高分子材料在很长一段时期都被用作电绝缘材料.随着不同应用领域的需要以及为进一步拓宽高分子材料的应用范围，一些高分子材料被赋予某种程度的导电性以致成为导电高分子材料.第一个高导电性的高分子材料是经碘掺杂处理的聚乙炔，其后又相继开发了聚吡咯、聚对苯撑、聚苯硫醚、聚苯胺等导电高分子材料〔1〕.由于这些导电高分子材料都具有共轭键结构，并且主要是由化学方法处理得到的，因此常称为本征型导电高分子材料.但是，这类材料的稳定性、重现性较差，电导率分布范围较窄，成本较高，而且加工困难，尚未进入批量生产的实用阶段〔2〕.本征型导电高分子材料在应用方面遇到的困难短期难以解决，促使人们转而研究和开发导电高分子复合材料.
导电高分子复合材料是以高分子材料为基体，通过加入导电功能体，经过分散复合、层积复合以及形成表面导电膜等方式处理后形成的多相复合导电体系.由于原料易得、工艺相对简单、成本较低、电阻率可在较大范围内调节，同时具有一定程度的再加工性并兼有高分子基体材料的一些优异性能而受到广泛重视.
导电高分子复合材料的研究工作主要有：① 复合材料导电机理的理论研究、特殊效应机理的理论研究；② 用不同方法研制新材料的实验研究；③ 材料应用的实验研究.
导电高分子复合材料导电机理的理论研究工作通常又包括导电通路的形成和形成导电通路后的导电机理两方面.前者研究的是加入聚合物基体中的导电功能体在给定的加工工艺条件下，如何达到电接触而在整体上自发地形成导电通路这一宏观自组织过程；后者则主要涉及导电通路或部分导电通路形成后载流子迁移的微观过程.显然，无论是宏观过程还是微观过程，它们都受到复合体系的几何拓扑、热力学和动力学等多种因素的制约.因此，导电高分子复合材料的理论研究工作一方面呈现多样性、复杂性，另一方面又与实验结果之间存在着不同程度的差异，而且许多理论结果往往不具有普适性.
新材料的实验研究工作采用的主要方法有：组分改造(改变基体种类、改变导电功能体种类)；整体或组分物性改造(磁化、接枝、热处理、结晶、浸渍)；结构改造(板状、叠层、发泡)；导电功能体形状改造(粒状、球状、中空状、纤维状)等.应用研究则包括根据应用条件和具体要求解决各种实际问题的理论和实验研究.
本文将简要介绍这类材料的基本导电理论、特殊效应及其机理、主要应用概况以及目前的研究进展.
一、导电通路的形成理论
导电高分子复合材料的导电机理比较复杂.许多实验表明，尽管采用不同的制备方法、选取不同的基体材料和功能体，导电高分子复合材料却表现出一种相似的性质，即“渗滤阈值” 现象〔3〕.随着导电功能体含量的增加，开始时体系的电导率增加极少.当导电功能体达某一临界含量(阈值)时，复合体系的电导率急剧增加(有时可达近10个数量级).在导电功能体的临界含量附近体系电阻率的急剧下降一般被认为是由导电功能体形成大量导电通路引起的.因此，导电通路如何形成以及导电功能体的临界填充率与复合体系电阻率之间的关系便成为导电高分子复合材料研究中首先关心的问题.许多学者提出了各种理论来解释各自的实验结果，其理论大致可分为下面几类模型〔4〕.
1. 统计渗滤模型
这类模型大部分为几何模型，即将基体材料或填充材料抽象为具有某种形状的分散体系，然后基体材料和填充材料按某种机理复合为整体，而且基体成为连续相，导电填充材料成为不同程度的连续相或分散相，并由此形成部分导电通道和导电隧道.在此基础上，寻找复合材料的电阻率与导电功能体含量之间的关系.典型的例子是将基体抽象为尺度和形状不同的球、立方体、长方体等，而将导电功能体抽象为球、椭球、线状珠串、葡萄状珠串等.这种模型对于二元复合体系通常是有效的，但是，对于多元体系(基体材料或填充材料不止一种)，尽管能得出相应的模型，但在估计得出的理论值与实验值之间的误差较大.
2. 热力学模型
统计渗滤模型虽然可以大致解释复合体系电阻率的变化趋势，但由于过分突出导电功能体的空间几何特征，几乎没有考虑基体与导电功能体之间的相互作用，也没有考虑界面效应的影响，其理论预期值与许多实验结果不符，对许多实验现象也无法解释.热力学模型作了相应改进.
界面自由能热力学模型基于平衡热力学原理，认为形成导电通道时的导电功能体的临界体积分数Vc与体系的总界面自由能过剩有关.当总界面自由能过剩超过一个与高分子种类无关的普适参数Δg*时，导电通道开始形成；另外，实际加工成型过程中各种因素的作用将造成两相界面状况的不断变化，而且高分子基体的熔融粘度越大、功能体粒子的尺寸越小，则分别对“平衡”相分离过程的抑制和促进作用越大.在此基础上得出的理论模型，临界体积分数Vc的估计与许多导电高分子复合材料的实验值符合得较好.但界面自由能热力学模型目前只适用于非极性聚合物基体.
动态界面模型基于非平衡热力学原理，而且说明了导电通道形成的微观过程.该模型假定每个功能体粒子表面都吸附有高分子薄层，其厚度(约15～20 nm)由高分子种类决定，不受功能体表面结构的影响，而且加工过程中不会被破坏；在功能体含量较低时，功能体粒子的分布不均匀，既有单个粒子也有聚集体存在，它们分别被高分子薄层(吸附层)包裹；随着功能体含量增大至某一定值，填入聚集体中的粒子间的压缩力将破坏部分粒子吸附层，粒子可相互移动至电接触而成为“絮凝态”并表现为“层”状结构，其后逐渐发展成为三维导电网络.动态界面模型对复合体系临界体积分数Vc的理论估计值也与许多实验结果吻合较好，不足之处是该模型中某些参数尚无明确的物理意义.
除上述两大类模型之外，还有结构取向渗滤模型、有效介质模型等.结构取向渗滤模型中通常将导电高分子复合材料的一些宏观量与材料结构的一些微观量用相应的参数联系起来，然后借助于大型计算机进行理论模拟，直至找到比较合理的参数，最后得出理论模型.由于在很多情形下其理论估计值的精度并不优于热力学模型，因此，并未被广泛采用.有效介质模型是一种运用自洽条件来处理球形颗粒组成的多相复合体系各组元的平均场理论，该理论预期的渗滤阈值通常都比实验值偏高.
二、导电高分子复合材料的室温导机理
导电高分子复合材料在室温和较高温度(如开关温度)时的导电机制很不相同，下面是目前较为有效的室温下的导电理论〔5〕.
1. 通道导电理论
当导电功能体为微粒时，导电微粒相互接触形成网络通道而导电即为通道导电理论.该理论将导电微粒看作彼此独立的颗粒，并规则、均匀地分布于聚合物基体中.当导电微粒直接接触或导电微粒间的间隙很(<1 nm)时，在外电场作用下即可形成通道电流.通道导电理论虽然可以解释一些导电高分子复合材料的渗滤现象，但是，TEM和SEM的观察结果都指出复合材料中的导电微粒分布并不完全与通道理论的假设条件相符：① 聚合物基体中的单个导电微粒一般情况下并不彼此独立(粒径特别大的颗粒除外)，许多微粒以聚集体形式存在，聚集体的大小、取向受微粒性质(物理和化学性质，特别是表面性质)和基体性质的影响；② 由于聚集体的存在，单个微粒分布的均匀性难以维持，单从聚集体方面考虑，其分布也是不规则的；③ 除部分微粒直接接触或以聚集体形式直接接触外，更多的导电微粒间的间隙较大，尚未形成接触状态；甚至对于没有形成接触状导电链的情形，只要导电微粒间的间隙较小(10 nm左右)也会产生导电现象.这些都是通道理论难以解释的.
