[科普中國(guó)]-導(dǎo)電高分子

導(dǎo)電高分子材料是主鏈具有共軛主電子體系，可通過(guò)摻雜達(dá)到導(dǎo)電態(tài)，電導(dǎo)率達(dá)1000S/cm以上的高分子材料。1

經(jīng)過(guò)40年的發(fā)展，人們對(duì)于導(dǎo)電高分子的類(lèi)型、導(dǎo)電機(jī)理以及如何提高其導(dǎo)電率進(jìn)行了深入的研究，對(duì)于導(dǎo)電高分子的合成與應(yīng)用進(jìn)行了多方面的探索。時(shí)至今日，由于其獨(dú)特的性能，導(dǎo)電高分子不僅作為導(dǎo)電材料應(yīng)用廣泛，在能源、光電子器件、傳感器、分子導(dǎo)線等領(lǐng)域也有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。2

概述圖引自2。

概念高分子，是由大量分子聚合而成。導(dǎo)電高分子材料是具有導(dǎo)電性的一類(lèi)聚合材料，可以是本身具有導(dǎo)電功能或摻雜其他材料后也具有導(dǎo)電功能的一種聚合物材料，也可以通過(guò)填充復(fù)合材料，表面混合或?qū)訅浩胀ň酆衔锊牧虾透鞣N導(dǎo)電材料獲得導(dǎo)電性。3

分類(lèi)復(fù)合型導(dǎo)電高分子復(fù)合型導(dǎo)電高分子是將各種導(dǎo)電性物質(zhì)以不同的加工工藝填充在聚合物基體中構(gòu)成的材料。其中，填充材料提供了材料的導(dǎo)電性能，而聚合物基體則是將導(dǎo)電填料粘合在一起并提供材料的加工性能。作為基體的高分子材料的性能對(duì)于復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料的機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性、耐老化性都有十分重要的影響。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)使用要求、制備工藝、來(lái)源、價(jià)格等因素選擇合適的高分子基體材料，常用的基體材料有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂等。導(dǎo)電填料在復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料中起到了提供載流子的作用，其用量、性質(zhì)與分散形態(tài)都直接決定了材料的導(dǎo)電性能，常用的導(dǎo)電填料有炭黑、碳納米管、石墨烯、金屬及金屬氧化物。當(dāng)導(dǎo)電填料濃度較低時(shí)，無(wú)法互相接觸形成載流網(wǎng)絡(luò)，因而導(dǎo)電率很低并且隨導(dǎo)電填料濃度增加上升緩慢；當(dāng)導(dǎo)電填料濃度達(dá)到形成載流網(wǎng)絡(luò)的臨界值時(shí)，導(dǎo)電率迅速上升，這一臨界值稱為復(fù)合材料的滲流閾值；當(dāng)導(dǎo)電填料濃度大于滲流閾值后，導(dǎo)電率基本不再發(fā)生變化。2

復(fù)合型導(dǎo)電高分子具有制備簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，是市場(chǎng)上應(yīng)用最廣泛的導(dǎo)電高分子材料，由于現(xiàn)如今結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子的性能與機(jī)理研究未能達(dá)到大規(guī)模使用的程度，研究復(fù)合型導(dǎo)電高分子的制備工藝以提高導(dǎo)電率仍然具有重要的實(shí)際意義。2

結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子又稱本征型導(dǎo)電高分子，其分子結(jié)構(gòu)含有共軛的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)，雙鍵上離域的π電子可以在分子鏈上遷移形成電流，使得高分子結(jié)構(gòu)本身固有導(dǎo)電性。在這類(lèi)共軛高分子中，分子鏈越長(zhǎng)，π電子數(shù)越多，電子活化能越低，即電子更容易離域，則高分子的導(dǎo)電性越好。2

但是在目前的實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，由于其穩(wěn)定性不夠良好，特別是摻雜材料在空氣中的氧化穩(wěn)定性以及加工成形性和機(jī)械性能的問(wèn)題。因此并沒(méi)有大規(guī)模的使用， 還在研發(fā)階段。3

