高分子材料——导电聚合物简介
摘要：导电混合物的性能、应用以及面临的挑战。共轭导电聚合物和芳香族金属导电聚合物的简介
关键词：高分子材料导电聚合物共轭导电聚合物芳香族金属导电聚合物
1 导电聚合物
1.1前言
导电高分子又称导电聚合物(conducting polymer)，是指通过掺杂等手段，使其电导率在半导体和导体范围内的聚合物。这类聚合物通常指本征导电聚合物(intrinsic condcuting polymer)，在它们的主链上含有交替的单键和双键，从而形成了大的共轭π体系，π电子的流动产生了导电的可能性。
导电聚合物导电需要两个条件。第一个条件是它必须具有共轭的π电子体系，第二个条件是它必须经过化学或电化学掺杂,即通过氧化还原过程使聚合物链得或失电子。
自由电子是金属的载流子,而电子或空穴是半导体的载流子。导电高聚物的载流子是什么呢？黑格等首先提出孤子(soliton)模型，来解释聚乙炔的电导及其他物理性质。但聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺等具有导电性质的聚合物有非简并基态，不能形成孤子，只能形成极化
子(polaron)和双极化子 (bipolaron)。尽管孤子、极化子和双极化子来自不同的简并态,但它们的物理本质都是能隙间的定域态,因此可以认为它们是导电聚合物的载流子。
导电聚合物材料可以分为共轭型和复合型两大类。共轭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，其导电作用主要通过其中的导电材料完成。而共轭导电聚合物是依靠分子本身产生的导电载流子导电。
本文主要涉及共轭导电聚合物和芳香族金属导电聚合物。
1.2 导电聚合物的应用
导电聚合物得研究始于30多年前。2000年诺贝尔化学奖颁给了导电聚合物的三位发明者：美国物理学家黑格(A.J.Heeger)、美国化学家麦克迪尔米德(A.G.MacDiarmid)和日本化学家白川英树(H.Shirakawa)。
在传统观念中，有机高分子聚合物塑料是绝缘体，不导电。但上述三位科学家成功地制造出了一种"导电聚合物"，其导电性能达到了103s／cm，约为铜的一半.自此有机聚合物不能作为电解质这一观念被彻底改变1。据有无导电性，材料可以分为：绝缘体、半导体、导体和超导体。导电聚合物实现了从绝缘体到半导体、再到导体的变化。
是所有物质中能够完成这种形态变化跨度最大的，正是这些特性使导电聚合物具有了许多优异的应用性能。
导电聚合物在工业生产和常生活等领域都有很大的应用价值。发光二极管现在已经可以与无机发光材料相提并论，并且已经实现商业化，这将使导电聚合物大规模使用成为可能。导电聚合物具有防静电的特性，可以用于电磁屏蔽。与传统的电磁屏蔽材料铜相比，导电聚合物几乎具有同样的性能，但是它成本更低，而且不会消耗资源，可以广泛使用。因此它是一种非常理想的电磁屏蔽材料替代品。
导电聚合物具有掺杂和脱掺杂特性，可以做可充放电的电池、电极材料；它对电信号非常敏感，可以做传感器；它能够吸收微波，可以做隐形飞机的涂料；它能够防腐蚀，可以用在火箭、船舶、石油管道以及污水管道中；利用导电聚合物可以由绝缘体变为半导体再变为导体的特性，可以使巡航导弹在飞行过程隐形；与纳米技术相结合，导电聚合物可以制成分子导电材料，制作分子器件和其他电子元件。最新研究发现，DNA具有导电性。因此导电聚合物可以与生命科学相结合，用来制造人造肌肉和人造神经，以促进DNA生长和修饰DNA。这将是导电聚合物在应用上的又一重大突破。
导电聚合物星光璀璨，不仅是因为它具有良好的电性能,而且它还具有不寻常的光学特性。导电高聚物具有好的非线性光学性能,它的非线性光学系数大, 响应速度快。由于非线性光学材料具有波长变换、增大振幅和开关记忆等许多功能,因此作为21世纪信息处理和前所未有的光计算基本元件而特别令人关注。另外,导电聚合物还是光
折变和光限幅材料。
1990年剑桥大学推出聚合物电致发光器件，自此以后，导电聚合物在材料科学和信息技术领域引起了全世界的竞争——有机高分子全色平面显示材料与器件。它所具有的自发光、高亮度、高效率、低压直流驱动、低成本、无视角依赖、快响应速度、薄、轻、柔性好、大面积和全色显示等优点，使现代显示技术前景诱人。因此导电聚合物吸引了越来越多的关注。很多国家和地区都展开了对它的深入研究。
1.3导电聚合物面临的挑战
尽管导电聚合物有着美好的未来,但目前的研究还面临着一些挑战和困难。主要表现如下：
在基础研究方面，理论还不完善,基本上沿用的还是无机半导体理论，所以还未完全达到金属态，要从分子设计的角度重现合成金属的途径；
在分子水平上的自组装和自构筑器件还处于摸索阶段；目前最前沿的导电聚合物生命科学中的研究还有很多的问题，诸如人的皮肤、肌肉、视觉、嗅觉等感知与电信号的关系都还需要更深入的探索；
在应用研究方面，稳定性和加工性有待进一步加强；虽然其导电系数目前已经与铜很接近，但其综合电学性能和铜还有一定的差距。
在现实应用上，导电聚合物还需要很多的突破，真正的实用化还未取得质的进步。这些问题都需要在规模化应用之前解决。
总之,导电聚合物打破了普通塑料的常规,已进入市场应用或某些用途正处于试验阶段，但我们有理由憧憬,它将为人类提供新一代的电子产品,如能折叠的电视机屏幕和能穿在身上的计算机等。尽管目前导电聚合物的研究面临一些难题,但是2000年这一工作获得诺贝尔奖,必将大大激励该领域的科学家更加努力地工作,使这一国际前沿研究领域成为21世纪科学的先驱,让导电聚合物为人类造福！
2共轭导电聚合物的特性
导电聚合物又可以按其结构特征和导电机理可分为以下 3 类：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-还原型聚合物。电子导电型聚合物的共同特征是分子内有大的π-电子共轭体系，给载流子自由电子提供离域迁移的条件，其便称为共轭导电聚合物。
由于π-电子共轭体系的成键和反键能带之间的间隙较小为1.5～3eV，和无机半导体中导带-价带能差相近。因此该类聚合物大多具有半导体的特性，电导率在 (10-12～10-4) S/cm。根据 Peierls 过渡理论(Peierls Transition)1，减少能带分裂造成的能级差是提高共轭型导电高聚物电导率的主要途径。由于共轭高聚物易于被氧化和还原，可利用“掺杂”的方法来可减小能级差，提高其电导率，此过程即为压制 Peierls 过程（分为p-型和N-型）。P-型掺杂对应于氧化过程，其掺杂剂在掺杂反应中为电子的接受体；N-型掺杂对应于
还原过程，其掺杂剂为电子给予体。通过掺杂可使共轭高聚物的电导率提高很多，接近金属电导率。日本已有一些公司研究出的导电聚乙炔的电导率达到5.8×105 S/cm，这一数值与金属铜的导电性相差无几。
由于共轭导电聚合物同时具有聚合物、无机半导体和金属导体的特性，因而其潜在的商业价值巨大。
2.1 共轭导电聚合物的特性
2.1.1导电性
共轭导电聚合物有一共同结构特征，即分子内都有一个长的线性共轭π电子主链,给自由电子提供了离域迁移的条件。其导电性取决于禁带宽度Eg，Eg 随共轭体系的长度（聚合度n）的增加而减少。室温下热激发产生载流子应当满足条件：Eg≤KT=0.025eV，这需要很大的聚合度n，所以一般π共轭导电聚合物的电导很小，电导率在10-12～10-4S/cm。
