導(dǎo)電塑料
時(shí)間:2004-09-21
塑料是人們最熟悉的材料之一，它的強(qiáng)度好，密度低，耐腐蝕，可以制成各種機(jī)械零件和日用品。同時(shí)，它還是一種廣泛使用的電絕緣材料，然而你聽(tīng)說(shuō)過(guò)塑料能導(dǎo)電嗎？
這純粹是科學(xué)上的一次偶遇。1970年的一天，日本筑波大學(xué)的白川教授在指導(dǎo)學(xué)生做一項(xiàng)用乙烯氣制取聚乙炔的實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生誤把比實(shí)際需要量多1000倍的催化劑加入試劑中，結(jié)果得到的不是應(yīng)得到的含有碳基長(zhǎng)鏈的黑色聚乙炔粉末，而是一種銀光閃閃的薄膜，與其說(shuō)是塑料，不如說(shuō)更像金屬。1977年，白川在與另外兩個(gè)美國(guó)人研究這種塑料薄膜時(shí)發(fā)現(xiàn)，摻入碘后它居然能導(dǎo)電，導(dǎo)電率增加了3千萬(wàn)倍。盡管這樣，它的導(dǎo)電率只相當(dāng)于金屬鉛，或者說(shuō)是銅和銀的百分之
80年代初，導(dǎo)電聚合物還是實(shí)驗(yàn)室的珍品，而現(xiàn)在已在許多工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用，并引起研究單位的重視。關(guān)于聚合物為什么能夠?qū)щ?，目前還沒(méi)有圓滿的答案。但相信隨著科學(xué)的發(fā)展，終會(huì)真相大白。
隨后的研究表明，除聚乙炔外，還有一些高分子聚合物加入摻雜劑后也成為導(dǎo)電塑料，例如聚苯硫醚、聚毗咯、聚噻吩、聚噻唑等。目前，已制成一批導(dǎo)電性與銀、銅相當(dāng)?shù)木酆衔?，被稱(chēng)為有機(jī)金屬或合成金屬。
首先在實(shí)驗(yàn)室取得成功并走進(jìn)市場(chǎng)的是塑料電池。美國(guó)布里奇斯通和日本精工埃普森公司合資生產(chǎn)了一種電池，它的一個(gè)電極是金屬鋰，另一個(gè)電極是聚苯胺導(dǎo)電塑料。它的尺寸與硬幣相仿，可以多次重復(fù)充電。作為計(jì)算機(jī)的輔助電源，具有很長(zhǎng)的工作壽命。德國(guó)生產(chǎn)的薄型撓性電池，僅明信片那么大，適合于手提式工具的電源。
電池放電是因?yàn)閮蓚€(gè)電極之間有電壓差存在。在普通電池里，包括上面談到的塑料電池里，陽(yáng)極和陰極采用兩種不同的材料制造。電池放電時(shí)，電極之一就逐漸溶解在電解質(zhì)中，變成正離子，并在電解質(zhì)中運(yùn)動(dòng)；電池充電時(shí)，這些離子獲得電子，重新回到電極上。這樣經(jīng)過(guò)幾次充放電后，電極表面易形成復(fù)膜，使電池效率降低和失效。
在改進(jìn)的塑料電池中，陰極和陽(yáng)極是由相同的導(dǎo)電塑料薄膜組成，由電解質(zhì)而不是電極來(lái)提供運(yùn)動(dòng)的正離子，因此經(jīng)過(guò)多次充電和放電，電極材料依然完好如初。充電次數(shù)可達(dá)1000次以上。塑料電池體積小、重量輕，可以提供常規(guī)鉛蓄電池10倍的電力，而且每次充電時(shí)間也縮短了。
首先對(duì)塑料電池感興趣的是汽車(chē)工業(yè)，人們?cè)缇拖Ｍ眯铍姵刈鰟?dòng)力來(lái)代替內(nèi)燃機(jī)，但在此之前蓄電池車(chē)都因?yàn)樘恐睾托阅懿豢?而無(wú)法推廣，而塑料電池形狀靈活，可以制成薄板裝在汽車(chē)的車(chē)頂或車(chē)門(mén)夾層里，在汽車(chē)內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)位置只裝一臺(tái)高效的電動(dòng)機(jī)，便可使汽車(chē)的加速性能和爬坡性能大大改善。此外，塑料電池是密封的，不會(huì)釋放有害的化學(xué)物質(zhì)和氣體，因此這種蓄電池車(chē)將是一種無(wú)公害的小汽車(chē)。
導(dǎo)電塑料薄膜有一種特殊性能，即通過(guò)電化學(xué)或物理方法可使它從透明變成不透明。豐田公司的一種高級(jí)小汽車(chē)計(jì)劃采用帶有這種導(dǎo)電塑料薄膜的窗玻璃，自動(dòng)擋住強(qiáng)烈照射的陽(yáng)光。
導(dǎo)電塑料的另一特點(diǎn)是具有消除靜電的功能。計(jì)算機(jī)和電子設(shè)備機(jī)房都要求抗靜電防護(hù)，新型飛機(jī)上的電子器件要求防電磁干擾，樹(shù)脂基復(fù)合材料機(jī)身、機(jī)翼要求防雷擊，這些要求都可以用導(dǎo)電塑料薄膜屏蔽加以解決。
導(dǎo)電塑料還有一項(xiàng)重要的潛在用途，就是作為未來(lái)機(jī)器人的人工肌肉，當(dāng)用電化學(xué)方法對(duì)某些導(dǎo)電塑料摻雜和不摻雜時(shí)，其體積就能發(fā)生膨脹和收縮的變化，使機(jī)器人的四肢獲得必要的運(yùn)動(dòng)。
在美國(guó)、歐洲和日本的一些實(shí)驗(yàn)室里已制成一系列導(dǎo)電塑料器件，其中包括二極管和晶體管。導(dǎo)電塑料的導(dǎo)電性跨越了絕緣體-半導(dǎo)體-導(dǎo)體三種狀態(tài)，因此有很大的靈活性。目前的太陽(yáng)能電池是由硅和其它半導(dǎo)體材料制成，不僅成本高，而且效率低（ 10％以下）。如果一旦改用導(dǎo)電塑料薄膜，就可以使用壓制薄膜切割法，生產(chǎn)出大量廉價(jià)的高效太陽(yáng)能電池。
科學(xué)家預(yù)言，在未來(lái)的能源工業(yè)中，導(dǎo)電塑料將成為重要的一員。
