第三章导电高分子材料

null第三章 导电高分子材料 *第三章 导电高分子材料 导电聚合物的结构特征（复合型、本征型）； 导电聚合物的基本的物理、化学特性； 导电聚合物的应用。重点 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 ：永久导电吸塑片材 永久导电吸塑片材 吸塑导电海绵吸塑导电海绵PU导电海绵主要用于电子原器件仪器仪表的包装。 本品表面电阻达到102-105Ω,本产品是无炭黑型是用导电高分子材料制成，耐水性好 导电吸塑包装 导电吸塑包装 吹塑导电包装吹塑导电包装第三章 导电高分子材料 第三章 导电高分子材料 1 概 述2 结构型导电高分子3 复合型导电高分子5 电活性聚合物4 超导电高分子第三章 导电高分子材料 *第三章 导电高分子材料 1. 概述 1.1 导电高分子的基本概念 物质按电学性能分类可分为绝缘体、半导体、 导体和超导体四类。高分子材料通常属于绝缘体的 范畴。但1977年美国科学家黑格（A.J.Heeger）、 麦克迪尔米德（A.G. MacDiarmid）和日本科学家 白川英树（H.Shirakawa）发现掺杂聚乙炔具有金 属导电特性以来，有机高分子不能作为导电材料的 概念被彻底改变。null*艾伦·黑格（1936—  ），1936年生于依阿华州苏城。现为加利福尼亚大学的固体聚合物和有机物研究所所长，是一名物理学教授。因有关导电聚合物的发现而成为2000年度诺贝尔化学奖三名得主之一。  艾伦·G·马克迪尔米德 (1927—   )，美国化学家。1927年生于新西兰，1953年取得美国威斯康星大学博士学位，1955年取得英国剑桥大学博士学位，1955年至今在美国宾夕发尼亚大学担任教授， 白川英树（1936—    ），日本著名化学家因开发成功了导电性高分子材料而成为2000年诺贝尔化学奖三名得主之一 null* 导电性聚乙炔的出现不仅打破了高分子仅为绝 缘体的传统观念，而且为低维固体电子学和分子电 子学的建立打下基础，而具有重要的科学意义。上 述三位科学家因此分享2000年诺贝尔化学奖。 黑格小传 麦克迪尔米德小传 白川英树小传第三章 导电高分子材料null*第三章 导电高分子材料导电材料金属、合金导电高分子复合型本征型自由电子正负离子氧化还原电子转移载流子第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 导电高分子不仅具有由于掺杂而带来的金属特 性（高电导率）和半导体（p和n型）特性之外，还 具有高分子结构的可分子 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 性，可加工性和密度 小等特点。为此，从广义的角度来看，导电高分子 可归为功能高分子的范畴。 导电高分子具有特殊的结构和优异的物理化学 性能使它在能源、光电子器件、信息、传感器、分 子导线和分子器件、电磁屏蔽、金属防腐和隐身技 术方面有着广泛、诱人的应用前景。 第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 导电高分子自发现之日起就成为材料科学的研 究热点。经过近三十年的研究，导电高分子无论在 分子设计和材料合成、掺杂 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 和掺杂机理、导电 机理、加工性能、物理性能以及应用技术探索都已 取得重要的研究进展，并且正在向实用化的方向迈 进。 本章主要介绍导电高分子的结构特征和基本的 物理、化学特性，并评述导电高分子的重要的研究 进展。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料1.2 材料导电性的表征 根据欧姆定律，当对试样两端加上直流电压V 时，若流经试样的电流为I，则试样的电阻R为： 电阻的倒数称为电导，用G表示：（3—1） （3—2） 第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 电阻和电导的大小不仅与物质的电性能有关， 还与试样的面积S、厚度d有关。实验表明，试样的 电阻与试样的截面积成反比，与厚度成正比： 同样，对电导则有： （3—3） （3—4）第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 上两式中，ρ称为电阻率，单位为（Ω·cm）， σ称为电导率，单位为（Ω-1·cm-1）。 显然，电阻率和电导率都不再与材料的尺寸有 关，而只决定于它们的性质，因此是物质的本征参 数，都可用来作为表征材料导电性的尺度。 在讨论材料的导电性时，更习惯采用电导率来 表示。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 材料的导电性是由于物质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，统称为载流子。载流子在外 加电场作用下沿电场方向运动，就形成电流。可 见，材料导电性的好坏，与物质所含的载流子数目 及其运动速度有关。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 假定在一截面积为S、长为l的长方体中，载流 子的浓度（单位体积中载流子数目）为N，每个载 流子所带的电荷量为q。载流子在外加电场E作用 下，沿电场方向运动速度（迁移速度）为ν，则单 位时间流过长方体的电流I为： （3—5）第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 而载流子的迁移速度ν通常与外加电场强度E 成正比： 式中，比例常数μ为载流子的迁移率，是单位 场强下载流子的迁移速度，单位为（cm2·V-1·s-1）。 结合式（3—2），（3—4），（3—5）和（3— 6），可知 （3—6） （3—7）第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 当材料中存在n种载流子时，电导率可表示为： 由此可见，载流子浓度和迁移率是表征材料导 电性的微观物理量。 （3—8）第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 材料的导电率是一个跨度很大的指标。