导电高分子材料
导电高分子材料
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
导电高分子的掺杂与无机半导体的掺杂的对比
目前掺杂的方式主要有两种 ：
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
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
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
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导电机理与结构特征
④π价电子 两个成键原子中p电子相互重叠后产生 π键，构成π键的电子称为π价电子。当π电子孤立 存在时这种电子具有有限离域性，电子在两个原 子之间可以在较大范围内移动。当两个π键通过一 个σ键连接时，π电子可以在两个π键之间移动，这 种分子结构称为共轭π键。
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导电机理与结构特征
利用导电高分子与金属线圈当电极，半导体高分子在中间，当两电 极接上电源时，半导体高分子将会开始发光。比传统的灯泡更节省能源 而且产生较少的热，具体应用包括平面电视机屏幕、交通信息标志等。
导电高分子材料的应用
半导体特性的应用－太阳能电池
导电高分子可制成太阳电池，结 构与发光二极管相近，但机制却相反 ，它是将光能转换成电能。 优势在于 廉价的制备成本，迅速的制备工艺， 具有塑料的拉伸性、弹性和柔韧性 。
导电高分子材料的应用
导体特性的应用
抗静电 理想的电磁屏蔽材料，可以应用在计算机、电视机、起搏器等 电磁波遮蔽涂布 能够吸收微波，因此可以做隐身飞机的涂料 防蚀涂料 能够防腐蚀，可以用在火箭、船舶、石油管道等
导电高分子材料
导电高分子材料引言导电高分子材料是一类具有导电性能的高分子材料，通常通过将一定量的导电剂与高分子基体进行混合来实现。
导电高分子材料具有许多独特的性能和应用，因此在电子学、能源技术、催化剂等领域有着广泛的应用和巨大的发展潜力。
1. 导电机制导电高分子材料的导电性能主要来源于导电剂的存在。
常见的导电剂包括金属粉末、碳纳米管、导电聚合物等。
这些导电剂在高分子基体中形成导电网络，使得材料能够传导电流。
导电高分子材料的导电性能与导电剂的种类、含量、分散性以及高分子基体的性质密切相关。
2. 特殊性能与应用导电高分子材料具有许多特殊的性能，使得其在多个领域具有广泛的应用。
2.1 电子学领域导电高分子材料在电子学领域有着重要的应用，例如导电高分子材料可以用于制备有机导电薄膜晶体管（OFET），用于构建柔性显示器、智能传感器和可穿戴设备等。
导电高分子材料不仅具有良好的导电性能，还具有优秀的可拉伸性和柔韧性，能够适应各种复杂的电子设备形状。
2.2 能源技术领域导电高分子材料在能源技术领域也有广泛的应用。
例如，导电高分子材料可以用于制备柔性太阳能电池，用于光电转换、能源收集和储存等。
导电高分子材料具有较高的导电性能和光吸收性能，可以有效提高太阳能电池的能量转换效率。
2.3 催化剂领域导电高分子材料还可以作为催化剂载体，用于催化剂的载体和固定。
导电高分子材料具有较大的比表面积和多孔结构，能够提供更多的活性位点和催化反应的接触面积，从而提高催化剂的反应效率和稳定性。
3. 导电高分子材料的制备方法导电高分子材料的制备方法多种多样，常见的制备方法包括物理共混法、化学共混法、原位聚合法等。
其中，物理共混法是将导电剂和高分子基体通过物理混合来制备导电高分子材料，适用于一些导电剂与高分子基体相容性较好的体系；化学共混法是通过化学反应将导电剂与高分子基体结合，适用于一些导电剂与高分子基体相容性较差的体系；原位聚合法是在高分子合成过程中引入导电剂，使导电剂与高分子基体同时合成。
导电高分子材料
导电高分子材料所谓导电高分子是具有共轭Π键的高分子经化学或电化学掺杂使其由绝缘体转变为导体的一类高分子材料。
它完全不同于金属或碳粉末与高分子共混而制成的导电塑料，通常导电高分子的结构特征是具有高分子链结构和与链非键合的一价阴离子或阳离子共同组成。
