高分子化學(xué)chap8導(dǎo)電高分子及其電化學(xué)聚合

第九章

導(dǎo)電高分子及其聚合高分子化學(xué)之1.

引言1.1

高分子材料的導(dǎo)電性聚酰亞胺/Polyimide10210-10優(yōu)良的絕緣材料酚醛樹脂第一個(gè)合成高分子最初的主要應(yīng)用就是制備電器和儀表的絕緣件半導(dǎo)體絕緣體導(dǎo)體電導(dǎo)率(Ω·cm)-1

通過共價(jià)鍵鍵合的有機(jī)高分子聚合物特別是通用聚合物的導(dǎo)電率一般都極低，或者說具極高電阻率，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都一直被認(rèn)為是典型的絕緣體，因而被作為優(yōu)良的電絕緣材料使用ZhaoqunWANG3如果具有導(dǎo)電性低比重可撓性成膜性透明性粘著性（金屬材料不具備）便于加工成型制成各種所需形狀廣泛應(yīng)用導(dǎo)電性的高分子可以作為結(jié)構(gòu)材料，進(jìn)一步改變已有的一些產(chǎn)品的制造方式導(dǎo)電涂料粘合劑導(dǎo)電薄膜電氣部件應(yīng)用更加廣泛ZhaoqunWANG4炭黑金屬粉末金屬絲碳纖維等一種傳統(tǒng)的賦予高分子材料導(dǎo)電性的方法

物理?yè)交煨蛯?dǎo)電性的無機(jī)材料各種聚合物中物理?yè)交鞆V泛的應(yīng)用導(dǎo)電橡膠電磁波屏蔽材料最早在橡膠與炭黑的混煉時(shí)被發(fā)現(xiàn)其導(dǎo)電性，電導(dǎo)率可達(dá)10-2S/mZhaoqunWANG5逾滲閾值

(percolationthreshold)

導(dǎo)電粒子填充到基體材料中，當(dāng)填充粒子達(dá)到一定的濃度時(shí)，體系的電導(dǎo)率會(huì)發(fā)生突變，這一現(xiàn)象被稱為逾滲現(xiàn)象。能夠起到導(dǎo)電作用時(shí)所需添加導(dǎo)電材料的最低含量稱為逾滲閾值ZhaoqunWANG6在電場(chǎng)作用下由于自身的結(jié)構(gòu)而能產(chǎn)生電流載流子(電子、離子等)，最終能形成導(dǎo)電性的高分子材料，如：大共軛結(jié)構(gòu)的高分子反-反結(jié)構(gòu)聚乙炔

結(jié)構(gòu)型ZhaoqunWANG7最高達(dá)103(Ω·cm)-1（上升了12個(gè)數(shù)量級(jí)）聚乙炔(室溫電導(dǎo)率)10-9（順式）~10-5(Ω·cm)-1（反式）碘摻雜20世紀(jì)70年代初，日本的白川用齊格勒－納塔催化劑成功地合成出具有最簡(jiǎn)單共軛結(jié)構(gòu)的有機(jī)聚合物半導(dǎo)體導(dǎo)體ZhaoqunWANG8聚乙炔的四種結(jié)構(gòu)式長(zhǎng)程共軛、無機(jī)摻雜不同的構(gòu)型ZhaoqunWANG9導(dǎo)電高分子摻雜10210-10半導(dǎo)體絕緣體導(dǎo)體電導(dǎo)率(Ω·cm)-1

結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子通過電子受體和電子給體的摻雜，可覆蓋整個(gè)半導(dǎo)體到金屬導(dǎo)體之間的區(qū)域，從而開創(chuàng)了結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子研究的新領(lǐng)域聚乙炔(PA,1977)

聚苯胺(PAn,1983)

聚吡咯(PPy)

聚噻吩(PTh)

聚對(duì)苯(PPP)

聚苯亞乙烯(PPV)

ZhaoqunWANG10結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子1.2

導(dǎo)電高分子材料的定義和分類導(dǎo)電高分子具有聚合物重復(fù)單元結(jié)構(gòu)特征在電場(chǎng)作用下能顯示出電流的通過導(dǎo)電高分子與金屬導(dǎo)電體的區(qū)別在于：金屬導(dǎo)電體屬于金屬晶體導(dǎo)電物質(zhì)，而高分子導(dǎo)電體屬于分子導(dǎo)電物質(zhì)ZhaoqunWANG11根據(jù)導(dǎo)電機(jī)理載流子為自由電子的電子導(dǎo)電高分子載流子為能在聚合物分子間遷移的正負(fù)離子的導(dǎo)電高分子以氧化-還原反應(yīng)為電子轉(zhuǎn)移機(jī)理的氧化-還原型導(dǎo)電高分子材料共軛高分子電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合體聚合物離子－自由基鹽含金屬聚合物??????

