複製鏈接
請複製以下鏈接發送給好友

導電高分子

鎖定
導電高分子材料是主鏈具有共軛主電子體系,可通過摻雜達到導電態,電導率達1000S/cm以上的高分子材料。 [1] 
經過40年的發展,人們對於導電高分子的類型、導電機理以及如何提高其導電率進行了深入的研究,對於導電高分子的合成與應用進行了多方面的探索。由於其獨特的性能,導電高分子不僅作為導電材料應用廣泛,在能源、光電子器件、傳感器、分子導線等領域也有着潛在的應用價值。 [2] 
概述圖引自 [2] 
中文名
導電高分子 [1] 
外文名
conductive polymer [1] 
性    質
強導電性和電化學可逆性 [3] 
分    類
複合型和結構型 [3] 
應    用
顯示材料、電池、導體、藥物釋放等 [3] 
缺    點
結構穩定性不強 [2] 

導電高分子簡介

高分子,是由大量分子聚合而成。導電高分子材料是具有導電性的一類聚合材料,可以是本身具有導電功能或摻雜其他材料後也具有導電功能的一種聚合物材料,也可以通過填充複合材料,表面混合或層壓普通聚合物材料和各種導電材料獲得導電性。 [3] 

導電高分子分類

複合型導電高分子
複合型導電高分子是將各種導電性物質以不同的加工工藝填充在聚合物基體中構成的材料。其中,填充材料提供了材料的導電性能,而聚合物基體則是將導電填料粘合在一起並提供材料的加工性能。作為基體的高分子材料的性能對於複合型導電高分子材料的機械強度、耐熱性、耐老化性都有十分重要的影響。因此,在實際應用中,需要根據使用要求、製備工藝、來源、價格等因素選擇合適的高分子基體材料,常用的基體材料有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、環氧樹脂、酚醛樹脂等。導電填料在複合型導電高分子材料中起到了提供載流子的作用,其用量、性質與分散形態都直接決定了材料的導電性能,常用的導電填料有炭黑、碳納米管、石墨烯、金屬及金屬氧化物。當導電填料濃度較低時,無法互相接觸形成載流網絡,因而導電率很低並且隨導電填料濃度增加上升緩慢;當導電填料濃度達到形成載流網絡的臨界值時,導電率迅速上升,這一臨界值稱為複合材料的滲流閾值;當導電填料濃度大於滲流閾值後,導電率基本不再發生變化。 [2] 
複合型導電高分子具有製備簡便的特點,是市場上應用最廣泛的導電高分子材料,由於現如今結構型導電高分子的性能與機理研究未能達到大規模使用的程度,研究複合型導電高分子的製備工藝以提高導電率仍然具有重要的實際意義。 [2] 
結構型導電高分子
結構型導電高分子又稱本徵型導電高分子,其分子結構含有共軛的長鏈結構,雙鍵上離域的π電子可以在分子鏈上遷移形成電流,使得高分子結構本身固有導電性。在這類共軛高分子中,分子鏈越長,π電子數越多,電子活化能越低,即電子更容易離域,則高分子的導電性越好。 [2] 
但是在實際運用過程中,由於其穩定性不夠良好,特別是摻雜材料在空氣中的氧化穩定性以及加工成形性和機械性能的問題。因此並沒有大規模的使用, 還在研發階段。 [3] 

導電高分子導電性提高

根據分子的導電機理可以從以下兩個方面提高其導電率 [2] 
①合成具有大型離域π鍵的分子結構 [2] 
理論和實驗都已證明,π鍵的數目越多,離域程度越大,共軛結構的導電性能越好,因此從分子結構出發,增強高分子固有的導電性能是一種理想的方案,也吸引了許多科學家朝着這個方向進行研究。此外,改善生產工藝,製備分子量更大、結構更規整的高分子材料也是提高其導電性能的重要手段。 [2] 
②對共軛結構進行化學摻雜 [2] 
雖然導電高分子具有共軛的分子結構,但是π電子未受激發時仍然難以在分子鏈上遷移,導電性能並不是非常理想。因此,利用摻雜的方法在高分子鏈上引入對陰離子(p- 型摻雜)或對陽離子(n-型摻雜)來降低能壘,使電子更容易遷移也是增強高分子材料導電性能的有效途徑。常用的摻雜劑有碘、五氟化砷、六氟化銻、高氯酸銀等等,摻雜劑與共軛結構的摩爾比(摻雜劑/-C=)一般為0.01%~2%之間,並且隨着摻雜比例的增加,材料的導電性能會先上升,當摻雜劑飽和之後,材料的導電性能不再變化。因此,尋找合適的摻雜劑並與導電高分子進行合理地摻雜將是重要的研究方向。 [2] 

