汤杰
国家太阳能光伏产品质量监督检验中心 214100
摘要：目前对导电高分子材料的研究主要集中在填充型导电高分子材料的开发，并对新型填料的种类、形貌、性能、导电机理进行了系统的研究，可以预测，在今后的研究生产中，导电高分子材料导电模型建立及导电机理的深入研究将成为新型导电高分子材料开发的关键。
关键词：导电机理；导电高分子；电子电器
1导电高分子材料的制备
1.1本征型导电高分子材料
本征型导电高分子材料是指本身具备导电性能的高分子，又称结构型导电高分子材料，其导电性主要是通过分子结构内部的π共轭结构来提供导电载流子来实现的，因此共轭型高分子是本征型导电高分子材料最常选用的一种材料。根据量子力学理论可知，当共轭型高分子内的分子轨道相互重叠时会发生离域，在有外电场存在的情况下，电子就会脱离价带或者主链结构，高分子内部会形成电流，从而具备良好的导电性。在这类高分子中，π电子数目随着其分子链长的增大而增多，π电子挣脱能带所需的活化能越低，电子离域现象就越易发生，高分子材料的导电性就越优异。
(1)含大型离域π键的导电高分子材料。
对分子结构进行设计，使高分子链上存在大量的离域π电子，是增加高分子导电性的有效方法。最早使用的大型离域型本征导电高分子材料为聚乙炔，其线型链结构及分子内部存在的大量π键，因此聚乙炔的电导率甚至可高达105 S／cm，能够与传统的Cu和Au等高导电金属相媲美。然而聚乙炔的稳定性较差，在空气中容易被氧化而发生快速降解，难以应用于工业材料领域。此外，聚吡咯(PPy)、聚噻吩、聚苯胺(PANI)等含有π共轭结构的导电高分子材料也都在电子材料领域中得到一定应用，但其导电性能有限，需要进行进一步的改性。
(2)化学掺杂型共轭结构导电高分子材料。
化学掺杂的方法虽然可以简单有效地提高共轭高分子导电性，但是多数掺杂剂都是质子酸、碱金属、卤素、过渡金属卤化物等，在一定程度上存在着稳定性差、易氧化等缺点，严重制约了其作为导电高分子材料的应用，难以进行大规模工业化生产。因此，在未来的发展中，开发更加高效稳定的掺杂剂是本征型导电高分子材料研究的一个重要方向。
(3)其它本征型导电高分子材料。
30s左右实现自修复；此外，这种导电水凝胶具有良好的可逆性，能够较易被加工成不同形貌，在3D打印及柔性电子元器件的制备中表现出良好的潜力。这些新型本征导电高分子材料的研发能够极大拓展其在各个新兴领域中的应用。本征型导电高分子材料具有制备步骤简单、产物结构可调控等优点，但大部分本征导电高分子材料稳定性不足、导电性有限且可加工性较差，因此在实际生产中应用较为有限，目前的研究主要集中于导电性能增强及加工工艺优化。
1.2填充型导电高分子材料
填充型导电高分子材料是指在高分子材料内部加入一定量的导电填料，当填料含量达到一定程度时，填料之间发生相互接触而形成导电网络，为电子流动提供通路，从而赋予高分子材料良好导电性能。填充型导电高分子材料又称为复合型导电高分子材料。填充型导电高分子材料的导电性能与材料内部导电通路的数目有关，其导电性能随着填料含量的增加而发生变化，且在填料含量达到一个特定值时产生突变。目前最常用的导电填料为金属及其氧化物颗粒、碳系纳米材料及新型复合粒子。该方法具有生产过程简单、可操作强等优点。
1．3其它导电高分子材料
除了以上两种常见的导电高分子材料外，一些其它类型的导电高分子材料也在逐渐被开发，为节约材料制备成本、提高材料导电性能提供了新的思路。其中，天然高分子材料具有良好的环境友好性，在用作导电材料时能够进行可循环利用。以漂白软木浆中的纳米纤维素和PPy作为原料，以氯化铁作为氧化剂，通过原位聚合法制备出了包覆PPy涂层的纳米纤维素，并对其导电性能进行研究。结果表明，当PPy添加量为20%时其电导率可高达5.2×10–2S／cm，且具有较高的柔韧性和良好的力学性能。该导电材料在可生物降解的柔性薄膜晶体管或柔性生物传感器中表现出良好的应用。
2导电高分子材料的应用
2.1在电子电器材料中的应用
电子信息技术的飞速发展为电子电器材料提出了新的要求，功能性高分子材料作为工业产业中的重要组成部分也面临更多的机遇和挑战。导电高分子材料在不同电子传感器、储能材料以及电容器中得到越来越多的应用，极大降低了原材料的成本。采用原位聚合法制备了具有核–壳结构的PANIs／棒状纳米纤维素复合材料，该材料与纯PANIs相比具有更为优异的成膜性能，以其制备的纳米复合膜在电解质溶液中具有良好的电化学和电致变色性能，是一种性能优良的新型电致变色材料。以PPy作为树脂基体，将其和硫化镍共同沉积在细菌纤维素表面，制备出了具有良好柔韧性和导电性的三元复合材料，可以应用于超级电容器材料。
2.2在生物医学中的应用
PANIs，PPy以及聚(3，4–乙烯二氧噻吩)(PEDOT)等高分子材料，作为新一代合成聚合物，不但具有良好的导电性能，而且制备过程简单，且生物相容性良好，因此能够作为生物敏感组织修复材料、人造肌肉、医药缓释材料等。以氨基苯胺三聚体、二甲羟丙酸、聚丙交酯和六亚甲基二异氰酸酯为原料，合成了具有电活性的弹性聚氨酯–脲共聚物，用该材料制备出的薄膜不但具有良好的生物可降解性、弹性、电活性及润湿性，而且能够促进成肌细胞的增殖及分化而形成肌管，能够作为生物肌管的替代材料。通过自由基聚合反应制备了PEDOT／聚丙烯酸水凝胶，该材料具有多孔三维支架结构，并表现出明显的溶胀比和优异的力学性能，且其电活性能够在生理条件下促进成肌细胞的增殖和分化，是一种制备导电生物工程结构体的新方法。
2.3在环境保护领域中的应用
导电高分子材料骨架上带有一定正电荷，吸附性能及再生性能优异，能够与水中的污染物发生静电作用及离子交换，从而实现对污染物的吸附。选择比表面积较大、表面含有大量羟基的金属氧化物TiO2，制备出PPy／TiO2导电复合材料，并以其作为吸附剂对饮用水中的氟离子进行处理。结果表明，PPy／TiO2导电高分子材料能够通过静电吸附、离子交换以及螯合作用，对氟离子具有良好的吸附性能，且可重复多次使用。该研究为导电高分子材料在污水处理中的应用奠定了理论基础。将碳纳米管通过原位生长的方法修饰在碳化的织物表面，制备出超灵敏导电全纺织气流传感器，这种导电传感器具有较低的检出极限和快速的响应时间，能够灵活检测风速的增加和减少，提醒人们在行进中可能遇到的潜在危险。通过海藻酸钠纳米纤维的静电纺丝、钠银离子交换和银纳米粒子的原位还原三个步骤制备了Ag／海藻酸盐纳米纤维，这种纳米纤维在相对湿度20%～85%的环境中表现出良好的湿度敏感性，在不同环境下对湿度进行测量及控制领域具有较大的应用潜力。
结语
综上述，笔者在对不同导电高分子材料制备方法进行总结的基础上，讨论了其在电子电器、生物医学以及环境保护领域的相关应用，并展望了导电高分子材料未来的研究发展方向。
参考文献
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