复合导电高分子导电机理的研究.doc
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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date复合导电高分子导电机理的研究摘要摘要2第一章 前言111导电高分子材料概述112导电高分子材料应用213复合型导电高分子材料的构成414复合型导电高分子材料的分类、国内外发展现状51.4.1 抗静电剂填充型51.4.2金属填充型61.4.3碳系填充型7第二章炭黑填充型导电高分子92.1炭黑填充剂高分子导电材料92.2导电炭黑具备的特点102.3炭黑填充剂导电高分子制备
2、12第三章 炭黑填充型导电高分子导电机理研究143.1导电机理综述143.2渗流理论143.3隧道效应理论173.4场致发射效应理论183.5导电机理分析19第四章 结论204.1基体聚合物的影响204.2导电填料的影响204.3制备方法及制备工艺的影响214.4其他因素的影响214.5小结22第五章 展望23参考文献:25摘要导电高分子材料是20世纪70年代发展起来的一个新的研究领域,在化学电源的电极材料、修饰电极和酶电极、电色显示等方面有着广阔的应用前景。导电高分子特殊的结构和优异的物理化学性能使它成为材料科学的研究热点,作为不可替代的新兴基础有机功能材料之一,导电高分子材料在能源、光电子
3、器件、信息、传感器、分子导线和分子器件,以及电磁屏蔽、金属防腐和隐身技术上有着广泛、诱人的应用前景。到目前为止,导电高分子在分子设计和材料合成、掺杂方法和掺杂机理、可溶性和加工性、导电机理、光、电、磁等物理性能及相关机理以及技术上的应用探索都已取得重要的研究进展。本文介绍了复合导电高分子材料的结构,应用。并运量子力学隧道效应理论、渗流理论,场致发射效应理论对炭黑填充的复合型导电高分子材料导电机理进行了探讨,对影响导电性能的因素做了分析。综述了近些年来国内外复合型导电高分子材料研究领域的进展状况。关键字:导电高分子材料、炭黑填充剂、导电机理Abstract:The electric conduc
4、tion high polymer material is a new research area which the 20th century 70s develop, in chemistry power source electrode material, decorates the electrode and the enzyme electrode, the electricity color demonstrated and so on the aspects have the broad application prospect.The electric conduction h
5、igh polymer special structure and the outstanding physical chemistry performance causes it to become the materials science the research hot spot, took cannot be substituted one of emerging foundation organic Functional Materials, the electric conduction high polymer material in the energy, the photo
6、electron component, the information, the sensor, the molecular wire and the molecular component, as well as in the electromagnetic screen, the metal anticorrosion and the stealth technology has widely, the attractive application prospect.So far, the electric conduction high polymer in physical perfo
7、rmance and the correlation mechanism as well as the technical and so on in molecular design and material synthesis, doping method and doping mechanism, solubility and workability, electric conduction mechanism, light, electricity, magnetism application exploration all has made the important research
8、 progress.This article introduced the compound electric conduction high polymer material structure, the application.And transported the quantum mechanics tunnel effect theory, the transfusion theory, the field emission effect theory the multi-skill electric conduction high polymer material electric