从最好 的绝缘体到导电性非常好的超导体，导电率可相差 40个数量级以上。根据材料的导电率大小，通常可 分为绝缘体，半导体、导体和超导体四大类。这是 一种很粗略的划分，并无十分确定的界线。在本章 的讨论中，将不区分高分子半导体和高分子导体， 统一称作导电高分子。 表3-1列出了这四大类材料的电导率及其典型 代表。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料表3—1 材料导电率范围第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料1.3 导电高分子的类型 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。 1.3.1 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。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 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传荷络合 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5×103～104Ω-1·cm-1（金属铜的 电导率为105Ω-1·cm-1）。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 目前，对结构型导电高分子的导电机理、聚合 物结构与导电性关系的理论研究十分活跃。应用性 研究也取得很大进展，如用导电高分子制作的大功 率聚合物蓄电池、高能量密度电容器、微波吸收材 料、电致变色材料，都已获得成功。电容—— 导电高分子材料作为固态电解质 电容—— 导电高分子材料作为固态电解质 第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料为什么结构型导电高分子的实际应用尚不普遍？？ 大多数结构型导电高分子在空气中不稳定，导电性随时间明显衰减。此外，导电高分子的加工性往往不够好，也限制了它们的应用。 科学家们正企图通过改进掺杂剂品种和掺杂技术，采用共聚或共混的方法，克服导电高分子的不稳定性，改善其加工性。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料1.3.2 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。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料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、金属粉末等获得的。 ATTENTION！！！null*第三章 导电高分子材料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。复合型导电高分子应用？？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。注塑导电包装注塑导电包装第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料1.3.3 超导体高分子 超导体是导体在一定条件下，处于无电阻状态 的一种形式。超导现象早在1911年就被发现。由于 超导态时没有电阻，电流流经导体时不发生热能损 耗，因此在电力远距离输送、制造超导磁体等高精 尖技术应用方面有重要的意义。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 目前，巳经发现的许多具有超导性的金属和合 金，都只有在超低温度下或超高压力下才能转变为 超导体。显然这种材料作为电力、电器工业材料来 应用，在技术上、经济上都是不利的，因此，研制 具有较高临界超导温度的超导体是人们关切的研究 课题。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料超导金属临界温度最高的是铌(Nb), Tc＝9.2K。 超导合金最高超导临界温度的铌铝锗合金(Nb/Al/Ge) Tc＝23.2K 高分子材料聚氮硫在0.2K时具有超导性。尽管它是高分子，Tc也比金属和合金低，但由于聚合物的分子结构的可变性十分广泛，制造出超导临界温度较高的高分子超导体是大有希望的。 研究的目标是超导临界温度达到液氮温度（77K）以上，甚至是常温超导材料。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料2. 结构型导电高分子 根据导电载流子的不同，结构型导电高分子有 两种导电形式：电子导电和离子传导。对不同的高 分子，导电形式可能有所不同，但在许多情况下， 高分子的导电是由这两种导电形式共同引起的。如测得尼龙－66在120℃以上的导电就是电子导电和离子导电的共同结果。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 一般认为，四类聚合物具有导电性： 高分子电解质共轭体系聚合物电荷转移络合物金属有机螯合物第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料2.1 共轭聚合物的电子导电 2.1.1 共轭体系的导电机理 共轭聚合物是指分子主链中碳—碳单键和双键 交替排列的聚合物，典型代表是聚乙炔： －CH = CH－ 由于分子中双键的π电子的非定域性，这类聚 合物大都表现出一定的导电性。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 按量子力学的观点，具有本征导电性的共轭体系必须具备两条件。第一，分子轨道能强烈离域； 第二，分子轨道能互相重叠。 在共轭聚合物中，电子离域的难易程度，取决于共轭链中π电子数和电子活化能的关系。 共轭聚合物的分子链越长，π电子数越多，则电子活化能越低，亦即电子越易离域，则其导电性越好。下面以聚乙炔为例进行讨论。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 聚乙炔具有最简单的共轭双键结构：(CH)x。