响应速度快。由于非线性光学材料具有波长变换、增大振幅和开关记忆等许多功能,因此作为21世纪信息处理和前所未有的光计算基本元件而特别令人关注。另外,导电聚合物还是光

折变和光限幅材料。

1990年剑桥大学推出聚合物电致发光器件,自此以后,导电聚合物在材料科学和信息技术领域引起了全世界的竞争——有机高分子全色平面显示材料与器件。它所具有的自发光、高亮度、高效率、低压直流驱动、低成本、无视角依赖、快响应速度、薄、轻、柔性好、大面积和全色显示等优点,使现代显示技术前景诱人。因此导电聚合物吸引了越来越多的关注。很多国家和地区都展开了对它的深入研究。

1.3导电聚合物面临的挑战

尽管导电聚合物有着美好的未来,但目前的研究还面临着一些挑战和困难。主要表现如下:

在基础研究方面,理论还不完善,基本上沿用的还是无机半导体理论,所以还未完全达到金属态,要从分子设计的角度重现合成金属的途径;

在分子水平上的自组装和自构筑器件还处于摸索阶段;目前最前沿的导电聚合物生命科学中的研究还有很多的问题,诸如人的皮肤、肌肉、视觉、嗅觉等感知与电信号的关系都还需要更深入的探索;

在应用研究方面,稳定性和加工性有待进一步加强;虽然其导电系数目前已经与铜很接近,但其综合电学性能和铜还有一定的差距。

在现实应用上,导电聚合物还需要很多的突破,真正的实用化还未取得质的进步。这些问题都需要在规模化应用之前解决。

总之,导电聚合物打破了普通塑料的常规,已进入市场应用或某些用途正处于试验阶段,但我们有理由憧憬,它将为人类提供新一代的电子产品,如能折叠的电视机屏幕和能穿在身上的计算机等。尽管目前导电聚合物的研究面临一些难题,但是2000年这一工作获得诺贝尔奖,必将大大激励该领域的科学家更加努力地工作,使这一国际前沿研究领域成为21世纪科学的先驱,让导电聚合物为人类造福!

2共轭导电聚合物的特性

导电聚合物又可以按其结构特征和导电机理可分为以下 3 类:载流子为自由电子的电子导电聚合物,载流子为能在聚合物分子间迁移的正负离子的离子导电聚合物,以氧化-还原反应为电子转移机理的氧化-还原型聚合物。电子导电型聚合物的共同特征是分子内有大的π-电子共轭体系,给载流子自由电子提供离域迁移的条件,其便称为共轭导电聚合物。

由于π-电子共轭体系的成键和反键能带之间的间隙较小为1.5~3eV,和无机半导体中导带-价带能差相近。因此该类聚合物大多具有半导体的特性,电导率在 (10-12~10-4) S/cm。根据 Peierls 过渡理论(Peierls Transition)1,减少能带分裂造成的能级差是提高共轭型导电高聚物电导率的主要途径。由于共轭高聚物易于被氧化和还原,可利用“掺杂”的方法来可减小能级差,提高其电导率,此过程即为压制 Peierls 过程(分为p-型和N-型)。P-型掺杂对应于氧化过程,其掺杂剂在掺杂反应中为电子的接受体;N-型掺杂对应于

还原过程,其掺杂剂为电子给予体。通过掺杂可使共轭高聚物的电导率提高很多,接近金属电导率。日本已有一些公司研究出的导电聚乙炔的电导率达到5.8×105 S/cm,这一数值与金属铜的导电性相差无几。

由于共轭导电聚合物同时具有聚合物、无机半导体和金属导体的特性,因而其潜在的商业价值巨大。

2.1 共轭导电聚合物的特性

2.1.1导电性

共轭导电聚合物有一共同结构特征,即分子内都有一个长的线性共轭π电子主链,给自由电子提供了离域迁移的条件。其导电性取决于禁带宽度Eg,Eg 随共轭体系的长度(聚合度n)的增加而减少。室温下热激发产生载流子应当满足条件:Eg≤KT=0.025eV,这需要很大的聚合度n,所以一般π共轭导电聚合物的电导很小,电导率在10-12~10-4S/cm。

研究表明,掺杂是增强导电聚合物导电能力的有效途径, 可以通过在π共轭聚合物中掺杂(doping) 增加其电导。共轭聚合物容易被氧化或还原,伴随氧化还原反应,离子嵌入聚合物以中和主链上的电荷,这一过程称为掺杂。

另外共轭导电聚合物的电导率还受外加电场、合成方法、合成条件和温度等因素的影响。

2.1.2光电导性质

光电导是指物质受光激发后产生电子和空穴载流子,其在外电场的作用下能够移动,从而在外电路中有电流通过的现象。当物质的共轭性较好时,它的光电导性就大,共轭导电聚合物就有很好的光电导性。

2.1.3体积的电位响应

在聚合物中掺杂的离子,常在分子链之间规则的排列,一般进入的先形成柱状阵列,随着掺杂浓度的提高,后掺杂离子可能进入先前阵列中,或形成新的阵列,从而导致大分子链相互分离。

图 1 碘掺杂聚乙炔模式图

Fig.1 Illustration of iodine doped polyacetylene 在电场作用下,共轭导电聚合物的掺杂过程实际上是一个氧化-还原过程。当其处于不同的氧化态时,其体积有显著的不同,即产生体积响应。常利用这一特性来制造人工肌肉。

2.1.4电致发光

研究表明,共轭导电聚合物的能带结构与无机半导体相似。当入

射光能量大于导带与价带之间的能量差(即禁带宽度)时,共轭导电聚合物价带中的电子可以吸收光能而被激发进入导带,从而在导带中形成自由电子,在价带中产生空穴。处于导带中的激发态电子不稳定,会自发向基态跃迁,与价带中的空穴复合,将所吸收的光能重新释放出来,从而产生电致发光。

由于电致发光是电子和空穴结合而发光的过程,如果在直流正向电压的作用下,分别从正极注入空穴和从负极注入电子致发光层中(半导体的价带和导带中),则由于库仑引力而形成激子,激子可以经复合发光,即为电致发光。英国剑桥大学 Cavendish 实验室的 J H Burroughes 等人在1990 年用聚对苯乙炔制备的聚合物薄膜电致发光器件,得到了直流偏压驱动小于 14 V 的蓝绿光输出,其量子效率为 0.05%。现在该领域的发展迅速,发光范围已覆盖了整个可见光区,其制备的发光器件的各项性能已经离商业化不远。

2.2共轭导电聚合物的应用

共轭导电聚合物是导电聚合物的一种,它具有导电聚合物的一般用途,也自己的特殊性。共轭导电聚合物的用途有:制作导电材料,用于制造新的太阳能电池、二次电池、人造肌肉和电致发光元件等。

2.3总结

经过几十年的探索研究,对于共轭导电聚合物的材料合成、性能结构研究和实际应用方面均取得了许多突破。由于共轭导电聚合物

具有一系列独特的光电特性和电化学性能,而这些独特的性能对于新型功能材料的开发和器件的研制有很重大的意义。可以预测,高分子材料学科的发展方向将主要为以下几方面:

(1) 制备具有更高导电性能和更高稳定性能的导电聚合物材料,尤其是制备不经掺杂而直接合成具有金属电导率、低能隙的导电高分子材料;

