新型导电聚合物.docx
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新型导电聚合物
新型导电聚合物/磁性复合物的性能概论
摘要论述了导电聚合物的结构及其特征以及导电聚合物的分类及其导电机理，并论述了近年来导电聚合物/磁性复合物的磁性能、导电性能、吸波性能、光电性能及聚苯胺等新型复合物的研究现状、导电聚合物/磁性复合物等有发展潜力的新应用领域。
关键词聚合物磁性导电复合物聚苯胺
导电聚合物又称导电高分子，是指通过掺杂等手段，能使得电导率在半导体和导体范围内的聚合物。
通常指本征导电聚合物，这一类聚合物主链上含有交替的单键和双键，从而形成了大的共轭n体系。
n电子的流动产生了导电的可能性。
没有经过掺杂处理的导电聚合物电导率很低，属于绝缘体。
其原因在于导电聚合物的能隙很宽（一维半导体的不稳定性），
室温下反键轨道（空带）基本没有电子。
但经过氧化掺杂（使主链失去电子）或还原掺杂（使主链得到电子），在原来的能隙产生新的极化子、双极化子或孤子能级，其电导率能上升到10~10000S/cm2，达到半导体或导体的电导率范围。
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导电聚合物分子结构
20世纪70年代初，日本驻波大学的化学教授白川英树等在高催化剂浓度条件下通过碘掺杂合成了具有金属光泽的高顺式聚乙炔薄膜，带动了导电聚合物在科学领域的研究。
典型的导电聚合物有聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩和它们的衍生物。
导电聚合物拥有金属的电子、电器及光学性能，并且具有传统聚合物的可加工性和力学性能。
近几年导电聚合物被用作电磁屏蔽、静电消散材料和电子包装材料，以及用作制备蒸汽传感器材料。
无机磁性材料是工业生产中使用最为广泛的磁性材料，对用于微波雷达、通信系统、电机与集成电感器等方面，而目前应用较广泛的无机材料主要是铁氧体类物质。
在导电聚合物和磁性材料成熟的情形下，人们对即导电又导磁的功能材料的兴趣越来越大，因为它们可应用于很多领域，比如电池、电化学显示设备、分子电子领域、电磁屏蔽、吸波材料和传感器等。
制备纳米复合材料传统的方法是直接高分子聚合。
导电聚合物都具有长程二电子主链结构。
二键与反键之间能隙差小，接近无极半导体，因此共轭聚合物大都表现出半导体的性质；共
轭聚合物还易被氧化还原，被其它物质掺杂其中，电导率提咼，接近
金属，从而表现出金属的特征。
导电聚合物的导电机理有别于金属和半导体。
金属导体的载流子是电子，半导体的是电子或空穴，而导电聚合物的是由孤子、极化子和双极化子构成的。
在外场作用下，载流
子沿着共轭主链定向移动，宏观上表现为导电性。
当聚合物共轭程度越大，载流子的电迁移率提高，因此加强了聚合物的电导性。
导电高聚物-磁性复合物的性能特点：
磁性能
电磁功能高分子复合材料可制成电、磁双损型轻质、宽带微波吸收剂，在航空航天、电磁屏蔽和隐身材料等方面有重要应用。
而这些应用都基于电磁功能材料本身所具有的性能，如磁性能、导电性吸波
性等。
电磁复合物的磁性大小主要与磁性粒子的体积分数有关，也与由非磁性物质引起的引入而导致的退磁有关：
一方面，复合物中磁性物质的体积分数越大，复合物的饱和磁化强度也越大。
另一方面复合物中非磁性物质含量越高，对磁性的粒子间起到的隔离作用越大，由此产生的退磁场也越强，复合物的磁性就越弱。
KuldeepSingh等用化学氧化聚合法合成了PEDOT-启2。
3复合材料通过振动样品磁强计和四探针技术表明，复合物有可控的饱和磁化强度和导电性：
由磁化曲线可以看出，在室温下-FezOs铁磁体为超顺磁性，并且这种超顺磁性也体现在PEDOT-十2。
3复合材料中:
BalazsEndrodi等用化学聚合法合成了聚3-噻吩乙酸忙3。
4复合材料。
