關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用課件

導(dǎo)電高分子

200760010907材料化學(xué)一班關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用思考題:1.說明導(dǎo)電高分子的類型及其導(dǎo)電機(jī)理2.說明結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子的特性3.說明結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子的應(yīng)用前景關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用一、定義二、種類三、歷史四、導(dǎo)電機(jī)理五、特性六、應(yīng)用七、問題與挑戰(zhàn)關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用一、導(dǎo)電高分子的定義

導(dǎo)電高分子是指其本身或經(jīng)過“摻雜”后具有導(dǎo)電性的一類高分子材料。關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用電導(dǎo)率關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用材料導(dǎo)電能力的差異與原因能帶間隙(EnergyBandGap)

金屬之Eg值幾乎為0eV，半導(dǎo)體材料Eg值在1.0~3.5eV之間，絕緣體之Eg值則遠(yuǎn)大于3.5eV。關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用二、種類1.復(fù)合型：普通聚合物+導(dǎo)電粉末（如防靜電塑料袋、導(dǎo)電膠）2.本征型：依靠分子結(jié)構(gòu)導(dǎo)電關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用三、導(dǎo)電高分子的歷史1862年Lethebi——聚苯胺1973年，白川英樹、Hegger、MacDiarmid——摻雜聚乙炔（電導(dǎo)率達(dá)102s/cm）1986年，ElsenbaumerR.L.等人得到了可溶性聚噻吩

關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用

1974年日本筑波大學(xué)H.Shirakawa在合成聚乙炔的實(shí)驗(yàn)中，偶然地投入過量1000倍的催化劑，合成出令人興奮的有銅色的順式聚乙炔薄膜與銀白色光澤的反式聚乙炔。Ti(OC4H9)4Al(C2H5)3H－C≡C－H1000倍催化劑10－8～10－7S/m10－3～10－2S/m導(dǎo)電高分子材料的發(fā)現(xiàn)關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用

1975年，G.MacDiarmid、J.Heeger與H.Shirakawa合作進(jìn)行研究，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)聚乙炔曝露于碘蒸氣中進(jìn)行摻雜氧化反應(yīng)(doping)后，其電導(dǎo)率令人吃驚地達(dá)到3000S/m。聚乙炔的摻雜反應(yīng)關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用

1980年，英國Durham大學(xué)的W.Feast得到更大密度的聚乙炔。

1983年，加州理工學(xué)院的H.Grubbs以烷基鈦配合物為催化劑將環(huán)辛四烯轉(zhuǎn)換了聚乙炔，其導(dǎo)電率達(dá)到35000S/m，但是難以加工且不穩(wěn)定。1987年，德國BASF科學(xué)家N.Theophiou對(duì)聚乙炔合成方法進(jìn)行了改良，得到的聚乙炔電導(dǎo)率與銅在同一數(shù)量級(jí)，達(dá)到107S/m。

后續(xù)研究進(jìn)展關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用其它導(dǎo)電高分子材料

與聚乙炔相比，它們?cè)诳諝庵懈臃€(wěn)定，可直接摻雜聚合，電導(dǎo)率在104S/m左右，可以滿足實(shí)際應(yīng)用需要。關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用名稱結(jié)構(gòu)聚乙炔聚噻吩聚吡咯聚苯胺聚苯等本征型：關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用四導(dǎo)電高分子材料的導(dǎo)電機(jī)理有機(jī)化合物中的σ鍵和π鍵

在有機(jī)共軛分子中，σ鍵是定域鍵，構(gòu)成分子骨架；而垂直于分子平面的p軌道組合成離域π鍵，所有π電子在整個(gè)分子骨架內(nèi)運(yùn)動(dòng)。離域π鍵的形成，增大了π電子活動(dòng)范圍，使體系能級(jí)降低、能級(jí)間隔變小，增加物質(zhì)的導(dǎo)電性能。關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用導(dǎo)電高分子材料的共同特征－交替的單鍵、雙鍵共軛結(jié)構(gòu)

聚乙炔由長鏈的碳分子以sp2鍵鏈接而成，每一個(gè)碳原子有一個(gè)價(jià)電子未配對(duì)，且在垂直于sp2面上形成未配對(duì)鍵。其電子云互相接觸，會(huì)使得未配對(duì)電子很容易沿著長鏈移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電能力。關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用半導(dǎo)體到導(dǎo)體的實(shí)現(xiàn)途徑－摻雜(doping)

