导电高分子材料的应用

导电高分子材料的应用 中国地质大学,材化学院,武汉430000 摘要:本文简略介绍导电高分子材料的类型和部分制备方法，与介绍导电高分子材料目前的应用，如在除可用作电器元件外,还可用作二 次电池的电极材料、防静电涂层及电显示材料和隐身技术等,是一类性能优异的新型功能材料。 关键词:导电高分子材料 复合型导电高分子材料 结构型导电高分子 隐身材料 引言:2000年的诺贝尔化学奖得主通过研究证明了大家通常认为绝缘的高分子材料在一定的条件下也可以具有导电性。从那以后，导电高分子材料这一门新兴的学科就此迅速发展，成为材料学科研究中重要的一部分。。导电高分子材料因其独特的结构和物理化学性质而在很多方面得到广泛应用，例如已经在隐身技术、显示器、电池、电子器件、生物医药、传感器等方面得到广泛的应用。虽然导电高分子材料的发展只有三十多年的历史，但由于这门学科本身有着极其巨大的学术价值和应用前景，所以吸引了世界各国的科学家从事该领域的研究。导电高分子材料具有如下优点:比金属导体轻，对光电具有各向异性，易于成膜加工，可利用外界条件光、电、热、压力等改变或调节导电体的物理性质，可通过设计分子结构合成特种功能的导电性材料。导电性高分子材料可分为两大类:一类是复合型导电高分子材料 ,另一类是结构型导电高分子材料。 1.结构型导电高分子 1.1概念 结构型导电高分子是指高分子本身或少量掺杂后具有导电性质，一般是电子高度离域的共轭聚合物经过适当电子受体或供体进行掺杂后制得的从导电时载流子的种类来看，结构型导电高分子主要分为两类:(1)离子型导电高分子,它们导电时的载流子主要是离子。(2)电子型导电高分子 ,导电时的载流子主要是电子(或空穴) ,主要是指共轭高分子. 结构型导电高分子的主要品种有聚乙炔 (PPV) 、聚苯胺 (PAN) 、聚吡咯(PPY) 、聚噻吩(PVK) .但通常,由于导电高分子的不熔性，和环境稳定性的问题 ,在基础研究和技术应用上受到了极大的限制。 1.2合成方法 结构型导电高分子的制备方法主要有以下几种:化学氧化聚合法、电化学聚合法以及热分解烧结新工艺等。 1.3应用 多数聚合物也没有得到实际的应用,只有聚苯胺例外，原因在于它的性质稳定，易于加工，易于成膜，且膜柔软，弹性好。更主要的是价格低廉。正是由于上述优点使得聚苯胺(PAn)在工业和商业上具有广泛的应用前景。PAn由于其有良好的电性能且电导率随掺杂度的不同在一定范围内变化，但复合型材料不具备这个性质，但可以通过掺杂炭黑或金属粉达到要求，但是所在电导率范围较高，难已做到，相反PAn却可以轻易做到，利用其导电性可保护飞机不受雷电袭击， -8-2切在航空和航天方面具有重要意义。此外控制导电率在10~10之间浇或复合在衣服的纤维表面，可起到抗静电的作用。此外，PAn的电化化学性能，Pan以强质子酸进行掺杂是可逆过程，有电子得失，故材料可发生氧化还原反应，目前已应用于计算机辅助电源、钟表、手提式工具以及便携电话等电源。 2.复合型导电高分子 2.1概念 复合型导电高分子材料即指聚合物为母体，与各种导电性物质:如炭黑、石墨、酞花青络合物或金属粉等，通过分散复合、层积复合或形成表面导电膜等构成的材料。复合型导电高分子通常选用物理性能适宜的合成树脂如聚氯乙烯、聚苯乙烯、丙烯酸树脂、环氧树脂、酚醛树脂、ABS树脂以及丁腊橡胶、氯丁橡胶、硅橡胶等，与具有良好导电性能的超微金属、金属氧化物及炭黑、石墨等混配制成导电塑料、导电橡胶、导电涂料和导电粘合剂等。这类高分子材料起载流作用的仍是金属粉或炭黑，而合成树脂只是起着支撑体和成型器件的作用 。目前,这类导电材料已在电气、无线电等工业中大量使用。另外可以用作全塑电池的电极，其体积小，重量轻，蓄电能力是常规铅酸电池的10倍，已应用于汽车工业。 2.1合成方法 目前 ,复合型导电高分子所采用的复合方法主要有两种:一种是将亲水性聚合物或结构型导电高分子与基体高分子进行共混 ,即用结构 型导电聚合物粉末或颗粒与基体树脂共混 ,它们是抗静电材料和电磁屏蔽材料的主要用料 ,其用途十分广泛 ,是目前最有实用价值的导电塑料. 另一种则是将各种导电填料填充到基体高分子中的导电树脂基复合材料 ,是以树脂为基体 ,添加导电纤维、颗粒、粉末、球状、块状导电体等制备而成. 