導(dǎo)電高分子材料研究進(jìn)展

孫建麗

（成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610100）

1 導(dǎo)電高分子材料的分類和應(yīng)用

1.1 導(dǎo)電高分子材料概述

高分子導(dǎo)電材料是一類具有導(dǎo)電功能的高分子聚合材料，具有密度小、易加工、耐腐蝕和可大面積成膜等特點(diǎn)，可以作為多種金屬材料和無(wú)機(jī)導(dǎo)電材料的代替品。不僅如此，高分子導(dǎo)電材料因其擁有這些特點(diǎn)而已經(jīng)成為許多先進(jìn)工業(yè)部門和尖端技術(shù)領(lǐng)域中不能代替、不可或缺的一種材料。事實(shí)上，高分子作為一種優(yōu)良的電絕緣體，直到1977年，白川英樹(shù)［1］等人才發(fā)現(xiàn)用五氟化砷摻雜著聚乙炔具有導(dǎo)電的作用，這才相繼開(kāi)發(fā)出了PPS等化合物和聚苯胺等能導(dǎo)電的高分子材料。

1.2 導(dǎo)電高分子材料的分類

高分子導(dǎo)電材料主要分為復(fù)合型和結(jié)構(gòu)型，復(fù)合型的高分子導(dǎo)電材料是由通用的高分子材料與各種導(dǎo)電性物質(zhì)通過(guò)填充復(fù)合、表面復(fù)合或者層積復(fù)合等方法研制而成的。而結(jié)構(gòu)性的高分子導(dǎo)電材料，是指高分子結(jié)構(gòu)本身或者經(jīng)過(guò)摻雜之后具有了導(dǎo)電功能的高分子材料，這類材料根據(jù)電導(dǎo)率的大小又可以分為高分子半導(dǎo)體、高分子金屬和高分子超導(dǎo)體，根據(jù)導(dǎo)電機(jī)理又可以分成電子導(dǎo)電高分子材料和離子導(dǎo)電高分子材料。復(fù)合型的高分子導(dǎo)電材料主要品種有導(dǎo)電塑料、導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電纖維物、導(dǎo)電涂料和透明導(dǎo)電薄膜等，這些材料的性能與導(dǎo)電填料的種類、數(shù)量、用量的分散情況都有很大的關(guān)系。而結(jié)構(gòu)性導(dǎo)電高分子材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)則是具有線性或面型大共軛體系。在光或者熱的作用下通過(guò)共軛π電子的活化進(jìn)行導(dǎo)電，導(dǎo)電率一般在半導(dǎo)體的范圍之內(nèi)。適當(dāng)?shù)牟捎脫诫s技術(shù)可以使這類材料的導(dǎo)電性得到大幅度的提升，比如經(jīng)過(guò)摻雜的聚氮化硫在超低溫下可以轉(zhuǎn)變?yōu)楦叻肿映瑢?dǎo)體，但是這樣的高分子導(dǎo)電材料也存在一定的問(wèn)題，比如穩(wěn)定性比較差，特別是摻雜后的材料在空氣中的氧化穩(wěn)定性就很差，除此之外，這類的高分子導(dǎo)電材料在加工成型性和機(jī)械性方面尚存在一些問(wèn)題，尚未進(jìn)入實(shí)用階段。

