导电聚合物教育课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,导电聚合物PPT讲座,主要内容,导电高分子,导电高分子的分类,复合导电高分子的制备方法及其导电机理,分子轨道理论,2,光电磁功能高分子是当今国际上最热门的研究课题,是最新兴的高科技领域,尤其是导电高分子领域,3,材料的导电率,反式聚乙炔,掺杂聚噻吩,掺杂聚吡咯,掺杂聚对苯撑乙烯,掺杂聚乙炔,10,24,(BEDT-TTF),2,Cu(SCN),2,(10.4K)C,60,K(38K),10,6,10,3,10,0,10,-3,聚噻吩,顺式聚乙炔,聚吡咯,聚对苯撑乙烯,聚对苯,尼龙,聚乙烯,聚苯乙烯,10,-6,10,-9,10,-12,10,-15,10,-18,YBa,2,Cu,3,O,7,(125K),金，银，铜,(SN)x,石墨,锗,硅,AgBr,水,超导体,金属,半导体,绝缘体,4,分类,超导体：,S.cm,-1,绝缘体：,10,-12,S.cm,-1,半导体：,（,=10,-12,10,2,S.cm,-1,金属导体：,=10,2,10,6,S.cm,-1,5,高分子具有导电性？,以前的看法：绝对是绝缘体塑料、橡胶与纤维,现在的认识：高分子材料也具有导电性，而且对国民经济和人民生活有着重要的贡献。,6,导电高分子的应用,可逆掺杂,聚合物电池、电致变色显示器、传感器、人工肌肉等,。,导体,电极、电磁波屏蔽、抗静电材料等,。,半导体,半导体器件：场效应晶体管、,(,发光,),光电二极管、太阳能电池等,.,聚合物发光电池,7,各种导电聚合物的室温导电性,8,9,10,11,12,可以电化学掺杂，也可以化学掺杂。目前研究的较多的是：聚乙炔、聚对苯撑、聚对苯撑乙烯、聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺。,13,新的学科,导电高分子诞生,七十年代末发现了导电聚合物,纯净的聚乙炔,-,绝缘体,首次通过掺杂使聚乙炔的电导率提高,12,个数量级,10,3,(,cm),-1,1977,-,新的交叉科学的诞生,2000,年诺贝尔奖,（,H.Shirakawa,MacDiarmid,Heeger,）,14,导电高分子的定义,导电率为,=10,-12,10,6,S.cm,-1,，,其本征态可能不导电，或者是半导体，但掺杂后成为半导体或导体。,15,能带理论的观点，可以将禁带宽度,E,g,4eV,的材料归入绝缘体，,E,g,4eV,的归入半导体。,（,请问导体的禁带宽度？,）,例如，在温度为,25,时，,Eg,0.6eV,的半导体的载流子浓度为,10,12,cm,-3,，而,Eg,5eV,的绝缘体载流子的浓度为,10,-20,cm,-3,.,10,-20,cm,-3,比凝聚态物质中原子密度（,10,22,cm,-3,）小得几乎可以忽略，所以极微量的杂质，也会对它们的导电性带来严重的影响。,16,分类,复合型导电材料,结构型导电材料,高分子和导电剂的种类,根据不同的电阻率时的分类,离子型,电子型,导电高分子的分类,17,结构型导电高分子与复合型导电高分子材料有本质区别,高分子材料本身不导电，,只是复合的材料添加剂,如碳黑、石墨导电。,18,定义,:,由高分子和导电剂,(,导电填料,),通过不同的复合工艺而构成的材料。,复合型导电高分子是以,普通的绝缘聚合物,为主,要基质（成型物质），并在其中掺入较大量的,导电填料,配制而成的。因此，无论在外观形式和制备方法方面，还是在导电机理方面，都与结构型导电高分子完全不同。,复合型导电高分子,19,(1),高分子和导电剂的种类,A,导电基本材料,:(,高分子,),从原则上讲，任何高分子材料都可用作复合型导电高分子的基质。在实际应用中，需根据使用要求、制备工艺、材料性质和来源、价格等因素综合考虑，选择合适的高分子材料。