第3章-导电聚合物

同学们！请准备上课第三章导电高分子材料及有关技术第一节导电高分子材料概述一.导电高分子发现与发展20世纪70以前聚合物用于结构材料和绝缘材料.20世纪70年代发现以TCNQ电荷移动络合物为代表的有机晶体导体,半导体和超导体.以聚乙炔为代表的导电高分子,以及光电聚合物磁性聚合物,光致变色,电致变色聚合物等陆续被发现,打破功能高分子领域只限于离子交换,吸附和偶合等化学功能.第一节导电高分子材料概述一、导电高分子发现与发展关于导电聚合物这一名称,在当时也有人称为“合成金属(syntheticmetals)”,“金属化聚合物(metallicpolymer)”,和电活性聚合物。也有人称为电子聚合物。其依据是,具有光,电性能的聚合物的特殊功能基本上与它们的外层电子有关.但是,导电高分子材料中除电子导电的类型外,还有其它的类型,则认为统称为电子聚合物是不态充分。二、导电高分子的定义与分类1.定义:1)具有明显的聚合物的特征.即分子由许多小的,重复结构单元以共价键相互连接,并相互间能够产生共轭.第一节导电高分子材料概述2)如果在材料两段加上一定的电压,在材料中应有一定的电流通过.二、导电高分子的定义与分类第一节导电高分子材料概述导电聚合物与常规导体之间有一定的区别。首先它们的结构不同。聚合物导体是以共价键化合的分子。常规导体是以金属键相互作用的晶体。因此，前者属于分子导电,而后者则属于晶体导电。二、导电高分子的定义与分类2.导电聚合物的分类:根据导电聚合物中的载流子的不同导电高分子分为电子导电聚合物，离子导电聚合物以及氧化还原型导电聚合物。第一节导电高分子材料概述各类材料导电性能：10610210-210-610-1010-1410-16石英金刚石聚乙烯硅锗石墨铋铜铂导电率（S/cm）未掺杂经掺杂导电聚合物第三节电子导电型聚合物一、导电机理与结构特征电子型导电聚合物的导电过程中载流子是自由电子或孔穴。载流子在分子内部做定向迁移产生电流。第三节电子导电型聚合物一、导电机理与结构特征有机分子中电子以以下四种形式存在:(1)内层电子：一般不参加化学反应。(2)s电子：键能较高，一般不易离域。称为定域电子。(3)n电子：孤立存在时没有离域性。第三节电子导电型聚合物一、导电机理与结构特征(4)p电子：具有有限离域性,随着共轭程度的增加,离域性明显增加。p电子有一定的离域性，但是它仍然不是导电的自由电子。当共轭程度达到一定的程度后,分子中有可能产生自由电子。因此,电子导电聚合物必备的条件是：必须分子共轭程度足够大。因此，电子导电聚合物结构是，单元和单元之间必须共轭的一类聚合物。常见的电子导电聚合物有：第三节电子导电型聚合物一、导电机理与结构特征NHHNNHHNNHHNSSSSSSHNHNHN部分电子导电聚合物的分子结构第三节电子导电型聚合物一、导电机理与结构特征电子导电高分子一般为线形共轭高分子。以聚乙炔为例:高分子链为许多具有未成对电子的CH自由基连接而成的长链。当所有碳原子都处于一个平面内时，其未成对电子云空间取向相互平行，相互重叠形成p键。HCCHHCCHHCCHHCCHHCCH每一CH自由基结构单元p电子轨道中只有一个电子。根据分子轨道理论，相领的两个自由基p电子形成以下的分子轨道。第三节电子导电型聚合物一、导电机理与结构特征空轨道电子轨道占有轨道电子自由流动，首先要克服满带和空带之间能级差。满带和空带之间的能级差的大小决定高分子导电能力的好坏。减少能带分裂引起的能级差采用所谓的“掺杂”法。一、导电机理与结构特征第三节电子导电型聚合物掺杂剂，掺杂量与导电率之间的关系“掺杂”(dopping)分为两种。一是:利用具有氧化性质的物质掺入高聚物中,从满轨道中夺取电子,使满轨道成为半充满的能量居中的能带。减少空轨道间的能量差，称为p掺杂。常用氧化性掺杂剂有碘,溴等等。