Электропроводящие полимеры: структура, свойства, применение

 Полифениленвинилен, полиацетилен, политиофен (X = S) и полипиррол (X = NH), полианилин (X = N, NH) и сульфид полифенилина (X = S).

Хорошо изученные классы органических проводящих полимеров  представляют: полиацетилен, полипиррол, политиофен, полианилин, поли-сульфид-p-фенилена, а также поли-пара-фенилен-винилен (ППВ). ППВ и её растворимые производные появились в качестве прототипа электролюминесцентных полупроводниковых полимеров. Сегодня поли-3-алкитиофен являются материалом для солнечных батарей и транзисторов. Другие не так хорошо изученные проводящие полимеры включают: полииндол, полипирен, поликарбазол, полиазулен, полиазерин, полифлуорен и полинафталин.

 

3.1 Методы получения

 Синтез электропроводящих полимеров

Разработано множество методов  синтеза полимеров. Большинство  проводящих полимеров изготовляются  путём окисления связи моноциклического предшественника.

Одной из проблем является как правило низкая растворимость  полимеров. Однако в некоторых случаях  молекулярная масса не должна быть высокой, чтобы достичь желаемых свойств.

Лучший (но не единственный) вариант - получение полианилина за счет окислительной полимеризации солей аналиния.

Разработан простой и  изящный метод получения тонких пленок проводящих полимеров, которые  могут улучшить свойства солнечных  панелей, светодиодов, сенсоров. В основе метода - несмешиваемость воды и  масла и возникающее на поверхности  раздела этих фаз поверхностное  натяжение

Также существует технология, в которой используется методика «прививания» для создания сильных адгезионных связей между поверхностями сопряженных материалов.

Рис. 5. Полимерные элементы, полученные методом образования  адгезионных связей

4. Применение полимерных материалов

Целью многих разработок на основе проводящих полимеров была комбинация их электрических и оптических свойств  полупроводника или металла с  механическими свойствами (легкость и пластичность) и с преимуществами связанными с более простой технологий приготовления (низкая температура  приготовления и в результате более дешевое сырьё). Другой важной особенностью является способность  полимеров изменять свои свойства при  изменении уровня легирования. Все  это привлекает многие электронные  фирмы вкладывать деньги в соответствующие  разработки.

Сильнолегированные полимеры находят применение в качестве различных антистатических покрытий, электромагнитных экранов, в литографических процессах и др. Широкое применение находят различные антистатические покрытия из полимерных материалов. Для защиты от различных электромагнитных излучений (в микроволновом диапазоне) достаточно иметь проводимость покрытия порядка 10^-3 . 10^-1 Ом^-1·см^-1, такие полимеры представляют интерес для антирадарных покрытий в авиации. Полимеры обладают оптимальным соотношением между шириной полосы поглощения и массой по сравнению с другими материалами.

В электрохимически легированных полимерах процесс легирования  и делегирования может управляться  внешним напряжением, что используется для создания легких аккумуляторных батарей и различных медицинских  приборов.

Нелегированные полимеры обладают полупроводниковыми свойствами, в них можно инжектировать носители заряда из электродов. Уже создан полностью полимерный (а значит гибкий) полевой транзистор, полимерные фотоприемники, солнечные элементы, КПД которых, правда, редко превышают 5% (кремниевые элементы имеют КПД 20%).

 

Рис. 5. Устройство фотоэлемента Рис. 6. Прозрачная полимерная батарея

Разрабатываются полностью  полимерные интегральные схемы, которые  могут заменить в некоторых случаях (например, в кодовых электронных  замках) кремниевые микросхемы. К «ярким»  применениям можно отнести бурно развивающиеся в настоящее время полимерные светодиоды (LED).

Рис. 7. Структура органического светодиода

4.1 Применения легированных полимеров

Конечная цель развития отрасли  проводящих полимеров связана с  возможностью изготовления более легких (по сравнению с медью) проводов. Однако проводимость порядка проводимости меди достигнута пока только в легированном полиацетилене, который оказывается  атмосферно нестабильным. Другие интересные применения полимеров связаны в  настоящее время с менее проводящими, но более стабильными полимерными  материалами.

Легированные полимеры используются в качестве контактов, в частности контактов к пористым материалам (Si). Такие контакты получены в настоящее время из полипиррола с помощью полимеризации пиррола (в присутствии FeCl₃) непосредственно в порах. В мембранах громкоговорителей (которые должны быть гибкими и проводящими) используется полиэтиленовая пленка, покрытая слоем проводящего полианилина.

Также проводящие полимеры применяются в литографии, используется то обстоятельство, что после легирования полимер становится нерастворимым. В качестве резиста берется смесь: полимер и соль. Под действием электронного или УФ облучения соль разлагается, и кислота легирует полимер в месте освещения. Неосвещенные полимерные участки вымываются растворителем. Таким образом, можно получить проводящие полоски толщиной 0.25 мкм.

4.2 Конкретные применения в различных отраслях

Аккумуляторные  батареи

 Именно здесь впервые  нашли коммерческое применение  проводящие полимеры. Положительный  электрод в них изготавливается  из политиофена, полианилина или  полипиррола. Отрицательный - из  лития либо его сплавов.

Химически модифицированные электроды

Электроды изготавливаются  из химически инертного материала, на поверхность которого затем наносится  слой проводящего полимера. Последний  должен быть каталитически активным по отношению к протекающей в  системе электрохимической реакции. Изготовление таких электродов позволяет увеличить число "традиционных" электродных материалов; создавать соединения с требуемыми характеристиками и свойствами; повышать избирательность действия электродных материалов.

