Độ dẫn điện của Polymer và các yếu tố ảnh hưởng

3. Độ dẫn điện của Polymer và các yếu tố ảnh hưởng:
3.2. Các yếu tố ảnh hưởng

•Nhiệt độ: Ảnh hưởng đến độ linh động, tính nhớt của môi
trường Polymer

•Phụ thuộc vào cấp số:

χ = A.e

− ∆U
RT

A là hệ số ít phụ thuộc vào nhiệt độ
So sánh độ dẫn điện của polymer dẫn với kim

∆U là năng lượng hoạt hóa, là năng lượng cần thiết để chuyển

loại

ion từ trạng thái này sang trạng thái khác

9/22/16

1


4. Độ thẩm điện môi và tổn thất điện môi của Polymer:

•

Độ thẩm điện môi έ của chất xác định bằng dung lượng của tụ điện chứa đầy điện môi với dung lượng của
tụ điện trong chân không

•

Nếu polymer có chứa các nhóm phân cực đặt trong trường điện thì ở một tỷ lệ xác định của thời gian hồi
phục và tần số trường, sẽ quan sát được sự định hướng của các Segmen và các đơn vị động học gây ra một
giá trị xác định của độ thẩm điện môi và độ tổn thất điện môi.

•

Liên quan đến quá trình phân cực → hình thành Momen điện trong đơn vị thể tích của điện môi trong
trường điện( Momen điện của đơn vị thể tích bằng tổng hình học của Momen lưỡng cực trong thể tích) Giá
trị tần số của độ thẩm điện môi ε∞ của tất cả các polymer là 2,2 - 2,5

9/22/16

2


4. Độ thẩm điện môi và tổn thất điện môi của Polymer:

•

Độ tổn thất điện môi là phần năng lượng của trường điện mất đi trong điện môi dưới dạng nhiệt.

χ .E 2
W=
8π
Tổn thất điện môi hay nhiệt W

χ là độ dẫn điện riêng của điện môi.
E là ứng suất của trường

9/22/16

3


4. Độ thẩm điện môi và tổn thất điện môi của Polymer:

•
1.

Sự tổn thất điện môi của polymer bao gồm 2 loại:
Tổn thất lưỡng cực đàn hồi, liên quan tới sự quay của nhóm mắt xích trong trường điện.
Phụ thuộc vào cấu trúc hóa học của polyme, lực tương tác nội và giữa các phân tử, cũng
như độ linh động của mắt xích và thời gian hồi phục

2.

Tổn thất lưỡng cực – gốc, gây ra bởi sự chuyển động của các nhóm thế phân cực (gốc
phân cưc)

9/22/16

4


4. Độ thẩm điện môi và tổn thất điện môi của Polymer:

•
1.
2.

Sự tổn thất điện môi phụ thuộc vào:
Tính điều hòa phân tử, độ kết tinh của Polymer
Độ linh động của phân tử, sự định hướng của mạch polymer và bó, sự khâu mạch, tác
dụng của chất hấp phụ thấp phân tử như chất hóa dẻo….

9/22/16

5


5. Tính chất điện của polyme có hệ liên hợp:

•
•
•

4.1Điều kiện cần về cấu trúc của polymer dẫn điện:
Polymer có nối carbon liên hợp, là sự nối tiếp của nối đơn C – C và nối đôi C = C
Có hệ thống điện tử π liên hợp

-CH

C-

n

-C C-

-C C-

n

n

R
Polyvinylen

Polyaxetylen

n

plyarylen

Polyarylenpolyaxetylen
Cl

•Polyme phối trí của mạch liên hợp với nguyên tử kim

O
NH

NH

N C
C N
N

C
C

Cl

O

loại hoặc dạng phức chelat

N Me N

Polyaminoquinon

Fe

Fe

C
C
N
N C
C N
Fe

Polyferoxen

9/22/16

-C C-

polyphtaloxyanin dong
6


5. Tính chất điện của polyme có hệ liên hợp:

•

Năng lượng kích thích electron π và chuyển vùng không lớn và giảm khi chiều dài mạch liên hợp tăng:

h2 N +1
∆W =
.
8m.l 2 N 2

Với h- hằng số Planck, m và n – khối lượng và số electron, l- chiều dài một mắcxích của mạch
Dòng điện được chuyển từ phân tử này sang phân khác nhờ những bước nhảy hoạt hóa với xác suất tăng khi tăng
nhiệt độ.
Cấu trúc polyme càng trật tự, tính liên tục của sự liên hợp ít bị phá hủy, các bước nhảy xảy ra dễ dàng hơn và độ dẫn
điện cao hơn.

9/22/16

7


9/22/16

8

TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA POLYMER

•
•
•
•
•
•
•

9/22/16

1. Tổng quan về tính chất điện của Polymer.
2. Các loại polymer dẫn điện.
3. Độ dẫn điện của Polymer và các yếu tố ảnh hưởng.
4. Độ thẩm điện môi và tổn thất điện môi của Polymer.
5. Tính chất điện của polyme có hệ liên hợp.
6. Mômen lưỡng cực của phân tử Polymer.
7. Ứng dụng của polymer dẫn điện.

