导电高分子材料的应用

导电高分子材料的应用中国地质大学，材化学院，武汉430000摘要：本文简略介绍导电高分子材料的类型和部分制备方法，与介绍导电高分子材料目前的应用，如在除可用作电器元件外,还可用作二次电池的电极材料、防静电涂层及电显示材料和隐身技术等,是一类性能优异的新型功能材料。关键词：导电高分子材料复合型导电高分子材料结构型导电高分子隐身材料引言：2000年的诺贝尔化学奖得主通过研究证明了大家通常认为绝缘的高分子材料在一定的条件下也可以具有导电性。从那以后，导电高分子材料这一门新兴的学科就此迅速发展，成为材料学科研究中重要的一部分。。导电高分子材料因其独特的结构和物理化学性质而在很多方面得到广泛应用，例如已经在隐身技术、显示器、电池、电子器件、生物医药、传感器等方面得到广泛的应用。虽然导电高分子材料的发展只有三十多年的历史，但由于这门学科本身有着极其巨大的学术价值和应用前景，所以吸引了世界各国的科学家从事该领域的研究。导电高分子材料具有如下优点：比金属导体轻，对光电具有各向异性，易于成膜加工，可利用外界条件光、电、热、压力等改变或调节导电体的物理性质，可通过设计分子结构合成特种功能的导电性材料。导电性高分子材料可分为两大类：一类是复合型导电高分子材料,另一类是结构型导电高分子材料。1.结构型导电高分子1.1概念结构型导电高分子是指高分子本身或少量掺杂后具有导电性质，一般是电子高度离域的共轭聚合物经过适当电子受体或供体进行掺杂后制得的从导电时载流子的种类来看，结构型导电高分子主要分为两类:(1)离子型导电高分子,它们导电时的载流子主要是离子。(2)电子型导电高分子,导电时的载流子主要是电子(或空穴),主要是指共轭高分子.结构型导电高分子的主要品种有聚乙炔(PPV)、聚苯胺(PAN)、聚吡咯(PPY)、聚噻吩(PVK).但通常,由于导电高分子的不熔性，和环境稳定性的问题,在基础研究和技术应用上受到了极大的限制。1.2合成方法结构型导电高分子的制备方法主要有以下几种：化学氧化聚合法、电化学聚合法以及热分解烧结新工艺等。1.3应用多数聚合物也没有得到实际的应用,只有聚苯胺例外，原因在于它的性质稳定，易于加工，易于成膜，且膜柔软，弹性好。更主要的是价格低廉。正是由于上述优点使得聚苯胺（PAn）在工业和商业上具有广泛的应用前景。PAn由于其有良好的电性能且电导率随掺杂度的不同在一定范围内变化，但复合型材料不具备这个性质，但可以通过掺杂炭黑或金属粉达到要求，但是所在电导率范围较高，难已做到，相反PAn却可以轻易做到，利用其导电性可保护飞机不受雷电袭击，切在航空和航天方面具有重要意义。此外控制导电率在10-8~10-2之间浇或复合在衣服的纤维表面，可起到抗静电的作用。此外，PAn的电化化学性能，Pan以强质子酸进行掺杂是可逆过程，有电子得失，故材料可发生氧化还原反应，目前已应用于计算机辅助电源、钟表、手提式工具以及便携电话等电源。2.复合型导电高分子2.1概念复合型导电高分子材料即指聚合物为母体，与各种导电性物质：如炭黑、石墨、酞花青络合物或金属粉等，通过分散复合、层积复合或形成表面导电膜等构成的材料。复合型导电高分子通常选用物理性能适宜的合成树脂如聚氯乙烯、聚苯乙烯、丙烯酸树脂、环氧树脂、酚醛树脂、ABS树脂以及丁腊橡胶、氯丁橡胶、硅橡胶等，与具有良好导电性能的超微金属、金属氧化物及炭黑、石墨等混配制成导电塑料、导电橡胶、导电涂料和导电粘合剂等。这类高分子材料起载流作用的仍是金属粉或炭黑，而合成树脂只是起着支撑体和成型器件的作用。