[科普中国]-导电高分子

导电高分子材料是主链具有共轭主电子体系，可通过掺杂达到导电态，电导率达1000S/cm以上的高分子材料。1

经过40年的发展，人们对于导电高分子的类型、导电机理以及如何提高其导电率进行了深入的研究，对于导电高分子的合成与应用进行了多方面的探索。时至今日，由于其独特的性能，导电高分子不仅作为导电材料应用广泛，在能源、光电子器件、传感器、分子导线等领域也有着潜在的应用价值。2

概述图引自2。

概念高分子，是由大量分子聚合而成。导电高分子材料是具有导电性的一类聚合材料，可以是本身具有导电功能或掺杂其他材料后也具有导电功能的一种聚合物材料，也可以通过填充复合材料，表面混合或层压普通聚合物材料和各种导电材料获得导电性。3

分类复合型导电高分子复合型导电高分子是将各种导电性物质以不同的加工工艺填充在聚合物基体中构成的材料。其中，填充材料提供了材料的导电性能，而聚合物基体则是将导电填料粘合在一起并提供材料的加工性能。作为基体的高分子材料的性能对于复合型导电高分子材料的机械强度、耐热性、耐老化性都有十分重要的影响。因此，在实际应用中，需要根据使用要求、制备工艺、来源、价格等因素选择合适的高分子基体材料，常用的基体材料有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、环氧树脂、酚醛树脂等。导电填料在复合型导电高分子材料中起到了提供载流子的作用，其用量、性质与分散形态都直接决定了材料的导电性能，常用的导电填料有炭黑、碳纳米管、石墨烯、金属及金属氧化物。当导电填料浓度较低时，无法互相接触形成载流网络，因而导电率很低并且随导电填料浓度增加上升缓慢；当导电填料浓度达到形成载流网络的临界值时，导电率迅速上升，这一临界值称为复合材料的渗流阈值；当导电填料浓度大于渗流阈值后，导电率基本不再发生变化。2

复合型导电高分子具有制备简便的特点，是市场上应用最广泛的导电高分子材料，由于现如今结构型导电高分子的性能与机理研究未能达到大规模使用的程度，研究复合型导电高分子的制备工艺以提高导电率仍然具有重要的实际意义。2

结构型导电高分子结构型导电高分子又称本征型导电高分子，其分子结构含有共轭的长链结构，双键上离域的π电子可以在分子链上迁移形成电流，使得高分子结构本身固有导电性。在这类共轭高分子中，分子链越长，π电子数越多，电子活化能越低，即电子更容易离域，则高分子的导电性越好。2

但是在目前的实际运用过程中，由于其稳定性不够良好，特别是掺杂材料在空气中的氧化稳定性以及加工成形性和机械性能的问题。因此并没有大规模的使用， 还在研发阶段。3

导电性提高根据分子的导电机理可以从以下两个方面提高其导电率2：

①合成具有大型离域π键的分子结构2

理论和实验都已证明，π键的数目越多，离域程度越大，共轭结构的导电性能越好，因此从分子结构出发，增强高分子固有的导电性能是一种理想的方案，也吸引了许多科学家朝着这个方向进行研究。此外，改善生产工艺，制备分子量更大、结构更规整的高分子材料也是提高其导电性能的重要手段。2

②对共轭结构进行化学掺杂2

虽然导电高分子具有共轭的分子结构，但是π电子未受激发时仍然难以在分子链上迁移，导电性能并不是非常理想。因此，利用掺杂的方法在高分子链上引入对阴离子（p- 型掺杂）或对阳离子（n-型掺杂）来降低能垒，使电子更容易迁移也是增强高分子材料导电性能的有效途径。常用的掺杂剂有碘、五氟化砷、六氟化锑、高氯酸银等等，掺杂剂与共轭结构的摩尔比（掺杂剂/-C=）一般为0.01%～2%之间，并且随着掺杂比例的增加，材料的导电性能会先上升，当掺杂剂饱和之后，材料的导电性能不再变化。因此，寻找合适的掺杂剂并与导电高分子进行合理地掺杂将是重要的研究方向。2

