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　　开云(中国)Kaiyun官方网站导电塑胶市场及应用doc２００８年全国塑料着色与色母粒学术交流会论文集 导电塑胶市场及应用 张苑 （大连耐普特种塑胶有限公司，辽宁１１６０００） 塑料是２０世纪的重大发明之一。在人们的印象中，塑料是不导电的，普通电缆就常使用塑料作为导线外面的绝缘层。但是，三位科学家却在１９７７年首次发现这种聚合物也能导电，而他们亦因此获得２０００年诺贝尔化学奖。经过了一段时间的沉寂，受惠于大笔研究经费，该领域的研究在最近十多年里发展迅猛，多项技术即将进入应用阶段。 随着实验方法的不断改进和实验手段的不断提高。现在已经可以制作出非常完美的有机聚合物。其性能也大大改善，电子迁移率提高了五六个数量级，并已在有机聚合物中实现了有机电致激光。 由于导电塑料首先是塑料，所以它具有塑料的拉伸、弹性和柔韧性等，而且可以做得很细，所以在微电子领域具有重大的用途。目前计算机一类的自动化设备的集成电路越来越密集，而且不断微型化，这就是要求导线也微型化，导电塑料的出现满足了这一要求。目前，导电塑料已经批量生产，在微电子工业中广泛应用。据专家预测，未来机器人的内部线路将完全由导电塑料做成。 这一系列重大的进展表明，又一个科技新时代——塑料电子学时代即将到来。科学家认为，塑料是高分子聚合物，分子中有很多个碳原子、氢原子，“手拉手”地连接成长链。碳原子有相互“拉”着一个或几个电子的能力。拉几个电子的碳原子，控制电子的能力相对较弱，容易被掺杂物夺走电子，而留下空位。这好比挤满汽车的停车场，一旦有一辆车从出口离开车场，另一辆车就能进入一样。当外界施加一定的电压后，聚合物分子中空位附近的电子就会进入空位，并造成新空位，这样交替持续就造成电流流动。通常情况下，塑料由许多排列无序的大分子组成，通电后，当电流增大时，塑料内部会形成凌乱的网状物，并马上停止导电。然而，科学家却发现，某些结构的塑料却具有半导体特性，也能传输电流。后来，科学家们又进一步发现，通过在塑料内渗入某些物质，可以改变其物理化学特性，使其具有较好的导电性能。这些发现为导电塑料日后取代硅晶体成为新一代半导体材料奠定了基础。１．应用领域 最初获得应用的导电塑料产品是塑料电池。美国布里奇斯通和日本精工埃普森公司合资生产了一种电池，它的一个电极是金属锂，另一个电极是聚苯胺导电塑料。它的尺寸与硬币相仿，可以多次重复充电。作为计算机的辅助电源，具有很长的工作寿命。德国生产的薄型挠性电池，仅明信片大，适合用作手提式工具的电源。 在改进的塑料电池中，阴极和阳极是由相同的导电塑料薄膜组成，由电解质而不是电极来提供运动的正离子，因此经过多次充电和放电，电极材料依然完好如初。充电次数可达１０００次以上。塑料电池体积小、重量轻，可以提供常规铅蓄电池ｌＯ倍的电力，而且每次充电时间也缩短了。 用导电塑料制造的塑料电池，工作原理很像海绵吸水，放电时，电极排斥电子；充电时，电极又·１２８· 导电塑胶市场及应用吸附电子。这样循环往复，电极不会与“溶液”发生任何化学反应而溶解。因此充放电时间快，寿命长。用它做汽车动力，可大大提高速度和爬坡性能：把它编织在衣服衬里，能产生热能防寒代替羽绒服；用它做成房间墙板，能自动调节室温；甚至还可用它带动电子计算机。 此后，各国不断致力于导电塑料应用领域的开发，并在很多方面获得成功。如：１．１塑料ＲＦＩＤ标签 在超市采购结束后，你无需去排队等待收银员一一读取各个商品的条形码，直接推着满满一车货物走过检测器，大约不到一分钟，货品的总额就显示出来了——这是无线射频识别标识技术（ＲＦＩＤ）为我们勾画出的美妙场景。 