在共軛有機(jī)分子中σ電子是無法沿主鏈移動(dòng)的，而π電子雖較易移動(dòng)，但也相當(dāng)定域化，因此必需移去主鏈上部分電子(氧化)或注入數(shù)個(gè)電子(還原)，這些空穴或額外電子可以在分子鏈上移動(dòng)，使此高分子成為導(dǎo)電體。關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用導(dǎo)電高分子材料的摻雜途徑氧化摻雜(p-doping):[CH]n+3x/2I2——>[CH]nx++xI3-

還原摻雜(n-doping):[CH]n+xNa——>[CH]nx-+xNa+

添補(bǔ)后的聚合物形成鹽類，產(chǎn)生電流的原因并不是碘離子或鈉離子而是共軛雙鍵上的電子移動(dòng)。關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用摻雜導(dǎo)電高分子材料的導(dǎo)電機(jī)理

碘分子從聚乙炔抽取一個(gè)電子形成I3－，聚乙炔分子形成帶正電荷的自由基陽離子，在外加電場(chǎng)作用下雙鍵上的電子可以非常容易地移動(dòng)，結(jié)果使雙鍵可以成功地延著分子移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)其導(dǎo)電能力。關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用高分子材料導(dǎo)電能力的影響因素?fù)诫s率對(duì)導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電能力的影響

摻雜率小時(shí)，電導(dǎo)率隨著摻雜率的增加而迅速增加；當(dāng)達(dá)到一定值后，隨摻雜率增加的變化電導(dǎo)率變化很小，此時(shí)為飽和摻雜率。關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用共軛鏈長度對(duì)導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電能力的影響

π電子運(yùn)動(dòng)的波函數(shù)在沿著分子鏈方向有較大的電子云密度，并且隨著共軛鏈長度的增加，這種趨勢(shì)更加明顯，導(dǎo)致聚合物電導(dǎo)率的增加。關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用溫度對(duì)導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電能力的影響

對(duì)金屬晶體，溫度升高引起的晶格振動(dòng)阻礙其在晶體中的自由運(yùn)動(dòng)；而對(duì)于聚乙炔，溫度的升高有利于電子從分子熱振動(dòng)中獲得能量，克服其能帶間隙，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電過程。關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用1.電導(dǎo)率范圍寬五、導(dǎo)電高分子的特性關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用導(dǎo)電高分子不僅可以摻雜,而且還可以脫摻雜,并且摻雜-脫摻雜的過程完全可逆。

2.摻雜-脫摻雜過程可逆關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用3.具有電致變色性關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用響應(yīng)速度快(10-13sec)4.響應(yīng)速度快關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用六、導(dǎo)電高分子的應(yīng)用關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用1.發(fā)光二極---半導(dǎo)體特性的應(yīng)用

利用導(dǎo)電高分子與金屬線圈當(dāng)電極，半導(dǎo)體高分子在中間，當(dāng)兩電極接上電源時(shí)，半導(dǎo)體高分子將會(huì)開始發(fā)光。比傳統(tǒng)的燈泡更節(jié)省能源而且產(chǎn)生較少的熱，具體應(yīng)用包括平面電視機(jī)屏幕、交通信息標(biāo)志等。高分子發(fā)光二極管具有顏色可調(diào)、可彎曲、大面積和低成本等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用2.太陽能電池---半導(dǎo)體特性的應(yīng)用

導(dǎo)電高分子可制成太陽電池，結(jié)構(gòu)與發(fā)光二極管相近，但機(jī)制卻相反，它是將光能轉(zhuǎn)換成電能。優(yōu)勢(shì)在于廉價(jià)的制備成本，迅速的制備工藝，具有塑料的拉伸性、彈性和柔韌性。關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用一個(gè)分子類似于一根導(dǎo)線?？捎糜诟哽`敏度檢測(cè)、超大規(guī)模集成技術(shù)等?！澳０寰酆?、分子束沉積等方法制備“分子導(dǎo)線”或?qū)щ姼叻肿游⒐?或納米管)3.分子導(dǎo)線關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用4.二次電池高分子摻雜態(tài)儲(chǔ)存電能、脫摻雜過程中釋放電能

——全塑電池輸出電壓3V、電池容量3mA.h，復(fù)充放電上千次。

關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用5.生物傳感器--電化學(xué)摻雜/去摻雜之可逆性的應(yīng)用葡萄糖傳感器、尿素傳感器、乳酸傳感器、膽固醇傳感器關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用6.氣體傳感器導(dǎo)電高分子與大氣某些介質(zhì)作用----電導(dǎo)率改變,除去介質(zhì)----恢復(fù)。（摻雜/或脫摻雜過程）。可用作選擇性高、靈敏度高和重復(fù)性好的氣體傳感器。關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用

