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导电高分子领域诞生了超高分子量聚乙烯板

高分子材料也能导电

自从1976 年美国宾夕法尼亚大学的化学家Mac Diarmid 领导的研究小组首次发现掺杂后的聚乙炔(Poly acetylene , 简称PA)具有类似金属的导电性以后, 人们对共轭聚合物的结构和认识不断深入和提高, 新型交叉学科———

2000年10月10日,瑞典皇家科学院宣布了2000年诺贝尔化学奖获得者,他们是美国加利福尼亚大学的物理学家艾伦·J·黑格教授、美国宾夕法尼亚大学的化学家艾伦·G·马克迪亚米德教授和日本筑波大学的化学家白川英树教授 ,他们的重要贡献是发现了导电塑料。


白川英树的科研成果对计算机和信息技术的发展有突出贡献。计算机和信息科学的主要硬件是无机半导体的超大规模集成芯片。电路的线宽已窄至0.1微米,接近极限。进一步提高集成度要向分子器件发展,使单个分子具有器件功能。由于有机分子结构具有多样性,而且易于改变,便于制备分子器件。可以推测,伴随分子器件的出现,计算机的速度和存储将增大108倍,这相当于现在计算机工业40年的发展。半导体塑料将在更多方面得到广泛的应用,如手机显示、大型平板显示、可折叠电脑屏幕和太阳能电池等。

20世纪70年代前期,日本化学家白川英树教授用一种新的方法合成了黑色聚乙炔薄膜。他的学生看错了配方,误加入成千倍催化剂,结果令人大吃一惊,合成了漂亮的银白色薄膜。此时,在世界的另一边,化学家马克迪亚米德和物理学家黑格正在合作从事无机聚合物的金属薄膜研究。1976年,在东京的一次访问报告时,马克迪亚米德在中间休息时偶遇白川英树。当马克迪亚米德知道白川英树的发现后,他马上邀请白川英树去在美国费城的宾夕法尼亚大学。在那里,他们通过加入碘蒸气来改变聚乙炔。白川英树知道在掺杂后,材料的光学性质发生了改变。马克迪亚米德建议请当时同在该校任教的物理学家黑格来看看合成的薄膜。黑格的一个学生测量了碘掺杂的反式聚乙炔薄膜的电导。电导增加了一千万倍。

在聚合物分子中,存在两类化学键。一类是局域的σ键,它是构成聚合物分子的骨架。另一类就是非局域的π键,它在聚合物骨架平面上下形成π电子云。有机聚合物的最大特征之一就是存在较长的单键和较短的双键,这使得π电子相对固定在局域双键上。因此,这样的聚合物是不导电的。

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3 种:

(1)将金属、导电炭黑或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。

由于导电塑料首先是塑料,所以它具有塑料的拉伸性、弹性和柔韧性等,而且可以做得很细,所以在微电子领域具有重大的用途。目前,计算机一类的自动化设备的集成电路越来越密集,而且不断微型化,这就要求导线也微型化,导电塑料的出现满足了这一要求。目前,导电塑料已经批量生产,在微电子工业中广泛应用。据专家预测,未来机器人的内部线路将完全由导电塑料做成。

这一系列重大进展表明,又一个科技新时代──高分子电子学时代即将到来。

导电聚合物作为新型的吸波材料倍受世界各国重视, 国际上对导电聚合物雷达吸波材料的研究不仅已成为导电聚合物领域的一个新热点, 而且是实现导电聚合物技术实用化的突破口。

导电聚合物作为吸波材料有以下优点:

(1)电磁参量可控;

(2)表观密度低。导电聚合物的密度都在1 .1 ~1 .2g/cm3;

(3)易加工成型。导电聚合物可被加工成粉末、薄膜、涂层等, 为其应用提供了便利条件。

电磁屏蔽主要用来防止高频电磁场的影响, 从而有效地控制电磁波从某一区域向另一区域进行辐射传播。其基本原理是采用低电阻值的导体材料,利用电磁波在屏蔽导体表面的反射、在导体内部的吸收及传输过程的损耗而产生屏蔽作用。导电塑料代替金属作为电子产品的外壳可以有效的起到电磁屏蔽作用, 且质量轻、耐腐蚀。

通过控制电量, 高分子材料的导电度可以在导电体、半导体、绝缘体之间任意变动, 并且随着导电度的变化, 高分子材料的光学特性也发生变化。利用这一特性,高分子材料可以用作显示材料。把有机合成的导电性高分子材料作为电显示材料使用的最大优点是容易得到多种色调, 如在盐酸酸性水溶液中, 聚苯胺的氧化体为绿色, 还原体为淡黄色。

通用高分子材料与各种导电性物质, 如金属粉、炭黑等通过填充复合、表面复合等方式可以制成:导电塑料、导电橡胶、导电纤维织物、导电涂料、导电胶粘剂及透明导电薄膜等。

液晶高聚物材料具有高强度、高模量、耐高温、低膨胀系数、低成型收缩率以及良好的介电性和耐化学腐蚀性等一系列优异的综合性能。具有与π电子结构相关联的线性聚烯烃和芳杂环等的共轭聚合物通过分子改性可以获得导电液晶聚合物,并且这些材料具有可溶性和可加工性。

导电聚合物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度的进展, 且有些已经在生产中得到应用


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