研究表明,掺杂是增强导电聚合物导电能力的有效途径, 可以通过在π共轭聚合物中掺杂(doping) 增加其电导。共轭聚合物容易被氧化或还原，伴随氧化还原反应，离子嵌入聚合物以中和主链上的电荷，这一过程称为掺杂。
另外共轭导电聚合物的电导率还受外加电场、合成方法、合成条件和温度等因素的影响。
2.1.2光电导性质
光电导是指物质受光激发后产生电子和空穴载流子，其在外电场的作用下能够移动，从而在外电路中有电流通过的现象。当物质的共轭性较好时，它的光电导性就大，共轭导电聚合物就有很好的光电导性。
2.1.3体积的电位响应
在聚合物中掺杂的离子，常在分子链之间规则的排列，一般进入的先形成柱状阵列，随着掺杂浓度的提高，后掺杂离子可能进入先前阵列中，或形成新的阵列，从而导致大分子链相互分离。
图 1 碘掺杂聚乙炔模式图
Fig.1 Illustration of iodine doped polyacetylene 在电场作用下，共轭导电聚合物的掺杂过程实际上是一个氧化-还原过程。当其处于不同的氧化态时，其体积有显著的不同，即产生体积响应。常利用这一特性来制造人工肌肉。
2.1.4电致发光
研究表明，共轭导电聚合物的能带结构与无机半导体相似。当入
射光能量大于导带与价带之间的能量差(即禁带宽度)时，共轭导电聚合物价带中的电子可以吸收光能而被激发进入导带，从而在导带中形成自由电子，在价带中产生空穴。处于导带中的激发态电子不稳定，会自发向基态跃迁，与价带中的空穴复合，将所吸收的光能重新释放出来，从而产生电致发光。
由于电致发光是电子和空穴结合而发光的过程，如果在直流正向电压的作用下，分别从正极注入空穴和从负极注入电子致发光层中(半导体的价带和导带中)，则由于库仑引力而形成激子，激子可以经复合发光，即为电致发光。英国剑桥大学 Cavendish 实验室的 J H Burroughes 等人在1990 年用聚对苯乙炔制备的聚合物薄膜电致发光器件，得到了直流偏压驱动小于 14 V 的蓝绿光输出，其量子效率为 0.05%。现在该领域的发展迅速，发光范围已覆盖了整个可见光区，其制备的发光器件的各项性能已经离商业化不远。
2.2共轭导电聚合物的应用
共轭导电聚合物是导电聚合物的一种，它具有导电聚合物的一般用途，也自己的特殊性。共轭导电聚合物的用途有：制作导电材料，用于制造新的太阳能电池、二次电池、人造肌肉和电致发光元件等。
2.3总结
经过几十年的探索研究，对于共轭导电聚合物的材料合成、性能结构研究和实际应用方面均取得了许多突破。由于共轭导电聚合物
具有一系列独特的光电特性和电化学性能，而这些独特的性能对于新型功能材料的开发和器件的研制有很重大的意义。可以预测，高分子材料学科的发展方向将主要为以下几方面：
(1) 制备具有更高导电性能和更高稳定性能的导电聚合物材料，尤其是制备不经掺杂而直接合成具有金属电导率、低能隙的导电高分子材料；
(2) 改善和提高其可溶性和加工性，并促进其在技术上的应用；
(3) 通过物理或化学的方法使导电高分子或复合物赋予多功能，开发出具有无机材料不可替代性能的新型功能材料和电子器件。
3芳香族金属导电聚合物
金属导电聚合物又称有机导体，是一类具有导电性的有机电荷转移复合物。这类复合物由电子给体与电子受体组成。典型的例子有TTF-TCNQ，TTF-TNAF复合物。根据电荷转移程度可分为分子晶体和电荷转移晶体。在电荷转移晶体中，视离子化程度又有离子晶体和混合价晶体之分。前者为离子电导，后者为电子电导。有机金属的电导具有：(1)强烈的各向异性，沿着π电子云相互交叠的分子堆砌方向电导最高，而垂直于该方向的电导较差；(2)金属态的失稳性，晶体生长方向的电导率随温度降低而升高，在一定低温域出现电导降，然后向半导态和绝缘态转化，这种金属态的不稳定性在有机金属中普遍存在。
芳香族金属导电聚合物是在导电聚合物主链上引入芳环，这便可
以使导电高聚物刚性增大，整体结构更加稳定、牢固，玻璃化温度和热稳定性也随之提高，显示出优良的耐热性和更多的功能性能。
下面介绍一些典型的芳香族电子导电聚合物。
聚对苯炔(PPV)是第一个被用作发光层的导电聚合物，它不仅本身具有优良的荧光、电致发光及三阶非线性光电性能，而且经强氧化剂掺杂后是重要的导电材料2，它是目前性能最好的高分子电致发光材料，其中可溶性的PPV衍生物有望在电显示领域得到广泛应用。Burmughe~等3首先报道了PPV具有电致发光性能，此后电致发光聚合物的相关研究成为最具有活力的研究领域。PPV聚合物的合成方法有Monni4前聚物法、Wesseling5 前聚物法及去卤缩合聚合法6。Burmughes等合成的聚对二乙炔苯聚合物为不溶和不熔物，这阻碍了其作为荧光或非线性光学材料的进一步研究。研究表明，通过引入取代基或共聚的方法，可以改变其溶解性，从而增大导电性及荧光性7，8。
聚苯胺(PAn)具有良好的热稳定性和化学稳定性，已经成为当前研究得最多的导电聚合物之一。PAn适用于有机电解质溶液和水性电解质溶液，具有较高的库仑效率和稳定性，可作为阳极或阴极材料。PAn还是显色性较好的电显示材料。
研究发现，除了PPV及其衍生物和PAn及其衍生物之外，聚萘、聚萘胺、聚噻吩及其衍生物、聚芴、聚吡咯、聚呋喃等共轭聚合物也具有导电性能，但由于合成它们的稠环化台物来源困难、反应活性位置多、产物不易控制容易发生副反应等诸多原因，使得对稠环芳香族
导电聚合物的研究甚少。
综上可知，主链型芳香族导电聚合物由于具有热稳定性高、化学稳定性好、质地轻且牢固以及良好的加工成型性等优点，正受到人们越来越多的关注，显示出了巨大的发展潜力。用不同导电性能的聚合物在微型电极表面进行多层复合，是制作有机分子二极管、三极管、以及简单的逻辑电路的一种新思路，将成为分子电子材料研究的一个重要方向。较之苯，多环芳香族化合物中共轭体系更大，电子离域性也更强。因此，多环芳烃更适合于作制各电子导电聚合物的单体。然而由于多环芳香族化合物的产物中，物性接近的异构体众多，使彼此分离十分困难，目的产物的选择性降低。因此，多环芳香族导电聚合物的研究显得很薄弱。另外，导电聚合物的合成还存在着选择性差、收率低、反应条件苛刻、催化剂后处理困难以及聚合物不溶和不熔的问题。解决这些问题的关键在于利用多环芳香族化合物因部位不同而反应活性不同，选用高活性催化剂或光照等温和条件，控制反应在特定部位上进行定向转化。选择合适的取代基和共聚物有望解决导电聚合物不溶和不熔的问题。
4参考文献
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导电高分子材料的介绍及研究进展 高分子091 5701109015 李涛 摘要：导电聚合物的突出优点是既具有金属和无机半导体的电学和光学特性，又具有有机聚合物柔韧的机械性能和可加工性，还具有电化学氧化还原活性。经过多年世界范围内的广泛研究，导电聚合物在新能源材料方面的应用已获得了很大的发展。 关键词：导电高分子机理理论研究进展 一、背景及意义 高分子导电材料具有密度小、易加工、耐腐蚀、可大面积成膜以及电导率可在十多个数量级的范围内进行调节等特点，不仅可作为多种金属材料和无机导电材料的代用品，而且已成为许多先进工业部门和尖端技术领域不可缺少的一类材料。高分子材料长期以来被作为优良的电绝缘体，直至1977年，日本白川英树等人才发现用五氟化砷或碘掺杂的聚乙炔薄膜具有金属导电的性质，电导率达到10S/m。这是第一个导电的高分子材料。以后，相继开发出了聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺、聚噻吩等能导电的高分子材料。 经过多年世界范围内的广泛研究，导电聚合物在新能源材料方面的应用已获得了很大的发展，但离实际大规模应用还有一定的距离。这主要是因为其加工性不好和稳定性不高造成的。 二、导电高分子材料分类及导电机理
