導(dǎo)電高分子材料的應(yīng)用

1、導(dǎo)電高分子材料的應(yīng)用中國地質(zhì)大學(xué)，材化學(xué)院，武漢430000摘要：本文簡略介紹導(dǎo)電高分子材料的類型和部份制備方式，與介紹導(dǎo)電高分子材料目前的應(yīng)用，如在除可用作電器元件外，還可用作二次電池的電極材料、防靜電涂層及電顯示材料和隱身技術(shù)等，是一類性能優(yōu)良的新型功能材料。關(guān)鍵詞：導(dǎo)電高分子材料復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子隱身材料引言：2000年的諾貝爾化學(xué)獎得主通過研究證明了大伙兒通常以為絕緣的高分子材料在必然的條件下也能夠具有導(dǎo)電性。從那以后，導(dǎo)電高分子材料這一門新興的學(xué)科就此迅速進(jìn)展，成為材料學(xué)科研究中重要的一部份。導(dǎo)電高分子材料因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)而在很多方面取得普遍應(yīng)用，例如已

2、經(jīng)在隱身技術(shù)、顯示器、電池、電子器件、生物醫(yī)藥、傳感器等方面取得普遍的應(yīng)用。盡管導(dǎo)電高分子材料的進(jìn)展只有三十連年的歷史，但由于這門學(xué)科本身有著極為龐大的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用前景，因此吸引了世界各國的科學(xué)家從事該領(lǐng)域的研究。導(dǎo)電高分子材料具有如下優(yōu)勢：比金屬導(dǎo)體輕，對光電具有各向異性，易于成膜加工，可利用外界條件光、電、熱、壓力等改變或調(diào)劑導(dǎo)電體的物理性質(zhì)，可通過設(shè)計(jì)分子結(jié)構(gòu)合成特種功能的導(dǎo)電性材料。導(dǎo)電性高分子材料可分為兩大類：一類是復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料，另一類是結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子是指高分子本身或少量攙雜后具有導(dǎo)電性質(zhì)，一樣是電子高度離域的共鈍聚合物通過適當(dāng)電子受體或供體進(jìn)行攙雜后

3、制得的從導(dǎo)電時(shí)載流子的種類來看，結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子要緊分為兩類：（1）離子型導(dǎo)電高分子，它們導(dǎo)電時(shí)的載流子主若是離子。（2）電子型導(dǎo)電高分子，導(dǎo)電時(shí)的載流子主若是電子（或空穴），主若是指共鈍高分子.結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子的要緊品種有聚乙快（PPV）、聚苯胺（PAN）、聚毗咯（PPY）、聚嚷吩（PVK）.但通常，由于導(dǎo)電高分子的不熔性，和環(huán)境穩(wěn)固性的問題，在基礎(chǔ)研究和技術(shù)應(yīng)用上受到了極大的限制。結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子的制備方式要緊有以下幾種：化學(xué)氧化聚合法、電化學(xué)聚合法和熱分解燒結(jié)新工藝等。多數(shù)聚合物也沒有取得實(shí)際的應(yīng)用，只有聚苯胺例外，緣故在于它的性質(zhì)穩(wěn)固，易于加工，易于成膜，且膜柔軟，彈性好。更要緊的是價(jià)

4、錢低廉。正是由于上述優(yōu)勢使得聚苯胺（PAn）在工業(yè)和商業(yè)上具有普遍的應(yīng)用前景。PAn由于具有良好的電性能且電導(dǎo)率隨攙雜度的不同在必然范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變，但復(fù)合型材料不具有那個性質(zhì)，但能夠通過攙雜炭黑或金屬粉達(dá)到要求，可是所在電導(dǎo)率范圍較高，難已做到，相反PAn卻能夠輕易做到，利用其導(dǎo)電性可愛惜飛機(jī)不受雷電攻擊，切在航空和航天方面具有重要意義。另外操縱導(dǎo)電率在10-810-2之間澆或復(fù)合在衣服的纖維表面，可起到抗靜電的作用。另外，PAn的電化化學(xué)性能，Pan以強(qiáng)質(zhì)子酸進(jìn)行攙雜是可逆進(jìn)程，有電子得失，故材料可發(fā)生氧化還原反映，目前已應(yīng)用于運(yùn)算機(jī)輔助電源、鐘表、手提式工具和便攜等電源。復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料即

5、指聚合物為母體，與各類導(dǎo)電性物質(zhì)：如炭黑、石墨、醐花青絡(luò)合物或金屬粉等，通過度散復(fù)合、層積復(fù)合或形成表面導(dǎo)電膜等組成的材料。復(fù)合型導(dǎo)電高分子通常選用物理性能適宜的合成樹脂如聚氯乙烯、聚苯乙烯、丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、ABS樹脂和丁臘橡膠、氯丁橡膠、硅橡膠等，與具有良好導(dǎo)電性能的超微金屬、金屬氧化物及炭黑、石墨等混配制成導(dǎo)電塑料、導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電涂料和導(dǎo)電粘合劑等。這種高分子材料起載流作用的仍是金屬粉或炭黑，而合成樹脂只是起著支撐體和成型器件的作用。目前，這種導(dǎo)電材料已在電氣、無線電等工業(yè)中大量利用。另外能夠用作全塑電池的電極，其體積小，重量輕，蓄電能力是常規(guī)鉛酸電池的10倍，已應(yīng)用于汽車

