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深入研究导电高分子材料加工工艺及性能的意义

2020-05-09 481 上传者：管理员

摘要：导电高分子材料具有非常独特的性能，不仅在现代生产中具有非常广泛的应用，同时在能源、传感器、光电气器件等领域也具有较大的潜在应用价值。基于此，本文对有机导电高分子材料的导电机制展开了分析和研究，以期提供参考。

关键词：
π键
导电机制
电工材料
高分子材料
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物质依据其导电性能可以将其划分成绝缘体、半导体、导体以及超导体，在之前的学界研究中，高分子材料通常都被认为是绝缘体。然而时至今日，这种理念已经被打破，并且经过多年的研究，人们对导电高分子材料的种类已经有了较为深入的认知，对其导电机制进行了更加深入的研究，有助于推动有机导电高分子材料的发展和应用。

1、导电高分子材料的种类

相比于传统的导电材料，有机高分子材料具有质量轻、容易加工、耐热性好、抗腐蚀等优点。因此，有机高分子材料在结构材料领域已经得到非常广泛的应用。目前，学界通常将导电高分子材料划分成两种类型，即结构型导电高分子材料以及复合型导电高分子材料^[1]。所谓结构型导电高分子材料指的是对高分子材料实施掺杂处理，从而使得这些材料拥有导电性能，这种材料又可以分为电子导电型以及离子导电型，在工业生产中，这种类型的材料由于其附加值非常高，在市场中的使用前景较为良好。复合型导电高分子材料本身并不能导电，但是可以通过填充导电体的方式来实现材料的整体导电。

2、导电高分子的特殊结构及其导电机理

2.1 结构型导电高分子结构及导电机理

结构型导电高分子具有共轭长链状结构，因此其构成的离域π键能够在分子链上部形成电流，这种特征就可以使有机高分子材料具备导电能力。在结构型导电高分子中，随着其分子链长度的增加以及π电子数的不断增多，这种材料的导电性能也就越好。现在在学界中，人们对于结构型导电高分子的导电机理以及相关理论研究非常多，也取得了一些成果，比如，按照有机高分子材料的导电机理，人们能够采用下面两种方式来使其导电率提升：

2.1.1 使其具有离域大π键结构

对导电高分子材料的相关研究已经充分表明，随着其π键数量的不断增多，其离域程度也会变大，分子整体的共轭性以及导电性能也会提升，所以可以从分子结构方面展开研究，利用增加离域大π键的方式来提升其导电性能。

2.1.2 对共轭结构进行化学掺杂

很多导电高分子拥有共轭分子结构，然而，如果π电子处于没有激发的状态，那么其依旧无法在整个分子链上进行移动，这样就会使得其导电性能比较差。所以，有学者提出使用掺杂的方式引入对阴离子（p-型掺杂）或对阳离子（n型掺杂），使得电子迁移的条件降低，提升高分子材料的导电性能。当前，人们经常运用的掺杂剂有碘（I2）、五氟化砷（AsF5）、六氟化锑（SbF6）等^[2]。不同的掺杂比例会对高分子材料的导电性能产生影响，但是当其达到饱和后，材料的性能将会成为一个定值。所以，探寻更加合适的掺杂剂是当前高分子行业研究的一个非常重要的方向。

2.2 复合型导电高分子

所谓复合型导电高分子指的是在其中添加和填充导电物质，这种高分子材料提供的是一种黏合效应，其导电性能由导电物质提供。高分子材料作为机体，对于整个材料的抗性、机械强度等性能有着非常关键的影响。所以，在工业生产中，可以结合实际需求，选择不同的机体和填充物。目前最为常见的机体材料为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等。

填充物在复合型导电高分子材料中主要起着载流子的作用，填充物的含量、本身特性以及形态特征都会对材料的整体性能造成影响，目前最常使用的填充料有炭黑、纳米管、石墨烯等。人们通过相关研究得知，在填充物浓度非常低时，由于其在材料中无法构成载流网络，其导电性能极差，但是随着填充物浓度的提升，整个材料的导电性能也会提升；当浓度达到某一临界值时，材料的导电性会呈现快速攀升的状态。相比于结构型导电高分子材料，复合型导电高分子材料更容易制备，所以其在市场上的运用更加广泛。

3、导电高分子材料的加工工艺

随着社会经济的不断发展，传统的导电材料已经不能满足人们的需求，因此，人们对于填充型导电高分子材料的研究非常重视。正常情况下，填充介质的形态、种类和数量会直接影响复合材料的导电能力。在现实生活中，高分子材料通常被认为是最佳的绝缘体，随着对高分子材料研究的不断深入，导电性高分子材料也被人们发现，随之快速地发展起来，被人们熟知。填充型导电高分子材料的加工工艺共分为3个部分：（1）混合工艺；（2）成型工艺；（3）后加工工艺。混合工艺的作用主要是最大限度地将高分子材料混合均匀。包括以下几个流程：高速搅拌机混合→冶炼机混合→开炼机塑炼或塑化→密炼机塑炼或塑化→螺杆基础机塑炼或塑化。这个过程使高分子材料能够搅拌均匀，然后利用螺杆挤出机将高分子材料制造成粒状。