他们用光声傅里叶红外光谱仪测出聚-3曬吩乙酸与Fe3°4存在化学作用，超导量子干涉仪显示出铁磁体与复合物都具有超顺磁性，并且在复合物中可以通过调节Fes。
。
的组成来控制饱和磁化强度。
导电性能
导电聚合物不仅具有较高的电导率，而且具有比导电性质、非线性光学性质、发光和磁性能等，它的柔韧性好，生产成本低，能效高。
导电聚合物不仅在工业生产和军工方面具有广阔的应用前景和应用价值，还可在导电聚合物中掺杂磁性粒子以制备涂层，并且可以通过调节导电聚合物和磁性粒子的组成获得可调的导电性和磁性。
ZhengXin等用原位聚合法制备丁聚（3-己基）噻吩（P3HT）/FeN/TiO复合物并用XRD、透射电镜等分析了复合材料的结构与性能。
研究发现，P3HT/FeN/TiO2是一种新型的p-n型半导体，可用于太阳能双电池。
KomillaSuri等通过凝胶作用和聚合作用联合法制备
了聚吡咯/氧化铁纳米粒子。
将球状复合物分别在100150250、350、400C和650下进行退火处理，发现温度从100C升至350后，复合物的电导率从1.210aS/cm增至1.1x10S/cm。
但当温度高于350C后，电导率从1.1x10S/cm锐减至3.3x10〜S/cm。
样品中掺杂导电聚吡咯时，电导率较高。
由于链状的导电聚吡咯高分子可以提供一个较长的导电通路，所以在100~350C时电导率有所
增加。
而当温度高于350C时电导率骤降，这是由于聚吡咯减少和有
电导率低的^Fe2O3存在。
这样就可以调节电磁复合物的电导率。
吸波性能
材料的吸波原理是吸收或衰减入射电磁波，并将电磁能转变成热
能或其它形式的能量而耗散掉。
KuldeepSingh等通过乳液聚合合成了聚3,4-PEDOT—一FezOs复合材料，测得在12.4—18GHz频率范围内，微波吸收损失为18.7〜22.8dB,说明磁复合物有良好的吸波性能。
C.C.Yang等用原位聚合法合成了具有电磁功能的复合材料（BaF%09+BaTiO3）/PANI，发现在18〜40GHz范围内，BaF&2O9的吸收频带在32.2GHz,反射损失为-12.0dB,而BaTiO3会出现19.5GHz和32.5GHz两个吸收频带，反射损失分别为-21.0dB和-19.0dB。
将BaFe^Og+BaTiO3混合后，反射损失最大，最咼的吸收频率为31.0GHz和38.2GHz,反射损失分别为-12.0dB和-33.0dB因此将BaFe12O9+BaTiO3与PANI复合后，会有较宽的吸收频带，吸波性能较好。
光电性能
ZhiyueHana等先用超临界流体干燥法制备出tq2和FezOs，接着用共混法制备出了聚3一辛基噻吩（POT）/TiO2/Fe2O3复合物。
通过研究发现复合物中存在化学作用，POT/TiO2/Fe2。
3中的能量差距低于0.691eV,与单独的POT、TiO2、Fe2O3相比，POT/TiO2/Fe2O3复合物的光学性能更好。
POT/TiO2/Fe2O3复合物可以使太阳能电池
更加灵敏，并且测出在此系统中太阳能转化为电能的转化率为0.994%.这就表明POT/TiO2/Fe2O3复合材料在光伏应用中有很大的应用前景。
潜在应用领域
A.A.Farghali等研究PAN1/Co「MgxFe2o4复合物对于溴代邻苯三酚红BPR）的吸附作用。
对BPR的紫外吸收光谱研究发现，BPR有两个特征波长，一个是可见光区的555nm;另一个是紫外区的
282nm。
当吸附作用发生后，波长会集中在555nm这是因为当
BPR-SO3H溶解在水中时，离解出一SO3一离子，而一SO3一会被带正电荷的PANI翠绿亚胺盐通过化学反应吸附。
而且在掺杂的PANI里总是有H•离子与氯根离子的相互反应。
由数据对比可知PANI的
吸附速率常数和单位时间内的吸附总量都高于PAN1/COiMgxFe2O4。
这是由于PANI比PAN1/COt」MgxFe2O4中的PANI掺杂度高。
