高分子導電材料

一類具有導電功能（包括半導電性、金屬導電性和超導電性）、電導率在10^-6S/m以上的聚合物材料。 ^[1]  高分子導電材料具有密度小、易加工、耐腐蝕、可大面積成膜以及電導率可在十多個數量級的範圍內進行調節等特點，不僅可作為多種金屬材料和無機導電材料的代用品，而且已成為許多先進工業部門和尖端技術領域不可缺少的一類材料。高分子材料長期以來被作為優良的電絕緣體，直至1977年，日本白川英樹等人才發現用五氟化砷或碘摻雜的聚乙炔薄膜具有金屬導電的性質，電導率達到10S/m。這是第一個導電的高分子材料。以後，相繼開發出了聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁類化合物、聚苯胺、聚噻吩等能導電的高分子材料。

“導電高分子材料具有良好的導電性和電化學可逆性，可用作充電電池的電極材料。利用Ppy製作的可充電電池，經300次充放電循環後，效率無下降，已達到商業應用價值。導電性高聚物在太陽能電池上的應用也引起了廣泛的關注，美國科學家Jeskocheim利用聚吡咯和聚氧化乙烯固態電介質膜試製了光電池，可產生1mA/cm2的電流，0.35V的電壓。儘管這種光電池還不如Si太陽能電池，但由於導電聚合物重量較輕、易成形、工藝簡單，並能生成大面積膜，具有綠色環保的特點，因而發展前景十分誘人。導電高分子材料還是製作超級電容器的理想材料。如採用摻雜後的聚吡咯高分子化合物，電導率高達100 S/cm，頻率特徵非常出色，尤其在高頻區的特性與以前電容器相比有很大改善。

經過多年世界範圍內的廣泛研究，導電聚合物在新能源材料方面的應用已獲得了很大的發展，但離實際大規模應用還有一定的距離。這主要是因為其加工性不好和穩定性不高造成的。”

高分子導電材料通常分為複合型和結構型兩大類：①複合型高分子導電材料。由通用的高分子材料與各種導電性物質通過填充複合、表面複合或層積複合等方式而製得。主要品種有導電塑料、導電橡膠、導電纖維織物、導電塗料、導電膠粘劑以及透明導電薄膜等。其性能與導電填料的種類、用量、粒度和狀態以及它們在高分子材料中的分散狀態有很大的關係。常用的導電填料有炭黑、金屬粉、金屬箔片、金屬纖維、碳纖維等。

②結構型高分子導電材料。是指高分子結構本身或經過摻雜之後具有導電功能的高分子材料。根據電導率的大小又可分為高分子半導體、高分子金屬和高分子超導體。按照導電機理可分為電子導電高分子材料和離子導電高分子材料。電子導電高分子材料的結構特點是具有線型或面型大共軛體系，在熱或光的作用下通過共軛π電子的活化而進行導電，電導率一般在半導體的範圍。採用摻雜技術可使這類材料的導電性能大大提高。如在聚乙炔中摻雜少量碘，電導率可提高12個數量級，成為“高分子金屬”。經摻雜後的聚氮化硫，在超低温下可轉變成高分子超導體。結構型高分子導電材料用於試製輕質塑料蓄電池、太陽能電池、傳感器件、微波吸收材料以及試製半導體元器件等。但這類材料由於還存在穩定性差(特別是摻雜後的材料在空氣中的氧化穩定性差)以及加工成型性、機械性能方面的問題，尚未進入實用階段。

高分子材料在很長一段時期都被用作電絕緣材料.隨着不同應用領域的需要以及為進一步拓寬高分子材料的應用範圍，一些高分子材料被賦予某種程度的導電性以致成為導電高分子材料.第一個高導電性的高分子材料是經碘摻雜處理的聚乙炔，其後又相繼開發了聚吡咯、聚對苯撐、聚苯硫醚、聚苯胺等導電高分子材料

〔1〕.由於這些導電高分子材料都具有共軛鍵結構，並且主要是由化學方法處理得到的，因此常稱為本徵型導電高分子材料.但是，這類材料的穩定性、重現性較差，電導率分佈範圍較窄，成本較高，而且加工困難，尚未進入批量生產的實用階段

〔2〕.本徵型導電高分子材料在應用方面遇到的困難短期難以解決，促使人們轉而研究和開發導電高分子複合材料.導電高分子複合材料是以高分子材料為基體，通過加入導電功能體，經過分散複合、層積複合以及形成表面導電膜等方式處理後形成的多相複合導電體系.由於原料易得、工藝相對簡單、成本較低、電阻率可在較大範圍內調節，同時具有一定程度的再加工性併兼有高分子基體材料的一些優異性能而受到廣泛重視.

導電高分子複合材料的研究工作主要有：

① 複合材料導電機理的理論研究、特殊效應機理的理論研究；

② 用不同方法研製新材料的實驗研究；

③ 材料應用的實驗研究.

導電高分子複合材料導電機理的理論研究工作通常又包括導電通路的形成和形成導電通路後的導電機理兩方面.前者研究的是加入聚合物基體中的導電功能體在給定的加工工藝條件下，如何達到電接觸而在整體上自發地形成導電通路這一宏觀自組織過程；後者則主要涉及導電通路或部分導電通路形成後載流子遷移的微觀過程.顯然，無論是宏觀過程還是微觀過程，它們都受到複合體系的幾何拓撲、熱力學和動力學等多種因素的制約.因此，導電高分子複合材料的理論研究工作一方面呈現多樣性、複雜性，另一方面又與實驗結果之間存在着不同程度的差異，而且許多理論結果往往不具有普適性.新材料的實驗研究工作採用的主要方法有：組分改造(改變基體種類、改變導電功能體種類)；整體或組分物性改造(磁化、接枝、熱處理、結晶、浸漬)；結構改造(板狀、疊層、發泡)；導電功能體形狀改造(粒狀、球狀、中空狀、纖維狀)等.應用研究則包括根據應用條件和具體要求解決各種實際問題的理論和實驗研究.