这种非接触式自动识别技术的便利之处在此毋庸赘言，ＲＦＩＤ商品标签被认为将是今后全球商品交易及物流中采用最广的技术之一。但ＲＦＩＤ标签的成本问题却可能成为制约这一技术普及的瓶颈。有资料显示，ＲＦＩＤ标签目前的成本大约每枚Ｏ．２美元，这一价格也许对于汽车、电视等贵重商品来说无关紧要，可是对超市中的众多低价商品来说就变得难以承受了。 美国的３Ｍ公司正在致力于解决这个问题，科学家要用一种便宜的导电塑料来替代传统的硅晶体材料，这种材料名叫并五苯（Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ）。根据该公司最近公布的消息，利用并五苯作为芯片半导体材料的标签已经可以被几厘米外的读取装置识别，如果这种技术在未来得到进一步完善，ＲＦＩＤ标签就会像条形码一样被印在洗发水包装、罐头盒外面。 ２００３年１１月５日，零售业巨头沃尔玛百货公司正式宣布，在２００５年底，所有供应沃尔玛百货的商品包装箱上，都要有应用ＲＦＩＤ技术的电子商品条形码。塑料ＲＦＩＤ标签的研制使这一目标的实现成为可能。ＲＦＩＤ的应用范围也就是塑料ＲＦＩＤ标签将来潜在的市场，包括门禁管制、货物管理、资产回收、物料处理、废物处理、医疗应用、交通运输、防盗应用、自动控制、联合票证等许多领域。１．２有机材料显示器 在显示器市场上，导电塑料大显神威。长期以来，显示器市场一直期待着一种通电后可以发光的导电塑料，这项科研成果今后会有相当广阔的市场。日本先锋公司的有关科研成果，虽然并未直接利用导电塑料，但是根据导电塑料的原理，于１９９７年开发出一种新型显示器，并且开始应用到汽车音响中。以往汽车的表盘，其本身并不发光，而是利用后面照射光线来显示画面。先锋的这种显示器，明显改善了画面的切换速度，与液晶相比，速度提高了近１０００倍，因此非常清晰。日本科学家还研制出包含有几百个有机计算机芯片的柔软的导电塑料，采用这种导电塑料制造出了新颖的平板显示器和电子标签。导电塑料制造的显示屏可以用于移动电话手机、太阳能电池和微型电视等。 实际上，以并五苯为代表的导电塑料应用前景非常广泛。自从１９８０年代中期研发出有机晶体管ｆｏｒｇａｎｉｃｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）后，由于其相较于一般玻璃和半导体，具有成本低、重量轻、能变形的优点，不少研究机构开始尝试以有机晶体管为材料制造塑料平面显示器。但在过去的十多年里，较低的电子迁移率、高工作电压以及令人失望的处理速度一直是阻碍有机薄膜晶体管（ＯＴＦＴ）显示器研发的主要难题。 这种情况在最近几年中发生了改变，ＩＢＭ的研究人员通过改变有机晶体管中掺杂的绝缘材料，把塑料平面显示器的工作电压降低到了目前已批量生产的非晶硅晶体管液晶显示器的水平，有机材料?牡缱忧ㄒ坡室驳玫搅舜蠓岣摺Ｕ庀钛芯客黄屏擞谢半导体的研发瓶颈，而目前具有最高迁移率的有 ·１２９· ２００８年全国塑料着色与色母粒学术交流会论文集机半导体材料就是并五苯。 在美国西雅图举行的“ＳＩＤ２００４”展示会上，荷兰菲利浦电子公司展示了分别利用美国Ｅ．Ｉｎｋ公司的微胶囊型电泳显示屏，及利用美国ＳｉＰｉｘ公司的ＭｉｃｒｏＣｕｐ型电泳显示器研制的两种卷轴型电子纸。这两种电子纸屏幕尺寸均为５英寸，屏幕解析度为３２０ｘ２４０像素。卷轴型电子纸样品由ＯＴＦＴ所在的塑料底板与电泳显示屏构成，可以一层一层卷成半径２ｃｍ以下的圆筒。而索尼公司今年初推出的电子书籍就使用了Ｅ．Ｉｎｋ公司两年前开发的电子纸技术。