离子导电聚合物
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导电聚合物摘要:本文简单介绍了导电聚合物的发现,从而进一步综述了导电聚合物的分类及导电机理。
共轭聚合物作为导电聚合物的最主要基体,介绍了其制备和掺杂方法。
并对导电聚合物的应用和发展前景做出了展望。
关键词:导电聚合物、共轭聚合物、掺杂引言2000年10月诺贝尔化学奖颁给了三位在导电聚合物的研究中获得杰出成就的化学家,即美国的黑格、马克迪尔米德和日本的白川英树。
1977年他们发现,聚乙炔薄膜经电子受体(I,AsF5等)掺杂后电导率增加了9个数量级,从10-6S/cm 增加到103S/cm[1,2],从而终于将高分子不能导电的传统观念打破。
20世纪60年代,白川英树利用改性的齐格勒-纳塔型催化剂制成了不同比例的聚乙炔薄膜,通过实验发现这些材料都属于半导体,并且发现室温下反式聚乙炔的导电性能优于顺式聚乙炔。
但如何提高聚乙炔的导电性成为难题。
后来白川英树又进行了氯和溴的掺杂研究,发现了卤素掺杂聚乙炔有可能具有异乎寻常的电学特性的征兆。
于此同时,马克迪尔米德教授从事着导电无机聚合物(SN X)的研究。
1976年,白川英树应马克迪尔米德的邀请赴美国宾夕法尼亚大学与黑格、马克迪尔米德合作研究半导性聚乙炔膜电导性的改进问题。
通过碘掺杂聚乙炔,将其导电性提高了7个数量级最终实现了第一个全有机导电聚合物[1]。
导电聚合物准确来讲应为可以导电的有机聚合物。
所谓导电聚合物是由一些具有共轭π键的聚合物经化学或电化学掺杂后形成的、导电率可从绝缘体延伸到导体范围的一类高分子材料。
导电聚合物大多都有一个较长的π共轭主链,因此又称为共轭聚合物,如图1所示。
共轭分子中,σ键是定域键,构成分子骨架;而垂直于分子平面的p轨道组合成离域π键,所有π电子在整个分子骨架内运动。
离域π键的形成增大了π电子活动范围,使体系能级降低、能级间隔变小,增加物质的导电性能。
交替的单键、双键共轭结构是导电高分子材料的共同特征,若进行掺杂可使其电导率增加若干数量级,接近于金属电导率。
peo导锂机制PEO导锂机制是指聚合物电解质(Polyethylene oxide, PEO)在锂离子电池中的导锂机制。
PEO是一种聚合物材料,具有较高的离子传导性能,因此被广泛应用于锂离子电池的电解质中。
在锂离子电池中,PEO作为聚合物电解质的主要成分,起着导电离子(锂离子)的作用。
PEO的导锂机制主要涉及离子溶解、离子迁移和钝化膜形成等过程。
PEO在锂盐溶解后形成了离子溶解体系。
在锂离子电池中,PEO通常与锂盐(如LiPF6)一起溶解在有机溶剂中,形成锂盐/PEO溶液。
这种溶液中的锂盐离解出锂离子,并与PEO中的氧原子形成配位键。
这种配位键能够促进锂离子在PEO中的传输。
PEO中的锂离子通过离子迁移来完成导电。
PEO的聚合物链上的氧原子与锂离子形成配位键,从而形成了锂离子在聚合物链中的传输通道。
锂离子在聚合物链上通过不断地与氧原子形成和断裂配位键来进行迁移。
这种配位键的形成和断裂过程使锂离子能够在PEO中快速传输。
PEO中的锂离子在阳极表面形成钝化膜。
在锂离子电池的充放电过程中,锂离子通常会在电极表面与电解质发生反应,形成可溶性的锂盐。
然而,PEO具有较高的锂盐配位能力,能够与阳极表面的锂离子形成稳定的配合物,从而抑制锂离子的溶解反应,形成一层钝化膜。
这层钝化膜能够保护锂电极免受进一步的氧化和腐蚀,提高电池的循环寿命和安全性能。
总结起来,PEO导锂机制包括离子溶解、离子迁移和钝化膜形成等过程。
PEO作为聚合物电解质的主要成分,能够促进锂离子在电池中的传输,并形成稳定的钝化膜,提高电池的性能和安全性。
PEO 导锂机制的研究对于锂离子电池的性能改进和新型电解质的设计具有重要意义。
小班配班个人工作计划(17篇)小班配班个人工作计划(17篇)小班配班个人工作计划篇1 一、了解幼儿基本情况和特点。
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小班配班个人工作计划篇2 新学期开始小班的主要教育任务是引导幼儿尽快地适应幼儿园生活。
从游戏开始,让幼儿感受到集体的快乐,助幼儿尽快地适应幼儿园集体生活,缓解幼儿由于和家人分离而产生的生理焦虑。
DD引导幼儿认识自己的班级,认识班上的老师和小朋友,知道自己是哪所幼儿园的小朋友。
一、常规方面1、在老师的指导下,玩室外型玩具。
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2、通过老师的讲解,倾听生活小故事等形式,让幼儿养成自觉接受晨检好习惯,不带小物品入园。
导电聚合物在锂离子电池正极上的应用一、锂离子电池简介锂离子电池是一种充电电池,它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。
在充放电过程中,Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌:充电池时,Li+从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于富锂状态;放电时则相反。
一般采用含有锂元素的材料作为电极的电池,是现代高性能电池的代表。
【1】锂离子电池可依电解质及正负极材料有无高聚物,分为液态锂离子电池(Liquified Lithium-Ion Battery,简称为LIB)和聚合物锂离子电池(Polymer Lithium-Ion Battery,简称为PLB)。
但目前主流的,商用的聚合物锂离子电池并没有使用导电高聚物作为电极材料,而是利用了聚合物凝胶电解质,另外高分子材料在锂离子电池上的应用还有将电池正负极板分开的隔膜。
【2】二、聚合物锂离子电池聚合物锂离子电池可分为三类:(1)固体聚合物电解质锂离子电池。
电解质为聚合物与盐的混合物,这种电池在常温下的离子电导率低,适于高温使用。
(2)凝胶聚合物电解质锂离子电池。