成型工艺是利用各种各样的成型加工方法将高分子材料的熔体制备成一定尺寸的材料。成型加工方法有很多，分别为真空、挤出、注塑、压延、吹塑、熔融抽丝等。它的主要流程为反应注射→模压→传递模塑→层压→浇注→发泡等。后加工工艺主要是对成型之后的填充型导电高分子材料进行修饰、后处理等。处理方法有3种，分别为机械加工、人工修饰、后处理。机械加工主要有车削、铣削、钻削、锯削、冲切等；人工修饰主要有锉削、磨削、抛光、涂饰、印刷等；后处理主要是对填充型导电高分子材料进行装配和表面处理^[3]。

4、填充型导电高分子材料的加工工艺对其导电性能的影响

4.1 注塑机螺旋杆的转速对填充型导电高分子材料导电性能的影响

在填充型导电高分子材料成型过程中，当注塑机中螺旋杆的转速不断提高时，填充型导电高分子材料电阻率的变化趋势是先变小后变大。可以看出，注塑机螺旋杆的转速对填充型导电高分子材料的导电性能影响是非常大的。在加工填充型导电高分子材料时，发现当注塑机中螺旋杆的转速在50~130r/min时，填充型导电高分子材料的电阻率在这一时间段中呈现整体下降的趋势；当转速达到105r/min时，填充型导电高分子材料的电阻率比50~130r/min时间段的电阻率略高一些；当转速大于140r/min时，填充型导电高分子材料的电阻率会大幅度上升，也就是填充型导电高分子材料的导电性能变得越来越差。当螺旋杆的转速为140r/min时，此时填充型导电高分子材料的电阻率是最小的，大约为11.46Ω·mm，即在成型过程中，控制注塑机螺旋杆的转速在140r/min，填充型导电高分子材料的导电性能是最好的，因此，注塑机螺旋杆的转速对填充型导电高分子材料导电性能的影响是非常大的。

4.2 注塑压力对填充型导电高分子材料导电性能的影响

在填充型导电高分子材料成型过程中，注塑压力对填充型导电高分子材料导电性能的影响也是非常大的。在加工填充型导电高分子材料时，发现当注塑压力小于80MPa时，填充型导电高分子材料的电阻率会随着注塑压力的逐渐增加而降低。这时填充型导电高分子材料的导电性能会慢慢地增强；当注塑压力在80MPa以上时，随着注塑压力的慢慢增加，填充型导电高分子材料的电阻率会逐渐上升，这时填充型导电高分子材料的导电性能会慢慢地变差。事后对这种现象进行分析，总结出两方面原因：当压力小于80MPa时，在增加注塑压力的时候，填充型导电高分子材料的纤维长度会逐渐地减小，分散性变得越来越好，使填充型导电高分子材料的导电性能变好；当压力大于80MPa时，在逐渐增加注塑压力的过程中，填充型导电高分子材料内部熔体的流速会逐渐提高。同时，内部的剪切力会逐渐变大，使纤维的流动方向与熔体的流动方向保持一致，这样不利于填充型导电高分子材料内部电网的形成，导致导电性能变差。

4.3 保压压力对填充型导电高分子材料导电性能的影响

在填充型导电高分子材料成型过程中，保压压力对填充型导电高分子材料导电性能的影响也是非常大的。在加工填充型导电高分子材料时发现，当保压压力在64MPa以下时，随着保压压力的增加，填充型导电高分子材料的电阻率会逐渐地变小。当保压压力大于或等于64MPa时，填充型导电高分子材料的电阻率不会随着保压压力的变化而变化。事后对这种现象进行分析，得出的结果为：在填充型导电高分子材料加工时，保压压力对刚刚成型的材料有着补缩的作用。假如向填充型导电高分子材料中加入同等的石墨粉和镀镍碳纤维（NiCF），再逐渐增加保压压力，这时会发现石墨粉和NiCF的数量会增加。在这种情况下，大大增加了填充型导电高分子材料内部的纤维与活性物质的接触面积，使导电性能变得越来越好。

5、导电高分子材料的应用

导电高分子材料在具有高分子材料加工性能的同时，还具备金属材料的导电性能，在诸多领域有着广泛的应用。

5.1 在隐身技术中的应用

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，但是导电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。

5.2 在电池材料中的应用

掺杂的结构型导电高分子具有良好的导电性能，并且具有可逆的电化学氧化还原特性，用导电高分子材料制备的电池具有易加工成膜、可弯曲、能量高等特点，导电高分子在耐久性和稳定性的问题解决之后，将会成为制作新型电池的完美材料。

5.3 在传感器方面的应用

导电高分子的导电率随着质量浓度、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、离子质量浓度传感器、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。

6、结语

有机导电高分子材料具有抗性好、耐性高以及导电率变化范围广等特征，因此，其在未来的生产中具有非常广泛的应用前景。填充型导电高分子材料的加工工艺比较复杂，它对材料的导电性能影响比较大。经过上文分析可得，注塑机中螺旋杆的转速在不同的区间对填充型导电高分子材料的导电性能影响不同；注塑压力以80MPa为临界值，小于80MPa时，导电性能好；大于80MPa时，导电性能差；保压压力为64MPa时，导电性能最好。因此，深入研究导电高分子材料加工工艺及性能的意义重大。

参考文献：

[1]沈伟,赵博文.钴基自修复聚酰胺导电高分子材料的制备与性能[J].工程塑料应用,2017,45(11):1-6.

[2]鹿畅.导电高分子材料的研究进展[J].当代化工研究,2018,36(12):167-168.

[3]马德硕,黄传峰,代月,等.碳系复合导电高分子材料研究进展[J].山东化工,2019,48(6):57-58.

葛美珍.有机导电高分子材料的导电机制分析[J].现代盐化工,2020,47(1):18-19.