CN1031547A - 导电塑料组合物 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种导电聚合物组合物，其中是内导 电聚合物组分是由3-取代噻吩的聚合物组成，此聚 合物与一种适宜的电子接受体或电子释放体化合物 进行掺合。此聚合物组合物于熔融状态采用各种方 法加工来制备，例如挤出成型、注射成型、压横或薄膜 吹塑，并与适宜的聚合物基质形成均匀的组合物。

Description

本发明涉及一种由聚合物基质或聚合物基底、内导电掺合聚合物和塑料的可能添加剂组成的导电聚合物组合物及其制备方法。
内导电聚合物可从具有共轭双键的长链有机聚合物来生产。在双键内的π-电子可受到加入到聚合物的某种电子接受体或电子释放体的掺合剂的干扰。因此，在聚合物键中产生的放电（gaps）或额外电子，能使电流沿着共轭链而移动，聚合物的导电性可根据掺合剂的浓度来调节，以致几乎包括从绝缘体到金属之间的整个导电范围，这种导电聚合物具有许多重要的应用。聚乙炔、对聚苯、聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺是这些聚合物的例子。
导电聚合物构成当今世界范围内进行深入研究的一类材料课题。这些材料在许多用途中可能用来代替金属导体和半导体，例如蓄电池、光电池、印刷电路板、抗静电包装材料和电磁干扰屏蔽（EMI）。
导电聚合物的潜在优点超过金属的是在于它具有重量轻、机械性能、抗腐蚀稳定性以及合成和加工工艺费用低，但是应当指出的是大多数这种内导电聚合物的加工和稳定性能在上述的各种应用中至今还不适用。
导电塑料组合物通常把炭黑、碳纤维、金属粒子或金属纤维与处于熔融状态的基质塑料混合而制备。在此种类型的塑料组合物中，其导电性与填料粒子间的相互接触有关，通常均匀分散的填料所需的量大约是10-50%（重量）就可制得良好的导电组合物。此种组合物存在着许多问题：随着填料浓度的增加，此组合物的机械性能严重恶化，导电率难于控制，特别是在半导体的范围内更是如此，以及很难把填料均匀地分散于基质塑料中。
因此期望如能制备出一种均匀的塑料组合物，它是由一种内导电聚合物（用作导体）和一种基质塑料（使组合物达到所要求的机械性能）组成，就有可能制备出一种具有比上述组合物更优异性能的组合物来。
导电组合物中的一个组分是内导电聚合物是众所周知的，把聚乙炔聚合成用催化剂浸渍过的聚乙烯薄膜〔M.E.Galvin和G.E.Wnek，polym.commun，23，（1982），795〕。
聚吡咯可采用电化学聚合成塑料基质，由此所制得的导电组合物的机械性能比纯的聚吡咯的机械性能要好（S.E.Lindsey和G.B.street，synthetic Metals，10∶67，1985）。聚吡咯也已被用作聚吡咯纤维素组合物中的导电成分（R.B.Bjoerklund和I.Lundstroem，Electronic Materials，vol.13，№1，1984，99211-230，和西德专利申请3321281）。把吡咯单体或苯胺单体扩散入基质聚合物中，随后用氧化剂如三氯化铁（FeCl3）处理浸渍基质塑料制得导电塑料组合物（美国专利4604427，1986），其中的聚吡咯或聚苯胺是作为电子导体的。
最近已开发能溶于普通有机溶剂的取代聚噻吩〔R.L.Elsenbaumer，G.G.Miller，Y.P.Khanna，E.Mccarthy和R.H.Baughman，Electrochem    Soc，Extended    Abst.85-1（1985）118〕。从欧洲公开专利203438（1986，Allied公司）已知的溶液是由取代聚噻吩和有机溶剂组成，并已用于制造如薄膜之类的导电聚合物制品。
有可能把含有共轭碳-碳链的长链聚合物，如取代聚噻吩，在熔融状态下与一种基质塑料相混合而制得聚合物组合物，此聚合物组合物在掺合后（以前没有存在过）成为导电体。
