導電高分子

200760010907材料化學一班關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用思考題:1.說明導電高分子的類型及其導電機理2.說明結(jié)構(gòu)型導電高分子的特性3.說明結(jié)構(gòu)型導電高分子的應用前景關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用一、定義二、種類三、歷史四、導電機理五、特性六、應用七、問題與挑戰(zhàn)關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用一、導電高分子的定義

導電高分子是指其本身或經(jīng)過“摻雜”后具有導電性的一類高分子材料。關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用電導率關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用材料導電能力的差異與原因能帶間隙(EnergyBandGap)

金屬之Eg值幾乎為0eV，半導體材料Eg值在1.0~3.5eV之間，絕緣體之Eg值則遠大于3.5eV。關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用二、種類1.復合型：普通聚合物+導電粉末（如防靜電塑料袋、導電膠）2.本征型：依靠分子結(jié)構(gòu)導電關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用三、導電高分子的歷史1862年Lethebi——聚苯胺1973年，白川英樹、Hegger、MacDiarmid——摻雜聚乙炔（電導率達102s/cm）1986年，ElsenbaumerR.L.等人得到了可溶性聚噻吩

關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用

1974年日本筑波大學H.Shirakawa在合成聚乙炔的實驗中，偶然地投入過量1000倍的催化劑，合成出令人興奮的有銅色的順式聚乙炔薄膜與銀白色光澤的反式聚乙炔。Ti(OC4H9)4Al(C2H5)3H－C≡C－H1000倍催化劑10－8～10－7S/m10－3～10－2S/m導電高分子材料的發(fā)現(xiàn)關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用

1975年，G.MacDiarmid、J.Heeger與H.Shirakawa合作進行研究，他們發(fā)現(xiàn)當聚乙炔曝露于碘蒸氣中進行摻雜氧化反應(doping)后，其電導率令人吃驚地達到3000S/m。聚乙炔的摻雜反應關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用

1980年，英國Durham大學的W.Feast得到更大密度的聚乙炔。

1983年，加州理工學院的H.Grubbs以烷基鈦配合物為催化劑將環(huán)辛四烯轉(zhuǎn)換了聚乙炔，其導電率達到35000S/m，但是難以加工且不穩(wěn)定。1987年，德國BASF科學家N.Theophiou對聚乙炔合成方法進行了改良，得到的聚乙炔電導率與銅在同一數(shù)量級，達到107S/m。

后續(xù)研究進展關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用其它導電高分子材料

與聚乙炔相比，它們在空氣中更加穩(wěn)定，可直接摻雜聚合，電導率在104S/m左右，可以滿足實際應用需要。關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用名稱結(jié)構(gòu)聚乙炔聚噻吩聚吡咯聚苯胺聚苯等本征型：關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用四導電高分子材料的導電機理有機化合物中的σ鍵和π鍵

在有機共軛分子中，σ鍵是定域鍵，構(gòu)成分子骨架；而垂直于分子平面的p軌道組合成離域π鍵，所有π電子在整個分子骨架內(nèi)運動。離域π鍵的形成，增大了π電子活動范圍，使體系能級降低、能級間隔變小，增加物質(zhì)的導電性能。關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用導電高分子材料的共同特征－交替的單鍵、雙鍵共軛結(jié)構(gòu)

聚乙炔由長鏈的碳分子以sp2鍵鏈接而成，每一個碳原子有一個價電子未配對，且在垂直于sp2面上形成未配對鍵。其電子云互相接觸，會使得未配對電子很容易沿著長鏈移動，實現(xiàn)導電能力。關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用半導體到導體的實現(xiàn)途徑－摻雜(doping)

在共軛有機分子中σ電子是無法沿主鏈移動的，而π電子雖較易移動，但也相當定域化，因此必需移去主鏈上部分電子(氧化)或注入數(shù)個電子(還原)，這些空穴或額外電子可以在分子鏈上移動，使此高分子成為導電體。關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用導電高分子材料的摻雜途徑氧化摻雜(p-doping):[CH]n+3x/2I2——>[CH]nx++xI3-

還原摻雜(n-doping):[CH]n+xNa——>[CH]nx-+xNa+

添補后的聚合物形成鹽類，產(chǎn)生電流的原因并不是碘離子或鈉離子而是共軛雙鍵上的電子移動。關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用摻雜導電高分子材料的導電機理

碘分子從聚乙炔抽取一個電子形成I3－，聚乙炔分子形成帶正電荷的自由基陽離子，在外加電場作用下雙鍵上的電子可以非常容易地移動，結(jié)果使雙鍵可以成功地延著分子移動，實現(xiàn)其導電能力。關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用高分子材料導電能力的影響因素摻雜率對導電高分子材料導電能力的影響

摻雜率小時，電導率隨著摻雜率的增加而迅速增加；當達到一定值后，隨摻雜率增加的變化電導率變化很小，此時為飽和摻雜率。關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用共軛鏈長度對導電高分子材料導電能力的影響

π電子運動的波函數(shù)在沿著分子鏈方向有較大的電子云密度，并且隨著共軛鏈長度的增加，這種趨勢更加明顯，導致聚合物電導率的增加。關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用溫度對導電高分子材料導電能力的影響

對金屬晶體，溫度升高引起的晶格振動阻礙其在晶體中的自由運動；而對于聚乙炔，溫度的升高有利于電子從分子熱振動中獲得能量，克服其能帶間隙，實現(xiàn)導電過程。關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用1.電導率范圍寬五、導電高分子的特性關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用導電高分子不僅可以摻雜,而且還可以脫摻雜,并且摻雜-脫摻雜的過程完全可逆。

