导电聚合物

定义：导电聚合物又称导电高分子，是指通过掺杂等手段，能使得电导率在半导体和导体范围内的聚合物。通常指本征导电聚合物，这一类聚合物主链上含有交替的单键和双键，从而形成了大的共轭π体系。π电子的流动产生了导电的可能性。简介：没有经过掺杂处理的导电聚合物电导率很低，属于绝缘体。其原因在于导电聚合物的能隙很宽（一维半导体的不稳定性），室温下反键轨道（空带）基本没有电子。但经过氧化掺杂（使主链失去电子）或还原掺杂（使主链得到电子），在原来的能隙中产生新的极化子、双极化子或孤子能级，其电导率能上升到10~10000S/cm2，达到半导体或导体的电导率范围。导电聚合物（聚乙炔）由日本科学家白川英树最先发现，美国科学家Heeger和MacDiarmid也是这一研究领域的先驱。这三位科学家由于在导电聚合物研究中的突出贡献，共同获得了2000年的诺贝尔化学奖。种类：自1970年代第一种导电聚合物——聚乙炔发现以来，一系列新型的导电高聚物相继问世。常见的导电聚合物有：聚乙炔、聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺、聚苯撑、聚苯撑乙烯和聚双炔等。聚乙炔是最先报道具有高电导率的、结构最简单的共轭高聚物。1987年，德国BASF公司的科学家改进了白川英树的聚合方法，得到的聚乙炔经碘掺杂并拉伸取向后电导率高达2×10^5西/厘米，此数值大约相当于铜电导率(6×105西/厘米)的1/3。在相同质量的情况下,它显示出比铜高2～3倍的电导率。由于聚乙炔具有特殊的光学、电学和磁学性质以及可逆的电化学性质，它在二次电池和光电化学电池方面显示诱人的应用前景，但最致命的弱点是它在空气中不稳定。聚噻吩和聚吡咯具有将聚乙炔的氢用硫或NH取代的结构,尽管它们的电导率没有聚乙炔高,但其稳定性好,能够用于制备电子器件。被称为“苯胺黑”的聚苯胺粉末早在1910年已经合成出来,然而直到从酸性的水溶液介质中通过苯胺单体的氧化聚合而制备的聚苯胺才具有较高的电导率。聚苯胺具有结构多样化、在空气中稳定、物理化学性能优异、制备工艺简单等特点,在二次钮扣电池和电致变色等方面有着诱人的应用前景。性能:导电聚合物不仅具有较高的电导率，而且具有光导电性质、非线性光学性质、发光和磁性能等，它的柔韧性好，生产成本低，能效高。导电聚合物不仅在工业生产和军工方面具有广阔的应用前景，而且在日常生活和民用方面都具有极大的应用价值。导电聚合物具有掺杂和脱掺杂特性、较高的室温电导率、较大的比表面积和比重轻等特点，因此可以用于可充放电的二次电池和电极材料。日本的精工电子公司和桥石公司联合研制的3伏钮扣式聚苯胺电池已在日本市场销售，德国的BASF公司研制的聚吡咯二次电池也在欧洲市场出现,日本关西电子和住友电气合作试制出高输出大容量的锂－聚合物二次电池。与普通的铅蓄电池相比,这种二次电池具有能量密度高、转换效率高和便于管理等特点。应用：导电聚合物在电化学掺杂时伴随着颜色的变化,它可以用作电致变色显示材料和器件。这种器件不但可以用于军事上的伪装隐身，而且可以用作节能玻璃窗的涂层。导电聚合物具有防静电的特性,因此可以用于电磁屏蔽。传统的电磁屏蔽材料多为铜或铝箔，虽然它们具有很好的屏蔽效率，但重量重，价格昂贵。导电聚合物在电磁屏蔽方面具有几乎同样的性能,并且有成本低、可以制成大面积器件、使用方便等优点,因此是传统电磁屏蔽材料的一种理想替代品，可以用在诸如计算机房、手机、电视机、电脑和心脏起搏器上。导电聚合物的电导率依赖于温度、湿度、气体和杂质等因素,因此可作为传感器的感应材料。目前，人们正在开发用导电聚合物制备的温度传感器、湿度传感器、气体传感器、pH传感器和生物传感器等。导电聚合物还可以用来制作二极管、晶体管和相关电子器件,如肖特基二极管、整流器、光电开关和场效应管等。