高分子导电材料通常分为复合型和结构型两大类： ①复合型高分子导电材料。由通用的高分子材料与各种导电性物质通过填充复合、表面复合或层积复合等方式而制得。主要品种有导电塑料、导电橡胶、导电纤维织物、导电涂料、导电胶粘剂以及透明导电薄膜等。其性能与导电填料的种类、用量、粒度和状态以及它们在高分子材料中的分散状态有很大的关系。常用的导电填料有炭黑、金属粉、金属箔片、金属纤维、碳纤维等。 复合型导电高分子材料(Conducting Polymer Composites)是指经物理改性后具有导电性的高分子复合材料，它以非导电型高分子材料为基体，加入一定数量的导电材料(如碳黑、石墨、碳纤维、金属粉、金属纤维、金属氧化物等)组合而成。复合方法主要有两种，一种是对已经成型的塑料壳体进行表面处理的表面导电膜形成法，包括金属喷镀、真空镀、溅射镀、贴金属箔、湿法化学镀或电镀等；另一种称为导电填料机械加工共混复合法，即将导电填料均匀分散于聚合物基体中制成导电涂料或导电塑料。 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。部分科学家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。复合型导电高分子形成导电回路后，导电性主要取决于分布于高分子树脂基体中的导电填料的电子传输。总的说来，其导电性能主要是三种导电机理(导电通道效应、隧道效应、场致效应)相互竞争的作用。在不同情况下出现以其中一种机理为主导
导电高分子材料 专业班级：材料43 学生姓名：王宏辉 学号：2140201060 完成时间：2017年3月29日
导电高分子材料 导电高分子材料一类具有导电功能（包括半导电性、金属导电性和超导电性）、电导率在10-6S／m以上的聚合物材料。 导电高分子材料分类： 导电高分子可分为复合型导电高聚物和构型导电聚合物。 复合型导电高聚物是以高分子材料为基体，加入一定数量的导电物质(如碳黑、石墨、碳纤维、金属粉、金属纤维、金属氧化物等)组合而成。该类聚合物兼有高分子材料的加工特性和金属的导电性。与金属相比较，导电性复合材料具有加工性好、工艺简单、耐腐蚀、电阻率可调范围大、价格低等优点。 结构型导电聚合物是指高分子聚合物本身或经少量掺杂后具有导电性的高分子物质，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。从导电时载流子的种类来看，结构型导电高分子聚合物又被分为离子型和电子型两类。离子型导电高分子(IoIlic Conductive Polymers)通常又叫高分子固体电解质(S0lid Polymer Electrolytes，简称SPE)，其导电时的载流子主要是离子。电子型导电高分子(10nic Electrically conductive Polymers)指的是以共轭高分子为主体的导电高分子材料，导电的载流子是电子(或空穴)。这类材料是目前世界导电高分子材料研究开发的重点。 导电机理： 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)大分子链内和链闻要能够形成导电通道。 在离子型导电高分子材料中，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”)。 对于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。 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。
自19世纪70年代聚合物发明100多年以来，它一直以绝缘这一伟大优点而自豪，并在工业中特别是在包装领域得到了十分广泛的应用。到了20世纪80年代，由于高科技的注入使导电聚合物得到很大的发展，其应用领域更加宽广。 导电高分子材料具有特殊的结构和优异的物理化学性能，使其在光电子、信息产业、航空航天等领域有着广泛的用途。在防电磁、防静电、隐身包装（防红外、防雷达）、智能包装等方面，有着诱人的应用前景。因此，导电高聚物是21世纪新材料研究发展和推广应用的重点。 导电聚合物（Conducitve Polymers）是指聚合物主链结构具有导电功能的聚合物，一般是以电子高度离域的共轭聚合物经过适当电子受体（或供体）进行掺杂后而制得的。 导电性聚合物分为复合型、结构（本征）型、离子型三大类。前者是在绝缘性高分子聚合物中加入碳黑、细微金属粉或镀金属的氧化物等导电物质而获得导电性能。离子型是加入高氯酸锂等盐离子而导电，而结构型则依靠高聚物主链结构具有导电基因而赋予导电性，三者有根本的区别。 1.导电聚合物的特点与合成 导电聚合物基本上是不饱和聚合物，一般采用电解聚合法合成。并经过一定的掺杂处理而使其具有导电功能的导电高聚物。其导电性能有如下特点。 ①通过控制掺杂度，导电高聚物的电导率可在绝缘体--金属范围内（10的负9次方S/cm-10的5次方S/cm）变化，这是其他任何材料都无法比拟的。目前最高室温导电可达10的5次方S/cm，它可与铜的导电率相媲美，而重量仅为铜的8%左右；典型导电高聚物一般导电率为10的5次方S/cm。②导电高聚物可进行拉伸取向，沿拉伸方向电导率随拉伸度而增加，而垂直拉伸方向的电导率基本不变，呈现强的电导方向异性；③尽管导电高聚物的导电率可达金属水平，但它的电导率--温度曲线不呈现金属特性；④导电高聚物的载流子用弧子（soliton）、极化子（polaron）、双极化子（bipolaron）概念描述，既不同于金属的自由电子，也不同于半导体的电子或空穴；⑤导电高聚物具有掺杂/脱杂、完全可逆的过程，这是导电聚合物专有的独特性能；⑥导电高聚物具有掺杂伴随着颜色的变化以及高的三阶非线性光学效应等特点，使其应用范围更广。 上述导电性高分子聚合物一般是以共轭聚合物经过掺杂后制成的。按“绿色化工”原则，目前导电聚合物合成方法有如下5种。 （1）化学合成法：根据高分子合成原理制备主链共轭的高分子，日本白川英树在低温下使用Ziegler-Nand催化剂，使乙炔聚合成聚乙炔（PAC）即是典型一例。 （2）电化学合成法：根据有机电化学合成原理而得到共轭聚合物，许多杂环导电聚合物，如聚呲咯PPY、聚噻吩PTP等皆是采用电化学合成法而制成。采用电化学合成法不仅可使聚合物与掺杂同时进行，而且能容易地得到所需厚度的导电薄膜。 （3）等离子体聚合法：在辉光放电下使单体聚合，此方法工艺过程复杂，得到的聚合物结构较复杂，目前应用实例不多。 （4）共轭转换法：由非共轭聚合物向共轭聚合物转化，如以聚氯乙烯脱氯化氢制取聚乙炔PAC，聚苯撑乙炔PPV和聚噻吩乙炔PTV等等母体聚合物的制备方法。等等。 2.导电聚合物面面观聚呲咯PPY 第一个导电高聚物当数聚呲咯（Polypyrroles），它早在1916年就问世了。由于用途不多几乎被人们遗忘。直到1977年日本和美国先后制取了高电导率的聚乙炔（PAC）才引起人们对导电高聚物的关注。最近10多年来，聚呲咯的研究应用一直受到高度重视，特别是3位取代的聚呲咯衍生物引起人们广泛的关注。 为了提高聚呲咯PPY的电导率和加工性能，通常采用原位聚合法。即将PPY单体溶胀扩散到柔性聚合物基体中，再让呲各原位聚合，以制得高性能高功能的分子复合材料。
