导电高分子材料

　　导电高分子材料是具有导电功能的聚合物材料，随着科学技术以及化工技术的高速发展，导电高分子材料以其自身具有的易加工、质量轻、抗腐蚀、易成型等特性，实现了更大的商业价值以及环保价值，从而得到了人们越来越多的关注。

导电高分子材料分类

　　导电高分子材料可以通过产生的方式和结构的不同分为复合型材料与结构型材料两类，这两类材料虽然具有较为相似的特性，但是也存在着较大的差别，而且应用的方向和范围也有所不同。

　　1、复合型导电高分子材料

　　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、结构型导电高分子材料

　　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，电导率一般在半导体的范围。采用掺杂技术可使这类材料的导电性能大大提高。如在聚乙炔中掺杂少量碘，电导率可提高12个数量级，成为“高分子金属”。经掺杂后的聚氮化硫，在超低温下可转变成高分子超导体。

　　结构型导电高分子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。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。

导电高分子材料的制备

　　1、复合型导电高分子的制备方法

　　复合型导电高分子在制备中所用的复合方法主要有两种：一种是把亲水性聚合物或者结构型导电高分子和基体高分子放在一起进行共混;另一种是将各种导电填料，如金属粉末、铝纤维、碳纤维、不锈钢纤维及很多金属纤维填充到基体高分子里面，填充的纤维Z佳直径为7μm。

　　纤维状填料的接触几率很大，因此金属纤维在填充量很少的情况下就可以获得较高的导电率。其中，金属纤维的长径比对材料的导电性能有很大的影响，长径比越大，其导电性和屏蔽效果越好。

　　2、结构型导电高分子的制备方法

　　结构型导电高分子的制备方法主要有以下几种：化学氧化聚合法、电化学聚合法以及热分解烧结新工艺等。

　　①化学氧化聚合法

　　化学氧化聚合是在酸性的条件下用氧化剂制得电导率高、性质基本相同、稳定性好的聚合物，经常使用的氧化剂有(NH₄)₂S₂O₈，KIO₃，K₂Cr₂O₇等，它们往往同时也是催化剂。

　　化学氧化聚合法制备聚合物主要受反应介质酸的种类及浓度、氧化剂的种类及浓度、反应温度及时间、单体浓度等因素的影响。研究较多的主要是溶液聚合、乳液聚合、微乳液聚合、界面聚合、定向聚合、液晶结合及中间转化法等。

　　②电化学聚合法

　　电化学聚合法主要有恒电流法、恒电位法、脉冲极化法以及动电位扫描法。

　　以聚苯胺为例，电化学聚合法是在含苯胺的电解质溶液中采用适当的电化学条件，使苯胺发生氧化聚合反应，生成聚苯胺薄膜黏附于电极表面，或者是聚苯胺粉末沉积在电极表面，一般都是苯胺在酸性溶液中，在阳极上进行聚合。

　　影响聚苯胺电化学聚合法的因素主要有：苯胺单体的浓度、电解质溶液的酸度、电极材料、电极电位、溶液中阴离子种类、聚合反应温度等。电化学聚合法的优点是产物的纯度比较高，聚合时反应条件较简单而且容易控制;缺点是只适宜合成小批量的聚苯胺，很难进行工业化生产。

　　采用化学氧化聚合法制备的聚合物不溶不熔，而且力学性能和加工性能比较差，难以直接进行加工应用;利用电化学聚合法虽然可以获得聚合物的导电膜，但是膜的面积会受到电极面积的限制，不可能做成大面积的实用导电膜。

　　此外，还有一种聚合方法对于导电高分子材料有很好的合成前景，就是酶促聚合。利用酶促聚合方法制备聚苯胺虽然十年之前就报道过，但对于聚吡咯直到Z近也没有成功地通过酶促聚合制备出来。有学者相信之所以这样是因为相比于苯胺，吡咯具有更高的氧化电势，由于氧化酶和漆酶的氧化电势比吡咯的低，所以这些酶上的活性位点不能够直接氧化吡咯单体。可以通过寻找合适的酶促反应催化剂来降低氧化电势，从而使反应顺利进行。

导电高分子材料的导电机理

　　1、复合型导电高分子材料的导电机理

　　复合型导电高分子材料中填料的分散状态决定了材料的导电性，从渗流理论中可看出，孤立分散的填料微粒松散地填充于材料中时，当体积分散达到一定的临界含量以后，就可能形成一个连续的导电通路。

　　这时的离子处于两种状态：一是电荷载流子可以在导体内连续地流动，此时离子间发生的是物理接触;二是由于离子间存在粘接剂薄层，载流子本身被激活而运动。所以，复合型导电高分子材料能导电的条件是填充材料应该既一定程度地分散，又能形成松散的网络分布。

　　复合型导电高分子材料中填充材料的成分、填料粒子的分散状态及其与聚合物基体的相互作用都决定了复合材料的导电性，要想材料能具有更良好导电性，必须使填料粒子既能较好地分散，又能形成三维网状结构或蜂窝状结构。

　　2、结构型导电高分子材料的导电机理

　　离子型导电高分子材料中，像聚醚、聚酯这样的大分子链会形成螺旋体的空间结构，阳离子与其配位络合，并且在大分子链段运动促进下在其螺旋孔道内通过空位进行迁移，或者是被大分子“溶剂化”了的阴阳离子在大分子链的空隙间进行跃迁扩散。