導(dǎo)電性提高根據(jù)分子的導(dǎo)電機(jī)理可以從以下兩個(gè)方面提高其導(dǎo)電率2：

①合成具有大型離域π鍵的分子結(jié)構(gòu)2

理論和實(shí)驗(yàn)都已證明，π鍵的數(shù)目越多，離域程度越大，共軛結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性能越好，因此從分子結(jié)構(gòu)出發(fā)，增強(qiáng)高分子固有的導(dǎo)電性能是一種理想的方案，也吸引了許多科學(xué)家朝著這個(gè)方向進(jìn)行研究。此外，改善生產(chǎn)工藝，制備分子量更大、結(jié)構(gòu)更規(guī)整的高分子材料也是提高其導(dǎo)電性能的重要手段。2

②對(duì)共軛結(jié)構(gòu)進(jìn)行化學(xué)摻雜2

雖然導(dǎo)電高分子具有共軛的分子結(jié)構(gòu)，但是π電子未受激發(fā)時(shí)仍然難以在分子鏈上遷移，導(dǎo)電性能并不是非常理想。因此，利用摻雜的方法在高分子鏈上引入對(duì)陰離子（p- 型摻雜）或?qū)﹃?yáng)離子（n-型摻雜）來(lái)降低能壘，使電子更容易遷移也是增強(qiáng)高分子材料導(dǎo)電性能的有效途徑。常用的摻雜劑有碘、五氟化砷、六氟化銻、高氯酸銀等等，摻雜劑與共軛結(jié)構(gòu)的摩爾比（摻雜劑/-C=）一般為0.01%～2%之間，并且隨著摻雜比例的增加，材料的導(dǎo)電性能會(huì)先上升，當(dāng)摻雜劑飽和之后，材料的導(dǎo)電性能不再變化。因此，尋找合適的摻雜劑并與導(dǎo)電高分子進(jìn)行合理地?fù)诫s將是重要的研究方向。2

應(yīng)用顯示材料由于電解合成的導(dǎo)電聚合物材料有一種特殊的性質(zhì)，在電化學(xué)摻雜過(guò)程中可以發(fā)生顏色的改變，因此可以將其作為變色裝置。這種聚合物材料的電化學(xué)反應(yīng)是可逆的，也就是說(shuō)，可以通過(guò)電化學(xué)實(shí)現(xiàn)去摻雜和再摻雜。這種電化學(xué)聚合物材料在電化學(xué)摻雜后，可以變?yōu)榻^緣體，在氧化摻雜后可以用來(lái)制作導(dǎo)體。3

由于摻雜和去摻雜的程度不同，材料的導(dǎo)電性能也會(huì)不同。因此，可以依靠控制作用的電量的不同，可以在導(dǎo)體，半導(dǎo)體和絕緣體之間改變導(dǎo)電聚合物材料。不同類(lèi)型的材料的電導(dǎo)率的變化對(duì)應(yīng)著不同的光學(xué)性質(zhì)， 所以可以根據(jù)這個(gè)原理來(lái)制作顯示材料。這種變色功能聚合物材料也廣泛用于生活中，例如：節(jié)能玻璃的涂層， 顯示組件，儀器儀表等。3

電池具有可逆的電化學(xué)反應(yīng)和還原特性是導(dǎo)電高分子所具有的一個(gè)重要特征，而且其密度相比于其他導(dǎo)電材料來(lái)說(shuō)要小得多，在室溫下具有導(dǎo)電率大和比表面積大的特性。對(duì)于電池來(lái)說(shuō)，這是一種非常好的電極材料。例如，由于聚吡咯的高度摻雜和強(qiáng)穩(wěn)定性，并且對(duì)電信息的變化也非常敏感的性質(zhì)，可以使用聚吡咯應(yīng)用于常規(guī)紡織品以使其成為電導(dǎo)體。2

由導(dǎo)電聚合物材料制成的二次電池具有易于生產(chǎn)， 加工，成膜，柔韌，體積小，重量輕和能量高的特點(diǎn)。如果解決了有機(jī)物質(zhì)的耐久性和高壓下有機(jī)溶劑的穩(wěn)定性，則可以基于導(dǎo)電聚合物材料使二次電池商業(yè)化。2