即在固体聚合物电解质中加入增塑剂等添加剂,从而提高离子电导率,使电池可在常温下使用。
(3)聚合物正极材料的锂离子电池。
采用导电聚合物作为正极材料,其比能量是现有锂离子电池的3倍,是最新一代的锂离子电池。
【3】1、锂离子电池三类主要正极材料的比较(从左至右):[4]与液态锂离子电池相比,聚合物锂离子电池不但安全性高,同时还具有可薄形化、任意面积化与任意形状化等优点。
不过,其低温放电性能可能还有提升的空间(比如apple devices在冬天有时无法启动),而且造价较贵。
2、锂离子电池在主流电子产品上的应用【5】iphone 4 Li-ion Polymer Batteryiphone 5s Li-ion Polymer Batteryipod touch 5 Li-ion Polymer Batteryipad air[注] Li-ion Polymer Batteryipad mini2[注] Li-ion Polymer Batteryipad mini Li-ion Polymer Batteryipad 4 Li-ion Polymer Battery[注]:ipad air和ipad mini2的拆解图显示电池为Li-ion Battery,但苹果官方材料为Li-ion Polymer Battery由此可见,聚合物锂离子电池在高端便携设备上应用很广。
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。
到了20世纪80年代,由于高科技的注入使导电聚合物得到很大的发展,其应用领域更加宽广。
导电高分子材料具有特殊的结构和优异的物理化学性能,使其在光电子、信息产业、航空航天等领域有着广泛的用途。
在防电磁、防静电、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,导电高聚物是21世纪新材料研究发展和推广应用的重点。
导电聚合物(Conducitve 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。
导电性聚合物分为复合型、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、细微金属粉或镀金属的氧化物等导电物质而获得导电性能。
离子型是加入高氯酸锂等盐离子而导电,而结构型则依靠高聚物主链结构具有导电基因而赋予导电性,三者有根本的区别。
1.导电聚合物的特点与合成导电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的负9次方S/cm-10的5次方S/cm)变化,这是其他任何材料都无法比拟的。
目前最高室温导电可达10的5次方S/cm,它可与铜的导电率相媲美,而重量仅为铜的8%左右;典型导电高聚物一般导电率为10的5次方S/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,呈现强的电导方向异性;③尽管导电高聚物的导电率可达金属水平,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弧子(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。
导电聚合物材料的导电机制探究在现代科技领域中,导电聚合物材料(Conductive Polymer)被广泛应用于电子设备、能源存储和传感器等领域。
这些材料以其独特的导电性能和可塑性成为了替代传统金属和半导体的重要选择。
但是,尽管导电聚合物材料具有许多优点,其导电机制却一直是科学家们长期以来的研究重点之一。
导电聚合物材料的导电机制可以归纳为两种类型:离子导电和电子导电。
离子导电是指通过离子在聚合物材料中的迁移来实现电导。
例如,聚苯胺(Polyaniline)作为一种具有离子导电性的导电聚合物材料,在酸性溶液中可以很好地导电。
当聚苯胺被氧化时,材料中的质子会与聚合物链相互作用,形成离子化的聚合物和溶剂中的负离子。
这些离子可以在聚合物中移动,从而实现电流的传输。
电子导电是指通过电子在聚合物材料中的输运来实现电导。
在电子导电的导电聚合物材料中,大量的π共轭结构起到了关键的作用。
这些π共轭结构通常由具有共轭双键的分子单元组成,例如聚噻吩(Polythiophene)和聚咔唑(Polycarbazole)。
在这些材料中,共轭双键上的π电子可以在分子链中进行共享,形成电子输运的通道。
此外,引入外部掺杂剂也可以增强导电聚合物材料的电导性能。
例如,掺杂聚苯胺(Doped Polyaniline)被广泛使用于聚合物太阳能电池和超级电容器等领域。
掺杂剂能够向聚合物材料中转移电荷,改变材料的电子结构,从而增强其导电性。
除了离子导电和电子导电,许多导电聚合物材料同时表现出两种导电机制的特点。
这些材料通常由被共轭化的聚合物和离子型染料复合而成。
通过调控聚合物链的结构和外部掺杂剂的种类和含量,可以实现两种导电机制之间的协同作用。
例如,聚三苯胺(Polyaniline)和多元共聚物聚苯胺(Polyaniline-based Copolymers)可以同时具有离子导电和电子导电的特性。
这种双导电性使得这些材料在柔性电子和可伸缩电子领域有着广泛的应用前景。
羟基磷灰石离子导电水凝胶概述说明以及解释1. 引言1.1 概述羟基磷灰石(Hydroxyapatite,简称HAP)是一种重要的生物陶瓷材料,广泛应用于骨组织工程、药物缓释、牙科材料等领域。
它具有良好的生物相容性、生物活性和化学稳定性,并且能够与体内组织进行良好的结合。
离子导电水凝胶则是一类新型材料,具有优异的导电特性和柔软可塑性,被广泛应用于生物医学领域中的药物传输、组织再生和神经修复等方面。
1.2 文章结构本文将分为五个部分进行阐述。
首先在引言部分进行概述,随后介绍羟基磷灰石(HAP)的定义、性质以及合成方法等内容。
接着探讨离子导电水凝胶的定义、制备方法以及应用前景。
然后对羟基磷灰石离子导电水凝胶进行整体概述说明,包括其结构特点、电导性能以及可控释放特性。