即在导电高分子结构中，除了具有高分子链外，还含有由“掺杂”而引入的一价对阴离子或对阳离子。
导电聚合物最引人注目的一个特点是其电导率可以在绝缘体-半导体-金属态较宽的范围里变化。
这是目前其他材料所无法比拟的。
分类，按照材料的结构与组成，可将导电高分子分成两大类。
一类是结构型导电高分子，另一类是复合型导电高分子。
结构型导电高分子的导电机理为物质的导电过程是载流子在电场作用下定向移动的过程。
高分子聚合物导电必须具备两个条件：一要能产生足够数量的载流子，二是大分子链内和链间要能够形成导电通道。
在离子型导电高分子材料中，聚醚，聚酯等的大分子呈螺旋体空间结构，与其配位络合的阳离子在大分子链段运动作用下，就能够在螺旋孔道内通过空位迁移；或被大分子溶剂化了的阴阳离子同时在大分子链的空隙间跃迁扩散。
对于电子型导电高分子材料，作为主体的高分子聚合物大多为共轭体系，长链中的Π键较为活泼，特别是与掺杂剂形成电荷转移络合物后，容易从轨道上逃逸出来形成自由电子。
大分子链内与链间Π电子轨道重叠交盖所形成的导电能带为载流子的转移和跃迁提供了通道。
在外加能量和大分子链振动的推动下，便可传导电流。
复合型导电高分子复合型导电高分子是在本身不具备导电性的高分子材料中掺混入大量导电物质，如炭黑，金属粉，箔等，通过分散复合，层级复合，表面复合等方法构成的复合材料，其中以分散复合最为常用。
与结构型导电高分子不同，在复合型导电高分子中，高分子材料本身并不具备导电性，只充当了粘合剂的角色，导电性是通过混合在其中的导电性物质如炭黑，金属粉等获得的。
由于它们制备方便，有较强的实用性，因此在结构型导电高分子尚有许多技术问题没有解决的今天，人们对他们有着极大的兴趣。
导电高分子材料通用课件
加工性能
要点一
总结词
加工性能是导电高分子材料的另一个重要性能参数，它决 定了材料在加工过程中的可加工性和加工效果。
要点二
详细描述
加工性能包括材料的熔融流动性、热稳定性、可塑性和延 展性等。良好的加工性能能够保证导电高分子材料在加工 过程中具有良好的可加工性和加工效果，从而提高材料的 实用性和生产效率。
导电高分子材料通用课件
目 录
• 导电高分子材料的导电机理 • 导电高分子材料的制备方法 • 导电高分子材料的性能参数 • 导电高分子材料的发展趋势与挑战
目 录
• 导电高分子材料在新能源领域的应 • 导电高分子材料在智能材料与器件
01
CATALOGUE
导电高分子材料简介
导电高分子材料的定义
总结词
详细描述
聚合物共混法是通过将导电高分子材料与非 导电高分子材料混合，制备成复合材料的方 法。这种方法可以充分利用各种高分子材料 的优点，制备出性能优异的复合材料，但需 要解决相容性问题，以保证良好的导电性能。
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CATALOGUE
导电高分子材料的性能参数
电导 率
总结词
电导率是导电高分子材料最重要的性 能参数之一，它决定了材料的导电能 力和效率。
物理掺杂法
总结词
通过物理方式将导电物质掺入高分子材料中， 使其获得导电性能的方法。
详细描述
物理掺杂法是一种简单易行的方法，通过将 导电物质如碳黑、石墨烯、金属纳米颗粒等 掺入高分子材料中，使其获得导电性能。这 种方法工艺简单，成本低，但导电性能受掺 杂物质种类和含量影响较大。
聚合物共混法
总结词
将导电高分子材料与非导电高分子材料混合， 形成具有导电性能的复合材料的方法。
导电高分子材料
导电高分子材料导电高分子材料是一种具有导电性能的高分子材料，它在电子、光电子、信息和通信等领域具有广泛的应用前景。
与传统的金属导电材料相比，导电高分子材料具有重量轻、柔韧性好、加工成型方便等优点，因此备受研究和开发的关注。
首先，导电高分子材料的导电机理是通过在高分子基质中添加导电填料来实现的。
导电填料可以是导电碳黑、导电纳米颗粒、导电聚合物等，它们在高分子基质中形成导电网络，从而赋予材料导电性能。
同时，导电高分子材料的导电性能受填料浓度、填料形貌、填料分散性等因素的影响，因此需要在材料设计和制备过程中进行精细控制。
其次，导电高分子材料在电子领域具有重要的应用。
例如，导电高分子材料可以用于制备柔性电子器件，如柔性电子显示屏、柔性电池、柔性传感器等。
由于其轻薄柔软的特性，导电高分子材料可以实现器件的弯曲和拉伸，从而拓展了电子器件的应用场景。
