摘要：導電高分子複合材料是一類具有重要理論研究價值和廣闊應用前景的新型功能材料,導電高分子材料具有高電導率、半導體特性、電容性、電化學活性，同時還具有一系列光學效能等，具有與一般聚合物不同的特性。因此，導電高分子複合材料是一類具有重要理論研究價值和廣闊應用前景的新型功能材料。
與傳統導電材料相比較,導電高分子材料具有許多獨特的效能。導電高聚物可用作雷達吸波材料、電磁遮蔽材料、抗靜電材料等。介紹了導電高分子材料的分類及導電機理、合成方法、導電高分子材料的應用、研究現狀及發展趨勢。
1976 年美國賓夕法尼亞大學的化學家mac diarmid 領導的研究小組首次發現摻雜後的聚乙炔(polyacetylene ,簡稱pa)具有類似金屬的導電性以後,人們對共軛聚合物的結構和認識不斷深入和提高,新型交叉學科——導電高分子領域誕生了。導電高分子特殊的結構和優異的物理化學效能使它成為材料科學的研究熱點,作為不可替代的新興基礎有機功能材料之一,導電高分子材料在能源、光電子器件、資訊、感測器、分子導線和分子器件,以及電磁遮蔽、金屬防腐和隱身技術上有著廣泛、誘人的應用前景。到目前為止,導電高分子在分子設計和材料合成、摻雜方法和摻雜機理、可溶性和加工性、導電機理、光、電、磁等物理效能及相關機理以及技術上的應用探索都已取得重要的研究進展。
按照材料的結構與組成，高分子導電材料通常分為結構型和複合型兩大類1.1.1結構型高分子導電材料。
是指高分子結構本身或經過摻雜之後具有導電功能的高分子材料。根據電導率的大小又可分為高分子半導體、高分子金屬和高分子超導體。按照導電機理可分為電子導電高分子材料和離子導電高分子材料。
電子導電高分子材料的電導率一般在半導體的範圍[1]。採用摻雜技術可使這類材料的導電性能大大提高。如在聚乙炔中摻雜少量碘，電導率可提高12個數量級，成為「高分子金屬」。
經摻雜後的聚氮化硫，在超低溫下可轉變成高分子超導體。結構型高分子導電材料用於試製輕質塑料蓄電池、太陽能電池、感測器件、微波吸收材料以及試製半導體元器件等[2]。但目前這類材料由於還存在穩定性差(特別是摻雜後的材料在空氣中的氧化穩定性差)以及加工成型性、機械效能方面的問題，尚未進入實用階段。
1.1.2複合型高分子導電材料。
由通用的高分子材料與各種導電性物質通過填充復合、表面復合或層積復合等方式而製得[5]。主要品種有導電塑料、導電橡膠、導電纖維織物、導電塗料、導電膠粘劑以及透明導電薄膜等。其效能與導電填料的種類、用量、粒度和狀態以及它們在高分子材料中的分散狀態有很大的關係。
複合型導電高分子材料在技術上比結構型導電高分子材料具有更加成熟的優勢，用量最大最為普及的是炭黑填充型和金屬填充型[6]。目前，複合型導電高分子所採用的復合方法主要有兩種，一種是用結構型導電聚合物粉末或顆粒與基體樹脂共混,它們是抗靜電材料和電磁遮蔽材料的主要用料, 其用途十分廣泛,是目前最有實用價值的導電塑料。另一種則是將各種導電填料填充到基體高分子中的導電樹脂基複合材料。
物質的導電過程是載流子在電場作用下定向移動的過程。高分子聚合物導電必須具備兩個條件: (1) 要能產生足夠數量的載流子(電子、空穴或離子等);(2) 大分子鏈內和鏈間要能夠形成導電通道。
在離子型導電高分子材料中，聚醚、聚酯等的大分子鏈呈螺旋體空間結構,與其配位絡合的陽離子在大分子鏈段運動作用下,就能夠在螺旋孔道內通過空位遷移(「自由體積模型」) ; 或被大分子「溶劑化」了的陰陽離子同時在大分子鏈的空隙間躍遷擴散(「動力學擴散理論」) 。
對於電子型導電高分子材料,作為主體的高分子聚合物大多為共軛體系(至少是不飽和鍵體系) ,長鏈中的π鍵電子較為活潑,特別是與摻雜劑形成電荷轉移絡合物後,容易從軌道上逃逸出來形成自由電子。大分子鏈內與鏈間π電子軌道重疊交蓋所形成的導電能帶為載流子的轉移和躍遷提供了通道。在外加能量和大分子鏈振動的推動下,便可傳導電流。
關於複合型導電高分子材料導電機理研究報道的較多,人們從多方面進行了廣泛深入的研究,建立了許多數學模型或物理模型。目前比較流行的有3 種理論: (1)是巨集觀滲流理論,即導電通路學說; (2)是微觀量子力學隧道效應理論; (3)是微觀量子力學場致發射效應理論。
由於高分子導電複合材料具有成型加工和遮蔽一次完成的特點，從而可以大大縮短工藝過程，降低生產成本，便於大批量生產，提高產品的可靠性，因此是目前最有發展前途的新型電磁遮蔽材料。高分子導電複合材料的電磁遮蔽效能主要受導電填料、高分子基體以及製備工藝的影響。
與傳統材料相比優點:
電磁參量可控，表觀密度低。導電聚合物的密度都在1.1～1.