導(dǎo)電性可以在絕緣體、半導(dǎo)體、金屬導(dǎo)體之間變化,——不同的吸波性能密度小——輕加工性能——薄穩(wěn)定性較好——高溫使用

7.雷達(dá)隱身材料關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用摻雜/脫摻雜實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體-絕緣體之間的轉(zhuǎn)變，且電位、PH、摻雜量等變化伴隨顏色變化，

——可用于電顯示8.電顯示材料關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用導(dǎo)電高分子材料的優(yōu)越性

具有半導(dǎo)體及導(dǎo)體雙重特性，可低溫加工、可大面積化、具有塑料的拉伸性、彈性和柔韌性等，所以制作成本低，組件特性優(yōu)越，對(duì)未來電子及信息工業(yè)將產(chǎn)生巨大影響。

導(dǎo)電高分子材料面臨的挑戰(zhàn)

綜合電性能與銅相比還有差距，理論上還沿用無機(jī)半導(dǎo)體理論；導(dǎo)電聚合物的自構(gòu)筑、自組裝分子器件的研究也存在很多問題；加工性能和力學(xué)性能以及穩(wěn)定性上也需要改進(jìn)。七、問題與挑戰(zhàn)關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用炭黑填充聚乙烯導(dǎo)電復(fù)合材料的性能研究1.3試樣制備將炭黑在高速混合機(jī)中于50℃預(yù)混15min,然后加入一定量的溶于無水乙醇的鈦酸酯偶聯(lián)劑,升溫至100℃,混合40min后出料,室溫下停放24h以揮發(fā)掉多余的溶劑。將經(jīng)表面處理的炭黑與LLDPE按一定比例混合,在雙螺桿擠出機(jī)中擠出造粒得炭黑母粒。將炭黑母粒與HDPE按不同比例(炭黑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為3%、6%、8%、10%、12%、15%)混合,加入一定量的增容劑POE或PE2g2MAH,混合均勻后用雙螺桿擠出機(jī)擠出造粒。所得粒料用注塑機(jī)注射成力學(xué)性能測(cè)試試樣;將粒料在雙輥開煉機(jī)上于130℃塑煉15min,拉片出料后剪裁、疊加,在加硫成型機(jī)上于150℃、5MPa下壓制10min,在室溫、10MPa下快速冷卻制得電性能測(cè)試試樣。關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用炭黑-聚酯復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料的電熱性能研究加工條件為,預(yù)混料:溫度110℃,時(shí)間10min。真空干燥:溫度110℃,時(shí)間6h。擠出造粒:溫度260～280℃,測(cè)量:將制得的顆粒狀炭黑2聚酯(CB2PET)復(fù)合材料分別用注塑成型工藝和模壓成型工藝制成標(biāo)準(zhǔn)樣品或各種不同尺寸的樣品,按國標(biāo)測(cè)量其力學(xué)性能,用二電極法測(cè)量電阻率。關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用導(dǎo)電聚苯胺的合成及其性能研究摻雜聚苯胺的制備在一定溫度下,將減壓蒸餾的分析純苯胺加入一定量水中,不斷攪拌,加入酸生成苯胺鹽,再將含有一定量的氧化劑的酸溶液緩慢地滴入其中,連續(xù)反應(yīng)數(shù)小時(shí)后,過濾,洗滌,干燥,得到粉末狀樣品。苯胺聚合反應(yīng)的最佳條件是:反應(yīng)溫度0℃左右,鹽酸的濃度約為1mol/L,過硫酸銨與苯胺的摩爾比為1.05左右,反應(yīng)時(shí)間6h最為合適。關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用關(guān)于導(dǎo)電高分子的定義,分類,特性及應(yīng)用聚苯胺P聚丙烯腈導(dǎo)電纖維的結(jié)構(gòu)與性能

將十二烷基苯磺酸摻雜的聚苯胺與聚丙烯腈(PAN)共混,通過常規(guī)腈綸濕法成型技術(shù)制備出復(fù)合導(dǎo)電纖維。在常規(guī)小試濕法成型設(shè)備上將聚苯胺與聚丙烯腈的共混溶液過濾、計(jì)量后,