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导电高分子Conducting Polymers,雷良才 教授化学与材料科学学院辽宁石油化工大学,导电高分子 Conducting Polymers,一、导电高分子分类二、本征型导电高分子的发现三、本征型导电高分子的特性四、本征型导电高分子的应用五、导电高分子聚苯胺六、导电高分子材料发展与展望七、离子导体高分子,辽宁石油化工大学,导电高分子 Conducting Polymers,第一节 导电高分子分类 复合型导电高分子 本征型导电高分子 离子导体高分子,辽宁石油化工大学,导电高分子 Conducting Polymers,1.复合型导电高分子聚合物+导电填料（碳纤维、碳粉、金属粉末等）导电橡胶、导电涂料、导电粘合剂、电磁波屏蔽材料、抗静电材料等,辽宁石油化工大学,导电高分子 Conducting Polymers,2.本征型导电高分子 本征型导电高分子本身具有导电性，即 聚合物结构本身提供导电载流子3.离子导体高分子 高分子固体电解质,辽宁石油化工大学,导电高分子 Conducting Polymers,辽宁石油化工大学,第二节 本征型导电高分子的发现 1974年筑波大学H.Shirakawa研究小组在实验中偶然合成出具有金属光泽的聚乙炔。,白川英树，1961年东京工业大学，毕业并后留校任教，1976年宾夕法尼亚大学留学。1979年筑波大学任副教授，1982年升为教授。,辽宁石油化工大学,导电高分子 Conducting Polymers,麦克迪尔米德（Alan G.MacDiarmid，1929）1927年，新西兰出生。先后于新西兰大学、威斯康星大学、英国剑桥大学学习。1955年宾夕法尼亚大学任教。化学家，发表六百多篇学术论文、二十项专利。,辽宁石油化工大学,导电高分子 Conducting Polymers,黑格（Alan J.Heeger）1936年生于美国，1961年加州大学伯克利分校物理博士学位。1962年至1982年宾夕法尼亚大学教授。1983年加州大学圣芭芭拉分校任高分子及有机固体研究所所长。专利40余项发表论文600余篇。1990年创立UNIAX公司。（UNIAX，发光二极管，现属杜邦）,辽宁石油化工大学,导电高分子 Conducting Polymers,1977年，美国化学家MacDiarmid，物理学家Heeger和日本化学家Shirakawa首次发现掺杂碘的聚乙炔具有金属的特性。并因此获得2000年诺贝尔化学奖。,辽宁石油化工大学,导电高分子 Conducting Polymers,典型导电高分子,导电高分子 Conducting Polymers,辽宁石油化工大学,第三节 本征型导电高分子的特性1、主链共轭结构 共轭键主链结构 电子离域 分子轨道重叠,共轭碳链越长，电子数越多，电子离域越大，导电性越好。,辽宁石油化工大学,导电高分子 Conducting Polymers,2、导电性,辽宁石油化工大学,导电高分子 Conducting Polymers,3、参杂,纯净共轭聚合物电导率并不高，当聚乙炔曝露于碘蒸气中进行氧化反应后，电导率提高10多个数量级达到103S/cm。这种现象称为掺杂（doping）,氧化还原掺杂：可通过化学或电化学手段来实现 质子酸掺杂：一般通过化学反应来完成,辽宁石油化工大学,导电高分子 Conducting Polymers,导电高分子掺杂是一种分子内的氧化还原过程，掺杂量一般在百分之几到百分之几十之间，参杂剂不参与导电，仅作为对离子存在，掺杂过程完全可逆。常规半导体掺杂是原子的替代，掺杂量仅有万分之几，掺杂剂参与导电，掺杂不可逆。,辽宁石油化工大学,导电高分子 Conducting Polymers,聚乙炔电导率与掺杂剂浓度的关系,掺杂方法和条件影响导电性能,辽宁石油化工大学,导电高分子 Conducting Polymers,绝缘体 半导体 金属态 10-9105 s/cm,载流子：孤立子、极化子、双极化子导电性：极化子或孤立子的移动和跃迁,4、载流子,辽宁石油化工大学,导电高分子 Conducting Polymers,5、电致变色,辽宁石油化工大学,导电高分子 Conducting Polymers,6、可加工行和稳定性 可加工性 高度共轭的刚性聚合物，不溶、不熔 稳定性 暴露于空气中，电导率逐渐下降,改进方法 通过改进掺杂剂品种和掺杂技术（增塑），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。