2g/。易加工成型,為其應用提供了便利條件。目前這類材料作為吸收雷達波的應用還未進入實施階段。
隨著「模組合成」、「分子沉積法」、「掃瞄微探針電化學」等製備導電聚合物微管和奈米管的方法相繼出現以及計算機模擬分子設計技術的日趨成熟,導電聚合物必將作為艦船和**裝備的吸波材料得到廣泛的應用。
導電塑料代替金屬作為電子產品的外殼可以有效的起到電磁遮蔽作用,且質量輕、耐腐蝕。
電解合成的導電高分子材料可以進行電化學脫摻雜和再摻雜,發生還原可逆的電化學反應。電化學脫摻雜使導電型高分子材料變為絕緣體,氧化摻雜又使絕緣體變為導電體。並且高分子材料的導電性隨脫摻雜與摻雜的程度不同而變化。
通過控制電量,高分子材料的導電度可以在導電體、半導體、絕緣體之間任意變動,並且隨著導電度的變化,高分子材料的光學特性也發生變化。利用這一特性,高分子材料可以用作顯示材料。最大優點是容易得到多種色調,如在鹽酸酸性水溶液中,聚苯胺的氧化體為綠色,還原體為淡黃色。
經過復合得到的導電矽橡膠與金屬導體相比具有: (1)優良的加工效能,可批量生產; (2)柔軟、耐腐蝕、低密度、高彈性; (3)可選擇的電導率範圍寬; (4)**便宜等特點。因此,在各種發酵用容器加溫、冰雪融化、防止盥洗室鏡子和影印機的沾露及除濕等方面已得到廣泛應用。
同時它還具有儲存中電阻變化小,混煉後電阻增加少,耐熱、耐寒、耐氣候、永久壓縮形變特性等特點。現在它已經成為用量最大的導電橡膠。
液晶高聚物材料具有高強度、高模量、耐高溫、低膨脹係數、低成型收縮率以及良好的介電性和耐化學腐蝕性等一系列優異的綜合性能。具有與π電子結構相關聯的線性聚烯烴和芳雜環等的共軛聚合物通過分子改性可以獲得導電液晶聚合物,並且這些材料具有可溶性和可加工性。
利用雜多酸對導電高分子的氧化或摻雜作用可將具有催化活性的凱金型或道森型雜多酸催化劑固定在聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺的粉末,此時導電高分子可視為一種新的催化劑載體,能提高雜多酸的催化效能。
現代氣體分離技術中,膜分離技術由於能耗和成本比其他分離方法低,並且無環境汙染,因而十分引人注目。已廣泛應用於石油開採、化工、食品包裝、保鮮、煉油廠、廢氣**、工業燃燒爐節能以及環保等方面。
導電聚合物還可以作為抗靜電材料、二次電池的電極材料、太陽能電池材料、電致變色材料、自然溫發熱材料等,在此方面的研究已取得了很大程度的進展,
高分子導電複合材料作為一種新興的功能材料不僅具有非常重要的理論研究價值，同時也具有極為廣闊的應用前景。研究高效能、具有特殊功能的新型複合材料是高分子導電複合材料進一步的發展方向。近年來，科研人員提出了「超級木材」的（super-wood）新概念[5]，即採用有機、無機處理劑以及特殊的處理方法來處理木材。
為此，，而且做到了廢物再利用，同時對大規模實現綠色環保以及拓寬功能材料種類和應用具有重要的現實意義。
今後導電高分子的發展趨勢為: 合成具有高導電率及在空氣中長期穩定的導電聚合物,其中特別值得重視的是可加工的非電荷轉移(單組分) 結構型導電聚合物的研究。有機聚合物超導體的研究。
對有機材料電子效能的研究,另一重要目標是開發出具有無機材料不可代替的新一代功能材料。導電聚合物的研究使人們對有機固體的電子過程了解更加深入。
今後,人們將在此基礎上向有機導電材料的各個領域開展新的研究,為在本世紀末或下世紀初實現更高密度的資訊處理材料,更高效率的能量轉換和傳遞材料而努力。
高分子材料
高分子材料是由相對分子質量較高的化合物構成的材料。我們接觸的很多天然材料通常是高分子材料組成的，如天然橡膠 棉花 人體器官等。人工合成的化學纖維 塑料和橡膠等也是如此。一般稱在生活中大量採用的，已經形成工業化生產規模的高分子為通用高分子材料，稱具有特殊用途與功能的為功能高分子。樹枝，獸皮，稻草等天然...
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