2. 隧道效应理论
当导电功能体为微粒且填充率很高时，微粒之间直接接触形成导电网络的几率也大，用通道导电理论来解释通常是有效的.一般的情形是部分导电微粒相互接触而形成链状导电网络，另一部分微粒则以孤立粒子或小聚集体形式分布于绝缘的聚合物基体中，基本上不参与导电(若导电微粒的填充率很低，则完全取后一种情形).然而，如果孤立粒子或小聚集体之间相距很近，只被很薄的聚合物薄层(10 nm左右)隔开，由热振动激活的电子就能越过聚合物薄层所形成的势垒跃迁到邻近导电微粒上形成隧道电流，此即量子力学中的隧道效应.隧道效应理论与一些导电高分子复合材料的实验曲线符合较好.其后的许多实验结果也是隧道效应理论的有力证据〔6〕.
3. 电场发射理论
电场发射理论认为导电高分子复合材料的导电机理除通道导电外，另一部分电流来自内部电场对隧道作用的结果.该理论认为：非欧姆性来源于电压增加到一定值时，导电粒子绝缘层间的强电场促使电子越过势垒而产生场致发射电流.电场发射理论实际上也是一种隧道效应，只是激发源为电场.
事实上, “通道导电理论”和“隧道电流理论”并不是绝对可分的.只要有导电通道存在，就可能既存在通道电流又存在隧道效应, 只是两种电流的强弱不同.因此，这两种理论经常同时使用.
三、导电高分子复合材料的特殊效应
在特定的外部条件下，导电高分子复合材料的电学性能会不同程度地发生变化.其中某些导电高分子复合材料在不同的外部作用力如（压力、拉力)、温度、电压等作用下，表现出一些特殊效应，如压敏、拉敏效应，热敏效应，电压开关效应等〔7〕.
1. 压敏、拉敏效应
导电高分子复合材料的压敏效应通常是指在外部压力的作用下复合材料由高阻态转变为低阻态的过程；而在外部拉力作用下，复合材料由低阻态转变为高阻态的过程即为拉敏效.
导电高分子复合材料的压敏或拉敏性能不但与材料内部常温下导电潜在能力大小(对应于压敏效应)或者已经具有的导电能力的大小(对应于拉敏效应)有重要联系，而且与外部作用力的大小和作用力的方向有关.为得到具有拉敏或压敏性能的聚合物基导电复合材料，从基体材料的性能方面考虑，需要在外力作用下复合材料有明显的形变；从填充材料的性能方面考虑，当基体材料发生形变时，复合材料内部的导电通道的通断状态也应有明显的变化.橡胶或其他弹性体易于在外力作用下发生形变，故目前大部分具有压敏或拉敏效应的导电高分子复合材料使用的基体多限于弹性体.
导电高分子复合材料的压敏效应、拉敏效应的机理可以用通道导电理论解释.对于压敏的情形，导电功能体的含量较少(不同材料有各自的临界值范围)，而且功能体分布尚未形成直接的导电通道.此时若对复合材料施加压力，当压力小于某一临界值时，材料仍呈高阻态；当压力超过上述临界值时，复合材料的形变足以使复合材料内部在力的方向上产生一定数量的导电通道并在外电场作用下而导电.对于拉敏的情形，导电功能体的含量较多(也存在临界含量)，功能体分布已经形成部分直接导电通道和导电隧道.在外电场作用下若对已经处于导电状态的复合材料施以拉力，当拉力超过某一临界值时，复合材料的形变足以使拉力方向上大量导电通道和导电隧道被破坏而导致复合材料由导电性转变为非导电性.
2. 热敏效应
某些导电高分子复合材料的电阻率对温度有明显的依赖性.按电阻率随温度上升而增加或下降分为正温度系数(PTC)材料和负温度系数(NTC)材料和负温度系数(NTC)材料.性能好的PTC材料具有热敏开关特性：即在较窄的温度范围内电阻率随温度的上升急剧增加.对材料PTC特性的研究始60年代，现在研究成功并投入使用的主要BaTiO3系列陶瓷材料.但由于陶瓷类材料的一些固有性质：质硬性脆、工艺复杂且不易控制、制造成本较高等，具有PTC效应的导电高分子复合材料的研究和开发变得重要起来.目前已经研制成功的导电高分子PTC复合材料大多数以结晶性聚烯烃为基体，而以非结晶性聚合物为基体制备PTC复合材料的成功例子很少.
虽然某些高分子PTC复合材料现已形成产品，但是关于聚合物基导电复合材料的PTC效应机理目前尚缺乏普适性的理论模型，以下是一些关于PTC效应机理的解释〔8〕.
(1) 热膨胀机理
室温下导电高分子复合材料中的导电粒子相互接触形成一定密度的导电网络，温度升高时，聚合物比容呈指数上升，而导电粒子的比容基本不变，造成两相材料在同一温度下的热失配，使导电粒子或由粒子组成的聚集体之间的距离增加，导电网络遭到破坏，单位体积中的导电通道减少，电阻率急剧上升.大多数结晶性聚合物基体，在其熔点附近，PTC效应更加明显.然而，该理论不能解释某些具有PTC特性的导电高分子复合材料在发生应变时，PTC效应降低的现象，也不能解释许多导电粒子填充的非晶聚合物无PTC效应的原因.
(2) 电子隧道效应机理
电子隧道效应机理认为：聚合物/导电粒子(如炭黑)复合材料中导电粒子间被很薄的高分子薄膜隔离，其中结晶性高分子膜(30 nm)的导电性比非晶性高分子膜高得多.温度较低时(晶体的晶区熔化之前)，导电粒子之间可以通过薄膜的晶区产生隧道效应，电阻率较小；随着温度的升高，薄膜的晶区开始熔化，膜的导电性变差，致使复合材料的导电能力减弱，电阻率增加.并由此得出：应该根据基体的玻璃化温度Tg来判断复合材料的PTC强度的大小；而且聚合物的Tg越低，复合材料的PTC效应越大.虽然这一理论可以解释一些聚合物基导电复合材料的PTC现象，但并不具有普适性.因为许多聚合物的Tg很低，用之制备的聚合物基导电复合材料却并不显PTC性.另外，该理论提出的结晶高分子膜比非晶高分子膜导电能力强的观点也没有足够的证据.
(3) 竞争机理
竞争机理认为导电高分子复合材料的PTC特性源于复合材料内部两种机制竞争的结果.室温时复合材料中导电粒子的平均间距较小，温度升高时，一方面基体发生膨胀，导致复合材料中的导电粒子之间距离增大，材料电阻率增加；另一方面，当处于较高温度时，复合材料中的导电粒子热振动加剧，能量升高，导电粒子发射电子的能力增强，自由电子越过隧道势垒的动能增加，结果体系电阻率下降.这两种机制竞争的结果使得电阻率-温度曲线上出现峰值.
上述几种理论虽能定性地解释PTC效应的机理，但定量方面尚显不足；而且这些理论只适用于某些种类导电高分子复合材料.关于导电高分子复合材料的PTC效应机理的统一理论尚待研究.
