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有关导电聚合物综述论文


导电聚合物的研究进展及其理论探究
摘要:近年来,有关聚合物基导电复合材料的研究已受到普遍的重视,由于其具备许多 优良性质,所以它具有实际应用价值和广泛应用前景,本文综述了导电聚合物的发展沿革, 主要分类,制备原理方法,主要的理化性质及其应用,并对其将来的机遇与挑战进行分析。 关键字:导电聚合物、发展、研究、分类、性质、制备、应用、机遇与挑战。 高分子一直被视为绝缘材料,

直到 20 世纪 70 年代才发现高分子具有导电功能。1976~ 1977 年白川英树与黑格、马克迪尔米德教授合作,对他开发的聚合物半导体聚乙炔进行掺 杂研究,使其导电性提高了 107 倍, 这在世界范围内引发了导电聚合物的研究热潮。 在其后很 短的时间内,聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺等导电高分子聚合物也被相继地开发出来。关于这些 聚合物的各类衍生物的研究又将这个领域的深度和广度大幅延伸。 各种导电聚合物的制备方 法也有了很大进展,如聚苯胺可以有化学氧化聚合、电化学聚合、乳液聚合及沉淀聚合等多 种聚合方法。同时, “掺杂”方法不断取得关键性突破,导电聚合物的应用领域也不断得到 扩大。2000 年,诺贝尔化学奖颁发给了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, 他们的工作使得共轭聚合物电致发光器件已经接近实用水 平,这使得一度陷入低谷的导电聚合物研究重新走到了科学研究的前沿。 根据导电聚合物的导电原理来对导电聚合物进行分类, 可以将导电聚合物材料分为结构 型和复合型两大类。 结构型导电聚合物是指聚合物本身具有导电性或经掺杂处理后才具有导 电功能的聚合物材料。复合型导电聚合物,即导电聚合物复合材料,是指以通用聚合物为基 体, 通过加入各种导电性物质, 采用物理化学方法复合后而得到的既具有一定导电功能又具 有良好力学性能的多相复合材料。 结构型导电聚合物根据其导电机理的不同又可分为: 载流 子为自由电子的电子导电聚合物; 载流子为能在聚合物分子间迁移的正负离子的离子导电聚 合物;以氧化还原反应为电子转移机理的氧化还原型导电聚合物。 复合型导电聚合物通常是将不同性能的无机导电填料掺入到基体聚合物中, 经过分散复 合或层积复合等成型加工方法而制得。 目前研究和应用较多的是由炭黑颗粒和金属纤维填充 制成的导电聚合物复合材料。将结构型导电聚合物或亲水性聚合物与基体聚合物共混,可以 得到既有一定导电性或永久抗静电性能,又具有良好力学性能的复合材料。对于电子导电聚 合物的制备, 聚乙炔(PA)研究最早, 也比较系统, 是迄今为止实测导电率最高的电子聚合物。 它的聚合方法比较有影响的有白川英树方法、 Naarman 方法、 Durham 方法和稀土催化体系。 白川英树采用高浓度的 Ziegerl- Natta 催化剂,由气相乙炔出发,直接制备出自支撑的具有 金属光泽的聚乙炔膜;在取向了的液晶基础上成膜,PA 膜也高度取向。Naarman 方法的特 点是对聚合催化剂进行了高温陈化, 因而聚合物理学性质和稳定性有明显的改善, 高倍拉伸 后具有很高得导电率。离子导电聚合物主要有以下几类,聚醚、聚酯和聚亚胺。分别是聚环 氧乙烷、聚环氧丙烷、聚丁二酸乙二醇酯、聚癸二酸乙二醇、聚乙二醇亚胺等。聚环氧类聚 合物是最常用的聚醚型离子化合物, 主要以环氧乙烷和环氧丙烷为原料。 在环氧化合物开环 聚合过程中, 由于起始试剂的酸性和引发剂活性的不同, 引发、 增长、 (导致短链产物) 交换 反应的相对速率不同, 对聚合物速率和产品分子量的分布造成复杂的影响。 环丙烷的阴离子 聚合反应存在着向单链转移现象, 导致生成的聚合物分子量下降, 对此常采用阴离子配位聚 合反应制备聚环丙烷。 聚酯和聚酰胺是另一类常见的离子导电聚合物, 其中乙二醇的聚酯一 般由缩聚反应制备。 采用二元酸和二元醇进行聚合得到的是线型聚合物, 生成的聚合物柔性 较大,玻璃化转变温度较低,适合于作为聚合电解质使用。二元酸衍生物与二元胺反应得到 的聚酰胺也有类似的性质。

