导电高分子综述

导电高分子材料及其应用

摘要：

导电高分子材料具有密度小、易加工、耐腐蚀、可大面积成膜，以及电导率可

在绝缘体- 半导体- 金属态（10-9 到105 S/cm）的范围里变化。所以自从1977

年来，导电高分子材料的研究受到了普遍的重视和发展。本文介绍了国内外导

电高分子材料的分类、特点、应用及近年来研究发展的概况。同时还展望了导

电高分子有待发展的方向。

关键词：导电高分子;分类；应用

1导电高分子简介

20 世纪70 年代，白川英树、Heeger 和MacDiarmid等人首次合成了聚乙炔薄膜，后来又经掺杂发现了可导电的高聚物，这就是导电高分子材料。经过40 多年的发展，导电高分子材料也从最初的聚乙炔发展到聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等数十种高分子材料，成为

金属材料和无机导电材料的优良替代品。[1]但是导电高分子在变形过程中不仅仅存在弯曲

移动，而且还会产生蠕动现象，在器件的层间会发生快速分层的行为，溶剂易于挥发，使

用寿命有限、低的能量转换效率等等缺点使其在应用中具有难以突破的难点技术。[2]

2 高分子材料的分类及导电机理

导电高分子材料通常是指一类具有导电功能（包括半导电性、金属导电性和超导电性）、电导率在10-6S/cm 以上的聚合物材料。按照材料结构和制备方法的不同可把导电高分子材料分为结构型（或本征型）导电高分子材料和复合型导电高分子材料两大类。

2.1结构型高分子导电材料

结构型高分子导电材料。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。最早发现的结构型高分子聚合物是用碘掺杂后形成的聚乙炔。这种掺杂后的聚乙炔

的电导率高达105 S/cm。后来人们又相继开发出了聚苯硫醚、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺等导电高分子材料。这些材料掺杂后电导率可达到半导体甚至金属导体的导电水平。结构型

高分子导电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[3] 。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。

2.1.1　聚乙炔( PA)

纯净聚乙炔掺进施主杂质（碱金属（Li、Na、K）等）或受主杂质（卤素、AsF5、PF5 等）后才能导电。与半导体不同的是，掺杂聚乙炔导电载流子是孤子。聚乙炔是目前世界

上室温下电导率最高的一种非金属材料，它比金属质量轻、延展性好，可用作太阳能电池、电磁开关、抗静电油漆、轻质电线、纽扣电池和高级电子器件等。[1]

2.1.2　聚苯胺( PAn)

它是共扼聚合物中少数稳定的高聚物之一, 具有高电导率。聚毗咯膜在空气中具有良好的稳定性, 但力学性能不理想。[1]

2.1.3　聚吡咯( Ppy )

聚唾盼薄膜的密度、电导率均有最佳值。由于其衍生物比聚唾吩本身电导率更高, 因此被广泛研究, 主要用于电化学领域。[1]

2.1.4　聚噻吩( PTi )

它具有良好的环境稳定性, 易制成柔软坚韧的膜且价廉易得, 又可进行溶液和熔融加工, 再加上其独特的化学和电化学性能, 已成为最有应用价值的导电高分子材料. [1]

2.2复合型高分子导电材料

复合型高分子导电材料。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[4]。主要分为以下两种。

2.2.1 炭黑添加型导电高分子材料

炭黑不仅价格低廉、导电性能持久稳定，而且可以大幅度调整复合材料的体积电阻率。因此，由炭黑填充制成的复合导电高分子材料是目前用途最广、用量最大的一种导电材料。

2.2.2 金属添加型导电聚合物

这类导电塑料具有优良的导电性，比传统的金属材料重量轻、易成型、生产效率高、成本低。常见的金属类导电填充剂有金、银、铜、镍等细粉末。

3导电高分子材料的应用

3.1 用于防静电和电磁屏蔽方面

导电高聚物最先应用是从防静电开始的。将特定比例的十二烷基苯磺酸和对甲苯磺酸混合酸掺杂的PANI 与聚（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）树脂（ABS）共混挤出，制备了杂多酸掺杂PANI/ABS 复合材料，通过现场聚合的方法在透明聚酯表面聚合了一层导电PANI，表面电阻可控制在106~109 Ω[5]。掺杂能提高PANI 的屏蔽效能。