最后,在解释和总结部分,我们将归纳出羟基磷灰石离子导电水凝胶的优势、发展趋势以及应用前景,并提供一些进一步研究的方向。
1.3 目的本文旨在对羟基磷灰石离子导电水凝胶进行全面而深入的阐述和说明。
通过对羟基磷灰石及离子导电水凝胶的概念和特性进行介绍,以及其在生物医学领域中的应用前景进行展望,旨在增加读者对该材料的了解并促进进一步的研究与开发。
2. 羟基磷灰石2.1 定义和性质羟基磷灰石(hydroxyapatite,简称HA)是一种钙磷骨架材料,化学式为Ca10(PO4)6(OH)2。
它具有类似骨骼组织的化学成分和结构特点,在生物医学领域中得到广泛应用。
羟基磷灰石具有良好的生物相容性、生物活性和可降解性,是一种理想的骨修复材料。
2.2 合成方法羟基磷灰石可以通过多种方法合成,常见的合成方法包括湿法沉淀法、水热法、溶胶-凝胶法等。
其中,湿法沉淀法是最常用的合成方法之一。
该方法以无机盐溶液为原料,在适当的条件下控制溶液的pH值和温度,使得羟基磷灰石晶体逐渐形成。
2.3 应用领域羟基磷灰石在生物医学领域中有广泛应用。
首先,它可以作为人工骨骼或牙齿移植材料使用,用于修复或替代受损的骨组织。
聚合物电解质的离子导电性研究聚合物电解质这玩意儿,说起来还挺有意思的!咱今天就好好聊聊它的离子导电性。
你知道吗,就像我们在马路上走路,离子在聚合物电解质里“奔跑”也是有讲究的。
想象一下,聚合物电解质就像是一条特殊的通道,离子们得在里面顺利通过,才能展现出良好的导电性。
先来说说聚合物电解质的构成吧。
它就像是一个大杂烩,由聚合物骨架、溶剂分子和离子这些“小伙伴”组成。
聚合物骨架呢,就像是通道的墙壁,支撑着整个结构;溶剂分子就像润滑剂,让离子能更顺畅地移动;而离子嘛,自然就是在这个通道里奔跑的“运动员”啦。
我之前在实验室里做实验的时候,就碰到过这么一档子事儿。
为了研究不同种类的聚合物对离子导电性的影响,我和小伙伴们那可是忙得不亦乐乎。
我们准备了好几种聚合物材料,有像柔软的棉花糖一样的,也有像坚硬的石头似的。
然后把它们分别制成聚合物电解质,进行导电性测试。
在测试的过程中,有一个样本的表现特别奇怪。
一开始,我们都以为它会有很棒的导电性,结果数据出来,让人大跌眼镜!后来经过反复检查,才发现原来是制备过程中混入了一点点杂质,就这一点点杂质,就像路上的小石子,把离子的“奔跑”之路给挡住了。
再来说说温度对离子导电性的影响。
温度一高,离子们就像被打了鸡血,跑得那叫一个欢快;温度一低,它们就像是被冻僵了,行动变得迟缓。
这就好比冬天我们都不想出门,而夏天就愿意到处跑。
还有离子浓度也很关键。
离子浓度高的时候,它们就像一群热闹的小伙伴,相互碰撞、交流,导电性自然就好;离子浓度低的时候,它们就像孤独的行者,很难形成有效的电流。
总之,聚合物电解质的离子导电性研究可真是一门大学问。
这里面的门道多着呢,需要我们不断地探索和发现。
就像在一个神秘的宝藏世界里,每一次的研究都是在寻找那把开启宝藏大门的钥匙。
未来,相信随着科技的不断进步,我们对聚合物电解质离子导电性的理解会越来越深刻,也能让它在更多的领域发挥出巨大的作用!。
导电聚合物的制备和性质近年来,导电聚合物因其在电子工程、光电子学、生物医学等领域的广泛应用,备受学术界和产业界的关注。
导电聚合物是一种能够导电的高分子材料,其导电性能主要来自于其内部存在的含酸、含碱、含金属等有机离子。
为了制备优秀的导电聚合物,研究人员不断探索新的制备方法和改进现有的制备技术。
下面将分别介绍研究者常用的三种制备方法:化学还原法、电化学聚合法和生物合成法。
1. 化学还原法化学还原法是制备导电聚合物的常用方法之一。
该方法将还原剂和聚合物的预聚合物混合,经过反应后生成导电聚合物。
在这个过程中,还原剂主要用于提供电子,促使预聚合物中的单体分子聚合并形成导电聚合物。
然而,化学还原法中的还原剂往往具有毒性或挥发性,需要在反应结束后进行大量的冲洗和处理,以避免对环境和生命的危害。
此外,化学还原法还存在反应速度慢、反应过程中会产生有害的化学废品等问题。
2. 电化学聚合法电化学聚合法是在电化学条件下,利用电极上的电位差将预聚合物分子聚合成导电聚合物。
该方法具有响应速度快、生成的导电聚合物电学性能稳定、重复性好等优点。
电化学聚合法适用于多种高分子材料的制备,但其缺点也很明显,即需要较高的纯度的预聚合物、电极材料选取繁琐等。
此外,电化学聚合法也存在产生氢、氧等气体的问题,处理起来比较麻烦。
3. 生物合成法生物合成法是一种新的制备导电聚合物的方法,在整个制备过程中不需要使用任何有害化学品,因此具有环保和安全的优势,与人们日常生活息息相关的茶叶、咖啡、蘑菇等也都是采用这种方法制备的。
具体来说,生物合成法中的导电聚合物是通过生物合成方式,利用微生物的代谢活性来合成的。
生物合成法制备导电聚合物还具有反应速度快、单元分子易得、在室温下进行等特点。
在导电聚合物的性质方面,其导电性能是其最值得关注的性质之一。
导电聚合物的导电性能与其内部离子的含量、离子化程度、分子结构等因素密切相关。
导电聚合物的导电性能越优秀,其在电子、通讯、信息等领域的应用就会更加广泛。
聚合物固态电解质固体聚合物电解质(Solid polymer electrolyte,SPE),又称为离子导电聚合物(Ion-conducting polymer)。
固体聚合物电解质的研究始于1973年Wright等人对聚氧化乙烯(PEO)与碱金属离子络合物导电性的发现。
1979年,法国Armand等报道了PEO碱金属盐络合物在40~60℃时离子电导率达10-5S/cm,且具有良好的成膜性,可用作锂离子电池电解质。
固体聚合物电解质在电子、医疗、空间技术、电致显色、光电学、传感器等方面有着广泛的应用。
简介固体聚合物电解质(Solid polymer electrolyte,SPE),又称为离子导电聚合物(Ion-conducting polymer)。
固体聚合物电解质的研究始于1973年Wright等人对聚氧化乙烯(PEO)与碱金属离子络合物导电性的发现。