导电高聚物 姓名：马军宝学号：20101649班级：高分子2班 摘要 导电高分子材料具有许多传统导电材料没有的独特性能。导电高聚物可用作雷达吸波材料、电磁屏蔽材料、抗静电材料等。本文介绍了导电高分子材料的概念、分类、导电机理及其应用领域。 前言 自从1976年美国宾夕法尼亚大学的化学家Mac Diarmid领导的研究小组首次发现掺杂后的聚乙炔（Polyacetylene，简称PA）具有类似金属的导电性以后，人们对共轭聚合物的结构和认识不断深入和提高，新型交叉学科－导电高分子领域诞生了。在随后的研究中科研工作又逐步发现了聚吡咯、聚对苯撑、聚对苯乙炔、聚噻吩、聚对苯撑乙烯撑、聚苯胺（表1）等导电高分子导电高分子特殊的结构和优异的物理化学性能使它成为材料科学的研究热点，作为不可替代的新兴基础有机功能材料之一，导电高分子材料在能源、光电子器件、信息、传感器、分子导线和分子器件，以及电磁屏蔽、金属防腐和隐身技术上有着广泛、诱人的应用前景。到目前为止，导电高分子在分子设计和材料合成、掺杂方法和掺杂机理、可溶性和加工性、导电机理、光、电、磁等物理性能及相关机理以及技术上的应用探索都已取得重要的研究进展。本文介绍了导电高分子的结构特征、导电机理及其应用领域。 表1典型的导电高聚物 1 导电高分子材料的分类及制备方法 按结构和制备方法不同将导电高分子材料分为复合型与结构型两大类[1]。 1.1复合型导电高聚物及其制备方法
复合型导电高聚物是以高分子材料为基体，加入一定数量的导电物质（如碳黑、石墨、碳纤维、金属粉、金属纤维、金属氧化物等）组合而成。该类聚合物兼有高分子材料的加工特性和金属的导电性。与金属相比较，导电性复合材料具有加工性好、工艺简单、耐腐蚀、电阻率可调范围大、价格低等优点。复合型导电高分子所采用的复合方法主要有两种[2,3]：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。日本Asahi公司将丙烯腈-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（ABS）、高抗冲改性聚苯乙烯（HIPS）与亲水性PA共混制得两种高性能抗静电复合材料A-dionA和AdionH，尤其是后者在相对湿度较低的条件下也表现出较强的抗静电能力，且不受水洗和擦拭等影响。在相对湿度为50％、温度为23℃的环境中保存4年后抗静电性能无变化，机械性能不低于普通HIPS，其他性能则与普通HIPS相同。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，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，其体积电阻率为107~109Ω·cm，可作抗静电材料使用研究表明，对于聚丙烯腈（PAN）与聚氯乙烯（PVC）或PAN与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。 炭黑是天然的半导体材料，其体积电阻率约为0.1~10.0Ω·cm。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（1~108Ω·cm）。由炭黑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。炭黑的比表面积越大（粒径越小）、表面活性基团含量越少，则导电性能越好。此外，成型工艺对炭黑填充高分子的导电性能也有影响，这是由于炭黑粒子在不同成型过程，中所受剪切作用及流动情况不同而导致其分散和取向程度不同所致。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。例如长径比为125的纤维，当填充的体积分数为1.5％时，屏蔽效果可达40dB；而长径比为250的纤维，只填充体积分数约为0.4％便可得到同样的效果。这样既降低了产品成本，又使复合材料的密度下降，力学性能大大提高。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50~60，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。日本的钟纺公司采用微振动切割技术制得的黄铜纤维，价格低廉，用较少的填充量即可得到较好的导电及屏蔽性能，将其填充到PA、聚碳酸酯（PC）、聚丙烯（PP）和ABS等树脂中可以制成各种复合型导电高分子材料。 1.2结构型导电聚合物及其制备方法 结构型导电聚合物是指高分子聚合物本身或经少量掺杂后具有导电性的高分子物质，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[4]。 从导电时载流子的种类来看，结构型导电高分子聚合物又被分为离子型和电子型两类。离子型导电高分子（Ionic Conductive Polymers）通常又叫高分子固体电解质（Solid Polymer Electrolytes，简称SPE），其导电时的载流子主要是离子。电子型导电高分子（Ionic Electrically Conductive Polymers）指的是以共轭高分子为主体的导电高分子材料，导电的载流子是电子（或空穴）。这类材料是目前世界导电高分子材料研究开发的重点。 最早发现的结构型导电高聚物是掺杂聚乙炔，在随后的研究中科研工作者又相继开发了