3. 电压开关效应
在温度固定(通常为室温)的条件下，某些导电高分子复合材料的导电性随电压的升高而增加，而且电流与电压间的关系显非欧姆性.电压开关效应通常指的是在一定温度下增加电压，在某一极小的电压区间内，复合材料由非导体剧变为导体这一现象.显然，这种材料必须有导电的潜力，但是在室温下和低电压电场的作用下基本不导电.因此，导电功能体的种类和含量在电压开关型复合材料中将起到决定性作用.
电压开关效应的机理目前也是由通道导电和隧道导电机理进行解释的.复合材料中填充一定含量的导电性物质后，虽然没有形成导电通道，但有少量的隧道形成.当电压低于某临界电压时，只能产生极小的隧道电流，此时复合材料基本处于非导电状态(关态)；而当电压高于某一临界值时，导电粒子之间的场致发射一方面增加了隧道电流，另一方面使隧道距离较大的导电粒子之间形成微细导电通道(也称为“导电丝”)，隧道电流和通道电流一起形成较大的电流(开态).导电丝一旦形成，它们在微细导电通道中的作用如同普通工频电路中的保险丝.一旦电压高于另一临界值，导电丝熔断，复合材料又回复到原来的状态(关态).
四、导电高分子复合材料的应用
原则上绝大多数聚合物都可用作导电高分子复合材料的基体，而且适用的导电填充物质的种类也很多，因此，目前已经研制出许多满足各种特殊要求的导电高分子复合材料.按基体材料的性质可分为：导电涂料、导电粘合剂、导电弹性体和导电塑料；按导电性可分为：半导电材(ρ>107Ω*cm)、防静电材料(ρ≈104～107Ω*cm)、导电材料(ρ<104Ω*cm)和高导电材料(ρ≈10-3Ω*cm)；按特殊功能可分为：光导电材料、热敏导电材料、压敏导电材料和辐射诱导导电料按导电功能体种类可分为聚合物-炭系(炭黑、炭纤维、石墨)，聚合物-金属氧化物系(ZnO、PbO、TiO2、SnO、V2O3、VO2、Sb2O、In2O3等)和聚合物-金属系(铜、银、镍、铝)等.导电功能体还可以有不同的空间形态，如0维(微粒状)、1维(纤维状)和2维(片状)等.
由于导电高分子复合材料领域中理论研究工作的逐渐深入和大量实验结果的积累，结合现有的高分子材料理论，现在已经可以在一定程度上对这类材料进行优化设计.因此，其应用范围也正在逐渐扩大.导电高分子复合材料的应用主要集中在以下四个方面〔7,9,10,11〕：
(1) 抗静电材料.用于矿山、油田、气田及化工部门的干粉及易燃、易爆液体的抗静电输送管、输送带等；用于电子元件、器件等的抗静电包装、封装材料；用于各种超净化环境(手术室、精密仪器室、火药厂、制药厂、芯片生产厂)的地板、操作台及壁材等.
(2) 电磁波屏蔽材料、导电材料.电磁波屏蔽材料用于电子仪器、电器设备、通讯设备和音像设备等的抗干扰屏蔽等.导电材料用于航空器、航天器的非金属电线、电缆(重量只有相同体积金属材料的1/3～2/3，电导率与铝质材料相当并具有高分子材料的优点)、柔性导电薄膜(抗疲劳性能优异并可以使用多种物理或化学方法制备兼有其他特殊功能的导电薄膜)、导电胶等.
(3) 开关性能的元器件.利用导电高分子复合材料的特殊效应，已研制出各种热敏传感器、力敏传感器、自控温发热器、过流保护器等元器件.
(4)光敏材料和半导体材料.利用基体材料的光敏性(如基体大分子的聚合反应、交联反应等对某种频率的光或射线的敏感性)制备印刷电路、光敏导电粘接剂.金属硫化物具有半导体的性质.利用有机溶胶方法将金属硫化物超细粉与高分子基体复合并控制其中p型(如CuS)和n型(如CdS、HgS)导电功能体的含量及分布得到的复合膜已经成功地用于高分子整流二极管.
五、导电高分子复合材料的研究进展
由于导电高分子复合材料的性能受到众多因素的影响，相应的导电理论研究工作非常困难而且进展缓.既然导电高分子复合材料的性能对基体材料、填充材料、配合剂、加工方法、工艺条件等具有强烈依赖性，如果能得到一种只与复合材料加工成型后的最终结构参量有关的导电模型，那么这种模型将适用于描述各种不同结构的复合材料的导电性.近年来导电理论研究得出的微结构模型：微观拓扑结构模型〔12〕和分形微结构模型〔13〕便试图达到这种目的.前者将微观结构参数分为几何参数(包括粒子的尺寸、相体积分数和平均粒子间距等)和拓扑参数(同相粒子及异相粒子之间的毗邻状况)，并运用拓扑学方法得出了复合体系的电导率与微观结构参数之间的关系.后者认为复合体系的导电网络在结构上具有自相似性并利用分形理论得出了复合体系电导率微观结构参数之间的关系.尽管微结构模型也不具有普适性，但对于可应用的体系，该模型的精确度有较大程度的提高.
应用研究方面的进展主要有：
(1) 以往的拉敏或压敏导电高分子复合材料基本是同向敏感材料(平行于外力的作用方向上具有压敏或拉敏效应)、开关性敏感材料(在一定外力作用下要么呈低阻态，要么呈高阻态).近年来，异向敏感材料(与外力作用方向不同的其他方向上显示压敏或拉敏效应)和线性敏感材料(复合材料的电阻随所承受的外力的大小呈线性变化)也受到广泛重视〔14,15〕.
(2) 以往的热敏导电高分子复合材料基本上以结晶性聚烯烃为基体，近年来已经研究开发出以非结晶性聚合物为基体的热敏导电高分子复合材料〔16,17〕.
(3) 改进现有导电高分子复合材料的性能.如性能稳定性(包括材料基本物理、化学性能的稳定性)、工艺稳定性、可加工性、耐温性、减小滞后性(在循环使用中材料性能特征量在相同条件和环境下产生的偏差)、提高耐老化性、环境适应性等〔18,19〕.
(4) 将已经具备某种特殊性能的导电高分子复合材料进一步功能化，亦即使一种材料具有多种功能.
事实上，由于理论研究工作方面的困难，导电高分子复合材料的研究进展也主要集中在应用方面.