1979年,法国Armand等报道了PEO碱金属盐络合物在40~60℃时离子电导率达10-5S/cm,且具有良好的成膜性,可用作锂离子电池电解质。
固体聚合物电解质在电子、医疗、空间技术、电致显色、光电学、传感器等方面有着广泛的应用。
由于它具有质轻、成膜性好、黏弹性和稳定性均较好等优点,加上在基础研究方面的重要意义,使这一研究有了迅速发展。
国内外对聚合物电解质研究最多、最广泛的是聚氧化乙烯(PEO)类聚合物电解质,但由于PEO的结晶性,其室温离子电导率很低,为10−7~10−8S/cm数量级。
[1]SPE的导电机理固体聚合物电解质由高分子主体物和金属盐两部分复合而成。
前者含有能起配位作用的给电子基团,且基团数的多寡、是否稳定、分子链的柔性等均对固体聚合物电介质有重要影响。
Armand等认为离子导电是通过离子在螺旋溶剂化结构的隧道中的跃迁而实现的。
Berthier 的研究结果表明,由PEO和碱金属盐形成的固体高聚物电解质,常温下存在非晶相(无定形区)、纯PEO相(晶相)和富盐相三个相区,其中离子传导发生在非晶相区。
第42卷㊀第3期2023年㊀6月北京生物医学工程BeijingBiomedicalEngineeringVol 42㊀No 3June㊀2023基金项目:上海理工大学医工交叉项目(1021308424)㊁上海介入医疗器械工程技术研究中心项目(18DZ2250900)资助作者单位:1㊀上海理工大学健康科学与工程学院(上海200093)2㊀休斯敦大学机械工程系(休斯敦得克萨斯州77204)通信作者:孙力,E⁃mail:lsun4@uh edu;刘颖,E⁃mail:ling2431@163 com导电聚合物PEDOTʒPSS及其在柔性生物医学传感器中的研究进展章浩伟1㊀王怡东1㊀玄雪婷1㊀孙力2㊀刘颖1摘㊀要㊀柔性生物医学传感器面临延展性差㊁灵敏度不高的问题,需要开发同时具有高电学性能和力学性能的材料,而传统陶瓷㊁金属或半导体通常不能满足㊂在导电聚合物中,聚(3,4⁃亚乙基二氧噻吩)ʒ聚(苯乙烯磺酸盐)[poly(3,4⁃ethylenedioxythiophene)ʒpoly(styrenesulfonate),PEDOTʒPSS]是一种具有较高导电性㊁化学稳定性以及良好生物相容性的材料,已成为一种被广泛研究的电极和传感器材料,并在生物医学领域得到应用㊂本文总结了PEDOTʒPSS的电学性能㊁力学性能及改性方式,并对其在柔性生物医学传感器方面的应用现状进行综述㊂关键词㊀PEDOTʒPSS;柔性传感器;导电聚合物;生物医学传感器DOI:10 3969/j.issn.1002-3208 2023 03 018.中图分类号㊀R318 04㊀㊀文献标志码㊀A㊀㊀文章编号㊀1002-3208(2023)03-0322-05本文著录格式㊀章浩伟,王怡东,玄雪婷,等.导电聚合物PEDOTʒPSS及其在柔性生物医学传感器中的研究进展[J].北京生物医学工程,2023,42(3):322-326.ZHANGHaowei,WANGYidong,XUANXueting,etal.Reviewonconductivepolymer⁃PEDOTʒPSSanditsapplicationinflexiblebiomedicalsensors[J].BeijingBiomedicalEngineering,2023,42(3):322-326.Reviewonconductivepolymer⁃PEDOTʒPSSanditsapplicationinflexiblebiomedicalsensorsZHANGHaowei1,WANGYidong1,XUANXueting1,SUNLi2,LIUYing11㊀SchoolofHealthScienceandEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai㊀200093;2㊀DepartmentofMechanicalEngineering,UniversityofHouston,Houston,Texas㊀77204,USACorrespondingauthors:SUNLi(E⁃mail:lsun4@uh edu);LIUYing(E⁃mail:ling2431@163 com)ʌAbstractɔ㊀Flexiblebiomedicalsensorsarefacedwiththeproblemsofpoorductilityandlowsensitivity,whichrequiredevelopmentmaterialswithsimultaneoushighelectricalandmechanicalperformancecharacteristicsthatconventionalceramics,metalsorsemiconductorsusuallydonotpossess.Amongvariousconductivepolymers,Poly(3,4⁃ethylenedioxythiophene)ʒpoly(styrenesulfonate)(PEDOTʒPSS),withitshighconductivity,chemicalstabilityandbiocompatibility,hasbecomeaextensivelystudiedelectrodeandsensormaterialanditsapplicationshavebeenexploredinthebiomedicalfield.Thispapersummarizestheelectricalproperties,mechanicalpropertiesandmodificationmethodsofPEDOTʒPSS,andreviewsitsapplicationsinflexiblebiomedicalsensors.