导电高分子材料的研究与应用现状
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摘要: 主要介绍了聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩这几类导电高分子在近年来的研究进展。综述了提高导电高分子的电导率, 改善其溶解性及可加工性的方法, 以及导电高分子在电子器件、电池、电磁屏蔽材料等方面的实际应用。
关键词: 导电高分子
近年来, 导电高分子的研究取得了较大的进展, 科学家对其合成、结构、导电机理、性能、应用等方面经过多年的研究, 已成为一门相对独立的学科。目前研究比较多的结构型导电高分子主要有聚乙炔、聚芳杂环化合物及其衍生物、聚芳环和芳稠环化合物及其衍生物。
1 导电高分子材料的研究进展
1.1 聚乙炔
聚乙炔是研究最早、最系统,也是迄今为止实测电导率最高的电子聚合物。采用对聚合催化剂进行高温陈化的方法, 聚合物力学性质和稳定性有明显改善, 高倍拉伸后具有很高的导电性。有人用稀土及烷基铝作催化剂, 通过改变溶剂或添加剂的种类及稀土烷基铝的比率获得了具有纤维状结构的聚乙炔薄膜, 其电导率在10～ 1000 S/cm。还有人通过增重法及红外电子自旋共振法研究了不同催化体系得到的聚乙炔的空气稳定性, 清楚了聚乙炔中的共轭双键易与空气中的氧气发生反应生成羰基化合物, 导致聚乙炔的共轭结构被破坏, 降低其电导率。为了改善聚乙炔的导电溶解等性能, 人们研究了各种取代聚乙炔,发现乙炔有取代基时, 聚合物的电导率降低, 但却大大改善了它的溶解性, 取代聚乙炔大多数都是可溶的,且取代聚乙炔,尤其是含氟炔烃的稳定性还比聚乙炔好。
1.2 聚芳杂环化合物
(1)聚吡咯。聚吡咯也是发现早并经过系统研究的导电聚合物之一。由于聚吡咯容易合成, 导电率高, 科研人员对其进行了广泛而深入的研究, 并且逐渐向工业实际应用方向发展。但其有难溶难熔的缺陷, 难以加工成型。采用吡咯单体在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA )的乙酸乙酯溶液中, 以三氯化铁作为氧化剂进行现场氧化聚合得到了复合聚吡咯2聚甲基丙烯酸甲酯, 电导率高达3.05S/cm ,而且该复合导电薄膜在空气中的稳定性极好。为了改善其溶解性, 3位取代的聚吡咯衍生物引起了人们的广泛注意, 这类聚吡咯衍生物有些是可溶的。目前已经分别合成了聚(3-烷基吡咯) , 聚(3-烷基噻吩吡咯) 等。闫廷娟采用以丙烯酸甲酯, 苯乙烯和丙烯酸为单体进行乳液聚合而合成新型P(BSA ),以其为基体,交联后在低温下吸附吡咯蒸气同时进行氧化聚合,得到新型的聚吡咯导电复合薄膜, 电导率可达220S/cm。在3位上引入带有双苯基聚吡咯,其可溶可熔,电导率为10-4～ 10-3 S/cm。
(2)聚噻吩。相对于其它几种导电高分子, 聚噻吩类衍生物大多数具有可溶解、高电导率和高稳定性等特性。TenKw anyue 等合成了一系列烷基取代聚噻吩衍生物, 掺杂前为深红色, 掺杂后聚3-甲基噻吩和聚3-已基噻吩最高电导率达1～ 5S/cm。用电解聚合法也可得到导电聚噻吩及其衍生物。在单体中引入取代基,聚合物电导率可达1000S/cm 以上的较高指标。在噻吩的3位上引入甲氧基,聚(3-甲氧基噻吩)的电导率为15S/cm , 可溶于碳酸苯撑酯和二甲基亚砜中, 并可浇注成膜。日本的小林等采用FeCl3化学氧化法使3-丙基磺酸钠噻吩聚合,制得分子量10万、电导率为0. 1 S/cm 的水溶性和自掺杂聚合物。另外,美国的Pat ilr则采用电解聚合法合成了侧链上具有丁基磺酸基的蓝色可溶性聚噻吩。若在聚噻吩的3,4位上引入环氧烷烃二羟基,可使聚合发生在2,5位上,这样的导电聚合物同时具有较好的导电性和稳定性, 且具有电致变色。