因为在苯胺绿盐中总是存在着正电荷和氯根离子（活性部位），而PAN1/COtMgxFe2O4中的正电荷和氯根离子少于PANI,这就导致PAN1/COi.MgxFe2O4的吸附速率稍微低于PANI。
并且他们还发现复合物的吸附速率顺序为PANI/CoFe2O4APANI/MgFe2O4APANI/Co0.5Mg0.5Fe2O4而这反应了PANI掺杂度的变化。
有关聚苯胺等导电聚合物的研究不多，除了利用电磁复合材料的
导电、光电、磁性能外，目前还发现电磁复合材料还可应用更多的领域。
比如：
1、磁性离子交换树脂
磁性离子交换树脂是一种新型的离子交换树脂，也是一种新型的树脂基复合材料，它是用聚合物粘稠溶液与极细的磁性材料混合，在选定的介质中经过机械分散，悬浮交联形成的微小的球状磁体。
如用离子交换的方法合成聚苯乙烯树脂基铁氧体和铁钻氧体的磁体,提供了一个用化学合成的方法来控制制件的大小和分布的好方法。
磁性离子
交换树脂的最大优点是可以用于大面积动态交换与吸附，可以处理各种含有固态物质的液体，使矿场废水中微量贵金属的富集，生活和工业污水的分离净化等得到实现。
提高磁粉与树脂基体的亲和力，改善树脂的耐酸碱性，开发高吸附容量磁性树脂，将有助于最终实现这类新型离子交换与吸附树脂的实际应用。
2、具有磁性和超导性能的有机塑料
由美国林肯内布拉斯卡大学的化学教授安德列兹•拉杰卡领导的研究小组在2004年在塑料研究方面获得了重要突破：
他们研制出同时具有磁性和超导性能的有机塑料聚合物。
科学家们认为，这一成果有利于研制量子计算机和超导电子所需要的廉价而又灵活的元器件。
这种有机塑料磁体，与目前广泛使用的金属磁体比较起来，具有以下的优点：
它比金属磁体重量轻、成本低，而且这种有机塑料还容易加工成各种形体的材料，比如塑料薄膜和涂料等。
此外，科学家们还可以很容易地把聚合物的其他性能也掺杂到这种有机塑料里，这样就可
以制造出能够对微小磁场产生反应比如改变自己形状的材料。
未来，科学家研究的重点将是解决这种材料性能的稳定性和提高超导的起始温度（这种有机聚合物在绝对温度10度以下产生超导性能）。
他们
表示，他们将通过改变有机塑料聚合物的分子结构，大大提高聚合物呈现超导性能的温度。
他们努力的最终目标将是利用有机塑料磁体来代替目前广泛使用的金属磁体。
①高储存信息的新一代记忆材料，利用磁性高分子有可能成膜等特点，在亚分子水平上形成均质的高分子磁膜，可大大提高磁记录的密度，以开发高存信息的光盘和磁带等功能记忆材料。
②轻质、宽带微波吸收剂磁性高分子与导电材料复合可制成电、磁双损型轻质、宽带微波吸收剂，这在航天、电磁屏蔽和隐身材料等方面获得重要用途。
③磁控传感器的开发利用磁场变化控制温度、溶剂和气体等的传感器件以及受光、热控制的新型电磁流体的开发是磁性高分子重要的应用方向。
④生物体中的药物定向输送低
密度可任意加工的磁性高分子的诞生，可实现生物体中的药物定向输送和大大提高疗效，并有可能引起医疗事业的一场变革。
⑤低磁损高频、微波通讯器件的开发，近年来，低磁的高频、微波通讯电子器件的开发已为世人瞩目，目前，四川师范大学已用OPM铁磁性材料制作了多种军用和民用电子器件。
磁性功能高分子材料的发展前景
在磁性功能高分子材料领域中，真正已实用的主要是复合型高分子磁性材料,结构型高分子磁性材料还处于研究探索阶段。
对于复合型高分子磁性材料领域，铁氧体塑料磁性体主要用于家用电器和日用品以及磁疗等领域；稀土类塑料磁性体,可应用于小型精密机电领域。
近年来，国内外都有研究者将导电聚合物（聚苯胺、聚噻吩等）与磁性氧化铁复合，这样制得的复合材料具有明显的磁性和导电性双重特征，因而在微波、电磁屏蔽方面具有广阔的应用前景。
毋庸置疑的是，在复合型磁性高分子材料领域中关于新材料、新方法、新性能的研究已取得不少成果，但仍有许多问题需要深入探讨，例如改进合成方法控制材料的结构和性质，使电、磁性匹配达到最优，磁性粒子和导电聚合物之间存在的相互作用，都是有待探讨的问题。