3.2 导电高分子材料在芯片开发上的运用

在各种带有微芯片的卡片以及条码读取设备上，高分子聚合物逐渐取代硅材料。塑料芯片的价格仅为硅芯片的1 %~10 %，并且由于其具有可溶性的特性而更易于加工处理[6]。目前国际上已经研制出集成了几百个电子元器件的塑料芯片，采用这种导电塑料制造的新款芯片可以大大缩小计算机的体积，提高计算机的运算速度。

3.3 显示材料中的导电高分子材料

有机发光二极管是由一层或多层半导体有机膜，加上两头电极封装而成。在发光二极管的两端加上3伏~5 伏电压，负极上的电子向有机膜移动，相反，与有机膜相连的正极上的电子向负极移动，这样产生了相反运动方向的正负电荷载体，两对电荷载体相遇，形成了“电子- 空穴对”，并以发光的形式将能量释放[6]。由于它发光强度高、色彩亮丽，光

线角几乎达到180 度，可用于制造新一代的薄壁显示器，应用在手机、掌上电脑等低压电

器上，也应用于金融信息显示上，使图像生动形象，并可图文通显。利用电致变色机理，

还可用于制造电致变色显示器、自动调光窗玻璃等。

3.4 在塑料薄膜太阳能电池开发中的应用

传统的硅太阳能电池不仅价格昂贵，而且生产过程中消耗大量能源，因此成本昂贵，

无法成为替代矿物燃料的能源，而塑料薄膜电池最大的特点就是生产成本低、耗能少。一

旦技术成熟，可以在流水线上批量生产，使用范围也很广。制造塑料薄膜太阳能电池需要

具有半导体性能的塑料。奥地利科学家用聚苯乙烯和碳掺杂形成富勒式结构的材料，再将

它们加工成极薄的膜，然后在膜层上下两面蒸发涂上铟锡氧化物或铝作为电极。[6]此外，

聚乙烯还可用于二次电池的电极材料及太阳能电池材料。如果有机物的耐久性问题和高压

下稳定的有机溶剂问题获得解决,那么,具有合成高分子的易生产加工成膜和可挠曲等特点的

轻易、小型、高比能量的二次电池就有可能实现商品化。[7]

3.5　作为导体的应用—导电橡胶

它在电子仪器部件中得到迅速发展的应用。如果导电硅橡胶与金属导体相比, 具有①

优良的加工性能, 且可批量生产;②柔软、耐腐蚀、低密度、高弹性;③可选择的电导率范围宽;④一般来说, 价格便宜等特点。因此, 在各种发酵用容器加温, 抛物面天线的防炼, 冰雪

融化及防止盥洗室镜子和复印机的洁露及除湿等方面已得到广泛应用。[8]正由于它具有保

存中电阻变化小, 混炼后电阻增加少, 耐热、耐寒、耐气候, 永久压缩形变特性等特点,现在

它已经成为用量最大的导电橡胶。

3.6　透明导电膜的应用

导电高分子可制成彩色或无色透明的质轻的导电薄膜,在一些特殊的环境中使用。透明

导电膜,是在透明的高分子膜表面上形成的对可见光透明的导电性薄膜,除了在历来的透明导

电膜玻璃的应用范围内得到应用外,还可用作电子材料的基材,如在电致发光面板、液晶和透

明面板、开关等电板材料、指示计检测仪器窗口的防静电和电磁屏蔽材料等方面已经应用,

目前正集中精力进行开发薄型液晶显示的透明电极,透明开关面板,太阳能电池的透明电板等,估计在不久也将得到应用。[9]

4 结论

总体来说，导电高分子作为一种新型的功能高分子材料，它的应用前景是很乐观的。

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。当然，目前导电高分子材料的应用还不算很普遍，很多方面还没有

达到实际生产、没有进入到生活中，原因是其中还存在着许多问题，如电导率较低、使用

温度范围窄、使用寿命较短、有些材料成本较高、在一些应用中机械性能达不到要求等等，相信在广大研究者的共同努力下，这些问题将会得到解决，作为21 世纪材料科学的研究

重点，导电高分子材料的发展必将取得令世人瞩目的成就。[10]总之, 导电高分子材料作

为近十几年来发展起来的新型功能材料已越来越受到人们的重视。今后人们将不断地完善

并拓展对导电高分子材料的性能及应用方面的研究。从而尽早地将其优异的性能应用于实