导电高分子详解

1导电高分子2概念导电高分子的基本概念物质按电学性能分类可分为：1.绝缘体2.半导体3.导体4.超导体高分子材料通常属于绝缘体的范畴。但1977年美国科学家黑格（A.J.Heeger）、麦克迪尔米德（A.G.MacDiarmid）和日本科学家白川英树（H.Shirakawa）发现掺杂聚乙炔具有金属导电特性以来，有机高分子不能作为导电材料的概念被彻底改变。3所谓导电高分子是由具有共轭π键的高分子经化学或电化学“掺杂”使其由绝缘体转变为导体的一类高分子材料。它完全不同于由金属或碳粉末与高分子共混而制成的导电塑料。通常导电高分子的结构特征是由有高分子链结构和与链非键合的一价阴离子或阳离子共同组成。即在导电高分子结构中，除了具有高分子链外，还含有由“掺杂”而引入的一价对阴离子（p型掺杂）或对阳离子（n型掺杂）。4高分子同时具有：结构的可分子设计性可加工性密度小从广义的角度来看，导电高分子可归为功能高分子的范畴。导电高分子具有特殊的结构和优异的物理化学性能使它在能源、光电子器件、信息、传感器、分子导线和分子器件、电磁屏蔽、金属防腐和隐身技术方面有着广泛、诱人的应用前景。5按照材料的结构与组成，可将导电高分子分成两大类。一类是结构型（本征型）导电高分子，另一类是复合型导电高分子。结构型导电高分子结构型导电高分子本身具有“固有”的导电性，由聚合物结构提供导电载流子（包括电子、离子或空穴）。这类聚合物经掺杂后，电导率可大幅度提高，其中有些甚至可达到金属的导电水平。导电高分子的类型6迄今为止，国内外对结构型导电高分子研究得较为深入的品种有聚乙炔、聚对苯硫醚、聚对苯撑、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩以及TCNQ传荷络合聚合物等。其中以掺杂型聚乙炔具有最高的导电性，其电导率可达5×103～104Ω-1·cm-1（金属铜的电导率为105Ω-1·cm-1）。7目前，对结构型导电高分子的导电机理、聚合物结构与导电性关系的理论研究十分活跃。应用性研究也取得很大进展，如用导电高分子制作的大功率聚合物蓄电池、高能量密度电容器、微波吸收材料、电致变色材料，都已获得成功。8但总的来说，结构型导电高分子的实际应用尚不普遍，关键的技术问题在于大多数结构型导电高中不稳定，导电性随时间明显衰减。此外，导电高分子的加工性往往不够好，也限制了它们的应用。科学家们正企图通过改进掺杂剂品种和掺杂技术，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。9复合型导电高分子复合型导电高分子是在本身不具备导电性的高分子材料中掺混入大量导电物质，如炭黑、金属粉、箔等，通过分散复合、层积复合、表面复合等方法构成的复合材料，其中以分散复合最为常用。10与结构型导电高分子不同，在复合型导电高分子中，高分子材料本身并不具备导电性，只充当了粘合剂的角色。导电性是通过混合在其中的导电性的物质如炭黑、金属粉末等获得的。由于它们制备方便，有较强的实用性，因此在结构型导电高分子尚有许多技术问题没有解决的今天，人们对它们有着极大的兴趣。复合型导电高分子用作导电橡胶、导电涂料、导电粘合剂、电磁波屏蔽材料和抗静电材料，在许多领域发挥着重要的作用。11超导体高分子超导体是导体在一定条件下，处于无电阻状态的一种形式。超导现象早在1911年就被发现。由于超导态时没有电阻，电流流经导体时不发生热能损耗，因此在电力远距离输送、制造超导磁体等高精尖技术应用方面有重要的意义。12目前，巳经发现的许多具有超导性的金属和合金，都只有在超低温度下或超高压力下才能转变为超导体。显然这种材料作为电力、电器工业材料来应用，在技术上、经济上都是不利的，因此，研制具有较高临界超导温度的超导体是人们关切的研究课题。13一般认为，四类聚合物具有导电性：高分子电解质、共轭体系聚合物、电荷转移络合物和金属有机螯合物。其中除高分子电解质是以离子传导为主外，其余三类聚合物都是以电子传导为主的。