　　电子型导电高分子材料中，主体高分子聚合物大多数为共轭体系，长链中的π键电子活性较大，尤其是与掺杂剂形成电荷转移络合物之后，很容易就会从轨道上逃逸出来而形成自由电子。

　　大分子链内以及链间的π电子由于轨道重叠交盖可以形成导带，这样就可以为载流子的转移和跃迁提供通道，在外加能量以及大分子链振动的推动下就可以传导电流了。

导电高分子材料的应用

　　1、电极材料中的应用

　　导电高分子材料作为电极材料的应用是目前应用Z广泛的一种。实践证明，在以高分子材料如，聚乙炔、聚苯胺、作为电极材料的电池中，电池所具有的电功率、电容量和电能质量相对于传统电池而言具有强大的优势。例如，以聚苯胺为电极材料、以Al-EMIC为电解质的电池中，电压可达到1.0V，以活性碳纤维为电极的电池具有很强的电容量。

　　从而可见，导电高分子材料作为电极材料的应用具有广泛的发展前景和商业价值，但在实际发展中电解质仍存在不稳定性，这需要人们对此进行进一步的研究。

　　2、电解沉淀物中的应用

　　导电高分子材料在金属电解沉淀中的应用具有重要的意义。一般情况下，在印刷电路的工艺制造中，通常需要采用电解沉淀的方法进行金属沉淀过程，而传统的制作过程中，大都采用具有有毒性质的化学药剂进行电解，具有一定的危害性且成本较高。

　　采用导电高分子材料如，聚毗咯为基质进行电解沉淀，不仅实现了电解的无毒性发展，也在一定程度上简化的制作流程，增强了金属吸附性。

　　3、电容器中的应用

　　导电高分子材料中的高分子电解质在充当电极固体电解质的过程中时，会在电极与电解质之间形成容量巨大的双电层，这种双电层在一定程度上，通过采用一些手段可制作成电容器。多数实践证明，以混合物作为电容器电解质具有较强的电导率;以高分子材料混合物为电解质制成的电偶电容器，则具有很强的充电放电性，有时电容量能达到0.57F/cm²。

　　4、固体电池中的应用

　　在传统的电池中，一般采用液态物质为电解质，从而导致电池经常出现漏液、受潮、稳定性差的现象产生。而通过利用导电高分子材料中的高分子固态电解质并制成相应的电极保护膜，则有效的取代了原有的液态电解质，并在减轻电池自身重量的基础上，提升了电池蓄电的能力。此外，有研究表明，通过利用聚吡咯、氧化乙烯固态电解质能制成电压为0.35的光电池，该电池在很大程度上具有绿色环保性质。

　　5、电致变色上的应用

　　所谓的电致变色主要是指：通过对物质施加一定的电压，导致物质发生了一定化学反应，从而改变物质颜色变化的过程。实践证明，导电高分子材料在基于电致变色原理的基础上，可有效的发生电致变色过程，从而可将导电高分子材料应用于电致变色领域中，如电致变色智能玻璃、电致变色板等。

　　6、传感器上的应用

　　在导电高分子材料中的高分子固态电解质中，在基于不同离子所具有的性质的基础上，采用一定的技术手段进行有效测定可制造出电动势，从而将导电高分子材料中的高分子固态电解质制成传感材料，并应用于传感器中。

　　7、其他方面的应用

　　导电高分子材料除上述介绍到的应用外，在其他领域、其他方面同样具有一定的应用价值。例如，微波吸收材料中的应用、半导体元器中的应用、超导体材料中的应用、电子设备仪器防干扰中的应用等。目前，有关于导电高分子材料如何减小热力学、动力学等外界因素的影响，实现在日常生活中的广泛应用以及在新材料中的研究应用，已成为人们研究的ZD。

导电高分子材料发展趋势

　　下面对其有待发展的方面进行研究和展望。

　　1、解决导电高聚物的加工性和稳定性。现有的导电高分子聚合物多数不能同时满足高导电性、稳定性和易加工性。合成可溶性导电高聚物是实现可加工性和研究结构与性能的有效途径。

　　2、自掺杂或不掺杂导电高分子。掺杂剂不稳定或聚合物脱杂往往影响聚合物的导电性。因此，合成自掺杂或不掺杂导电高分子可以解决聚合物稳定性问题。

　　3、在分子水平研究和应用导电高聚物。开发新的电子材料和相应的元件已引起各国科技工作者的重视。如果技术上能很好地解决导电高分子的加工性并满足绿色化学的要求，使其实现导电高分子实用化，必将对传统电子材料带来一场新的技术革命。

　　高分子合成材料被广泛地应用于生产与生活之中，在现代技术发展与科技进步的要求下，导电高分子材料的应用也得到了普遍的应用。社会的发展需要新型材料的不断支持，同时也需要对现有材料进行更加深入和完善的研究。

　　通过研究可以发现，在导电高分子材料的应用中，仍有许多方面没有充分发挥出其真正的使用价值，这也就表明该材料的应用具有广阔的发展空间。因此，对导电高分子材料进行继续研究，使其能够充分利用到实际的生产和生活中是非常重要的。