2.2应用 目前，这类导电材料已在电气无线电等工业中大量使用。如导电塑料可用作印刷电路、电热器原件、防静电材料等。导电橡胶(硅橡胶)可用作电器连接器件起到与粘点、接触面紧密 贴合的作用,不仅导电性好，而且具有弹性，且抗震动和稳定性均良好。导电粘合剂可用 于电子管的真空导电密封，波导元件和印刷电路的制造，半导体收音机的安装和电子计算机 中插件的粘合等。近年来这类复合型导电高分子材料的应用又有了一些新发展，如导电橡胶与非导电橡胶分层叠合后一起硫化成型就可在非导电橡胶中形成分立的导电通路，用这种材料作显示器的底座，既有电通路，又有防震、密封的作用。该产品已广泛用于数字式电子表 中。在导电粘合剂方面 也有很多新成就,如在人造卫星、宇宙飞船上,几千个硅太阳能电池的安装，印刷电路与微元件的粘合就是使用导电性粘合剂完成的。总之，这类复合型导电高分子材料已经开辟了十分广泛的应用前景。 3 共混型复合导电高分子 3.1概念 基体高分子与结构型导电高分子共混，就是采用机械或化学方法将结构型导电高分子和基体高分子进行复合，这是一条使结构型导电高分子走向实用化的有效途径. 但是 ,基体高分子的热稳定性对复合材料的导电性能也有影响 ,一旦基体高分子链发生松弛现象 ,就会破坏复合材料内部的导电途径，致使导电性能明显下降. 通常采用化学法或电化学法 ,将结构型导电高分子和基体高分子进行微观尺度内的共混 ,则可获得具有互穿或部分互穿网络结构的复合导电高分子. 利用这一方法已经得到了PAN/聚甲醛(POM)、PPY/ 聚(乙烯接枝磺化苯乙烯) 、PPY/ 聚酰亚胺(PI)等复合导电高分子。 3.2应用 在研究进展方面 ,三洋化成工业公司开发的以聚醚为主的特殊嵌段共聚物与 PMMA、ABS和PA等基体高分子组成的共混物也具有永久抗静电效果 ,且相容性较好. 美国 Americhem 公司等共同开发的 PAN/ PVC 导电复合材料 ,当 PAN 质量含量为30 %时，其体积电阻 - 2率达 10Ω?cm 量级 ,拉伸强度为4. 2 MPa ,伸长率大于250 %。 4填充型复合导电高分子 4.1概念 导电填料掺入到普通的基体高分子中 ,经各种成型加工方法复合制 得导电高分子。导电填料的品种很多，常用的可分成炭系和金属系两大类。炭系填料包括炭黑、石墨碳纤维和炭纳米管等;金属系主要有铝、铜、镍、铁等金属粉末、金属片和金属纤维 ,以及镀金属的纤维和云母片等。通过试验研究将炭黑颗粒和金属纤维填充便可制成复合导电高分子。分为碳黑填充型、金属填充型、碳纤维填充型、纳米型导电高分子。 5其他应用 5.1电解沉淀中的应用 以往的沉淀方法如印刷电路的制造中，首先在基板上镀上一层金属如铜，这需要电解沉淀方法完成。但是过去的沉淀方法需要催化剂，而这些催化剂往往有毒。相反，采用聚吡咯作为预涂层，涂在基板上，可以避免以上的问题，且无毒、加工简单、附着性好、沉淀在聚吡咯涂层上的金属层的易剥离，关键的是可实现穿孔电镀。 5.2在电容器上的应用 在两电极间充以高分子固体电解质，施加一低于电极和电解质分解电位的直流电压，离子将移向一端电极，从而电解质和电极之间形成双电层，这种双电层容量大，可作为高容量的电容器。 5.3电致变色方面的应用 电致变色是指物质在外加电压作用下，发生电化学氧化还远而使颜色改变的过程。利用电致变色机理，可作为电致变色显示器、自动调光窗玻璃等。 5.4传感器方面的应用 在固体电解质中有许多材料对离子的透过具有选择性，因此可以在高分子固态电解质薄膜两侧造成某种特定离子的浓度差，通过测定由此而产生的电动势，就能将高分子固体电解质用作离子传感材料。目前 ,已有用多嵌段聚醚氨醋脉与氯化钾的复合物制成了一种高分子固态离子导体涂丝氯离子的选择电极。这种电极既保持了涂丝电极的优点 ,同时具有不必活化、响应速度快、重现性好、内阻小、稳定性好等优点。 5.5隐身技术中的应用 5.5.1雷达隐身技术中的应用 导电高分子材料作为吸收剂被应用。导电聚合物主要有聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺等, 这些导电聚合物的纳米微粉具有良好的吸 波效果, 与纳米金属吸收剂复合后吸波效果更佳。