(CH)x+xy/2I2——(CHy+)x+(xy)I-(xy)I-+(xy)I2——(CHy+)x+(xy)I3–——[(CHy+)x(I3–)y]xp-掺杂二、电子导电聚合物的性质第三节电子导电型聚合物而另一种掺杂是利用还原性质的物质掺杂,提供电子给空轨道,使空轨道能量降低,从而减少能级差，称为n掺杂。常用萘基碱金属做为掺杂剂。(CH)n+nxD——[(CH-x)·xD+]n还原掺杂或n-掺杂一、导电机理与结构特征第三节电子导电型聚合物各种掺杂聚乙炔的导电性掺杂方法未掺杂顺式聚乙炔反式聚乙炔~10-9~10-5p-型掺杂(氧化型)碘蒸汽5.5x102五氧化二砷1.2x103电化学掺杂103n-型掺杂(还原型)萘基锂2x102萘基Na101~102掺杂剂导电值(S/cm)同一聚合物的导电率与它的合成方法,掺杂剂以及掺杂量等的不同有所差别.3.3电子导电型聚合物的制备方法.单体化合物加聚反应缩聚反应共轭聚合物单体化合物直接法加聚反应缩聚反应中间聚合物间接合成法消除反应加成反应电化学合成单体化合物1.聚乙炔(PA)HCCHTi(OBu)4-AlEt3HCHCn除以上合成方法以外,还有其它生成中间聚合物后,在消取产生聚乙炔等多种方法.特点:已报道的最高导电率2x105S/cm.能成膜.但是,因为导电稳定性差,到目前位置还未能作为材料使用.2.聚苯胺(PAN)5NH2化学氧化电化学氧化HNHN一般认为有以下分子链结构HNNHNHNy1-yn经氧化或还原,其结构发生变化,芳环与醌式结构可逆性的转换.经酸或碘掺杂,导电性能提高.最高报道~100S/cm.作为静电防止剂等使用.3.聚吡咯(PPy)NHNHNHBrBrNHH+[O]H+催化剂电化学聚合-2ne化学氧化聚合nn电化学聚合一般在酸性介质中进行，溶液的pH一般为1-3。常用的酸为无机酸（盐酸，硝酸，硫酸等等）或对甲苯黄酸，十二烷基苯黄酸等有机酸。电化学聚合得到的聚吡咯一般是叁杂状态的聚合物。电极电位及溶液pH值或所使用的酸的性质不同，有各种叁杂状态。由于聚吡咯对溶液的酸度有特殊的灵敏性，有可逆的氧化还原性质，则环境的pH值或化学气愤改变，它的电阻发生变化，因而可以制成探测PPy膜。PPy制成微型酶电极可测尿糖和血糖的的含量。缺点：不溶，不熔，加工困难。PPy涂在化学纤维等的表面而制成的复合膜具有同样的导电性能，可以作为静电防止剂。有报道说聚吡咯有隐身功能。经掺杂导电率可达100S/cm.NNNHHHNO-3+NCH2NNHHHNO-3+4.聚噻吩（PTh）Sn结构以及参杂等性质与聚吡咯相似，是五元杂环聚合物。溶解性差。提高溶解度的方法主要考虑的还是导入烷基，为此合成出了多种带有烷基的衍生物。虽然，溶解性大有提高，但是导电率明显下降。为此就合成出其它衍生物。SRSRRnn2354SOOOOOSOOnnPEDOThPCrTh(Polycrownetherthiophene)(Polyethylenedioxythiophene)其中氧化法聚合的PEDOTh的导电率可达100S/cm。已利用到印刷电路板通孔内表面涂覆，代替复杂的金属电镀工艺。最近有报道称聚噻吩涂在金属薄片上测其导电性能，发现其零电阻现象，认为聚噻吩有超导性质。5.聚对苯(PPP)合成方法:自由基聚合法是最初的合成方法.除此之外还有以下的合成方法.XX+nMgn乙醚或THF回流XMgXnXMgXnNi（II）n+nMgX2因为以上方法合成出的聚合物一般溶解性较差,则也有可溶性中间体合成方法.HOOHRCOOOOCRRCOOOOCR自由基聚合nn6.其它导电高聚物:7.典型导电高分子的氧化掺杂及还原掺杂易难情况NnCHHCn聚吡啶聚苯亚乙烯NNnPolypyrimidineNHSNNNnnnnnp型n型掺杂机理:极化子双极化子芳环结构醌式结构初步掺杂进一步掺杂其中芳环结构最稳定，几乎无导电性。醌式结构虽然能量最高，但是存在可能性较小。当掺杂后逐步出现激化子，双激化子。在进一步掺杂双激化子结构沿着高分子链增多，形成接近于醌式结构的状态，显示导电性。导电率为500S/cm。