ʌKeywordsɔ㊀PEDOTʒPSS;conductivepolymer;flexiblematerialanddevice;biomedicalsensors0㊀引言随着科技的进步和健康观念的提升,人们对医疗设备的舒适性提出了更高的要求㊂这需要医疗设备在保持自身功能的同时,实现与皮肤的完美接触㊂而传统的导电材料包括碳和金属等无机材料,由于其本身的原子间相互作用及微结构特征,块体的柔顺性和延展性都较差㊂近来研究人员发现通过材料微结构设计或薄膜化可以在一定程度上提高这些材料的柔韧性和延展性,但其可拉伸性和力学/化学/生物适配度等仍然很难达到柔性医疗设备的要求㊂因此,科学和工业界一直都在寻找㊁合成或集成具有高导电性的可延展材料,以满足人们对柔性医疗电子设备的要求㊂1976年,Shirakawa等[1]将碘蒸气掺杂进聚乙炔,使其导电性可提高7个数量级,从而开创了导电聚合物这一崭新的材料研究领域㊂在导电聚合物中,聚(3,4⁃亚乙基二氧噻吩)ʒ聚(苯乙烯磺酸盐)[poly(3,4⁃ethylenedioxythiophene)ʒpoly(styrenesulfonate),PEDOTʒPSS]具有一定柔性㊁电导率高㊁生物相容性好㊁在高温空气中具有较好的稳定性和耐湿性,因此经常被选作柔性电极材料应用于各种传感器的研发㊂本文将对PEDOTʒPSS的电学性能及力学性能进行综述,并介绍PEDOTʒPSS在柔性生物医学传感器方面的研究进展㊂1㊀PEDOTʒPSS及其性能1 1㊀PEDOTʒPSSPEDOTʒPSS是由3,4⁃乙烯二氧噻吩单体(3,4⁃ethylenedioxythiophene,EDOT)的氧化聚合物和聚(苯乙烯磺酸盐)[poly(styrenesulfonate),PSS]两种分子组成的二嵌段共聚物㊂PEDOT的分子量一般为1000 2500g/mol,PSS的摩尔质量为400000g/mol[2]㊂1 2㊀PEDOTʒPSS的电学性能商用PEDOTʒPSS为水分散体,由于PEDOTʒPSS比例的不同,其电导率在0 2 1S/cm之间[3]㊂近年来的研究表明,可以通过物理方法处理或与其他溶液共混(如添加有机溶剂㊁表面活性剂㊁盐或酸等),提高PEDOTʒPSS的电导率㊂Jeong等[4]利用水热处理,在相对湿度大于80%和温度高于61ħ的条件下,使PEDOTʒPSS的电导率从0 495提高到125 367S/cm㊂Dong等[5]将二甲基亚砜(dimethylsulfoxide,DMSO)添加到PEDOTʒPSS水溶液中,发现溶液中形成PSS⁃DMSO相,促进PEDOT结晶,进而提高电导率的水平㊂Xia等[6]利用甲酰胺和甲醇的共溶剂对PEDOTʒPSS进行双重处理,使PEDOTʒPSS薄膜的电导率在一次处理后增加到970S/cm,两次后增加到1287S/cm㊂Kang等[7]使用苯甲酸处理PEDOTʒPSS,使其电导率提高到1500S/cm以上㊂导致电导率提高的机理一般为促进PEDOT和PSS之间的相分离以及PEDOTʒPSS链重取向㊂结合PEDOTʒPSS具有离子-电子导电的特性,其可以广泛应用于柔性电极㊁超级电容器和电化学传感器等领域㊂1 3㊀PEDOTʒPSS的力学性能PEDOTʒPSS在一般情况下表现为脆性,而随着相对湿度的增加,其力学性能虽发生一定改变,但仍不具有可拉伸性㊂Lang等[8]通过拉伸试验在不同相对湿度下测定了PEDOTʒPSS的力学性能㊂在相对湿度增加的情况下,其杨氏模量从2 8GPaʃ0 5GPa(23%相对湿度)降为0 9GPaʃ0 2GPa(55%相对湿度)㊂研究表明,通过与弹性体结合㊁构建力学微结构或使用添加剂可以有效提高PEDOTʒPSS的可拉伸性㊂Li等[9]将PEDOTʒPSS转移到预拉伸的聚(二甲基硅氧烷)(polydimethylsiloxane,PDMS)薄膜上,成功制备具有褶皱结构的双层PEDOTʒPSS/PDMS电极,使该电极可实现100%的应变,并在10000次循环后不产生明显疲劳㊂Luo等[10]将PEDOTʒPSS和PDMS共混,并添加活性剂,获得了断裂伸长率为82%的薄膜㊂Yang等[11]将PEDOTʒPSS与天然橡胶胶乳共混,实现了490%的断裂伸长率㊂经过处理的PEDOTʒPSS表现出良好的导电性和拉伸性能㊂需注意,经过改性的PEDOTʒPSS在拉伸过程中仍会产生裂纹,影响电荷传递通路,使其电导率下降㊂因此,在制备过程中需对不同材料间的相互作用进行更详细的分析与改进,以制作性能更完备的柔性电子产品㊂2㊀柔性温度传感器传统的温度传感器大多是将无机温度敏感材料㊃323㊃第3期㊀㊀㊀㊀㊀㊀章浩伟,等:导电聚合物PEDOTʒPSS及其在柔性生物医学传感器中的研究进展构建在硬质基板上,加工复杂,一般不具有柔性,大大限制了其在生物医学方面的应用㊂导电聚合物PEDOTʒPSS导电性高㊁机械柔韧性好,电阻率与温度还具有一定的相关性,促进了其在温度敏感层中的应用㊂Zhang等[12]利用聚酰亚胺薄膜制备了基于PEDOTʒPSS的柔性温度传感器㊂该传感器力学稳定性好,重复性高,还可以区分0 1ħ的温度变化㊂Yu等[13]通过将PEDOTʒPSS薄膜夹在两层PDMS中间,设计了一种基于微裂纹的高性能PEDOTʒPSS⁃PDMS传感器㊂稳定的微裂纹使传感器实现高灵敏度与线性度,其在30 55ħ之间的线性度达到0 998㊂3㊀柔性应变传感器柔性应变传感器将感受到的力学信号转换为电信号进行监测,大多依靠电阻㊁电容的变化,因此具有检测范围小㊁灵敏度低的不足,在生物医学领域的应用有限㊂经处理的PEDOTʒPSS具有高拉伸强度,可扩大应变传感器的检测上限,还可以在一定检测范围内实现高灵敏度,在监测人体运动和脉搏等生理信号中具有很大的潜力㊂3 1㊀人体运动监测PEDOTʒPSS与弹性体或其他材料混合制备具有良好拉伸性能的复合材料使其可以用于应变敏感传感器㊂He等[14]用聚氨酯纳米纤维薄膜作弹性骨架,聚己内酯纳米纤维作黏结剂,制备了基于PEDOTʒPSS/碳纳米管复合材料的超可伸缩热电薄膜㊂该薄膜在室温下的最佳导电性可达到1581S/m,断裂应变超过400%,并且已成功设计用于检测人体运动㊂Xia等[6]利用PEDOTʒPSS薄膜与90%甲酰胺/甲醇制成柔性压阻传感器㊂实验结果表明该传感器的电流与手指弯曲角度呈正相关(在30ʎ㊁45ʎ和60ʎ的弯曲角度下,电流分别从0 