开题报告填写事项一、填写必须实事求是，字迹要端正、清楚。
二、本报告的第一至第六部分由研究生本人填写（字数不少于2000字）。其余部分由指导教师、开题报告评议小组、教研室（研究室）主任、院长、研究生处填写。
三、硕士研究生开题报告日期规定为进校后第三学期完成。
四、开题报告评议小组由学院统一集中组织，对开题报告通不过者要在1至2个月内补做，重新审核合格后，才允许正式进入课题，否则取消进入论文阶段资格。
五、此表留存研究生处学位办一份。
本课题所涉及的内容（包括实验数据、计算机程序、导师未公开发表的研究成果及心得等），除在毕业论文中所发表的以外，本人保证：未经导师正式同意，五年内不以任何形式向第三方公开。
研究生（签字）
导 师（签字）
年 月 日
一、课题的来源及意义
本课题主要来源于导师的研究课题。
现代科学技术发展使得复合化成为材料发展的必然规律。近年来，纳米复合材料的研究发展迅速，无论是从学术研究角度考虑，还是从工业生产实际出发，人们都已开展了大量的实验研究工作。所谓纳米复合材料（Nanocomposites）是80年代初由Roy等人提出的，是指复合材料中分散相尺度至少有一维小于100nm的复合材料。由于纳米粒子具有小尺寸效应、大的比表面产生的界面效应、量子效应等特殊性能，故能赋予纳米复合材料许多特殊的性能，为设计和制备高性能、多功能新材料提供了新的机遇。纳米复合材料被誉为“21世纪最有前途的材料”，成为材料科学研究的热点之一。
聚合物/层状硅酸盐（Polymer/Layered Silicate，PLS）纳米复合材料是纳米复合材料领域重要研究方向之一。PLS纳米复合材料既具有高分子材料的质轻、耐腐蚀、绝缘性好、易加工等特点，又具有无机材料的高强度、高模量、高耐热性等优点，有着广阔的发展前景。PLS纳米复合材料除具有一般纳米复合材料的性能外，还因其特有的纳米尺度上的片层结构使得复合材料的耐热性、尺寸稳定性、气体阻隔性及阻燃性等得到明显提高。PLS纳米复合材料的研制与开发为提高传统聚合物材料性能、拓宽聚合材料的应用范围起到了极大的促进作用。
根据复合物的微观结构，可以把复合物分成四类：相容性差的粒子填充复合物；普通的微粒填充复合物；插层型纳米复合材料；剥离型纳米复合材料。只有第三、第四类复合物实现了纳米尺度上的插层复合，且第四类复合物即剥离型纳米复合材料由于无机物在聚合物基体中实现了充分均匀的分散，其纳米尺度效应显著、界面结合强度更高。此类复合材料具有优异的力学性能和耐热性，并且材料的阻隔性均有所提高，是当前研究的主方向。
PLS纳米复合材料以其优良的性能越来越受到广泛地重视。目前，PLS纳米复合材料已从基础研究阶段向工业化生产阶段发展，日本的丰田公司（TOYOTA）、宇部公司（Unitsika）、美国的南方粘土（Southernay）等已经研制开发出PLS纳米复合材料的商业化产品。
本课题利用省内层状硅酸盐矿物（膨润土）和高分子原料，对聚合物原料进行改性，对膨润土原料进行深加工处理。研究聚合物、层状硅酸盐二者之间的复合机理、结晶过程、界面特征以及结构性能之间的关系，研究加工制备工艺过程对PLS纳米复合材料性能的影响以及最佳制备工艺参数的确定。用合理的加工技术方法，制备出性能优良的剥离型纳米复合材料。这既是本课题的特色和创新之处也是纳米复合材料的研究发展趋势所在。
二、简述该领域目前的国内外研究水平和发展趋势
聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料是当今众多无机纳米粒子改性复合材料中最有潜力的一类纳米复合材料，也是目前研究最多、最有希望工业化生产的聚合物纳米复合材料。自从1987年日本丰田公司的研究开发中心首次报道用插层聚合的方法制备了尼龙6/粘土纳米复合材料以来，由于聚合物/粘土纳米复合材料实现了纳米相分散、强界面作用和自组装并具有较常规聚合物/无机填料复合材料无法比拟的优点（如优异的力学、热学性能和气体阻隔性能等），因此倍受关注。
据报导，预计今后PLS纳米复合材料的产值每年会增长约100%。到2009年，产值会达到15亿欧元/年，产量会达到50万吨/年。PLS纳米复合材料将会遍及人们生活的各个方面，飞机、汽车、包装、电子电器、建材、家俱等产业将广泛受益于这种新型材料。
1、 国外PLS纳米复合材料研究现状
自从20世纪80年代末期，Okada等人报道了PA6/层状硅酸盐纳米复合材料以来，迄今这一领域已得到长足的发展，成为目前聚合物材料的一个新热点。到目前为止，日本丰田研究中心、美国康耐尔大学、密歇根大学以及中国科学院化学研究所国内外众多研究单位都在这一领域进行深入的科学研究。
1987年，丰田中心研究和发展公司的Fukushima和Inagaki仔细地研究了聚合物/层状硅酸盐复合材料后，用季铵盐取代粘土片层间的无机离子，成功地改善了粘土与聚合物基体的相容性，研制出PLS型尼龙6/硅酸盐纳米复合材料，材料的热变形温度较纯尼龙6有大幅度提高，同时力学性能与阻隔性能均有不同程度的提高。丰田中心研究和发展公司的Usuki、Fukushima用已内酰胺的原位聚合法制备了剥离型的尼龙6/蒙脱土纳米复合材料（季铵盐改性的蒙脱土事先被均匀地分散于已内酰胺中），并制备出聚酰亚胺/蒙脱土纳米复合材料，发现只需添加2%（质量分数）的粘土，材料的气体阻隔性及线胀系数显著降低，适合PI在微电子领域的应用，这极大地引起了材料科学家的关注。
美国Comell大学的R A Vaia和E P Giannelis等对聚合物熔体插层进行了热力学分析，认为该过程是焓驱动的，因而必须加强聚合物与粘土间的相互作用以补偿整个体系熵值的减少。在此理论的指导下，他们通过聚合物熔体插层制备出PS/粘土，聚氧乙烯/粘土纳米复合材料，并对层间聚合物的受限运动行为进行了研究。Usuki等人深入研究了有机插层剂对插层复合的影响，并制备出一系列PLS纳米复合材料，并首先报道了“两步法”制备聚酰胺6/蒙脱土纳米复合材料，即先用12~18烷基氨基酸作插层剂对钠基蒙脱土进行阳离子交换处理，然后将阳离子交换后的蒙脱土与ε-己内酰胺复合，在常规条件下聚合，得到聚酰胺6/粘土纳米复合材料。西欧一些国家也先后制定了发展纳米复合材料研究的计划。一些国外的大公司特别是生产聚合物的厂家纷纷加入聚合物纳米材料的开发应用。
目前，丰田汽车公司已成功地将Nylon 6/clay纳米复合材料应用于汽车上。由于层状硅酸盐是纳米尺度分散于聚合物基体中，可以成膜、吹瓶和纺丝。在成膜和吹瓶过程中，硅酸盐片层平面取向形成阻挡层，因此可用于高性能包装和保鲜膜。
2、国内PLS纳米复合材料研究现状
我国的PLS纳米复合材料研究开始于90年代，现已取得了许多成果，并已列入国家“863规划”和“九五计划”的重点研究开发课题。中科院化学所对聚合物基粘土纳米复合材料的研究，发明了“一步法”制备Nylon 6/粘土纳米复合材料（nc-PA6），即将蒙脱土阳离子交换、己内酰胺单体插层以及单体聚合在同一个分散体系中完成，在不降低产品性能的前提下缩短了工艺流程，降低了成本。黄锐等利用刚性粒子对聚合物改性的研究在学术界极有影响；另外，四川大学高分子科学与工程国家重点实验室发明的磨盘法、超声波法制备聚合物基纳米复合材料也是一种很有前景的制备手段。