此外，日本普利斯通公司和九州大学也在会上宣布开发出了以并五苯膜为基础的电子纸，虽然其无源数组式（ＰＭ）驱动面板尺寸仅３．１英寸，屏幕解析度也只有１６０ｘ１６０像素，但０．２ｍｓ的响应时间为今后电子纸显示动态图像创造了条件。 未来，把显示器像报纸一样卷起来放进背包将成为时尚，人们可以随时打开它来收看电视节目或者连入因特网，随着有机材料显示技术的不断发展，柔性视频显示器将越来越受到人们的青睐。１．３电子人工皮肤 导电塑料的又一个奇特应用是在机器人领域。研究人员将并五苯有机晶体管阵列植入感压橡胶下，使它摇身一变，成了对压力敏感的机器人的“皮肤”。 在日本东京大学生产技术研究所的试验中，科学家首先制作出约１０ｃｍ见方的一个塑料薄膜底板，其上有１０００个左右的开关用有机晶体管组成有机晶体管阵列，再在晶体管上涂上一层具有感觉作用的感压橡胶，并将晶体管相互连接起来，产生出一块有１０００个痛点的人造皮肤。这时，安装在晶体管阵列周围的会不断逐个扫描有机晶体管，读取其电阻值。在感压橡胶没有受到压力时，晶体管电阻较高，当人造皮肤的某部位受到压力时，受压部分的电阻就会降低。由于将１０００个有机晶体管全部扫描一遍耗时约１秒，所以如果施加压力的时间超过１秒，人工皮肤就一定会感受到。此外，试验中的等外部电路也是利用有机晶体管实现的。 引人注目的是，导电塑料不仅可以用来制造电子人工皮肤，用它制造出来的人造肌肉也可以通过电化学方法进行控制，使之膨胀和收缩。利用这种技术工艺，科学家能制造出非常类似人类的机器人的肢体，机器人也将不再只能生硬地完成程序指令，而是可以更加灵活地做出各种复杂的动作，这是机器人制造技术的一项重大突破。 在机器人的制造上，导电塑料潜力巨大。采用装有塑料芯片的微电脑控制的机器人，比采用硅芯片的机器人更灵活，更容易操纵，采用导电塑料制造出来的机器人的肌肉富有弹性，用电化学方法控制这种人造肌肉，可以使之膨胀和收缩，这种几乎能够以假乱真的肌肉适合于制造机器人的四肢，它能够按机器人电脑的指挥做出各种动作，这是机器人制造技术的一项重大突破。１．４塑料太阳能电池 我们可以在卫星和宇宙飞船上看到巨大的太阳能电池板，但生活中遇到的太阳能电池却往往局限于计算器、手表等小型电子设备。由于传统的硅太阳能电池成本太高，制造复杂，太阳能电池的大规模商业应用一直无法实现，不过塑料太阳能电池的出现将在不久的将来改变这一现象。塑料薄膜的导电性能使其在制造薄型轻质电池、高分子聚合物电池方面有着极其广阔的应用前景。这种能够在多种材质表面“印制”的太阳能电池因具有成本低廉、制造容易、重量轻和易弯曲的特点而成为目前研究的热点。·１３０· 导电塑胶市场及应用 德国西门子公司的研究人员将导电塑料与巴基球（碳．６０分子）结合制成了新型电池。导电塑料吸收光子，释放出电子然后被巴基球吸引，并被输送到一电极。在这里，?∧て鸬搅颂裟艿绯氐淖饔谩＞莩普庵值绯氐淖恍试冢玻埃埃蹦暌丫锏搅耍保埃ィィ?而美国贝尔实验室的科学家则利用并五苯来取代太阳能电池中的硅。这种电池的最佳光电转换效率达到了４．５％％． 美国加州大学伯克利分校的科学家也在２００２年报告了他们研制的塑料太阳能电池。整个电池就像一块三明治，两侧的电极间夹着几百纳米厚的特殊塑料Ｐ３ＨＴ，塑料中的硒化镉（ＣｄＳｅ）纳米棒在受到特定波长的光照射之后就能产生电子和空穴，从而产生了电势差。当时这种电池能把１．９％％的太阳能转化成电能。 这些数字也许听起来还不是很让人满意，但要知道，目前普通的硅太阳能电池板的光电转换率也只有１０％。可以想象，虽然转换效率不高，但如果能将这种便宜的电池“刷”在每栋建筑物外面，产生的能源也相当可观。