导电高分子及其应用综述

导电高分子材料及其应用袁凌峰（常州轻工职业技术学院常州213164）摘要：导电高分子复合材料是一类具有重要理论研究价值和广阔应用前景的新型功能材料,导电高分子材料具有高电导率、半导体特性、电容性、电化学活性，同时还具有一系列光学性能等，具有与一般聚合物不同的特性。因此，导电高分子复合材料是一类具有重要理论研究价值和广阔应用前景的新型功能材料。关键词：导电高分子;分类：应用

1导电高分子材料的分类

按照材料的结构与组成，高分子导电材料通常分为结构型和复合型两大类1.1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。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[1]。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[2]。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。

1.1.1电子导电结构型导电高分子电子导电结构型导电高分子可分为以下几种：①共轭聚合物；②桥基联结的平面堆砌聚合物；③侧链具有电荷转移复合物的导电高分子；④非电荷转移型导电高分子。从实用角度看,前两种更有研究价值[3]。1.1.2离子导电结构型导电高分子离子导电结构型导电高分子一般是由高分子主体物和金属盐

复合而成。依其组成和形状大致可分为以下两种[4]。（1）极性高分子/无机盐/高沸点溶剂体系。这个体系宏观上是固体,但微观上在高分子基体中形成溶液连续相,可进行与溶液中同样的离子传导方式。在此可作高分子基体的有聚偏乙氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈(PAN)、聚醋酸乙烯(PVAC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)等。无机盐如LiCIO4碱金属盐。（2）极性高分子/无机盐复合体系,它是利用聚氧乙烯(PEO)等玻璃化低的基体的溶剂化作用,并与碱金属盐MX形成复合体系。该类体系的特点是在干燥的固态条件下碱金属离子的迁移率呈现较高值。另一特点是易制成透明的薄膜。

1.2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[5]。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。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[6]。目前，复合型导电高分子所采用的复合方法主要有两种，一种是将亲水性聚合物或结构形导电高分子。结构型导电高分子是指高分子本身或少量掺电高分子与基体高分子进行共混,即用结构型导电聚合物粉末或颗粒与基体树脂共混,它们是抗静电材料和电磁屏蔽材料的主要用料,其用途十分广泛,是目前最有实用价值的导电塑料。另一种则是将各种导电填料填充到基体高分子中的导电树脂基复合材料，是以树脂为基体,添加导电纤维、颗粒、粉末、球状、块状导电体等制备而成。复合型导电高分子材料是在通用树脂中加入导电填料、添加剂,采用一定的成型方法而制得的。添加剂有抗氧剂、固化剂、溶剂、润滑剂等。复合型导电高分子的分类主要按基体树脂和导电填料的组合来定[7]。（1）基体树脂主要有:聚烯烃（聚乙烯、聚丙烯等、聚氯乙烯、聚酰胺、聚对苯二甲）（2）导电填料主要有:金属粉（金、银、铜、镍）,金属纤维（铝纤维、黄铜纤维、铁纤维、不锈钢纤维等）,碳黑、石墨、碳纤维、镀金属玻璃纤维、镀银中空玻璃微球、碳黑接枝聚合物、金属氧化物、金属盐等。填料有球状、薄片状、树枝状、针状、带状、网状、纤维状等。薄片状比球状更有利于增大导电粒子间的相互接触。在一般情况下,导电粒子越小越好,但必须有一个适当的分布幅度,以获得紧密堆积,增大接触面积,提高导电能力。

2导电高分子材料的应用尽管人们对导电高分子材料的研究起步较晚,但由于导电高分子具有下列特点:（1）与金属相比,重量轻；（2）成型性好,用浇铸模、压等比较简易的方法就能使其纤维化、薄膜化、制成涂料,以及得到人们所需要的其他形状。而且易于加工成大面积的轻质的可挠性薄膜,以其大的面积厚度比来补偿它的电导率较低的不足。（3）易于合成和进行分子设计、材料设计,从而能较好地满足科学技术对这类功能材料提出的各种要求。（4）原料来源广等等。展现了其广阔的应用前景,受到世界各国科学家的重视,发展非常快。尤其是复合型导电高分子材料,因其成本较低,简单易行已经得到了广