目前,这类导电材料已在电气、无线电等工业中大量使用。另外可以用作全塑电池的电极，其体积小，重量轻，蓄电能力是常规铅酸电池的10倍，已应用于汽车工业。2.1合成方法目前,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型导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.2.2应用目前，这类导电材料已在电气无线电等工业中大量使用。如导电塑料可用作印刷电路、电热器原件、防静电材料等。导电橡胶（硅橡胶）可用作电器连接器件起到与粘点、接触面紧密贴合的作用,不仅导电性好，而且具有弹性，且抗震动和稳定性均良好。导电粘合剂可用于电子管的真空导电密封，波导元件和印刷电路的制造，半导体收音机的安装和电子计算机中插件的粘合等。近年来这类复合型导电高分子材料的应用又有了一些新发展，如导电橡胶与非导电橡胶分层叠合后一起硫化成型就可在非导电橡胶中形成分立的导电通路，用这种材料作显示器的底座，既有电通路，又有防震、密封的作用。该产品已广泛用于数字式电子表中。在导电粘合剂方面也有很多新成就,如在人造卫星、宇宙飞船上,几千个硅太阳能电池的安装，印刷电路与微元件的粘合就是使用导电性粘合剂完成的。总之，这类复合型导电高分子材料已经开辟了十分广泛的应用前景。3共混型复合导电高分子3.1概念基体高分子与结构型导电高分子共混，就是采用机械或化学方法将结构型导电高分子和基体高分子进行复合，这是一条使结构型导电高分子走向实用化的有效途径.但是,基体高分子的热稳定性对复合材料的导电性能也有影响,一旦基体高分子链发生松弛现象,就会破坏复合材料内部的导电途径，致使导电性能明显下降.通常采用化学法或电化学法,将结构型导电高分子和基体高分子进行微观尺度内的共混,则可获得具有互穿或部分互穿网络结构的复合导电高分子.利用这一方法已经得到了PAN/聚甲醛(POM)、PPY/聚(乙烯接枝磺化苯乙烯)、PPY/聚酰亚胺(PI)等复合导电高分子。3.2应用在研究进展方面,三洋化成工业公司开发的以聚醚为主的特殊嵌段共聚物与PMMA、ABS和PA等基体高分子组成的共混物也具有永久抗静电效果,且相容性较好.美国Americhem公司等共同开发的PAN/PVC导电复合材料,当PAN质量含量为30%时，其体积电阻率达10-2Ω·cm量级,拉伸强度为4.2MPa,伸长率大于250%。4填充型复合导电高分子4.1概念导电填料掺入到普通的基体高分子中,经各种成型加工方法复合制得导电高分子。导电填料的品种很多，常用的可分成炭系和金属系两大类。炭系填料包括炭黑、石墨碳纤维和炭纳米管等;金属系主要有铝、铜、镍、铁等金属粉末、金属片和金属纤维,以及镀金属的纤维和云母片等。通过试验研究将炭黑颗粒和金属纤维填充便可制成复合导电高分子。分为碳黑填充型、金属填充型、碳纤维填充型、纳米型导电高分子。5其他应用5.1电解沉淀中的应用以往的沉淀方法如印刷电路的制造中，首先在基板上镀上一层金属如铜，这需要电解沉淀方法完成。但是过去的沉淀方法需要催化剂，而这些催化剂往往有毒。相反，采用聚吡咯作为预涂层，涂在基板上，可以避免以上的问题，且无毒、加工简单、附着性好、沉淀在聚吡咯涂层上的金属层的易剥离，关键的是可实现穿孔电镀。5.2在电容器上的应用在两电极间充以高分子固体电解质，施加一低于电极和电解质分解电位的直流电压，离子将移向一端电极，从而电解质和电极之间形成双电层，这种双电层容量大，可作为高容量的电容器。