此外，导电高分子材料还可以用于制备导电薄膜，用于电磁屏蔽、抗静电、防雷击等领域。
此外，导电高分子材料在光电子领域也有着重要的应用。
例如，导电高分子材料可以用于制备有机太阳能电池、有机发光二极管等光电子器件。
由于其可塑性和可加工性，导电高分子材料可以实现器件的柔性化和大面积制备，从而降低了器件的制造成本，并且有望实现可穿戴电子产品的发展。
总之，导电高分子材料具有广泛的应用前景，它在电子、光电子、信息和通信等领域都有着重要的作用。
随着材料科学和工程技术的不断发展，导电高分子材料的性能和应用将会得到进一步的提升，为人类社会的发展和进步做出更大的贡献。
希望通过对导电高分子材料的研究和开发，能够推动材料科学和工程技术的发展，为人类社会的可持续发展做出更多的贡献。
导电高分子材料
高强度导电高分子
通常化学合成的高分子常表现为没有任何 力学强度的粉末。例外：通过Shirakawa途 径可以得到高性能的聚乙炔薄膜 得到高性能导电高分子膜材料最有效和直 接的方法是电化学沉积法 低的聚合温度、强极性分子介质以及电化 学惰性的电极材料有利于生成堆积紧密， 性能良好的芳香导电高分子材料
导电高分子
导电高分子是指经化学或电化学掺杂后可以由绝缘 体向导体或半导体转变的含π电子共轭结构的有机 高分子的统称。 由于导电高分子具有特殊的结构和优异的物化性能, 使其在电子工业、信息工程、国防工程及其新技术 的开发和发展方面都具有重大的意义。
导电高分子
广义上的导电高分子材料可分为两大类：
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
★ 导电高分子的掺杂与无机半导体
的掺杂的对比
无机半导体中的掺杂
本质是原子的替代
导电高分子中的掺杂
导电高分子的导电机理
电子导电聚合物的特征是分子内含有大的共轭 π电子体系。随着π电子共轭体系的增大, 离域性 增强, 当共轭结构达到足够大时, 化合物才可提供 电子或空穴等载流子, 然后在电场的作用下, 载流 子可以沿聚合物链作定向运动, 从而使高分子材料 导电。所以说有机高分子材料成为导体的必要条件 是: 应有能使其内部某些电子或空穴具有跨键离域 移动能力的大π键共轭结构。
导电高分子的微波(100MHz—l2GHz)及毫米波(24— 40GHz)特性研究表明导电高分子如聚苯胺、聚吡咯 可用于电磁屏蔽
美国密里肯公司通过控制现场聚合条件将聚吡咯与 纤维复合，制备了商品名为Contex和Intrigue的导 电纤维，并制成了轻型伪装网，美国国防部已经将 其以用于隐形轰炸机的隐身涂料
导电高分子材料
简述：传统的高分子材料为绝缘材料,在使用时存在静电积累、电磁波干扰等危害,如用其制造的传送带,在传送煤炭的过程中易发生火灾和爆炸;油船因静电引起火灾;塑料薄膜在生产过程中常因静电发生事故。
随着大规模集成电路的迅速发展,静电及电磁波公害更加突出。
随着电子线路集成化水平的提高,电磁波的影响将会引起误动等危害。
这些问题的出现已严重阻碍了高分子材料的发展,因此,必须研制开发导电高分子材料来解决上述问题。
导电高分子材料的分类按照材料的结构与组成,可将导电高分子材料分为两大类。
一类是复合型导电高分子材料,另一类是结构型(或本征型)导电高分子材料。
一、结构导电机理所谓结构型导电高分子是高分子本身结构显示导电性, 通过离子或电子而导电。
所以, 结构型导电高分子材料又可分为电子导电高分子材料和离子导电高子材料两类。
复合型导电高分子材料复合型导电高分子材料是将各种导电性物质以不同的方式和加工工艺(如分散聚合、层积复合、形成表面电膜等)填充到聚合物基体中而构成的材料。
几乎所有的聚合物都可制成复合型导电高分子材料。
其一般的制备方法是填充高效导电粒子或导电纤维,如填充各类金属粉末、金属化玻璃纤维、碳纤维、铝纤维、不锈钢纤维及锰、镍、铬、镁等金属纤维,填充纤维的最佳直径为7Lm。
复合型导电高分子材料在技术上比结构型导电高分子材料具有更加成熟的优势,用量最大最为普及的是炭黑填充型和金属填充型。
结构型导电高分子材料结构型(又称作本征型)导电高分子是指那些高分子材料本身或经过掺杂后具有导电功能的聚合物。
这种高分子材料本身具有/固有0的导电性,由其结构提供导电载流子,一旦经掺杂后,电导率可大幅度提高,甚至可达到金属的导电水平。