Пленки из проводящих полимеров в управляемых оптических устройствах

Рис. 8. Бытовое применение проводящих полимеров.

Пленки из проводящих полимерных материалов имеют свойство менять оптические параметры (например, цвет) в зависимости  от уровня окисления. С использованием данной технологии создаются электрохромные системы, которые находят широкое применение в затворных и фильтрующих оптических устройствах, а также в производстве цветных дисплеев.

Хемотронные и  сенсорные устройства

 Полимерный проводящий  материал меняет свою проводимость  в зависимости от уровня окисления,  который контролируется потенциалом  управляющего электрода. Это важное  свойство проводящих полимеров  применяется для создания микроустройств, например, электрохимических транзисторов, в которых микроскопические платиновые  или золотые электроды расположены  в проводящем полимере на мизерном  расстоянии (около 1 мкм). Действуют  подобные устройства за счет  окисления или восстановления  полимера, при этом происходит  изменение таких параметров, как  проводимость и величина тока. Нанотехнологии при производстве  так называемых хемотронных устройств  позволят уменьшить расстояния  между микроэлектродами, которые  в ближайшем будущем станут  измеряться нанометрами. 

"Электронный  нос"

 Область применения  проводящих полимеров расширяется  за счет их использования в  качестве сенсорных датчиков. Материалами  для таких сенсоров становятся, в частности, полимеры класса  индолов, тиофенолов, полипирролов, анилинов или фуранов.

 Применение полимеров для определения присутствия в среде определенного вещества базируется на тех же микроэлектронных технологиях, которые использовались в прежних металлооксидных сенсорах.

 Отличия между металлооксидными сенсорами и сенсорами на основе проводящих полимеров, базирующихся на тех же микроэлектронных технологиях:

 · Металлооксидные  сенсоры более доступны в коммерческом  плане (они чаще используются для решения практических задач), полимерные пока до-ступны в меньшей степени.

 · Металлооксидные  сенсоры имеют предел обнаружения  вещества в среде - 5-500 ррm, а сенсоры на основе проводящих полимеров - 0,1-100 ррm.

Роботы и очень  маленькие роботы

 Совсем недавно такие роботы использовались в военной разведке, но в результате конверсии теперь они приспособлены для выполнения работ в вентиляционных трубах, теле человека, других труднодоступных местах.

 В Линкопингском университете (Швеция) ученым удалось создать  микроробота, с размерами 670 * 170 * 240 мкм. Именно полипиррол позволил осилить новые среды: без полипирролового покрытия роботы в этих опасных средах быстро ломались.

Также  полипиррол обладает важным свойством - изготовленные из него части различных устройств способны при протекании через них электротока сокращаться как мышцы.

Полипирролы в  теле человека

 Ученые рассматривают  полипиррол как возможный материал  для изготовления искусственных  нервов, которые будут вживляться  в организм.

 Еще одно медицинское  применение - лекарственные имплантаты: полимер с внедренными в него  молекулами лекарственных средств  сможет выделять необходимую  дозу лекарств в кровь по  определенной программе с помощью  электрических импульсов. 

Вывод

Электропроводящие полимеры могут стать основой наноэлектроники, открывающей новые горизонты  и перспективы развития техники, как то цифровых прозрачных линз, лёгкой и доступной для домашнего  воспроизводства необходимых электронных  средств, являются огромной экономической  нишей, обладают сочетанием свойств  наиболее важных в технике современного общества материалов (проводящих металлов и техничность пластмасс). Помимо относительно просто настраиваемых свойств проводимости, эластичности важными отмечаются особые свойства отдельных материалов, позволяющие конструировать механические суставы, защитные покрытия и реакционные свойства.

 

Список использованной литературы

1.            Аскадский А.А. Компьютерное материаловедение  полимеров / А.А. Аскадский, В.И.  Кондращенко. - М.: Научный мир, 1999. - 544 с.

2.            Батаев А.А. Композиционные материалы:  строение, получение, применение: учебник  / А.А. Батаев, В.А. Батаев. - Новосибирск:  Изд. НГТУ, 2002. - 384 с.

3.            Берлин А.А. Принципы создания  композиционных полимерных материалов / А.А. Берлин, С.А. Вольфсон, В.Г.  Ошмян, Н.С. Ениколопов. - М.: Химия, 1990. - 238 с.

4.            Бунаков В.А. Армированные пластики / В.А. Бунаков, Г.С. Головкин, Г.П.  Машинская и др.; под ред. Г.С.  Головкина, В.С. Семенова. - М.: изд-во  МАИ, 1997. - 404 с.

5.            Власов С.В. Основы технологии  переработки пластмасс: учебник  для вузов / С.В. Власов, Л.Б.  Кандырин, В.Н. Кулезнев и др. - Чебоксары: ГУП ИПК Чувашия, 2004. - 596 с.

6.            Кулезнев В.Н. Химия и физика  полимеров / В.Н. Кулезнев, В.А.  Шершнев. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: КолосС, 2007. - 367 с.

7.            Машков Ю.К. Полимерные композиционные  материалы в триботехнике / Ю.К.  Машков, З.Н. Овчар, М.Ю. Байбарицкая,  О.А. Мамаев. - М.: ООО «Недра»-Бизнесцентр», 2004. - 262 с.