Los materiales poliméricos conductores son materiales poliméricos con cadenas principales con sistemas electrónicos principales conjugados, que pueden alcanzar Estados conductores mediante el dopaje y una conductividad eléctrica de más de 1000 S / cm. Después de 40 años de desarrollo, las personas han llevado a cabo investigaciones en profundidad sobre el tipo, el mecanismo de conducción y cómo mejorar su conductividad eléctrica, y han explorado la síntesis y aplicación de polímeros conductores en muchos aspectos. Debido a sus propiedades únicas, los polímeros conductores no solo se utilizan ampliamente como materiales conductores, sino que también tienen un valor potencial de aplicación en los campos de la energía, dispositivos optoelectrónicos, sensores y cables moleculares.
El mecanismo de conducción eléctrica de los materiales poliméricos conductores
I,Materiales poliméricos conductores compuestos
El Estado de dispersión de los rellenos en los materiales poliméricos conductores compuestos determina la conductividad eléctrica del material. a partir de la teoría de la filtración, se puede ver que cuando las partículas de relleno aisladas y dispersas se llenan sueltamente en el material, cuando la dispersión del volumen alcanza un cierto contenido crítico, se puede formar una vía continua de conducción eléctrica. En este momento, los iones se encuentran en dos estados: uno es que los transportistas de carga pueden fluir continuamente dentro del conductor, cuando ocurre un contacto físico entre los iones; En segundo lugar, debido a la existencia de una fina capa de adhesivo entre iones, el propio portador se activa y se mueve. Por lo tanto, la condición para que los materiales poliméricos conductores compuestos puedan conducir electricidad es que el material de relleno debe dispersarse en cierta medida y formar una distribución de red suelta.
La composición del material de relleno en el material polimérico conductor compuesto, el Estado de dispersión de las partículas de relleno y su interacción con la matriz de polímero determinan la conductividad eléctrica del material compuesto. para que el material pueda tener una mejor conductividad eléctrica, las partículas de relleno deben dispersarse mejor y formar una estructura de malla tridimensional o una estructura de panal.
En segundo lugar,Materiales poliméricos conductores estructurales
En los materiales poliméricos conductores iónicos, las cadenas macromoleculares como el poliéter y el poliéster forman una estructura espacial de espirales, los iones positivos se complejos con ellos y migran a través de huecos en sus canales espirales promovidos por el Movimiento de segmentos de cadenas macromoleculares, o los iones positivos y negativos "solubilizados" por macromoléculas se propagan de salto entre los huecos de Las cadenas macromoleculares.
En los materiales poliméricos conductores electrónicos, la mayoría de los polímeros poliméricos principales son sistemas conjugados, y la actividad electrónica del enlace Pi en la cadena larga es mayor, especialmente después de formar complejos de transferencia de carga con dopadores, es fácil escapar de la órbita para formar electrones libres.
Los electrones Pi dentro y entre cadenas de moléculas grandes pueden formar bandas guía debido a la superposición orbital, lo que puede proporcionar canales para la transferencia y transición de transportistas, y puede conducir corrientes eléctricas impulsadas por energía adicional y vibraciones de cadenas de moléculas grandes.
Clasificación de materiales poliméricos conductores
Los materiales poliméricos conductores se pueden dividir en dos categorías: materiales compuestos y materiales estructurales a través de la forma y estructura de producción. aunque estos dos tipos de materiales tienen propiedades más similares, también hay grandes diferencias, y la dirección y el alcance de la aplicación también son diferentes.
I,Materiales poliméricos conductores compuestos
Está hecho de materiales poliméricos comunes y diversas sustancias conductoras a través de materiales compuestos de relleno, compuestos de superficie o compuestos laminados. Las principales variedades son plásticos conductores, caucho conductor, tejidos de fibra conductor, recubrimientos conductores, adhesivos conductores y películas conductoras transparentes. Sus propiedades están muy relacionadas con el tipo, la cantidad, el tamaño y el Estado de los rellenos conductores y su estado de dispersión en materiales poliméricos. Los rellenos conductores comunes son negro de carbono, polvo metálico, lámina metálica, fibra metálica, fibra de carbono, etc.
