芳香族电子导电高分子的应用和进展

芳香族电子导电高分子的应用和进展

袁新华，徐红星，魏贤勇，宗志敏

( 1 江苏理工大学材料工程学院系 江苏 镇江 212013G

2 中国矿业大学能源利用 与化学工程系   江苏 徐州   221008)

摘要 : 芳香族导电高分子由 于同时具有金属或半导体的导电性能和芳香族聚合物热稳定性高、化学稳定性好、质轻牢固及良好的加工成型性的特点，其应用 正受到人们越来越多的关注。文中综述了 芳香族电子导电高分子的应用和研究进展，指出其存在问题和解决方法。

关键词 : 芳香族化合物；聚合物；导电高分子；电子导电高分子

中图分类号 : TO324. 8     文献标识码: A

文章编号 : 1000-7555(2001)05-0025-05

《高分子材料科学与工程 》2001 年 9 月，第 17 卷第 5 期

有机聚合物通常都是绝缘体，但自1977年美国科学家A. F. Heeger和Macdiarmid发现聚乙炔具有明显的导电性后，彻底改变了有机聚合物不能作为导电介质的观念[1]。这一研究成果为有机高分子材料的应用开辟了一个全新的领域。有机导电高分子由于具有质量轻、柔韧性好、可大面积成膜、电阻率可在较大范围内调节的特点，近年来，已被广泛应用于有机可充电电池电极材料、光电显示材料、信息记忆材料、屏蔽和抗静电材料、分子电子器件以及飞机机翼的防水前缘等方面。具有π-共轭的聚合物其结构单元中大π电子离域体系提供了可移动的电子，从而具有优良的荧光性能或三阶非线性光电性能   经掺杂后可作为有机导电高分子。主链上引入芳环，可使导电高分子刚性增大，整体结构更加稳定、牢固，玻璃化温度和热稳定性也随之提高，显示出优良的耐热性和更多的功能性能。

1 导电高分子的结构特征、导电机理和应用

与常规的金属导电体不同，导电高分子属于分子导电物质。按结构特征和导电机理，导电高分子可分为电子导电高分子、离子导电高分子和氧化还原导电高分子。其中电子导电高分子是种类最多，研究得最早的一类导电材料。在导电过程中，其载流子为自由电子或空穴。这类导电高分子的共同结构特征是分子内都有一个长程，由碳原子等的pz轨道相互重叠形成的线性共轭π电子主链，给自由电子提供了离域迁移的条件。

作为有机材料，聚合物是以分子形态存在的，其电子多为定域电子或具有有限离域能力的电子。 π电子虽具有离域能力，但它并不是自由电子。有机物中有共轭结构时，π电子体系增大，则电子的离域性增强，可移动范围增大，当共轭结构达到足够大时，化合物即可提供自由电子，从而能够导电。量子力学计算表明，当反式聚乙炔中的大π键达到 8个以上碳原子时，即具有电子导电性。目前已知的电子导电高分子，除了早期发现的聚乙炔外，大多为芳香单环、多环和杂环的聚合物或共聚、均聚物，如聚对苯撑、聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺等。

导电高分子具有金属或半导体的导电性能和聚合物的分子可设计结构多样化、可加工及相对密度轻的特点，有着十分广阔的应用前景。导电高分子室温电导率可在绝缘体、半导体和金属范围内变化，高电导率的导电高分子可用于电、磁屏蔽、分子导线等领域，而半导体性的导电高分子可用于光电子器件和发光二极管LED。导电高分子的掺杂实质上是完全可逆的氧化还原反应，掺杂/脱掺杂时伴随着颜色的变化，这一特性使导电高分子可实现电致变色或光致变色，在屏幕显示和军事目标伪装上有着应用前景。导电高分子完全可逆的掺杂/脱掺杂过程与室温电导率相结合，则可作为二次电池的电极材料，若与可吸收雷达波的特性相结合，则可作为快速切换隐身技术的材料。另外，导电高分子还可用于光开关、信息记忆材料、飞机内抗静电油箱和飞机内电气元件等方面。

2   几类典型的芳香族电子导电高分子

2.1   聚对苯炔 (PPV)

2.2   聚苯胺 (Pan)

2.3   芳香稠、杂环导电高分子

3   聚合物的“掺杂”

4   结语

主链型芳香族导电高分子由于具有热稳定性高、化学稳定性好、质地轻且牢固，以及良好的加工成型性等优点，正受到人们越来越多的关注，显示出了巨大的发展潜力。但是，迄今为止导电高分子仍未实现实用化，一般认为难以加工性和环境不稳定性是限制它们应用的两个实际问题。脱掺杂是导电高分子电学和热稳定性差的根本原因，不经掺杂实现高导电率是改善导电高分子稳定性的有效途径。因此寻求导电性能更优的聚合物作为导电高分子的材料是一个很有潜力的研究课题。较之苯，多环芳香族化合物中共轭体系更大，π电子离域性也更强。

从理论上讲，多环芳烃更适合于作制备电子导电高分子的单体。然而由于多环芳香族化合物的产物中，物性接近的异构体众多，使彼此分离十分困难，目的产物的选择性降低。因此，多环芳香族导电高分子的研究显得很薄弱。目前，导电高分子的合成还存在着选择性差、收率低、反应条件苛刻、催化剂后处理困难以及聚合物不溶不熔等问题。解决这些问题的关键在于利用多环芳香族化合物因部位不同而反应性不同，选用高活性催化剂或光照等温和条件，控制反应在特定部位上进行定向转化。另外，选择合适的取代基和共聚物有望解决导电高分子不溶不熔的问题。

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