第三节导电聚合物的电化学聚合电化学聚合是以电极电位作为聚合反应的引发基和反应驱动力的一类合成方法。一.特点：1）在电极表面直接成膜2）在电极反应过程中聚合物被电极电位所氧化或还原完成所谓的“掺杂”过程。在掺杂这一问题上有人认为是以电极氧化还原来完成掺杂过程，而不是以某种物质来完成掺杂。但是，必须有与高聚物氧化态或还原态相对应的相反离子。如：聚苯胺电化学氧化产物是直接掺杂的聚合物。NNHNHNmlnNH2电化学氧化HXH+X-X-X-X-H+H+H+中性聚合物通过化学方法掺杂也可以得到同样的效果。-e-EpaRH2RH2+生成自由基2RH2+自由基偶合RH—RHRH—RH-e-Epa[RH—RH][RH—RH—RH2]+RH2+2+-2H+[RH—R—RH]继续生成自由基，脱氢重复，增长高分子链。二.机理聚吡咯的电化学聚合实例：用通式表示为：RH2（x+2）EpaHR—（R）—RH+（2x+2）H+（2x+2）（-e）+xN阳极氧化-eNRR自由基偶合NRHNR拖质子-2H+HNRNRNRNRNRNR链增长一般聚吡咯聚合阳极电压为0.6V~1.2V时产生单体和二聚体的自由基,以a为偶合.但是,不产生高聚物。保持在1.2V以上时生成的聚合体继续产生自由基,偶合,脱氢使高分子链继续增长.这证明反应的第二步是阳离子自由基之间的偶合反应,而不是阳离子自由基与单体的链增长反应.三.影响电化学聚合过程中的因素:主要影响因素有:溶剂,电解质,反应温度,体系压力以及电极材料.常用的溶剂:水,乙腈和二甲基甲酰胺等。常用的电解质：高氯酸，六氟化磷，四氟化硼盐等。工作电极的电压应稍高于单体氧化单位。常用的工作电极为不活拨金属。单体取代基影响反应速度以及所得高聚物的导电性质。单体反离子导电率单体反离子导电率噻吩四氟硼酸根高氯酸根四氟硼酸根0.02(聚合膜)10~20(压成聚合物)10~20(压成聚合物)联噻吩吡咯N-甲基吡咯硫酸根0.1(聚合膜)100(聚合膜)0.001(聚合膜)3-甲基噻吩高氯酸根高氯酸根100(聚合膜)10~30(压成聚合物)N-乙基吡咯N-丙基吡咯0.001(聚合膜)0.001(聚合膜)3,4-二甲基噻吩三氟甲基硫酸根10~50(压成聚合物)0.001(聚合膜)N-丁基吡咯N-异丁基吡咯10-4(聚合膜)10-5(聚合膜)取代基对导电聚合物导电性能的影响四。导电聚合物电化学氧化聚合的方法有单池三电极法（工作电极，反电极以及叁考电极）或者用两电极系统，不用参比电极。如下图：+-+-+-三电极法，间断过程两电极法连续金属带连续生产第四节电子导电聚合物的应用一.作为电输送材料使用部分导电聚合物虽然有普通金属导体相同的导电性能,但是因为稳定性,溶解性差,价格昂贵等原因,目前还不能代替现有的电力输送材料.但是,由于导电高分子的导电率高温状态下增加这一特点来考虑,作为特殊环境中的电力输送材料使用还是有一定的竞争力.二.作为电极材料电子导电化合物大部分有可逆氧化还原性能.目前作为电池电极材料使用的比较广泛.由高分子作为电极材料的可充电电池主要有三种类型:Pmn+An-Pm充电e放电e+nA-nM（Li）nM+电解液阳极阴极[M+A-]nnM+nA-nM+PmPmn+An-nM+PmPmn+An-Pmn+An-Pm+nA-其中作为电极材料的高分子有聚吡咯,聚苯胺等.聚吡咯与锂构成的电极开环电压3.5V.聚苯胺/ZnSO4(H2O)/Zn或PbO2O4(H2O)/聚苯胺以上电池电量密度大,能充放电2000次,库仑效率没有明显变化.特别是以离子导电聚合物为固体电解质,电子导电聚合物为电极的可充电电池有更广泛的应用前景.三.金属防腐和防污高分子化合物在防止金属腐蚀方面的应用是20世纪90年代中后期发现的一种功能。掺杂和未掺杂状态都能起到防腐腐蚀作用.认为主要是通过两种途径达到防止腐蚀的目的：1.通过在金属表面形成隔离膜,对氧和水起隔离作用.2.通过电化学氧化-还原作用,防止金属氧化.因为纯导电高分子(主要是PAN,Ppy等