这几类导电高分子目前都有不同程度的发展。下面主要介绍共轭体系聚合物。14共轭聚合物的电子导电共轭体系的导电机理共轭聚合物是指分子主链中碳—碳单键和双键交替排列的聚合物，典型代表是聚乙炔：－CH=CH－由于分子中双键的π电子的非定域性，这类聚合物大都表现出一定的导电性。15按量子力学的观点，具有本征导电性的共轭体系必须具备两条件。第一，分子轨道能强烈离域；第二，分子轨道能互相重叠。满足这两个条件的共轭体系聚合物，便能通过自身的载流子产生和输送电流。在共轭聚合物中，电子离域的难易程度，取决于共轭链中π电子数和电子活化能的关系。理论与实践都表明，共轭聚合物的分子链越长，π电子数越多，则电子活化能越低，亦即电子越易离域，则其导电性越好。下面以聚乙炔为例进行讨论。16聚乙炔具有最简单的共轭双键结构：(CH)x。组成主链的碳原子有四个价电子，其中三个为σ电子（sp2杂化轨道），两个与相邻的碳原子连接，一个与氢原子链合，余下的一个价电子π电子(Pz轨道)与聚合物链所构成的平面相垂直（下图）。17图5—1(CH)x的价电子轨道18随π电子体系的扩大，出现被电子占据的π成键态和空的π*反键态。随分子链的增长，形成能带，其中π成键状态形成价带，而π*反键状态则形成导带（图5—2）。如果π电子在链上完全离域，并且相邻的碳原子间的链长相等，则π－π*能带间的能隙（或称禁带）消失，形成与金属相同的半满能带而变为导体。19图5—2共轭体系Ax的长度x与成键—反键电子状态EGEgA2A4A8A16AnAnAnππ*20从图中可见，要使材料导电，π电子必须具有越过禁带宽度的能量EG，亦即电子从其最高占有轨道（基态）向最低空轨道（激发态）跃迁的能量ΔE（电子活化能）必须大于EG。研究表明，线型共轭体系的电子活化能ΔE与π电子数N的关系为：（5—9）)(108.192eVNNE21反式聚乙炔的禁带宽度推测值为1.35eV，若用式（5—9）推算，N＝16，可见聚合度为8时即有自由电子电导。除了分子链长度和π电子数影响外，共轭链的结构也影响聚合物的导电性。从结构上看，共轭链可分为“受阻共轭”和“无阻共轭”两类。前者导电性较低，后者则较高。22第五章导电高分子受阻共轭是指共轭链分子轨道上存在“缺陷”。当共轭链中存在庞大的侧基或强极性基团时，往往会引起共轭链的扭曲、折叠等，从而使π电子离域受到限制。π电子离域受阻程度越大，则分子链的电子导电性就越差。如下面的聚烷基乙炔和脱氯化氢聚氯乙烯，都是受阻共轭聚合物的典型例子。23RRRRRClCl聚烷基乙炔σ＝10-15～10-10Ω-1·cm-1脱氯化氢PVCσ＝10-12～10-9Ω-1·cm-124无阻共轭是指共轭链分子轨道上不存在“缺陷”，整个共轭链的π电子离城不受响。因此，这类聚合物是较好的导电材料或半导体材料。例如反式聚乙炔，聚苯撑、聚并苯、热解聚丙烯腈等，都是无阻共轭链的例子。顺式聚乙炔分子链发生扭曲，π电子离域受到一定阻碍，因此，其电导率低于反式聚乙炔。CHCHCHCH聚乙炔顺式：σ＝10-7Ω-1·cm-1反式：σ＝10-3Ω-1·cm-1聚苯撑σ＝10-3Ω-1·cm-1聚并苯σ＝10-4Ω-1·cm-1NNNNN热解聚丙烯腈σ＝10-1Ω-1·cm-1从前面的讨论可知，尽管共轭聚合物有较强的导电倾向，但电导率并不高。反式聚乙炔虽有较高的电导率，但精细的研究发现，这是由于电子受体型的聚合催化剂残留所致。如果完全不含杂质，聚乙炔的电导率也很小。然而，共轭聚合物的能隙很小，电子亲和力很大，这表明它容易与适当的电子受体或电子给体发生电荷转移。共轭聚合物的掺杂及导电性27例如，在聚乙炔中添加碘或五氧化砷等电子受体，由于聚乙炔的π电子向受体转移，电导率可增至104Ω-1·cm-1，达到金属导电的水平。另一方面，由于聚乙炔的电子亲和力很大，也可以从作为电子给体的碱金属接受电子而使电导率上升。这种因添加了电子受体或电子给体而提高电导率的方法称为“掺杂”。28共轭聚合物的掺杂与无机半导体掺杂不同，其掺杂浓度可以很高，最高可达每个链节0.1个掺杂剂分子。