组 成主链的碳原子有四个价电子，其中三个为σ电子 （sp2杂化轨道），两个与相邻的碳原子连接，一个 与氢原子链合，余下的一个价电子π电子(Pz轨道) 与聚合物链所构成的平面相垂直（图3—1）。 第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料图3—1 (CH)x的价电子轨道第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 随π电子体系的扩大，出现被电子占据的π成 键态和空的π*反键态。随分子链的增长，形成能 带，其中π成键状态形成价带，而π*反键状态则形 成导带（图3—2）。如果π电子在链上完全离域， 并且相邻的碳原子间的链长相等，则π－π*能带间 的能隙（或称禁带）消失，形成与金属相同的半满 能带而变为导体。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料图3—2 共轭体系Ax的长度x与成键—反键电子状态第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 从图中可见，要使材料导电，π电子必须具有 越过禁带宽度的能量EG，亦即电子从其最高占有轨 道（基态）向最低空轨道（激发态）跃迁的能量 ΔE（电子活化能）必须大于EG。 研究表明，线型共轭体系的电子活化能ΔE与 π电子数N的关系为： （3—9） 第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 反式聚乙炔的禁带宽度推测值为1.35eV，若用 式（3—9）推算，N＝16，可见聚合度为8时即有自 由电子电导。 除了分子链长度和π电子数影响外，共轭链的 结构也影响聚合物的导电性。从结构上看，共轭链 可分为“受阻共轭”和“无阻共轭”两类。前者导电性较低，后者则较高。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 受阻共轭是指共轭链分子轨道上存在“缺陷”。 庞大的侧基或强极性基团引起共轭链的扭曲、折叠等，使π电子离域受到限制。 π电子离域受阻程度越大，则分子链的电子导电性就越差。 如下面的聚烷基乙炔和脱氯化氢聚氯乙烯，都是受阻共轭聚合物的典型例子。什么是“受阻共轭”？？第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料聚烷基乙炔 σ＝10-15～10-10Ω-1·cm-1脱氯化氢PVC σ＝10-12～10-9Ω-1·cm-1第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 无阻共轭是指共轭链分子轨道上不存在“缺陷”，整个共轭链的π电子离城不受影响。 例如反式聚乙炔，聚苯撑、聚并苯、热解聚丙烯腈等，都是无阻共轭链的例子。 顺式聚乙炔分子链发生扭曲，π电子离域受到一定阻碍，因此，其电导率低于反式聚乙炔。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料聚乙炔 顺式：σ＝10-7Ω-1·cm-1 反式：σ＝10-3Ω-1·cm-1聚苯撑 σ＝10-3Ω-1·cm-1聚并苯 σ＝10-4Ω-1·cm-1热解聚丙烯腈 σ＝10-1Ω-1·cm-1第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料如果完全不含杂质，聚乙炔的电导率也很小。然而反式聚乙炔是电子受体型的，它容易与适当的电子受体或电子给体发生电荷转移，提高其导电率，其聚合催化剂的残留与其发生电荷转移。 为什么顺式电导率并不高，反式聚乙炔却有较高的电导率？？？2.2.2 共轭聚合物的掺杂及导电性第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 例如，在聚乙炔中添加碘或五氧化砷等电子受 体，由于聚乙炔的π电子向受体转移，电导率可增 至104Ω-1·cm-1，达到金属导电的水平。另一方面， 由于聚乙炔的电子亲和力很大，也可以从作为电子 给体的碱金属接受电子而使电导率上升。 这种因添加了电子受体或电子给体而提高电导率的方法称为“掺杂”。null*如果用Px表示共轭聚合物，P表示共轭聚合物的基本结构单元（如聚乙炔分子链中的－CH＝），A和D分别表示电子受体和电子给予体，则掺杂可用下述电荷转移反应式来表示：要掺杂多少呢？第三章 导电高分子材料null* 电子受体或电子给体分别接受或给出一个电子 变成负离子A-或正离子D+，但共轭聚合物中每个链 节（P）却仅有y（y≤0.1）个电子发生了迁移。这 种部分电荷转移是共轭聚合物出现高导电性的极重 要因素。第三章 导电高分子材料第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 图 3—3 聚乙炔电导率与 图 3—4 聚乙炔电导活化能 掺杂剂浓度的关系 与掺杂剂浓度的关系null* 从图3—3、图3—4可见，当聚乙炔中掺杂 剂含量y从0增加到0.01时，其电导率增加了7个数量级，电导活化能则急剧下降。第三章 导电高分子材料第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 共轭聚合物的掺杂浓度可以很高，最高可达每个链节0.1个掺杂剂分子。 随掺杂量的增加，电导率可由半导体区增至金 属区。掺杂的方法可分为化学法和物理法两大类， 前者有气相掺杂、液相掺杂、电化学掺杂、光引发 掺杂等，后者有离子注入法等。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料(1) 电子受体 卤素：Cl2，Br2，I2，ICl，ICI3，IBr，IF5 路易氏酸：PF5，As，SbF5，BF3，BCI3，BBr3，SO3 质子酸：HF，HCl，HNO3，H2SO4，HCIO4，FSO3H， ClSO3H，CFSO3H 过渡金属卤化物：TaF5，WFs，BiF5，TiCl4，ZrCl4， MoCl5，FeCl3 过渡金属化合物：AgClO3，AgBF4，H2IrCl6，La(NO3)3，Ce(NO3)3 有机化合物；四氰基乙烯（TCNE），四氰代二次甲基苯 醌（TCNQ），四氯对苯醌、二氯二氰代苯醌（DDQ） 掺杂剂有哪些？？第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料(2) 电子给体 碱金属：Li，Na，K，Rb，Cs。 