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导电高分子材料应用研究

文章来源:材智汇NewM       发布时间:2016-07-09
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2000诺贝年的尔化学奖获得者--美国的Heeger、MacDiarmid和日本的白川英树三位科学家,他们通过研究,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。之后,又相继开发出了聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚噻吩、聚苯胺、聚对苯撑乙烯等导电高分子材料。

导电高分子材料定义

导电高分子材料通常是指一类具有导电功能(包括半导电性、金属导电性和超导电性)、电导率在10-6s/cm以上的聚合物材料。这类高分子材料具有密度小、易加工、耐腐蚀、可大面积成膜,以及电导率可在绝缘体-半导体-金属态(10-9到105s/cm)的范围里变化。

导电高分子材料定义

导电高分子材料分类

共混型/掺杂型:是聚合物与聚合粉或导电性碳纤维经混制得的树脂配合物,其电导率约为10-1西门子/米。

结构型:是分子中含有大π键的高分子,经掺杂处理后可具有类似金属的导电性,电导率已能达102~104数量级,主要有聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩等。

高分子固体电解质:是碱金属(如锂盐)与聚醚类的络合物,其电导率约为10-3数量级。

聚电解质:是主链与侧基上带有离子基团的化合物,如聚合物磺酸盐、高分子季铵盐和离子交换树脂等,其电导率最低。


导电高分子材料导电原理

1.渗流理论

该理论主要用来解释高分子导电复合材料的电阻率和填加的导电填料含量之间的关系,大量的实验研究结果表明,当复合体系中导电填料的含量增加到某一临界含量时,体系的电阻率急剧下降,体系的电阻率--导电填料含量曲线出现一个狭窄的突变区域,在此区域内,导电填料含量的任何细微变化均会导致电阻率的显著改变,这种现象通常称为渗滤现象,导电填料的临界含量通常称为渗滤阀值;在突变区域之后,体系电阻率随导电填料含量的变化又恢复平缓。

导电高分子材料导电原理

2.隧道效应理论

隧道效应理论是应用量子力学的结果。当复合体系中导电填料含量较低、导电粒子间距较大时仍存在导电现象,该理论认为导电是电子迁移的结果。复合导电体系中依然存在导电网络,但导电不是靠导电粒子的接触来实现,而是热振动时电子在导电粒子之间的迁移造成的,且导电电流即隧道电流是导电粒子间间隙宽度的指数函数。隧道效应几乎仅发生在距离很接近的导电粒子之间,间隙过大的导电粒子之间无电流传导行为。隧道效应理论已成功地应用于碳黑/聚氮乙烯导电复合体系,从而证明了隧道效应机理在有些复台体系中确实存在。

3.场致发射效应理论

该理论认为,当复合体系中导电填料含量较低、导电粒子间距较大、导电粒子之间的内部电场很强时,电子将有很大的几率飞跃树脂界面势垒而跃迁到相邻的导电粒子上,产生场致发射电流,形成导电网络。

3.场致发射效应理论

几种常见导电高分子材料

聚乙炔,电导率17/MS·m-1

聚乙炔

聚吡咯,电导率0.75/MS·m-1

聚吡咯

聚噻吩,电导率0.1/MS·m-1

聚噻吩

聚亚苯基,电导率0.1/MS·m-1

聚亚苯基

聚苯乙炔,电导率0.5/MS·m-1

聚苯乙炔

聚苯胺,电导率0.02/MS·m-1

聚苯胺

导电高分子材料产业链分析

导电高分子材料产业链分析

《新材料产业“十二五”发展规划》中,将“新材料”分为六大领域:特种金属功能材料、高端金属结构材料、先进高分子材料、新型无机非金属材料、高性能复合材料和前沿新材料。