根據(jù)材料結(jié)構(gòu)ZhaoqunWANG121.3主要的結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子（1）高分子電解質(zhì)

離子導(dǎo)電性聚合物中，比較典型的是高分子電解質(zhì)。它以高分子離子的對(duì)應(yīng)離子作為載流子而顯示離子傳導(dǎo)性聚季胺鹽類聚锍鹽聚鏻鹽聚丙烯酸及其鹽類聚磺酸鹽類聚磷酸鹽類聚氨基酸??????陽(yáng)離子陰離子兩性離子由于離子的體積比電子大得多，因此其移動(dòng)相對(duì)比較困難，所以其往往以溶液和熔體的形式加以利用，以增加離子的解離能力和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)能力。如此必然影響它的廣泛應(yīng)用ZhaoqunWANG13電子導(dǎo)電聚合物基體大分子的典型代表就是大共軛結(jié)構(gòu)高分子（2）共軛結(jié)構(gòu)高分子共軛結(jié)構(gòu)的高分子代表著導(dǎo)電高分子發(fā)展的主流

共軛結(jié)構(gòu)高分子的主鏈可以是C－C鍵的共軛結(jié)構(gòu)，也可以是C－N鍵、C－S鍵、N－S鍵等的共軛體系聚乙炔

聚苯胺

聚吡咯

聚噻吩聚呋喃

聚苯硫醚

聚氮化硫

ZhaoqunWANG141.4摻雜作用及其摻雜劑共軛高分子的導(dǎo)電能力取決于共軛鏈上運(yùn)動(dòng)活化能很小的孤子的數(shù)目。然而僅靠共軛鏈隨機(jī)產(chǎn)生孤子的數(shù)目很少。如在聚乙炔中孤子密度約為平均鏈原子數(shù)的1/3000，所以其電導(dǎo)率不高，不能形成金屬的導(dǎo)電性。通過電子受體和電子給體的摻雜，可以使孤子數(shù)目增加并使其分布均勻摻雜可使其電導(dǎo)率覆蓋整個(gè)半導(dǎo)體到金屬導(dǎo)體之間的區(qū)域最高達(dá)103(Ω·cm)-1（上升了12個(gè)數(shù)量級(jí)）

聚乙炔10-9（順式）~10-5(Ω·cm)-1（反式）經(jīng)過碘摻雜ZhaoqunWANG15電子受體電子給體鹵素路易斯酸堿金屬質(zhì)子酸過渡金屬化合物有機(jī)化合物有機(jī)鏻鹽Cl2、Br2、I2、ICl3、IF5PF5、BF5、AsF2HF、HNO3、FSO2HZrCl4、WF5、TiCl4四氰基乙烯(TCNE)、二氯二氰代苯醌(DDQ)Li、Na、K、Rb、CsR4P+摻雜劑ZhaoqunWANG162.聚合機(jī)理2.1

電子導(dǎo)電性高分子的制備方法

因結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子本身的電子遷移能力還較低，所以往往需要經(jīng)摻雜才能得到具有實(shí)用性的電子導(dǎo)電高分子。因此，電子導(dǎo)電高分子的制備實(shí)際上包括兩個(gè)步驟結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子的制備大分子經(jīng)摻雜進(jìn)一步功能化合成摻雜ZhaoqunWANG18化學(xué)法電化學(xué)法單體加聚縮聚消除反應(yīng)加成反應(yīng)異構(gòu)化反應(yīng)共軛聚合物導(dǎo)電高分子材料摻雜反應(yīng)性聚合物導(dǎo)電高分子膜直接法間接法在電場(chǎng)作用下電解含有單體的溶液而在電極表面獲得共軛高分子通過加成聚合和縮合聚合的方法經(jīng)直接或間接的途徑得到共軛高分子ZhaoqunWANG19用Ziegler-Natta催化劑在-100~80oC下，用加聚方式可以將乙炔直接聚合成聚乙炔苯胺、吡咯等的化學(xué)氧化聚合