泛的应用[8]。

2.1导电材料导电聚合物作为导电材料导电聚合物具有高电导率，在理论上讲，导电聚合物应该成为金属电力输送材料的有力竞争者，但是对多数导电聚合物来说，电导率相对较低，化学稳定性较差，在空气中很快失去导电性能，因此，作为电力输送材料与金属相比还有较大差距，在

这方面的大规模应用开发还有待上述性能的改进[9]。聚乙炔在掺杂状态下的电导率能与铜媲美。由于电性不够稳定，导电高分子尚不能替代铜、铝、银等金属而加以利用。但是，目前已研制出一种加压性导电橡胶，这种橡胶只有在加压时才表现导电性，而且仅在加压部位显示导电性，未加压部位仍保持绝缘性。加压性导电橡胶可用作压敏传感器，还被广泛应用于防爆开关、音量可变元件、高级自动把柄、医用电极、加热元件等方面。另外，导电高分子可制成彩色或无色透明轻质导电薄膜[10]。除了在传统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、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。

2.2导电液晶材料液晶高聚物材料具有高强度、高模量、耐高温、低膨胀系数、低成型收缩率以及良好的介电性和耐化学腐蚀性

等一系列优异的综合性能[11]。具有与π电子结构相关联的线性聚烯烃和芳杂环等的共轭聚合物通过分子改性可以获得导电液晶聚合物,并且这些材料具有可溶性和可加工性。

2.3电极材料导电聚合物作为电极材料导电聚合物不仅来源广泛，而且重量轻、不污染环境，与无机电极材料相比，由导电聚合物作为电极具有很高的能量比，电压特性好，这一优势对于以航空航天、以及电动汽车为应

用对象的特种可充电电池的研制来说意义十分重大[12]。根据其使用的掺杂剂不同，目前以导电聚合物为电极材料的二次电池主要有3种结构类型：①以导电聚合物作为电池的阴极材料；②作为阳极材料；③电池中的阳极和阴极都由不同氧化态的导电聚合材料构成。作为阳极，导电聚合物应进行p一型掺杂，被n．型掺杂的导电聚合物则作为电池阴极。作为电极材料，虽然经掺杂的聚乙炔的电导值已经超过1×105S／cm，可是其充放电稳定性差，最终影响其进一步的应用，从而促使人们将研究目标转向聚吡咯、聚苯胺等其

他环境稳定性较好的导电高分子品种[13]。以导电高分子材料作电极的蓄电池具有较高的电容量和能量密度，充电效率也较高，具有很大的开发潜力。但要实际应用，其电解质及电池材料的稳定性仍是需要解决的问题。2.4材料导电聚合物作为显示材料导电聚合物在电极电压的作用下聚合物本身发生电化学反应，使其氧化态发生变化，在氧化还原反应的同时，聚合物的颜色在可见光区发生明显改变，由此建立电压和颜色的对应关系。导电聚合物电显示器就是以电压和颜色的对应关系为依据。与液晶显示器相比，这种装置的优点是没有视角的限制。聚毗咯、聚噻吩和聚苯胺是显色性和稳定性均较好的电显示材料。随着电压的变化，聚吡咯可在黄色-蓝紫色间变化上万次以上，聚噻盼也可

在红色一蓝色间变化[14]。日本学者曾用电化学方法将聚邻苯二胺(无色．红色)、聚间氨基苯磺酸(无色-蓝色)和聚苯胺(无色．绿色)复合制成电致变色材料，在该领域作出了较为成功的探索。单一导电高分子品种很难实现三原色显示，通常将几类导电高分子通过化学、电化学或物理的方法共混成全色电致变色材料。

结束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，目前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，利用导电高分子材料的电极活性已在轻量、高能电池的商业应用上取得了成功，此外，在分子水平对材料的研究，使导电高分子向纳米化和多功能化的方向发展，必将对传统电子材料带来一场新的技术革命。

我们可以对导电高分子材料的发展进行了展望[15]。未来的发展一片光明。参考文献[1]SachdevVK,KumarR,SinghAetal.Electricallyconductingpolymers,ProcICSMT96.104～109[2]赵文元王义军功能高分子材料化学第二版北京化学工出版社2003[3]何白天胡汉杰功能高分子与新技术北京化学工业出社2001[4]王建国王公善功能高分子同济大学出版社1996[5]雀部博之导电高分子材料北京化学工业出版社1986[6]傅杰，王钧，胡琪.适用技术市场，1998，（1）：26~28[7]李星玮.化工新型材料，1997，（4）：3~5