,导电高分子 Conducting Polymers,辽宁石油化工大学,第四节 本征型导电高分子的应用 本征型导电聚合物的特异性能，使其在二次电池、光电器件、传感器、电磁屏蔽、隐身技术等方面都得到应用。,辽宁石油化工大学,导电高分子 Conducting Polymers,1、二次电池 已实现商品化：聚苯胺为阳极、Li-Al为阴极的聚合物二次电池。充放电寿命达千次以上、可长期保存,辽宁石油化工大学,导电高分子 Conducting Polymers,2、防腐蚀涂料 研究表明聚苯胺防腐涂料对金属表面具有阳极钝化的作用，在金属表面形成致密的Fe2O3从而对金属起到保护作用。聚苯胺防腐涂料已商品化。,辽宁石油化工大学,导电高分子 Conducting Polymers,3、发光二极管 用导电聚合物制作的发光二极管产生较少的热量、节省能源，可应用于显示屏幕、交通信息标志等。高分子发光二极管颜色可调、可弯曲、大面积、低成本。,辽宁石油化工大学,导电高分子 Conducting Polymers,4、隐身材料 优良的微波特性使导电高分子如聚苯胺、聚吡咯可用做屏蔽材料。有报道称国外公司已将聚吡咯纤维经复合制备出商品化导电纤维，该材料可用作战斗机的隐身涂料。5、电显示材料 聚合物颜色随电位、环境pH、掺杂率等变化而改变。,辽宁石油化工大学,导电高分子 Conducting Polymers,6、其它应用 单分子导线：用于高灵敏度检测、超大规模集成技术等，也可通过模板聚合等方法制备分子束。屏蔽材料：电磁屏蔽材料 传感器：气体检测、生物传感器,辽宁石油化工大学,导电高分子 Conducting Polymers,第五节 导电高分子聚苯胺 聚苯胺原料价廉、合成简单、稳定性好，具有较高电导率和潜在的溶液、熔融加工可能性，更受到广泛重视。1、聚苯胺的合成 化学法合成 电化学法合成 可溶性聚苯胺合成,辽宁石油化工大学,导电高分子 Conducting Polymers,2、氧化还原反应,辽宁石油化工大学,导电高分子 Conducting Polymers,3、参杂反应,辽宁石油化工大学,导电高分子 Conducting Polymers,4、电化学性质,聚苯胺循环伏安曲线,辽宁石油化工大学,导电高分子 Conducting Polymers,5、聚苯胺的应用,辽宁石油化工大学,导电高分子 Conducting Polymers,第六节 导电高分子材料发展及展望 导电聚合物为21世纪化学研究的重要内容 已经取得大量成绩，但性能还有待提高。可加工性 化学稳定性(电学性能 力学性能 光学性能等)主要研究领域：共聚 共混 复合 新品种 应用,辽宁石油化工大学,导电高分子 Conducting Polymers,第七节 离子导体高分子 高分子固体电解质，能够传导离子。1、几种离子导电聚合物：聚醚 聚酯 聚亚胺 聚硅氧烷,辽宁石油化工大学,导电高分子 Conducting Polymers,离子导体高分子 传导离子 聚环氧乙烷 大多数阳离子 一价阴离子 聚环氧丙烷 大多数阳离子 一价阴离子 聚丁二酸乙二醇酯 LiBF4 聚癸二酸乙二醇酯 LiCF3SO3 聚乙烯亚胺 NaI,辽宁石油化工大学,导电高分子 Conducting Polymers,2、离子导电聚合物的分子特点 低的玻璃化转变温度（Tg）极性 离子化能力,辽宁石油化工大学,导电高分子 Conducting Polymers,3、离子导电机理 自由体积理论 络合理论,辽宁石油化工大学,导电高分子 Conducting Polymers,4、离子导电聚合物的特点 易加工成型、力学性能好、防漏、防溅、无腐蚀、不挥发、使用寿命长、能量密度高。无对流、无传导，不能用于电解和电合成、接触电阻大、导电能量相对较低、低温效果差。,辽宁石油化工大学,导电高分子 Conducting Polymers,谢 谢,