2 导电高分子的应用
导电高分子材料具有易成型、质量轻、柔软、耐腐蚀、低密度、高弹性, 具有优良的加工性能, 可选择的电导率范围宽, 结构易变和半导体特性, 且价格便宜等特点。导电聚合物不仅在国民经济、工业生产、科学实验和日常生活等领域具有极大的应用价值, 而且孕育的巨大潜在商机已使许多企业家将目光聚焦于导电高分子产品的开发和应用研究上。
2.1 电子器件—二极管、晶体管的应用
导电高分子材料在电子仪器部件中的应用得到迅速发展。1977年后, 黑格利用导电聚合物发明了一种超薄并可以弯曲的电子器件—发光二极管, 迈出了导电高分子实用化的第一步。1986 年日本又用聚噻吩制成了场效应管。这将是导电高分子未来规模化应用的一个重要突破口。1990年英国剑桥大学R. H. F riendt首次报道具有半导体特性的导电高分子可以用于高分子发光二极管以来,高分子发光二极管的研究已成为90年代的研究热点。现在,发光二极管的性能已发展到可以与无机发光材料相媲美的程度,相继出现的聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩二极管已部分实现了商品化,与传统的无机发光二极管相比,高分子发光二极管具有颜色可调、可弯曲、大面积和低成本等优点。当前的研究主要是解决器件的发光效率及其寿命, 正向实用化的方向发展。这一研究热点似乎成为导电高分子领域实现导电高分子实用化的突破口。
2.2 电磁屏蔽材料
传统的电磁屏蔽材料多为铜, 随着各种商用和家用的电子产品数量的迅速增加, 电磁波干扰已成为一种新的社会公害。对计算机房、手机、电视机、电脑和心脏起博器等电子仪器、设备进行电磁屏蔽是极为重要的。直接使用混有导电高分子材料的塑料做外壳, 因其成形与屏蔽一体较其他方法更为方便, 而导电聚合物具有防静电的特性, 因此它也可以用于电磁屏蔽, 而且其成本低, 不消耗资源, 任意面积都可方便使用, 因此导电高分子是非常理想的电磁屏蔽材料替代品,利用这一特性, 人们已经研制出了保护用户免受电磁辐射的电脑屏保。这方面聚苯胺被认为是电磁干扰屏蔽最有希望的新材料, 也是制造气体分子膜的理想材料。
2.3 电池
导电聚合物具有掺杂和脱掺杂的特性, 因此可以用作弃放电的电池和电极材料。日本钟纺公司已成功开发了聚乙炔塑料电池,以其质轻而大受消费者欢迎。在这方面, 聚吡咯具有很大的优势, 它有较高的掺杂程度和更强的稳定性, 对电信息的变化也非常敏感, 如果在传统的纺织物上涂上聚吡咯就能使其变成导电体, 因此可溶性的聚吡咯可用于监测低浓度挥发性有机物的高灵敏度化学传感器。
聚乙烯用于二次电池的电极材料及太阳能电池材料,如果有机物的耐久性问题和高压下稳定的有机溶剂问题获得解决,那么,具有合成高分子的易生产加工成膜和可挠曲等特点的轻易、小型、高比能量的二次电池就有可能实现商品化。
有机光电导体材料的有机太阳能电池还只是在开发之中, 与无机光电导体相比, 有机光电导体一般都具有阻值高, 稳定性(耐用性) 差等缺点, 但它有便宜,可大量生产, 器件制造简单而大面积化,可选择吸收太阳光的物质等优点, 因此,有希望成为太阳能电池和材料。
总之,导电高分子在能源、光电子器件、电磁屏蔽乃至生命科学都有广泛的应用前景。随着技术创新和研究的深入,解决了一些应用方面的问题,我们相信,不久的将来导电高分子必将对传统电子材料带来一场新的技术革命。
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