物理及化学性质方面,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、氧化还原性能、掺杂-反掺杂性能和磁性能等。而且它的柔韧性好,生 产成本低廉。 因此导电聚合物不仅在工业生产方面具有应用价值, 而且在日常民用方面也具 有广泛应用前景。下面是根据国内外的文献得到的导电聚合物在各个方面的主要应用: 利用导电高分子化合物的氧化—还原特性来制造蓄电池, 是导电高分子材料一个极其重 要的应用领域,它将导致整个电池工业,特别是蓄电池工业的根本性变革。由于制造这种蓄 电池可以全部采用导电高分子材料,而不采用任何金属 ,所以全塑料的蓄电池具有重量轻、 体积小、不腐蚀等优点,而且可以反复充电,在长时间内免去一切修理。 导电高分子材料用来做太阳能电池也引起了世界各国的广泛注意。 日本从七十年代末开 始研究用导电高分子材料作太阳能电池, 目前用导电聚乙炔制成的太阳能电池已进入商业性 试用阶段。 由于许多电子产品产生的电磁波会影响环境, 对周围其他设备产生严重的干扰, 欲使电 子产品安全可靠地工作, 进行电磁屏蔽和防静电处理是极其必要和重要的。 由于导电高聚物 具有良好的电导率,因此较适合用于电磁波屏蔽和静电防止的材料。 某些高分子化合物在氧化状态下是导体, 而在还原状态下是绝缘体, 利用该特性就可以 用它制作晶体管。利用聚毗咯、聚苯胺为材料已经制成功很有用的有机晶体管。由该晶体管 制成探头,并跟微处理机配合,就可以制成灵敏的检验仪器。 一些电子导电聚合物可以制成电化学电容器(也称超级电容器) ,它兼有普通电容器和 电池的特性, 其比容量高于普通电容器, 而比功率和循环寿命高于电池。 由于具有快速释放、 贮存能量的优点, 在以绿色电源为动力的电动汽车研究领域中, 为加速和爬坡提供能量的超 级电容器受到了广泛的关注。 还有些电色材料将被应用于复印机上的光敏物质或成像敏感物质。 有些颜色变化宽广的 电色材料,将可能被应用于广告显示及其它显示方面而成为新型显示器件的基础。 导电聚合物领域机遇与挑战并存。目前,尽管导电聚合物材料在许多方面获得应用,并 且已经产业化,但是其市场规模仍受到限制,仍然存在一些问题需要解决,如导电聚合物难 于加工,合成过程可能会对环境产生污染,导电率仍需要进一步提高等。随着这些问题的解 决以及各国在导电聚合物的研究与开发上投入大量资金与技术, 而且由于大多数导电聚合物 具有优异的导电性、光电性质、氧化还原性等,预计将来,导电聚合物材料将取代金属和非 金属材料在一些方面的应用,在智能材料、光电材料、纳米材料方面将有不可估量的应用前 景。 参考文献: 1. 诸平、张文根。白川英树与导电聚合物的发现。大学化学。 2003/2; 2. 杨钊、丁静、周蜜、唐瑛材。导电聚合物综述。高新技术产业发展。 2011/10; 3. 李永舫。导电聚合物。化学进展。 2002/5; 4. 李永舫。导电聚合物的电化学性质。复旦学报(自然科学版)。 2004/8; 5. 朱雯。 导电聚合物的电化学聚合研究进展。 江苏技术师范学院学报 (自然科学版) 。 2008/9; 6. 陈旭耀。导电聚合物电容性能研究。现代商贸工业。2009/3; 7. 张文根、张学英。导电高分子的应用展望。情报调研。 2011/9; 8. 宫兆合、梁国正、卢婷利、鹿海军。导电聚合物的研究进展。复合材料。 2003/1; 9. 宋波。导电聚合物的现状和开发前景。高分子材料科学与工程 1988/4; 10. 吕生华、王飞、周志威。聚苯胺导电聚合物应用新进展。化工新型材料。 2008/4。


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