定义：导电聚合物又称导电高分子，是指通过掺杂等手段，能使得电导率在半导体和导体范围内的聚合物。通常指本征导电聚合物，这一类聚合物主链上含有交替的单键和双键，从而形成了大的共轭π体系。π电子的流动产生了导电的可能性。 简介：没有经过掺杂处理的导电聚合物电导率很低，属于绝缘体。其原因在于导电聚合 物的能隙很宽（一维半导体的不稳定性），室温下反键轨道（空带）基本没有电子。但经过氧化掺杂（使主链失去电子）或还原掺杂（使主链得到电子），在原来的能隙中产生新的极化子、双极化子或孤子能级，其电导率能上升到10~10000 S/cm2，达到半导体或导体的电 导率范围。导电聚合物（聚乙炔）由日本科学家白川英 树最先发现，美国科学家Heeger 和MacDiarmid 也是这 一研究领域的先驱。这三位科学家由于在导电聚合物研究 中的突出贡献，共同获得了2000年的诺贝尔化学奖。 种类：自1970年代第一种导电聚合物——聚乙炔发现 以来，一系列新型的导电高聚物相继问世。常见的导电聚 合物有：聚乙炔、聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺、聚苯撑、聚苯撑乙烯和聚双炔等。 聚乙炔是最先报道具有高电导率的、结构最简单的共轭高聚物。1987年，德国BASF 公司的科学家改进了白川英树的聚合方法，得到的聚乙炔经碘掺杂并拉伸取向后电导率高达2×10^5西/厘米，此数值大约相当于铜电导率(6×105西/厘米)的1/3。在相同质量的情况下,它显示出比铜高2～3倍的电导率。由于聚乙炔具有特殊的光学、电学和磁学性质以及可逆的电化学性质，它在二次电池和光电化学电池方面显示诱人的应用前景，但最致命的弱点是它在空气中不稳定。 聚噻吩和聚吡咯具有将聚乙炔的氢用硫或NH取代的结构,尽管它们的电导率没有聚乙炔高,但其稳定性好,能够用于制备电子器件。 被称为“苯胺黑”的聚苯胺粉末早在1910年已经合成出来,然而直到从酸性的水溶液介质中通过苯胺单体的氧化聚合而制备的聚苯胺才具有较高的电导率。聚苯胺具有结构多样化、在空气中稳定、物理化学性能优异、制备工艺简单等特点,在二次钮扣电池和电致变色等方面有着诱人的应用前景。 性能: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 光和磁性能等，它的柔韧性好，生产成本低，能效高。导电聚合物不仅在工业生产和军工方面具有广阔的应用前景，而且在日常生活和民用方面都具有极大的应用价值。 导电聚合物具有掺杂和脱掺杂特性、较高的室温电导率、较大的比表面积和比重轻等特点，因此可以用于可充放电的二次电池和电极材料。日本的精工电子公司和桥石公司联合研制的3伏钮扣式聚苯胺电池已在日本市场销售，德国的BASF公司研制的聚吡咯二次电池也在欧洲市场出现,日本关西电子和住友电气合作试制出高输出大容量的锂－聚合物二次电池。与普通的铅蓄电池相比,这种二次电池具有能量密度高、转换效率高和便于管理等特点。 应用：导电聚合物在电化学掺杂时伴随着颜色的变化,它可以用作电致变色显示材料和器 件。这种器件不但可以用于军事上的伪装隐身，而且可以用作节能玻璃窗的涂层。 导电聚合物具有防静电的特性,因此可以用于电磁屏蔽。传统的电磁屏蔽材料多为铜或铝箔，虽然它们具有很好的屏蔽效率，但重量重，价格昂贵。导电聚合物在电磁屏蔽方面具有几乎同样的性能,并且有成本低、可以制成大面积器件、使用方便等优点,因此是传统电磁
高分子材料——导电聚合物简介 摘要：导电混合物的性能、应用以及面临的挑战。共轭导电聚合物和芳香族金属导电聚合物的简介 关键词：高分子材料导电聚合物共轭导电聚合物芳香族金属导电聚合物 1 导电聚合物 1.1前言 导电高分子又称导电聚合物(conducting polymer)，是指通过掺杂等手段，使其电导率在半导体和导体范围内的聚合物。这类聚合物通常指本征导电聚合物(intrinsic condcuting polymer)，在它们的主链上含有交替的单键和双键，从而形成了大的共轭π体系，π电子的流动产生了导电的可能性。 导电聚合物导电需要两个条件。第一个条件是它必须具有共轭的π电子体系，第二个条件是它必须经过化学或电化学掺杂,即通过氧化还原过程使聚合物链得或失电子。 自由电子是金属的载流子,而电子或空穴是半导体的载流子。导电高聚物的载流子是什么呢？黑格等首先提出孤子(soliton)模型，来解释聚乙炔的电导及其他物理性质。但聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺等具有导电性质的聚合物有非简并基态，不能形成孤子，只能形成极化
子(polaron)和双极化子 (bipolaron)。尽管孤子、极化子和双极化子来自不同的简并态,但它们的物理本质都是能隙间的定域态,因此可以认为它们是导电聚合物的载流子。 导电聚合物材料可以分为共轭型和复合型两大类。共轭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，其导电作用主要通过其中的导电材料完成。而共轭导电聚合物是依靠分子本身产生的导电载流子导电。 本文主要涉及共轭导电聚合物和芳香族金属导电聚合物。 1.2 导电聚合物的应用 导电聚合物得研究始于30多年前。2000年诺贝尔化学奖颁给了导电聚合物的三位发明者：美国物理学家黑格(A.J.Heeger)、美国化学家麦克迪尔米德(A.G.MacDiarmid)和日本化学家白川英树(H.Shirakawa)。 在传统观念中，有机高分子聚合物塑料是绝缘体，不导电。但上述三位科学家成功地制造出了一种"导电聚合物"，其导电性能达到了103s／cm，约为铜的一半.自此有机聚合物不能作为电解质这一观念被彻底改变1。据有无导电性，材料可以分为：绝缘体、半导体、导体和超导体。导电聚合物实现了从绝缘体到半导体、再到导体的变化。
导电聚合物 2000年10月10日瑞典皇家科学院将化学最高荣誉授予美国加利福尼亚大学物理学家Alan I.Heeger 宾夕法尼亚大学化学家Alan G.Macdiarmid 和日本筑波大学化学家Hideki shirakawA（白川英树），以表彰他们研究导电有机高分子材料的杰出成就。 材料科学与信息、能源和生命一起被称为现代科学技术发展的四大支柱。材料又是 各学科发展的物质基础。其中有机高分子材料自1856年第一个塑料专利产品——硝化纤 维问世，到20世纪60年代，已有许多性能优良的工程塑料相继工业化，20世纪80年代中 期，由于其产品应用各个方面渗透各个学科领域，所以人类开始进入高分子时代。人们 非常希望易加工、耐腐蚀、密度小的有机高分子材料能成为导体，今天已经成为现实。 为此三位教授也获得世界上科技界的最高殊荣。这里从导电聚合物创造发明过程进行研 究，让人能从这些巨人艰辛历程中得到更大的启迪。早在1862年，英国伦敦医学专科学 校HLetheby在硫酸中电解苯胺而得到少量导电性物质（可能是聚苯胺）。从此，高分子 科学家从大分子主链上的共轭结构和聚合物配位化合物两个方面开始探讨开发导电高分 子。 1954年，意大利米兰工学院G.Natta用Et3Al-Ti(OBa)4为催化剂创制了聚乙炔，虽然 有非常好的结晶体和规则的共轭结构，然而难溶解、难溶化、不易加工和实验测定，这 种材料未得到了广泛利用。Ziegler和Natta由于发明、创造的催化剂可以定向地得到高 聚物于1966年获诺贝尔化学奖。为人工合成定向高分子，设计预定结构与构象高分子材 料起得很大的促进作用。 1974年日本白川英树、H.Shirakawa在合成聚乙炔的实验中，偶然地投入过量（错误 操作）的催化剂，合成出令人兴奋的有银白色光泽的聚乙炔薄膜。（偶然发明法）进一 步改进发现：在惰性溶剂中，高浓度催化剂的表面影响乙炔的聚合。也正是在Ziegler和 Natter两位诺贝尔化学将获得者巨大的成功，白川英树打通了实现有机聚合物导电的通 道。其中反一反型电导率可达10-3～10-2S/m【电阻R的单位为Ω(欧姆，简称欧)，当一导体两端的电压为1V时，如果这导体通有电流1A，则这导体的电阻就规定为1Ω，即：1Ω=1V/1A 电导G的单位是S(西门子，简称西)，1S=1/1ΩR=ρ*L/S式中ρ是取决于导体材料和温度的一个物理量，叫做材料的电阻率，其单位为Ω·m(欧·米)。