导电高分子

导电高分子

常州轻工职业技术学院常州1013263211

摘要：通过对导电高分子的学习，让我对导电高分子的类型、掺杂、导电机理、导电高分子材料的应用、发展有了近以步的了解。此文章是我对这些内容的概括。

关键词：类型、掺杂、导电机理、导电高分子材料的应用。

一、概括:

一类具有导电功能（包括半导电性、金属导电性和超导电性）、电导率在10S／m以上的聚合物材料。高分子导电材料具有密度小、易加工、耐腐蚀、可大面积成膜以及电导率可在十多个数量级的范围内进行调节等特点，不仅可作为多种金属材料和无机导电材料的代用品，而且已成为许多先进工业部门和尖端技术领域不可缺少的一类材料。高分子材料长期以来被作为优良的电绝缘体，直至1977年，日本白川英树等人才发现用五氟化砷或碘掺杂的聚乙炔薄膜具有金属导电的性质，电导率达到10S/m。这是第一个导电的高分子材料。以后，相继开发出了聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺、聚噻吩等能导电的高分子材料。

二、导电高分子的导电机理[1]

1.载流子是由孤立子、极化子、双极化子等自由基离子构成的

2.极化子和孤立子的存在和跃迁使高分子链具有了导电性

三、导电高分子的领军人物:

导电聚合物（聚乙炔）由日本科学家白川英树最先发现，美国科学家 Heeger 和MacDiarmid 也是这一研究领域的先驱。这三位科学家由于在导电聚合物研究中的突出贡献，共同获得了2000年的诺贝尔化学奖。

美国物理学家美国化学家日本化学家

Heeger MacDiarmid Shirakawa

四、导电高分子的主要类型

除了最早的聚乙炔（PA）外，主要有聚吡咯(PPY)、聚噻吩(PTH)、聚对苯乙烯(PPV)、聚苯胺(PANI)以及他们的衍生物，其中聚苯胺结构多样、掺杂机制独特、稳定性高技术应用前景广泛，在目前的研究中备受重视，其中聚乙炔的所能达到的电导率在已发现的导电聚合物中是最高的，达到了105S/cm量级，接近Pt和Fe的室温电导率

五、电高分子的掺杂

1.什么是导电高分子的掺杂呢？

纯净的导电聚合物本身并不导电，必须经过掺杂才具备导电性

掺杂是将部分电子从聚合物分子链中迁移出来从而使得电导率由绝缘体级别跃迁至导体级别的一种处理过程

导电聚合物的掺杂与无机半导体的掺杂完全不同

2.导电高分子的掺杂与无机半导体的掺杂的对比

3.目前掺杂的方式主要有两种：

3.1氧化还原掺杂：可通过化学或电化学手段来实现。化学掺杂会受到磁场的影响，遗

憾的是目前为止还没有发现外加磁场对聚合物的室温电导率有明显的影响

3.2质子酸掺杂：一般通过化学反应来完成，近年发现也可通过光诱导施放质子的方

法来完成

3.3还有掺杂—脱掺杂—再掺杂的反复处理方法，这种掺杂方法可以得到比一般方法更

高的电导率和聚合物稳定性

六、导电高分子材料的应用

导电聚合物特殊的结构以及优异的物理化学性能，使得其在能源（二次电池、太阳能电池、固体电池），光电器件，晶体管，镇流器，发光二极管（LED），传感器（气体和生物）,电磁屏蔽，隐身技术以及生命科学等方面都有诱人的应用前景

高分子材料在很长一段时期都被用作电绝缘材料.随着不同应用领域的需要以及为进一步拓宽高分子材料的应用范围，一些高分子材料被赋予某种程度的导电性以致成为导电高分子材料.第一个高导电性的高分子材料是经碘掺杂处理的聚乙炔，其后又相继开发了聚吡咯、聚对苯撑、聚苯硫醚、聚苯胺等导电高分子材料

1、由于这些导电高分子材料都具有共轭键结构，并且主要是由化学方法处理得到的，因此常称为本征型导电高分子材料.但是，这类材料的稳定性、重现性较差，电导率分布范围较窄，成本较高，而且加工困难，尚未进入批量生产的实用阶段〔2〕.本征型导电高分子材料在应用方面遇到的困难短期难以解决，促使人们转而研究和开发导电高分子复合材料.导电高分子复合材料是以高分子材料为基体，通过加入导电功能体，经过分散复合、层积复合以及形成表面导电膜等方式处理后形成的多相复合导电体系.由于原料易得、工艺相对简单、成本较低、电阻率可在较大范围内调节，同时具有一定程度的再加工性并兼有高分子基体材料的一些优异性能而受到广泛重视.