06mA增加到12mA㊁26mA和42mA),具有定量检测的潜力㊂另外,研究人员也常通过改善传感器的制备方式来提高传感器的响应时间㊁灵敏度和耐用性等性能㊂Gao等[15]采用湿法纺丝法合成了PEDOTʒPSS和聚乙烯醇(polyvinylalcohol,vinylalcoholpolymer,PVA)的导电复合纤维,制备出快速响应和高灵敏的可穿戴传感器,用于监测身体运动和实时健康㊂Lo等[16]利用PEDOTʒPSS聚合物共混物,通过喷墨打印制备了84Ω/sq(1sq=0 0929m2)的低片材电阻的印刷薄膜,实现了在50%的拉伸应变下数千次循环㊂Wang等[17]通过单喷嘴技术制造了连续PEDOTʒPSS/海藻酸钠(sodiumalginate,SA)复合纤维,SA水凝胶包裹在PEDOTʒPSS表面,大大增加了其延展性和耐用性㊂3 2㊀生理信号监测在医疗监护方面,除了对人体运动等大幅度信号进行监测外,说话㊁皮肤皱纹㊁脉搏等细微的生物信号也对人体健康监护具有重要意义㊂Han等[18]制备了基于羧甲基纤维素-PEDOTʒPSS的高拉伸导电复合薄膜,实现了薄膜在100%应变下变化较小的相对电阻和优异的电气特性㊂Shi等[19]将甘油添加到PVA和PEDOTʒPSS的混合物中,制备了柔性水凝胶纤维传感器㊂该传感器柔韧性好,稳定性高,可在10%伸长率下重复1000次拉伸和收缩;检测范围低至0 01%的极小应变,可有效监测脉搏㊁发声等微小压力信号㊂Tan等[20]将PEDOTʒPSS和PDMS的双官能团(3-巯基丙基)和三甲氧基硅烷共价结合,增强PEDOTʒPSS与PDMS的界面附着力㊂并设计导电微褶结构,制备出具有200μs快速响应时间和高灵敏度的柔性压阻式传感器,用于进行脉搏信号的监测㊂4㊀柔性生物电传感器电极与皮肤表面的良好接触是测量人体电信号的前提条件,而当前研究中的柔性电极大多与人体的贴合度低㊂PEDOTʒPSS经过改性,可同时具有优异的电学性能㊁柔性和延展性,不仅可以保持生物医学传感器的功能性,还可以与人体曲面结构的共形接触,实现信号的准确㊁稳定传输,改善使用者的体验感,提高舒适性㊂4 1㊀心电信号监测心电图(electrocardiogram,ECG)是分析和监测心律失常等心血管疾病的重要技术之一㊂商用ECG电极在使用过程中需要用到离子导电凝胶,而该凝胶经过长时间暴露会变干,甚至对皮肤造成刺激,降低信号的信噪比㊂针对此问题,Lee等[21]设计了基于PEDOTʒPSS/水性聚氨酯/乙二醇的干电极,可长期重复使用以检测ECG和肌电图(electromyelogram,EMG)信号,并且溶于60ħ的热水,具有优异的可降解性㊂Zhou等[22]混合PVA㊁硼砂和PEDOTʒPSS丝网印刷浆料,制造了高黏性的㊃423㊃北京生物医学工程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷导电水凝胶电极㊂该电极具有优异的电气自愈能力和出色的力学性能,不会对皮肤造成伤害㊂Wang等[23]制备了基于PEDOTʒPSS复合电极的柔性纤维素基组件来监测ECG信号㊂该电极即使在压力的状态下,也能保持较好的稳定性㊂Chen等[24]将薄的㊁无基材的PEDOTʒPSS电子文身转移到皮肤上,首次实现能够共形贴合㊁附着力好的PEDOTʒPSS电子文身㊂结果表明,电子文身的稳定性好㊁舒适度高且ECG测量性能优于商用银/氯化银凝胶电极㊂4 2㊀低频生物电信号检测PEDOTʒPSS的电子和离子电导性㊁柔性㊁生物相容性和商业可用性,使其成为神经电子接口的新黄金标准㊂Inácio等[25]将PEDOTʒPSS涂覆在纳米纤维素表面制造纳米结构,建立低电双层电阻,大大降低了热噪声和传感器的振幅检测限,成功测量了信噪比高达140的胶质瘤细胞群产生的信号,使低频生物电信号检测成为可能㊂此外,PEDOTʒPSS的光学透明度使单个实验中可同时进行光学和电子转换㊂Alfonso等[26]利用PEDOTʒPSS薄膜的电致变色性,报告了一种电致变色光学记录方法,通过施加的电压进行光吸收调节㊂该方法基于光学反射实现了自发神经电活动的无标签光学记录,可用于测量心肌细胞㊁培养的海马和背根神经节神经元以及脑切片中的自发动作电位㊂5㊀电化学传感器电化学传感器是一种基于物质的电化学特性,以电极(如离子选择性电极等)为转换元件,将待测量转变成电学量(电流㊁电压㊁电导率等)进行检测的传感器㊂而PEDOTʒPSS具有离子-电子耦合扩散的特点,可以很好地用于电化学传感器中㊂5 1㊀血液监测肾上腺素(epinephrine,EP)是人体中枢神经系统释放的重要神经递质之一㊂其含量的异常与心脏病㊁帕金森病等疾病有关;过量的EP还会激发运动员的速度与力量,是世界反兴奋剂机构(WorldAnti⁃DopingAgency,WADA)的禁止药物之一㊂因此能够方便快捷地得到血液中EP水平具有十分重要的现实意义㊂Hu等[27]通过涂覆和电聚合的方法制备了基于还原石墨烯/PEDOTʒPSS复合材料的EP电化学传感器㊂该传感器具有高灵敏度,可在0 10 16 50μmol/L浓度范围内记录EP的线性响应,为人类血清中EP的灵敏测量提供了希望㊂5 2㊀汗液监测人体汗液中含有多种微量元素,能够及时反映身体状况㊂目前,研究者们致力于研制能够无创㊁实时的电化学传感器㊂Xu等[28]制备了基于PEDOTʒPSS水凝胶的微流控电化学传感器,实现汗液中尿酸(uricacid,UA)的实时获取和灵敏检测㊂该传感器具有0 