有些导电聚合物具有光导性,即在光的作用下,能引起光生载流子的形成和迁移,可以用作信息处理如静电复印和全息照相,也可以用于光电转换如太阳能电池。导电聚合物之所以引人注目，不仅是因为它具有好的电性能,而且还在于它具有不寻常的光学特性。导电高聚物具有好的非线性光学性能,它的非线性光学系数大,响应速度快。由于非线性光学材料具有波长变换、增大振幅和开关记忆等许多功能,因此作为21世纪信息处理和前所未有的光计算基本元件而特别令人关注。另外,导电聚合物还是光折变和光限幅材料。自1990年剑桥大学推出聚合物电致发光器件以来，在材料科学和信息技术领域引起了世界范围内的国际竞争——有机高分子全色平面显示材料与器件。它所具有的自发光、高亮度、高效率、低压直流驱动、低成本、无视角依赖、快响应速度、薄、轻、柔性好、大面积和全色显示等优点，给现代显示技术展现了美好的前景。该领域吸引着许多国家不同学科的科学家以及越来越多的研究机构和公司的关注和投入。目前，菲利浦和柯达公司用有机LED制作手机显示屏,先锋公司用有机LED制作汽车显示屏,并建成了月产3万台的生产线。2005年以前，有机聚合物LED的市场预计有35亿美元。人们早已确认了氧化还原蛋白质的存在,后来随着对金属蛋白质立体结构的了解,蛋白质内部的电子转移的研究工作也活跃起来。最新研究发现,DNA具有导电性。因此,与生命科学相结合,导电聚合物可以用来制造人造肌肉和人造神经,这将是导电聚合物在应用上的又一重大突破。历史事件：世纪之交2000年的诺贝尔化学奖颁发给三位在导电聚合物研究中获得杰出成就的化学家:美国的黑格，马克迪尔米德和日本的白川英树。2000年瑞典皇家科学院将诺贝尔化学奖授予上述三位导电聚合物的发现者,高度评价了导电聚合物的发现在科学和技术上的重大意义。进而联系2000年化学诺贝尔奖,对导电聚合物(导电塑料)芳炔大环化合物材料(超分子化合物、蝶状液晶材料)进行介绍。2000年诺贝尔化学奖，终于使一度陷入低谷的导电聚合物研究走上了历史舞台的前面。2000年，常年在导电聚合物领域从事研究工作的三个科学家马克迪尔米德、黑格和白川英树共同获得了诺贝尔化学奖，其中一个重要原因就是共轭聚合物电致发光器件已经接近实用水平。1998年，杨阳提出一种混合计算机结构l”在*导电玻璃衬底上打印一种导电聚合物，再在其上面旋转涂敷聚合物发光层，最后蒸镀金属钙作为阴极。从1992年开始,公司开始对外销售这种含有高纯度导电聚合物的Espacer。美国的UNIX公司制成了柔韧可弯曲的导电聚合物发光二级管。1991年，美国研制了一种基于非线性吸收原理的快响应/弹道防护村料；由掺有导电聚合物和无机半导体材料的聚碳酸酯组成。自1990年聚对苯乙炔(PPV)的电致发光性能首次被英国剑桥大学科学家们报道之后，以导电聚合物为发光活性物质的发光二极管的研究非常活跃。聚噻吩PTP1989年化学家研制成功的聚噻吩（Polythiophenes，略写为PTP或PTh）是又一种有用的导电聚合物。1987年，用聚苯胺为电极制成的纽扣式二次电池作为商品投放市场后，使聚苯胺很快成为导电聚合物领域的研究热点。1987年,美国导电聚合物销售总额为17000万美元,到2000年将增加到85000万美元;1987年导电制品消耗树脂总计2万吨,1990年达5.67万吨。在1985年,DeBerry阴发现,在酸性介质中用电化学法合成的聚苯胺膜能使不锈钢表面活性钝化而防腐,这一特点引起了人们的关注,从此人们在腐蚀防护领域开始了导电聚合物膜层的应用研究。1984年美国才正式把聚合物材料列入太空材料的研究计划之中，从理论上分析，在微重力下制备的聚合物材料的组织结构更均匀，性能更优越，这对于功能聚合物（如导电聚合物、铁磁性聚合物和聚合物薄膜等）的研究具有巨大的潜在价值，使其成为微重力材料研究中继电子材料、金属材料之后最重要的一个研究对象。