Tiểu luận Hóa lý Polymer

9


1. Tổng quan về tính chất điện của Polymer.
Polymer có dạng …MMMMMMM….
Khi thêm vào Polymer 1 chất có thể nhận điện tử tạo nên ion dương hoặc âm (dopant) các chất này có tính
thuận nghịch tạo nên quá trình doping/dedoping (oxit hóa/khử)

…MMMMMMM…., và dopant A đưa đến chuyển hoán dẫnđiện/cáchđiện
......MMMMMMMMMMM..... + A (dạng 1)
doping
↕
dedoping
...MMM+A-MMMM+A-MMMM+A-MMM.... (dạng 2)

9/22/16

Tiểu luận Hóa lý Polymer

10


1. Tổng quan về tính chất điện của Polymer.

•

Ví dụ:Quá trình tiếp xúc giữa PA và iodine

Kết hợp giữa PA và iodine. anion I-3 gây ra điện tích dương trên 5 đơn vị (CH).

•
•
•
•

9/22/16

Iốt nhận 1 trong 2 điện tử của nối π → anion (I3)- → 1 "lỗ trống" mang điện tích dương (+)

1 điện tử π còn lại (.) + Lỗ trống → polaron
Một cặp polaron (+ +) là bipolaron
Polaron và bipolaron là hạt tải điện cho sự truyền điện trong polymer dẫn điện.

Tiểu luận Hóa lý Polymer

11


2. Các loại Polymer dẫn điện.

2.1 Polymer dẫn điện do phụ gia:
Chất phụ gia có độ dẫn điện lớn, như bột kim loại, bồ hóng hay Grafit…
Tuy nhiên, tính dẫn điện có được không xuất phát từ bản chất của vật liệu polymer mà từ các phụ gia
thêm vào → Không được ứng dụng nhiều

9/22/16

Tiểu luận Hóa lý Polymer

12


2. Các loại Polymer dẫn điện.

2.2 Polymer dẫn điện do quá trình “doping” :
Hai phương pháp để đưa các điện tích vào Polymer:

• Lấy đi các điện tử từ nó (quá trình oxy hóa hay còn gọi là “doping” loại p)
• Đưa các điện tử vào nó (quá trình khử hay “doping” loại n)

9/22/16

Tiểu luận Hóa lý Polymer

13


2. Các loại Polymer dẫn điện.

Quá trình “doping” loại p

• Lấy 1 điện tử từ polythiophene (1a) →1 điện tích linh động
trên gốc cation (1b) → polaron

•Oxy hóa sâu hơn có thể chuyển polaron thành bipolaron
(1C) hoặc một cặp polaron như (1d)

•Đưa vào mạch polymer một điện đích dương đồng thời với
việc đưa vào một ion đối mang điện tích trái dấu.

9/22/16

Tiểu luận Hóa lý Polymer

14


2. Các loại Polymer dẫn điện.

Quá trình “acid doping”
Cấu trúc dạng leucoameraldine (2a) có thể bị oxy hóa thành
dạng emaraldine (2b) mà không có sự tham gia của các ion đối
X-. Tuy nhiên, dạng ameraldine (2b) chỉ trở nên dẫn điện khi nó
được xử lí bằng axít mạnh HX, cấu trúc (2c) và (2d) là hai cấu
trúc cộng hưởng.

9/22/16

Tiểu luận Hóa lý Polymer

15


2. Các loại Polymer dẫn điện.

→Trong 2 phương pháp trên, việc tạo ra các điện tích trên mạch polymer luôn gắn
liền với việc đưa vào các ion đối. Tuy nhiên, cơ chế dẫn điện của các loại polymer
loại này không phải do các ion đối tạo ra, mà do sự phân bố điện tích một cách
tương đối qua toàn mạch polymer.

9/22/16

Tiểu luận Hóa lý Polymer

16


2. Các loại Polymer dẫn điện.

•Dopant A nhận một điện tử từ polymer, một lỗ trống (+)
xuất hiện

•Khi một dòng điện được áp đặt vào polymer, điện tử π của
nguyên tố C bên cạnh nhảy vào lỗ trống nầy và cứ tiếp diễn
→lỗ trống (+) được liên tục di động dọc theo mạch polymer

•Sự di động của lỗ trống xác nhận polaron/bipolaron là một
thực thể tải điện và là nguyên nhân của sự dẫn điện

Sự chuyển động của điện tử π (l) và lỗ trống (+). Một điện tử chiếm
cứ một vân đạo pz.

