大学高分子材料科学与工程——导电高分子课件

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1、大学高分子材料科学与工程导电高分子导导 电电 高高 分分 子子Conductive Polymer大学高分子材料科学与工程导电高分子Nobel Prize in Chemistry 2000“For the discovery and development of conductive polymers”G. MacDiarmid H.Shirakawa J.Heeger大学高分子材料科学与工程导电高分子引言 近几年来 , 导电性高分子的研究取得了长足的发展 , 形成了一个十分活跃的边缘学科领域 ,它对电子工业、信息工业及新技术的发展具有重大的意义。 现有的研究成果表明 ,发展导电高分子不仅可

2、以满足人们对导电材料的需要 , 而且由于它兼具有机高分子材料的性能及半导体和金属的电性能 , 具有重量轻 ,易加工成各种复杂的形状 , 化学稳定性好及电阻率可在较大范围内调节等特点。此外在电子工业中的应用日趋广泛 , 促进了现代科学技术的发展。大学高分子材料科学与工程导电高分子导 电 高 分 子一 、导电高分子分类二、 导电高分子制备方法三 、导电高分子导电机理四、 导电高分子的应用五、 导电高分子聚苯胺简介大学高分子材料科学与工程导电高分子一、导电高分子分类 导电高分子材料可分为复合型和结构型两类。大学高分子材料科学与工程导电高分子复合型导复合型导电材料电材料结构型导结构型导电材料电材料高分

3、子和导电剂的种类高分子和导电剂的种类根据不同的电阻率时的分类根据不同的电阻率时的分类离子型离子型电子型电子型 知识结构NEXT大学高分子材料科学与工程导电高分子1. 复合型导电材料 定义:由高分子和导电剂(导电填料)通过不同的复合工艺而构成的材料。 (1) 高分子和导电剂的种类 A 导电基本材料 : (高分子) 聚乙烯 (PE) 、乙丙共聚物 、聚氯乙烯(PVC) 、聚苯乙烯 (PS) 、聚氨酯、聚酯、环氧树脂、硅橡胶等 B 导电填料: (导电剂) 碳 如 :炭黑、碳纤维、石墨 金属 如 :金属粉、金属薄片、金属丝条、金属纤维、金属镀玻璃纤维、金属喷镀玻璃片、金属喷镀玻璃珠 金属氧化物 如 :

4、氧化铅、氧化锡大学高分子材料科学与工程导电高分子(2) 根据不同的电阻率又分为： A 半导体材料 B 防静电除静电材料 C 导电性材料 D 高导电性材料BACK大学高分子材料科学与工程导电高分子 2 . 结构型导电材料 定义：结构型导电高分子又称本征型导电高分子（intrinsically conducting polymer，简称ICP），是指高分子材料本身或经过少量掺杂处理而具有导电性能的材料，其电导率可达半导体甚至金属导体的范围（109 105 S/cm）。 从导电时载流子的种类来看，结构型导电高分子主要分为： （）离子型：离子型导电高分子通常又叫高分子固体电解质（solid polym

5、er electrolytes，简称SPE），它们导电时的载流子主要是离子，例如：聚环氧乙烷、聚丁二酸乙二醇酯及聚乙二醇亚胺等。 （）电子型：电子型导电高分子指的是以共轭高分子为结构主体的导电高分子材料，导电时的载流子主要是电子（或空穴）。如 : 共轭聚合物乙炔、金属螯合型聚合物聚酞菁铜及高分子电荷转移合物、聚苯胺、聚对苯硫醚、聚吡咯、噻吩、聚哇啉等电子导电体。 BACK大学高分子材料科学与工程导电高分子二、导电高分子制备方法大学高分子材料科学与工程导电高分子复合型导复合型导电高聚物电高聚物结构型导结构型导电聚合物电聚合物将亲水性聚合物或结将亲水性聚合物或结构型导电高分子与基构型导电高分子与基

6、体高分子进行共混体高分子进行共混 将各种导电填料填充将各种导电填料填充到基体高分子中到基体高分子中金属纤维填充金属纤维填充炭黑填充炭黑填充聚对苯撑（聚对苯撑（Polyparaphenylene ,PPP）聚苯胺（聚苯胺（Polyaniline ,PANI） 知识结构NEXT大学高分子材料科学与工程导电高分子 . 复合型导电高聚物及其制备方法 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 ,另一种则是将各种导电填料填充到基体高分子中。大学高分子材料科学与工程导电高分子第一种第一种: 将结构型导电高分子材料与基体高分子在一定条件下共混成型

