前景廣闊的導(dǎo)電高分子材料

劉宇航　蓋業(yè)民　陳語詩

摘 要：物質(zhì)按電學(xué)性能可以分為絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體和超導(dǎo)體四類。而高分子材料大多數(shù)都屬于絕緣體范圍，但自從美國科學(xué)家黑格（A.J.Heeger）和麥克迪爾米德（A.G.MacDiarmid）以及日本科學(xué)家白川英樹（H.Shirakawa）與1977年發(fā)現(xiàn)用五氟化砷或碘摻雜的聚乙炔薄膜（Polyacetylene）具有金屬導(dǎo)電的性質(zhì)，電導(dǎo)率達(dá)到10S/m。具有金屬導(dǎo)電特性，將傳統(tǒng)的高分子材料不可作為電解質(zhì)的說法徹底打破，這一物質(zhì)的出現(xiàn)不僅打破了高分子材料只能作為絕緣體的傳統(tǒng)觀念，更是為低維固體電子學(xué)和分子電子學(xué)的建立打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，是一座非常重要的里程碑。

關(guān)鍵詞：高分子材料；導(dǎo)電；2000年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)；摻雜乙炔

說到導(dǎo)電高分子材料，我們就不得不談?wù)勂錁?gòu)成，導(dǎo)電高分子是由具有共軛π鍵的高分子經(jīng)過化學(xué)或者電化學(xué)“摻雜”，使其由絕緣體變?yōu)閷?dǎo)體的一類高分子材料。也有一些人認(rèn)為，某一類具有導(dǎo)電功能（包括半導(dǎo)電性、金屬導(dǎo)電性和超導(dǎo)電性）、電導(dǎo)率在10-6S/m以上的物質(zhì)與高分子聚合物混合后的產(chǎn)物也可以稱之為導(dǎo)電高分子材料。

導(dǎo)電高分子材料的特點(diǎn)：

第一，室溫電導(dǎo)率范圍大，導(dǎo)電高分子材料的電導(dǎo)率可以在絕緣體與半導(dǎo)體導(dǎo)電區(qū)間內(nèi)變化。目前為止，任何一種高分子材料都不能進(jìn)行比擬，擁有很廣闊的前景，可以用于線路信號的屏蔽、特種導(dǎo)線的選材、防靜電等一系列用途。

第二，絕緣體與半導(dǎo)體之間轉(zhuǎn)換完全可逆，由于其是由共軛π鍵的高分子經(jīng)過化學(xué)或者電化學(xué)“摻雜”，將絕緣體變?yōu)閷?dǎo)體的高分子材料，因而將導(dǎo)電高分子材料通過特殊技術(shù)，將其“脫雜”，就可以變成絕緣體，將其“摻雜”，就可以成為半導(dǎo)體，這也是導(dǎo)電高分子材料的一大特性。

第三，絕緣體與半導(dǎo)體之間氧化還原完全可逆，一切物質(zhì)的反應(yīng)都伴隨著能量的變化，而所有的物質(zhì)都會(huì)進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，而導(dǎo)電高分子材料在摻雜、“脫雜”過程中，發(fā)生了氧化反應(yīng)與還原反應(yīng)，因此，其氧化還原也是完全可逆的。

總的來說，導(dǎo)電高分子材料由于具有密度小、易加工、耐腐蝕、可大面積成膜以及電導(dǎo)率可在十?dāng)?shù)個(gè)數(shù)量級的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，不僅可成為多種金屬材料和無機(jī)導(dǎo)電材料的替代品，而且已成為工業(yè)部門和尖端技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的一類高分子材料。在黑格等人才發(fā)現(xiàn)第一個(gè)導(dǎo)電的高分子材料后，科學(xué)家們又相繼開發(fā)出了聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚苯硫醚、聚酞菁類化合物等能導(dǎo)電的高分子材料。

導(dǎo)電高分子材料的用途：

導(dǎo)電高分子材料具有良好的導(dǎo)電性和電化學(xué)可逆性，可用作充電電池的電極材料。利用聚乙炔薄膜制作的可充電電池，經(jīng)300次循環(huán)充放電試驗(yàn)后，充放電效果依舊沒有明顯的衰退，這樣的試驗(yàn)足以說明導(dǎo)電高分子材料已具有商業(yè)應(yīng)用價(jià)值。而美國科學(xué)家Jeskocheim利用聚吡咯和聚氧化乙烯固態(tài)電介質(zhì)膜試制了光電池試驗(yàn)后，更加向我們證明了這種重量較輕、易成形、工藝簡單，并能生成大面積膜，且綠色環(huán)保的導(dǎo)電高分子材料具有十分誘人的發(fā)展前景。

經(jīng)過世界范圍內(nèi)科學(xué)家們多年的廣泛研究，導(dǎo)電高分子材料在新能源材料方面的應(yīng)用已獲得了很大的發(fā)展，但離實(shí)際大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用還有一定的距離。由于其加工性不好、價(jià)格較其他的導(dǎo)電材料昂貴、穩(wěn)定性不高等因素，并沒有很快地進(jìn)入大眾家庭中。