875μA/(μmol㊃L-1㊃cm2)的灵敏度,且证实了与标准酶联免疫吸附测定法(enzyme⁃linkedimmunosorbentassay,ELISA)测量的结果高度相关㊂Possanzini等[29]制备了基于PEDOTʒPSS㊁银/氯化银纳米颗粒和溴麝香草酚蓝的双端传感器,可同时用于汗液中Cl-浓度和pH的监测,且不会影响灵敏度㊂Li等[30]将PEDOTʒPSS水凝胶组装在纸纤维上,提出水凝胶-纸贴片传感系统,实现了电信号(心率和ECG)检测与电化学传感的集成,并制定纸基微流控通道,确保汗液在电极表面的有效传输及葡萄糖的稳定监测㊂6㊀总结与展望在保持材料的电学和生物特性的同时,提高材料的可延展性㊁柔性㊁稳定性和耐疲劳性是优化可穿戴设备的一个有效途径㊂PEDOTʒPSS具有一定化学稳定性㊁生物相容性,电学和力学性能的改性方法多样且易于操作,为柔性生物医学传感器的发展提供了更多可能性㊂但还面临以下问题:(1)柔性电子器件的发展越来越注重集成性和多功能化㊂虽然PEDOTʒPSS可满足多功能性的需求,但在应用过程中各种性能的相互影响无法避免㊂如何应对集成过程中的信号干扰问题将是柔性可拉伸器件的一大挑战㊂(2)如何在不影响或提高生物相容性的同时,改善PEDOTʒPSS的性能是研究重点之一㊂(3)柔性电极的耐用性也是评估可穿戴设备的一项指标㊂在使用过程中,复合材料电阻率的变化㊁结构的形变㊁是否产生的裂纹以及能否利用裂纹提高电极性能也是研究者们需要进一步讨论的问题㊂参考文献[1]㊀ShirakawaH,LouisEJ,MacdiarmidAG,etal.Synthesisofelectricallyconductingorganicpolymers:Halogenderivativesofpolyacetylene,(CH)x[J].JournaloftheChemicalSociety,㊃523㊃第3期㊀㊀㊀㊀㊀㊀章浩伟,等:导电聚合物PEDOTʒPSS及其在柔性生物医学传感器中的研究进展ChemicalCommunications,1977(16):578-580.[2]㊀TseghaiGB,MengistieDA,MalengierB,etal.PEDOTʒPSS⁃basedconductivetextilesandtheirapplications[J].Sensors,2020,20(7):1881.[3]㊀ShiH,LiuCC,JiangQL,etal.EffectiveapproachestoimprovetheelectricalconductivityofPEDOTʒPSS:areview[J].AdvancedElectronicMaterials,2015,1(4):1500017.[4]㊀JeongW,GwonG,HaJH,etal.EnhancingtheconductivityofPEDOTʒPSSfilmsforbiomedicalapplicationsviahydrothermaltreatment[J].BiosensorsandBioelectronics,2021,171(1):112717.[5]㊀DongJJ,PortaleG.RoleoftheprocessingsolventontheelectricalconductivityofPEDOTʒPSS[J].AdvancedMaterialsInterfaces,2020,7(18):2000641.[6]㊀XiaYJ,CuiY,HuangPJ,etal.HighlyconductivefilmofPEDOTʒPSStreatedwithcosolventofformamideandmethanolforflexiblepiezoresistivesensorapplications[J].AppliedPhysicsLetters,2022,120:203302.[7]㊀KangHS,KimDH,KimTW.Organiclight⁃emittingdevicesbasedonconductingpolymertreatedwithbenzoicacid[J].ScientificReports,2021,11:3885.[8]㊀LangU,NaujoksN,DualJ.MechanicalcharacterizationofPEDOTʒPSSthinfilms[J].SyntheticMetals,2009,159(5-6):473-479.[9]㊀LiG,QiuZG,WangY,etal.PEDOTʒPSS/Grafted⁃PDMSelectrodesforfullyorganicandintrinsicallystretchableskin⁃likeelectronics[J].ACSAppliedMaterialsInterfaces,2019,11(10):10373-10379.[10]㊀LuoRB,LiHB,DuB,etal.Asimplestrategyforhighstretchable,flexibleandconductivepolymerfilmsbasedonPEDOTʒPSS⁃PDMSblends[J].OrganicElectronics,2020,76:105451.[11]㊀YangY,ZhaoGJ,ChengX,etal.StretchableandhealableconductiveelastomerbasedonPEDOTʒPSS/naturalrubberforself⁃poweredtemperatureandstrainsensing[J].ACSAppliedMaterials&Interfaces,2021,13(12):14599-14611.[12]㊀ZhangYL,CuiY.DevelopmentofflexibleandwearabletemperaturesensorsbasedonPEDOTʒPSS[J].IEEETransactionsonElectronDevices,2019,66(7):3129-3133.[13]㊀YuYY,PengSH,BlanloeuilP,etal.WearabletemperaturesensorswithenhancedsensitivitybyengineeringmicrocrackmorphologyinPEDOTʒPSS⁃PDMSsensors[J].ACSAppliedaterials&Interfaces,2020,12(32):36578-36588.