(2) 改善和提高其可溶性和加工性,并促进其在技术上的应用;

(3) 通过物理或化学的方法使导电高分子或复合物赋予多功能,开发出具有无机材料不可替代性能的新型功能材料和电子器件。

3芳香族金属导电聚合物

金属导电聚合物又称有机导体,是一类具有导电性的有机电荷转移复合物。这类复合物由电子给体与电子受体组成。典型的例子有TTF-TCNQ,TTF-TNAF复合物。根据电荷转移程度可分为分子晶体和电荷转移晶体。在电荷转移晶体中,视离子化程度又有离子晶体和混合价晶体之分。前者为离子电导,后者为电子电导。有机金属的电导具有:(1)强烈的各向异性,沿着π电子云相互交叠的分子堆砌方向电导最高,而垂直于该方向的电导较差;(2)金属态的失稳性,晶体生长方向的电导率随温度降低而升高,在一定低温域出现电导降,然后向半导态和绝缘态转化,这种金属态的不稳定性在有机金属中普遍存在。

芳香族金属导电聚合物是在导电聚合物主链上引入芳环,这便可

以使导电高聚物刚性增大,整体结构更加稳定、牢固,玻璃化温度和热稳定性也随之提高,显示出优良的耐热性和更多的功能性能。

下面介绍一些典型的芳香族电子导电聚合物。

聚对苯炔(PPV)是第一个被用作发光层的导电聚合物,它不仅本身具有优良的荧光、电致发光及三阶非线性光电性能,而且经强氧化剂掺杂后是重要的导电材料2,它是目前性能最好的高分子电致发光材料,其中可溶性的PPV衍生物有望在电显示领域得到广泛应用。Burmughe~等3首先报道了PPV具有电致发光性能,此后电致发光聚合物的相关研究成为最具有活力的研究领域。PPV聚合物的合成方法有Monni4前聚物法、Wesseling5 前聚物法及去卤缩合聚合法6。Burmughes等合成的聚对二乙炔苯聚合物为不溶和不熔物,这阻碍了其作为荧光或非线性光学材料的进一步研究。研究表明,通过引入取代基或共聚的方法,可以改变其溶解性,从而增大导电性及荧光性7,8。

聚苯胺(PAn)具有良好的热稳定性和化学稳定性,已经成为当前研究得最多的导电聚合物之一。PAn适用于有机电解质溶液和水性电解质溶液,具有较高的库仑效率和稳定性,可作为阳极或阴极材料。PAn还是显色性较好的电显示材料。

研究发现,除了PPV及其衍生物和PAn及其衍生物之外,聚萘、聚萘胺、聚噻吩及其衍生物、聚芴、聚吡咯、聚呋喃等共轭聚合物也具有导电性能,但由于合成它们的稠环化台物来源困难、反应活性位置多、产物不易控制容易发生副反应等诸多原因,使得对稠环芳香族

导电聚合物的研究甚少。

综上可知,主链型芳香族导电聚合物由于具有热稳定性高、化学稳定性好、质地轻且牢固以及良好的加工成型性等优点,正受到人们越来越多的关注,显示出了巨大的发展潜力。用不同导电性能的聚合物在微型电极表面进行多层复合,是制作有机分子二极管、三极管、以及简单的逻辑电路的一种新思路,将成为分子电子材料研究的一个重要方向。较之苯,多环芳香族化合物中共轭体系更大,电子离域性也更强。因此,多环芳烃更适合于作制各电子导电聚合物的单体。然而由于多环芳香族化合物的产物中,物性接近的异构体众多,使彼此分离十分困难,目的产物的选择性降低。因此,多环芳香族导电聚合物的研究显得很薄弱。另外,导电聚合物的合成还存在着选择性差、收率低、反应条件苛刻、催化剂后处理困难以及聚合物不溶和不熔的问题。解决这些问题的关键在于利用多环芳香族化合物因部位不同而反应活性不同,选用高活性催化剂或光照等温和条件,控制反应在特定部位上进行定向转化。选择合适的取代基和共聚物有望解决导电聚合物不溶和不熔的问题。

4参考文献

1 Shurakawn H,Mecdiarmid A G,Heeger AF. J Chem Common,1977,578-584

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8 Holmes A B,Bradlay D C,Brow A R,etal.Syn Med,1993.57:4031—4042

导电高分子材料的应用、研究状况及发展趋势(精)

导电高分子材料的应用、研究状况及发展趋势 熊伟 武汉纺织大学化工学院 摘要:与传统导电材料相比较 , 导电高分子材料具有许多独特的性能。导电高聚物可用作雷达吸波材料、电磁屏蔽材料、抗静电材料等。介绍了导电高分子材料的结构、种类及导电机理、合成方法、导电高分子材料的应用、研究现状及发展趋势。 关键字:导电高分子分类制备现状 Abstract : Compared with conventional conductive materials, conductive polymer material has many unique properties. Conducting polymers can be us ed as radar absorbing materials, electromagnetic shielding materials, antistatic materials. Describes the structure of conductive polymer materials, types and conducting mechanism, synthesis methods, the application of conductive poly mer materials, research status and development trend. Keywords : conductive polymer categories preparation status 1 导电高分子的结构、种类 按照材料结构和制备方法的不同可将导电高分子材料分为两大类 :一类是结构型 (或本征型导电高分子材料,另一类是复合型导电高分子材料 [3]。 结构型导电高分子材料是指高分子本身或少量掺杂后具有导电性质的高分子材料。 根据加入基体聚合物中导电成分的不同 , 复合型导电高分子材料可分为两类 :填充复合型导电高分子材料和共混复合型导电高分子材料 [5]。

导电高分子

1. 概述 1.1 导电高分子的基本概念 物质按电学性能分类可分为绝缘体、半导体、导体和超导体四类。高分子材料通常属于绝缘体的范畴。但1977年美国科学家黑格(A.J.Heeger)、麦克迪尔米德和日本科学家 白川英树(H.Shirakawa)发现掺杂聚乙炔具有金属导电特性以来,有机高分子不能作为导电材料的概念被彻底改变。 导电性聚乙炔的出现不仅打破了高分子仅为绝缘体的传统观念,而且为低维固体电子学和分子电子学的建立打下基础,而具有重要的科学意义。上述三位科学家因此分享2000年诺贝尔化学奖。所谓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。它完全不同于由金属或碳粉末与高分子共混而制成的导电塑料。 通常导电高分子的结构特征是由有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。即在导电高分子结构中,除了具有高分子链外,还含有由“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)。导电高分子不仅具有由于掺杂而带来的金属特性(高电导率)和半导体(p和n型)特性之外,还具有高分子结构的可分子设计性,可加工性和密度小等特点。为此,从广义的角度来看,导电高分子可归为功能高分子的范畴。 导电高分子具有特殊的结构和优异的物理化学性能使它在能源、光电子器件、信息、传感器、分子导线和分子器件、电磁屏蔽、金属防腐和隐身技术方面有着广泛、诱人的应用前景。导电高分子自发现之日起就成为材料科学的研究热点。经过近三十年的研究,导电高分子无论在分子设计和材料合成、掺杂方法和掺杂机理、导电机理、加工性能、物理性能以及应用技术探索都已取得重要的研究进展,并且正在向实用化的方向迈进。本章主要介绍导电高分子的结构特征和基本的物理、化学特性,并评述导电高分子的重要的研究进展。 迄今为止,国内外对结构型导电高分子研究得较为深入的品种有聚乙炔、聚对苯硫醚、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩以及TCNQ传荷络合聚合物等。其中以掺杂型聚乙炔具有最高的导电性,其电导率可达5×103~104Ω-1·cm-1(金属铜的电导率为105Ω-1·cm-1) 目前,对结构型导电高分子的导电机理、聚合物结构与导电性关系的理论研究十分活跃。应用性研究也取得很大进展,如用导电高分子制作的大功率聚合物蓄电池、高能量密度电容器、微波吸收材料、电致变色材料,都已获得成功。 但总的来说,结构型导电高分子的实际应用尚不普遍,关键的技术问题在于大多数结构型导电高分子在空气中不稳定,导电性随时间明显衰减。此外,导电高分子的加工性往往不