9/22/16

Tiểu luận Hóa lý Polymer

17


3. Độ dẫn điện của Polymer và các yếu tố ảnh hưởng:

3.1 . Độ dẫn điện của Polymer

•Độ dẫn điện riêng của Polymer được xác định bằng các ion tự do không liên kết hóa học với Polymer
•Các nguồn sinh ra ion ở dạng tự do hoặc ở dạng liên kết yếu: những chất hấp phụ thấp phân tử, như
Axit kiềm, muối, nước, các gốc nhũ tương hóa, xúc tác, Monomer

•Độ dẫn điện s của Polymer còn được biểu diễn bằng công thức:
s=nme

n là nồng độ của hạt tải điện
m là độ di động
e là điện lượng của điện tử (1,602 x 10-19 C).

9/22/16

Tiểu luận Hóa lý Polymer

18


3. Độ dẫn điện của Polymer và các yếu tố ảnh hưởng:
3.2. Các yếu tố ảnh hưởng

•
•

Nồng độ của phần tử tải điện
Sự di động của điện tử trong mạch polymer,
giữa những mạch polymer và giữa những mảng do
nhiều polymer tạo nên

→ Polymer dẫn điện có mạch phân tử cùng hướng về
một chiều để làm tăng sự di dộng của điện tử

•Sự di động của điện tử trong mạch polymer (mũi tên A)
•Giữa những mạch polymer (mũi tên B)
•Giữa những mảng do nhiều polymer tạo nên (mũi tên C).

9/22/16

Tiểu luận Hóa lý Polymer

19


3. Độ dẫn điện của Polymer và các yếu tố ảnh hưởng:

•

Đo được độ dẫn điện riêng của Polymer, có thể xác định được động học của phản ứng
không gian ba chiều, nghiên cứu tương tác của Polymer với dung môi. Xác định khối lượng
phân tử của Polymer, hiểu được những thay đổi tính chất hóa học và vật lý khi xử lý nhiệt.

9/22/16

Tiểu luận Hóa lý Polymer

20


3. Độ dẫn điện của Polymer và các yếu tố ảnh hưởng:
3.2. Các yếu tố ảnh hưởng

•Nhiệt độ: Ảnh hưởng đến độ linh động, tính nhớt của môi
trường Polymer

•Phụ thuộc vào cấp số:

χ = A.e

− ∆U
RT

A là hệ số ít phụ thuộc vào nhiệt độ
So sánh độ dẫn điện của polymer dẫn với kim

∆U là năng lượng hoạt hóa, là năng lượng cần thiết để chuyển

loại

ion từ trạng thái này sang trạng thái khác

9/22/16

Tiểu luận Hóa lý Polymer

21


4. Độ thẩm điện môi và tổn thất điện môi của Polymer:

•

Độ thẩm điện môi έ của chất xác định bằng dung lượng của tụ điện chứa đầy điện môi với dung lượng của
tụ điện trong chân không

•

Nếu polymer có chứa các nhóm phân cực đặt trong trường điện thì ở một tỷ lệ xác định của thời gian hồi

phục và tần số trường, sẽ quan sát được sự định hướng của các Segmen và các đơn vị động học gây ra một
giá trị xác định của độ thẩm điện môi và độ tổn thất điện môi.

•

Liên quan đến quá trình phân cực → hình thành Momen điện trong đơn vị thể tích của điện môi trong
trường điện( Momen điện của đơn vị thể tích bằng tổng hình học của Momen lưỡng cực trong thể tích) Giá
trị tần số của độ thẩm điện môi ε∞ của tất cả các polymer là 2,2 - 2,5

9/22/16

Tiểu luận Hóa lý Polymer

22


4. Độ thẩm điện môi và tổn thất điện môi của Polymer:

•

Độ tổn thất điện môi là phần năng lượng của trường điện mất đi trong điện môi dưới dạng nhiệt.

χ .E 2
W=
8π
Tổn thất điện môi hay nhiệt W
χ là độ dẫn điện riêng của điện môi.
E là ứng suất của trường

9/22/16

Tiểu luận Hóa lý Polymer

23


4. Độ thẩm điện môi và tổn thất điện môi của Polymer:

•
1.

Sự tổn thất điện môi của polymer bao gồm 2 loại:
Tổn thất lưỡng cực đàn hồi, liên quan tới sự quay của nhóm mắt xích trong trường điện.
Phụ thuộc vào cấu trúc hóa học của polyme, lực tương tác nội và giữa các phân tử, cũng
như độ linh động của mắt xích và thời gian hồi phục

2.

Tổn thất lưỡng cực – gốc, gây ra bởi sự chuyển động của các nhóm thế phân cực (gốc
phân cưc)

9/22/16

Tiểu luận Hóa lý Polymer

24


4. Độ thẩm điện môi và tổn thất điện môi của Polymer:

•
1.
2.

Sự tổn thất điện môi phụ thuộc vào:
Tính điều hòa phân tử, độ kết tinh của Polymer
Độ linh động của phân tử, sự định hướng của mạch polymer và bó, sự khâu mạch, tác
dụng của chất hấp phụ thấp phân tử như chất hóa dẻo….

9/22/16

Tiểu luận Hóa lý Polymer

25