,目前用作复合型导电高分子基料的主要有,聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、,ABS,、环氧树脂、丙烯酸酯树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯、聚氨酯、聚酰亚胺、有机硅树脂,等。此外，,丁基橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶和天然橡胶,也常用作导电橡胶的基质。,20,导电高分子中,高分子基料的作用是将导电颗粒牢固地粘结在一起,，使导电高分子具有稳定的导电性，同时它还赋于材料加工性。高分子材料的性能对导电高分中的机械强度、耐热性、耐老化性都有十分重要的影响。,导电填料在复合型导电高分子中起提供,载流子,的作用,，因此，它的形态、性质和用量直接决定材料的导电性。,21,载流子,材料的导电性是由于物质内部存在的带电粒子的移动引起的。这些带电粒子可以是,正、负离子，也可以是电子或空穴,，统称为,载流子,。载流子在外加电场作用下沿电场方向运动，就形成电流。可见，材料导电性的好坏，与物质所含的载流子数目及其运动速度有关。,22,(1),高分子和导电剂的种类,B,导电填料,:(,导电剂,),碳 如,:,炭黑、碳纤维、石墨,金属 如,:,金属粉、金属薄片、金属丝条、金属纤维、金属镀玻璃纤维、金属喷镀玻璃片、金属喷镀玻璃珠,金属氧化物 如,:,氧化铅、氧化锡,23,部分导电填料的电导率,24,从表中可见，银粉具有最好的导电性，故应用最广泛。炭黑虽导电率不高，但其价格便宜，来源丰富，因此也广为采用。根据使用要求和目的不同，导电填料还可制成箔片状、纤维状和多孔状等多种形式。,25,高分子材料一般为有机材料，而导电填料则通为无机材料或金属。两者性质相差较大，复合时不容易紧密结合和均匀分散，影响材料的导，故通常还需对填料颗粒进行表面处理。如采用,表面活性剂、偶联剂、氧化还原剂,对填料颗粒进行处理后，分散性可大大增加。,26,复合型导电高分子的制备工艺简单，成型加工方便，且具有较好的导电性能。例如在,聚乙烯中加入粒径为,10,300m,的导电炭黑，可使聚合物变为半导体,(,10,-6,10,-12,-1,cm,-1,),，而,将银粉、铜粉等加入环氧树脂中，其电导率可达,10,-1,10,-1,cm,-1,，接近金属的导电水平。因此，在目前结构型导电高分中研究尚未达到实际应用水平时，复合型导电高分子不失为一类较为经济实用的材料。,27,复合型导电高分子目前已得到广泛的应用。如,酚醛树脂,炭黑导电塑料,，在电子工业中用作有机实芯电位器的导电轨和碳刷；,环氧树脂,银粉导电粘合剂,，可用于集成电路、电子元件，,PTC,陶瓷发热元件等电子元件的粘结；用,涤纶树脂与炭黑混合,后纺丝得到的导电纤维，可用作工业防静电滤布和防电磁波服装。此外，,导电涂料、导电橡胶,等各类复合型导电高分子材料，都在各行各业发挥其重要作用。,28,(2),根据不同的电阻率又分为：,A,半导体材料,B,防静电除静电材料,C,导电性材料,D,电阻体、电极材料,E,高导电性材料,29,30,复合型导电高聚物及其制备方法,复合型导电高分子所采用的复合方法主要有两种,:,将亲水性聚合物或结构型导电高分子与基体高分子进行共混；,另一种则是将各种导电填料填充到基体高分子中。,31,方法一,将结构型导电高分子材料与基体高分子在一定条件下共混成型,可获得具有多相结构特征的复合型导电高分子。它的导电性能由导电高分子的“渗流途径”决定,当导电高分子质量分数为,2%,3%,时,其体积电阻为,10,7,10,9,cm,可作抗静电材料使用。,研究表明,对于聚丙烯腈（,PAN,）,/,聚氯乙烯（,PVC,）或,PAN/PA,共混物,当,PAN,质量分数由,5%,增加到,15%,时,导电性突升,此后随,PAN,质量分数的继续增加,导电性升幅变小。,32,方法二,A.,炭黑,是天然的半导体材料,其体积电阻率为,0.110.0cm,。