有机高分子磁性材料研究综述

有机磁性材料研究综述 摘要:有机磁性材料是最近二十多年发展起来的新型的功能材料,因为其结构的多样性,可用化学方法合成,相比传统磁性材料具有比重低、可塑性强等等优点,因此在新型功能材料方面有着广阔的应用前景。本文综述了高分子有机磁性化合物的发展和研究近况,及其有机高分子磁性材料的分类及其应用前景。 关键词:有机磁性材料结构型复合型 Review on the research of organic magnetic material Abstract: organic magnetic material is a new functional material in recent twenty years, because of the diversity of its structure, synthetized by chemical method , compared with the traditional magnetic materials with a low specific gravity, high plasticity, and so on, so it has a broad application prospect in the new functional materials.This paper reviews the development and research status of high polymer organic magnetic materials’compounds, classification and its application prospect. Key word: organic magnetic material intrinsic complex

导电高分子材料

导电高分子材料 高分子材料自问世至今,已经有一百多年的历史。1856年硝化纤维作为第一个塑料专利问世,20世纪60年代;许多性能优良的工程塑料相继投入工业化生产;20世纪80年代,材料科学已渗透各个领域,可以说已经进入高分子时代。 大多数高分子材料都是不导电的,因而高分子材料被广泛地作为绝缘材料使用。1862年,英国Letheby在硫酸中电解苯胺而得到少量导电性物质;1954年,米兰工学院G.Natta用 Et3Al-Ti(OBu)4为催化剂制得聚乙炔;1970年,科学家发现类金属的无机聚合物聚硫氰(SN)x具有超导性,有机高分子与无机高分子导电聚合物的开发研究合在一起开始了探寻之旅。1974年日本筑波大学H.Shirakawa在合成聚乙炔的实验中,偶然地投入过量1000倍的催化剂,合成出令人兴奋的有铜色的顺式聚乙炔薄膜与银白色光泽的反式聚乙炔。1980年,英国Durham大学的W.Feast得到更大密度的聚乙炔。1983年,加州理工学院的H.Grubbs以烷基钛配合物为催化剂将环辛四烯转换了聚乙炔,其导电率达到35000S/m,但是难以加工且不稳定。1987年,德国康采思巴斯夫公司BASF科学家N.Theophiou对聚乙炔合成方法进行了改良,得到的聚乙炔电导率与铜在同一数量级,达到107S/m。导电高分子材料的研究和发展开始逐渐走向成熟,并且亟待着可以走向应用领域,导电高分子材料已经在功能高分子材料及导电体中占有重要的地位。 一.导电高分子的定义与导电机理 导电高分子又称为导电聚合物,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。导电高分子材料是一类兼具高分子特性及导电体特征的高分子材料。按结构和制备方法不同,可将导电高分子材料(CPs)分为复合型与本征(结构)型两大类。结构性导电高分子本身具有“固有”的导电性,由聚合物结构提供导电载流子(包括电子、离子或空穴)。这类聚合物经掺杂后,电导率可大幅度提高,其中有些甚至可达到金属的导电水平。复合型导电高分子是在本身不具备导电性的高分子材料中掺混入大量导电物质,如炭黑、金属粉、箔等,通过分散复合、层积复合、表面复合等方法构成的复合材料。 根据电荷载流子的种类,导电聚合物被分为电子导电聚合物和离子导电聚合物:以自由电子或空穴为载流子的导电聚合物称为电子导电聚合物,电子导电型聚合物的共同特征是分子内含有大的线性共轭π电子体系。以正、负离子为载流子的导电聚合物被称为离子导电聚合物。离子导电聚合物的分子具有亲水性、柔性好,允许体积较大的正、负离子在电场作用下在聚合物中迁移的特性。

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浅谈导电高分子材料的应用 摘要:与传统材料相比,导电高分子材料有着易加工、密度小、结构易变、耐 腐蚀、可大面积成膜的优势,本文主要针对导电高分子材料的类型与应用展开分析。 关键词:导电高分子材料;类型;应用 0 引言 导电高分子材料是一种具有导电功能的聚合物材料,它具有密度小、可加工性好的特性,并且具有良好的耐腐蚀性,可以大面积成膜。这些良好的特性,使导电高分子材料可以在某 些领域替代多种金属材料和无机导电材料,有效降低成本。经过几十年的发展,高分子材料 作为优良的电绝缘体,已经成为许多先进工业部门和尖端技术领域里一种重要的材料。 1 导电高分子材料的分类 按照材料的结构,导电高分子材料可以分为复合型导电高分子材料和结构性导电高分子 材料两种类型。 1.1 复合型导电高分子材料 复合型导电高分子材料是利用不同的加工手段,将各种不同的导电材料填充到聚合物基 体当中,制作成一种新型的导电材料。最常采用的方法就是把各种高效导电粒子或者导电纤 维等作为填充物,如金属粉末、各种金属纤维直径在7毫米左右的材料等。从技术上来说, 复合型导电高分子材料的加工工艺更为成熟,产品使用更为普及。 1.2 结构型导电高分子材料 结构性导电高分子材料,采用具有一定的导电性材料,通过对自身进行一定比例的掺杂,提高导电性能的聚合物。按照导电状态下的载流子种类可以将结构型高分子材料分为离子型 和电子型两种类型。离子型导电高分子的导电载流子是离子,有的学者也称它为高分子固体 电解质;电子型高分子的载流子为电子,它以共轭高分子为主体。离子型导电高分子材料是 目前世界上的重点开发内容。 2 导电高分子材料的应用 导电高分子材料在很多应用领域比金属材料有着更为优越的性能,如它的可塑性好、耐 腐蚀性、电导率较高、可逆氧化还原性等。主要应用在导电衬料、光电显示材料、信息记忆 材料等多个方面。 2.1 在电子元器件开发中的应用 (1)导电高分子材料在防静电和电磁屏蔽上的应用 导电高分子材料最早是应用在防静电和电磁屏蔽方面。具体操作是将SDBS和TSOH混合,掺杂PANI和ABS,制备出杂多酸掺杂PANI/ABS复合材料。经过试验证明复合材料的屏蔽性 能跟PANI的含量有着直接的关系,PANI的含量越高,复合材料的屏蔽性能越好。 (2)导电高分子材料在芯片开发中有着重要作用 由于导电高分子材料可塑性好,质量轻、体积小,广泛地应用到了带有微芯片的卡片以 及条码读取设备中。这一技术的发明,为计算机制造技术带来了重大变革,有效减小了计算 机的体积,并且在很大程度上提高了计算机的运行速度。 (3)导电高分子材料在显示材料中的应用 在半导体有机膜两端安装电极以后就制成了有机发光二极管。在它的两端加上少量电压,是电子在其上面进行移动,当两个相对运用的政府电荷载体相遇以后,就形成了“电子—空穴对”,此时能量就以发光的形式释放出来。发光二极管发出的光强度高、色彩绚丽,广泛用到了手机、手掌电脑等电子产品的显示屏上。另外还可以自动调光玻璃等产品,受到了电子产 业的广泛关注。 2.2 导电高分子材料在塑料薄膜太阳能电池开发中的应用 面对资源快速消耗的问题,能源科研人员一直在寻找一种能够替代矿物燃料的能源。然 而传统的硅太阳能加工成本昂贵,在生产过程中也消耗的大量的能源,不是理想的新能源材料。而塑料薄膜电池生产成本低廉、加工过程简单节能,加工工艺一旦成熟,就能够进行大 批量生产,将会是以后一种非常好的新能源。