6、工業(yè)。目前，復(fù)合型導(dǎo)電高分子所采納的復(fù)合方式要緊有兩種：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，即用結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電聚合物粉末或顆粒與基體樹脂共混，它們是抗靜電材料和電磁屏蔽材料的要緊用料，其用途十分普遍，是目前最有有效價(jià)值的導(dǎo)電塑料.另一種那么是將各類導(dǎo)電填料填充到基體高分子中的導(dǎo)電樹脂基復(fù)合材料，是以樹脂為基體，添加導(dǎo)電纖維、顆粒、粉末、球狀、塊狀導(dǎo)電體等制備而成.目前，這種導(dǎo)電材料已在電氣無線電等工業(yè)中大量利用。如導(dǎo)電塑料可用作印刷電路、電熱器原件、防靜電材料等。導(dǎo)電橡膠（硅橡膠）可用作電器連接器件起到與粘點(diǎn)、接觸面緊密貼合的作用，不僅導(dǎo)電性好，而且具有彈性，且抗震動和穩(wěn)固

7、性均良好。導(dǎo)電粘合劑可用于電子管的真空導(dǎo)電密封，波導(dǎo)元件和印刷電路的制造，半導(dǎo)體收音機(jī)的安裝和電子運(yùn)算機(jī)中插件的粘合等。最近幾年來這種復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料的應(yīng)用又有了一些新進(jìn)展，如導(dǎo)電橡膠與非導(dǎo)電橡膠分層疊合后一路硫化成型就可在非導(dǎo)電橡膠中形成份立的導(dǎo)電通路，用這種材料作顯示器的底座，既有電通路，又有防震、密封的作用。該產(chǎn)品已普遍用于數(shù)字式電子表中。在導(dǎo)電粘合劑方面也有很多新成績，如在人造衛(wèi)星、宇宙飛船上，幾千個硅太陽能電池的安裝，印刷電路與微元件的粘合確實(shí)是利用導(dǎo)電性粘合劑完成的。總之，這種復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料已經(jīng)開辟了十分普遍的應(yīng)用前景3共混型復(fù)合導(dǎo)電高分子基體高分子與結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子共混

8、，確實(shí)是采納機(jī)械或化學(xué)方式將結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子和基體高分子進(jìn)行復(fù)合，這是一條使結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子走向有效化的有效途徑.可是，基體高分子的熱穩(wěn)固性對復(fù)合材料的導(dǎo)電性能也有阻礙，一旦基體高分子鏈發(fā)生松弛現(xiàn)象，就會破壞復(fù)合材料內(nèi)部的導(dǎo)電途徑，致使導(dǎo)電性能明顯下降.通常采納化學(xué)法或電化學(xué)法，將結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子和基體高分子進(jìn)行微觀尺度內(nèi)的共混，那么可取得具有互穿或部份互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)合導(dǎo)電高分子利用這一方式已經(jīng)取得了PAN/聚甲醛（POM）、PPY/聚（乙烯接枝磺化苯乙烯）、PPY/聚酰亞胺（PI）等復(fù)合導(dǎo)電高分子。在研究進(jìn)展方面，三洋化成工業(yè)公司開發(fā)的以聚醍為主的特殊嵌段共聚物與PMMA、ABS和PA等基

9、體高分子組成的共混物也具有永久抗靜電成效，且相容性較好.美國Americhem公司等一起開發(fā)的PAN/PVC導(dǎo)電復(fù)合材料，當(dāng)PAN質(zhì)量含量為30%時(shí)，其體積電阻率達(dá)10-2Qcm量級，拉伸強(qiáng)度為4.2MPa伸長率大于250%。4填充型復(fù)合導(dǎo)電高分子導(dǎo)電填料摻入到一般的基體高分子中，經(jīng)各類成型加工方式復(fù)合制得導(dǎo)電高分子。導(dǎo)電填料的品種很多，經(jīng)常使用的可分成炭系和金屬系兩大類。炭系填料包括炭黑、石墨碳纖維和炭納米管等；金屬系要緊有鋁、銅、銀、鐵等金屬粉末、金屬片和金屬纖維，和鍍金屬的纖維和云母片等。通過實(shí)驗(yàn)研究將炭黑顆粒和金屬纖維填充即可制成復(fù)合導(dǎo)電高分子。分為碳黑填充型、金屬填充型、碳纖維填充型