电阻率的倒数称为电导率γ=1/ρ，其单位为S·m-1(西·米-1)。】。与此同时，在美国，A.J.Heeger和A.G.Macdiarmid一直在研究类金属的无机高分子聚硫氰（SN)n 薄膜。在A.G.Macdiarmid去北京 参加一次学术研讨会，休息期间H.Shirakawa向他提到了自己的研究成果，立即引起了A. G.Macdiarmid的注意。随后Macdiarmid邀请H.Shirakawa到美国宾夕法尼亚大学合作，从 此有机高分子与无机高分子导电聚合物的开发研究合在一起。用I2掺杂的聚乙炔电导率 为3000 S/m，比原来提高7个数量级（组合发明法）。 1977年5月16日英国https://www.doczj.com/doc/b619119193.html,m杂志社收到题为“Synthesis of electrically conduting organicpolymers: Halogen derivatives of polyacetylene(CH)x”的论文，即予发表。随后另外两篇进一步阐述主题的论文在美国 相继发表。还有聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩，经过人们创造性的工作，加工成型已成为可 能，同时还是一些变色高分子材料，一些纯有机聚合物导电性体开发成功。 1980年，Durham大学的James W.Feast得到密度比H.Shikrakawa 更大的聚乙炔。另 一个重要的发现是Robert H.Grubbs以烷基钛配合物为催化剂将环辛四烯转换成了聚乙炔 。 1987年德国BASF科学家Herbert Naarman 和Nicholas Theophiou 在H.Shirakawa
导电高分子材料与器件 导电高分子材料是一类具有导电性能的聚合物材料，广泛应用于电 子器件、传感器、光伏设备等领域。本文将介绍导电高分子材料的基 本原理、制备方法以及其在不同领域的应用。 一、导电高分子材料的原理 导电高分子材料的导电性能源于其中的导电性掺杂物或功能团。它 们可以分为有机导电高分子和无机导电高分子两大类。 1. 有机导电高分子 有机导电高分子采用有机导电聚合物作为基材，通常通过掺杂的方 式引入电子供体或受体，从而调整材料的导电性能。有机导电聚合物 通常具有共轭结构，形成了类似于金属的电子能带结构，电子在材料 内部的传导使其具有导电性能。常见的有机导电高分子材料有聚噻吩、聚苯胺等。 2. 无机导电高分子 无机导电高分子主要由无机导电材料制备而成，如金属、碳纳米管、石墨烯等。这些无机材料具有良好的导电性能，能够在高分子基材中 提供电子传导通道，从而赋予材料导电性。无机导电高分子具有导电 性能稳定、机械强度高等优点。 二、导电高分子材料的制备方法
导电高分子材料的制备方法多种多样，可以通过物理方法或化学方 法进行。 1. 物理方法 最常用的物理制备方法是导电高分子材料的加工和复合。例如，可 以采用热压、注塑、挤出等方式将导电高分子与基材进行复合，形成 导电高分子复合材料。此外，还可以通过电化学沉积、溶液旋转涂覆 等方法将导电高分子层薄覆盖在基材上。 2. 化学方法 化学方法主要包括合成法和化学改性法。合成法是指通过化学反应 将导电性团体引入到基材中，形成导电高分子材料。化学改性法则是 通过对已有的高分子材料进行化学改性，引入导电性团体或进行导电 材料的反应，提高其导电性能。 三、导电高分子材料的应用领域 导电高分子材料具有导电性能和良好的可塑性，因此在各个领域都 有广泛的应用。 1. 电子器件 导电高分子材料在电子器件中起到了重要的作用。例如，导电高分 子可以用于制备柔性电子器件，如柔性显示屏、可穿戴设备等。此外，导电高分子也可应用于电池、传感器等电子元件的制备。 2. 光伏设备
导电聚合物材料的导电率研究 导电聚合物材料是一类具有导电性能的高分子材料，其导电率的研究对于电子 行业、能源存储和传输等领域具有重要意义。本文将从导电聚合物的基本概念开始，分析导电聚合物材料的导电机制和影响因素，最后探讨导电率提升的方法。 1. 导电聚合物的基本概念 导电聚合物是一种将有机聚合物与导电性能分子结合形成的高分子复合材料。 相比于传统的金属材料和半导体材料，导电聚合物材料具有重量轻、柔韧性好、可塑性强等特点，广泛应用于纺织业、光电子学以及医学领域。 2. 导电聚合物的导电机制 导电聚合物的导电机制主要与共轭体系和电荷转移有关。导电聚合物分子链中 存在共轭结构，电子可以在共轭结构中游离和传递，从而形成导电路径。而电荷转移也是导电的重要过程，电子在导电聚合物的形成和断裂过程中发生跳跃和传输，实现导电能力。 3. 影响导电率的因素 导电聚合物材料的导电率受多种因素的影响。首先，材料的分子结构和组分对 导电性能起着至关重要的作用。导电聚合物的共轭结构越完整，分子间的电荷传递就越顺畅，导电性能就越好。此外，导电聚合物中掺杂数量的导电性能分子也会对导电率产生影响。其次，材料的温度和环境条件也会对导电率造成一定的影响。温度过高或过低都会导致导电聚合物的分子结构变化，影响电子的传导能力。最后，材料的物理和化学性质也会对导电率产生影响。例如，材料的溶剂选择、掺杂离子以及材料表面处理等，都可以调控导电聚合物的导电率。 4. 导电率提升的方法
为了提高导电聚合物材料的导电率，研究者们采取了多种方法。首先，可以通 过掺杂导电性分子来提高导电率。例如，利用高导电性的有机盐、金属离子等物质，将其掺杂到导电聚合物中，以增强其导电性能。其次，结构调控也是提高导电率的有效途径。通过调整导电聚合物的聚合方式、共轭结构以及分子链间的相互作用，可以使导电聚合物形成更好的导电通道，提高导电率。此外，材料的表面处理也可以改善导电聚合物的导电性能。例如，利用离子掺杂、形成导电聚合物表面涂层等方法，可以提高导电聚合物的导电率。 总结起来，导电聚合物材料的导电率研究是一个复杂而热门的领域。通过深入 理解导电聚合物的基本概念、导电机制和影响因素，以及采取合适的方法来提高导电率，可以为材料科学和应用领域带来更多的突破和创新。导电聚合物材料的应用前景也将得到进一步拓展，为人类社会的发展带来更多的可能性。
功能材料论文 姓名：焦丽娜 学号：2009240014 专业：材料化学 导电高分子材料概述 一、定义 所谓导电高分子是由具有共轭n键的高分子经化学或电化学“掺杂”使其由绝缘体转变 为导体的一类高分子材料。它完全不同于由金属或碳粉末与高分子共混而制成的导电塑料。通常导电高分子的结构特征是由有高分子链结构和与链非键合的一价阴离子或阳离子共同组成。即在导电高分子结构中，除了具有高分子链外，还含有由“掺杂”而引入的一价对阴 离子（p型掺杂）或对阳离子（n型掺杂）。导电聚合物最引人注目的一个特点是其电导率可以在绝缘体一半导体一金属态（10-9到105s/cm ）较宽的范围里变化。这是目前其他材料所无法比拟的。高分子导电材料具有密度小、易加工、耐腐蚀、可大面积成膜以及电导率可在 十多个数量级的范围内进行调节等特点，不仅可作为多种金属材料和无机导电材料的代用品，而且已