导电高分子复合材料的研究工作主要有：

① 复合材料导电机理的理论研究、特殊效应机理的理论研究；

② 用不同方法研制新材料的实验研究；

③ 材料应用的实验研究.

导电高分子复合材料导电机理的理论研究工作通常又包括导电通路的形成和形成导电通路后的导电机理两方面.前者研究的是加入聚合物基体中的导电功能体在给定的加工工艺条件下，如何达到电接触而在整体上自发地形成导电通路这一宏观自组织过程；后者则主要涉及导电通路或部分导电通路形成后载流子迁移的微观过程.显然，无论是宏观过程还是微观过程，它们都受到复合体系的几何拓扑、热力学和动力学等多种因素的制约.因此，导电高分子复合材料的理论研究工作一方面呈现多样性、复杂性，另一方面又与实验结果之间存在着不同程度的差异，而且许多理论结果往往不具有普适性.新材料的实验研究工作采用的主要方法有：组分改造(改变基体种类、改变导电功能体种类)；整体或组分物性改造(磁化、接枝、热处理、结晶、浸渍)；结构改造(板状、叠层、发泡)；导电功能体形状改造(粒状、球状、中空状、纤维状)等.应用研究则包括根据应用条件和具体要求解决各种实际问题的理论和实验研究.

七、导电聚合物的发展方向

导电聚合物即通常所说的“导电塑胶”的发现已经过去了20多年，在这期间多次被提名诺贝尔奖，但是一直未能修成果。今年，诺贝尔化学奖终于颁给了它的三位发明者，美国宾夕法尼亚大学马克迪尔米德教授、另一位美国科学家黑格尔教授以及日本科学家白川英树教授。正是由于他们的努力，导电聚合物才成为了对物理学家和化学家都具有重要意义的研究课题。对这次诺贝尔化学奖的颁布结果，中国科学院化学所万梅香研究员由衷地感到高兴，因为获奖者之一的马克迪尔米德教授是她的博士后导师。"导电聚合物获得诺贝尔奖，是对从事该项工作的人的最大肯定和鼓舞。"她说。在接受本报记者采访时，万梅香研究员介绍说，在传统观念中，有机高分子聚合物塑料等是绝缘体，是不导电的。但是上述三位科学家成功地制造出了一种"导电聚合物"，使它的导电性能达到了103s／cm，约为铜的一半一般说来，物体可以分为四种形态：绝缘体、半导体、导体和超导体，导电聚合物实现了从绝缘体到半导体、再到导体的变化，是所有物质中能够完成这种形态变化跨度最大的，正是这些特性使导电聚合物具有了许多优异的应用性能。

1977年,日本科学家白川英树的一位学生在做合成聚乙烯的实验时，将催化剂的量不小心提高下三个数量级，结果合成出来的聚乙烯不是通常情况的粉末状，而是

成为了具有金属光泽的薄膜状。此时美国科学家马克迪尔米正好在白川英树的实验室做访问学者，他知道了这件事情，马上将这种薄膜与他一直在思索的聚合物的导电性问题联系起来。之后他们利用无机半导体杂的办法，将碘掺杂到这种薄膜中，使聚乙烯电学性能从10-9提高到103，从而达到了金属态。

后来，美国另一位科学家黑格尔利用导电聚合物发明了种可以弯曲、很薄的电子器件发光二极管，迈出了导电聚合物实用化的第一步。

由于规模化应用没有得到很好的突破，导电聚合物一度陷入低潮，但是对于它的研究一直在继续。中国科学院化学所钱人元院士说：“科学研究就是这样的，一个巨大的发现在当时可能并不引人注目；但是它的价值一定会有得到认可的一天。投资技术的研究有时间上的风险，你不能总要求它在商业化上立竿见影。”今年诺贝尔奖揭晓前，万梅香研究员在为次合成金属会议准备的讲稿中说：“导电聚合物领域发展至今仍然是材料领域和高新技术领域的研究热点；在该领域内挑战与机遇并存；最近的研究成果预示导电聚合物领域将在21世纪的材料领域起主导作用，科学家的梦想将会实现。”她没有想到的是，会议还没有开，导电聚合物就成为了世纪之交化学领域的主角。“我们的梦想就是让导电聚合物得到大规模的应用，”她兴奋地说：“现在导电聚合物得到了诺贝尔奖，这是对从事该项研究和工作的人的肯定和鼓舞。导电聚合物目前的处境与50年代塑料的处境非常相似，现在我们更有理由相信大规模应用一定会实现。