现代高分子材料综述(非常好!!)

现代高分子材料综述 材料学王晓梅学号:112408 摘要 高分子材料作为新时期的全新全能型材料,是现代人类发展的重要支柱,是发展高新科技的基础与先导,高分子材料的应用将会使人类支配改造自然的能力和社会生产力的发展带到一个新的水平,对人类的发展将会出现前所未有的促进。本文将从高分子材料的定义、主要种类、应用和以塑料为例介绍与人类生活息息相关的高分子材料的相关常识。本文综述了各类高分子材料的研究及发展,主要论述了导电高分子材料、功能高分子材料、工程高分子材料、复合高分子材料以及生物高分子材料等应用领域。 前言 高分子材料是由相对分子质量比一般有机化合物高得多的高分子化合物为主要成分制成的物质。一般有机化合物的相对分子质量只有几十到几百,高分子化合物是通过小分子单体聚合而成的相对分子质量高达上万甚至上百万的聚合物。巨大的分子质量赋予这类有机高分子以崭新的物理、化学性质:可以压延成膜;可以纺制成纤维;可以挤铸或模压成各种形状的构件;可以产生强大的粘结能力;可以产生巨大的弹性形变;并具有质轻、绝缘、高强、耐热、耐腐蚀、自润滑等许多独特的性能。于是人们将它制成塑料、橡胶、纤维、复合材料、胶粘剂、涂料等一系列性能优异、丰富多彩的制品,使其成为当今工农业生产各部门、科学研究各领域、人类衣食住行各个环节不可缺少、无法替代的材料[1]。 由于高分子化学反应和合成方法对高分子化学学科发展的推动,促进了高分子合成材料的广泛应用。同时,随着高分子材料的发展,纳米技术与生物技术之间的界限变得越来越小,并与更多的传统分子科学与技术相结合。因此,我们相信,高分子技术的发展促使使各类高分子材料得到更加迅速的发展,推广和应用。 1

导电高分子材料的简介

导电高分子材料的简介、应用和发展前景 摘要:与传统导电材料相比较,导电高分子材料具有许多独特的性能。导电高聚物可用作雷达吸波材料、电磁屏蔽材料、抗静电材料等。介绍了导电高分子材料的结构、种类及导电机理、合成方法、导电高分子材料的应用、研究现状及发展趋势。 关键词:导电高分子制备方法导电机理性能应用发展趋势 1.简介 高分子材料在很长一段时期都被用作电绝缘材料.随着不同应用领域的需要以及为进一步拓宽高分子材料的应用范围,一些高分子材料被赋予某种程度的导电性以致成为导电高分子材料。导电高分子又称导电聚合物,自从1976年,美国宾夕法尼亚大学的化学家Mac Diarmid领导的研究小组首次发现掺杂后的聚乙炔(Poly acetylene,简称PA)具有类似金属的导电性(导电高分子的导电性如图);1977年,日本白川英树等人才发现用五氟化砷或碘掺杂的聚乙炔薄膜具有金属导电的性质,电导率达到10S/m。这是第一个导电的高分子材料。人们对共轭聚合物的结构和认识不断深入。以后,相继开发出了聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺、聚噻吩等能导电的高分子材料。这个新领域的出现不仅打破了高分子仅为绝缘体的传统观念,而且它的发现和发展为低维固体电子学,乃至分子电子学的建立和完善作出重要的贡献,进而为分子电子学的建立打下基础,而具有重要的科学意义。 现有的研究成果表明,发展导电高分子兼具有机高分子材料的性能及半导体和金属的电性能, 具有密度小,易加工成各种复杂的形状,耐腐蚀,可大面积成膜及可在十多个数量级的范围内进行调节等特点,因此高分子导电材料不仅可作为多种金属材料和无机导电材料的代用品,而且已成为许多先进工业部门和尖端技术领域不可缺少的一类材料。 1.1导电高分子材料的分类 按结构和制备方法不同将导电高分子材料分为复合型与结构型两大类。复合型导电材料是由高分子和导电剂(导电填料)通过不同的复合工艺而构成的材料。结构型结构型导电高分子又称本征型导电高分子(Intrinsically conducting polymer,简称ICP),是指高分子材料本身或经过少量掺杂处理而具有导电性能的材料,其电导率可达半导体甚至金属导体的范围。 1.2 高分子导电材料的制备方法 复合型导电高分子所采用的复合方法主要有两种:一种是将亲水性聚合物或结构型导电高分子进行混合,另一种则是将各种导电填料填充到基体高分子中。结构型导电聚合物一般用电子高度离域的共轭聚合物经过适当电子给体或受体进行掺杂后制得。 1.3 导电机理

导电性高分子诞生的故事

導電性高分子誕生的故事 取材自:江文彥教授(大同大學化學工程學系) [導電性高分子的出現與科學上的偶然] (科學發展:2002年11月,359期,68~71頁) 閱讀以下文章,並回答文末的問題…. 一種能導電的塑膠 塑膠基本上是聚合物,就好像珍珠項鍊一般具有長鏈而且以固定的單元不斷重複的結構,當它要變得能導電時就必須能模擬金屬的行為,亦即電子必須能不受原子的束縛而能自由移動,要達到此目的的第一個條件就是這個聚合物應該具有交錯的單鍵與雙鍵,亦稱為「共軛」的雙鍵,透過乙炔所聚合而得的聚乙炔(下圖)即具有這樣的結構。具有這樣構造的聚合物如何特別呢? 意外發現的聚乙炔皮膜 一切要從聚乙炔皮膜開始談起。這是一個偶然開展的故事…… 一九六六年,白川英樹還是池田研究室的助理,正研究乙炔生成聚乙炔的機制。一九六七年九月,一位已在池田研究室很久的韓籍研究生邊衡直,希望嘗試乙炔聚合的研究,白川英樹指導他以常用的配方,觸媒為三乙基鋁/四丁氧鈦。而四丁氧鈦濃度是每公升0.25毫莫耳,進行聚合。由於研究生已非新人,且這個聚合並不難,白川英樹也就沒有跟隨在旁,不久研究生邊衡直發現,乙炔壓力不下降,反應都不進行,好像失敗了。原來為了使單體乙炔能溶入溶液,都會施加攪拌,可是所得的聚乙炔卻不溶於溶劑,所以攪拌必然生成粉末。當白川英樹前往觀看實驗時,果然反應瓶中沒有粉末,攪拌器也呈停止狀態,但在溶液表面,似乎有一層銀色薄膜狀物,經分析的結果,確定就是聚乙炔。 十一月十六日,白川英樹想要再現聚乙炔皮膜的合成,經檢查上次實驗之配方,才發現觸媒濃度居然加的是每升0.25莫耳,這是正常配方濃度的一千倍。事後