再理想一些，如果这种导电塑料能像普通涂料一样色彩丰富，我们还可以把太阳能电池穿在身上，那样随身携带的电子设备的供电问题也许也将得到解决。 在太阳能的开发上，塑料太阳能电池呼之欲出。奥地利科学家利用聚苯乙烯等制造塑料太阳能电池取得进展，成功地使其效率提高到约３％，而且有望解决太阳能电池成本过高的问题。制造塑料太阳能电池正是需要具有半导体性能的塑料，奥地利科学家在研究中使用了聚苯乙烯这样的碳氢化合物和由纯碳组成的富勒式结构，将它们混合后加工成极薄的膜，然后在膜层上下两面蒸发涂上铟锡氧化物或铝这样的贵重金属作为电极。由于聚苯乙烯受到光照时会释放出电子，而富勒式结构则会吸收电子，如果将灯泡接在这两个电极上，电子开始流动就会使灯泡发光。传统的硅太阳能电池不仅价格昂贵，而且生产过程中消耗大量能源，因此成本昂贵，无法成为替代矿物燃料的能源，而塑料电池最大的特点就是生产成本低、耗能少。一旦技术成熟，可以在流水线上批量生产，使用范围也很广。 将来，最有希望的太阳能装置是导电塑料和纳米材料的混合产品，科学家希望这两种材料的混合溶液能以类似于喷墨打印的方式，印刷在物体表面上，从而实现大批量生产。１．５塑料芯片 导电塑料的发现者开云(中国)Kaiyun官方网站、美国物理学家马克迪尔米德教授领导的研究小组利用普通塑料研制出了纳米电子线路。这种纳米电子线路成本非常低廉，一块纳米电子线路板的成本仅为ｌ美分，是硅芯片价格的１％ｏ／ｏ，－－１０％％．现在，他们正在研制直径仅为１００纳米的纳米材料—一聚苯胺纤维，直径仅有头发丝的１／５００．如果能将纳米导电纤维与纳米电子电路结合起来，就可以把计算机做得非常小。 在纳米技术的开发上，导电塑料可能是最佳材料。目前，导电塑料的发明人之一、美国物理学家马克迪尔米德教授正在着手研究导电塑料与纳米技术的结合运用。即将传统的导电材料与导电纤维静电编织起来，制造出纳米级纤维和纳米电子线路。众所周知，人的头发直径是５万纳米，而马克迪尔米德教授领导的研究小组正在研制的纳米材料聚苯胺纤维的直径仅为１００纳米，这是目前世界上最细的纤维，仅有头发丝直径的１／５００。如果将纳米导电纤维与纳米电子电路结合起来，可以把计算机做得非常小。该研究小组已成功地利用普通塑料研制出纳米电子线路，并申请了专利，同时在宾夕法尼亚州立大学成立了导电塑料开发公司，他们开发的纳米电子线路成本非常低，一块纳米电子线年全国塑料着色与色母粒学术交流会论文集本仅为１美分。 目前，ＩＢＭ、三菱、日立、朗讯、施乐、菲利浦等多家ＩＴ业巨头已经或正在组建研究塑料芯片的专门机构，他们已经研制出集成了几百只电子元器件的塑料芯片样品，探索出能够批量生产的集成度较低的塑料芯片。尽管与奔腾或ＡＭＤ公司硅芯片数ＧＨｚ的速度相比，目前塑料芯片不到１ＭＨｚ的速度显得有些微不足道，但随着技术难题的解决，塑料芯片的市场前景非常广阔，不仅在电子工业与计算机工业领域，而且在环境保护、医学卫生、能源利?谩⑻仗剿鞯雀鞲隽煊蚨加凶啪薮蟮氖谐∏绷ΑＫ孀啪拮实耐度耄啥雀叩乃芰闲酒叫鱿郑徊讲较蛱娲栊酒哪勘曷踅?塑料芯片带来的还将使信息技术以前所未有的程度更加贴近人们的日常生活。将来开云(中国)Kaiyun官方网站，你只需要一套类似打印机的设备，就能够在家里制造电脑芯片，你甚至还可以从互联网上下载电路设计图，根据自己的需要进行修改后生产出为你量身定做个性化的芯片。 半导体技术的日新月异使传统的半导体芯片制造商正面临着前所未有的挑战。不论是芯片技术还是芯片制造市场，都在酝酿着变革。不仅传统的芯片制造商将受到威胁，芯片生产设备制造商的日子也不会好过。