導(dǎo)電高聚物的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)*

劉俊娟

(河北師范大學(xué)附屬民族學(xué)院河北 石家莊050091)

魏增江

(石家莊理工職業(yè)學(xué)院河北 石家莊050091)

*河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究指導(dǎo)項(xiàng)目“側(cè)基取代有機(jī)共軛聚合物中極化子動(dòng)力學(xué)的研究”，項(xiàng)目編號(hào)：Z2014034；河北師范大學(xué)科學(xué)研究基金項(xiàng)目“側(cè)基取代有機(jī)共軛聚合物中極化子動(dòng)力學(xué)的研究”，項(xiàng)目編號(hào)：L2012Q18

摘 要：介紹了導(dǎo)電高聚物材料的特點(diǎn)、分類及其應(yīng)用領(lǐng)域,并對(duì)導(dǎo)電高聚物的發(fā)展前景進(jìn)行了展望.

關(guān)鍵詞：導(dǎo)電高聚物復(fù)合型結(jié)構(gòu)型

收稿日期：(2015-03-19)

作者簡(jiǎn)介：劉俊娟(1982-)，女，碩士，講師，主要研究物理課程與教學(xué)論和從事高聚物的研究.

通訊作者：魏增江(1981-)，男，碩士，講師，主要研究物理課程與教學(xué)論和從事高聚物的研究.

1導(dǎo)電高聚物材料的特征

自1977年，百川英樹與A.MacDiarmid和A.Heeger合作，通過摻雜使聚乙炔的電導(dǎo)率提高了12個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到了103(Ω·cm)-1，變成了良導(dǎo)體，從而出現(xiàn)了導(dǎo)電聚合物.所謂導(dǎo)電聚合物(導(dǎo)電高分子)是由具有共軛π-鍵的高分子經(jīng)化學(xué)或電化學(xué)“摻雜”使其由絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體的一類高分子材料[1].導(dǎo)電高分子除了具有高分子的結(jié)構(gòu)特征外，還由“摻雜”而引入的一價(jià)對(duì)陰離子(p-型摻雜)或?qū)﹃栯x子(n-型摻雜)構(gòu)成.所以，通常導(dǎo)電高分子是由高分子鏈結(jié)構(gòu)和與鏈非鍵合的一價(jià)陰離子或陽離子共同組成[2].因此，導(dǎo)電高分子不僅具有由于摻雜而帶來的金屬高電導(dǎo)率和半導(dǎo)體的特性，還具有高分子的可分子設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)多樣化、可塑性和耐腐蝕的特點(diǎn)，稱為一類新的有機(jī)導(dǎo)體.

2導(dǎo)電高聚物材料的分類

按照材料的結(jié)構(gòu)與組成, 可將導(dǎo)電高聚物材料分為兩大類:一類是復(fù)合型導(dǎo)電高聚物材料, 另一類是結(jié)構(gòu)型(或本征型)導(dǎo)電高聚物材料.

2.1復(fù)合型導(dǎo)電高聚物材料

復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料是將各種導(dǎo)電性物質(zhì)以不同的方式和加工工藝填充到聚合物基體中而構(gòu)成的材料.復(fù)合型導(dǎo)電高分子所采用的復(fù)合方法主要有兩種[3,4]:一種是將親水性聚合物或結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子與基體高分子進(jìn)行共混, 另一種則是將各種導(dǎo)電填料填充到基體高分子中,如填充各類金屬粉末、金屬化玻璃纖維、碳纖維、鋁纖維及鎳、鉻、鎂等金屬纖維.復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料具有以下特點(diǎn)：(1)省力、經(jīng)濟(jì)，成型制品和屏蔽化一次完成；(2)無需二次加工, 無需特殊設(shè)備；(3)屏蔽性能長(zhǎng)期穩(wěn)定、安全可靠.

2.2結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高聚物材料

結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子是帶有共軛雙鍵的結(jié)晶性高聚物，是指高分子材料本身或經(jīng)過摻雜后具有導(dǎo)電功能的聚合物.這種高分子材料本身具有“固有”的導(dǎo)電性，由其結(jié)構(gòu)提供導(dǎo)電載流子, 一旦經(jīng)摻雜后, 電導(dǎo)率可大幅度提高, 甚至可達(dá)到金屬的導(dǎo)電水平.結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料又被分為離子型和電子型兩類.它們的載流子分別為離子和電子(或空穴)，這類導(dǎo)電聚合物具有低密度、易加工成型、易導(dǎo)電性能等優(yōu)點(diǎn).最早發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高聚物是摻雜聚乙炔,在隨后的研究中科研工作者又相繼開發(fā)了聚吡咯、聚對(duì)苯撐、聚噻吩、聚對(duì)苯撐乙烯撐、聚苯胺等導(dǎo)電高分子[5].