电化学掺杂剂：R4N+，R4P+（R＝ CH3，C6H5等）。 第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料2.2.3 典型的共轭聚合物 除前面提到的聚乙炔外，聚苯撑、聚并苯，聚 吡咯、聚噻吩等都是典型的共轭聚合物。另外一些 由饱和链聚合物经热解后得到的梯型结构的共轭聚 合物，也是较好的导电高分子，如热解聚丙烯腈、 热解聚乙烯醇等。 下面介绍几种典型的共轭聚合物。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 一种研究得最为深入的共轭聚合物。它是由乙炔在钛酸正丁酯—三乙基铝[Ti(OC4H9)—AlEt3]为催化剂、甲苯为溶液的体系中催化聚合而成；当催化剂浓度较高时，可制得固体聚乙炔。而催化剂浓度较低时，可制得聚乙炔凝胶，这种凝胶可纺丝制成纤维。 聚乙炔为平面结构分子，有顺式和反式两种异构 体。在150℃左右加热或用化学、电化学方法能将顺 式聚乙炔转化成热力学上更稳定的反式聚乙炔。聚乙炔第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料顺式聚乙炔反式聚乙炔σ= 10-3Ω-1·cm-1σ= 10-7Ω-1·cm-1第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 例如，顺式聚乙炔在碘蒸气中进行P型掺杂（部分氧化），可生成(CHIy)x (y＝0.2～0.3)，电导率可提高到102～104 Ω-1·cm-1，增加9～11个数量级。可见掺杂效果之显著。表3—2是顺式聚乙炔经掺杂后的电导率。 聚乙炔虽有较典型的共轭结构，但电导率并不高。反式聚乙炔的电导率为10-3Ω-1·cm-1，顺式聚乙炔的电导率仅10-7Ω-1·cm-1。但它们极易被掺杂。经掺杂的聚乙炔，电导率可大大提高。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料表3—2 掺杂的顺式聚乙炔在室温下的电导率第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 聚乙炔最常用的掺杂剂有五氟化砷(AsF5)、六 氟化锑(SbF6)，碘(I2)、溴(Br2)，三氯化铁(FeCl3)， 四氯化锡(SnCl4)、高氯酸银(AgClO4)等。掺杂量一 般为0.01％～2％（掺杂剂/—CH＝）。研究表明， 聚乙炔的导电性随掺杂剂量的增加而上升，最后达 到定值（见图3-5）。 第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料图3—6 电导率与掺杂剂量的关系null* 从图中可见，当掺杂剂用量达到2％之后，电导率几乎不再随掺杂剂用量的增加而提高。第三章 导电高分子材料第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 若将掺杂后的聚乙炔暴露在空气中，其电导率 随时间的延长而明显下降。 104Ω-1·cm-1的聚乙炔，在空气中存放一个月，电导率降至103Ω-1·cm-1。 聚乙炔是高度共轭的刚性聚合物，不溶不熔， 加工十分困难，也是限制其应用的一个因素。可溶 性导电聚乙炔的研究工作正在进行之中。掺杂聚乙炔的实用性怎么样？？？null* 在聚乙炔表面涂上一层聚对二甲苯，则电导率的降低程度可大大减缓。第三章 导电高分子材料第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料近年来发展较快的一种导电高分子，它的特殊性能引起人们的关注。 聚苯硫醚是由二氯苯在N—甲基吡咯烷酮中与硫化钠反应制得的。 聚苯硫醚（PPS）第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 PPS是一种具有较高热稳定性和优良耐化学腐 蚀性以及良好机械性能的热塑性材料，既可模塑， 又可溶于溶剂，加工性能良好。纯净的聚苯硫醚是 优良的绝缘体，电导率仅为10-15～10-16Ω-1·cm-1。但 经AsF5掺杂后，电导率可高达2×102Ω-1·cm-1。 由元素分析及红外光谱结果确认，掺杂时分子 链上相邻的两个苯环上的邻位碳—碳原子间发生了 交联反应，形成了共轭结构的聚苯并噻吩。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 I2，Br2等卤素没有足够的氧化能力来夺取聚苯 硫醚中的电子，SO3、萘钠等会使聚苯硫醚降解， 因此都不能用作掺杂剂。 比聚苯硫醚空间位阻大的聚间苯硫醚(MPS)，用 AsF5掺杂的效果较差，电导率仅为10-1 Ω·cm-1。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料本身具有较高导电性的材料，不经掺杂的电导率就达10-1Ω-1·cm-1。先将聚丙烯腈加工成纤维或薄膜，在400～600℃温度下热解环化、脱氢形成的梯型含氮芳香结构的产物。 同时由于其具有较高的分子量，故导电性能较好。由聚丙烯腈热解制得的导电纤维，称为黑色奥纶（Black Orlon）。 热解聚丙烯腈第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料聚丙烯腈热解反应式为：第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 如果将上述产物进一步热裂解至氮完全消失， 可得到电导率高达10Ω-1·cm-1的高抗张碳纤维。 将溴代基团引入聚丙烯腈，可制得易于热裂解 环化的共聚丙烯腈。这种溴代基团在热裂解时起催 化作用，加速聚丙烯腈的环化，提高热裂解产物的 得率。 聚乙烯醇、聚酰亚胺经热裂解后都可得到类似 的导电高分子。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 石墨是六方晶系，一种导电性能良好的大共轭体系。受石墨结构的启发，美国贝尔实验室的卡普朗（M. L. Kaplan）等人和日本的村上睦明等人分别用了3, 4, 9, 10—二萘嵌苯四酸二酐（PTCDA）进行高温聚合，制得了有类似石墨结构的聚萘，具有优良的导电性。