聚苯胺由于其结构的多样化, 环境稳定性好、易加工、价格低廉以及特殊的掺杂机制而成为导电高分子的研究热点。其已被应用于吸波材料和电磁屏蔽材料。在美国用聚苯胺制成的导电高分子屏蔽材料的屏蔽效果已达到40 dB以上。我国华因科技有限公司研制的屏蔽系列涂料, 在80 μm 时, 屏蔽效能达到了40 dB~60dB。利用掺杂态导电高分子的导电性和半导体性, 反射或吸收电磁波, 已经用导电聚吡咯纤维编制成迷彩盖布, 可以干扰敌方的电子侦察。在电子仪器的壳体内部或孔壁涂上导 -1电高分子涂层, 可将其导电能力提高到10S/cm 以上, 以实现仪器 壳体内外的电磁屏蔽作用。利用导电高分子在掺杂前后导电能力的巨 大变化, 实现防护层从反射电磁波到透过电磁波的切换, 实现智能隐身的功能。 5.5.2红外激光隐身技术中的应用 用于热隐身的材料应具备以下基本特征:具有符合要求的热红外发射率或较强的控温能力;具有合理的表面结构; 具有较低的太阳能吸 收率;能与其它频段的隐身要求兼容。国外研究得较多的是涂料型红外隐身材料，其次是薄膜材料。红外粘合剂及红外涂层用树脂有以 下特点: 必须保护好填料，并在涂层的整个使用期保持它们的红外特性不变;其次，树脂必须在所选光谱范围红外特性的透明，导电高分子比较符合要求，因此在红外隐身技术中得到广泛应用。 结论:目前导电高分子的材料的应用范围不断增大，尤其在军事方面，从20世纪50年代起, 美国开展隐身技术研究, 20世纪70年代开始研制隐身飞机, 80年代隐身飞机装备部队。相比之下，我国在该领域的起步较晚，随着对导电高分子材料导电机理研究的不断深入, 由于导电高分子复合材料具有极强的可设计性, 在隐身技术中会得到更加充分的应用, 国内一定要在此方面有所作为, 发展自己的隐身技术和材料，此外也提升复合导电高分子材料在掺杂物质从而提高导电性方面的水平，减少甚至避免飞机受到雷电袭击造成的损伤，从而在航空方面的技术提高上去，成为一个军事强国。 参考文献: [1]宫兆合, 梁国正, 任鹏刚, 王旭东,导电高分子材料在隐身技术中的应用,高分子材料科学与工程,2004,20(5),30-32 [2]陈东红，虞鑫海，徐永芬,化学与黏合,2013,34(6),61-64 [3]韩延辉,黄丽,徐定字,导电高分子材料的应用,1995,2,50-53 [4]周秀民,孙丽菊,导电高分子材料的应用研究,吉林化工学院学报,2005,22(1),65-67 [5]李星玮,导电高分子材料的性能及应用,化工新型材料,1997,4.3-5 浅析规则式植物造景和自然式植物造景 苏旺 指导老师:汪小飞 ,黄山学院生命与环境科学学院～安徽 黄山245041, 摘 要:本文分析了规则式植物造景和自然式植物造景，和他们各自的造景特色和主要适 用在什么场合。探讨了规则式植物造景和自然式植物造景二者包括的造景形式以及他们在造 园体系、表现手法上的不同点。介绍了它们在各个国家、地域的各有特色。最后我们应该适 宜运用各种造景形式。 关键字:规则式植物造景，自然式植物造景 Analysis of rule-plant landscaping and nature plant landscape Su Wang Director:Wang Xiaofei (College of Life & Environmental Sciences, Huangshan University, Huangshan245041, China) Abstract:This article analyses the rules scene building with plants and nature plant landscape, and their landscape and mainly used on occasion.Discusses rules for scene building with plants and nature plant landscape landscape including the two forms as well as their gardening system, on the presentation of different points.Describes them in the various countries, geographical features.Finally we should be appropriate to use various landscape forms. Keyword:Rules-plant landscaping, nature plant landscape 1.