它不仅原料易得,导电性能持久稳定,而且可以大幅度调整复合材料的电阻率,(110,8,cm),。由炭黑填充制成的复合型导电高分子是目前用途最广、用量最大的一种导电高分子材料。,炭黑填充型导电高分子材料中炭黑通常,以粒子形式,均匀分散于基体高分子中,随着炭黑填充量的增加,粒子间距缩小,当接近或呈接触状态时,便形成大量,导电网络通道,导电性能大大提高,继续增加炭黑用量则对导电性影响不明显。,炭黑的导电性能与其,结构,、,比表面积,和,表面化学性质,等因素有关。此外,成型工艺,对炭黑填充高分子的导电性能也有影响。,33,方法二,B.,金属纤维,的填充量对导电性能的影响规律与炭黑填充的情形相类似。但由于纤维状填料的接触几率更大,因此在填充量很少的情况下便可获得较高的导电率。,金属纤维的,长径比,对材料的导电性能影响较大,长径比越大导电性和屏蔽效果就越好。目前复合型导电高分子材料中所采用的金属纤维的长径比一般为,50,60,相应的填充的体积分数为,10%,15%,便可获得良好的导电性、对氧的稳定性和良好的耐热性。,34,结构型导电高分子,定义：,结构型导电高分子又称本征型导电高分子（,intrinsically conducting polymer,，简称,ICP,），是指高分子材料本身或经过少量掺杂处理而具有导电性能的材料，其电导率可达半导体甚至金属导体的范围。,依导电时,载流子的种类,，结构型导电高分子主要分为：,（）,离子型,：离子型导电高分子通常又叫高分子固体电解质（,solid polymer electrolytes,，简称,SPE,），它们导电时的载流子主要是离子，例如：聚环氧乙烷、聚丁二酸乙二醇酯及聚乙二醇亚胺等。,（）,电子型,：电子型导电高分子指的是以共轭高分子为结构主体的导电高分子材料，导电时的载流子主要是电子（或空穴）。如,:,共轭聚合物乙炔、金属螯合型聚合物聚酞菁铜及高分子电荷转移合物、聚苯胺、聚对苯硫醚、聚吡咯、噻吩、聚哇啉等电子导电体。,35,结构型导电高分子,结构型导电高分子一般用电子高度离域的共轭聚合物经过适当电子给体或受体进行掺杂后制得。,36,复合型导电高聚物,结构型导电聚合物,导电回路如何形成,回路形成后如何导电,导电通道,机理,离子型导电高分子材料,电子型导电高分子材料,隧道效应,机理,场致发射,机理,非晶区扩散传导离子导电,自由体积导电理论,导电机理,37,复合型导电高聚物导电机理,复合型导电高分子材料的导电机理比较复杂。一般可分为导电回路如何形成以及回路形成后如何导电两个方面。,38,大量的实验研究结果表明,复合体系中导电填料的含量增加到某一临界含量时,体系的电阻率急剧降低,电阻率,导电填料含量曲线上出现一个狭窄的突变区域,见图,1,所示。在此区域中,导电填料含量的任何细微变化均会导致电阻率的显著改变,这种现象通常称为“渗滤”现象,在突变区域之后,体系电阻率随导电填料含量的变化又恢复平缓。,39,A,导电回路的形成,Miyasaka,等认为,高分子树脂基体与导电填料之间的界面效应,对复合体系中导电回路的形成具有很大的影响。,在复合型导电高分子材料的制备过程中,导电填料粒子的自由表面变成湿润的界面,形成聚合物,填料界面层,体系产生的界面能过剩。随着导电填料含量的增加,聚合物,填料的过剩界面能不断增大。当体系过剩界面能达到一个与聚合物种类无关的普适常数之后,导电粒子开始形成导电网络,宏观上表现为体系的电阻率突降。,40,B,回路形成后的导电,复合型导电高分子形成导电回路后导电主要取决于分布于高分子树脂基体中的,导电填料的电子的传输,。,41,通常导电填料加入聚合物基体中后,不可能真正达到均匀分布,因此总,有部分,导电粒子能够互相接触而形成,链状导电通道,使复合材料导电,;,而,另一部分,导电粒子则以孤立粒子或小聚集体形式分布在绝缘的树脂基体中,基本上不参与导电。