10、、納米型導(dǎo)電高分子。5其他應(yīng)用以往的沉淀方式如印刷電路的制造中，第一在基板上鍍上一層金屬如銅，這需要電解沉淀方式完成?？墒沁^去的沉淀方式需要催化劑，而這些催化劑往往有毒。相反，采納聚毗咯作為預(yù)涂層，涂在基板上，能夠幸免以上的問題，且無毒、加工簡單、附著性好、沉淀在聚毗咯涂層上的金屬層的易剝離，關(guān)鍵的是可實(shí)現(xiàn)穿孔電鍍。在兩電極間充以高分子固體電解質(zhì)，施加一低于電極和電解質(zhì)分解電位的直流電壓，離子將移向一端電極，從而電解質(zhì)和電極之間形成雙電層，這種雙電層容量大，可作為高容量的電容器。電致變色是指物質(zhì)在外加電壓作用下，發(fā)生電化學(xué)氧化還遠(yuǎn)而使顏色改變的進(jìn)程。利用電致變色機(jī)理，可作為電致變色顯示器、自動

11、調(diào)光窗玻璃等。在固體電解質(zhì)中有許多材料對離子的透過具有選擇性，因此能夠在高分子固態(tài)電解質(zhì)薄膜雙側(cè)造成某種特定離子的濃度差，通過測定由此而產(chǎn)生的電動勢，就能夠?qū)⒏叻肿庸腆w電解質(zhì)用作離子傳感材料。目前，已有效多嵌段聚醍氨醋脈與氯化鉀的復(fù)合物制成了一種高分子固態(tài)離子導(dǎo)體涂絲氯離子的選擇電極。這種電極既維持了涂絲電極的優(yōu)勢，同時(shí)具有沒必要活化、響應(yīng)速度快、重現(xiàn)性好、內(nèi)阻小、穩(wěn)固性好等優(yōu)勢。導(dǎo)電高分子材料作為吸收劑被應(yīng)用。導(dǎo)電聚合物要緊有聚乙快、聚毗咯、聚嚷吩和聚苯胺等，這些導(dǎo)電聚合物的納米微粉具有良好的吸波成效，與納米金屬吸收劑復(fù)合后吸波成效更佳。聚苯胺由于其結(jié)構(gòu)的多樣化，環(huán)境穩(wěn)固性好、易加工、價(jià)錢低

12、廉和特殊的攙雜機(jī)制而成為導(dǎo)電高分子的研究熱點(diǎn)。其已被應(yīng)用于吸波材料和電磁屏蔽材料。在美國用聚苯胺制成的導(dǎo)電高分子屏蔽材料的屏蔽成效已達(dá)到40dB以上。我國華因科技研制的屏蔽系列涂料，在80wm時(shí)，屏蔽效能達(dá)到了40dB60dB。利用攙雜態(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，已經(jīng)用導(dǎo)電聚毗咯纖維編制成迷彩蓋布，能夠干擾敵方的電子偵查。在電子儀器的殼體內(nèi)部或孔壁涂上導(dǎo)電高分子涂層可將其導(dǎo)電能力提高到10-1S/cm以上，以實(shí)現(xiàn)儀器殼體內(nèi)外的電磁屏蔽作用。利用導(dǎo)電高分子在攙雜前后導(dǎo)電能力的巨大轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)防護(hù)層從反射電磁波到透過電磁波的切換，實(shí)現(xiàn)智能隱身的功能。用于熱隱身的材料應(yīng)具有以下大

13、體特點(diǎn)：具有符合要求的熱紅外發(fā)射率或較強(qiáng)的控溫能力；具有合理的表面結(jié)構(gòu)；具有較低的太陽能吸收率；能與其它頻段的隱身要求兼容。國外研究得較多的是涂料型紅外隱身材料，第二是薄膜材料。紅外粘合劑及紅外涂層用樹脂有以下特點(diǎn)：必需愛惜好填料，并在涂層的整個利用期維持它們的紅外特性不變；第二，樹脂必需在所選光譜范圍紅外特性的透明，導(dǎo)電高分子比較符合要求，因此在紅外隱身技術(shù)中取得普遍應(yīng)用。結(jié)論：目前導(dǎo)電高分子的材料的應(yīng)用范圍不斷增大，尤其在軍事方面，從20世紀(jì)50年代起，美國開展隱身技術(shù)研究，20世紀(jì)70年代開始研制隱身飛機(jī)，80年代隱身飛機(jī)裝備軍隊(duì)。相較之下，我國在該領(lǐng)域的起步較晚，隨著對導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電機(jī)理研究的不斷深切，由于導(dǎo)電高分子復(fù)合材料具有極強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性，在隱身技術(shù)中會取得加倍充分的應(yīng)用，國內(nèi)必然要在此方面有所作為，進(jìn)展自己的隱身技術(shù)和材料，另外也提升復(fù)合導(dǎo)電高分子材料在攙雜物質(zhì)從而提高導(dǎo)電性方面的水平，減少乃至幸免飛機(jī)受到雷電攻擊造成