树木配置的形式 按照树木的生态习性，运用美学原理，依其姿态、色彩、干形进行平面和立面的构图， 使其具有不同形态的有机组合，构成千姿百态的美景，创造出各种引人入胜的树木景观。树 木配置的形式多种多样、千变万化，但可以归纳为两大类，即规则式配置和自然式配置。 2.规则式植物造景 规则式又称整形式、几何式、图案式等，是把树木按照一定的几何图形栽植，具有一定的株行距或角度，整齐、严谨、庄重，常给人以雄伟的气魄感，体现一种严整大气的人工艺术美，视觉冲击力较强，但有时也显得压抑和呆板。 2.1规则式植物造景适用的场合 规则式植物造景常用于规则式园林和需要庄重的场合，如寺庙、陵墓、广场、道路、入口以及大型建筑周围等。法国、意大利、荷兰等国的古典园林中，植物景观主要是规则式的，植物被整形修剪成各种几何形体以及鸟兽形态，与规则式建筑的线条、外形，乃至体量协调统一。古埃及园林、古希腊园林、古罗马园林、文艺复兴时法国园林等植物景观都是规则式的。西方古典园林植物造景受到唯理思想的影响，采用完全规则式的配置方式，整齐一律，均衡对称。植物采用中轴线左右对称，均衡布置，植物在种类、株数、体量、大小、高矮选择上都与中轴线呈对称布置;草坪和花圃，被分割成各种几何形状的板块，甚至树木本身也被修剪成规则式的，如凡尔赛宫成排树木沿中轴线规则排布，密植的树木修剪成的树墙，给人以有序整齐视觉感受。 古罗马园林很重视植物造型的运用, 有专门的园丁从事这项工作。造型初期只是将一些萌芽力强、枝叶繁茂的常绿植物修剪成篱, 以后日益发展, 将植物修剪成各种几何图形、文字、图案, 甚至一些复杂的牧人或动物的形象。常用的植物为黄杨、紫杉和柏树。又如文艺复兴时期意大利台地园及法国18 世纪园林中都有大量的规整式植物造型。规则式的园林景观给人以雄伟气魄之感。西方古典园林植物造景中兴盛迷园的建造。例如, 罗马园林中的迷园内有图案复杂的小径,有的用大理石铺路, 有的用草皮铺路, 以修剪的绿篱围在道路两侧, 形成图案复杂的通道, 成为园中娱乐的一个地方。 2.2对植和列植的理解 规则式包括对植和列植。在规则式种植中，利用同一树种、同一规格的树木依主体景物的中轴线作对称布置，两树的连线与轴线垂直并被轴线等分，无论在道路两旁、公园或建筑入口都是经常运用的。这种规则对称种植的树种，树冠比较整齐，种植的位置既不要妨碍交通，又要保证树木有足够的生长空间。对植常采用树形整齐优美、生长较慢的树种，以常绿树为主。常用的有松柏类、南洋杉、云杉、冷杉、大王椰子、苏铁、桂花、玉兰、碧桃、银杏、腊梅、龙爪槐等，或者整形的大叶黄杨、石楠、海桐等。例如，公园门口对植两棵体量相当的树木，可以对园门及其周围的景物起到很好的引导作用;桥头两旁的对植则能桥梁构图上的稳定感。对植也常用于有纪念意义的建筑物或景点两边，这时选用的对植树种在姿态、体量、色彩上要与景点的思想主题相吻合，既要发挥其衬托作用，又不能喧宾夺主。列植是将乔木、灌木按一定的株行距成排成行地栽种，形成整齐、单一、气势大的景观。它在规则式园林中运用较多，如道路、广场、工矿区、居住区、建筑物前的基础栽植等，常以行道树、绿篱、林带或水边列植形式出现在绿地中。列植树木要保持两侧的对称性，平面上要求株距相等，立面上树木的冠径、胸径、高矮则要大体一致。当然这种对称并不一定是绝对的对称，如株行距不一定绝对相等，可以有规律的变化。列植树木形成片林，可作背景或起 到分割空间的作用，通往景点的园路可用列植的方式引导游人视线。 3. 自然式植物造景 自然式又称风景式、不规则式，植物景观呈现出自然形态，无明显的轴线关系，各种植物的配置自由变化，没有一定的模式。