中科院化学所工程塑料国家重点实验室取得的成就有：单体插层缩聚制备了尼龙6/粘土纳米复合材料，可大幅度提高其热变形温度，扩大了材料的应用范围，并对插层剂的碳链长度与有机蒙脱土的层间距的关系进行了研究，在此基础上开发了PET/粘土、PBT/粘土纳米复合材料，提高了材料的热性能和阻隔性，其中PET/粘土纳米复合材料的结晶速度较PET提高了约5倍。此外还通过聚合物溶液插层及熔体插层分别制备出硅橡胶/蒙脱土及PS/粘土纳米复合材料，其中硅橡胶/蒙脱土纳米复合材料具有良好的耐磨性，各项物理、力学性能指标得到很大提高，可代替气相白炭黑填充硅橡胶，具有实用前景。相信在不久的将来，PLS纳米复合材料将会广泛应用于高分子材料及其它领域。
3、存在的问题及研究发展趋势
PLS纳米复合材料的不断涌现以及大量研究结果的报道，让我们看到了这类复合材料具有的优异特性，使得层状无机物插层改性聚合物制备高性能纳米复合材料成为国际上最新技术热点之一，但也存在以下几个问题。
① PLS纳米复合材料的研究尽管十分热门，但由于其插层复合机理复杂、结构与界面特征复杂，微区尺寸小，再加上量子效应、表面效应等，对它的研究还不够深入，特别是运用热力学、动力学和结晶学知识研究不够。对其结构、形态特征与材料性能的关系研究较少，合成方法大多基于合成宏观材料上的改进，存在着一定局限性；
② 剥离型PLS纳米复合材料比其它类型的复合材料具有更优异的性能，但对原材料加工处理、制备方法要求严格，对其制备工艺及过程研究不够；
③ 高聚物与纳米材料的混合、分散缺乏专业设备，用传统的设备往往使纳米粒子得不到良好的分散，要研究出新的混合分散技术方法及设备。
三、课题所要研究的内容及实施方案
(主要研究内容及预期成果，拟采用的研究方法、技术路线、实验方案的可行性分析。)
1、研究内容
（1）了解相应聚合物的物理化学性质，合成方法，用途及研究现状；了解PLS纳米复合材料所具备的优良性能，熟悉国内外PLS纳米复合材料的应用现状、研究进展、存在的问题及解决的措施；
（2）研究层状硅酸盐（膨润土）矿物学特征和纳米结构特征（层间距、层面特征和边缘特征），熟悉测试表征方法；并掌握对测试结果分析的技术方法；
（3）深入研究膨润土提纯、钠化、有机化的各种方法、反应机理；了解钠基土及有机土的应用价值和研究现状；制定合理的实验方案，对膨润土进行提纯，通过实验选择合适的反应条件和合适的钠化剂和表面修饰剂进行钠化、有机化，制备出亲油或亲水亲油的纳米膨润土；
（4）了解剥离型PLS纳米复合材料制备方法及性能特点，从动力学、热力学、结晶学、流变学等方面探讨纳米材料复合过程和机理；
（5）选择聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚氨酯（PU）两种聚合物，对其进行改性（接枝方法和离子化方法）制定合理的加工制备方案、确定最佳实验流程及实验参数，制备出剥离型PLS纳米复合材料；
（6）从制备方法、表面改性剂的选择、加入第三组分等方面研究有机膨润土在聚合物中的分散形态；并探讨多相体系中物相界面结构特征，制备出剥离型纳米复合材料。
（7） 研究PLS纳米复合材料结构和性能之间的关系。进行产品结构分析、力学性能和阻燃性能对比测试分析。
2、预期成果
（1）制备出优良的有机膨润土，制备出改性性能良好的聚合物；
（2）制备出剥离型PLS纳米复合材料；
（3）预期在核心期刊发表2篇论文或申报1项发明专利；
（4）完成毕业论文的编写，顺利通过答辩。
3、研究方法及技术路线
（1）实验研究流程图
（2）实验研究过程（方案）
① 层状硅酸盐的选择及改性处理
目前为止，能够在PLS纳米复合材料中得到应用的有膨润土、高岭土、海泡石等少数几种属于层状硅酸盐的矿物质。这其中最根本的原因是绝大多数的层状无机矿物质无法利用插层处理的方式扩张其片层之间的重复间距。因此，虽然他们具有层状的结构，各相邻的片层之间也具有一定的空间，但却不足以容纳旋转半径为上百埃的聚合物分子链插入到各片层之间，形成所谓的插层复合材料；而仅仅允许离子、小分子等小的介质进入其中。对于膨润土、高岭土等粘土矿物， 由于他们具有较大的初始间距以及可交换的层间阳离子，使得我们可以利用离子交换的方式将他们的层间距扩大到允许聚合物分子链插入的程度，从而可以利用它们制备出性能优异的插层纳米复合材料。
本课题利用省内矿产资源优势膨润土，其主要成分为蒙脱石。蒙脱石的基本结构单元是有一片铝氧八面体夹在两片硅氧四面体之间靠共用氧原子而形成的层状结构，属于2：1型层状硅酸盐。每个结构单元的尺度为1nm厚、长宽均为100nm的片层，层间有可交换性阳离子，如Na+、Ca2+、Mg2+等金属离子，因此容易与烷基季铵盐或其他有机阳离子进行交换反应生成有机膨润土。由于膨润土本身的亲油性较差，聚合物的单体或分子链又多为亲油性物质。因此，膨润土使用前必须经过有机化改性处理。
膨润土改性处理方案。
A、膨润土的提纯
实验方案：将膨润土与水（固液比为1：10）配成悬浮液，再经高速旋转的离心机沉降分离，并且加入适量的分散剂（六偏磷酸钠），进一步分离粒度较细的碎屑矿物（长石、碳酸盐等），得到粒度小于5µm的膨润土浆料或悬浮液，再将该悬浮液抽滤、洗涤、干燥、打散解聚，即可得到高纯度的膨润土产品。测其吸蓝量，CEC，膨胀倍，胶质价等性能指标。
B、钙基膨润土的钠化
钠化原理：当膨润土-水系统中存在两种离子时，就存在一个动态的吸附-解吸平衡，即离子吸附与交换过程。如当膨润土-水系统中同时含有Ca2+、Na+时就会发生如下离子交换平衡：
Ca-膨润土+2Na+ 2Na-膨润土+Ca2+
钠化剂的选择、用量、钠化温度及钠化时间对钠化效果都有一定的影响，通过实验，确定最佳反应条件。
C、膨润土的有机化
在制备PLS纳米复合材料时，常采用有机阳离子（插层剂）进行离子交换而使层间距增大，并改善层间微环境，使粘土内外表面由亲水转变为疏水，降低硅酸盐表面能，以利于单体或聚合物插入粘土层间形成PLS纳米复合材料。因此插层剂的选择是制备PLS纳米复合材料的关键步骤之一。它必须符合以下几个条件：（1）容易进入层状硅酸盐晶片（001面）间的纳米空间，并能显著增大粘土晶片间层间距；（2）插层剂分子应与聚合物单体或高分子链具有较强的物理或化学作用；（3）价廉易得，最好是现有的工业品。
在不同用量、酸碱性、反应温度等条件下，选择阳离子（十六烷基三甲基溴化铵）、阴离子（十二烷基硫酸钠）及阴阳双离子为插层剂，制备有机土，通过测试确定最佳反应条件。
② 聚合物改性
③ PLS纳米复合材料的制备
A、复合材料的类型
从微观结构上看，复合材料可分为四类，如下图。在第一类复合物中（a），蒙脱土颗粒分散在聚合物基体中，但聚合物与蒙脱土的接触仅限于蒙脱土的颗粒表面，聚合物没有进入蒙脱土颗粒中。第二类复合物（b）中，聚合物进入蒙脱土颗粒，但没有插层进入硅酸盐片层中。在插层型复合物（c）中，聚合物不仅进入蒙脱土颗粒，而且插层进入硅酸盐片层间，使蒙脱土的片层间距明显扩大，但还保留原来的方向，片层仍然具有一定的有序性。在剥离型复合物（d）中，蒙脱土的硅酸盐片层完全聚合物打乱，无规则地分散在聚合物基体中，此时蒙脱土片层与聚合物实现了纳米尺度上的均匀混合。四类复合材料中只有后两种才算是纳米复合材料，而且第四类剥离型复合材料比第三类插层型复合材料具有更理想的性能，是众多材料科学家追求的目标，也是本课题研究的重点。