《十二五》中国新材料行业将重点发展先进高分子材料。其中,先进高分子材料包括特种橡胶、工程塑料、具有导电、导磁、光电、光热等效应的高分子材料。

导电高分子材料产业链分析1

导电高分子材料应用


聚合物二次电池

导电高分子具有可逆的电化学氧化还原性能,因而适宜做电极材料,制造可以反复充放电的二次电池。1991年,日本桥石公司推出第一个商品化的聚合物二次电池,它的负极为锂铝合金,正极为聚苯胺,电解质是LiBF4在有机溶剂中的溶液。美国、德国也相继堆出仅有一枚硬币大小的聚合物二次电池,将来可应用在电动汽车上,真正实现“零污染”。

抗静电

高分子材料表面的静电积累和火花放电是引起许多灾难性事故的重要原因,因而人们开发了许多抗静电技术,最常用的是添加抗静电剂。但都存在用量大、品质颜色深、易逃逸、抗静电性能难持久等缺点。使用无机添加剂,对高分子基体相容性差,常引起力学性能下降。结构型导电高分子的出现,特别是可溶于有机溶剂的聚苯胺和聚吡咯的出现,为“高分子抗静电剂”带来了希望。

导电高分子电容器

导电高分子成型后,电导率可达到10°~102S/cm数量级,因而可替代传统的“电解电容器”中的液体或固体电解质,替代传统的“双电层电容器”中的电解质,制成相应导电高分子电容器。导电高分子电容器具有等效串联阻值小、高频特性好、全固体、体积小、耐冲击和耐高温性能好等优点,在现代电器,尤其是手携和高频电器中具有广泛用途。

电磁屏蔽

电磁屏蔽是防止军事秘密和电子讯号泄露的有效手段,它也是21世纪“信息战争”的重要组成部分。由于高掺杂度的导电高分子的电导率在金属范围(10°~105S/cm),对电磁波具有全反射的特性,即电磁屏蔽效应,因此,导电高分子在电磁屏蔽技术上应用已引起广泛重视。例如德国Drmecon公司研制的聚苯胺与聚乙炔(PE)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的复台物在1GHZ频率处的屏蔽效率超过25dB,其性能优于传统的含碳粉高聚合物的屏蔽效率。

传感器

导电高分子的电导率会依赖于温度、浓度、气体、杂质等的变化而发生改变,因此可将导电高分子用作气体或浓度等的敏感传感器。通过最新研究,在生物医学中有三种以导电高分子为基础的传感器正在得到应用,分别是电化学传感器、接触传感器〔人工皮肤)、热传感器。

生物材料

在生命科学领域,导电高分子材料可制成智能材料,用于医疗和机器人制造方面。由于导电有机聚合物在微电流刺激下可以收缩或扩张,因而具备将电能转化为机械能的潜力,这类导电聚合物组成的装置在较小电流刺激下同样表现出明显的弯曲或伸张/收缩能力。


导电高分子材料展望

高分子材料替代金属材料是今后材料学科领域的发展趋势,由此带来导电性高分子的市场需求也将日益增长,其应用领域也会逐步扩大,这就必然对导电性高分子提出更高的要求,其发展趋势主要集中在以下几个方面

具有与金属相同的电导率:掺杂聚乙炔的电导率从最初的103S/cm增加到105S/cm,与铜的电导率差不多,其它导电高分子的电导率水平也在提高。

在空气中的稳定性:导电性高分子中氧原子对水是极不稳定的,这是妨碍其实用化的最大问题。

具有高功能:支化和树枝状聚苯、环状聚苯和环状聚苯乙烯、环番(cyclophane,环状苯环化合物)等,这些大分子在分子自组装形成特殊的分子结构排列,分子器件和分子电路材料以及特殊功能方面具有很多优点。

具有良好的加工成型性:导电高分子主链中的共轭结构使分子链僵硬,不溶不熔,从而给自由地成型加工带来困难。

掺杂剂无毒:掺杂剂多是有毒的,如AsF5, I2, Br2等。

经济性:其价格比金属及普通塑料高,难以实用化。

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