随掺杂量的增加，电导率可由半导体区增至金属区。掺杂的方法可分为化学法和物理法两大类，前者有气相掺杂、液相掺杂、电化学掺杂、光引发掺杂等，后者有离子注入法等。掺杂剂有很多种类型。29典型的共轭聚合物除前面提到的聚乙炔外，聚苯撑、聚并苯，聚吡咯、聚噻吩等都是典型的共轭聚合物。另外一些由饱和链聚合物经热解后得到的梯型结构的共轭聚合物，也是较好的导电高分子，如热解聚丙烯腈、热解聚乙烯醇等。下面介绍几种典型的共轭聚合物。30聚乙炔是一种研究得最为深入的共轭聚合物。它是由乙炔在钛酸正丁酯—三乙基铝[Ti(OC4H9)—AlEt3]为催化剂、甲苯为溶液的体系中催化聚合而成；当催化剂浓度较高时，可制得固体聚乙炔。而催化剂浓度较低时，可制得聚乙炔凝胶，这种凝胶可纺丝制成纤维。聚乙炔为平面结构分子，有顺式和反式两种异构体。在150℃左右加热或用化学、电化学方法能将顺式聚乙炔转化成热力学上更稳定的反式聚乙炔。顺式聚乙炔反式聚乙炔σ=10-3Ω-1·cm-1σ=10-7Ω-1·cm-1聚乙炔虽有较典型的共轭结构，但电导率并不高。反式聚乙炔的电导率为10-3Ω-1·cm-1，顺式聚乙炔的电导率仅10-7Ω-1·cm-1。但它们极易被掺杂。经掺杂的聚乙炔，电导率可大大提高。例如，顺式聚乙炔在碘蒸气中进行P型掺杂（部分氧化），可生成(CHIy)x(y＝0.2～0.3)，电导率可提高到102～104Ω-1·cm-1，增加9～11个数量级。可见掺杂效果之显著。表5—2是顺式聚乙炔经掺杂后的电导率。聚乙炔最常用的掺杂剂有五氟化砷(AsF5)、六氟化锑(SbF6)，碘(I2)、溴(Br2)，三氯化铁(FeCl3)，四氯化锡(SnCl4)、高氯酸银(AgClO4)等。掺杂量一般为0.01％～2％（掺杂剂/—CH＝）。研究表明，聚乙炔的导电性随掺杂剂量的增加而上升，最后达到定值。当掺杂剂用量达到2％之后，电导率几乎不再随掺杂剂用量的增加而提高。若将掺杂后的聚乙炔暴露在空气中，其电导率随时间的延长而明显下降。这是聚乙炔至今尚不能作为导电材料推广使用的主要原因之一。例如电导率为104Ω-1·cm-1的聚乙炔，在空气中存放一个月，电导率降至103Ω-1·cm-1。但若在聚乙炔表面涂上一层聚对二甲苯，则电导率的降低程度可大大减缓。聚乙炔是高度共轭的刚性聚合物，不溶不熔，加工十分困难，也是限制其应用的—个因素。可溶性导电聚乙炔的研究工作正在进行之中。35聚苯硫醚（PPS）是近年来发展较快的一种导电高分子，它的特殊性能引起人们的关注。聚苯硫醚是由二氯苯在N—甲基吡咯烷酮中与硫化钠反应制得的。ClClnNa2SSn2nNaClnPPS是一种具有较高热稳定性和优良耐化学腐蚀性以及良好机械性能的热塑性材料，既可模塑，又可溶于溶剂，加工性能良好。纯净的聚苯硫醚是优良的绝缘体，电导率仅为10-15～10-16Ω-1·cm-1。但经AsF5掺杂后，电导率可高达2×102Ω-1·cm-1。由元素分析及红外光谱结果确认，掺杂时分子链上相邻的两个苯环上的邻位碳—碳原子间发生了交联反应，形成了共轭结构的聚苯并噻吩。Page·37I2，Br2等卤素没有足够的氧化能力来夺取聚苯硫醚中的电子，SO3、萘钠等会使聚苯硫醚降解，因此都不能用作掺杂剂。比聚苯硫醚空间位阻大的聚间苯硫醚(MPS)，用AsF5掺杂的效果较差，电导率仅为10-1Ω-·cm-1。SSSPage·38热解聚丙烯腈是一种本身具有较高导电性的材料，不经掺杂的电导率就达10-1Ω-1·cm-1。它是由聚丙烯腈在400～600℃温度下热解环化、脱氢形成的梯型含氮芳香结构的产物。通常是先将聚丙烯腈加工成纤维或薄膜，再进行热解，因此其加工性可从聚丙烯腈获得。同时由于其具有较高的分子量，故导电性能较好。由聚丙烯腈热解制得的导电纤维，称为黑色奥纶（BlackOrlon）。聚丙烯腈热解反应式为：Page·39CHCH2CHCH2CHCH2CNCNCN高温焦化CHCH2CHCH2CHCNCNCCCHCCHCCNCNC脱氢