En segundo lugar,Materiales poliméricos conductores estructurales
Se refiere a la estructura del polímero en sí o a los materiales poliméricos con función de conducción eléctrica después del dopaje. Según el tamaño de la conductividad eléctrica, se puede dividir en semiconductores poliméricos, metales poliméricos y superconductores poliméricos. De acuerdo con el mecanismo de conducción, se divide en materiales poliméricos conductores electrónicos y materiales poliméricos conductores iónicos.
La estructura de los materiales poliméricos conductores de electrones se caracteriza por tener un sistema de gran conjugación lineal o superficial, que conduce la electricidad a través de la activación de los electrones Pi conjugados bajo la acción del calor o la luz, y la conductividad eléctrica generalmente está en el rango de semiconductores. La tecnología de dopaje puede mejorar considerablemente la conductividad eléctrica de este tipo de materiales. Si se mezcla una pequeña cantidad de yodo en el poliacetileno, la conductividad eléctrica puede aumentar en 12 órdenes de magnitud y convertirse en un "metal polimérico". El nitruro de azufre dopado se puede convertir en superconductores de polímeros a temperaturas ultra bajas.
Los materiales poliméricos conductores estructurales se utilizan para probar baterías de plástico ligero, células solares, piezas de sensores, materiales absorbentes de microondas y componentes semiconductores de prueba. Sin embargo, en la actualidad, este tipo de materiales aún no han entrado en la etapa práctica debido a los problemas de mala estabilidad (especialmente la mala estabilidad oxidativa de los materiales dopados en el aire), así como la formabilidad del procesamiento y las propiedades mecánicas.
Síntesis de polímeros conductores
Los materiales poliméricos conductores son materiales emergentes que se han desarrollado en los últimos veinte o treinta años. En 1975, L.F. Nichols y otros sintetizaron en el laboratorio un polisulfuro de nitrógeno (sn) X con Superconductividad y conductividad comparable a la plata a bajas temperaturas, rompiendo el confinamiento de que los polímeros son aislantes. Dos años después, el Profesor Shirakawa de la Universidad de tsukuba, japón, descubrió que el poliacetileno dopado (pa) presentaba propiedades metálicas, y desde entonces ha nacido una nueva disciplina interdisciplinaria, la ciencia de los polímeros conductores. Los materiales poliméricos conductores han logrado cambios desde aislantes hasta semiconductores, pasando por conductores, son los materiales con el mayor salto morfológico de todos los materiales y hasta ahora ningún material es comparable. Su estructura única y excelentes propiedades físicas y químicas han atraído una gran atención de los círculos académicos y han sido ampliamente utilizadas en varios campos. Los condensadores electroliticos son un ejemplo muy importante. En la actualidad, los condensadores electroliticos de aluminio ampliamente utilizados utilizan electrolitos líquidos. aunque este tipo de condensadores tienen las características de gran capacidad, pequeño volumen y bajo precio, su rendimiento está limitado debido al uso de electrolitos líquidos. Los condensadores electroliticos de tantalio tienen ciertas mejoras en comparación con los condensadores electroliticos de aluminio.
Los condensadores electroliticos de aluminio no pueden preparar electrolitos sólidos mno2 mediante la descomposición térmica del nitrato de manganeso como los condensadores electroliticos de tantalio, y los materiales poliméricos conductores se han convertido en el material preferido para la preparación de electrolitos sólidos de condensadores de aluminio. En 1983, Sanyo Electric de Japón desarrolló un condensadores electroliticos de aluminio (os - con) con Semiconductores orgánicos tcnq como electrolito. En abril de 1989, Japón desarrolló un condensadores electroliticos de aluminio laminados (sp - con) con un material polimérico conductor Polipirrol (ppy) como electrolito. Después de 1996, aparecieron condensadores electroliticos de aluminio enrollados con polietileno (pedt) como electrolito de trabajo. En la actualidad, se han reportado aplicaciones de Polianilina y Polipirrol en condensadores de electrolitos sólidos, donde se introducen principalmente los métodos sintéticos de Polianilina y polipirrol.