7、 ,可获得具有多相结构特征的复合型导电高分子。它的导电性能由导电高分子的“渗流途径”决定 ,当导电高分子质量分数为 2 %3 %时 ,其体积电阻为107109cm ,可作抗静电材料使用。 研究表明 ,对于聚丙烯腈（PAN）/聚氯乙烯（PVC）或 PAN/ PA 共混物 ,当 PAN 质量分数由 5 %增加到15 %时 ,导电性突升 ,此后随 PAN 质量分数的继续增加 ,导电性升幅变小。大学高分子材料科学与工程导电高分子第二种第二种: A.炭黑是天然的半导体材料 ,其体积电阻率为0.110.0cm。它不仅原料易得 ,导电性能持久稳定 ,而且可以大幅度调整复合材料的电阻率(1108cm)。由炭黑

8、填充制成的复合型导电高分子是目前用途最广、用量最大的一种导电高分子材料 。 炭黑填充型导电高分子材料中炭黑通常以粒子形式均匀分散于基体高分子中 ,随着炭黑填充量的增加 ,粒子间距缩小 ,当接近或呈接触状态时 ,便形成大量导电网络通道 ,导电性能大大提高 ,继续增加炭黑用量则对导电性影响不明显。 炭黑的导电性能与其结构、比表面积和表面化学性质等因素有关。此外 ,成型工艺对炭黑填充高分子的导电性能也有影响。大学高分子材料科学与工程导电高分子 B.金属纤维的填充量对导电性能的影响规律与炭黑填充的情形相类似。但由于纤维状填料的接触几率更大 ,因此在填充量很少的情况下便可获得较高的导电率。 金属纤维的长

9、径比对材料的导电性能影响较大,长径比越大导电性和屏蔽效果就越好。目前复合型导电高分子材料中所采用的金属纤维的长径比一般为5060 ,相应的填充的体积分数为 10%15 %,便可获得良好的导电性、对氧的稳定性和良好的耐热性。BACK大学高分子材料科学与工程导电高分子 2 结构型导电聚合物及其制备方法 结构型导电聚合物一般用电子高度离域的共轭聚合物经过适当电子给体或受体进行掺杂后制得 。大学高分子材料科学与工程导电高分子 聚对苯撑聚对苯撑（Polyparaphenylene ,PPPPolyparaphenylene ,PPP）具有苯）具有苯环的长链结构环的长链结构 , ,有较高的电导性有较高的电

10、导性 , ,良好的空气稳定性良好的空气稳定性和耐热性。和耐热性。 通常 PPP 的合成工艺主要采用如下两种方法: （1）化学缩合; （2）电化学聚合 。最成功的PPP的聚合方法是 Kovacic 报道的利用CuCl2为氧化剂 ,AlCl3为催化剂进行的缩合聚合反应。化学聚合法得到的 PPP粉状物都不导电 ,如用CuCl2- AlCl3催化得到的 PPP 导电率接近10-12S/cm。若用AsF5,AlCl3,FeCl3等电子受体或 K,Li 等电子给体对其进行掺杂 ,则电导率显著提高。 聚苯胺聚苯胺（Polyaniline,PANIPolyaniline,PANI）的导电性能优）的导电性能优良

11、良 , ,原料价格低廉原料价格低廉 , ,是目前导电高聚物研究的新热点。是目前导电高聚物研究的新热点。 井 新 利 等 以TritonX- 100 为乳化剂、正己醇为助乳化剂 ,得到以苯胺盐酸盐为水相、正己烷为分散介质的反向微乳液。进一步以过硫酸铵为氧化剂 ,合成了导电高分子材料聚苯胺的纳米粒子 ,对合成反应条件和产物的性能进行研究发现:聚苯胺粒子的直径随 R（水相质量/乳化剂质量）提高而增加;盐酸掺杂聚苯胺的电导率随 R 的提高及氧化剂过硫酸铵与苯胺的摩尔比的提高而降低。BACK大学高分子材料科学与工程导电高分子三、导电高分子导电机理大学高分子材料科学与工程导电高分子复合型导复合型导电高聚物

12、电高聚物结构型导结构型导电聚合物电聚合物导电回路如导电回路如何形成何形成回路形成后回路形成后如何导电如何导电导电通道导电通道机理机理离子型导电高分子材料离子型导电高分子材料电子型导电高分子材料电子型导电高分子材料 知识结构隧道效应隧道效应机理机理场致发射场致发射机理机理非晶区扩散传非晶区扩散传导离子导电导离子导电自由体积导电自由体积导电理论理论NEXT大学高分子材料科学与工程导电高分子1 . 复合型导电高聚物导电机理 复合型导电高分子材料的导电机理比较复杂。一般可分为导电回路如何形成以及回路形成后如何导电两个方面。大学高分子材料科学与工程导电高分子 大量的实验研究结果表明 ,复合体系中导复合体

13、系中导电填料的含量增加到某一临界含量时电填料的含量增加到某一临界含量时 , ,体系的电阻体系的电阻率急剧降低率急剧降低 , ,电阻率电阻率导电填料含量曲线上出现导电填料含量曲线上出现一个狭窄的突变区域一个狭窄的突变区域 ,见图 1 所示。在此区域中 ,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 ,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。大学高分子材料科学与工程导电高分子 Miyasaka 等认为高分子树脂基体与导电填料之间的界面效应对复合体系中导电回路的形成具有很大的影响。 在复合型导电高分子材料的制备过程中 ,导电填料粒子的自由表面变