聚 萘聚萘的合成过程如下图所示：第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料H＝2.0％3, 4, 9, 10—二萘嵌苯四酸二酐第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 聚萘的导电性与反应温度有关。温度越高，石 墨化程度也越高，导电性就越大，见表3—5。 聚萘的贮存稳定性良好，在室温下存放4个月， 其电导率不变。聚萘的电导率对环境温度的依赖性 很小，显示了金属导电性的特征。 聚萘性能如何呢？？第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料表3—5 反应温度对聚萘导电性的影响返回null 人们预计，随着研究的深入，聚萘有可能用作导电羰纤维、导磁屏蔽材料、高能电池的电极材料和复合型导电高分子的填充料。聚萘的应用军工或石油化工； 白色、可染、较细导电纤维则在民用服装、室内装饰、地毯、家用纺织品及在微电子、医药（含无菌、无尘服）、食品、精密仪器、生物技术等领域拥有更为广阔的应用前景 第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料3.1 复合型导电高分子的基本概念 复合型导电高分子是以普通的绝缘聚合物为主 要基料（成型物质），并在其中掺入较大量的导电 填料配制而成的。 外观形式和制备方法、导电机理都与掺杂型结构导电高分子完全不同。3 复合型导电高分子第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料复合型导电高分子 基料——将导电颗粒牢固地粘结在一起，使导电高分子具有稳定的导电性，同时它还赋于材料加工性。高分子材料的性能对导电高分中的机械强度、耐热性、耐老化性都有十分重要的影响。填料——在复合型导电高分子中起提供载流子的作用，它的形态、性质和用量直接决定材料的导电性。 第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 从原则上讲，任何高分子材料都可用作复合型 导电高分子的基质。实际应用中，需根据使用要 求、制备工艺、材料性质和来源、价格等因素综合 考虑，选择合适的高分子材料。 如何选择基料？null 目前用作复合型导电高分子基料的主要有聚乙 烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS、环氧树 脂、丙烯酸酯树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯、聚氨 酯、聚酰亚胺、有机硅树脂等。此外，丁基橡胶、 丁苯橡胶、丁腈橡胶和天然橡胶也常用作导电橡胶 的基质。丙烯腈，丁二烯，苯乙烯共聚的高分子材料 第三章 导电高分子材料第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 常用的导电填料有金粉、银粉、铜粉、镍粉、 钯粉、钼粉、铝粉、钴粉、镀银二氧化硅粉、镀银 玻璃微珠、炭黑、石墨、碳化钨、碳化镍等。 部分导电填料的导电率列于表 3—11 中如何选择填料？第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料表3-11 部分导电填料的电导率null*从表中可见： 银粉具有最好的导电性，故应用最广泛。炭黑虽导电率不高，但其价格便宜，来源丰富，因此也广为采用。 第三章 导电高分子材料 根据使用 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 和目的不同，导电填料还可制成箔片状、纤维状和多孔状等多种形式。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料两者性质相差较大，复合时不容易紧密结合和均匀分散，影响材料的导电性，故通常还需对填料颗粒进行表面处理。如采用表面活性剂、偶联剂、氧化还原剂对填料颗粒进行处理后，分散性可大大增加。高分子材料与导电填料能相容吗？？？第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料Good Advantages 例如在聚乙烯中加入粒径为10～300μm的导电炭黑，可使聚合物变为半导体(σ＝10-6～10-12Ω-1·cm-1)，而将银粉、铜粉等加入环氧树脂中，其电导率可达10-1～10Ω-1·cm-1，接近金属的导电水平。 结构型导电高分子尚未达到实际应用水平，复合型导电高分子为一类较为经济实用的材料。 复合型导电高分子的制备工艺简单，成型加工方便， 且具有较好的导电性能。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料酚醛树脂—炭黑导电塑料，在电子工业中用作有机实芯电位器的导电轨和碳刷； 环氧树脂—银粉导电粘合剂，可用于集成电路、电子元件，PTC陶瓷发热元件等电子元件的粘结； 涤纶树脂与炭黑混合后纺丝得到的导电纤维，可用作工业防静电滤布和防电磁波服装。 导电涂料、导电橡胶等各类复合型导电高分子材料，都在各行各业发挥其重要作用。复合型导电高分子的应用？第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料3.2 复合型导电高分子的导电机理 3.2.1 导电填料对导电性能的影响 实验发现，将各种金属粉末或碳黑颗粒混入绝 缘性的高分子材料中后，材料的导电性随导电填料 浓度的变化规律大致相同。 图3-16 电导率与导电填料的关系第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料图3-16 电导率与导电填料的关系导电填料浓度 渗滤阈值10个数量级显微镜无限网链null* 在导电填料浓度较低时，材料的电导率随浓度增加很少，而当导电填料浓度达到某一值时，电导率急剧上升，变化值可达10个数量级以上。超过这一临界值以后，电导率随浓度的变化又趋缓慢。第三章 导电高分子材料第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 用电子显微镜技术观察导电材料的结构发现， 当导电填料浓度较低时，填料颗粒分散在聚合物 中，互相接触很少，故导电性很低。随着填料浓度 增加，填料颗粒相互接触机会增多，电导率逐步上 升。当填料浓度达到某一临界值时，体系内的填料 颗粒相互接触形成无限网链。