说说高分子金属

说说高分子金属

20世纪70年代，美国科学家希格和马克蒂米德首先发现了一种称为聚乙炔的高分子材料具有导电的性质。紧接着，又有人用五氟化砷（AsF₅）或碘（I₂）对聚乙炔进行掺杂改性，其导电能力达到了金属导电的范围，接近于铜的导电率。这是一项具有划时代意义的科学成果。有机化学家、高分子化学家，甚至整个科技界曾为此而振奋！从此，只有金属材料才能作为导体的概念被打破了；有机高分子材料不能作导电介质的陈旧观点也被彻底改变了。同时，导电高分子材料的可合成性、轻质、优良的加工性、奇特的特性以及诱人的发展和应用前景，引起了世界各国众多科学家的参与和关注，成为近30年来高分子材料领域的研究热点之一。为了与金属媲美，人们冠以这种新材料许多美称——合成金属、高分子金属或金属高分子。

现在，人们已经知道了，金属材料之所以能导电，是因为金属内部的结构中存在自由电子。自由电子愈多，导电性能就愈好。然而，对于一般的有机高分子材料，由于大都是碳、氢等原子以共价键结合而成，在它们的组成原子中，不能形成自由电子，就是给它通上电也不能形成电流，我们一般称这种材料为绝缘材料。绝缘材料可用来制作各种电路板、接线板、电工工具的把手等。20世纪50年代以来，高分子材料迅猛发展，其品种之多，产量之大是其他工业品无法比拟的。合成塑料、化纤、橡胶、黏合剂等已广泛地取代了传统的工业品如金属制品、竹、木、棉制品等。人们的现代生产和生活已离不开高分子材料了。然而，由于普通高分子材料的电绝缘性，给人们既带来新的文明，也带来了麻烦甚至灾难，即静电灾难。如：我们穿脱化纤服装时，常听到叭叭响声；工业上用塑料制的传送带在输送煤炭时曾引起火灾和爆炸；在生产塑料薄膜时，因静电作用发生卷曲、撕裂和严重的吸尘；尤其是现代，在电器产品、计算机中大量采用了集成电路，产品向着集成化、微型化的方向发展，静电干扰和电磁波噪音的危害就更突出了。20世纪80年代初，美国的电子工业在一年中由静电引起的带电或放电所造成的经济损失超过100亿美元；我国某集成电路厂，因静电击穿造成的废品率竟高达1／3。这些都是由于在高分子结构中的原子的外层电子不能移动，在外界作用力的诱发下，产生静电聚集。这种在高分子材料内部的电聚集，当其释放时就会发生火花、静电吸引、电磁波干扰等危害。可想而知，静电和电磁波干扰对航空航天、通讯和国防等高科技领域的危害就更不堪设想了。

为了消除高分子材料中的静电灾害，新的导电高分子材料诞生了，一场高分子材料导电化的技术革命在世界范围内拉开帷幕。经过30多年的基础研究和应用开发，已经形成了一个新的学科分支。新产品层出不穷，有复合型导电高分子、结构型导电高分子和离子导电高分子（又称高分子电介质）。

使高分子材料导电化最先采用的技术途径是在材料的成型和加工过程中混入具有导电性质的粉末或短纤维，如铜粉、镍粉、银粉、导电炭黑或石墨粉或它们的短纤维、片材等。高分子材料通过混入其中的导电微粉或纤维，构成一种所谓的“链锁式导电通路”，或构成所谓的“隧道效应”（对石墨或炭黑而言），为集聚的静电荷提供一个链锁式通路。这种导电材料称为复合型导电高分子。目前，根据不同的用途，开发的产品有导电塑料、导电薄膜、导电橡胶、导电涂料等。

导电高分子的应用，不仅解决了高分子材料的静电灾害和电磁波干扰问题，而且带来了许多新技术。例如：利用导电涂料可以用于印刷电路板，从而代替了接线或敷铜板，广泛用于电话键盘和其他设备中，不仅工艺简单，而且成本低并具小型化等优点。

导电塑料除大量用于电器产品的机壳防静电外，还可作为发热体、热敏、压敏的元件等。如在聚氯乙烯中掺入导电的碳粉，当碳粉的粒子互相接触时，它是一个导体。但当电路通过时它产生热，使塑料膨胀，碳粒脱离接触，电流中断；当温度降低时，碳粒又恢复接触而通电，它相当于一个开关的作用，可使塑料保持恒温。用这种材料包扎需保持恒温的化工管道是非常适合的。用导电黏合剂代替元件电接点的电焊工艺，既方便又安全，尤其适宜于怕高温的操作工序。

这种复合型导电高分子材料，不仅用途广，而且具有重量轻、易成型加工、导电性可调、成本低、使用方便等优良特性。自20世纪80年代后，它们在能源、纺织、轻工、电子、航空航天等工业部门被用作防静电材料、电极材料、发热体材料、电磁波屏蔽材料等。当然，新的应用，仍在开发之中。它本身的制造技术中的关键问题，如粒子分散性、表面改性及相容性、膨胀系数匹配等也仍在深化改进之中。

像聚乙炔那样，因本身的结构具有电子通路、可以导电的高分子材料，才是人们称谓的真正的高分子金属，通称为结构型导电高分子。这是因为在它的单键和双键交叉联结的长链分子结构中，电子变得非常活泼，在外场电压作用下，它们便会沿长链移动。

科学家们受这种导电机理的启示，并且应用分子轨道理论和能带理论，合成出各种具有共轭双键的长链分子，如聚乙炔、聚对苯撑、聚苯硫醚、聚吡咯等。也有用所谓σ－π兀电子共轭效应的导电材料，如高分子与金属配位体，高分子量的聚硅烷等。这些新材料，有的具有特殊的电荷转移性能和光学性能；有的具有光导性；有的在不同温度中有不同颜色；有的有负的膨胀系数等，其应用前景十分诱人。它们一直是激励科学家奋发研究的热门课题。