3導(dǎo)電高聚物材料的特性及應(yīng)用

導(dǎo)電高聚物材料的優(yōu)良特性，使其在很多方面都有廣泛的應(yīng)用.

3.1電導(dǎo)體

通用高分子材料與各種導(dǎo)電性物質(zhì), 如金屬粉、炭黑等通過填充復(fù)合、表面復(fù)合等方式可以制成導(dǎo)電塑料、導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電纖維織物等[6].經(jīng)過復(fù)合得到的導(dǎo)電硅橡膠與金屬導(dǎo)體相比具有:優(yōu)良的加工性能；柔軟,耐腐蝕,低密度,高彈性；電導(dǎo)率可選擇的范圍寬等優(yōu)點(diǎn).例如導(dǎo)電膠粘劑在印刷線路板、鍵盤開關(guān)、混合式集成電路、小片粘合等電氣、電子有關(guān)的產(chǎn)業(yè)部門已廣泛應(yīng)用.

3.2電磁屏蔽材料

導(dǎo)電高分子室溫電導(dǎo)率可在絕緣體-半導(dǎo)體-金屬態(tài)范圍內(nèi)變化，具有高電導(dǎo)的導(dǎo)電高分子可用于電磁屏蔽、防靜電、分子導(dǎo)線等技術(shù)上.例如，質(zhì)量輕、耐腐蝕的導(dǎo)電塑料代替金屬作為電子產(chǎn)品的外殼可以有效的起到電磁屏蔽作用[7],電磁屏蔽主要用來防止高頻電磁場(chǎng)的影響，從而有效地控制電磁波從某一區(qū)域向另一區(qū)域進(jìn)行輻射傳播.其基本原理是采用低電阻值的導(dǎo)體材料,利用電磁波在屏蔽導(dǎo)體表面的反射,在導(dǎo)體內(nèi)部的吸收及傳輸過程的損耗而產(chǎn)生屏蔽作用.

3.3隱身材料

導(dǎo)電高分子不僅可以摻雜，而且還可以脫摻雜，并且摻雜-脫摻雜的過程完全可逆.利用摻雜態(tài)導(dǎo)電高分子的導(dǎo)電性和半導(dǎo)體性，反射或吸收電磁波的特性，可用于隱身材料的應(yīng)用.例如用導(dǎo)電聚吡咯纖維編制成迷彩蓋布，可以干擾敵方的電子偵察.利用導(dǎo)電高分子在摻雜前后導(dǎo)電能力的巨大變化，實(shí)現(xiàn)防護(hù)層從反射電磁波到透過電磁波的切換，從而實(shí)現(xiàn)智能隱身的功能[8].

3.4傳感器

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電高分子與大氣某些介質(zhì)作用時(shí)其室溫電導(dǎo)率會(huì)發(fā)生明顯的變化，若除去這些介質(zhì)又會(huì)自動(dòng)恢復(fù)到原狀.這種變化主要利用高聚物摻雜/脫摻雜的可逆過程，利用這一特性可實(shí)現(xiàn)高選擇性、靈敏度高和重復(fù)性好的氣體或生物傳感器.如,通過研究各種氣體與聚苯胺膜或聚吡咯膜的作用引起的電導(dǎo)率變化規(guī)律, 可將聚苯胺膜用于化學(xué)傳感器[9].

3.5顯示材料

電解合成的導(dǎo)電高分子材料在電化學(xué)摻雜時(shí)會(huì)伴隨著顏色的變化，利用這一特性可以將其用作變色器材.這一類導(dǎo)電高分子能夠進(jìn)行電化學(xué)脫摻雜和再摻雜，并且發(fā)生還原可逆的電化學(xué)反應(yīng)，通過電化學(xué)摻雜可以使導(dǎo)電高分子材料變?yōu)榻^緣體，氧化摻雜可以使其變?yōu)閷?dǎo)體，并且材料的導(dǎo)電性會(huì)隨著摻雜與脫摻雜的程度不同而發(fā)生相應(yīng)變化，而其光學(xué)性質(zhì)也會(huì)隨其發(fā)生相應(yīng)的變化[10]，根據(jù)這個(gè)特性，可以將其作為顯色材料.