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 这个网链就像金属网贯穿于聚合物中，形成导 电通道，故电导率急剧上升，从而使聚合物变成了 导体。显然，此时若再增加导电填料的浓度，对聚 合物的导电性并不会再有更多的贡献了，故电导率 变化趋于平缓。在此，电导率发生突变的导电填料 浓度称为“渗滤阈值”。 第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料3.2.2 复合型导电高分子中导电填料用量的估算 对一个聚合物来说，需耍加入多少导电填料才 能形成无限网链？渗滤阈值如何估算？？ 哥尔兰特（Gurland）在大量研究的基础上，提出了平均接触数的概念。所谓平均接触数，是指一个导电颗粒与其他导电颗粒接触的数目。如果假定颗粒都是圆球，通过对电镜照片的分析，可得如下的公式：第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料式中 m —— 平均接触数；Ms —— 单位面积中颗粒与 颗粒的接触数；Ns —— 单位面积中的颗粒数；NAB —— 任意单位长度的直线上颗粒与基质（高分子材料）的接 触数；NBB——上述单位长度直线上颗粒与颗粒的接触 数。 (3—23) 第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料图3-17 电阻与银粉浓度的关系（图中数据为m值）电阻率的对数银粉体积百分数哥尔兰特研究酚醛树脂—银粉体系电阻与填料体积分数的关系，计算了平均接触数m 在 1.3～1.5之间，电阻发生突变，在m =2以上时电阻保持恒定。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 表明导电填料颗粒并不需要完全接触就能形成导电通道。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 当导电颗粒间不相互接触时，颗粒间存在聚合 物隔离层，使导电颗粒中自由电子的定向运动受到 阻碍，这种阻碍可看作一种具有一定势能的势垒。 根据量子力学的概念可知，对于一种微观粒子 来说，即使其能量小于势垒的能量时，它除了有被 反弹的可能性外，也有穿过势垒的可能性。微观粒子穿过势垒的现象称为贯穿效应，也称 隧道效应。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 电子是一种微观粒子，因此，它具有穿过导电 颗粒之间隔离层阻碍的可能性。 隔离层的厚度α 隔离层势垒的能量μ0与电子能量E的差值（μ0－E） α和（μ0－E）愈小，电子穿过隔离层的可能性就愈大。 当隔离层的厚度小到一定值时，电子就能容易地穿过，使导电颗粒间的绝缘隔离层变为导电层。 这种由隧道效应而产生的导电层可用一个电阻和一个电容并联来等效。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 根据上述分析，不难理解，导电高分子内部的 结构有三种情况： （1）一部分导电颗粒完全连续的相互接触形成 电流通路，相当于电流流过一只电阻。 （2）一部分导电颗粒不完全连续接触，其中不 相互接触的导电颗粒之间由于隧道效应而形成电通 流路，相当于一个电阻与一个电容并联后再与电阻 串联的情况。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 图3—18 复合型导电高分子的导电机理模型 第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 （3）一部分导电粒子完全不连续，导电颗粒间 的聚合物隔离层较厚，是电的绝缘层，相当于电容 器的效应。图3—18直观地反应了导电高分子的这种 内部结构情况。 在实际应用中，充分分散均匀。 若不均匀，或凝聚，则即使达到临界值（渗滤阈值），无限网链也不会形成。null第三章 导电高分子材料分散不均匀，凝聚分散充分均匀第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料3.3 含炭黑聚合物的导电性 炭黑是一种在聚合物工业中大量应用的填料。 聚合物中通常起四种作用：着色2％， 、补强约需20％，吸收紫外光2％，导电50％以上。 用于消除静电时，需5％～10％。 含炭黑聚合物的导电性，主要取决于炭黑的结构、形态和浓度。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料3.3.1 炭黑的种类、结构与性能 炭黑是由烃类化合物经热分解而成的。以脂肪烃为主要成分的天然气和以脂肪烃与芳香烃混合物为主要成分的重油均可作为制备炭黑的原料。炭黑是什么？第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料炭黑中氢的含量是由芳香族多环化合物缩合不完全剩余下的。其中一部分以烯烃或烷烃的形式结合在晶子层面末端的碳原子上，另一部分则与氧结合形成官能团存在于颗粒表面上。通常，结合在晶子层面末端碳原子上的氢愈少，炭黑的结构愈高。 氢的含量愈低，炭黑的导电性愈好。 炭黑以元素碳为主要成分，并结合少量的氢（0.3％～0.7％），和氧，吸附少量的水分，还含有少量硫、焦油、灰分等杂质。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料氧的含量是炭黑粒子与空气接触而自动氧化结合的。其中大部分以CO2的形式吸附在颗粒表面上，少部分则以羟基、羧基、羰基、酯基和内酯基的形式结合在炭黑颗粒表面。 一定数量含氧基团的存在，有利于炭黑在聚合物中的分散，因此对聚合物的导电性有利。炭黑的含氧量随制备方法不同而异，一般为1％～4%。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 在制备过程中，炭黑的初级球形颗粒彼此凝 聚，形成大小不等的二级链状聚集体 。 炭黑的结构 链状聚集体越多，结构越高。炭黑的结构因其制备方法和所用原料的不同而异。 炭黑的结构高低可用吸油值大小来衡量，吸油值定义为100克炭黑可吸收的亚麻子油的量。在粒径相同的情况下，吸油值越大，表示结构越高。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 炭黑颗粒表面一般吸附有1%～3％的水分，其 含量大小与炭黑的表面性质有关。