B、制备方法
插层复合法（Intercalation Compounding）是制备PLS纳米复合材料的方法。按照复合的过程，插层复合法可分为两大类。（1）插层聚合法（Intercalation Polymerization），即先将聚合物单体分散、插层进入层状硅酸盐片层中，然后原位聚合，利用聚合时放出的大量热量，克服硅酸盐片层间的库仑力，使其剥离（exfoliate），从而使硅酸盐片层与聚合物基体以纳米尺度相复合；（2）聚合物插层（Polymer Intercalation），即将聚合物熔体或溶液与层状硅酸盐混合，利用力化学或热力学作用使层状硅酸盐剥离成纳米尺度的片层并均匀分散在聚合物基体中。
从制备方法来看，PLS纳米复合材料的制备可分为单体插层原位聚合与大分子直接插层；从实施途径来说有溶液法和熔体法。它们互相组合成四种具体制备过程：大分子熔体直接插层；大分子溶液直接插层；单体熔体插层原位本体聚合；以及单体溶液插层原位溶液聚合。制备PLS纳米复合材料流程图如下：
C、有机土加入量的选取
有机土加入量的多少直接影响着制品的质量和性能，有机土的加入量过高时，体系的粘度增大，很难脱泡及浇注；有机土加入量过低时，有机土在体系中的分散不好，起不到增强和增韧的效果。对于有机土加入量的多少，在研究领域内众口不一。我们采用不同含量（2-5%）的有机土进行插层复合，寻找最佳加入量。
D、实验方案
以PBT、PU聚合物为例，选用合适的插层方法，在不同的配料比下插层复合，测其力学性能、阻燃性能、热稳定性能等，从热力学、动力学等方面研究复合机理及影响复合过程的因素，得到性能优良的剥离型PLS纳米复合材料。
（3）PLS纳米复合材料主要性能测试与表征
① 甲醛容量法测膨润土阳离子交换容量（CEC），测吸蓝量计算膨润土中蒙脱土的含量，带塞量筒测其膨胀倍、胶质价；
② 扫描电镜（SEM）测聚合物及PLS纳米复合材料的微观形貌；
③ 傅立叶转换红外光谱(FTIR)分析，根据谱图的吸收峰判断有机化改性效果及插层效果；
④ X射线衍射分析仪（XRD）测试膨润土的层间距和复合材料的剥离程度；根据谱图用Jade软件确定蒙脱土的化学成分及含量；
⑤ 差热-热失重分析仪（TG-DTA）测定膨润土的转化温度及复合材料的热稳定性；
⑥ 电子万能实验机测拉伸强度和断裂伸长率，判断聚合物及PLS纳米复合材料的力学性能。
4、实验研究方案的可行性分析
（1）实验室有一系列的实验仪器：如真空泵、磁力搅拌器、恒温水浴锅、高温炉、干燥箱、开练机、双螺杆机和造粒机等；学校测试中心有扫描电镜、X-射线衍射仪、傅立叶转换红外光谱仪、差热-热失重分析仪、原子力显微镜等测试用仪器；
（2）导师长期从事这一领域的研究工作，有扎实的理论基础和丰富的实践经验，有师生组成的研究团队；
（3）学校图书馆可以查到大量的中外文文献资料和学术专著，可供参考；
（4）与企业合作，有丰富的实践基地和广阔的应用前景；
（5）已做了一些实验前期工作，制得的复合材料力学性能显著提高，且热稳定性很好；
（6）实验方案叙述合理，技术路线可行，理论基础清楚明了，实验研究条件基本具备，加上前期研究工作的进展，故本实验研究方案是可行的。
四、课题研究的创新之处
(研究内容、拟采用的研究方法、技术路线等方面有哪些创新之处。)
（1）PLS纳米复合材料作为一个崭新的研究领域，对其研究尤其剥离型复合材料的研究可以说仍处于初级阶段，理论上不够成熟，制备技术不够完善，对材料的复合机理，材料的结构及结构与性能间的关系等方面还有待于进一步探索。本课题从热力学、动力学等方面研究聚合物与层状硅酸盐（膨润土）复合的界面特征、内部结合机理，并探讨复合过程、材料结构对其力学性能、阻隔性能、流变性能、结晶性能等的影响。
（2）剥离型PLS纳米复合材料的发展水平仍处在实验研究或专利阶段，工业化项目极少，在高性能工程塑料、高性能树脂基体中的研究报道还较少。本课题从表面改性剂的选择、加入第三组分、高性能纳米膨润土的制备、聚合物的改性、合理制备方法的选择等方面进行系统实验研究，制备出性能优异的剥离型纳米复合材料。
五、工作量及工作进度安排(包括文献查阅、方案设计与实现、计算与实验、论文书写等)
起止日期 课题阶段工作进程
2007.2~2007.9
2007.10~2007.12
2008.1~2008.2
2008.3~2008.4
2008.5~2008.6
2008.7~2008.8
2008.9~2008.10
2008.11~2008.12
2009.1~2009.3
查阅文献资料、学术专著、参考书等，同时做了大量实验前期工作及一定的实验研究工作；
写开题报告并进行答辩，准备实验所需试剂和仪器；
研究钠基土、有机土的结构及结构与性能的关系，设计实验方案；通过实验和性能表征确定钠化、有机化过程最佳反应条件；在最佳反应条件下制备大量有机土，用XRD、FTIR、TG-DTA等表征，做好实验记录；
以PBT、PU聚合物为例，了解其物理化学性能、合成机理、合成方法及应用现状；选择合适的反应装置、合成方法，用单体合成所需要的聚合物；
查阅大量当前最新的中外文文献，了解纳米复合材料的研究现状及先进的制备方法；选择不同的有机土加入量（2-5%），用聚合物熔融插层法，聚合物熔液插层法，单体插入原位聚合法等不同的方法，控制反应条件，制备PLS纳米复合材料；
对制品进行力学性能、热学性能、阻隔性能等方面的测试，确定有机土的最佳加入量，找出即使制品性能优异、成本低又环保的制备方法；
用SEM测试产品的形貌，证实其剥离程度；用XRD测试有机土的层间距，分析其改性效果；复合材料中界面层的性质可以用示差扫描量热法（DSC）来表征；热失重分析（TGA）可以研究有机物对蒙脱土的改性程度及纳米复合材料的耐热性；
选择最好的制备方法，将聚合物与有机土进行复合，研制出纳米复合材料制品并详细表征其各种性能；
撰写论文，准备答辩。
六、国内外主要参考文献（列出作者、论文名称、期刊名称、出版年月）
序号 参考文献名称
梁宏斌，倪靖滨．聚合物/纳米复合材料研究进展[J]．化学工程师，2006，3：26-28．
陈光明，李强，漆宗能．聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料研究进展[J]．高分子通报，1999，4：1-9．
韩建竹，夏英．聚合物/蒙脱土纳米复合材料的研究进展[J]．高分子通报，2006，12：66-70．
李春生，周春晖，李庆伟．聚合物/蒙脱土纳米复合材料的研究进展[J]．化工生产技术，2002，9（4）：22-26．
陈国华，李明春．聚合物/粘土纳米体系[J]．高分子材料科学与工程，1999，15（3）：9-12．
Jitendra K Pandey，et a1．Polymer Degradation and Stability，2005，88：234
舒中俊，陈光明，漆宗能．聚合物/粘土纳米复合材料及其特殊阻燃性[J]．2000，28（3）：24-26．
张秀英，李国昌，王萍等．利用山东膨润土生产有机膨润土研究[J]．2007，27（1）：35-36．