,但是,由于导电粒子之间存在着内部电场,如果这些孤立粒子或小聚集体之间距离很近,中间只被很薄的树脂层隔开,那么由于,热振动而被激活的电子,就能越过树脂界面层所形成的势垒而跃迁到相邻的导电粒子上,形成较大的隧道电流,这种现象在量子力学中被称为,隧道效应,;,或者是,导电粒子间的内部电场很强,时,电子将有很大的几率飞越树脂界面层势垒而跃迁到相邻的导电粒子上产生,场致发射电流,。这时树脂界面层起着相当于内部分布电容的作用。,42,因此,对于复合型导电高分子材料,存在着,导电通道、隧道效应、场致发射,3,种导电机理,复合型导电高分子的导电性能是这,3,种导电机理作用的竞争结果。在不同情况下出现以其中一种机理为主导的导电现象。,43,结构型高聚物的电导类型,电子电导：,电子（空穴）的定向迁移。通常它在高电场或低温下占优势；,离子电导：,正、负离子的定向迁移。一般它在低电场或高温下占优势。,44,电子与离子电导的特性,45,电导的基本概念,q,为载流子电荷；,n,为载流子浓度；,为载流子的迁移率，代表在单位电场作用下载流子沿外电场方向的平均迁移速度，其单位为,m,2,/Vs,。,当材料含用多种载流子时，电导率的普通式为：,46,影响电导率的因素,环境条件（包括温度、湿度、电离辐射等）,电场强度,E,自身的化学组成与结构、分子量及其分子量分布、增塑、结晶度、聚集态结构以及一切能影响高聚物结构的因素都密切相关,47,结构导电聚合物导电机理,后续各章详细介绍,48,分子轨道理论基本知识,基态分子吸收紫外可见及近红外光，使占据轨道上的一个电子跃迁到空轨道时就处于光致电子激发态。光化学是研究这种电子激发态的光物理和光化学行为的一门学科。分子对于紫外可见及近红外光的吸收性质由紫外可见吸收光谱给出，紫外可见吸收光谱是研究功能分子的光电性质及其电子结构的重要测试手段。,49,轨道相互作用原理,就是轨道混合原则。,分子轨道理论认为分子轨道是由原子轨道线性组合而成的。,50,分子轨道理论抛弃了分子中成键电子对定域在特定原子间的概念，而是把电子描述成分布在能量不连续的一系列分子轨道之间。,这个理论以薛定谔方程为基础，,H,=,E,是描述轨道的波函数，,H,是哈密顿算符，,E,是特定轨道上电子的能量。总的电子能量是各个电子能量的总和,。,51,在数学上把分子轨道处理为原子轨道的线性组合，因此，波函数,是用各个原子轨道乘上权重因子后的总和来表示：,=,C,1,1,+,C,2,2,+,C,n,n,这种方法称为,原子轨道线性组合,-,分子轨道（,LCAO-MO,）近似法,。所选的原子轨道的这种组合叫做,基组集合,。,分子轨道的数目（成键的,+,非键的,+,反键的）等于产生分子轨道的基组集合中原子轨道的总数：即有多少原子轨道就产生多少分子轨道。,52,成键组合的特点是正重叠，其系数的符号相同，而反键组合的特点是负重叠，系数符号相反。,电子填充到轨道中去要遵守,填充原理,（先占据最低能量的轨道，并且每个轨道最多容纳两个电子）,。,根据组成分子轨道,(MO),的各原子轨道,(AO),的系数和它填充的电子数，可计算出组成它的各原子的电子密度,。,53,休克尔（,Hckel,）分子轨道理论,休克尔（,Hckel,）分子轨道理论,主要用于处理共轭体系,，它认为：,体系能在不考虑共轭的,骨架的情况下单独地进行处理，并且在决定芳香和多烯化合物的物理、化学和波谱性质时，最重要的正是,体系,。,由于,体系和,体系的正交性，所以把它们彼此独立地进行处理是合理的。,平面形共轭体系的,骨架处于,体系的节面上，所以不与它相互作用,。,54,乙烯的分子轨道,55,对组成分子轨道的各原子轨道系数的考察，我们可以看到,：,在最低能量轨道,1,中全部系数都具有相同的符号，并且在波函数中发生符号改变的次数随轨道能量的增加而增加。,对于成键轨道来说，成键相互作用（正重叠）数目比反键相互作用（负重叠）数目多，而反键轨道的情况正好相反,。,56,Thanks for your attention,！,57,