導電高分子材料研究進展

孫建麗

（成都航空職業(yè)技術學院，四川 成都 610100）

1 導電高分子材料的分類和應用

1.1 導電高分子材料概述

高分子導電材料是一類具有導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，可以作為多種金屬材料和無機導電材料的代替品。不僅如此，高分子導電材料因其擁有這些特點而已經成為許多先進工業(yè)部門和尖端技術領域中不能代替、不可或缺的一種材料。事實上，高分子作為一種優(yōu)良的電絕緣體，直到1977年，白川英樹［1］等人才發(fā)現用五氟化砷摻雜著聚乙炔具有導電的作用，這才相繼開發(fā)出了PPS等化合物和聚苯胺等能導電的高分子材料。

1.2 導電高分子材料的分類

高分子導電材料主要分為復合型和結構型，復合型的高分子導電材料是由通用的高分子材料與各種導電性物質通過填充復合、表面復合或者層積復合等方法研制而成的。而結構性的高分子導電材料，是指高分子結構本身或者經過摻雜之后具有了導電功能的高分子材料，這類材料根據電導率的大小又可以分為高分子半導體、高分子金屬和高分子超導體，根據導電機理又可以分成電子導電高分子材料和離子導電高分子材料。復合型的高分子導電材料主要品種有導電塑料、導電橡膠、導電纖維物、導電涂料和透明導電薄膜等，這些材料的性能與導電填料的種類、數量、用量的分散情況都有很大的關系。而結構性導電高分子材料的結構特點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共軛π電子的活化進行導電，導電率一般在半導體的范圍之內。適當的采用摻雜技術可以使這類材料的導電性得到大幅度的提升，比如經過摻雜的聚氮化硫在超低溫下可以轉變?yōu)楦叻肿映瑢w，但是這樣的高分子導電材料也存在一定的問題，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，這類的高分子導電材料在加工成型性和機械性方面尚存在一些問題，尚未進入實用階段。

1.3 導電高分子材料的應用

在很長的一段時間內，高分子材料都被用在電絕緣材料，但隨著科技的不斷進步和需求的不斷增加，加上不同應用的需求以及為了進一步拓寬高分子材料的應用范圍，人們才逐漸將一些高分子材料賦予了一定程度的導電性。對于高分子導電材料的研究一直受到人們的廣泛關注，而且經過多年的努力，導電高分子材料的應用已經得到了大大的擴展。由于電解合成的導電聚合物材料有一種特殊的性質，在電化學摻雜的過程中可以發(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反應是可逆的，這就是說明通過電化學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作為導體，但是需要注意的是根據去摻雜和再次摻雜的程度的不同，材料導電的性能也會有所不同。因此只要控制摻雜的量，就可以控制作用電量的不同而實現在導體、半導體和絕緣體之間的改變。不同類型材料電導率的變化對應著不同的化學性質，根據這個原理就可以制作出顯示材料。除此之外，具有可逆的電化學反應和還原特性也是導電高分子材料所具有的一個重要的特征，再加之其密度相比于其他導電材料來說要小得多，所以在室溫下具有導電率大和表面積大的特性，可以用來制作電池。如果解決了有機物質的耐久性和高壓下的有機溶劑的穩(wěn)定性，就可以實現導電聚合物材料而使電池二次商業(yè)化。

2 導電高分子材料的制備方法

電子導電聚合物是由大共軛結構組成的，因此導電聚合物的研究就是圍繞著如何建成共軛結構而展開和進行的。從制備方法上進行分類，大致可以分為化學聚合和電化學聚合，其中化學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構，間接法則是指在得到聚合物之后還需要一個步驟或者多個步驟進行轉化，最后在聚合鏈上形成共軛結構。其中，雙鍵的構成和制備在化學上有很多方法可以使用，比如通過炔烴的加氫反應和一些比較簡單的反應都可以用于形成雙鍵。采用直接聚合法雖然方法比較簡單，但是在反應的過程中由于形成的聚合物溶解度較差，且在反應的過程中大多以沉淀的方式退出了聚合反應，因此很難得到高分子量的聚合物，除此之外，其產物的加工也是一個很重要的問題。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，然后利用消除反應獲得共軛結構。利用間接法，消除反應可以在加熱的情況下自主進行，這樣雖然比較簡單，但制作出來的聚合物導電能力不強，導電率也不高，這是因為在脫氯化氫的過程中有交聯反應發(fā)生，導致在產生共軛結構共軛鏈時出現缺陷，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，并通過氯化和脫氯化氫的反應來制備乙炔型導電聚合物。