導(dǎo)電高分子材料通常分為復(fù)合型和結(jié)構(gòu)型兩大類：

第一，復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料。由通用的高分子材料與各種導(dǎo)電性物質(zhì)通過分散聚合、層積復(fù)合或表面形成導(dǎo)電膜的方式制得。常用的導(dǎo)電填料有炭黑、金屬粉、金屬箔片、金屬纖維、碳纖維等。其由于復(fù)合方式的不同又可分為表面鍍膜型（將金屬等導(dǎo)電材料通過各種工藝方法涂覆于聚合物材料的表面，使其形成具有導(dǎo)電特性的聚合物材料）和復(fù)合填充型（通常在絕緣體中加入導(dǎo)電性填料，填充劑采取一定方法而制得）。主要品種有導(dǎo)電塑膠、導(dǎo)電纖維織物、導(dǎo)電涂料以及透明導(dǎo)電薄膜等。其性能與導(dǎo)電填料的種類、用量、粒度和狀態(tài)以及它們在高分子材料中的分散狀態(tài)有很大的關(guān)系。

第二，結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料。是指高分子結(jié)構(gòu)本身或經(jīng)過摻雜之后具有導(dǎo)電功能的高分子材料。根據(jù)電導(dǎo)率的大小又可分為高分子半導(dǎo)體、高分子金屬和高分子超導(dǎo)體。導(dǎo)電高分子材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是必須要具有線型或面型大共軛體系，在熱或光的作用下通過共軛π電子的活化而進(jìn)行導(dǎo)電，電導(dǎo)率一般在半導(dǎo)體的范圍。采用摻雜技術(shù)可使這類材料的導(dǎo)電性能大大提高。例如，摻雜乙炔結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料用于試制輕質(zhì)塑料蓄電池、太陽能電池以及傳感器件等。但目前這類材料由于技術(shù)不成熟，還存在各種問題，尚未進(jìn)入實(shí)用階段。

在電子工藝方面，導(dǎo)電高分子材料取得了突破性的進(jìn)展：

第一，電解沉淀中的應(yīng)用。以往使用沉淀方法印刷電路的過程中，首先在基板上鍍上一層金屬銅，過去的沉淀方法需要催化劑才可完成，而這些催化劑往往有毒。而現(xiàn)在，使用新型導(dǎo)電高分子材料，如將聚吡咯作為預(yù)涂層，涂在基板上，可以避免以上的問題，且無毒、加工簡單、附著性好、沉淀在涂層上的金屬不易剝離，還可以實(shí)現(xiàn)穿孔電鍍。

第二，在電容器上的應(yīng)用。在兩電極間加入高分子固體電解質(zhì)，施加一低于電極和電解質(zhì)分解電位電壓的直流電壓，通過電流的導(dǎo)通作用使離子向一端電極移動(dòng)，從而使電解質(zhì)和電極之間形成雙電層，這種雙電層具有容量大的特性，可作為高容量的電容器。

第三，傳感器方面的應(yīng)用。在固體電解質(zhì)中有許多材料對離子的透過具有選擇性，因此高分子固態(tài)電解質(zhì)薄膜兩側(cè)如果出現(xiàn)了某種特定離子的濃度差，通過測定其產(chǎn)生的電動(dòng)勢，就能將高分子固體電解質(zhì)用作離子傳感材料。這種傳感材料同時(shí)具有不必活化、響應(yīng)速度快、重現(xiàn)性好、內(nèi)阻小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

在美國和歐洲，導(dǎo)電高分子聚合物的回收已經(jīng)從90年代的機(jī)械回收發(fā)展到原料回收和焚燒能量回收一體化。相比之下，我國在該領(lǐng)域的起步較晚，隨著對導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電機(jī)理研究的不斷深入，由于導(dǎo)電高分子復(fù)合材料具有極強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性，在我國一般采用以下兩種方法回收廢棄材料：

第一，物理法回收利用廢舊導(dǎo)電高分子材料，對廢舊高分子材料經(jīng)收集、分離、提純、干燥等程序之后，加入穩(wěn)定劑等各種助劑，重新造粒，并進(jìn)行再次加工生產(chǎn)的過程。對于導(dǎo)電高分子材料來說，物理法是最為合適的方法了，早在導(dǎo)電高分子材料的生產(chǎn)公司在單體的選擇、合成、材料的制備階段就考慮到材料使用后可回收利用性，制備易于解聚、降解、可循環(huán)再生利用的導(dǎo)電高分子材料。為材料使用后的降解、解聚創(chuàng)造條件。

第二，通過燃燒廢舊導(dǎo)電高分子材料的能量回收。

在不久的將來，功能強(qiáng)大的導(dǎo)電高分子材料必然會(huì)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，勢必會(huì)產(chǎn)生越來越多的聚合物廢料。充分利用資源和減少環(huán)境污染是人們使用這一材料的最終目的，在世界能源日趨緊張的情況下，循環(huán)利用顯得更為重要。我們應(yīng)將更加致力于材料的循環(huán)研究，應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)、現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)、設(shè)計(jì)和優(yōu)化等，消除這一類物質(zhì)對環(huán)境的影響。

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[3] 董炎明，朱平平，徐世愛.高分子結(jié)構(gòu)與性能[M].華東理工大學(xué)出版社，2010.

作者簡介：劉宇航（1995—），男，遼寧興城人，沈陽理工大學(xué)。

蓋業(yè)民（1994—），男，遼寧凌源人，沈陽理工大學(xué)。

陳語詩（1995—），女，遼寧沈陽人，沈陽理工大學(xué)。