功能高分子04-电功能高分子讲义.ppt

第四章电功能高分子材料;内容提纲;电功能高分子材料包括主要以下类型： 导电高分子材料 高分子驻极体材料--在电场作用下，材料永久或伴 永久极化现象，用于压电材料。 高分子电致变色材料 高分子电致发光材料 高分子介电材料--在电场作用下，材料极化能力大大提高，以极化方式贮存电荷的高分子材料。 高分子电极修饰材料--对电极表面进行修饰，改变其性质，提高使用效果。;1. 概述;材料的电导率是一个跨度很大的指标。从最好的绝缘体到导电性非常好的超导体，电导率可相差40个数量级以上。; 通常所说的导电高分子是指电导率在半导体和导体之间的高分子。;1.1 导电高分子的发现; 70年代初，日本化学家Shirakawa发现他可用一种新方法合成多炔，并可以在反应器内部出现的黑色的多炔薄膜上控制顺式和反式两种结构的比例。在一次偶然而又充满运气的失误中， Shirakawa向原料中多加入1000倍的催化剂，结果让Shirakawa非常吃惊：一层美丽的银色薄膜出现了。 　　Shirakawa为他自己的发现所激励。这层银色的薄膜是由反式多炔组成，在不同温度下所进行的相应的反应中出现了紫铜色的薄膜。紫铜色的薄膜是由顺式多炔组成。这种通过变化T和cCat来控制组成的方法后来成为发展聚合物导电体的决定性因素。 　　;　　这时，美国化学家MacDiarmid和物理学家Heeger正在用无机聚合物氮化硫形成的类似金属的薄膜进行实验。MacDiarmid认为他们的发现起源于日本东京的一个学术交流会。如果没有这次会议，以及MacDiarmid在会议的咖啡 休息时间很偶然地碰见了Shirakawa，也许这个故事到此就已结束了。 当MacDiamid得知Shirakawa发现了由有机聚合物形成的闪光薄膜后，他邀请Shirakawa到费城宾夕法尼亚大学访问。他们着手通过碘蒸气氧化改良了多炔。Shirakawa知道在氧化过程中多炔的光学性质会发生改变．MacDiamid建议请物理学家Heeger来看一看这个膜。Heeaer让他的一位学生来测量这一薄膜的导电性，这个学生经测量发现，这个掺杂了碘的反式多炔薄膜的导电性增加了上千万倍! ;　　1977年夏天，Heeger、MacDiamid和Shirakawa以及其他合作的同事共同将他们的发现写成题为“合成导电的有机高分子：多炔的卤素衍生物”论文，发表在英国皇家学会出版的《化学会志》(the Journal of Chemical Society， Chemical．Communications)。这一发现是一个伟大的突破，从此以后，这一领域的发展突飞猛进，并产生了许多新的激动人心的应用。 有科学家说： “现在研究更集中在半导体高分子上。但所有这一切都基于科学家们早期的基础概念。”聚合物成为具有金属性质的第一个条件是聚合物具有共轭双键，既组成聚合物的分子由单、双键交替组成。还必须是通过氧化过程移走材料中的电子，或是在材料中加入电子，这一过程被称之为掺杂。 ;导电性聚乙炔的出现不仅打破了高分子仅为绝缘体的传统观念，而且为低维固体电子学和分子电子学的建立打下基础，而具有重要的科学意义。上述三位科学家因此分享2000年诺贝尔化学奖。;“For the discovery and development of conductive polymers”;铜色;导电高分子是分子由许多小的、重复出现的结构单元组成的材料，即具有明显聚合物特征，如果在其两端加上一定电压，在材料中应有电流流过，即具有导体的性质。同时具备上述两条性质的材料我们称其为导电高分子。 导电高分子具有质量轻、易成型、电阻率可调节、可通过分子设计合成出具有不同特性的导电性等特点。 大多数聚合物中离子电导和电子电导同时存在，及外界条件，以其中一个为主导机理。;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，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。 结构型导电高分子材料主要有：a) π共轭系高分子，如聚乙烯、线形聚苯、聚氮化硫等；b) 金属螯合物型高分子，如聚酞菁铜等；c)电荷转移型高分子络合物，如聚阳离子、TCNQ金属络聚合物等。;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，接近金属铜的电导率为105S·cm-1。 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