推斷,可能是研究生將毫莫耳聽成莫耳之故吧。這一個偶然的錯誤,又加上攪拌器又湊巧停止,才使聚乙炔皮膜因觸媒濃度提高而生成,又因無攪拌而沒被攪成粉末。真是一個「無意的」、「偶然的」、「很幸運的」發現。 導電性高分子的誕生 麥克戴阿密德教授出生於紐西蘭,在紐西蘭大學、美國威斯康辛大學、及英國劍橋大學接受高等教育後,一九五五年起擔任美國賓州大學化學系教授。一九七三年開始研究無機硫氮高分子。一九七五年開始對有機導電性高分子發生興趣,就在該年前往日本訪問時,經介紹與已經製得皮膜狀聚乙炔,時任東京工業大學資源化學研究所助理的白川英樹博士見面,目賭如同鋁箔狀的聚乙炔皮膜後,乃邀請白川英樹前往賓州大學,並與在半導體與導電性高分子材料之基礎物性方面有相當成就的希格教授共同研究。 三人於一九七六年十一月廿三日發現聚乙炔膜可以用溴和碘加以化學摻雜改質,因摻雜1%的碘,使聚乙炔膜導電度,較之未摻雜改質的聚乙炔膜導電度提升十億倍。並在一九七六年,以〈有機導電性高分子的合成-含鹵素的聚乙炔衍生物〉為題,發表在英國化學會化學通訊(J. Chem. Soc., Chem. Commun., 578, 1977)。這個現象的發現,開啟了導電性高分子的時代,也使化學和物理學兩領域產生了重大的進展。因為這個發現二○○○年諾貝爾化學獎,由日本筑波大學物質工學系白川英樹(Hideki Shirakawa)名譽教授、美國賓州大學化學系麥克戴阿密德(Alan G. MacDiarmid)教授,和加州大學聖塔巴巴拉校區物理系及高分子暨有機固體學院希格(Alan J. Heeger)院長等三人共同獲得。獲獎的理由是「導電性高分子的發現與開發」。 二○○○年諾貝爾化學獎得主,白川英樹教授(Hideki Shirakawa,圖中)、麥克戴阿密德教授(Alan G. MacDiarmid,圖左)、希格院長(Alan J. Heeger,圖右)。

关于导电高分子材料的研究进展

湖北汽车工业学院 本科生课程论文 《新材料导论》 论文题目关于导电高分子材料的研究进展学生专业班级 学生姓名(学号) 指导教师(职称) 完成时间

关于导电高分子材料的研究进展 摘要:与传统导电材料相比较,导电高分子材料具有许多独特的性能。导电高聚物可用作雷达吸波材料、电磁屏蔽材料、抗静电材料等。介绍了导电高分子材料的概念、分类、导电机理及其应用领域,综述了近些年来国内外科研工作者对导电高聚物的研究进展状况并对其发展前景进行了展望。 关键词:导电高分子;功能材料;导电机理;应用;述评。 自从1976年美国宾夕法尼亚大学的化学家MacDiarmid领导的研究小组首次发现掺杂后的聚乙炔(Polyacetylene,简称PA)具有类似金属的导电性以后,人们对共轭聚合物的结构和认识不断深入和提高,新型交叉学科)))导电高分子领域诞生了。在随后的研究中科研工作者又逐步发现了聚吡咯、聚对苯撑、聚苯硫醚、聚噻吩、聚对苯撑乙烯撑、聚苯胺等导电高分子。导电高分子特殊的结构和优异的物理化学性能使它成为材料科学的研究热点,作为不可替代的新兴基础有机功能材料之一,导电高分子材料在能源、光电子器件、信息、传感器、分子导线和分子器件,以及电磁屏蔽、金属防腐和隐身技术上有着广泛、诱人的应用前景。到目前为止,导电高分子在分子设计和材料合成、掺杂方法和掺杂机理、可溶性和加工性、导电机理、光、电、磁等物理性能及相关机理以及技术上的应用探索都已取得重要的研究进展。本文介绍了导电高分子的结构特征、导电机理及其应用领域,综述了近些年来导电高分子材料研究领域的进展状况。 1 导电高分子材料的分类 高分子导电材料通常分为复合型和结构型两大类: ①复合型高分子导电材料。 由通用的高分子材料与各种导电性物质通过填充复合、表面复合或层积复合等方式而制得。主要品种有导电塑料、导电橡胶、导电纤维织物、导电涂料、导电胶粘剂以及透明导电薄膜等。其性能与导电填料的种类、用量、粒度和状态以及它们在高分子材料中的分散状态有很大的关系。常用的导电填料有炭黑、金属粉、金属箔片、金属纤维、碳纤维等。 ②结构型高分子导电材料。 是指高分子结构本身或经过掺杂之后具有导电功能的高分子材料。根据电导率的大小又可分为高分子半导体、高分子金属和高分子超导体。按照导电机理可分为电子导电高分子材料和离子导电高分子材料。电子导电高分子材料的结构特点是具有线型或面型大共轭体系,在热或光的作用下通过共轭π电子的活化而进行导电,电导率一般在半导

导电高分子的应用(精)

导电高分子的应用 学校名称:华南农业大学 院系名称:材料与能源学院 时间:2017年2月27日

由于导电高分子具有特殊的结构和优异的物化性能, 使其在电子工业、信息工程、国防工程及其新技术的开发和发展方面都具有重大的意义。其中因聚苯胺具有原料易得、合成工艺简单、化学及环境稳定性好等特点而得到了更加广泛的研究和开发, 并在许多领域显示出了广阔的应用前景。 1在电子元器件开发中的应用 1.1用于防静电和电磁屏蔽方面 导电高聚物最先应用是从防静电开始 的。将特定比例的十二烷基苯磺酸和对甲苯磺酸混合酸掺杂的PANI与聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)树脂(ABS)共混挤出,制备了杂多酸掺杂PANI/ABS复合材料,通过现场聚合的方法在透明聚酯表面聚合了一层导电PANI,表面电阻可控制在 106-109Ω。通过对复合材料EMI屏蔽的研究,发现在101 GHz下,复合材料的屏蔽效能随其中PANI含量的增大而增大。 1.2 导电高分子材料在芯片开发上的运用 在各种带有微芯片的卡片以及条码读取设备 上,高分子聚合物逐渐取代硅材料。塑料芯片的 价格仅为硅芯片的1%-10%,并且由于其具有可溶 性的特性而更易于加工处理。目前国际上已经研 制出集成了几百个电子元器件的塑料芯片,采用 这种导电塑料制造的新款芯片可以大大缩小计算 机的体积,提高计算机的运算速度。 1.3 显示材料中的导电高分子材料 有机发光二极管是由一层或多层半导体有机膜,加上两头电极封装而成。在发光二极管的两端加上3伏-5伏电压,负极上的电子向有机膜移动,相反,