采用1，3-環(huán)己二烯為單體，在Al(i-Bu)3/TiCl4催化下，先生成聚環(huán)己二烯，然后再催化脫氫，最終制得聚對(duì)苯

化學(xué)直接法化學(xué)間接法ZhaoqunWANG20電化學(xué)聚合是近年來發(fā)展起來的一類制備方法。它具有一定的優(yōu)勢(shì)，較為重要的優(yōu)點(diǎn)有二：

一是可直接就地?fù)诫s，無需加入外摻雜劑能在電極上直接得到導(dǎo)電高分子的薄膜，一般情況下該薄膜處于導(dǎo)電態(tài)聚合、摻雜和加工過程合而為一，對(duì)于通常情況下不溶不熔的導(dǎo)電高分子來說，帶來了方便，這點(diǎn)是極為重要的電化學(xué)法ZhaoqunWANG21通過長(zhǎng)期的研究，人們合成了一系列具有長(zhǎng)鏈共軛結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電高分子，而其中最典型的是以芳雜環(huán)作為基本結(jié)構(gòu)單元的共軛高分子SONH聚乙炔對(duì)空氣中的氧很敏感，易自動(dòng)氧化，與其相比，這類芳雜環(huán)高分子在空氣中性質(zhì)更穩(wěn)定，更容易對(duì)其進(jìn)行化學(xué)修飾，是導(dǎo)電高分子中極重要的一類。聚吡咯、聚噻吩、聚呋喃吡咯呋喃噻吩ZhaoqunWANG222.2

聚合過程及機(jī)理電化學(xué)聚合法采用電極電位作為聚合反應(yīng)的引發(fā)和反應(yīng)驅(qū)動(dòng)力，在電極表面進(jìn)行聚合反應(yīng)并直接生成導(dǎo)電聚合物薄膜。反應(yīng)完成后，生成的導(dǎo)電聚合物膜已經(jīng)被反應(yīng)時(shí)采用的電極電位所氧化（或還原），即同時(shí)完成了無第二種物質(zhì)的所謂“摻雜”過程Step1:氧化X-e-+?X電化學(xué)方法主要是陽(yáng)極氧化法，氧化反應(yīng)的第一步是單體失去一個(gè)電子，被氧化成陽(yáng)離子自由基這一步的機(jī)理為人們所公認(rèn)陽(yáng)離子自由基ZhaoqunWANG232-2H+偶合機(jī)理對(duì)于隨后所發(fā)生的聚合過程，則有兩種不同的機(jī)理解釋+?X+X+XStep2:偶合XXStep3:脫氫形成二聚體芳構(gòu)化ZhaoqunWANG24XXX由于二聚體的氧化電位比單體低，因此能繼續(xù)被氧化成陽(yáng)離子自由基，并與由單體氧化而成的陽(yáng)離子自由基偶合，同樣通過脫氫芳構(gòu)化形成三聚體XX+?XX-e--2H++?X+形成三聚體重復(fù)氧化－偶合－脫氫芳構(gòu)化的過程，即可使鏈增長(zhǎng)持續(xù)下去，直至所生成的聚合物陽(yáng)離子自由基的偶合活性消失為止??????ZhaoqunWANG25+?XXH-e-+XXH-H+-H+親電進(jìn)攻機(jī)理X+?X+X?XHHXX形成二聚體形成三聚體芳構(gòu)化芳構(gòu)化ZhaoqunWANG262.3

對(duì)單體等條件的要求電化學(xué)聚合的單體一般為芳雜環(huán)類，對(duì)于這樣的單體，一般有以下的基本要求具有芳香性和較低的氧化電位，以避免高電位下由于溶劑和支持電解質(zhì)的分解而帶來的復(fù)雜變化芳香性單體能進(jìn)行親電取代反應(yīng)由單體氧化而得的陽(yáng)離子自由基具有適中的穩(wěn)定性，若穩(wěn)定性太低則容易與溶劑和親核試劑反應(yīng)，穩(wěn)定性太高則容易從電極表面擴(kuò)散到溶液本體中而形成低聚物，均不利于膜的生成ZhaoqunWANG27在電化學(xué)聚合中，除了單體之外尚有對(duì)聚合反應(yīng)有所影響的電解質(zhì)溶液和電極。電化學(xué)聚合對(duì)電解質(zhì)溶液的基本要求有如下溶劑本身的親核性較低，以避免與單體陽(yáng)離子自由基的結(jié)合支持電解質(zhì)在溶劑中具有較好的溶解性，較高的解離度、較高的氧化電位和較低的親核性在電解反應(yīng)的電位范圍內(nèi)應(yīng)為電化學(xué)惰性ZhaoqunWANG283.