树木种植无固定的株行距和排列方式，形态大小不一，自然、灵活，富于变化，体现柔和、舒适、亲近的空间艺术效果。适用于自然式园林、风景区和普通的庭院，如大型公园和风景区常见的疏林草地就属于自然式配置。中国式庭院、日本式茶庭以及富有田园风趣的英国式庭院亦多采用自然式配置。 3.1孤植、丛植、群植的理解 自然式包括孤植、丛植、群植等。树木的单位栽植称为孤植，孤植树有两种类型，一种类型是与园林艺术构图相结合的庇荫树。这类树要求冠大荫浓，寿命长，第二种的孤植树是单纯作艺术构图中的孤赏树应用。要求体型端庄或姿态优美。开花繁茂，色泽鲜艳。丛植是指一株以上至十余株的树木，组合成一个整体结构。丛植可以形成极为自然的植物景观，它是利用植物进行园林造景的重要手段。一般丛植最多可由15株大小不等的几种乔木和灌木。在自然式园林中，丛植是最常用的配置方法之一，可用于桥、亭、台、榭的点缀和陪衬，也可专设于路旁、水边、挺远、草坪活广场的一侧，一丰富景观色彩和景观层次，活跃园林气氛。运用写意手法，几株树木丛植，姿态各异、相互趋承，便可形成一个景点或构成一个特定空间。 3.2孤植 孤植是中国古典园林采用较多的一种形式, 它能充分发挥单株花木色、香、姿的特点, 并常作为庭院观赏的主题。如苏州拙政园“玉兰堂”的白玉兰, 网师园“小山丛桂轩”西侧的槭树等。西方古典园林的孤植，最典型的要数英国自然风景园林, 它追求的是一种简单而真实的美。在西方, 孤植多为高大的乔木, 常有一木成林的气势。例如英国斯陀园中孤植的大橡树。丛植在中国古典园林中，有两种情况: 一是用一种观赏价值较高的树植之成林,发挥和强调某种花木的自然特性, 以体现群体美, 常作为主景;二是用数种花木成丛栽植, 常作为观赏的主题。如怡园听松涛处植松, 苍翠挺拔;留园西部植鸡爪械, 秋日红叶斑斓;沧浪亭山边的箬竹满坡, 苍翠欲滴;远香堂南的广玉兰, 浓萌匝地等。西方古典园林的丛植多用于乔木、灌木的结合。丛植的林地边缘也呈不规则的形式。 3.3丛植 丛植除用于近景和中景外, 还常常起隔景、障景的作用, 以增加景色的层次与变化。同时也常常将不宜入画的地面或建筑用灌木丛遮掩起来。例如英国邱园中片植的乔木和互相搭配的姿态、颜色各异的灌木丛等。 自然式植物造景运用的比较好的是中国和日本。他们讲究的都是本于自然，诗画的情趣，意境的蕴含。只有这样，自然式植物造景才能不仅仅是形态上的自然，连神态都显的自然。日本式，植物在这类庭园里扮演着非常重要的角色;常青灌木和树木可以构成设计的主骨架。不要选用大叶灌木。相反，应选用小叶植物和不对称的树木。在大多数日式庭园里，经常要 修剪树木和灌木，使它们大小相宜，并留下足够的空地(在较大的园里需要修剪的通常只是那些郁郁葱葱的松树)。中国的自然式植物造景，如在个园中春梅翠竹，配以笋石，寓意春景，夏种槐树、广玉兰，配以太湖石构成夏景，秋栽枫树，配以黄石构成秋景，冬植腊梅、南天竹配以雪石构成冬景。从而在咫尺庭院中创造了四季变化的景观序列。 4.总结 自然式植物造景和规则式植物造景各有特色，自然式的，灵动、优雅、自然、亲近;规则式的，雄伟、严谨、庄重。运用得当，可以形成，各种特色的景观。 参考文献 [ 1] 陈志华. 外国造园艺术[M]. 河南科学技术出版社，2001 [ 2] 胡长龙.园林规划设计[M]. 中国农业出版社. 1995 [ 3] 卢圣.植物造景[M].北京:气象出版社，2004 [ 4] 秦 颂. 浅析中西方绿化文化之异同[ J] . 国外建材科技, 2006( 27) : 5 [ 5] 区伟耕.园林景观设计资料集[M].乌鲁木齐—新疆科技卫生出版社.2002 6] 邵 君. 浅议中西古典园林的起源及差异[ J] . 甘肃水利水电科技, 2003(39) : 2 [ [ 7]苏雪痕. 植物造景[M]. 北京:中国林业出版社，1998 [ 8]杨 闯.植物造景的应用[M].武汉-武汉大学出版社.2006 [ 9] 余树勋.园林美与园林艺术[M]. 科学出版社. 1987 [10] 周武忠. 园林植物配置[M]. 中国农业出版社，2004 [11] 朱钧珍.中国园林植物景观艺术[M].北京—中国建筑工业出版社.2003