与有机膜相连的正极上的电子向负极移动,这样产生了相反运动方向的正负电荷载体,两对电荷载体相遇,形成了“电子-空穴对”,并以发光的形式将能量释放。由于它发光强度高、色彩亮丽,光线角几乎达到180度,可用于制造新一代的薄壁显示器,应用在手机、掌上电脑等低压电器上,也应用于金融信息显示上,使图像生动形象,并可图文通显。利用电致变色机理,还可用于制造电致变色显示器、自动调光窗玻璃等。 2在塑料薄膜太阳能电池开发中的应用 传统的硅太阳能电池不仅价格昂 贵,而且生产过程中消耗大量能源, 因此成本昂贵,无法成为替代矿物燃 料的能源,而塑料薄膜电池最大的特 点就是生产成本低、耗能少。一旦技 术成熟,可以在流水线上批量生产, 使用范围也很广。制造塑料薄膜太阳 能电池需要具有半导体性能的塑料。奥地利科学家用聚苯乙烯和碳掺杂形成富勒式结构的材料,再将它们加工成极薄的膜,然后在膜层上下两面蒸发涂上铟锡氧化物或铝作为电极。由于聚苯乙烯受到光照时会释放出电子,而富勒式结构则会吸收电子,如果将灯泡接在这两个电极上,电子开始流动就会使灯泡发光。 3在生物材料开发中的应用 在生命科学领域,导电高分子材料可制成智能材料,用于医疗和机器人制造方面。由于导电有机聚合物在微电流刺激下可以收缩或扩张,因而具备将电能转化为机械能的潜力,这类导电聚合物组成的装置在较小电流刺激下同样表现出明显的弯曲或伸张/收缩能力。为了把聚合物变成伸屈的手指活动,加上了含PPY 的三层复合膜[PPY/缘塑料膜/PPY],其中一层PPY供给正电荷,另一层PPY供给负电荷。机器人手指工作:提供正电荷的一侧凹陷进去,即体积收缩;提供负电

完整word版,功能高分子材料综述

功能高分子材料综述 【文摘】功能高分子材料是高分子学科中的一个重要分支,它是研究各种功能性高分子材料的分子设计和合成、结构和性能关系以及作为新材料的应用技术,它的重要性在于所包含的每一类高分子都具有特殊的功能。它主要包括化学功能高分子材料、光功能高分子材料、电、磁功能高分子材料、声功能高分子材料、高分子液晶、医用高分子材料几部分,这一领域的研究主要包括研究分子结构、组成与形成各种特殊功能的关系,也就是从宏观乃至深入到微观,以及从半定量深入到定量,从化学组成和结构原理来阐述特殊功能的规律性,从而探索和合成出新的功能性材料。本文主要论述了在工程上应用较广和具有重要应用价值的一些功能高分子材料,如吸附分离功能高分子、反应型功能高分子、光功能高分子、电功能高分子、医用功能高分子、液晶高分子、高分子功能膜材料等。 【关键词】材料;高分子;高分子材料;功能材料; 功能高分子材料的定义为:与常规聚合物相比具有明显不同的物理化学性质,并具有某些特殊功能的聚合物大分子(主要指全人工和半人工合成的聚合物)都应归属于功能高分子材料范畴。而以这些材料为研究对象,研究它们的结构组成、构效关系、制备方法,以及开发应用的科学,应称为功能高分子材料科学。 功能高分子材料科学是研究功能高分子材料规律的科学,是高分子材料科学领域发展最为迅速,与其他科学领域交叉度最高的一个研究领域。它是建立在高分子化学、高分子物理等相关学科的基础之上,并与物理学、医学甚至生物学密切联系的一门学科。功能高分子材料是对物质、能量、信息具有传输、转换或贮存作用的高分子及其复合材料的一类高分子材料,有时也被称为精细高分子或者特种高分子(包括高性能高分子) 。其于20 世纪60年代末迅速发展起来的新型高分子材料,内容丰富、品种繁多、发展迅速,已成为新技术革命必不可少的关键材料。 功能高分子是指具有某些特定功能的高分子材料。它们之所以具有特定的功能,是由于在其大分子链中结合了特定的功能基团,或大分子与具有特定功能的其他材料进行了复合,或者二者兼而有之。例如吸水树脂,它是由水溶性高分子通过适度交联而制得,遇水时将水封闭在高分子的网络内,吸水后呈透明凝胶,因而产生吸水和保水的功能。 在合成或天然高分子原有力学性能的基础上,再赋予传统使用性能以外的各种特定功能(如化学活性、光敏性、导电性、催化活性、生物相容性、药理性能、选择分类性能等)而制得的一类高分子。一般在功能高分子的主链或侧链上具有显示某种功能的基团,其功能性的显示往往十分复杂,不仅决定于高分子链的化学结构、结构单元的序列分布、分子量及其分布、支化、立体结构等一级结构,还决定于高分子链的构象、高分子链在聚集时的高级结构等,后者对生物活性功能的显示更为重要。 1 功能高分子材料研究 1.1 导电高分子材料 近几年来,导电性高分子的研究取得了长足的发展,形成了一个十分活跃的边缘学科领域,它对电子工业、信息工业及新技术的发展具有重大的意义。现有的研究成果表明,发展导电高分子不仅可以满足人们对导电材料的需要,而且由于它兼具有机高分子材料的性能及半导体和金属的电性能,具有重量轻,易加工成各种复杂的形状,化学稳定性好及电阻率可在较大范围内调节等特点。此外在电子工业中的应用日趋广泛,促进了现代科学技术的发展。因此,自然引起了学术界和工业界的广泛兴趣。 导电高分子材料根据材料的组成可以分成复合型导电高分子材料(composite conductive polymers)和本征型导电高分子材料(intrinsic conductive polymers)两大类。复合型导电高分子材料是由普通高分子结构材料与金属或碳等导电材料,通过分散、层合、梯