潘兆橹，万朴应用矿物学[M]．武汉:武汉工业大学出版社，1993．
杨雅秀．中国粘土矿物[M]．北京:地质出版社，1994．
周建工，鲁安怀．利用低品位天然钙基膨润土制备低成本有机粘土实验研究[J]．北京大学学报（自然科学版），2006，42（4）457-467．
陈兴华．聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的最新研究进展[J]．广西轻工业，2007，（1）：35-37．
黄锐，王旭，李忠明．纳米塑料-聚合物/纳米无机物复合材料研制、应用与进展[J]．中国轻工出版社，2002，（4）：10-12．
祝启砷，黄志良，王西文等．膨润土提纯增白与钠化改型联合处理工艺[J]．中国矿业，2002，11（5）：44-46．
漆宗能，尚文字．聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料理论与实践[M]．化学工业出版杜，2002．
ChenTian Y．Synthesis and Characterization of Novel Segmented Polyurethane/Clay Nan composites．Polymer，2000，41（4）:1345-1349．
Cho，K.Lee， JKwon， K.J.Appl．Polymer Sci．2001，（79）：1025-1028．
G-M．Kim D-H，Lee，B．Hofmann，et a1．Influence of nanoflllers on the deformation process in layered silicate/polyamide-12 nanoeomposites．Polymer，2001，42（3）：95-110．
Hao Fong，Weidong Liu，Chi-Shan Wang，et a1．Generation of electro spun fibers of nylon 6-montmorillonite nanocomposite．Polymer，2002．43（3）：775-780．
Cheon II Park，Park et a1．Polymer．2001，42：7465-7475．
Fornes T D，Yoo P J，et a1．Polymer．2001，42：9929-9940．
Cho J W，Paul D R．Polymer，2001，42：1083-1094．
Kaempfer D．Thomann R．el a1．Polymer．2002．43：2909-2916．
Dennis H R，Hunter D L，a1．Polymer．2001，42：9513-9522．
Marosi G，Keszei S Matko S，Bertalan G．Fire and Polymer，2006，4：117．
Sorathia U，Lynon R，Gann R G．Fire Technology，1997，33（3）：351．
S.S.R.ay，K.YamadaM，Okamoto，et a1．New polylactide-layered silicate nanocomposites．
Concurrent improvements of material properties，biodegradability and melt theology [J]．Polymer，2003．44（3）：857-866．
宋军，倪卓，王宝辉，等．聚丙烯/蒙脱土纳米复合材料的制备和性能[J]．现代塑料加工应用，2005，17（2）：14-16．
苏海霞，曾幸荣．聚吡咯/有机蒙脱土纳米复合材料的制备及其导电性[J]．化学与黏合，2005，27（3）：127-130．
郑华，张勇，彭宗林，等．三元乙丙橡胶/蒙脱土纳米复合材料的制备与性能研究[J]．世界橡胶工业，2005，32（6）：l1-13．
吴德峰，周持兴．聚对苯二甲酸丁二醇酯/蒙脱土纳米复合材料的结晶结构及流变行为[J]．高分子材料与工程，2005，21（5）：132-136．
1、 至少列举国内外参考文献20篇；
2、 教科书、工具书不能作为参考文献；
3、 专著等参考书的数量小于总数量的三分之一；
4、 近五年出版的参考书数量不小于总数量的三分之一；
5、 外文参考文献的数量不小于总数量的三分之一。
聚苯胺的实际合成与结构研究始于20世纪初，英国的Green和德国的Willstatter两个研究小组采用各种氧化剂和反应条件对苯胺进行氧化，得到一系列不同氧化程度的苯胺低聚物。Willstatter将苯胺的基本氧化产物和缩合产物通称为苯胺黑。而Green分别以H2O2，NaClO3为氧化剂合成了五种具有不同氧化程度的苯胺八隅体，并根据其氧化程度的不同分别命名为全还原式（leucoemeraldine）、单醌式（protoemeradine）、双醌式（emeraldine）、三醌式（nigraniline）、四醌式即全氧化式（pernigraniline）。这些结构形式及命名有的至今仍被采用。1968年，Honzl用缩聚方法合成了苯基封端的聚苯胺齐聚物，同年Surville合成了聚苯胺半导体并提出可能的结构形式，而聚苯胺的结构正式为人所认同是在1984年，MacDiarmid提出了聚苯胺可相互转化的4种形式，并认为无论用化学氧化法还是电化学方法合成的导电聚苯胺均对应于理想模型。中科院长春应化所的王佛松等人通过分析聚苯胺的IR和喇曼光谱，确认了醌环的存在并证明了苯、醌环的比例为3：1，MacDiarmid等人据此修正之前的模型，概括出了聚苯胺结构。
聚苯胺掺杂产物的结构，主要由极化子晶格模型和四环苯醌变体模型进行解释。聚苯胺的主要掺杂点是亚胺氮原子。质子携带的正电荷经分子链内部的电荷转移，沿分子链产生周期性的分布。且苯二胺和醌二亚胺必须同时存在才能保证有效的质子酸掺杂。质子掺杂是聚苯胺由绝缘态转变为金属态的关键。本征态的聚苯胺（PAn）是绝缘体，质子酸掺杂或电氧化都可使聚苯胺电导率提高十几个数量级。掺杂态聚苯胺结构中x表示掺杂程度，由掺杂来决定；y表示氧化程度，由合成来决定；A表示质子酸中的阴离子，由掺杂剂决定。然而聚苯胺的掺杂过程与其他导电高分子的掺杂不同，通常导电高分子的掺杂总是伴随着其主链上电子的得失，而聚苯胺
在用质子酸掺杂时，电子数不发生变化。在掺杂过程中H+首先使亚胺上的氮原子质子化，这种质子化使得聚苯胺链上掺杂段的价带上出现了空穴，即P型掺杂，形成一种稳定离域形式的聚翠绿亚胺原子团。亚胺氮原子所带的正电荷通过共轭作用沿分子链分散到邻近的原子上，从而增加体系的稳定性。在外电场的作用下，通过共轭π电子的共振，使得空穴在整个链段上移动，显示出导电性。完全还原型（y=1）的全苯式结构（Leucoemeraldine base）和完全氧化型（y=0）的全醌式结构（Pernigraniline）都为绝缘体，无法通过质子酸掺杂变为导体，在0<y<1的苯-醌交替结构的任一状态都能通过质子酸掺杂，从绝缘体变为导体，称为中间氧化态（Emeraldine）。一般来说化学法合成的聚苯胺y=0.5，即聚苯胺链上醌式环与苯式环之比为1：3，电导率最大。