成为许多先进工业部门和尖端技术领域不可缺少的一类材料。 二、分类 按照材料的结构与组成，可将导电高分子分成两大类。一类是结构型（本征型）导电高分子，另一类是复合型导电高分子。 2.1结构型导电高分子 结构型导电高分子结构型导电高分子本身具有“固有”的导电性，由聚合物结构提供导 电载流子（包括电子、离子或空穴）。这类聚合物经掺杂后，电导率可大幅度提高，其中有 些甚至可达到金属的导电水平。迄今为止，国内外对结构型导电高分子研究得较为深入的品 种有聚乙炔、聚对苯硫醚、聚对苯撑、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩以及TCNQ^荷络合聚合物等。其中以掺杂型聚乙炔具有最高的导电性，其电导率可达5X 103〜104 Q -1 • cm-1 （金属铜的电导率为105 Q -1 • cm-1 ）。 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。在离子型导电高分子材料中，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”）。 对于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n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n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。 1.2复合型导电高分子 复合型导电高分子是在本身不具备导电性的高分子材料中掺混入大量导电物质，如炭黑、金属粉、箔等，通过分散复合、层积复合、表面复合等方法构成的复合材料，其中以分散复合最为常用。与结构型导电高分子不同，在复合型导电高分子中，高分子材料本身并不 具备导电性，只充当了粘合剂的角色。导电性是通过混合在其中的导电性的物质如炭黑、金属粉等获得的。由于它们制备方便，有较强的实用性，因此在结构型导电高分子尚有许多技 术问题没有解决的今天，人们对它们有着极大的兴趣。复合型导电高分子用作导电橡胶、导电涂料、导电粘合剂、电磁波屏蔽材料和抗静电材料，在许多领域发挥着重要的作用。 复合型导电高分子材料是以高分子聚合物作基体，加入相当数量的导电物质组合而成的 兼有高分子材料的加工性和金属导电性。根据在基体聚合物中所加入导电物质的种类不同又 分为两类：填充复合型导电高分子材料和共混复合型导电高分子材料. 目前,关于复合型导电高分子材料导电机理研究报道的较多，人们从多方面进行了广泛 深入的研究，建立了许多数学模型或物理模型。目前比较流行的有3种理论：(1)是宏观渗流 理论，即导电通路学说；(2)是微观量子力学隧道效应理论；(3)是微观量子力学场致发射效应理论。 导电通路机理、隧道效应机理和场致发射机理在复合材料中是同时存在的，但在不同条件下可以某一种或某两种为主。在临界体积以上材料以导电通路为主要传导方式，即以渗流理论表现为主导；若导电填料用量较低和外加电压较小时，孤立粒子或聚集体的间隙较大而 无法参与导电，热振动受激电子发生跃迁，形成较大隧道电流；填料浓度较低、粒子间内部电场很强时，基体隔层相当于内部分布电容，场致发射机理更为显著。
、 聚吡咯导电聚合物材料 一、摘要 导电聚合物的突出优势是既具有金属和无机半导体的电学和光学特性，又具有有机聚合物柔韧的机械性能和可加工性，还具有电化学氧化还原活性。MacDiamid，Heeger和白川英树因在导电聚合物的发觉和中作出的突出奉献一起取得2000年度诺贝尔化学奖。具有共轭双键的导电高分子聚吡咯纳（ppy）由于其合成简便，导电率较高易成膜等优势而日趋受到人们的关注。本文要紧介绍聚吡咯纳（ppy）的结构、性质、应用和进展。 二、关键词导电高分子，聚苯胺，搀杂，应用 三、引言 在过去很长一马上刻，有机高分子一直被视为结构绝缘材料。自从1977年美国科学家黑格（）和麦克迪尔米德（）和日本科学家白川英树（）发觉搀杂聚乙炔（Polyacetylene,PA）具有金属导电特性[1]以来，有机高分子不能作为电解质的概念被完全改变。也因此诞生了一门新型的交叉学科-导电高分子。。那个新领域的显现不仅打破了高分子仅为绝缘体的传统观念,而且它的发觉和进展为低维固体电子学,乃至分子电子学的成立和完善作出重要的奉献,进而为分子电子学的成立打下基础,而具有重要的科学意义 导电性能是聚合物的重要性质之一。聚合物既大量作为绝缘材料利用，也可用作导电材料利用。随着高分子科学的进展，有相当一部份功能聚合物还能够作为半导体材料利用。导电聚合物已经成为功能高分子材料的重要一员。聚吡咯纳（ppy）在那个地址面扮演者相当大的戏份。 四、导电高分子材料的分类 1 结构型导电高分子 结构型导电高分子材料是指本身具有导电性或经搀杂后具有导电性的聚合物材料，也称作本征型导电高分子材料，是由具有共轭∏键或部份共轭∏键[2]的高分子经化学或电化学“搀杂”，使其由绝缘体转变成导体的一类高分子材料，如聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PAn)、聚乙炔(PA)等。不需搀杂的结构型导电高分子材料至今只有聚氮化硫一类，而大多数均需采纳必然的手腕进行搀杂才能具有较好的
第二章导电性高分子材料 近年来，随着集成电路和大规模集成电路的迅速发展，电磁波及静电等问题给我们的生活带来了很大损失。随着电子线路和元件越来越集成化、微型化、高速化，使用的电流为微弱电流，致使控制信号的功率与外部侵入的电磁波噪音功率相接近，因此容易造成误动作、图象障害和音响障害，妨碍警察通讯、防卫通讯、航空通讯，造成卫星总装调试障碍等等，其后果是可想而知的。导电高分子材料就是为了解决这些实际应用中的问题而发展起来的。 第一节导电高分子材料概述 我们通常所见到的聚合物通常是不导电的绝缘体，但自从美国科学家A.F.Heeger和Macdiarmid发现聚乙炔具有明显导电性质之后，有机聚合物不能导电的观念被打破了。根据已有的制作水平，经加碘掺杂的聚乙炔的导电能力已经进入金属导电的范围，接近室温下铜的导电率。有人称其为金属化聚合物，或称合金金属，有机聚合物的电学性质从绝缘体到导体的转变促进了分子导电理论和固态离子导电理论的发展，从而引起了众多科学家的关注，成为有机化学中的研究热点。在抗静电、电磁波屏蔽以及显示材料、半导体器件等方面都取得了重大进展。 1.1高聚物的导电特点 “导电”就是电可以通过。这里所指的电不完全是我们常见的那种一按开关机器就能动作、电灯就能发光的那种电，它还包括弱电、静电、电磁波等日常生活中我们并不注意的一些现象。材料的导电性通常是用电阻值来衡量的。金属材料是人们最熟悉的导体，它的电阻值一般在105欧姆厘米以下。对于导电高分子材料来说，根据以上所说的不同种类的电，很容易明白其电阻值应处于一个较宽的范围内。通常的划分方法是：以电阻值1010欧姆厘米为界限，在此界限以上为绝缘高分子材料，在其以下统称为导电高分子材料。 材料的导电性是由于材料内部存在的带电粒子的移动引起的。这些带电粒子可以是正、负离子，也可以是电子或空穴，通常称为载流子。载流子在外加电场的作用下沿电场方向移动，就形成电流。材料导电性的好坏与物质所含的载流子的数目及其运动速度有关，载流子的浓度和迁移率是表征材料导电的微观物理量。 大多数高聚物都存在离子电导，那些带有强极性基团的聚合物由于本征解离，可以产生导电离子，此外在合成、加工和使用过程中，加入的添加剂、填料以及水分和其它杂质的解离，都会提供导电离子，特别是在没有共轭双键的电导率较低的非极性聚合物中，外来离子是导电的主要载流子，其主要导电机理是离子电导。在共轭聚合物、电荷转移络合物、聚合物的离子自由基盐络合物和金属有机聚合物材料中则含有很强的电子电导。如在共轭聚合