2.摻雜-脫摻雜過程可逆關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用3.具有電致變色性關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用響應速度快(10-13sec)4.響應速度快關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用六、導電高分子的應用關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用1.發(fā)光二極---半導體特性的應用

利用導電高分子與金屬線圈當電極，半導體高分子在中間，當兩電極接上電源時，半導體高分子將會開始發(fā)光。比傳統(tǒng)的燈泡更節(jié)省能源而且產(chǎn)生較少的熱，具體應用包括平面電視機屏幕、交通信息標志等。高分子發(fā)光二極管具有顏色可調(diào)、可彎曲、大面積和低成本等優(yōu)點。關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用2.太陽能電池---半導體特性的應用

導電高分子可制成太陽電池，結(jié)構(gòu)與發(fā)光二極管相近，但機制卻相反，它是將光能轉(zhuǎn)換成電能。優(yōu)勢在于廉價的制備成本，迅速的制備工藝，具有塑料的拉伸性、彈性和柔韌性。關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用一個分子類似于一根導線?？捎糜诟哽`敏度檢測、超大規(guī)模集成技術(shù)等?！澳０寰酆稀⒎肿邮练e等方法制備“分子導線”或?qū)щ姼叻肿游⒐?或納米管)3.分子導線關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用4.二次電池高分子摻雜態(tài)儲存電能、脫摻雜過程中釋放電能

——全塑電池輸出電壓3V、電池容量3mA.h，復充放電上千次。

關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用5.生物傳感器--電化學摻雜/去摻雜之可逆性的應用葡萄糖傳感器、尿素傳感器、乳酸傳感器、膽固醇傳感器關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用6.氣體傳感器導電高分子與大氣某些介質(zhì)作用----電導率改變,除去介質(zhì)----恢復。（摻雜/或脫摻雜過程）?？捎米鬟x擇性高、靈敏度高和重復性好的氣體傳感器。關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用

導電性可以在絕緣體、半導體、金屬導體之間變化,——不同的吸波性能密度小——輕加工性能——薄穩(wěn)定性較好——高溫使用

7.雷達隱身材料關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用摻雜/脫摻雜實現(xiàn)導體-絕緣體之間的轉(zhuǎn)變，且電位、PH、摻雜量等變化伴隨顏色變化，

——可用于電顯示8.電顯示材料關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用導電高分子材料的優(yōu)越性

具有半導體及導體雙重特性，可低溫加工、可大面積化、具有塑料的拉伸性、彈性和柔韌性等，所以制作成本低，組件特性優(yōu)越，對未來電子及信息工業(yè)將產(chǎn)生巨大影響。

導電高分子材料面臨的挑戰(zhàn)

綜合電性能與銅相比還有差距，理論上還沿用無機半導體理論；導電聚合物的自構(gòu)筑、自組裝分子器件的研究也存在很多問題；加工性能和力學性能以及穩(wěn)定性上也需要改進。七、問題與挑戰(zhàn)關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用炭黑填充聚乙烯導電復合材料的性能研究1.3試樣制備將炭黑在高速混合機中于50℃預混15min,然后加入一定量的溶于無水乙醇的鈦酸酯偶聯(lián)劑,升溫至100℃,混合40min后出料,室溫下停放24h以揮發(fā)掉多余的溶劑。將經(jīng)表面處理的炭黑與LLDPE按一定比例混合,在雙螺桿擠出機中擠出造粒得炭黑母粒。將炭黑母粒與HDPE按不同比例(炭黑的質(zhì)量分數(shù)依次為3%、6%、8%、10%、12%、15%)混合,加入一定量的增容劑POE或PE2g2MAH,混合均勻后用雙螺桿擠出機擠出造粒。所得粒料用注塑機注射成力學性能測試試樣;將粒料在雙輥開煉機上于130℃塑煉15min,拉片出料后剪裁、疊加,在加硫成型機上于150℃、5MPa下壓制10min,在室溫、10MPa下快速冷卻制得電性能測試試樣。關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用炭黑-聚酯復合型導電高分子材料的電熱性能研究加工條件為,預混料:溫度110℃,時間10min。真空干燥:溫度110℃,時間6h。擠出造粒:溫度260～280℃,測量:將制得的顆粒狀炭黑2聚酯(CB2PET)復合材料分別用注塑成型工藝和模壓成型工藝制成標準樣品或各種不同尺寸的樣品,按國標測量其力學性能,用二電極法測量電阻率。關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用導電聚苯胺的合成及其性能研究摻雜聚苯胺的制備在一定溫度下,將減壓蒸餾的分析純苯胺加入一定量水中,不斷攪拌,加入酸生成苯胺鹽,再將含有一定量的氧化劑的酸溶液緩慢地滴入其中,連續(xù)反應數(shù)小時后,過濾,洗滌,干燥,得到粉末狀樣品。苯胺聚合反應的最佳條件是:反應溫度0℃左右,鹽酸的濃度約為1mol/L,過硫酸銨與苯胺的摩爾比為1.05左右,反應時間6h最為合適。關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用關(guān)于導電高分子的定義,分類,特性及應用聚苯胺P聚丙烯腈導電纖維的結(jié)構(gòu)與性能

將十二烷基苯磺酸摻雜的聚苯胺與聚丙烯腈(PAN)共混,通過常規(guī)腈綸濕法成型技術(shù)制備出復合導電纖維。在常規(guī)小試濕法成型設備上將聚苯胺與聚丙烯腈的共混溶液過濾、計量后,