炭黑的比表面积 愈大，氧的含量愈高，则水分吸附量愈大。水分的 存在虽有利于导电性能提高，但通常使电导率不稳 定，故应严格控制。 null制备工艺第三章 导电高分子材料第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料炭黑种类？？原料气燃烧的火焰与温度较低的收集面直接相接触，使裂解生成的炭黑冷却并附着在收集面上生产炭黑 粒径26~30nm燃料油和预热冷气在燃烧炉进行燃烧反应, 生成含有CO2 、H2O、等的1 700 ℃左右的高温烟气, 原料油和高温烟气在文丘里喉管内充分混合, 然后进入反应炉内在1 400 ℃下进行热裂解反应生成炭黑和H2第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料基本特性见表3-12第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料表3-12 导电炭黑的性能第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料（1）导电性对电场强度的依赖性 含炭黑聚合物的导电性对外电场强度有强烈依 赖性。炭黑填充聚乙烯在低电场强度下（E＜104V/cm），电导率符合欧姆定律，而在高电场强度下（E＞104V/cm），电导率符合幂定律。 研究发现，材料导电性对电场强度的这种依赖性规律，是由它们在不同外电场作用下不同的导电机理所决定的。 3.3.2 影响含炭黑聚合物导电性的因素第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 在低电场强度下，聚合物导电是由炭黑颗粒与聚合物之间的界面极化引起的离子导电。这种极化导电的载流子数目较少，故电导率较低。 在高电场强度下，炭黑中的载流子（自由电 子）获得足够的能量，能够穿过炭黑颗粒间的聚合 物隔离层而使材料导电，隧道效应起了主要作用。 因此，含炭黑高聚物在高电场强度下的导电本质上 是电子导电，电导率较高。为什么？？？第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 （2）导电性对温度的依赖性 含炭黑聚合物的导电性与温度的关系，当它们 处于不同电场强度时，表现出不同的规律。图3-19 为含炭黑20％、厚100μm的聚乙烯薄膜在低电场强 度时的电导率与温度之间的关系。而图3-20则为含 炭黑25％的聚丙烯在高电场强度时的电导率—温度 关系。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 图3—19 低电场强度时 图3—20 高电场强度时 电导率与温度的关系 电导率与温度的关系E=103V/cmE=106V/cm第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 从图中可见，在低电场强度时，电导率随温度 降低而降低，而在高电场强度时，电导率随温度降 低而增大。这同样是由于其不同的导电机理所引起 的。 低电场强度下的导电是由界面极化导致的离子导电引起的。温度降低使载流子动能降低，导致电导率降低。反之，高电场强度下的导电是自由电子的跃迁，相当于金属导电，温度降低有利于自由电子的定向运动，故电导率增大。导电机理第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 （3）加工方法对导电性的影响 大量事实表明，含炭黑聚合物的导电性能与加 工方法和加工条件关系极大。例如，聚氯乙烯—乙 炔炭黑的电导率随混炼时间的延长而上升，但超过 一定混炼时间，电导率反而下降（见图3—21）。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料图3—21 混炼时间对电导率的影响混炼时间第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 又如，将导电性炭黑与聚苯乙烯形成的完全分散的混合料(σ＝2×10-2Ω-1·cm-1)在较低的物料温度和较高的注射速度注射成型，电导率降低至10-10Ω-1·cm-1。将产品再粉碎，混炼后压制成型，电导率几乎可完全恢复（σ＝ 1.4×10-2Ω-1·cm-1）。 另一方面，若用同一原料在较高温度和较低注射速度下注射成型，可得电导率为2×10-4Ω-1·cm-1的产品，经粉碎再生，电导率也可恢复到1.4×10-2 Ω-1·cm-1的水平。剪切速率第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 上述由于炭黑无限网链重建的动力学问题所引起的。在高剪切速率作用下，无限网链破坏。而聚合物的高粘度使得这种破坏不能很快恢复，因此导电性下降。经粉碎再生后，无限网链重新建立，电导率得以恢复。 加工方法和加工条件对含炭黑聚合物导电性的这种影响规律，对复合型导电高分子的应用有十分重要的意义。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料4.1 超导态和超导理论的基本概念 4.1.1 超导态及其特征 1908年荷兰物理学家翁内斯经过长期努力，使 最后一种“永久气体”氦气（He）液化。1911年翁内 斯在研究金属汞（Hg）的电阻随温度变化规律时发 现，当温度降低时，汞的电阻先是平稳地减小，而 在4.2K附近，电阻突然降为零。如图所示： 　　　　　　 4 超导电高分子第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料图3—23 汞的导电性与温度的关系Tc温度区间第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 图中横坐标表示温度，纵坐标表示在该温度下 汞的电阻与0℃时汞的电阻之比：R/R0（273K）。 这种零电阻现象意味着此时电子可毫无阻碍地自由 流过导体，而不发生任何能量的消耗。金属汞的这 种低温导电状态，称为超导态。使汞从导体转变为 超导体的转变温度，称为超导临界温度，记作Tc。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 超导体材料当处于Tc以上温度时，与正常导体 一样，都有一定的电阻值，此时超导体处于正常态。