有人用量子化学算出了中间氧化态聚苯胺的结构。各个芳香环均偏离基准面，属于反式构型，是一个不完全的锯齿状线形结构。进一步研究证实，掺杂态聚苯胺具有与本征态聚苯胺类似的构型。 物质的电学性质取决于其能带结构，物质的能带是由各分子或原子轨道重叠而成，分为价带和导带。通常禁带宽度>10.0 eV时，电子很难激发到导带，物质在室温下显绝缘性；而当禁带宽度为1.0eV左右时，电子则可通过热、振动或光等方式激发到导带，成为半导体。导电高分子都有一个较长的P-电子共轭主链，因此又称为共轭高分子。P-电子共轭体系的成键和反键能带之间的能隙较小，约为1~3eV，接近于无机半导体中的导带的价带能隙。进行掺杂可使其电导率增加甚至十几个数量级，接近于金属电导率。掺杂来源于半导体化学，是指在纯净的无机半导体材料，如硅、锗或镓中，加入少量具有不同价态的第二种物质，以改变半导体材料中的空穴和自由电子的分布状态。导电高分子的掺杂不同于无机半导体的掺杂。无机半导体为原子的替代和镶嵌，而导电高分子的掺杂则常伴随着氧化还原过程。对于无机半导体，掺杂剂可以嵌入到其晶格中，而导电高分子经掺杂后主链会发生变形和位移，但掺杂离子不能嵌入主链中去，只能存在于高分子链与链之间。无机半导体掺杂后形成电子和空穴两种载流子；而对于导电高分子，广为接受的载流子形式有孤子（soliton）、极子（polaron）、双极子（bipolaron）等，这些载流子与高分子链上共轭P-电子紧密相关，而掺杂离子是作为对离子存在的。
从掺杂量上来看，导电高分子的掺杂量很大，可达一半以上，而无机半导体的掺杂量极低，仅为万分之几。另外，在导电聚合物中存在脱掺杂过程，掺杂/脱掺杂过程是可逆的，而无机半导体通常无法实现可逆的脱掺杂。聚苯胺的质子酸掺杂聚苯胺与质子酸反应，电导率大大提高，再与碱反应则又变为绝缘状态，即为质子酸掺杂和反掺杂。聚苯胺的掺杂机制同其它导电高分子的掺杂机制不同，那些高分子掺杂总是伴随着主链上电子的得失，而聚苯胺的质子酸掺杂没有改变主链上的电子数目，只是质子进入高分子主链上才使链带正电，为维持电中性，阴离子也进。半氧化型半还原型的本征态聚苯胺可进行质子酸掺杂，全氧化型聚苯胺可进行离子注入还原掺杂。全还原型聚苯胺只能进行碘掺杂和光助氧化掺杂。MacDiarmid提出当用质子酸进行掺杂时，亚胺基上的氮原子优先发生质子化，酸中的氢质子与氮原子结合形成价电子离域到大分子结构中形成共轭大P键，使聚苯胺的导电性能提高。
聚苯胺除了质子酸掺杂外，还可以进行光诱导掺杂、离子注入掺杂及电化学掺杂等。光诱导掺杂又称/光助氧化掺杂，是在特定波长的光照射下，使某物质释放质子作为聚苯胺的掺杂剂进行反应。研究表明，该掺杂是聚苯胺涂层在金属表面能发挥防腐作用的原因之一。有人通过紫外光加速VC-MAC（Vinylidene Chloride and Methyl Acrylate）释放质子完成了聚苯胺的光诱导掺杂。而使用离子注入掺杂将K+离子注入全氧化态聚苯胺中可以发生还原掺杂，离子注入区呈现n型半导体特性。当有40keVK+离子束注入后，聚苯胺薄膜的电导率随着剂量的增加而迅速增加。在电极表面发生的共轭高分子的掺杂为电化学掺杂。通过改变电极电位使涂覆在电极表面的聚合物膜与电极之间发生电荷转移，即可完成掺杂过程。电化学掺杂可以实现许多化学掺杂法无法实现的掺杂反应，也可以通过控制高分子与电极之间的电位差来改变掺杂程度，且掺杂与脱掺杂是一个完全可逆的过程，该过程中无需除去任何化学产物。 聚苯胺由于其链刚性和链间强相互作用，使它的可溶性极差，在大部分常用的有机溶剂中几乎不溶，仅部分溶于N,N-二甲基甲酰胺和N-甲基吡咯烷酮，这就给表征带来一定的困难，并且极大地限制了聚苯胺的应用。通过结构修饰（衍生物、接枝、共聚）、掺杂诱导、聚合、复合和制备胶体颗粒等方法获得可溶性或水溶性的导电聚苯胺。如在聚苯胺分子链上引入磺酸基团可得到水溶性导电高分子。
不过聚苯胺溶液即使在很低的浓度（<5%）下也有较强的凝胶化倾向，在纺丝溶液所需要的高浓度（>20%）下，凝胶化倾向变得更加明显。以NMP为溶剂溶解高分子质量的聚苯胺，并加入二甲基氮丙啶作为凝胶抑制剂,可获得稳定溶液,这是因为二甲基氮丙啶破坏了分子链间的氢键,阻碍了凝胶作用。但这种溶剂价格昂贵，实用性前景不佳。 聚苯胺的导电性受pH值和温度影响较大，当pH>4时，电导率与pH无关，呈绝缘体性质；当2<pH<4时，电导率随溶液pH值的降低而迅速增加，其表现为半导体特性；当pH<2时，呈金属特性，此时掺杂百分率已超过40%，掺杂产物已具有较好的导电性；此后，pH值再减小时，掺杂百分率及电导率变化幅度不大。研究表明，即使用12.0mol/L的盐酸，掺杂百分率也只有46.7%，即分子链中平均每两个氮原子只有不到一个被质子化。
电导率与温度在一定温度范围可认为随着温度的升高其电导率增大。在一定pH值下，随电位升高，电导率逐渐增大，随后达到一个平台。但电位继续升高时，电导率却急剧下降，最后呈现绝缘体行为。扫描电位的变化反映在聚苯胺的结构上，说明聚苯胺表现的状态中，最高氧化态和最低还原态均为绝缘状态，而只有中间的半氧化态呈导电性。
另外，电导率较高的样品温度依赖性较弱，而电导率较低的样品温度依赖性较强。聚苯胺的电导性不仅与主链结构有关，而且与取代基及取代位置有关。苯环上取代的聚苯胺由于取代基增大了苯环间的平面扭曲角，使主链上的P电子定域性增强，致使高分子的电导率降低。而在胺基氮原子上取代的苯胺衍生物电导率和其烷基取代基的长短有关，即取代基越长，产物的分子量越低，在有机溶剂中的溶解度越大，但电导率随之下降。芳香基取代的聚苯胺的电导率高于烷基衍生物的电导率。有人还尝试碳纳米管掺杂聚苯胺，结果表明碳纳米管的掺入可以有效地提高聚苯胺材料的电性能，但对光性能有着相反的影响。 聚苯胺分子主链上含有大量的共轭P电子，当受强光照射时，聚苯胺价带中的电子将受激发至导带，出现附加的电子-空穴对，即本征光电导，同时激发带中的杂质能级上的电子或空穴而改变其电导率，具有显著的光电转换效应。而且在不同的光源照射下响应非常复杂且非常迅速。在激光作用下，聚苯胺表现出高非线性光学特性，可用于信息存贮、调频、光开关和光计算机等技术上。
三阶非线性光学效应主要来自载流子自定域而形成的激子传输，并且主要依赖于掺杂度、聚合条件以及主链的构相和取向、共轭长度、取代基种类等，不同的氧化态和掺杂度的聚苯胺具有不同的三阶非线性光学系数。 聚苯胺的表征手段有电导率测量、TG-DTA、XRD、FTIR、UV-vis、XPS、TEM和SEM等。其中，TG-DTA测定复合前后的热稳定性变化，XRD测定复合前后的晶型变化，FTIR测定复合前后的官能团变化，UV-vis可表征NCs结构及PAn掺杂状态的变化，XPS结合能可表征NCs中各元素化学态的变化和掺杂剂对N结合能的影响，TEM和SEM直观显示出NCs的形貌；而根据聚苯胺的特殊功能，又有特殊的表征手段，如通过电化学阻抗谱和阳极极化曲线表征防腐蚀性能，通过循环伏安法表征电极性能，通过磁化系数、电子顺磁共振技术、比饱和磁化强度、SQUID表征磁性能等。各表征手段中，以TEM和SEM的形貌表征最为直观。
聚苯胺紫外光谱图册参考资料。
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