5.3电致变色方面的应用电致变色是指物质在外加电压作用下，发生电化学氧化还远而使颜色改变的过程。利用电致变色机理，可作为电致变色显示器、自动调光窗玻璃等。5.4传感器方面的应用在固体电解质中有许多材料对离子的透过具有选择性，因此可以在高分子固态电解质薄膜两侧造成某种特定离子的浓度差，通过测定由此而产生的电动势，就能将高分子固体电解质用作离子传感材料。目前,已有用多嵌段聚醚氨醋脉与氯化钾的复合物制成了一种高分子固态离子导体涂丝氯离子的选择电极。这种电极既保持了涂丝电极的优点,同时具有不必活化、响应速度快、重现性好、内阻小、稳定性好等优点。5.5隐身技术中的应用5.5.1雷达隐身技术中的应用导电高分子材料作为吸收剂被应用。导电聚合物主要有聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺等,这些导电聚合物的纳米微粉具有良好的吸波效果,与纳米金属吸收剂复合后吸波效果更佳。聚苯胺由于其结构的多样化,环境稳定性好、易加工、价格低廉以及特殊的掺杂机制而成为导电高分子的研究热点。其已被应用于吸波材料和电磁屏蔽材料。在美国用聚苯胺制成的导电高分子屏蔽材料的屏蔽效果已达到40dB以上。我国华因科技有限公司研制的屏蔽系列涂料,在80μm时,屏蔽效能达到了40dB~60dB。利用掺杂态导电高分子的导电性和半导体性,反射或吸收电磁波,已经用导电聚吡咯纤维编制成迷彩盖布,可以干扰敌方的电子侦察。在电子仪器的壳体内部或孔壁涂上导电高分子涂层,可将其导电能力提高到10-1S/cm以上,以实现仪器壳体内外的电磁屏蔽作用。利用导电高分子在掺杂前后导电能力的巨大变化,实现防护层从反射电磁波到透过电磁波的切换,实现智能隐身的功能。5.5.2红外激光隐身技术中的应用用于热隐身的材料应具备以下基本特征：具有符合要求的热红外发射率或较强的控温能力；具有合理的表面结构；具有较低的太阳能吸收率；能与其它频段的隐身要求兼容。国外研究得较多的是涂料型红外隐身材料，其次是薄膜材料。红外粘合剂及红外涂层用树脂有以下特点：必须保护好填料，并在涂层的整个使用期保持它们的红外特性不变;其次，树脂必须在所选光谱范围红外特性的透明，导电高分子比较符合要求，因此在红外隐身技术中得到广泛应用。结论：目前导电高分子的材料的应用范围不断增大，尤其在军事方面，从20世纪50年代起,美国开展隐身技术研究,20世纪70年代开始研制隐身飞机,80年代隐身飞机装备部队。相比之下，我国在该领域的起步较晚，随着对导电高分子材料导电机理研究的不断深入,由于导电高分子复合材料具有极强的可设计性,在隐身技术中会得到更加充分的应用,国内一定要在此方面有所作为,发展自己的隐身技术和材料，此外也提升复合导电高分子材料在掺杂物质从而提高导电性方面的水平，减少甚至避免飞机受到雷电袭击造成的损伤，从而在航空方面的技术提高上去，成为一个军事强国。参考文献：[1]宫兆合,梁国正,任鹏刚,王旭东,导电高分子材料在隐身技术中的应用,高分子材料科学与工程,2004,20(5),30-32[2]陈东红，虞鑫海，徐永芬,化学与黏合,2013,34(6),61-64[3]韩延辉,黄丽,徐定字,导电高分子材料的应用,1995,2,50-53[4]周秀民,孙丽菊,导电高分子材料的应用研究,吉林化工学院学报,2005,22(1),65-67[5]李星玮,导电高分子材料的性能及应用,化工新型材料,1997,4.3-5