I,Síntesis de Polianilina
Entre los materiales poliméricos conductores, como el material polimérico conductor más probable que se aplique en la práctica, la Polianilina (pan) tiene las ventajas de monómeros baratos y fáciles de obtener y métodos de polimerización simples. La Polianilina en estado conductor tiene excelentes propiedades electroquímicas, buena estabilidad química y alta conductividad eléctrica. A temperatura ambiente, la Polianilina es un material semiconductor típico, su conductividad eléctrica es de 10 - 10s / cm. después del dopaje, la conductividad eléctrica de la Polianilina puede alcanzar 5s / cm, y la conductividad eléctrica se puede ajustar entre 10 - 10s / cm y 100s / cm. Su color puede cambiar con los cambios en el potencial del electrodo y el pH de la solución, tiene una buena actividad de reacción electroquímica y es un nuevo tipo de material activo del electrodo, que se ha convertido en un punto caliente en la investigación actual de materiales poliméricos conductores. Anteriormente, los condensadores electroliticos sólidos utilizaban metales porosos como el Tantalio y el niobio como ánodos, formando una película de óxido en el metal como capa dieléctrica y dióxido de manganeso como cátodo. Recientemente, se ha informado ampliamente del uso de polímeros como cátodos. La síntesis de la Polianilina se puede sintetizar química y electroquímica. con los cambios en el método de polimerización, la composición de la solución y las condiciones de reacción, la Polianilina resultante de la polimerización tiene grandes diferencias en la estructura de composición y las propiedades. En el proceso de fabricación de condensadores electroliticos, la elección de métodos químicos o electroquímicos varía según la base. Para la síntesis de Polianilina en el ánodo del capacitor, el método químico requiere un oxidante, pero la reacción se puede realizar a temperatura ambiente, y la reacción es más fácil de lograr; El método electroquímico no requiere oxidantes, y la reacción de polimerización se lleva a cabo en el electrodo, pero la polimerización electroquímica hace que el recubrimiento no sea necesariamente uniforme. Si la resistencia de la película base es superior a 1,5 Omega / cm2, no se puede elegir el método electroquímico, sino el método de oxidación química; Si la resistencia de la película base es inferior a 1,5 Omega / cm2, se pueden elegir métodos químicos y electroquímicos.
En segundo lugar,Síntesis química de la PolianilinaPolimerización por oxidación
La síntesis de Polianilina por oxidación química es la polimerización oxidativa de la Anilina con un oxidante en condiciones adecuadas. Este es un método más utilizado en la fabricación de condensadores. La polimerización química por oxidación de la Anilina se realiza generalmente en sistemas de Anilina / oxidante / ácido / agua. El método aproximado es mezclar uniformemente la Anilina y el ácido en un recipiente de vidrio en una cierta proporción, reducir la temperatura del sistema a 0 ° C a 25 ° c con un baño de agua helada, añadir un oxidante a la mezcla y completarlo en 3 minutos. El color del sistema cambia de claro a oscuro, continúa agitando durante 90 minutos, luego filtra, lava hasta que el filtrado sea incoloro y obtenga un polvo de Polianilina verde oscuro.
Los oxidantes más utilizados son el persulfato de amonio ((nh4) 2s2o8), el dicromato de potasio (k2cr2o7), el peróxido de hidrógeno (h2o2) y el yodato de potasio (kio3). El persulfato de amonio es ampliamente utilizado porque no contiene iones metálicos y tiene una fuerte capacidad de oxidación. Recientemente se informó de la aplicación de dióxido de manganeso (debido a su amplia fuente, bajo precio, no tóxico, alta seguridad y fácil fabricación) como oxidante, con ácido clorhídrico como medio, la Polianilina conductora se sintetizó con éxito mediante el método de oxidación química. Al mismo tiempo, la estructura y la conductividad eléctrica de la Polianilina resultante son similares a las del persulfato de amonio (aps) como oxidante.
Como se puede ver en la tabla 1, la Polianilina se sintetiza en las mismas condiciones, y la conversión de APS como oxidante es comparable a la de mno2 como oxidante, y la conductividad eléctrica de APS como oxidante es mayor que la de mno2 como oxidante. A pesar de las diferencias en la conductividad eléctrica, mno2 sigue siendo un oxidante opcional para la polimerización de anilina.
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