导电高分子材料综述

课题名称:导电高分子材料的研究进展及发展趋势 检索主题词:导电高分子材料 检索工具:万方数据知识服务平台 检索途径及步骤:登录学校图书馆网站,从“中文资源”分类中找到“万方数据资源(主网站)”,选择“高级检索”,规定好想要检索的文献类型,出版时间,主题等进行检索。 导电高分子材料的研究进展及发展趋势综述 高材1208 2012012247 曹凯 摘要:介绍了导电高分子材料的类型,分析了导电材料的导电机理,对其在实际中的应用进行了研究和总结,并且在此基础上展望了导电高分子材料的未来发展趋势。 关键词:导电;高分子材料;机理;应用;发展 引言: 近年来, 导电高分子的研究取得了较大的进展, 科学家对其合成、结构、导电机理、性能、应用等方面经过多年的研究, 已成为一门相对独立的学科。按导电性质的不同,导电高分子材料分为复合型和结构型两种。前者是利用向高分子材料中加人各种导电填料来实现导电,而后者是通过改变高分子结构来实现导电。在社会的发展中,需要这种材料的地方有很多,这也使得对进行加工和应用的研究受到了人们着重地关注。 1导电高分子材料分类 按照材料的结构与组成,可将导电高分子材料分为两大类。一类是复合型导电高分子材料,另一类是结构型(或本征型)导电高分子材料。 1.1复合型导电高分子材料 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(如分散聚合、层积复合、形成表面电膜等)填充到聚合物基体中而构成的材料。几乎所有的聚合物都可制成复合型导电高分子材料。其一般的制备方法是填充高效导电粒子或导电纤维,如填充各类金属粉末、金属化玻璃纤维、碳纤维、铝纤维、不锈钢纤维及锰、镍、铬、镁等金属纤维。复合型导电高分子材料在技术上比结构型导电高分子材料具有更加成熟的优势,用量最大最为普及的是炭黑填充型和金属填充型。 1.2结构型导电高分子材料 结构型(又称作本征型)导电高分子是指那些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。从导电时载流子的种类来看,结构型导电高分子材料又被分为离子型和电子型两类。离子型导电高分子通常又称为高分子固体电解质,它们导电时的载流子主要是离子。电子型导电高分子指的是以共轭高分子为主体的导电高分子材料。导电时的载流子是电子(或空穴),这类材料是目前世界导电高分子中研究开发的重点。 2电高分子材料的导电机理 2.1复合型高分子材料导电机理 复合型导电高分子材料导电性主要取决于填料的分散状态”J。根据渗流理论,原来孤立分散的填料微粒在体积分散达到某一临界含量以后,就会形成连续的导电通路。这时离子

导电高分子综述

导电高分子材料及其应用 摘要: 导电高分子材料具有密度小、易加工、耐腐蚀、可大面积成膜,以及电导率可 在绝缘体- 半导体- 金属态(10-9 到105 S/cm)的范围里变化。所以自从1977 年来,导电高分子材料的研究受到了普遍的重视和发展。本文介绍了国内外导 电高分子材料的分类、特点、应用及近年来研究发展的概况。同时还展望了导 电高分子有待发展的方向。 关键词:导电高分子;分类;应用 1导电高分子简介 20 世纪70 年代,白川英树、Heeger 和MacDiarmid等人首次合成了聚乙炔薄膜,后来又经掺杂发现了可导电的高聚物,这就是导电高分子材料。经过40 多年的发展,导电高分子材料也从最初的聚乙炔发展到聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等数十种高分子材料,成为 金属材料和无机导电材料的优良替代品。[1]但是导电高分子在变形过程中不仅仅存在弯曲 移动,而且还会产生蠕动现象,在器件的层间会发生快速分层的行为,溶剂易于挥发,使 用寿命有限、低的能量转换效率等等缺点使其在应用中具有难以突破的难点技术。[2] 2 高分子材料的分类及导电机理 导电高分子材料通常是指一类具有导电功能(包括半导电性、金属导电性和超导电性)、电导率在10-6S/cm 以上的聚合物材料。按照材料结构和制备方法的不同可把导电高分子材料分为结构型(或本征型)导电高分子材料和复合型导电高分子材料两大类。 2.1结构型高分子导电材料 结构型高分子导电材料。是指高分子结构本身或经过掺杂之后具有导电功能的高分子 材料。最早发现的结构型高分子聚合物是用碘掺杂后形成的聚乙炔。这种掺杂后的聚乙炔 的电导率高达105 S/cm。后来人们又相继开发出了聚苯硫醚、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺等导电高分子材料。这些材料掺杂后电导率可达到半导体甚至金属导体的导电水平。结构型 高分子导电材料用于试制轻质塑料蓄电池、太阳能电池、传感器件、微波吸收材料以及试 制半导体元器件等[3] 。但目前这类材料由于还存在稳定性差(特别是掺杂后的材料在空气中的氧化稳定性差)以及加工成型性、机械性能方面的问题,尚未进入实用阶段。 2.1.1 聚乙炔( PA) 纯净聚乙炔掺进施主杂质(碱金属(Li、Na、K)等)或受主杂质(卤素、AsF5、PF5 等)后才能导电。与半导体不同的是,掺杂聚乙炔导电载流子是孤子。聚乙炔是目前世界

导电高分子材料

导电高分子材料 导电高分子材料概述 摘要导电高分子材料具有高电导率等与一般聚合物不同的特性。文章综述了导电高分子的分类,研究进展,制备方法以及在作为导电材料,电极材料,显示材料,电子器件,电磁屏蔽材料及催化材料方面的应用。 关键词:导电高分子,制备,应用 Abstract :Conductive polymeric materials have the properties such as high conductivity that different from traditional polymeric materials.This paper reviews the classification of conductive polymers, research progress,Preparation methods and Conductive polymeric materials applied as the conductive material, electrode materials, display materials, electronic devices, electromagnetic shielding materials and the application of catalytic materials. Keywords: Conductive polymeric materials, Preparation,application 传统高分子材料的体积电阻率一般介于1010,1020Ω?cm之问,一直作为电绝缘材料使用。自从1997年,美国化学家MacDiarmid、物理学家Herger和日本化学家Shirakawa[1]发现掺杂聚乙炔具有良好导电性后,世界各国科学家纷纷投入到导电聚合物的研究当中,各种有机导电聚合物相继出现,其应用范围也日益扩大,广泛应用于各种家用电器、航空航天、抗静电涂料、雷达吸波材料、电磁屏蔽材料和传感器等方面,极大地丰富和改善了人们的生活。 1.导电聚合物的分类

有机导电高分子材料

有机导电高分子材料——聚苯胺 聚苯胺(PAn)是目前研究最为广泛的导电高分子材料之一,具有原料易得、合成简便、耐高温及抗氧化性能良好等优点,是目前公认的最具有应用潜力的导电高分子材料之一。PAn还有独特的掺杂机制,优异的物理化学性能,良好的光、热稳定性,使其拥有许多独特的应用领域。目前正应用于许多高新技术如抗静电技术、太阳能电池、全塑金属防腐技术、船舶防污技术、传感器器件、电化学和催化材料、隐身技术、电致变色等,而且对这些技术的应用探索也已取得了重要进展,并逐步向实用化迈进,显示了PAn极其广阔且诱人的发展前景。 物质的能带结构决定其电学性质,物质的能带由各分子或原子轨道重叠而成,分为价带和导带[1]。通常是价带宽度大于10.0eV时,电子很难激发到导带,物质在室温下是绝缘体;而当价带宽度为1.0eV时,电子可通过热、振动或光等方式激发到导带,物质为半导体;经掺杂的PAn,其π成键轨道组成的价带与π反键轨道组成的导带之间的能带宽度(价带)为1.0eV左右,所以PAn 有半导体特性。PAn 的导电机理与其他导电高聚物的掺杂机制完全不同:它是通过质子酸掺杂,质子进入高聚物链上,使链带正电,