[14]㊀HeXY,ShiJ,HaoYN,etal.PEDOTʒPSS/CNTcompositesbasedultra⁃stretchablethermoelectricsandtheirapplicationasstrainsensors[J].CompositesCommunications,2021,27:100822.[15]㊀GaoQ,WangMX,KangXY,etal.Continuouswet⁃spinningofflexibleandwater⁃stableconductivePEDOTʒPSS/PVAcompositefibersforwearablesensors[J].CompositesCommunications,2020,17:134-140.[16]㊀LoLW,ZhaoJY,WanHC,etal.Aninkjet⁃printedPEDOTʒPSS⁃basedstretchableconductorforwearablehealthmonitoringdeviceapplications[J].ACSAppliedMaterials&Interfaces,2021,13(18):21693-21702.[17]㊀WangMX,GaoQ,GaoJF,etal.Core⁃shellPEDOTʒPSS/SAcompositefibersfabricatedviaasingle⁃nozzletechniqueenablewearablesensorapplications[J].JournalofMaterialsChemistryC,2020,8:4564-4571.[18]㊀HanJW,ParkJ,KimJH,etal.Stretchableandconductivecellulose/conductivepolymercompositefilmsforon⁃skinstrainsensors[J].Materials,2022,15(14):5009.[19]㊀ShiWH,WangZW,SongH,etal.High⁃sensitivityandextremeenvironment⁃resistantsensorsbasedonPEDOTʒPSS@PVAhydrogelfibersforphysiologicalmonitoring[J].ACSAppliedMaterials&Interfaces,2022,14(30):35114-35125.[20]㊀TanZT,LiHW,HuangYN,etal.Breathing⁃effectassistedtransferringlarge⁃areaPEDOTʒPSStoPDMSsubstratewithrobustadhesionforstableflexiblepressuresensor[J].CompositesPartA:AppliedScienceandManufacturing,2021,143:106299.[21]㊀LeeDH,LeeEK,KimCH,etal.Blendedpolymerdryelectrodesforreliableelectrocardiogramandelectromyogrammeasurementsandtheireco⁃friendlydisposalledbydegradabilityinhotwater[J].Polymers,2022;14(13):2586.[22]㊀ZhouX,RajeevA,SubramanianA,etal.Self⁃healing,stretchable,andhighlyadhesivehydrogelsforepidermalpatchelectrodes[J].ActaBiomaterialia,2022,139:296-306.[23]㊀WangYP,ZhongX,WangW,etal.Flexiblecellulose/polyvinylalcohol/PEDOTʒPSSelectrodesforECGmonitoring[J].Cellulose,2021,28:4913-4926.[24]㊀ChenYF,ZhouGP,YuanXM,etal.Substrate⁃free,ultra⁃conformablePEDOTʒPSSE⁃tattooachievedbyenergyregulationonskin[J].BiosensorsandBioelectronics,2022,206:114118.[25]㊀InácioPMC,MedeirosMCR,CarvalhoT,etal.Ultra⁃lownoisePEDOTʒPSSelectrodesonbacterialcellulose:Asensortoaccessbioelectricalsignalsinnon⁃electrogeniccells[J].OrganicElectronics,2020,85:105882.[26]㊀AlfonsoFS,ZhouYC,LiuE,etal.Label⁃freeopticaldetectionofbioelectricpotentialsusingelectrochromicthinfilms[J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全氟化离子交联聚合物
全氟化离子交联聚合物是一类材料,其特点是含有全氟化阴离子(如PF6-、C6F5SO3-等)作为交联剂,使聚合物具有优良的离子导电性能。
这种材料通常被用于制造离子交换膜、电池隔膜、燃料电池电解质等。
全氟化离子交联聚合物的主要优点是它们对离子具有很高的电导率,即使在较高的温度和压力下也能保持稳定。
此外,它们还具有出色的化学稳定性和机械强度,这使得它们在许多应用中成为理想的材料。
然而,全氟化离子交联聚合物也存在一些缺点,例如它们的制造成本较高,并且在制造过程中可能会产生环境污染。
此外,它们在高温下的热稳定性也受到限制。
因此,尽管全氟化离子交联聚合物具有许多优点,但它们的应用仍受到一些限制。