另外，制备具有磁光、磁热性能的新型多功能高分子复合材料特别是纳米复合材料，并将其应用于生产和生活也是重要的研究方向。
对于结构型高分子磁性材料领域，在理论研究方面，正从静态铁磁学向动态铁磁学转移。
在合成制备方面，倾向于更合理的分子设计和更有效的合成路线研究。
在应用研究方面，由于结构型高分子磁性材料的密度小,易成型故可在航空航天等有特殊要求的磁性器件中取得应用;又由于结构型高分子磁性材料绝缘性好,不存在涡流,故在微波通讯及电子对抗方面的各类磁发生材料中可获得应用;还由于结
构型高分子磁性材料的磁性表现在分子水平上,如果用于磁存储单元,将可极大地提高存储密度,再与有机分子导体,有机分子逻辑元件及开关元件配合,则可组成完整的有机分子功能块,使计算机技术大为改观。
这些诱人的应用前景,使得人们对结构型高分子磁性材料的研究方兴未艾。
以高分子化学和无机磁学为基础发展起来的磁性高分子，是两者相互渗透交叉的学科，它打破了高分子和无机磁学的传统界限，成为近年来化学和物理学的前沿研究新领域，它的发现，证明了高分子也具有屋脊物的3项专有特性，即导电性、超导性和强磁性，磁性高
分子的出现，是高分子领域的一个重大突破。
高分子磁性材料的相关理论和相应解释还不太成熟，还有待于进一步研究和开发，这对高分子材料科学、复合材料科学和物理学等领域的研究人员无疑会带来更
新的挑战
参考文献：
[1]陶鑫，徐黎明，石晓薇•导电聚合物的结构，导电机理及聚合方法•应用方法论科技与
生活2011年第14期.
[2]王娜,黄英,何倩，丁晓.新型导电聚合物/磁性复合物的制备与性能.工程塑料应用
2011年，第39卷，第8期.
[3]李芳，孙岳明，李康•离子导电聚合物固体电解质的研究进展•中国科技论文在线•
[4]李晓常，李世玲.导电聚合物的进展（I）导电聚合物的研制及品种•化工进展1992年7月第4期•
⑸许焰球•导电聚合物的导电机理及制备方法•安庆师范学院学报（自然科学版）2006年8
月第12卷第3期•
[6]文耀锋，刘廷华磁性高分子材料的研究进展•现代塑料加工应用2005年第17卷第5
期.
[7]N.Angulakshmia,T.PremKumara,SabuThomasb,A.ManuelStephana,Ionic
conductivityandinterfacialpropertiesofnanochitin-incorporatedpolyethylene
oxide-LiN（C2F5SO2）2polymerelectrolytes.ElectrochimicaActa55（2010）1401-1406
[8]郭军王新伟李青山邢丽华麻晓雷，磁性高分子复合材料的现状与发展.化工时刊
2003第17卷第1期.
[9]H.C.Herper,In?
ueneeofvanadiumimpuritiesontheGMRandthemagnetic
propertiesofFe/Cr/Fe.JournalofMagnetismandMagneticMaterials272-276（2004）e1449-e1451.
[10]J.C.JI,COLINH.HANSENXNDANTHONC.ZANDER.NonlinearDynamicsofMagneticBearingSystems.JOURNALOFINTELLIGENTMATERIALSYSTEMSANDSTRUCTURES,Vol.19—December2008.
[11]李国栋.2001年〜2002年磁性功能材料研究和应用新进展.稀有金属材料与工程2003
年9月第32卷第9期.
[12]冉奋,刘吉，文U钊，申强，王翎任，孔令斌，采用掺杂剂分散纳米聚苯胺颗粒及其超级
电容性能，兰州理工大学学报2011年2月第37卷第1期.
[13]戴庭阳，陆云，超分子自组装一步法制备新型导电聚合物水凝胶，中国科技论文在线，2010年6月第5卷第6期.
[14]黄丽，郑旖旎，李效玉，张金生，磁性树脂基复合材料的研究进展.高分子通报2005年
12月第6期.