为维持电中性,对阴离子也进入高聚物链,掺杂后链上电子数目不发生变化,其导电性能不仅取决于主链的氧化程度,而且与质子酸的掺杂程度有关。PAn用质子酸掺杂时优先在分子链的亚胺氮原子上发生质子化,生成荷电元激发态极化子,使PAn 链上掺杂价带上出现空穴,即P型掺杂,使分子内醌环消失,电子云重新分布,氮原子上正电荷离域到大共轭键中,使PAn 呈现出高导电性。 国内外已相继开展了导电高聚物雷达吸波材料的研究,并取得了一定的进展。聚苯胺吸波材料[20]主要分为掺杂型聚苯胺吸波材料、聚苯胺/无机复合吸波材料、聚苯胺/聚合物复合吸波材料、聚苯胺微管复合吸波材料。掺杂态聚苯胺属于电损耗型介质,其吸波特性与掺杂剂、掺杂度、制备工艺等条件有密切关系,尤其是与材料的电磁性质——电磁参数有直接关系,对微波呈现较好的吸收性能,但掺杂聚苯胺仍存在吸收小、吸收频带窄等缺点,不能满足应用的需要;利用磁性物质物理再掺杂和聚苯胺化学原位聚合法把聚苯胺和高磁感软磁材料以适当的形式复合制备聚苯胺/无机复合吸波材料,具有良好的吸波特性;根据逾渗理论,可将聚苯乙烯、环氧树脂、聚氨酯、乙丙橡胶、聚酰胺等作为有机基体,利用原位聚合法和机械共混

导电高分子材料

导电高分子材料概述 摘要导电高分子材料具有高电导率等与一般聚合物不同的特性。文章综述了导电高分子的分类,研究进展,制备方法以及在作为导电材料,电极材料,显示材料,电子器件,电磁屏蔽材料及催化材料方面的应用。 关键词:导电高分子,制备,应用 Abstract :Conductive polymeric materials have the properties such as high conductivity that different from traditional polymeric materials.This paper reviews the classification of conductive polymers, research progress,Preparation methods and Conductive polymeric materials applied as the conductive material, electrode materials, display materials, electronic devices, electromagnetic shielding materials and the application of catalytic materials. Keywords: Conductive polymeric materials, Preparation,application 传统高分子材料的体积电阻率一般介于1010~1020Ω?cm之问,一直作为电绝缘材料使用。自从1997年,美国化学家MacDiarmid、物理学家Herger和日本化学家Shirakawa[1]发现掺杂聚乙炔具有良好导电性后,世界各国科学家纷纷投入到导电聚合物的研究当中,各种有机导电聚合物相继出现,其应用范围也日益扩大,广泛应用于各种家用电器、航空航天、抗静电涂料、雷达吸波材料、电磁屏蔽材料和传感器等方面,极大地丰富和改善了人们的生活。 1.导电聚合物的分类 导电高分子材料按结构和制备方法不同可分为结构型导电高分子材料和复合型导电高分子材料两大类。根据结构特征和导电机理不同可分成三类:载流子为自由电子的电子导电聚合物、载流子为能在聚合物分子间迁移的正负离子的离子导电聚合物、以氧化还原反应为电子转移机理的氧化还原型导电聚合物。 1.1结构型导电高分子材料 结构型(又称作本征型)导电高分子[2]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。这种高分子材料由于其结构的特点,能够提供载流子而具有导电性,经掺杂后,电导率可达到金属的导电水平。从导电时载流子的种类来看,结构型导电高分子材料又被分为离子型和电子型两类。 1.2复合型导电高分子材料 复合型导电高分子材料[3]是将各种导电性物质以不同的方式和加工工艺(如分散聚合、层积复合、形成表面电膜等)填充到聚合物基体中而构成的。通常是填充高效导电粒子或导电纤维,较普及的是炭黑填充型和金属填充型。复合型导电高分子材料在技术上比结构型导电高分子材料具有更加成熟的优势。 1.3电子导电聚合物 电子导电聚合物是导电聚合物中种类最多,研究最早的一类导电材料,在电子导电聚合物的导电过程中载流子是聚合物中的自由电子或空穴。高分子聚合物中的π键可以提供有限离域,当高分子聚合物中具有共轭结构时,π电子体系增大,电子的离域性增强,共轭体系越大,离域性也越大,电子的可移动范围也就

导电高分子材料聚苯胺的研究进展.

导电高分子材料聚苯胺的研究进展 周媛媛,余旻 ,李松,李蕾 (郑州大学化学系, 河南郑州450001 摘要:聚苯胺(PAn是目前研究最为广泛的导电高分子材料之一。基于国内外最新研究文献, 综述了PAn的结构、导电和掺杂机理及常见的合成方法, 重点介绍了几种制备微米或纳米级PAn的方法, 并对其在各领域应用前景作了简要介绍。 关键词:导电高分子; 聚苯胺; 合成; 掺杂 中图分类号: TQ246.31文献标识码:A文章编号: 1672-2191(200706-0014-06 收稿日期:2007-06-23 作者简介:周媛媛(1983- , 女, 河南开封人, 硕士研究生, 研究方向为导电高分子材料。电子信箱:zhouyuanzy2004@https://www.wendangku.net/doc/9a1408244.html, 1975年L. F.Ni 等人在实验室合成了低温下具有超导性,其导电能力可与Ag 相媲美的聚硫化氮 (SN x ,实现了高分子由绝缘体向半导体或导体的成功转变。1977年日本筑波大学 Shirakawa教授发现掺杂聚乙炔(P A 呈现金属特性,新兴交叉学科——导电高分子科学诞生了。随着人们不断深入研究,相继发现了聚吡咯、聚对亚甲基苯、聚苯硫醚、聚噻吩、聚苯胺(PAn等导电高分子。由于导电高分子具有特殊的结构和优异的物化性能,使其自发现之日起就成为材料科学的研究热点。

目前,研究最广泛的导电聚合物包括 P A、聚吡咯、聚噻吩和 P A n,PA 是人们发现最早的一个有机共轭导电聚合物,也是研究较多的导电聚合物,但由于其合成工艺、力学性能和稳定性等诸多因素的限制,人们对其研究兴趣逐渐减少,而后 3种尤其是 P A n 由于原料易得、合成工艺简便、导电性和稳定性优良,倍受人们青睐,在应用研究方面已走到了前面,成为研究热点。通过深入研究导电 P A n 的物化性质,人们发现它具有许多独特的光、电、磁性能,于是便产生了许多独特的应用领域,以导电 P A n 作为基础材料,目前正在开发许多高新技术如抗静电技术、太阳能电池、全塑金属防腐技术、船舶防污技术、传感器器件、电化学和催化材料、隐身技术、电致变色等,并且在这些技术上的应用探索都已取得了重要进展,并逐步向实用化迈进,显示了 PAn 极其广阔且诱人的发展前景。 1 PAn 的结构及导电机理 1.1 PAn 的结构 [1] PAn 的分子是由氧化单元 和 还原单元 组成, Mac Diarmid 等最早给出 P A n 本征态的结构: 其中:y (y =1 ̄0代表 PAn 的还原程度,根据 y 的大小,P A n 主要分为以下状态:全还原态(y =1, 简称 LB 态、中间氧化态(y =0.5,简称 EB 态和全氧化态(y =0,简称PNB 态。LB 态和 PNB 态都是绝缘态,只有氧化单元数和还原单元数相等的中间氧化态通过质子酸掺杂后才可变成导体。掺杂态的 P A n 的普通分子结构为: 其中:A - 是对阴离子; x 是质子化程度的因子,代

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