9、conduction mechanism which filled to the carbon black has carried on the discussion, to affected the electric conductivity the factor to make the analysis.Summarized recent year the domestic and foreign multi-skill electric conduction high polymer material research area progress condition.Key words:
10、 conductive polymer materials, carbon black filling, electrical conductivity mechani sm,-第一章 前言长期以来,高分子材料由于具有良好的机械性能,作为结构材料得到了广泛的应用。关于导电性能,人们一直只利用高分子材料的介电性,将其作为电绝缘材料使用。而它的导电性的发现,研究及开发则比较晚, 直到1977年,日本筑波大学的白川英树和美国宾夕法尼亚大学的Macdiarmid等人合作研制出电导率接近金属铋的聚乙炔(电导率可提高约12 个数量级,最高可接近103S/ cm)之后,掀起了世界性的导电高分子研究热潮。近几
11、年来,导电高分子的研究取得了长足的发展,形成了一个十分活跃的边缘学科领域,它对电子工业、信息工业及新技术的发展具有重大的意义。现有的研究成果表明,发展导电高分子不仅可以满足人们对导电材料的需要,由于它兼具有机高分子材料的性能及半导体和金属的导电性能,重量轻,易加工成各种复杂的形状,化学稳定性好及电阻率可在较大范围内调节等特点。除此之外,在电子工业中的应用日趋广泛促进了现代科学技术的发展。因此,引起了学术界和工业界的广泛兴趣。但1980年以前这一领域主要是理论和实验物理学家的天地。自1980年以后,大批高分子化学家、物理学家把自己的研究兴趣转入这一领域,使这一领域得到了新的推动和发展。现在导电高
12、分子已不再是一个陌生的名词,各国科学家对其合成、结构、导电机理、性能、应用等方面经过多年的研究,已使其成为一门相对独立的科学。根据现有的技术,使普通绝缘有机高分子导电的方法主要有以下三种: 1 将金属、导电炭黑、导电纤维与普通绝缘高分子混合,制成填充型导电高分子材料; 2 通过高温裂解的方法将普通高分子材料石墨化,制成半导体材料; 3. 采用新型具有共轭结构的本征型导电高分子。导电高分子材料的研究,从其一开始应用。目的就十分明确,但人们对其发展前景还有些不同的看法。人们一直期望,导电高分子材料将来可能代替金属作为电缆材料,甚至发展到有机聚合物超导体,但在近20 年的研究过程中,人们逐渐认识到把
13、这类材料作为金属的代用品是不现实的。尽管如此,在对它们的物理、化学特性作了广泛深入的研究后,人们发现它们具有许多独特的光、电、磁性能。正是它们具有金属和其他高分子材料所无法比拟的这些特性,产生了许多可能的应用领域,使导电高分子的研究丰富多彩。目前应用主要从导电高分子的一些基本性质,如氧化还原性能、导电性能、掺杂反掺杂性能等研究出发。11导电高分子材料概述导电性高分子材料一般分为结构型和复合型两大类。结构型导电高分子聚合物是1977年才发现的,它是有机高分子掺杂后的聚乙炔,具有类似金属的电导率。而纯粹的结构型导电高分子聚合物至今只有聚氮化硫类,其它许多导电高分子采用氧化还原、离子化或电化学等手段
14、进行掺杂之后才能有较高的导电性。其代表性的产物有聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩、聚吡啶、聚苯硫醚等。还有一种叫作热分解导电高分子,这是把聚酰亚胺、聚丙烯腈等在高温下热处理,使之生成与石墨结构相近的物质,从而获得导电性。这些热分解导电高分子的特征是无须掺杂处理,故具有优异的稳定性。另一类被称之为复合型导电高分子材料,它是由导电性物质与高分子材料复合而成。这是一类已被广泛应用的功能性高分子材料。复合型导电高分子材料是以高分子材料为基体,经物理或化学改性后具有导电性的材料,根据在基体材料中所加入导电物质的种类不同又分为两类:填充复合型导电高分子材料和共混复合型导电高分子材料。填充复合型导电高分子材料通常是在
15、基体聚合物中加入导电填料复合而成。导电填料主要有抗静电材料、炭系材料(炭黑、石墨、碳纤维等)、金属氧化物系材料(氧化锡、氧化铅、氧化锌、二氧化钛等)、金属系材料(银、金、镍、铜等)、各种导电金属盐以及复合填料(银一铜、银一玻璃、银一碳、镍一云母等)等。共混复合型导电高分子材料是在基体材料中加入结构型导电高分子粉末或颗粒复合而成。本文重点讨论碳黑填充复合型导电高分子材料。12导电高分子材料应用导电高分子材料与金属材料相比,具有质量轻、易成型、耐腐蚀性好、可选择的电导率范围宽、结构易变和半导体特性、具有高电导率、可逆氧化还原性、不同氧化态下的光吸收特性、电荷储存性、导电与非导电状态的可转换性等。目
16、前,主要用于导电材料、可充电电池电极材料、光电显示材料、信息记忆材料、屏蔽和抗静电材料、电子器件等方面。1.作为导电材料导电高分子具有高电导率,在理论上讲,导电高分子应该成为金属电力输送材料的有力竞争者,但是对多数导电高分子材料来说,电导率相对较低,化学稳定性较差,在空气中很快失去导电性能,因此,作为电力输送材料与金属相比还有较大差距,在这方面的大规模应用开发还有待上述性能的改进。导电高分子可制成彩色或无色透明轻质导电薄膜。除了在传统的透明导电膜玻璃的应用范围内得到应用外,还可用作电子材料的基材,如在电场发光面板、液晶和透明面板、指示计检测仪器窗口的防静电和电磁屏蔽材料等方面已经应用,目前科学