聚合實(shí)例3.1

簡(jiǎn)單芳雜環(huán)的電化學(xué)聚合

（1）聚吡咯（PPy）

NHNHn在所有的芳雜環(huán)單體中，吡咯的電化學(xué)聚合條件是最溫和的。吡咯可以在多種有機(jī)溶劑（如乙腈、二氯甲烷、2,2-二甲基酰胺）中電化學(xué)聚合，也可在水溶液中聚合聚吡咯膜的性質(zhì)可通過不同溶劑體系、不同支持電解質(zhì)的選擇而得到調(diào)控ZhaoqunWANG30通常在有機(jī)溶劑體系中合成導(dǎo)電高分子都需要比較嚴(yán)格的無水條件，而在聚吡咯的合成中，人們發(fā)現(xiàn)痕量水的存在有助于得到高品質(zhì)的聚吡咯膜。如在乙腈：水（體積比）=100：1的溶液中，所得聚吡咯膜力學(xué)性能比無水乙腈中所得聚吡咯要好得多聚吡咯的合成和摻雜可通過電化學(xué)過程同時(shí)進(jìn)行，即可將摻雜劑溶于電解吡咯溶液中吡咯 在0.1%水的乙腈中0.5~1.5mA/cm2電流在陰極上沉積出藍(lán)黑色的不溶性聚吡咯膜ZhaoqunWANG31（2）聚呋喃（PFu）在幾種常見的芳雜環(huán)單體中，呋喃最不穩(wěn)定，它對(duì)酸、堿都十分敏感，很容易引發(fā)開環(huán)聚合

呋喃的電化學(xué)氧化電位很高，達(dá)1.8V（相對(duì)于飽和甘汞電極），在這樣的電位下，呋喃的芳香性結(jié)構(gòu)早就受到破壞

呋喃的特點(diǎn)聚合時(shí)需重點(diǎn)解決的問題和關(guān)鍵OOnZhaoqunWANG32以Ni(bippy)32+（二聚吡咯鎳）為催化劑，在陰極電化學(xué)還原2，5-二鎳呋喃，成功地避免了對(duì)呋喃環(huán)的破壞，但陰極還原路線的產(chǎn)量極低，無法得到自支撐的薄膜通過電化學(xué)氧化三聚呋喃，大大降低了氧化電位。從一定程度上避免了呋喃環(huán)的破壞，直接在陽(yáng)極得到了摻雜態(tài)的聚呋喃薄膜在三氟化硼乙醚-乙醚混合溶劑體系中，可將呋喃的氧化電位降至1.1V（相對(duì)于Ag/AgCl電極），恒電流法制備。聚合電位大大降低，避免了聚呋喃的過氧化陰極還原降低電位改變單體ZhaoqunWANG33由于單體的氧化電位一般比所得聚合物的可逆氧化還原電位高，因此在聚合過程中，也同時(shí)存在著導(dǎo)電高分子的過氧化，導(dǎo)致薄膜質(zhì)量下降；這些阻礙了它的進(jìn)一步應(yīng)用電化學(xué)聚合的關(guān)鍵問題電化學(xué)聚合本身對(duì)單體聚合位置的選擇性較低，如，噻吩等五員雜環(huán)，理想狀態(tài)下的聚合位置為2，5位，而電化學(xué)聚合條件下，3位也參與到聚合中來。因此，幾乎所有電化學(xué)聚合所得導(dǎo)電高分子都存在不同程度的交聯(lián)ZhaoqunWANG34如何降低單體的氧化-還原電位以減少過氧化的影響;如何提高電化學(xué)聚合的反應(yīng)選擇性。盡管用化學(xué)方法制備可溶性導(dǎo)電高分子已取得了很大的進(jìn)展，但電化學(xué)合成仍為獲得導(dǎo)電高分子的重要手段。特別是在制備電極材料、化學(xué)傳感器、離子選擇電極等方面，電化學(xué)方法直接成膜的優(yōu)勢(shì)