导电聚合物的应用研究

据万梅香研究员介绍，导电聚合物不仅在国家安全、国民经济，而且在工业生产和常生活等领域都有极大的应用价值，是这些领域非常有用的一种材料。发光二极管现的性能已经可以与无机发光材料相媲美，并且已经商业化，这将是导电聚合物大规模用的一个突破口。导电聚合物具有防静电的特性，因此它可以用于电磁屏蔽。传统的电磁屏蔽材料多为铜，导电句聚合物在这方面具有几乎同样的性能，并且它成本低，不消耗资源，大面积和可以方便应用，因此它是一种非常理想的电磁屏蔽材料替代品，可以应用在计算机房、手、电视机、电脑和心脏起搏器上。

导电聚合物同时具有掺杂和脱掺杂特性，因此可以做可充放电的电池、电极材料；它对电信号的变。化非常敏感，因此可以做传感器；它能够吸收微波，因此可以做隐身飞机的涂料；它能够防腐蚀，因此可以用在火箭、船舶、石油管道以及污水管道中；利用导电聚合物可以由绝缘体变为半导体再变为导体的特性，可以使巡航导弹在飞行过程隐形，然后在接近目标后绝缘起爆；与纳米技术相结合，导电聚合物可以制成分子导材料，制作分子器件和其他电子元件。

最新研究发现，DNA具有导电性。因此，与生命科学相结合，导电聚合物可以用来制造人造肌肉和人造神经，以促进DNA生长和修饰DNA。这将是导电聚合物研究在应用上最重的一个趋势。

万梅香研究员特别指出，导电聚合物不能称作"导电塑料"，因为导电塑料是在塑料里掺半导体材料，其过程是一个简单的复合过程。而导电聚合物的形成是一个分子合的过程，是本征导电。

八、导电聚合物研究面临的难题

尽管导电聚合物向世界预示了一个美好的明天，但是现在的研究还存在着一些问，"机遇与挑战并存"。虽然其导电系数目前已经非常接近铜，但是其综合电学性能铜还有差距，

它离合成金属的要求也还比较远。它在理论上还不完善，基本上沿用的是无机半导体理论和掺杂概念，所以也未完全达到金属态，要从分子设计的角度重实现合成金属的途径。在分子水平上，导电聚合物的自构筑、自组装分子器件的研究存在着很多问题。在最前沿的导电聚合物生命科学研究上，人的所有感知，包括皮肤、肌肉、视觉、嗅觉等等与电信号的关系都还需要深入的探索。

在现实应用上，导电聚合物目前也还处在突破的前夜，真正的实用化还未取得质的进步，需要进一步验证。关键在于其性能、价格以及市场需要与无机材料竞争；它的稳性也需要加强，脱掺杂问题需群忻艮好的解决；在加工性能和力学性能上，它也比工塑料差。这些问题都需要在规模化应用之前解决。导电聚合物不能得到大规模应用，原因之一是有人认为它不能取代铜，因此对它的研究有很长一段时间都在低谷徘徊。万梅香研究员说，其实没有必要要求它取代铜，能利用它的特色．在一些特殊场合发挥作用，它对人类的贡献就足够大了。2000年诺贝化学奖，终于使一度陷入低谷的导电聚合物研究走上了历史舞台的前面。

结语语

导电材料出现以后,人们开发了一系列的具有优异性能的导电聚合物,对这类物质的导电行为有了进一步的了解。近年来,科研工作者又在高强度导电高分子、可加工导电高分子领域开展大量研究工作,并取得了很大的进展。今后导电高分子的发展趋势为:(1)合成具有高导电率及在空气中长期稳定的导电聚合物,其中特别值得重视的是可加工的非电荷转移(单组分)结构型导电聚合物的研究。(2)有机聚合物超导体的研究。(3)对有机材料电子性能的研究,另一重要目标是开发出具有无机材料不可代替的新一代功能材料。导电聚合物的研究使人们对有机固体的电子过程了解更加深入。今后,人们将在此基础上向有机导电材料的各个领域开展新的研究,为在本世纪末或下世纪初实现更高密度的信息处理材料,更高效率的能量转换和传递材料而努力。