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  2000年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者--美國(guó)的Heeger、MacDiarmid和日本的白川英樹(shù)三位科學(xué)家，他們通過(guò)研究，證明了大家通常認(rèn)為絕緣的高分子材料在一定的條件下也可以具有導(dǎo)電性。

  從那以后，導(dǎo)電高分子材料這一門新興的學(xué)科就此迅速發(fā)展，成為材料學(xué)科研究中重要的一部分。之后，又相繼開(kāi)發(fā)出了聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁類化合物、聚噻吩、聚苯胺、聚對(duì)苯撐乙烯等導(dǎo)電高分子材料。

導(dǎo)電高分子材料定義

  導(dǎo)電高分子材料通常是指一類具有導(dǎo)電功能(包括半導(dǎo)電性、金屬導(dǎo)電性和超導(dǎo)電性)、電導(dǎo)率在10-6s/cm以上的聚合物材料。這類高分子材料具有密度小、易加工、耐腐蝕、可大面積成膜，以及電導(dǎo)率可在絕緣體-半導(dǎo)體-金屬態(tài)(10-9到105s/cm)的范圍里變化。


導(dǎo)電高分子材料分類

  共混型/摻雜型：是聚合物與聚合粉或?qū)щ娦蕴祭w維經(jīng)混制得的樹(shù)脂配合物，其電導(dǎo)率約為10-1西門子/米。

  結(jié)構(gòu)型：是分子中含有大π鍵的高分子，經(jīng)摻雜處理后可具有類似金屬的導(dǎo)電性，電導(dǎo)率已能達(dá)102~104數(shù)量級(jí)，主要有聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩等。

  高分子固體電解質(zhì)：是堿金屬(如鋰鹽)與聚醚類的絡(luò)合物，其電導(dǎo)率約為10-3數(shù)量級(jí)。

  聚電解質(zhì)：是主鏈與側(cè)基上帶有離子基團(tuán)的化合物，如聚合物磺酸鹽、高分子季銨鹽和離子交換樹(shù)脂等，其電導(dǎo)率最低。

導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電原理

  1.滲流理論

  該理論主要用來(lái)解釋高分子導(dǎo)電復(fù)合材料的電阻率和填加的導(dǎo)電填料含量之間的關(guān)系，大量的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，當(dāng)復(fù)合體系中導(dǎo)電填料的含量增加到某一臨界含量時(shí)，體系的電阻率急劇下降，體系的電阻率--導(dǎo)電填料含量曲線出現(xiàn)一個(gè)狹窄的突變區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)，導(dǎo)電填料含量的任何細(xì)微變化均會(huì)導(dǎo)致電阻率的顯著改變，這種現(xiàn)象通常稱為滲濾現(xiàn)象，導(dǎo)電填料的臨界含量通常稱為滲濾閥值;在突變區(qū)域之后，體系電阻率隨導(dǎo)電填料含量的變化又恢復(fù)平緩。


2.隧道效應(yīng)理論

  隧道效應(yīng)理論是應(yīng)用量子力學(xué)的結(jié)果。當(dāng)復(fù)合體系中導(dǎo)電填料含量較低、導(dǎo)電粒子間距較大時(shí)仍存在導(dǎo)電現(xiàn)象，該理論認(rèn)為導(dǎo)電是電子遷移的結(jié)果。復(fù)合導(dǎo)電體系中依然存在導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，但導(dǎo)電不是靠導(dǎo)電粒子的接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)，而是熱振動(dòng)時(shí)電子在導(dǎo)電粒子之間的遷移造成的，且導(dǎo)電電流即隧道電流是導(dǎo)電粒子間間隙寬度的指數(shù)函數(shù)。隧道效應(yīng)幾乎僅發(fā)生在距離很接近的導(dǎo)電粒子之間，間隙過(guò)大的導(dǎo)電粒子之間無(wú)電流傳導(dǎo)行為。隧道效應(yīng)理論已成功地應(yīng)用于碳黑/聚氮乙烯導(dǎo)電復(fù)合體系，從而證明了隧道效應(yīng)機(jī)理在有些復(fù)臺(tái)體系中確實(shí)存在。

3.場(chǎng)致發(fā)射效應(yīng)理論

  該理論認(rèn)為，當(dāng)復(fù)合體系中導(dǎo)電填料含量較低、導(dǎo)電粒子間距較大、導(dǎo)電粒子之間的內(nèi)部電場(chǎng)很強(qiáng)時(shí)，電子將有很大的幾率飛躍樹(shù)脂界面勢(shì)壘而躍遷到相鄰的導(dǎo)電粒子上，產(chǎn)生場(chǎng)致發(fā)射電流，形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。



幾種常見(jiàn)導(dǎo)電高分子材料

聚乙炔，電導(dǎo)率17/MS·m-1


聚吡咯，電導(dǎo)率0.75/MS·m-1


聚噻吩，電導(dǎo)率0.1/MS·m-1


聚亞苯基，電導(dǎo)率0.1/MS·m-1


聚苯乙炔，電導(dǎo)率0.5/MS·m-1


聚苯胺，電導(dǎo)率0.02/MS·m-1


導(dǎo)電高分子材料產(chǎn)業(yè)鏈分析


功能高分子材料相關(guān)政策

  《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中，將“新材料”分為六大領(lǐng)域:特種金屬功能材料、高端金屬結(jié)構(gòu)材料、先進(jìn)高分子材料、新型無(wú)機(jī)非金屬材料、高性能復(fù)合材料和前沿新材料。

