導電塑料
時間:2004-09-21
塑料是人們最熟悉的材料之一，它的強度好，密度低，耐腐蝕，可以制成各種機械零件和日用品。同時，它還是一種廣泛使用的電絕緣材料，然而你聽說過塑料能導電嗎？
這純粹是科學上的一次偶遇。1970年的一天，日本筑波大學的白川教授在指導學生做一項用乙烯氣制取聚乙炔的實驗時，學生誤把比實際需要量多1000倍的催化劑加入試劑中，結(jié)果得到的不是應得到的含有碳基長鏈的黑色聚乙炔粉末，而是一種銀光閃閃的薄膜，與其說是塑料，不如說更像金屬。1977年，白川在與另外兩個美國人研究這種塑料薄膜時發(fā)現(xiàn)，摻入碘后它居然能導電，導電率增加了3千萬倍。盡管這樣，它的導電率只相當于金屬鉛，或者說是銅和銀的百分之
80年代初，導電聚合物還是實驗室的珍品，而現(xiàn)在已在許多工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)應用，并引起研究單位的重視。關(guān)于聚合物為什么能夠?qū)щ姡壳斑€沒有圓滿的答案。但相信隨著科學的發(fā)展，終會真相大白。
隨后的研究表明，除聚乙炔外，還有一些高分子聚合物加入摻雜劑后也成為導電塑料，例如聚苯硫醚、聚毗咯、聚噻吩、聚噻唑等。目前，已制成一批導電性與銀、銅相當?shù)木酆衔铮环Q為有機金屬或合成金屬。
首先在實驗室取得成功并走進市場的是塑料電池。美國布里奇斯通和日本精工埃普森公司合資生產(chǎn)了一種電池，它的一個電極是金屬鋰，另一個電極是聚苯胺導電塑料。它的尺寸與硬幣相仿，可以多次重復充電。作為計算機的輔助電源，具有很長的工作壽命。德國生產(chǎn)的薄型撓性電池，僅明信片那么大，適合于手提式工具的電源。
電池放電是因為兩個電極之間有電壓差存在。在普通電池里，包括上面談到的塑料電池里，陽極和陰極采用兩種不同的材料制造。電池放電時，電極之一就逐漸溶解在電解質(zhì)中，變成正離子，并在電解質(zhì)中運動；電池充電時，這些離子獲得電子，重新回到電極上。這樣經(jīng)過幾次充放電后，電極表面易形成復膜，使電池效率降低和失效。
在改進的塑料電池中，陰極和陽極是由相同的導電塑料薄膜組成，由電解質(zhì)而不是電極來提供運動的正離子，因此經(jīng)過多次充電和放電，電極材料依然完好如初。充電次數(shù)可達1000次以上。塑料電池體積小、重量輕，可以提供常規(guī)鉛蓄電池10倍的電力，而且每次充電時間也縮短了。
首先對塑料電池感興趣的是汽車工業(yè)，人們早就希望用蓄電池做動力來代替內(nèi)燃機，但在此之前蓄電池車都因為太笨重和性能不可*而無法推廣，而塑料電池形狀靈活，可以制成薄板裝在汽車的車頂或車門夾層里，在汽車內(nèi)的發(fā)動機位置只裝一臺高效的電動機，便可使汽車的加速性能和爬坡性能大大改善。此外，塑料電池是密封的，不會釋放有害的化學物質(zhì)和氣體，因此這種蓄電池車將是一種無公害的小汽車。
導電塑料薄膜有一種特殊性能，即通過電化學或物理方法可使它從透明變成不透明。豐田公司的一種高級小汽車計劃采用帶有這種導電塑料薄膜的窗玻璃，自動擋住強烈照射的陽光。
導電塑料的另一特點是具有消除靜電的功能。計算機和電子設備機房都要求抗靜電防護，新型飛機上的電子器件要求防電磁干擾，樹脂基復合材料機身、機翼要求防雷擊，這些要求都可以用導電塑料薄膜屏蔽加以解決。
導電塑料還有一項重要的潛在用途，就是作為未來機器人的人工肌肉，當用電化學方法對某些導電塑料摻雜和不摻雜時，其體積就能發(fā)生膨脹和收縮的變化，使機器人的四肢獲得必要的運動。
在美國、歐洲和日本的一些實驗室里已制成一系列導電塑料器件，其中包括二極管和晶體管。導電塑料的導電性跨越了絕緣體-半導體-導體三種狀態(tài)，因此有很大的靈活性。目前的太陽能電池是由硅和其它半導體材料制成，不僅成本高，而且效率低（ 10％以下）。如果一旦改用導電塑料薄膜，就可以使用壓制薄膜切割法，生產(chǎn)出大量廉價的高效太陽能電池。
科學家預言，在未來的能源工業(yè)中，導電塑料將成為重要的一員。
