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电气化塑料包装的浅谈上

时间:2022-04-29 来源网站:九台市化工机械网

电气化塑料包装的浅谈(上)

摘要:导电高分子具有特殊的结构和优异的电学性能,在光电子、信息产业、航空航天等领域有着广泛的用途,亦在防电磁包装、防静电包装、隐身包装(防红外、防雷达)、智能包装等方面,有着诱人的应用前景。因此,电气化塑料包装是21世纪研究发展和推广应用的重点。

自19世纪70年代聚合物发明100多年以来,它一直以绝缘这一伟大优点而自豪,并在工业中特别是在包装领域得到了十分广泛的应用。但谁也没有料到,绝缘性能优良的聚合物在20世纪80年代,由于高科技的注入而变得更加温驯。其应用领域更加拓宽而驰骋天下。

1 概论

1977年,日本白川英树(K.Shiakawa)和美国麦克狄密德(Mac Diarmid)各自领域的研究小组几乎同时发现,只要给聚乙炔进行掺杂例如AsF5、I2等,就可以改变高聚物的性能,从而获得了导电性高聚物(conducting Polymers)。于是第一个导电高分子聚乙炔PAc(Polyacetylene) 薄膜问世了。从此打破了高聚物是绝缘体的传统观念,高分子聚合物进入了开发、应用的新时代。

进入1980年以后,美、英、德、日、法、中、苏等国开始大量研究导电聚合物。经过20多年的研究,一大批导电聚合物先后发现问世,导电聚合物的导电性能(电导率)也由当初的103S/cm逐渐提升到如今的106S/cm,提高了1000倍,达到了铜金属导电的高水平。在此领域作出伟大贡献的科学家K.Shiakawa等人亦因此而获得了世界最高科学奖——诺贝尔奖。

2001年,英国科学家提出电气化塑料概念。根据导电理论,导电性聚合物主要分为复合型、结构(本征)型、离子型三大类。前者是在绝缘性高分子聚合物中加入碳黑、细微金属丝或镀金属的氧化物等等导电物质而获得导电性能。后者是加入高氯酸锂等盐离子而导电,而结构型则依靠高聚物本身产生的导电载流子导电而赋予导电性,三者有根本的区别。

按结构型而言,导电聚合物(Conductive Polymers)是指聚合物主链结构具有导电功能的聚合物,一般是以电子高度离域的共轭聚合物经过适当电子受体(或供体)进行掺杂后而制得的。

2 电气化塑料的特点与合成

这类聚合物基本上是不饱和聚合物,一般采用电解聚合法合成。并经过一定的掺杂处理而使其具有导电功能的导电高聚物。其导电性能有如下特点。

①通过控制掺杂度,导电高聚物的电导率可在绝缘体——金属范围内(10-9S/cm~105S/cm)变化,这是其他任何材料都无法比拟的。目前最高室温电导率可达105S/cm,它可与铜的电导率相比美,而重量仅为铜的8%左右;典型导电高聚物一般电导率为103S/cm。②导电高聚物可进行拉伸取向,沿拉伸方向电导率随拉伸度而增加,而垂直拉伸方向的电导率基本不变,呈现强的电导各向异性;③尽管导电高聚物的电导率可达金属水平,但它的电导率—温度曲线不呈现金属特性;④导电高聚物的载流子用孤子(soliton)、极化子(polaron)、双极化子(bipolaron)概念描述,既不同于金属的自由电子,也不同于半导体的电子或空穴;⑤导电高聚物具有掺杂/脱杂、完全可逆的过程,这是导电聚合物专有的独特性能;⑥导电高聚物具有掺杂伴随着颜色的变化以及高的三阶非线性光学效应等特点,使其应用范围更广。

上述导电性高分子聚合物一般是以共轭聚合物经过掺杂后制成的。按“绿色化工”原则,目前导电聚合物合成方法有如下五种。

(1) 化学合成法:根据高分子合成原理制备主链共轭的高分子,日本白川英树在低温下使用Ziegler-Natta催化剂,使乙炔聚合成聚乙炔(PAc)即是典型一例。

(2) 电化学合成法:根据有机电化学合成原理而得到共轭聚合物,许多杂环导电聚合物,如聚吡咯PPy、聚噻吩PTP等皆是采用电化学合成法而制成。采用电化学合成法不仅可使聚合物与掺杂同时进行,而且能容易地得到所需厚度的导电薄膜。

(3) 等离子体聚合法:在辉光放电下使单体聚合,此方法工艺过程复杂,得到的聚合物结构较复杂,目前应用实例不多。

(4) 共轭转换法:由非共轭聚合物向共轭聚合物转化,如以聚氯乙烯脱氯化氢制取乙聚乙炔衍生物。本法仍有待发展。

(5) 母体制备法:为克服聚合物不溶不熔难以成型的缺点,先后开发了聚乙炔PAc,聚苯撑乙炔PPV和聚噻吩乙炔PTV等等母体聚合物的制备方法。如是等等。

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