按本发明聚合物组合物其特征在于内导电掺合聚合物是在熔融状态下形成的聚（3-取代噻吩）。
基质塑料可以是任何热塑性塑料，它可在熔融状态下加工，并能与聚（3-取代噻吩）相互熔。最后提到的聚合物的结构也必须在基质聚合物的存在下能进行混合、加工和掺合。烯烃聚合物或烯烃共聚物的基质塑料和聚（3-烷基噻吩）导电组分结合是非常有利的聚合物组合物。此种组合物可以采用如挤出成型、注射成型、压模或吹塑成膜进行加工。
本发明也涉及一种聚合物组合物，其中聚（3-取代噻吩）在熔融状态下模塑到基质的表面上。
此外，本发明涉及用上述方法所生产的导电聚合物组合物在所述应用领域中使用，其中的导电性能是符合要求的。用电子接受体对聚合物组合物的掺合，可用化学或电化学方法。采用含有FeCl3的介质来处理聚合物组合物是有利的。此介质可以是合适的有机溶剂，例如硝基甲烷或任何其它溶剂或悬浮介质，这些介质在掺合过程中不会有不利影响，例如通过溶介聚（3-取代噻吩）。通常有可能采用有机溶剂来溶解所述的盐和同时来溶胀基质塑料这样掺合就成为可能。
掺合后，所得的薄膜用适宜的溶剂洗涤干净过量的掺合剂，最好是采用掺合时的溶剂，然后干燥此组合物。
另一种有利的掺合剂是碘，采用它来提高聚（3-取代噻吩）的导电率。
掺合的聚合物组合物的导电性能可通过改变掺合剂的浓度、掺合周期、温度和聚（3-取代噻吩）在组合物中的浓度来调节。
实施例
1、根据欧洲专利203438制备3-辛基噻吩如下：
从镁（干的，1.6摩尔）和辛基溴（干的，1.5摩尔）于乙醚中来制备相应的格利雅试剂。将镁和乙醚放入有氩气保护的反应器内，并逐渐加入氩化辛基溴，为了促进反应的开始，加入碘晶体。
按下列方法测定所产生的试剂的浓度：
取10毫升试样，加到150毫升的蒸馏水中，加入指示剂，用0.2M的NaOH于70℃下进行滴定。
将此试剂移入另一反应器内（氩气氛中），再加入3-溴噻吩，其摩尔量相应于此试剂的浓度，并加入催化剂〔二氯（1，3-双（二苯基膦基）丙烷〕镍〔Ⅱ〕。为了使反应开始，加热反应器，将此混合物回流4小时，然后，将此物料混合物（matress）置于冰床上并用1.0N的HCl来酸化此混合物。在分液漏斗内用水洗涤（三次）此混合物，再用饱和NaHCO3洗涤（三次），然后用CaCl2干燥。蒸馏混合物并得到3-辛基噻吩（沸点为255℃，产率为65%）
制备2，5-二碘-3-辛基噻吩的方法如下：
将250毫升的二氯甲烷、0.4摩尔的3-辛基噻吩（如上所制备）、和0.5摩尔的碘加到反应器内（氩气氛中）。慢慢地加入氮和水（1∶1）的混合物90毫升，并将此反应混合物的温度慢慢地升到45℃，并回流4.5小时，然后将此反应混合物用水洗涤3次，用10%NaOH洗涤3次和用水洗涤2次。在硅胶和己烷的柱内过滤和净化，制得产物2，5-二碘-3-辛基噻吩（产率为73%）。
制备聚（3-辛基噻吩）的方法如下：
将如上所述制得的0.3摩尔的2，5-二碘-3-辛基噻吩、0.3摩尔的镁和200毫升的四氢呋喃（THF）放入反应器内并回流2小时，加入0.001摩尔的催化剂〔二氯〔1，3-双-（二苯基膦基）丙烷〕镍〔Ⅱ〕，在加入催化剂前将反应器冷却到20℃。温度升到70℃并回流混合物20小时，所得产物倒入甲醇中（1200毫升甲醇和5%HCL）。再混合此混合物2小时，过滤，用热水和甲醇洗涤，再用甲醇提取并在真空下干燥，所得产品是聚（3-辛基噻吩）（暗棕色粉末，产率为95%）。
组合物的制备：
2.采用布雷本登塑化仪来制备聚合物组合物，此组合物含有实施例1所制的聚（3-辛基噻吩）为10%和EVA（Neste    OY产品NTR-229）为90%，混合温度为170℃，混合时间为10分钟，和搅拌速度为30转/分。
3.将按实施例2制得的聚合物组合物在熔融下采用压模法模塑成片，压模时间为5分钟，温度为170℃，和压力为100巴。