导电聚合物的制备和性质 近年来，导电聚合物因其在电子工程、光电子学、生物医学等 领域的广泛应用，备受学术界和产业界的关注。导电聚合物是一 种能够导电的高分子材料，其导电性能主要来自于其内部存在的 含酸、含碱、含金属等有机离子。 为了制备优秀的导电聚合物，研究人员不断探索新的制备方法 和改进现有的制备技术。下面将分别介绍研究者常用的三种制备 方法：化学还原法、电化学聚合法和生物合成法。 1. 化学还原法 化学还原法是制备导电聚合物的常用方法之一。该方法将还原 剂和聚合物的预聚合物混合，经过反应后生成导电聚合物。在这 个过程中，还原剂主要用于提供电子，促使预聚合物中的单体分 子聚合并形成导电聚合物。 然而，化学还原法中的还原剂往往具有毒性或挥发性，需要在 反应结束后进行大量的冲洗和处理，以避免对环境和生命的危害。
此外，化学还原法还存在反应速度慢、反应过程中会产生有害的 化学废品等问题。 2. 电化学聚合法 电化学聚合法是在电化学条件下，利用电极上的电位差将预聚 合物分子聚合成导电聚合物。该方法具有响应速度快、生成的导 电聚合物电学性能稳定、重复性好等优点。 电化学聚合法适用于多种高分子材料的制备，但其缺点也很明显，即需要较高的纯度的预聚合物、电极材料选取繁琐等。此外，电化学聚合法也存在产生氢、氧等气体的问题，处理起来比较麻烦。 3. 生物合成法 生物合成法是一种新的制备导电聚合物的方法，在整个制备过 程中不需要使用任何有害化学品，因此具有环保和安全的优势， 与人们日常生活息息相关的茶叶、咖啡、蘑菇等也都是采用这种 方法制备的。
具体来说，生物合成法中的导电聚合物是通过生物合成方式， 利用微生物的代谢活性来合成的。生物合成法制备导电聚合物还 具有反应速度快、单元分子易得、在室温下进行等特点。 在导电聚合物的性质方面，其导电性能是其最值得关注的性质 之一。导电聚合物的导电性能与其内部离子的含量、离子化程度、分子结构等因素密切相关。导电聚合物的导电性能越优秀，其在 电子、通讯、信息等领域的应用就会更加广泛。 此外，导电聚合物还具有优异的机械性能、化学稳定性、生物 相容性等特点。在使用聚合物材料时，这些都是非常重要的性质 指标。 总之，当前导电聚合物的制备方法和性质已经有了长足的发展，研究人员将继续探索和改进这一领域，并将导电聚合物的制备与 性能提高到更高的水平，进一步推动其在各个领域的应用。
导电聚合物材料的研究与应用近年来，导电聚合物材料的研究与应用受到了越来越广泛的关注，其独特的电学性质在电子、能源等领域有着广泛的应用前景。本文将针对导电聚合物材料的基本概念、研究进展以及在能源、 生物医学等方面的应用进行阐述。 一、导电聚合物材料的基本概念 导电聚合物材料是指具有导电性的高分子复合材料，其分子链 中含有导电性单元。它通常由聚丙烯酸、聚苯乙烯等高分子基质 和导电性添加剂（如碳黑、导电聚合物等）组成。 导电聚合物的导电性能源于其分子链中的共轭结构，共轭结构 可促进电子的运输，从而提高材料的电导率。同时，导电聚合物 还具有柔韧性、可塑性等特点，因此在柔性电子学、生物医学、 光电传感等领域具有广泛的应用前景。 二、导电聚合物材料的研究进展 1. 材料结构设计
导电聚合物的性能取决于其结构设计和合成方法。近年来，研 究人员通过优化聚合物的结构设计和合成方法，成功制备出多种 高性能、高稳定性的导电聚合物。 例如，研究人员通过叠层结构的设计，成功合成了多层石墨烯/聚合物复合材料，其电导率可达数千西门子/厘米，远高于单独使 用聚合物的电导率。此外，研究人员还通过离子液体掺杂、控制 界面匹配性等方法，有效提高了导电聚合物的导电性和稳定性。 2. 应用领域拓展 导电聚合物材料在电子学、光电传感、生物医学等领域有着广 泛的应用前景。 在电子学领域，导电聚合物可用于柔性电路、传感器、电容器、电极等器件的制备。近期研究还发现，导电聚合物材料可用于制 备新型电池，可实现高能量密度、高循环稳定性的性能表现。
在光电传感领域，导电聚合物可用于制备温度、湿度、压强等 传感器，并通过激发荧光发射、电流等信号变化实现对这些参数 的检测。 在生物医学领域，导电聚合物材料可用于制备人工智能皮肤、 可植入式器件等，以及用于拟人工器官的制备。研究人员还发现，导电聚合物材料可作为药物输送载体，将药物有效输送至病灶并 实现精准治疗。 三、未来展望 随着科学技术的不断进步和广泛的应用领域，导电聚合物材料 的研究和应用前景将会越来越广泛。未来研究人员将进一步探索 导电聚合物的结构调控、性能优化等方面，并通过多学科交叉研究，开发出更加高性能、高品质的导电聚合物材料，实现其在能源、电子学、生物医学等领域的广泛应用。
聚吡咯导电高分子材料概述 通过聚吡咯导电高分子的结构介绍了其导电原理。介绍了4种常用的聚吡咯制备方法的原理、设备、特点，并通过对该7种不同的制备方法从可操作性、产出率等方面进行分析，了解各种方法的优、缺点。进而介绍各种制备方法在工业上的应用情况。 标签：聚吡咯；导电高分子；制备方法 导电高分子又被称为导电聚合物，是近年新兴的一种吸波材料，合成导电高分子的有机单体一般都具有共轭双键，并且在合成的过程中利用化学或者电化学掺杂而生成的，导电高分子的电导率从绝缘体变化到导体或半导体范围的一种聚合物。由于存在共轭双键，使得导电聚合物具有一维半导体的不稳定性，共轭双键在室温时，其轨道上的电子接近于零，使得这一改变更容易实现。 聚吡咯（PPy）作为目前常见的导电高分子聚合物，其本征状态下其电导率很小。但其用质子酸掺杂后，电导率能够提高几个甚至十几个数量级，即从绝缘的状态跃迁到导体或半导体的状态。目前为了提高聚吡咯电导率，通常采用质子酸掺杂法、光掺杂法、化学氧化还原法、电化学氧化还原法、以及界面电荷注入法等方法。 1 聚吡咯的组成结构 由上图可以看出，聚吡咯的单元结构是由碳碳单键与碳碳双键交替的二共扼体系构成，其中，聚合物内的二电子类似于金属导体中的自由电子。聚吡咯在外加电场的作用下，组成π键的电子沿着大分子链将快速地移动，因此聚吡咯具有良好的导电性，属于导电高分子。 2 聚吡咯的合成 目前合成导电聚吡咯最常用的合成方法是电化学聚合法和化学氧化法。其中电化学聚合方法主要用于制备聚吡咯薄膜上，该方法制备聚吡咯薄膜操作简便，聚吡咯薄膜的厚度易控制，并且所制的导电聚吡咯具有较好的力学性能和良好的电导率性，但制备设备昂贵，而且产率比较低。化学氧化法虽然在很多方面比电化学氧化法差，但该方法设备简便，成本较低，而且对反应条件要求较低，适合大规模工业生产，故应用较广。聚吡咯的电导率的大小和环境稳定性等性能都与其反应条件、聚合方式等有紧密的联系，所以不同的聚吡咯反应条件，其物理化学性质和表面形态有很大差别，进一步影响其在工业生产中的应用范围。 2.1 共混法 共混法是采用各种方式将预先合成的高分子聚合物与无机材料掺杂在一起。溶液共混、机械共混、乳液共混以及熔融共混是共混法常用的四种方法。溶液共