从导电时载流子的种类来看,结构型导电高分子材料又被分为离子型和电子型两类。
离子型导电高分子通常又称为高分子固体电解质,它们导电时的载流子主要是离子。
电子型导电高分子指的是以共轭高分子为主体的导电高分子材料。
导电时的载流子是电子(或空穴),这类材料是目前世界导电高分子中研究开发的重点。
导电高分子材料及其应用综述
导电高分子材料及其应用综述导电高分子材料（Conductive Polymer Materials）是指在室温下能够具有电导性能的高分子材料。
导电高分子材料以其独特的导电性能，广泛应用于电子技术、能源存储、敏感传感、生物医学等领域。
本文将综述导电高分子材料的种类、制备方法及其在各个领域的应用。
导电高分子材料种类繁多，常见的有聚苯胺（Polyaniline）、聚咔嚓（Polyacetylene）、聚苯乙烯（Polystyrene）等。
这些高分子材料通常通过掺杂或修饰来增加其电导性。
掺杂剂常用的有氧化剂、还原剂、离子等，修饰方法可以是在高分子材料上引入功能基团或接枝其他有机小分子。
导电高分子材料的制备方法有化学聚合法、电化学聚合法、溶液浇铸法等。
化学聚合法是将单体在化学反应条件下聚合为高分子材料，如聚合物链的活性自由基引发聚合法；电化学聚合法是通过电化学氧化或还原来实现高分子材料的聚合，如聚苯胺的电化学聚合法；溶液浇铸法是将聚合单体溶于适当的溶剂中，然后制备薄膜或纤维。
导电高分子材料在电子技术领域的应用十分广泛，例如，它们可用作导电薄膜、导电涂层和电磁屏蔽材料，以提高电子器件的性能；此外，它们还可用作电极材料和导电胶黏剂，用于柔性电子器件的制备。
在能源存储领域，导电高分子材料可用作超级电容器的电极材料和锂离子电池的导电添加剂，以提高电池的性能和循环寿命。
导电高分子材料还可用于敏感传感领域，例如，利用其导电性能可以制备传感器，实现对温度、湿度、光照等环境因素的监测。
另外，由于导电高分子材料具有良好的生物相容性和生物可降解性，它们还可以应用于生物医学领域，用作生物传感器、组织工程和药物释放等。
总结起来，导电高分子材料具有广泛的种类和制备方法，并在电子技术、能源存储、敏感传感、生物医学等领域有重要的应用。
未来，随着科学技术的不断发展，导电高分子材料的制备方法将更加多样化，应用领域也将进一步拓展。
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11 02
导 电 高 分 子 特性
•1.导电率变化范围宽
随掺杂度变化，可在绝缘体－半导体－金属态之间变化
导电高分子的电导率范围
a
12 02
导 电 高 分 子 特性
•2.掺杂-脱掺杂过程可逆
导电高分子不仅可以掺杂, 而且还可以脱掺杂, 并且掺杂-脱掺杂的 过程完全可逆。
•3.具有光学性能（光诱导
原反应，是实现由绝缘体向半导体、导体转变的必要途径。
(CH)n + nx A→ [(CH)+x ·xA-1] n
氧化掺杂（I2、ASF5）
(CH)n + nx A→ [(CH)-x ·xA+1] n
还原掺杂（Na、K）
x——掺杂度，即高分子被氧化还原的程度；聚乙炔：x=0~0.1
•掺杂目的：降低能带隙
2000年获得诺贝尔化学奖
G. MacDiarmid H.Shirakawa
J.Heeger
艾伦·马克迪尔米德 白川英树 a 艾伦·黑格
5 01
发展历程
1980年：英国 Durham大学的W. Feast 得到更大密度的聚乙炔。
1987 年：德国 BASF 科学家 Herbert Naarman 和 Nicholas Theophiou 在H.Shirakawa方法基础上150℃改良了合 成方法，得到的聚乙炔电导率与铜在同一数 量级，达107S/m 。
1954年：米兰工学院 G.Natta 用 Et3Al-Ti(OBu)4为催化剂制 得聚乙炔, 虽然有非常好的结晶体和规则的共轭结 构，然而难溶解、难熔化、不易加工和实验测定， 这种材料未得到广泛利用。
1970年：科学家发现类金属的无机聚合物聚硫氮(SN)x具有 超导性。
a
4 01
发展历程
1975年：A.G.MacDiarmid、A.J.Heeger与H.Shirakawa合作研究，将无机 导电聚合物研制与有机导电聚合物研制相结合。发现未掺卤素的顺式聚乙炔 的导电率为10-8～10-7S/m；未掺卤素的反式聚乙炔为10-3～10-2 S/m，而当聚 乙炔曝露于碘蒸气中进行掺杂氧化反应后，其电导率可达3000S/m。