14、成湿润的界面 ,形成聚合物填料界面层 ,体系产生的界面能过剩 ,随着导电填料含量的增加 ,聚合物填料的过剩界面能不断增大。当体系过剩界面能达到一个与聚合物种类无关的普适常数之后 ,导电粒子开始形成导电网络 ,宏观上表现为体系的电阻率突降。A A 导电回路的形成导电回路的形成大学高分子材料科学与工程导电高分子 复合型导电高分子形成导电回路后导电主要取决于分布于高分子树脂基体中的导电填料的电子的传输。 B B 回路形成后的导电回路形成后的导电大学高分子材料科学与工程导电高分子 通常导电填料加入聚合物基体中后 ,不可能真正达到均匀分布 ,因此总有部分导电粒子能够互相接触而形成链状导电通道 ,使复合材

15、料导电;而另一部分导电粒子则以孤立粒子或小聚集体形式分布在绝缘的树脂基体中 ,基本上不参与导电。 但是 ,由于导电粒子之间存在着内部电场 ,如果这些孤立粒子或小聚集体之间距离很近 ,中间只被很薄的树脂层隔开 ,那么由于热振动而被激活的电子就能越过树脂界面层所形成的势垒而跃迁到相邻的导电粒子上 ,形成较大的隧道电流 ,这种现象在量子力学中被称为隧道效应;或者是导电粒子间的内部电场很强时 ,电子将有很大的几率飞越树脂界面层势垒而跃迁到相邻的导电粒子上产生场致发射电流。这时树脂界面层起着相当于内部分布电容的作用。大学高分子材料科学与工程导电高分子 因此 ,对于复合型导电高分子材料 ,存在着导电通道、

16、隧道效应、场致发射 3 种导电机理 ,复合型导电高分子的导电性能是这 3 种导电机理作用的竞争结果。在不同情况下出现以其中一种机理为主导的导电现象 。BACK大学高分子材料科学与工程导电高分子 2 . 结构型导电聚合物导电机理 物质的导电过程是载流子在电场作用下定向移动的过程 。高分子聚合物导电必须具备两个条件: （1）要能产生足够数量的载流子(电子、空穴或离子等); （2）大分子链内和链间要能够形成导电通道。大学高分子材料科学与工程导电高分子 A.离子型导电高分子材料 非晶区扩散传导离子导电非晶区扩散传导离子导电 无论是线型、分枝型还是网状对于大多数聚合物来说，完整的晶体结构是不存在的，基本

17、属于非晶态或者半晶态。离子导电聚合物的导电方式主要属于非晶区扩散传导离子导电，即非晶区传输过程。大学高分子材料科学与工程导电高分子 自由体积导电理论自由体积导电理论 虽然在玻璃化转变温度以上时聚合物呈现某种程度的“液体”性质，但是聚合物分子的巨大体积和分子间力，使聚合物中的离子仍不能像在液体中一样自由扩散运动，聚合物本身呈现的仅仅是某种粘弹性，而不是液体的流动性。 例如：聚醚、聚酯等的大分子链呈螺旋体空间结构 ,与其配位络合的阳离子在大分子链段运动作用下 ,就能够在螺旋孔道内通过空位迁移(“自由体积模型”);或被大分子“溶剂化”了的阴阳离子同时在大分子链的空隙间跃迁扩散(“动力学扩散理论”)。

18、大学高分子材料科学与工程导电高分子 B. 电子型导电高分子材料 作为主体的高分子聚合物大多为共轭体系（至少是不饱和键体系）,长链中的键电子较为活泼 ,特别是与掺杂剂形成电荷转移络合物后 ,容易从轨道上逃逸出来形成自由电子。大分子链内与链间电子轨道重叠交盖所形成的导电能带为载流子的转移和跃迁提供了通道。在外加能量和大分子链振动的推动下 ,便可传导电流。BACK大学高分子材料科学与工程导电高分子参考文献1 寇建兰,叶德胜导电高分子材料江西化工2004年,第期2 付东升,张康助,张强导电高分子材料研究进展现代塑料加工应用2004年月,第16卷,第期3 杨永芳,刘敏江导电高分子材料研究进展工程塑料应用2002,第30卷,第7期4 乔永生,沈腊珍有机导电高分子材料的导电机制2005年4月大学高分子材料科学与工程导电高分子四、 导电高分子的应用 1. 作为显示材料 2. 作为电极材料 3. 作为电磁屏蔽材料 4. 在纳米材料中的应用 5. 作为隐身材料 6. 在其他方面的应用大学高分子材料科学与工程导电高分子五、导电高分子聚苯胺简介大学高分子材料科学与工程导电高分子