導(dǎo)體導(dǎo)電聚合物材料可以通過(guò)填充和配混，表面混合等合成導(dǎo)體粉末如金屬粉末或炭黑和聚合 物材料來(lái)制備。與傳統(tǒng)的金屬導(dǎo)體相比，復(fù)合合成導(dǎo)電聚合物材料具有有非常多的優(yōu)點(diǎn)，容易加工、實(shí)用范圍更廣、密度非常低、對(duì)腐蝕具有很強(qiáng)的抵抗性 ；電導(dǎo)率可以根據(jù)電化學(xué)可逆反應(yīng)變化，方便實(shí)際應(yīng)用 ；材料相對(duì)便宜，適合大規(guī)模生產(chǎn)。3

導(dǎo)電聚合物作為超級(jí)電容器電極具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如柔韌性極高，導(dǎo)電功能很強(qiáng)，便于實(shí)際加工，還可以做成薄膜。許多導(dǎo)電聚合物材料表現(xiàn)出高比容量和電容， 并且可以以高相對(duì)速度傳遞能量，但它也有一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)，循環(huán)使用的壽命低。3

藥物釋放導(dǎo)電聚合物的摻雜和去摻雜過(guò)程實(shí)際上是陰離子的嵌入和脫嵌過(guò)程，通過(guò)這個(gè)過(guò)程，可以將藥物通過(guò)皮膚送進(jìn)人的體內(nèi)。使用這兩點(diǎn)，可以生產(chǎn)含有藥物的導(dǎo)電聚合物電池，并且當(dāng)電流接通時(shí)，藥物從育齡期皮革中釋放出來(lái)，并通過(guò)皮膚而進(jìn)入血液。聚吡咯是該領(lǐng)域中第一種也是最廣泛使用的導(dǎo)電聚合物。3

隱身技術(shù)電磁波在導(dǎo)體中會(huì)形成感應(yīng)電流而產(chǎn)生熱量，使得電磁波的能量被消耗，但是電導(dǎo)率太高會(huì)增加材料表面對(duì)電磁波的反射， 不利于對(duì)電磁波的吸收。由于導(dǎo)電高分子材料具有可調(diào)控的電導(dǎo)率，合理調(diào)節(jié)導(dǎo)電高分子材料的電導(dǎo)率，對(duì)電磁波能夠起到完美的隱身效果。2

傳感器導(dǎo)電高分子的導(dǎo)電率隨著濃度、外界溫度、氣體環(huán)境等因素的改變而顯著變化，利用導(dǎo)電高分子制備的電化學(xué)傳感器、離子濃度傳感器、溫度傳感器已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用， 并且由于高分子材料與人體的親和性，導(dǎo)電高分子作為生物醫(yī)學(xué)傳感器正在深入的研究當(dāng)中。2

展望我們平常在生活中也在經(jīng)常使用有聚合物制成的高分子材料。新材料的不斷發(fā)展能夠促進(jìn)社會(huì)的快速進(jìn)步， 所以我們不僅要對(duì)現(xiàn)有的材料進(jìn)行更全面的研究、同時(shí)還要深入研究。通過(guò)以上對(duì)高分子材料的廣泛研究，可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電高分子材料在生活中使用用途非常的廣泛， 而且其使用價(jià)值還有很多未發(fā)掘的地方等待我們?nèi)ヌ剿?，同時(shí)也說(shuō)明的其在未來(lái)具有很高的研究?jī)r(jià)值。3

值得一提的是，導(dǎo)電高分子盡管具有優(yōu)異的性能，穩(wěn)定性的欠缺仍然限制了其在日常生活中的應(yīng)用。在今后的研究當(dāng)中，除了探索如何提高導(dǎo)電高分子的導(dǎo)電性能，如何增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也是重要的方向。展望未來(lái)，越來(lái)越多的新型材料得到了廣泛的應(yīng)用，導(dǎo)電高分子的復(fù)合性能在光電、熱電、能源、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域必將大有可為。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

包申旭 - 教授 - 武漢理工大學(xué)