3.6電池

導(dǎo)電高分子具有可逆的電化學(xué)氧化還原特性, 而且還有相對(duì)密度小、室溫電導(dǎo)率大和比表面積較大等特點(diǎn)，所以它可以作為電池極好的電極材料.比如聚毗咯有較高的摻雜程度和較強(qiáng)的穩(wěn)定性，并且對(duì)電信息的變化也十分敏感.用導(dǎo)電高分子材料做成的二次電池具有易生產(chǎn)加工成膜、可繞曲、小型輕便、能量高等特點(diǎn).例如用間苯二酚糠醛生成的水凝膠和有關(guān)聚合物制備具有高能量密度的雙層電容器或用CO2作電極的電池[11]等.

4導(dǎo)電高聚物材料的發(fā)展趨勢(shì)

隨著生產(chǎn)和科技的發(fā)展，人們對(duì)高聚物材料的性能提出了各種各樣新的要求.總的來說，今后高分子材料總的發(fā)展趨勢(shì)是高性能化、高功能化、復(fù)合化、智能化和綠色化.

4.1高功能化

功能高分子材料是材料領(lǐng)域最具活力的新領(lǐng)域，目前功能高分子材料分為兩類: 一類是在原來高分子材料的基礎(chǔ)上，使其成為更高性能和功能的高分子材料，另一類是具有新型功能的高分子，例如，化學(xué)功能高分子材料、光功能高分子材料、電功能高分子材料、高分子液晶等[12]，如可以像金屬一樣導(dǎo)熱導(dǎo)電的高聚物，能吸收自重幾千倍的高吸水性樹脂，可以作為人造器官的醫(yī)用高分子材料等.鑒于以上發(fā)展，高分子吸水性材料、光致抗蝕性材料、高分子分離膜、高分子催化劑等都是功能高分子的研究方向.

4.2高性能化和復(fù)合化

復(fù)合化是達(dá)到材料高性能化與高功能化的必要途徑之一.高性能的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是新材料革命的一個(gè)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、高模量的纖維增強(qiáng)材料的研究與開發(fā)；(2)合成具有高強(qiáng)度，優(yōu)良成型加工性能和優(yōu)良耐熱性的基體樹脂；(3)界面性能、粘結(jié)性能的提高及評(píng)價(jià)技術(shù)的改進(jìn)等方面.

4.3智能化和綠色化

高分子材料的智能化是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的重大課題.智能材料是使材料本身帶有生物所具有的高級(jí)智能，例如預(yù)知預(yù)告性，自我診斷、自我識(shí)別能力，刺激響應(yīng)和環(huán)境應(yīng)答能力等特性，根據(jù)人體的狀態(tài)，控制和調(diào)節(jié)藥劑釋放的微膠囊材料等.由功能材料到智能材料是材料科學(xué)的又一次飛躍.同時(shí)，任何材料的使用給人類帶來的污染是不能忽視的，因此要求高分子材料生產(chǎn)的綠色化，選用無毒無害的原料，利用可再生資源合成高分子材料，高分子材料的再循環(huán)利用等.

另外，導(dǎo)電高聚物也面臨著納米化和實(shí)用化的挑戰(zhàn)，若這些挑戰(zhàn)所帶來的發(fā)展機(jī)遇與導(dǎo)電高聚物相結(jié)合，堅(jiān)信這將成為21世紀(jì)材料科學(xué)的研究前沿.

參 考 文 獻(xiàn)

1萬梅香. 導(dǎo)電高分子．高分子通報(bào)，1999，9(3)：47

2(日)雀部博之. 導(dǎo)電高分子材料. 曹鏞，葉成，朱道本譯.北京: 科學(xué)出版社, 1989. 205

3張福強(qiáng), 王立新.永久性抗靜電劑.塑料科技, 1996(1):5

4王克智.共混高聚物——炭黑復(fù)合材料的導(dǎo)電特性.塑料科技,1996(4):42

5藍(lán)立文.功能高分子材料.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社, 1995.124

6江東亮.新材料.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 1994 .224

7酈華興,王松林，彭力賢，等.金屬填充導(dǎo)電高分子材料研究.中國塑料, 1999 , 13(1):18

8宮兆合，梁國正，任鵬剛，等.導(dǎo)電高分子材料在隱身技術(shù)中的應(yīng)用.高分子材料科學(xué)與工程，2004，20(5):31

9謝丹．聚苯胺基LB膜的制備及氣敏特性的研究.高分子學(xué)報(bào),2001(2)：224～227

10袁玫．導(dǎo)電高分子材料的發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢(shì)．民營科技,2014(3)：5

11周朝華，張?zhí)炖恚?糠醛系功能高分子材料概述．高等化學(xué)學(xué)報(bào),1985(6) ：281

12呂傳香,金鳳玉，梁鳳，等．新型功能高分子材料．廣州化工,2013，41(20)：8