应用显示材料由于电解合成的导电聚合物材料有一种特殊的性质，在电化学掺杂过程中可以发生颜色的改变，因此可以将其作为变色装置。这种聚合物材料的电化学反应是可逆的，也就是说，可以通过电化学实现去掺杂和再掺杂。这种电化学聚合物材料在电化学掺杂后，可以变为绝缘体，在氧化掺杂后可以用来制作导体。3

由于掺杂和去掺杂的程度不同，材料的导电性能也会不同。因此，可以依靠控制作用的电量的不同，可以在导体，半导体和绝缘体之间改变导电聚合物材料。不同类型的材料的电导率的变化对应着不同的光学性质， 所以可以根据这个原理来制作显示材料。这种变色功能聚合物材料也广泛用于生活中，例如：节能玻璃的涂层， 显示组件，仪器仪表等。3

电池具有可逆的电化学反应和还原特性是导电高分子所具有的一个重要特征，而且其密度相比于其他导电材料来说要小得多，在室温下具有导电率大和比表面积大的特性。对于电池来说，这是一种非常好的电极材料。例如，由于聚吡咯的高度掺杂和强稳定性，并且对电信息的变化也非常敏感的性质，可以使用聚吡咯应用于常规纺织品以使其成为电导体。2

由导电聚合物材料制成的二次电池具有易于生产， 加工，成膜，柔韧，体积小，重量轻和能量高的特点。如果解决了有机物质的耐久性和高压下有机溶剂的稳定性，则可以基于导电聚合物材料使二次电池商业化。2

导体导电聚合物材料可以通过填充和配混，表面混合等合成导体粉末如金属粉末或炭黑和聚合 物材料来制备。与传统的金属导体相比，复合合成导电聚合物材料具有有非常多的优点，容易加工、实用范围更广、密度非常低、对腐蚀具有很强的抵抗性 ；电导率可以根据电化学可逆反应变化，方便实际应用 ；材料相对便宜，适合大规模生产。3

导电聚合物作为超级电容器电极具有许多优点，例如柔韧性极高，导电功能很强，便于实际加工，还可以做成薄膜。许多导电聚合物材料表现出高比容量和电容， 并且可以以高相对速度传递能量，但它也有一个严重的缺点，循环使用的寿命低。3

药物释放导电聚合物的掺杂和去掺杂过程实际上是阴离子的嵌入和脱嵌过程，通过这个过程，可以将药物通过皮肤送进人的体内。使用这两点，可以生产含有药物的导电聚合物电池，并且当电流接通时，药物从育龄期皮革中释放出来，并通过皮肤而进入血液。聚吡咯是该领域中第一种也是最广泛使用的导电聚合物。3

隐身技术电磁波在导体中会形成感应电流而产生热量，使得电磁波的能量被消耗，但是电导率太高会增加材料表面对电磁波的反射， 不利于对电磁波的吸收。由于导电高分子材料具有可调控的电导率，合理调节导电高分子材料的电导率，对电磁波能够起到完美的隐身效果。2

传感器导电高分子的导电率随着浓度、外界温度、气体环境等因素的改变而显著变化，利用导电高分子制备的电化学传感器、离子浓度传感器、温度传感器已经得到了广泛的应用， 并且由于高分子材料与人体的亲和性，导电高分子作为生物医学传感器正在深入的研究当中。2

展望我们平常在生活中也在经常使用有聚合物制成的高分子材料。新材料的不断发展能够促进社会的快速进步， 所以我们不仅要对现有的材料进行更全面的研究、同时还要深入研究。通过以上对高分子材料的广泛研究，可以发现导电高分子材料在生活中使用用途非常的广泛， 而且其使用价值还有很多未发掘的地方等待我们去探索，同时也说明的其在未来具有很高的研究价值。3

值得一提的是，导电高分子尽管具有优异的性能，稳定性的欠缺仍然限制了其在日常生活中的应用。在今后的研究当中，除了探索如何提高导电高分子的导电性能，如何增强其结构的稳定性也是重要的方向。展望未来，越来越多的新型材料得到了广泛的应用，导电高分子的复合性能在光电、热电、能源、生物医学等领域必将大有可为。2

本词条内容贡献者为:

包申旭 - 教授 - 武汉理工大学