1.3 導(dǎo)電高分子材料的應(yīng)用

在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，高分子材料都被用在電絕緣材料，但隨著科技的不斷進(jìn)步和需求的不斷增加，加上不同應(yīng)用的需求以及為了進(jìn)一步拓寬高分子材料的應(yīng)用范圍，人們才逐漸將一些高分子材料賦予了一定程度的導(dǎo)電性。對(duì)于高分子導(dǎo)電材料的研究一直受到人們的廣泛關(guān)注，而且經(jīng)過(guò)多年的努力，導(dǎo)電高分子材料的應(yīng)用已經(jīng)得到了大大的擴(kuò)展。由于電解合成的導(dǎo)電聚合物材料有一種特殊的性質(zhì)，在電化學(xué)摻雜的過(guò)程中可以發(fā)生顏色上的變化，因此可以把它作為變色裝置，而且這種聚合物的電化學(xué)反應(yīng)是可逆的，這就是說(shuō)明通過(guò)電化學(xué)摻雜和再次摻雜就可以變成絕緣體，在氧化摻雜之后還可以用來(lái)作為導(dǎo)體，但是需要注意的是根據(jù)去摻雜和再次摻雜的程度的不同，材料導(dǎo)電的性能也會(huì)有所不同。因此只要控制摻雜的量，就可以控制作用電量的不同而實(shí)現(xiàn)在導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體之間的改變。不同類型材料電導(dǎo)率的變化對(duì)應(yīng)著不同的化學(xué)性質(zhì)，根據(jù)這個(gè)原理就可以制作出顯示材料。除此之外，具有可逆的電化學(xué)反應(yīng)和還原特性也是導(dǎo)電高分子材料所具有的一個(gè)重要的特征，再加之其密度相比于其他導(dǎo)電材料來(lái)說(shuō)要小得多，所以在室溫下具有導(dǎo)電率大和表面積大的特性，可以用來(lái)制作電池。如果解決了有機(jī)物質(zhì)的耐久性和高壓下的有機(jī)溶劑的穩(wěn)定性，就可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電聚合物材料而使電池二次商業(yè)化。

2 導(dǎo)電高分子材料的制備方法

電子導(dǎo)電聚合物是由大共軛結(jié)構(gòu)組成的，因此導(dǎo)電聚合物的研究就是圍繞著如何建成共軛結(jié)構(gòu)而展開(kāi)和進(jìn)行的。從制備方法上進(jìn)行分類，大致可以分為化學(xué)聚合和電化學(xué)聚合，其中化學(xué)聚合還可以分為間接法和直接法，直接法指的是直接以單體為原料，一步就制備成共軛結(jié)構(gòu)，間接法則是指在得到聚合物之后還需要一個(gè)步驟或者多個(gè)步驟進(jìn)行轉(zhuǎn)化，最后在聚合鏈上形成共軛結(jié)構(gòu)。其中，雙鍵的構(gòu)成和制備在化學(xué)上有很多方法可以使用，比如通過(guò)炔烴的加氫反應(yīng)和一些比較簡(jiǎn)單的反應(yīng)都可以用于形成雙鍵。采用直接聚合法雖然方法比較簡(jiǎn)單，但是在反應(yīng)的過(guò)程中由于形成的聚合物溶解度較差，且在反應(yīng)的過(guò)程中大多以沉淀的方式退出了聚合反應(yīng)，因此很難得到高分子量的聚合物，除此之外，其產(chǎn)物的加工也是一個(gè)很重要的問(wèn)題。間接合成法首先是合成溶解和加工性能比較好的共軛聚合物前體，然后利用消除反應(yīng)獲得共軛結(jié)構(gòu)。利用間接法，消除反應(yīng)可以在加熱的情況下自主進(jìn)行，這樣雖然比較簡(jiǎn)單，但制作出來(lái)的聚合物導(dǎo)電能力不強(qiáng)，導(dǎo)電率也不高，這是因?yàn)樵诿撀然瘹涞倪^(guò)程中有交聯(lián)反應(yīng)發(fā)生，導(dǎo)致在產(chǎn)生共軛結(jié)構(gòu)共軛鏈時(shí)出現(xiàn)缺陷，使得共軛鏈縮短。如果想要采用這樣的方法，就要用聚丁二烯作為原料，并通過(guò)氯化和脫氯化氫的反應(yīng)來(lái)制備乙炔型導(dǎo)電聚合物。

3 導(dǎo)電高分子材料的研究進(jìn)展和展望

3.1 導(dǎo)電高分子材料的研究進(jìn)展

結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料是帶有共軛雙鍵的結(jié)晶性高聚合物，其導(dǎo)電機(jī)理主要是通過(guò)聚合物分子中的電子結(jié)構(gòu)中帶有共軛雙鍵，在引入導(dǎo)電性基團(tuán)或者摻雜一些其他物質(zhì)通過(guò)電荷變換形成導(dǎo)電性，自從1977年人們發(fā)現(xiàn)聚乙炔有導(dǎo)電的性質(zhì)之后，在世界范圍之內(nèi)就掀起了一股研究和開(kāi)發(fā)導(dǎo)電聚合物的熱潮。雖然聚乙炔是最早發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)電高分子，而且具有最接近銅的電導(dǎo)率，但是它對(duì)環(huán)境的穩(wěn)定性太差的問(wèn)題一直沒(méi)與得到有效解決。