4.将按实施例2制得的聚合物组合物研磨成粒状，采用薄膜吹塑法进一步将此聚合物组合物制成薄膜，布雷本登段的温度为150-170℃，薄膜厚度为0.09毫米。
5.按照实施例2和3同样的方法，但基质塑料是EBA（Neste    Polyeten    Ab′s的产品7017）。
6.按照实施例2-4同样的方法，但基质塑料是Neste    Oy′s的聚乙烯PE-8517。
掺合
7.将实施例2和3制得的聚合物组合物掺合。此组合物浸入浓的FeCl3-硝基甲烷的溶液中（干燥，氩气氛中），掺合一小时后，用硝基甲烷于真空下洗涤和干燥，所得产物的导电率为0.65S/cm。
8.按实施例2，3和7的方法，但组合物含聚（3-辛基噻吩）为5%，以及掺合时间为2小时，所得导电率为6.10-6S/cm。
9.按实施例2，3，7和8的方法，但组合物含聚（3-辛基噻吩）为20%，和掺合时间为2分钟，导电率为7.10-3S/cm。
10.按实施例9的方法，所得导电率与掺合时的函数关系见图1。
11.将聚（3-辛基噻吩）薄膜在熔融状态下采用压膜法模塑到基质（聚对苯二甲酸二乙酯）上，并采用碘蒸汽在真空下进行掺合，导电率为10S/cm。

Claims (18)

1、一种由聚合物基质或聚合物底层、内导电掺合聚合物和可能的塑料添加剂组成的导电聚合物组合物，其特征在于内导电掺合聚合物是在熔融状态下形成的聚(3-取代噻吩)。
2、根据权利要求1的聚合物组合物，其特征在于它由聚合物基质和聚（3-取代噻吩）组成，它们混合在一起形成熔融状态的均匀组合物，然后用掺合剂进行掺合。
3、根据权利要求2的聚合物组合物，其特征在于掺合剂是一种电子接受体，最好是FeCl3。
4、根据权利要求2或3的聚合物组合物，其特征含有聚（3-取代噻吩）的量为0.1～50%（重量）。
5、根据权利要求2-4的任何权利要求的聚合物组合物，其特征在于其导电率为10-10-100S/cm范围内。
6、根据权利要求2-5中任何权利要求的聚合物组合物，其特征在于它可在熔融状态形成。
7、根据权利要求2-6中任何权利要求的聚合物组合物，其特征在于形成粉状、颗粒、薄膜、纤维或若干其它导电聚合物组合物。
8、根据权利要求7的聚合物组合物，其特征在于由聚合物基底和把掺合的聚（3-取代噻吩）在熔融状态模制到其表面上的层压塑料组合物。
9、根据权利要求8的聚合物组合物，其特征在于掺合所用的掺合剂是一种电子接受体，最好是碘。
10、根据权利要求8或9的聚合物组合物，其特征在于其导电率在10-10-100S/cm的范围内。
11、制备导电聚合物组合物的方法，其中聚合物基质或聚合物基底与导电聚合物和可能的塑料添加剂混合在一起，和此导电聚合物是分若干阶段进行掺合，其特征在于聚（3-取代噻吩）是在熔融状态与聚合物基质或聚合物基底混合在一起形成和/或加工来制备最终产品组合物。
12、根据权利要求11的方法，其特征在于是采用已知塑料加工方法，例如挤压成型、注射成型压模或薄膜吹塑来进行加工的。
13、根据权利要求11或12的方法，其特征在于聚（3-取代噻吩）和聚合物基质是在熔融状态一起形成均匀的组合物，并随后用掺合剂进行掺合。
14、根据权利要求13的方法，其特征在于此组合物与电子接受体采用化学或电化学方法进行反应来进行掺合。
15、根据权利要求14的方法，其特征在于掺合剂是FeCl3。
16、根据权利要求11或12的方法，其特征在于聚（3-取代噻吩）是在熔融状态模塑到聚合物基质的表面上并随后用掺合剂进行掺合。
17、根据权利要求16的方法，其特征在于此组合物与电子接受体采用化学或电化学方法进行反应来进行掺合。
18、根据权利要求17的方法，其特征在于此组合物是用碘蒸汽的化学反应来进行掺合的。
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