[15]吴新明，齐暑华，贺捷,段国晨，导电活性聚合物传感器和致动器的研究进展•工程塑
料应用2009年，第37卷，第3期.
[16]毛卫民，方鲲，吴其晔，冯惠平.导电聚苯胺/羰基铁粉复合吸波材料.复合材料学报
2005年2月第22卷第1期.
[17]李永舫，导电聚合物的电化学制备和电化学性质研究一中国科学院有机固体重点实验
室导电聚合物电化学研究工作简介（I）2004年11月第10卷第4期.
[18]张东华，石玉，李宝铭，功能高分子材料及其应用.化工新型材料2004年12月第32卷第12期.
[19]赵培仲，花兴艳，朱金华，王源升，结构型磁性高分子的研究进展.化学工业与工程技术
2005年8月第26卷第4期.
[20]刘江涛，周云松，王艾玲，姜宏伟，郑鹉.三明治结构与同轴电缆结构磁性材料巨磁阻抗
效应的理论研究.物理学报2003年11月第52卷第11期。
[21]任杰，宋金星，生物磁性高分子微球制备研究与应用进展。
上海生物医学工程2003
年第24卷第2期.
[22]甘复兴，肖书虎，钟莲，胡捷，朱华.酸性介质中聚苯胺对不锈钢的伽伐尼阳极保护效应研究.材料保护2006,39（8）.
[23]赵发琼，杜维，王娟，曾百肇.质子酸掺杂聚苯胺固相微萃取涂层的电化学制备及其萃
取性能•分析化学（FENXIHUAXUE）研究简报2010年6月第38卷.
[24]Han,CliffS.ThePathogenomicSequeneeAnalysisofB.cereusandB.
thuringiensisIsolatesCloselyRelatedtoBacillusanthracis.LawreneeBerkeleyNationalLaboratory2005年8月.
[25]Wang，Moran&Chen，Shiyi.Electroosmosisinhomogeneouslychargedmicro-and
nanoscalerandomporousmed.Postprints，UCDavis2007年10月.
[26]JinboDou&QiuyuZhang&LiangJian&JunweiGu.Magneticnanoparticles
encapsulatedlatexespreparedwithphoto-initiatedminiemulsionpolymerization.
ColloidPolymSci（2010）288.
[27]D.Graf，E.S.Choi，J.S.Brooks，andM.Almeida.Pressure-InducedQuantumLimitina
Q1DSysteminHighMagneticFields.JournalofLowTemperaturePhysics.Vol.
142.Nos.3/4.February2006.
[28]M.MryglodandM.V.Tokarchuk.STATISTICALHYDRODYNAMICSOFMAGNETICFLUIDS.I.THENONEQUILIBRIUMSTATISTICALOPERATORMETHODTheoreticalandMathematicalPhysics，Vol.115，No.1，1998.
[29]MohammadNur-E-Alam•MikhailVasiliev•KamalAlameh.Nano-structured
magneticphotoniccrystalsformagneto-opticpolarizationcontrollersatthe
communication-bandwavelengths.OptQuantElectron（2009）41:
661-669.
[30]P.Laeng，F.Haenssler，andL.Rinderer.SpeedofMagneticFluxPenetration
inType-I-SuperconductingSpecimensofNonzeroDemagnetizingCoefficient.Journal
ofLowTemperaturePhysics，Vol.4,No.5,1971.
[31]QinWang?
HuaYang.MorphologyandmagneticpropertiesFexCo!
^/CoyFe^O4
nanocompositespreparedbysurfactants-assisted-hydrothermalprocess.JNanopart
Res（2009）11:
1043-1051.
[32]J.H.Ager,A.Child,R.K6nig,J.R.Owers-Bradley,andR.M.Bowley.
LongitudinalandTransverseSpinDiffusionin3He「4HeSolutionsina
StrongMagneticField.JournalofLowTemperaturePhysics,Vol.99,Nos.5/6,1995.
[33]X.G.Liu?
D.Y.Geng?
C.J.Choi?
J.C.Kim?
乙D.Zhang.Magneticproperties,complexpermittivityandpermeabilityofFeNinanoparticlesandFeNi/AlOx
nanocapsules.JNanopartRes（2009）11:
2097-2104.
[34]H.R.SegalandW.L.McLean.MagneticFieldDependeneeof:
theMicrowave
SurfaceResistaneeofPUreNiobium.Journalof
升级会员 