3 導電高分子材料的研究進展和展望

3.1 導電高分子材料的研究進展

結構型導電高分子材料是帶有共軛雙鍵的結晶性高聚合物，其導電機理主要是通過聚合物分子中的電子結構中帶有共軛雙鍵，在引入導電性基團或者摻雜一些其他物質通過電荷變換形成導電性，自從1977年人們發(fā)現聚乙炔有導電的性質之后，在世界范圍之內就掀起了一股研究和開發(fā)導電聚合物的熱潮。雖然聚乙炔是最早發(fā)現的導電高分子，而且具有最接近銅的電導率，但是它對環(huán)境的穩(wěn)定性太差的問題一直沒與得到有效解決。

導電高分子復合材料的研究方法主要有組分改造，即改變基體結構和導電功能體種類；另一個方法是機構改造，即改變板狀、疊層或者發(fā)泡；第三種方法是導電功能體形狀改造，它的應用研究包括根據實際條件和要求解決各種實際問題的基礎理論研究。導電高分子復合材料的研究內容主要有：復合材料導電機理的理論研究、特殊效應機理的理論研究、用不同的方法進行新材料的試驗研究、材料相關性能和使用性能的實驗研究等。導電高分子聚合材料導電機理除了試驗之外還包括理論研究，理論研究又包括導電通路的形成研究和形成之后導電通路的導電機理研究兩個部分。導電通路的形成研究主要是研究加入聚合物基體后其導電功能在特定的加工工藝下是如何達到電接觸的，在電接觸之后又是如何自發(fā)地形成一條導電通路的，這是一個宏觀自組織的過程。而后者則主要研究導電通路形成后載流子遷移的微觀過程。顯然，無論是研究宏觀過程還是微觀過程，它們都會受到復合體系的熱力學或者動力學等多種因素的制約。因此，導電高分子復合材料的理論研究是一項多樣且復雜的工作，一方面它呈現出多樣性和復雜性，另一方面，它與實驗結果之間存在著不同程度的差異，許多理論結果有可能并不符合普適性。

3.2 高分子導電材料的應用前景和展望

經過科學家們多年的不斷研究，導電聚合物在新能源材料方面的應用已經得到了很大的發(fā)展，但是離大規(guī)模應用還有一定的距離。從高分子導電材料的吸波特征來看，它具有很好的應用前景，比如在軍事方面的應用價值。自導電聚合物出現開始，導電聚合物就被用作為最新型的有機聚合物雷達波吸收材料而成為導電聚合物領域研究的熱點和導電聚合物實用化的突破點，并參與進了隱身技術之中。

通過對高分子導電材料的優(yōu)勢和劣勢以及其應用方法等進行研究，我們發(fā)現高分子導電材料在今后的發(fā)展中具有極大的潛能，它能解決其他導電高聚物的不穩(wěn)定和不易加工等問題。如果高分子導電聚合物的期望成為現實，傳統的科技電子行業(yè)將會掀起一股新的技術浪潮，這將會極大地推動國家科技實力的發(fā)展。

4 結論

通過對高分子導電材料的研究，發(fā)現其還有很多的使用價值有待進一步研發(fā)，它的優(yōu)良性質決定了它將擁有廣闊的發(fā)展前景。雖然目前的高分子導電材料有很多不盡人意的地方還需要不斷改進，但是，隨著科技的發(fā)展和社會的進步，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。