而在Tc以下时，超导体处于零电阻状态。但从图中可以看到，超导体从正常态向超导态的过渡是在一个温度区间内完成的，这个温度区间称为超导转变温度，与超导体的性质有关。因此，通常将超导体电阻下降到正常态电阻值一半时所处温度定为Tc。 第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料超导态有以下四个特征: （1）电阻值为零 （2）超导体内部磁场为零 （3）超导现象只有在临界温度以下才会出现 （4）超导现象存在临界磁场，磁场强度超越临 界值，则超导现象消失，见图3-25。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料图3—25 超导态的临界磁场-温度曲线第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料超导现象和超导体的发现，引起了科学界的极大兴趣。超导现象对于电力工业的经济意义是不可估量的。大量消耗在电阻上的电能将被节约下来。事实上，超导现象的实用价值远不止电力工业。由于超导体的应用，高能物理、计算机通讯、核科学等领域都将发生巨大的变化。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 但是，直到目前为止，已知的具有超导性质的 材料，其临界温度都相当低。例如金属汞的临界温 度Tc为 4.2K，铌锡合金的Tc为 18.1K，铌铝锗合金 的Tc为 23.2K。1975年发明的第一个无机高分子超 导体聚氮硫的Tc仅为 0.26 K。显然，在这样低的温 度下，超导体的利用是得不偿失的。因此，如何提 高材料的超导临界温度，成为科学家们十分关注的 课题之一。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料4.1.2 超导理论 1957年，巴顿(Bardeen)、库柏(Cooper)和施里 费尔(Schrieffer)提出了著名的BCS超导理论。 根据麦克斯威（Maxwell）等人对同位素含量 不同的超导体的研究，发现它们的Tc与金属的平均 原子量M的平方根成反比。即质子质量影响超导 态。这表明，超导现象与晶格振动（声子phonon） 有关。Tc∝1/M1/2第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 因此，BCS理论认为，物质超导态的本质是被 声子所诱发的电子间的相互作用，是以声子为 谋介而产生的引力克服库仑排斥力而形成电子对。 库柏对.第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 研究发现，超导聚合物的主链应为高导电性的共轭双键结构，在主链上有规则地连接一些极易极化的短侧基。共轭主链上π电子可以从一个C－C键迁移到另一个C－C键上。类似于金属中的自由电子。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 利特尔提出了一个超导聚合物的具体结构: 聚合物的主链为长的共轭双链体系，侧基为电子能在两个氮原子间移动而“摇晃”的菁类色素基团。侧基上由于电子的“摇晃”而引起的正电性，能与主链上的π电子发生库仑力作用而导致库柏对的形成，从而使聚合物成为超导体。如见图3-28所示。 利特尔估算了该聚合物的Tc，得出 Tc约为2200K。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料图3—28 Little超导聚合物结构第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 对上述建立在电子激发基础上的Little模型提出 了不少异议。 一维涨落现象在有限温度下不可能产生电子的长程有序，因而不可能产生超导态； 晶格畸变使成为绝缘体对主链上电子之间的屏蔽作用估计过小； 所提出的聚合物应用的分子结构合成极为困难等等。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 现实的问题是，尽管化学家采取了多种办法企 图按Little模型合成高温超导聚合物，但至今为止尚 未检测出超导性。 近年来，不少科学家提出了许多其他超导聚合 物的模型，各有所长，但也有不少缺陷。因此，在 超导聚合物的研究中，还有许多艰巨的工作要作。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料《科技文摘报》报道： 美国朗讯科技公司贝尔实验室的科学家发现一 种有机聚合物在低温下表现出超导特性，这是人们 首次发现有机聚合物能够成为超导材料。 科学家报告说，他们利用有机聚合物聚3-己基 噻吩（P3HT）的溶液，制造出结构有规则的P3HT 薄膜，并用场效应晶体管往薄膜中注入电荷。结果 发现，在温度降到 2.35 K（－270.65 ℃）时，薄膜 表现出了超导特性。第三章 导电高分子材料*第三章 导电高分子材料 尽管这一成果中超导材料的临界温度很低，但 这已经是相当重要的新进展。它意味着有机聚合物 材料导电性的可调整范围比人们原先认为的更宽， 不仅能用作绝缘体、导电体，还有希望在超导领域 一展身手。 null在电参量作用下，因材料本身组成、构型、构象或超分子结构发生变化，而表现出特殊物理化学性质的高分子材料。5 电活性聚合物物理化学性质*null按照作用机理的不同,电活性聚合物主要分为两大类:电子型和离子型(见表1) 。5.1 电活性聚合物EAP 材料分类*nullEAP ,在电场作用下库仑力诱导产生电致伸缩效应以及静电、压电和铁电效应,而且这种EAP 材料可在直流电场作用下产生诱导位移。电子型离子型 EAP 是由两个电极和电解液组成的,离子迁移或分散作用,可以使这类材料在较低电压下(1～2V) 产生激励作用,并产生诱导弯曲位移。*电活性聚合物锂电池过充保护机制 电活性聚合物锂电池过充保护机制 在不影响其它电池正常运行的前提下，对处于过充状态的某个电池起到过充保护的作用；而在整体正常工作的时候，受到保护的电池又能够恢复正常运行。这样就可以大大提高电池的使用寿命，为锂离子蓄电池顺利进入动力电池业铺平了道路。 5.2 电活性聚合物应用*null正极的电压小于聚合物的氧化电压，聚合物处于绝缘状态，起到普通隔膜的作