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第二章导电高分子

一、导电高分子的定义与分类

导电高分子是指一类具有导电性能的高分子材料，它们通过共价键或物理掺杂等方式引入导电基团，从而在宏观上展现出良好的导电特性。导电高分子的导电性能通常以电阻率来衡量，电阻率越低，导电性能越好。根据导电机制的不同，导电高分子主要分为两类：本征导电高分子和掺杂导电高分子。本征导电高分子是通过共轭链的共轭长度和结构来提高其导电性能，如聚乙炔（Polyacetylene，PA）和聚苯胺（Polyaniline，PANI）等。这类高分子的导电性能受其分子结构的影响较大，共轭链越长，导电性能越强。例如，聚乙炔的导电率可以达到10^-2S/cm，远高于一般高分子材料。

掺杂导电高分子则是通过引入掺杂剂来提高其导电性能，掺杂剂可以是金属离子、金属纳米粒子或者有机小分子等。掺杂剂在聚合物中的分散性、浓度以及与聚合物基体的相互作用都会影响导电性能。研究表明，掺杂剂浓度在0.1%到1%之间时，导电性能可以得到显著提升。例如，聚苯胺在掺杂了金属离子Li+后，其电阻率可以从10^8Ω·cm降低到10^-2Ω·cm。此外，掺杂金属纳米粒子如碳纳米管（CNTs）和石墨烯（Graphene）等，也能有效提高导电高分子的导电性能。

在导电高分子的分类中，还有一种特殊的导电高分子，即导电复合材料。这类材料通过将导电高分子与各种填料（如碳黑、金属粉末等）复合，制备出具有优异导电性能的复合材料。例如，聚苯乙烯（PS）与碳黑复合后，其导电率可以从10^13Ω·cm提高到10^-3Ω·cm。导电复合材料的制备方法多样，包括溶液共混法、熔融共混法、原位聚合法等。这些复合材料在电子、能源、航空航天等领域具有广泛的应用前景。

以聚苯胺为例，作为一种典型的本征导电高分子，其导电性能与共轭链的长度密切相关。当共轭链长度从10个碳原子增加到30个碳原子时，其导电率可以从10^-4S/cm增加到10^-2S/cm。此外，聚苯胺的导电性能还受到其聚合度、掺杂剂种类和浓度等因素的影响。在实际应用中，聚苯胺被广泛应用于超级电容器、传感器、智能窗口等领域。例如，在超级电容器中，聚苯胺的比容量可以达到100F/g，远高于传统超级电容器材料。

二、导电高分子的结构与性能关系

(1)导电高分子的结构对其性能具有显著影响。共轭链的长度和连接方式是决定其导电性能的关键因素。共轭链越长，电子传输通道越长，导电性能通常越好。例如，聚乙炔的导电率随着共轭链的增长而增加。同时，共轭体系中π电子的离域程度也是影响导电性的重要因素。

(2)导电高分子的分子结构中，取代基的种类和位置也会影响其导电性能。取代基可以改变分子轨道的能级分布，从而影响电子的迁移率。例如，在聚苯胺中，苯环上的取代基可以通过改变π电子的离域程度来调节其导电性。此外，取代基的存在还可以影响材料的稳定性、溶解性和加工性能。

(3)导电高分子的导电性能还受到其结晶度和形貌的影响。结晶度高的导电高分子通常具有更好的导电性能，因为有序的晶格结构有利于电子的传输。然而，过高的结晶度可能会导致材料的机械性能下降。此外，导电高分子的形貌，如纳米纤维、纳米管等，可以通过提供更多的导电通道来提高其导电性。例如，碳纳米管由于其独特的结构和形貌，具有极高的导电性和力学性能。

三、导电高分子的制备方法

(1)导电高分子的制备方法主要包括溶液聚合、原位聚合、化学气相沉积、物理气相沉积等。溶液聚合是最常用的方法之一，如聚苯胺（PANI）的合成。在溶液聚合中，通过将苯胺单体与氧化剂在适当溶剂中混合，在一定的温度和pH条件下，苯胺发生氧化聚合反应，生成导电聚合物。例如，PANI的合成过程中，苯胺在过硫酸铵的氧化作用下，可以在几分钟内形成导电性能良好的薄膜。

(2)原位聚合是指聚合物在模板或基体上原位生长的过程。这种方法可以制备出具有特定形貌和尺寸的导电聚合物。例如，在碳纳米管（CNTs）的表面原位生长聚苯胺，可以得到具有良好导电性和机械性能的导电复合材料。原位聚合过程中，通过控制反应条件，可以调节导电高分子的分子量、形貌和尺寸。据报道，原位聚合制备的导电高分子薄膜的导电率可以达到10^4S/cm。

(3)化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）是另一种制备导电高分子的方法，适用于制备纳米尺度的导电结构。CVD法利用化学反应在基底上生长导电聚合物，如聚乙炔（PA）的CVD制备。在PVD法中，通过蒸发或溅射技术将导电聚合物沉积到基底上。例如，利用PVD法制备的聚吡咯（PPy）薄膜，其导电率可以达到10^5S/cm，且具有优异的透明性和柔韧性。这些方法在电子器件、能源存储和航空航天等领域具有广泛的应用前景。

四、导电高分子的应用领域

(1)导电高分子在电子器件领域具有广泛的应用。例如，聚苯胺（PA