  《十二五》中國(guó)新材料行業(yè)將重點(diǎn)發(fā)展先進(jìn)高分子材料。其中，先進(jìn)高分子材料包括特種橡膠、工程塑料、具有導(dǎo)電、導(dǎo)磁、光電、光熱等效應(yīng)的高分子材料。


導(dǎo)電高分子材料應(yīng)用

聚合物二次電池

  導(dǎo)電高分子具有可逆的電化學(xué)氧化還原性能，因而適宜做電極材料，制造可以反復(fù)充放電的二次電池。1991年，日本橋石公司推出第一個(gè)商品化的聚合物二次電池，它的負(fù)極為鋰鋁合金，正極為聚苯胺，電解質(zhì)是LiBF4在有機(jī)溶劑中的溶液。美國(guó)、德國(guó)也相繼堆出僅有一枚硬幣大小的聚合物二次電池，將來(lái)可應(yīng)用在電動(dòng)汽車上，真正實(shí)現(xiàn)“零污染”。

抗靜電

  高分子材料表面的靜電積累和火花放電是引起許多災(zāi)難性事故的重要原因，因而人們開(kāi)發(fā)了許多抗靜電技術(shù)，最常用的是添加抗靜電劑。但都存在用量大、品質(zhì)顏色深、易逃逸、抗靜電性能難持久等缺點(diǎn)。使用無(wú)機(jī)添加劑，對(duì)高分子基體相容性差，常引起力學(xué)性能下降。結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子的出現(xiàn)，特別是可溶于有機(jī)溶劑的聚苯胺和聚吡咯的出現(xiàn)，為“高分子抗靜電劑”帶來(lái)了希望。

導(dǎo)電高分子電容器

  導(dǎo)電高分子成型后，電導(dǎo)率可達(dá)到10°~102S/cm數(shù)量級(jí)，因而可替代傳統(tǒng)的“電解電容器”中的液體或固體電解質(zhì)，替代傳統(tǒng)的“雙電層電容器”中的電解質(zhì)，制成相應(yīng)導(dǎo)電高分子電容器。導(dǎo)電高分子電容器具有等效串聯(lián)阻值小、高頻特性好、全固體、體積小、耐沖擊和耐高溫性能好等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代電器，尤其是手?jǐn)y和高頻電器中具有廣泛用途。

電磁屏蔽

  電磁屏蔽是防止軍事秘密和電子訊號(hào)泄露的有效手段，它也是21世紀(jì)“信息戰(zhàn)爭(zhēng)”的重要組成部分。由于高摻雜度的導(dǎo)電高分子的電導(dǎo)率在金屬范圍(10°~105S/cm)，對(duì)電磁波具有全反射的特性，即電磁屏蔽效應(yīng)，因此，導(dǎo)電高分子在電磁屏蔽技術(shù)上應(yīng)用已引起廣泛重視。例如德國(guó)Drmecon公司研制的聚苯胺與聚乙炔(PE)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的復(fù)臺(tái)物在1GHZ頻率處的屏蔽效率超過(guò)25dB，其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的含碳粉高聚合物的屏蔽效率。

傳感器

  導(dǎo)電高分子的電導(dǎo)率會(huì)依賴于溫度、濃度、氣體、雜質(zhì)等的變化而發(fā)生改變，因此可將導(dǎo)電高分子用作氣體或濃度等的敏感傳感器。通過(guò)最新研究，在生物醫(yī)學(xué)中有三種以導(dǎo)電高分子為基礎(chǔ)的傳感器正在得到應(yīng)用，分別是電化學(xué)傳感器、接觸傳感器〔人工皮膚)、熱傳感器。

生物材料

  在生命科學(xué)領(lǐng)域，導(dǎo)電高分子材料可制成智能材料，用于醫(yī)療和機(jī)器人制造方面。由于導(dǎo)電有機(jī)聚合物在微電流刺激下可以收縮或擴(kuò)張，因而具備將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的潛力，這類導(dǎo)電聚合物組成的裝置在較小電流刺激下同樣表現(xiàn)出明顯的彎曲或伸張/收縮能力。

導(dǎo)電高分子材料展望

  高分子材料替代金屬材料是今后材料學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，由此帶來(lái)導(dǎo)電性高分子的市場(chǎng)需求也將日益增長(zhǎng)，其應(yīng)用領(lǐng)域也會(huì)逐步擴(kuò)大，這就必然對(duì)導(dǎo)電性高分子提出更高的要求，其發(fā)展趨勢(shì)主要集中在以下幾個(gè)方面

·具有與金屬相同的電導(dǎo)率:摻雜聚乙炔的電導(dǎo)率從最初的103S/cm增加到105S/cm，與銅的電導(dǎo)率差不多，其它導(dǎo)電高分子的電導(dǎo)率水平也在提高。

·在空氣中的穩(wěn)定性:導(dǎo)電性高分子中氧原子對(duì)水是極不穩(wěn)定的，這是妨礙其實(shí)用化的最大問(wèn)題。

·具有高功能:支化和樹(shù)枝狀聚苯、環(huán)狀聚苯和環(huán)狀聚苯乙烯、環(huán)番(cyclophane，環(huán)狀苯環(huán)化合物)等，這些大分子在分子自組裝形成特殊的分子結(jié)構(gòu)排列，分子器件和分子電路材料以及特殊功能方面具有很多優(yōu)點(diǎn)。

·具有良好的加工成型性:導(dǎo)電高分子主鏈中的共軛結(jié)構(gòu)使分子鏈僵硬，不溶不熔，從而給自由地成型加工帶來(lái)困難。

·摻雜劑無(wú)毒:摻雜劑多是有毒的，如AsF5, I2, Br2等。

·經(jīng)濟(jì)性:其價(jià)格比金屬及普通塑料高，難以實(shí)用化。