導(dǎo)電高分子復(fù)合材料的研究方法主要有組分改造，即改變基體結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電功能體種類；另一個(gè)方法是機(jī)構(gòu)改造，即改變板狀、疊層或者發(fā)泡；第三種方法是導(dǎo)電功能體形狀改造，它的應(yīng)用研究包括根據(jù)實(shí)際條件和要求解決各種實(shí)際問(wèn)題的基礎(chǔ)理論研究。導(dǎo)電高分子復(fù)合材料的研究?jī)?nèi)容主要有：復(fù)合材料導(dǎo)電機(jī)理的理論研究、特殊效應(yīng)機(jī)理的理論研究、用不同的方法進(jìn)行新材料的試驗(yàn)研究、材料相關(guān)性能和使用性能的實(shí)驗(yàn)研究等。導(dǎo)電高分子聚合材料導(dǎo)電機(jī)理除了試驗(yàn)之外還包括理論研究，理論研究又包括導(dǎo)電通路的形成研究和形成之后導(dǎo)電通路的導(dǎo)電機(jī)理研究?jī)蓚€(gè)部分。導(dǎo)電通路的形成研究主要是研究加入聚合物基體后其導(dǎo)電功能在特定的加工工藝下是如何達(dá)到電接觸的，在電接觸之后又是如何自發(fā)地形成一條導(dǎo)電通路的，這是一個(gè)宏觀自組織的過(guò)程。而后者則主要研究導(dǎo)電通路形成后載流子遷移的微觀過(guò)程。顯然，無(wú)論是研究宏觀過(guò)程還是微觀過(guò)程，它們都會(huì)受到復(fù)合體系的熱力學(xué)或者動(dòng)力學(xué)等多種因素的制約。因此，導(dǎo)電高分子復(fù)合材料的理論研究是一項(xiàng)多樣且復(fù)雜的工作，一方面它呈現(xiàn)出多樣性和復(fù)雜性，另一方面，它與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間存在著不同程度的差異，許多理論結(jié)果有可能并不符合普適性。

3.2 高分子導(dǎo)電材料的應(yīng)用前景和展望

經(jīng)過(guò)科學(xué)家們多年的不斷研究，導(dǎo)電聚合物在新能源材料方面的應(yīng)用已經(jīng)得到了很大的發(fā)展，但是離大規(guī)模應(yīng)用還有一定的距離。從高分子導(dǎo)電材料的吸波特征來(lái)看，它具有很好的應(yīng)用前景，比如在軍事方面的應(yīng)用價(jià)值。自導(dǎo)電聚合物出現(xiàn)開(kāi)始，導(dǎo)電聚合物就被用作為最新型的有機(jī)聚合物雷達(dá)波吸收材料而成為導(dǎo)電聚合物領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和導(dǎo)電聚合物實(shí)用化的突破點(diǎn)，并參與進(jìn)了隱身技術(shù)之中。

通過(guò)對(duì)高分子導(dǎo)電材料的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)以及其應(yīng)用方法等進(jìn)行研究，我們發(fā)現(xiàn)高分子導(dǎo)電材料在今后的發(fā)展中具有極大的潛能，它能解決其他導(dǎo)電高聚物的不穩(wěn)定和不易加工等問(wèn)題。如果高分子導(dǎo)電聚合物的期望成為現(xiàn)實(shí)，傳統(tǒng)的科技電子行業(yè)將會(huì)掀起一股新的技術(shù)浪潮，這將會(huì)極大地推動(dòng)國(guó)家科技實(shí)力的發(fā)展。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)高分子導(dǎo)電材料的研究，發(fā)現(xiàn)其還有很多的使用價(jià)值有待進(jìn)一步研發(fā)，它的優(yōu)良性質(zhì)決定了它將擁有廣闊的發(fā)展前景。雖然目前的高分子導(dǎo)電材料有很多不盡人意的地方還需要不斷改進(jìn)，但是，隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，它就一定能夠發(fā)揮出它的最大作用，為人類做出更大的貢獻(xiàn)。