17、家正集中精力进行开发薄型液晶显示的透明电极、透明开关面板、太阳能电池的透明电板等,估计在不久也将得到应用2.作为电极材料 导电高分子不仅来源广泛,而且重量轻、不污染环境,与无机电极材料相比,由导电高分子作为电极具有很高的能量比,电压特性好,这一优势对于以航空航天、以及电动汽车为应用对象的特种可充电电池的研制来说意义十分重大。根据其使用的掺杂剂不同,目前以导高分子材料为电极材料的二次电池主要有3种结构类型: 以导电高分子材料作为电池的阴极材料;作为阳极材料;电池中的阳极和阴极都由不同氧化态的导电高分子材料构成。作为阳极,导电高分子材料应进行p-型掺杂,被n-型掺杂的导电高分子材料则作为电池阴极。
18、作为电极材料,虽然经掺杂的聚乙炔的电导值已经超过1105 Scm,可是其充放电稳定性差,最终影响其进一步的应用,从而促使人们将研究目标转向聚吡咯、聚苯胺等其他环境稳定性较好的导电高分子品种。以导电高分子材料作电极的蓄电池具有较高的电容量和能量密度,充电效率也较高,具有很大的开发潜力。但要实际应用,其电解质及电池材料的稳定性仍是需要解决的问题。3.作为显示材料 导电高分子材料在电极电压的作用下,本身发生电化学反应,使其氧化态发生变化在氧化还原反应的同时,它的颜色在可见光区内发生明显改变,由此建立电压和颜色的对应关系。导电高分子材料电压显示器就是以电压和颜色的对应关系为依据。与液晶显示器相比,这种
19、装置的优点是没有视角的限制 。聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺是显色性和稳定性均较好的电显示材料。随着电压的变化,聚吡咯可在黄色一蓝紫色间变化上万次以上,聚噻吩也可在红色-蓝色间变化。4.作为电子器件 利用导电高分子制成的自限温发热材料是一种具有正温度系数的热敏电阻材料,其特点是随温度的升高,电阻率增加,当达到一定温度时,材料电阻率迅速增加至一极限值,发生导体向半导体的转变,自限温度通过高聚物掺杂配方的改变可在一定范围内加以调节 。这种材料可用于制备自限温加热器、过流保护元件及其他感温元件等,广泛应用于石化、农业、水产畜牧业、汽车、医疗保健及家庭日用品等诸多领域。虽然,目前多数导电高分子的电导率还达不到
20、液体电解质的水平,但由于高分子电解质可以制成厚度很小,面积很大的薄膜,使两电极间的绝对电导值可与液体电解质相比,满足实际需要。5.作为电磁屏蔽材料 导电涂料是一种功能性涂料,既有一般涂料的特点,又有导电功能,通常由合成树脂、导电填料、溶剂和添加剂组成,将其涂敷于物体表面而形成一层固体膜,产生导电效果。导电涂料用的合成树脂有丙烯酸树脂、环氧类树脂、聚氨酯和乙烯基树脂等,常见的导电填料有银、镍、铜及炭黑等。导电涂料用作电磁屏蔽的最大的优点是简单实用而且适用面较广。直接使用混有导电高分子制成仪器设备的外壳,而导电高分子具有防静电的特性,因此可用于电磁屏蔽,其成形与屏蔽一体化,而且成本低,不消耗资源,
21、目前已经研制出了保护用户免受电磁辐射的电脑屏保。这方面聚苯胺被认为是屏蔽电磁干扰最有希望的新材料。6.作为化学反应催化剂导电高分子材料还在分析化学、催化和化学敏感器的制作方面得到了应用。由于被p-型掺杂的高分子材料具有电子接受体功能,n-型掺杂的导电高分子材料具有电子给予体的功能,因此经过掺杂的导电高分子材料具有氧化还原催化功能 。将导电高分子材料固化到电极表面可以制成修饰电极,在电化学反应中可以作为电催化材料 。此外,它的光化学特性使其在光化学催化方面也有应用。导电高分子材料还可以作为抗静电材料、二次电池的电极材料、太阳能电池材料、电致变色材料、自然温发热材料等,在此方面的研究已取得了很大程
22、度的进展,且有些已经在生产中得到应用。13复合型导电高分子材料的构成复合型导电高分子材料是以高分子材料为基体,同时添加各种导电填料复合而成的具有导电功能的多相复合体系。复合型导电高分子材料既具有导电功能,同时又具有高分子材料的许多优异特性,而且可在较大范围内根据使用需求调节材料的电学和力学性能,成本较低制作简单易行,从而得到广泛的应用。复合型导电高分子材料主要由高分子材料、导电物质及其他辅助填料等通过一定的工艺方法复合而成。高分子材料是基体,主要有环氧树脂、聚酰胺酰亚胺等热固性树脂和聚氯乙烯、聚乙烯等热塑性树脂。常用的导电填料主要有碳黑、碳纤维、石墨等碳系填料和金属系填料,如金属粉,金属氧化物
23、,金属纤维等。 实际生产过程中应用较多的导电填料是碳黑。碳黑是一种有许多类似石墨结构的微晶体作无规则而紧密排列形成的半结晶体,它除了能赋予材料优良的导电性能外,还兼有防老化、改性等多种功能。14复合型导电高分子材料的分类、国内外发展现状复合型导电高分子材料的分类有很多种,根据电阻值的不同可分为:半导电体、除静电体、导电体、高导电体;根据导电填料的不同可分为:抗静电剂系、碳系(炭黑、石墨等)、金属系(各种金属粉末、纤维、片等);根据树脂的形态不同可分为:导电塑料、导电橡胶、导电涂料、导电胶粘剂、导电薄膜等;还可根据其功能不同分为:防静电材料、除静电材料、电极材料、发热体材料、电磁波屏蔽材料。1.
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- 复合 导电 高分子 机理 研究
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