Conductive Polymer
导电高分子材料
a
1
导电高分子
Conductive Polymer or Conducting Polymer or Electroactive Polymer or Synthetic Polymer
按材料的导电性分：
绝缘体（insulator）半导体（semiconductor）
导体（conductor） 超导体（superconductor）
电导率 σ =1/ρ=1/(Ω*m)=S/m
ρ—电阻率，ρ=RS/L
单位：mS/m, S/cm, μS/cm…
a
2 01
导电高分子
Conjugated polymer
insulator
semi-conductor
metal
S/cm
10-14
10-10
10-6
10-2
102
106
Conductivity 10-16
10-12
10-8
10-4
100
104
108
绝缘体 σ<10-10
半导体 10-10<σ<102
导体
σ>102
a
3 01
超导体
σ>1020
发展历程
1862年：英国伦敦医学专科学校 H.Letheby 在硫酸中电解 苯胺而得到少量导电性物质（可能是聚苯胺）。
a
10 02
导电高分子
•导电高分子的掺杂 VS 无机半导体的掺杂
名称
掺杂本质 掺杂量 可逆性
无机半导体中的掺杂
本质是原子的替代 极低：万分之几 没有脱掺杂过程
导电高分子中的掺杂
是一种氧化还原过程，通过电荷 的转移实现
高：一般在百分之几到百分之几 十之间
存在脱掺杂， 掺杂过程ຫໍສະໝຸດ 完全可逆的掺杂的结果：在聚合物的空轨道中加入电子或从占有轨道中拉走 电子，从而改变原有π电子能带的能级，产生能量居中的半充满 能带，减小能带间的能级差，使自由电子迁移阻力降低。电子迁 移阻力降低了，就更容易导电了。
导电高分子分类
（PAn )
(聚苯亚乙烯)
a
8 02
导电高分子
•具有π-共轭体系，经过“掺杂”后具有导电性的一类高分 子材料的统称。
•结构通式：[P+x·xA-]n（p—型掺杂） [P-x·xA+]n（n—型掺杂）
式中：P+、P-——带正电和带负电的π-共轭体系高分子链； A- 、A+——一价对阴离子和一价对阳离子； x——掺杂度。
复合型
将碳素、金属、金属氧化 物等导电粒子引入到绝缘高分 子材料基材中，得到具有导电 性能的多相复合体系。
不仅具有由于掺杂而带来的
金属特性（高电导率）和半导体
（p和n型）特性之外，还具有分
子可设计性，可加工性和密度小
等特点。
a
在较大范围内调节电学和力 学性能，成本较低，易于成型 和大规模生产。
7 02
吸收、光致发光等非线性光学
特性）、磁学性能、电化 学性能（随氧化/还原过程，
颜色发生变化）等
a
13 02
导 电 高 分 子 聚乙炔PA Polyacetylene 顺式聚乙炔 反式聚乙炔
（铜色） （银白色）
当聚乙炔曝露于碘蒸气中进行掺杂氧化反应后，其电导率 可达3000S/m。研究最早，最系统，实测导电率最高，但由于 其稳定性差，难以使用。聚乙炔是尚在开发研究中的新型功能 高分子，已成功制成太阳能电池、电极和半导体材料，但尚未 达到工业应用阶段。
•对阴离子和对阳离子与高分子链之间没有化学键合，仅
起到正负电荷平衡的作用
a
9 02
导电高分子
•纯净无缺陷的理想π共轭结构高分子：绝缘体，不导电。
•导电行为的产生：激发使π共轭结构出现缺陷，最常用的方法是掺杂 (doping)，其他有光激发等物理方法。
•导电高分子的掺杂：在π共轭结构高分子链上发生电荷转移或氧化还
a
14 02
导 电 高 分 子 聚吡咯 Polypyrrole
五元环，稳定性相对较好。
方法
电化学合成法
（PPy ） 化学氧化法
1983年：加州理工学院的 Robert H. Grubbs 以烷基钛配合物为 催化剂将环辛四烯转换成了聚乙炔，导电率35000S/m， 但难以加工且不稳定。
a
6 01
导电高分子分类
(广义)导电高分子材料
结构型(本征型)(狭义导电高分子)
主链结构具有导电功能的 高分子，一般以电子高度离域 的共轭聚合物经过适当电子受 体或供体的掺杂后得到。