導電高分子應用

顯示材料
由於電解合成的導電聚合物材料有一種特殊的性質,在電化學摻雜過程中可以發生顏色的改變,因此可以將其作為變色裝置。這種聚合物材料的電化學反應是可逆的,也就是説,可以通過電化學實現去摻雜和再摻雜。這種電化學聚合物材料在電化學摻雜後,可以變為絕緣體,在氧化摻雜後可以用來製作導體。 [3] 
由於摻雜和去摻雜的程度不同,材料的導電性能也會不同。因此,可以依靠控制作用的電量的不同,可以在導體,半導體和絕緣體之間改變導電聚合物材料。不同類型的材料的電導率的變化對應着不同的光學性質, 所以可以根據這個原理來製作顯示材料。這種變色功能聚合物材料也廣泛用於生活中,例如:節能玻璃的塗層, 顯示組件,儀器儀表等。 [3] 
電池
具有可逆的電化學反應和還原特性是導電高分子所具有的一個重要特徵,而且其密度相比於其他導電材料來説要小得多,在室温下具有導電率大和比表面積大的特性。對於電池來説,這是一種非常好的電極材料。例如,由於聚吡咯的高度摻雜和強穩定性,並且對電信息的變化也非常敏感的性質,可以使用聚吡咯應用於常規紡織品以使其成為電導體。 [3] 
由導電聚合物材料製成的二次電池具有易於生產, 加工,成膜,柔韌,體積小,重量輕和能量高的特點。如果解決了有機物質的耐久性和高壓下有機溶劑的穩定性,則可以基於導電聚合物材料使二次電池商業化。 [3] 
導體
導電聚合物材料可以通過填充和配混,表面混合等合成導體粉末如金屬粉末或炭黑和聚合 物材料來製備。與傳統的金屬導體相比,複合合成導電聚合物材料具有有非常多的優點,容易加工、實用範圍更廣、密度非常低、對腐蝕具有很強的抵抗性 ;電導率可以根據電化學可逆反應變化,方便實際應用 ;材料相對便宜,適合大規模生產。 [3] 
導電聚合物作為超級電容器電極具有許多優點,例如柔韌性極高,導電功能很強,便於實際加工,還可以做成薄膜。許多導電聚合物材料表現出高比容量和電容, 並且可以以高相對速度傳遞能量,但它也有一個嚴重的缺點,循環使用的壽命低。 [3] 
藥物釋放
導電聚合物的摻雜和去摻雜過程實際上是陰離子的嵌入和脱嵌過程,通過這個過程,可以將藥物通過皮膚送進人的體內。使用這兩點,可以生產含有藥物的導電聚合物電池,並且當電流接通時,藥物從育齡期皮革中釋放出來,並通過皮膚而進入血液。聚吡咯是該領域中第一種也是最廣泛使用的導電聚合物。 [3] 
隱身技術
電磁波在導體中會形成感應電流而產生熱量,使得電磁波的能量被消耗,但是電導率太高會增加材料表面對電磁波的反射, 不利於對電磁波的吸收。由於導電高分子材料具有可調控的電導率,合理調節導電高分子材料的電導率,對電磁波能夠起到完美的隱身效果。 [2] 
傳感器
導電高分子的導電率隨着濃度、外界温度、氣體環境等因素的改變而顯著變化,利用導電高分子製備的電化學傳感器、離子濃度傳感器、温度傳感器已經得到了廣泛的應用, 並且由於高分子材料與人體的親和性,導電高分子作為生物醫學傳感器正在深入的研究當中。 [2] 

導電高分子展望

我們平常在生活中也在經常使用有聚合物製成的高分子材料。新材料的不斷髮展能夠促進社會的快速進步, 所以我們不僅要對現有的材料進行更全面的研究、同時還要深入研究。通過以上對高分子材料的廣泛研究,可以發現導電高分子材料在生活中使用用途非常的廣泛, 而且其使用價值還有很多未發掘的地方等待我們去探索,同時也説明的其在未來具有很高的研究價值。 [3] 
值得一提的是,導電高分子儘管具有優異的性能,穩定性的欠缺仍然限制了其在日常生活中的應用。在今後的研究當中,除了探索如何提高導電高分子的導電性能,如何增強其結構的穩定性也是重要的方向。展望未來,越來越多的新型材料得到了廣泛的應用,導電高分子的複合性能在光電、熱電、能源、生物醫學等領域必將大有可為。 [2] 
參考資料