自1984年MacDiarmid在酸性条件下,由聚合苯胺单体获得具有导电性聚合物至今的十几年间,聚苯胺成为现在研究进展最快的导电聚合物之一。1983年,MacDiannld发现聚苯胺(PAN)与碱反应,能得到具有较高电导率的导电聚合物。1981年以来,研究部门剧增,特别是日本在这方面投入了相当多的力量,有人认为日本首先占领导电聚合物市场的一角的可能性是很大的。1981年日本可乐丽公可发表以海岛结节为芯,以不导电聚合物为鞘的复合导电纤维。自1980年起，许多研究小组利用稳定剂在水溶液介质或非水溶液介质中制备了静电稳定的导电聚合物胶体，得到的胶体分散体系稳定性可持续一年左右，有一定的应用价值。自1980年以来，科学家一直努力合成具有理想性能的低能隙导电聚合物，所谓低能隙导电聚合物也就是不经掺杂就能成为金属导体的聚合物。从1980年以来，由于导电高分子、电极活性材料的开发成功，如聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚并苯等一系列导电聚合物的实用化开发，制成电容量更大、重量更轻的聚合物电池成为可能。进入1980年以后,美、英、德、日、法、中、苏等国开始大量研究导电聚合物。1980年以后，美、英、德、日、法、中、苏等国开始研究导电聚合物。1979年首次报道了电化学氧化毗咯在电极表面形成聚毗咯（PPy）膜以来*]大大激发了人们对有机导电聚合物的研究热情，很快发展了聚噬吩PTh）和聚苯胺（Pn）等导电聚合物。自1979年Diaz首先用电化学方法制备出导电性聚吡咯薄膜以来，人们合成了一系列导电聚合物。1979年首次报导了电化学氧化毗咯可在电极表面形成聚毗咯(PPy)膜以来〔l，大大的激发了人们对有机导电聚合物的研究热情，很快发展了聚噬吩(PTh)和聚苯胺(PAn)等。特别是自1979年Diazlzl首次报道了电化学氧化毗咯在电极表面形成聚毗咯(PPy)膜以来，大大激发了人们对有机导电聚合物的研究热情。自从1979年美国宾夕法尼亚大学的Macdiarmid研制成了聚乙炔二次电池后,人们又相继成功地把聚对苯撑、聚苯胺、聚咪吩等导电聚合物作为二次电池的电极活性材料。自1979年首次报道了电化学氧化毗咯在电极表面形成聚毗咯(PPy)膜以来,大大激发了人们对有机导电聚合物的研究热情,很快发展了聚曝吩(PTh)和聚苯胺(PAn)等电聚合物和导电聚合物膜己成为一个广阔的研究领域。自1979年Diaz’喀次报道了电化学氧化毗咯在电极表面形成聚毗咯（PPy）膜以来，大大激发了人们对有机导电聚合物的研究热情。自1979年Diaz首次报道了电化学氧化毗咯在电极表面形成聚毗咯（Pfy）膜以来，人们对在电极表面修饰一层导电聚合物薄膜的兴趣越来越浓厚。1979年AGMacdiarmid首次成功地获得聚乙炔的模拟二次电池,这是导电聚合物在二次电池上应用的良好开端。后来Armand等于1978年把导电聚合物引人电池中,在学术界和产业界逐渐引起重视仁’1977年后,黑格利用导电聚合物发明了一种超薄并可以弯曲的电子器件—发光二极管,1986年日本又用聚噻吩制成了场效应管。1977年合成出第一种导电聚合物,1981年制出聚合物电极的电池,1987年夏制成导电率接近于铜的导电聚合物,几个月后在市场上就出现有可再充电的聚合物电池出售。自1977年首先开发聚乙炔(PAc)之后,各种导电聚合物相继问世。自从1977年发现聚乙炔的导电现象以来,在世界范围内掀起了研究和开发导电聚合物的热潮。1977年，三人联合发表了题为《导电聚合物的合成》的论文，被公认为是该领域的一个重大突破。自从1977年白川英树首先合成出导电性聚乙炔以来,共轭导电聚合物(如聚乙炔、聚噬吩、聚对苯撑、聚毗咯和聚苯胺)得到了越来越广泛的关注,且应用范围也越来越广,主要应用于生物传感器、电致显示材料、抗静电涂料和包装、固体电池、半导体电子元件以及功能分离膜等方面。