而塑料制造与化学公司如道化学公司和杜邦公司，打印机厂商如佳能、惠普和爱普生公司，都将从中大大获益，当然，获益最大的还是广大消费者。 尽管目前导电塑料的性能还不尽如人意，尽管目前相关产品易受环境影响，寿命较短，但简单的制作方式以及低廉的生产成本使它必将大量地进入人们的日常生活之中。除了以上介绍的几个领域之外，导电塑料还将带来各种廉价的或一次性的电子产品进入市场，它甚至会创造出一个新兴的产品应用市场，这也许就是塑料时代的来临。 在微芯片的开发上，塑料芯片有可能取代硅芯片。据预测，到２００４年，全球塑料芯片行业的平均销售额将达到１００亿美元，塑料芯片将成为未来极有发展潜力的新一代芯片。目前，已有多家ＩＴ业巨头宣布成立塑料芯片的专门研究机构，例如ＩＢＭ、三菱、日立、朗讯、‘施乐、飞利浦和Ｈｏｅｃｈｅｔ公司等。他们已经研制出集成了几百只电子元器件的塑料芯片样品，探索出能够批量生产的集成度较低的塑料芯片。与硅芯片相比，塑料芯片价格则非常低廉，仅为硅芯片的１％１０％，极具市场竞争力，它将首先在条条形码扫描仪和付款机中使用。１．６便携电源 在便携电源开发上，导电塑料用途广阔。越来越追求轻薄小巧的移动电话市场，使传统的镍和铅等重金属电池也正面临被淘汰的境地。去年索尼公司新上市的可录放ＭＤ播放器，就已采用了白川教授开发的导电塑料电池，实现了首例商业应用。而美国新推出的一款导电塑料电池采用被称为聚苯胺的导电塑料制造一个电极，另外一个电极是锂。该导电塑料电池仅有一枚硬币大小，可以重复充电。德国厂商也用导电塑料制造出仅有普通明信片一般大小的薄型挠性导电塑料电池，可提供便携式工具的电源。与容易造成污染的重金属相比，使用导电塑料做的电池更有利于保护环境。１．７超导技术领域 在超导技术领域，超导塑料闪亮登场。由于碳分子聚合物的结构不利于电子的运动，科学家一直没能研制出以它为基础的超导体。 在电磁防护品市场，导电塑料显示出巨大优越性。传统的电磁屏蔽材料多采用铜材，但导电塑料·１３２· 导电塑胶市场及应用的防静电特性赋予了它同样的性能，而且制造成本要低得多，消耗资源少，应用方便。因此，它是一种非常理想的电磁屏蔽材料替代品。可以应用于计算机房、电视机、电脑和心脏起搏器上。１．８电磁屏蔽 导电塑料具有防静电的特性，因此可以用於电磁屏蔽，而且其成本低，是非常理想的电磁屏蔽材料替代品，可以应用在计算机房、手机、电视机、电脑和心脏起博器上。从２０世纪８０年代起，美、德、日等国先后制定了有关限制电磁干扰／射频干扰ＥＭＩ／ＲＦＩ公害的规定，规定厂家生产的各种电子电气设备必须有电磁屏蔽设施，这使得导电高分子材料的研究和开发工作空前活跃，市场需求量也徒然增大。１．９蓄电功能的开发 在蓄电功能的开发上，导电塑料将替代电解电容器。１９９０年，松下通信公司的高级工程师藤康夫等人，利用导电塑料代替在电路中惯用的具有蓄电功能的电解电容器，成功地使电路的电阻降低到万分之一以下，同时解决了传统电解电容器中液体成分难以处理的问题。电阻小就可以节电，也可以适应电信号的迅速变化，为此，在实现个人电脑小型化和高速化方面，导电???料的需求正在扩大。１．１０生命科学领域 在生命科学领域，导电塑料可制成智能材料开云(中国)Kaiyun官方网站。最新研究表明，ＤＮＡ也可以具有导电性，因此，把导电塑料与生命科学结合起来，可以制造出人造肌肉和人造神经，以促进的ＤＮＡ生长或修饰ＤＮＡ，这将是导电塑料在应用上最重要的一个趋势。２．未来前景 近年来，计算机及计算机通讯网络几乎进入了每一个领域，

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