導電塑膠？顧名思義，當然是可以導電的塑膠了。可是以我們日常的感覺來看，塑膠都是不導電的啊，它分佈於我們的周圍，從桌椅板凳到電器外殼，現在的世界是無時無刻都離不開它啊，可以說是常見的用途廣泛的材料。

塑膠是絕緣的，這已經是大家的一個共識了，那它導電是怎麼一回事？是平時我們感覺都麻木了，覺察不出來？還是另有隱情？

1975年，美國賓夕法尼亞大學的艾倫·麥克迪阿米德（Alan G. MacDiarmid）教授到日本訪問，當他參觀東京技術學院時，在一個實驗室的角落裡，看見一種奇異的薄膜，又像塑膠但又閃著金屬的銀光。於是，艾倫教授停下來好奇地詢問，陪同的白川英樹（Hideki Shirakawa）教授不以為然地說：“那是一件廢品！”。

白川英樹教授並介紹，這是一個外國留學生做高分子聚合實驗時，由於沒有聽清楚要求而產生出這種莫名其妙的廢品。白川教授把它展示在實驗室的角落裡已經5年，作為不按照導師要求而發生“事故”的見證。

艾倫教授面對著這一件“廢品”，思索片刻後毅然停止了參觀，堅持要求面見出“事故”的學生，詳細詢問了實驗的全過程。當他得知這有機銀光薄膜還真有些導電效能時，一個靈感的火火花迸發了出來：能不能發明一種能導電的塑膠呢？

這是一個有悖常理的大膽的設想。自從1868年發明第一種塑膠以來，各種塑膠都是絕緣體，這已成定論，不信請看教科書和《辭海》等，都已明確地記載：“塑膠為絕緣體。”

艾倫教授卻獨具慧眼，當即邀請白川英樹教授和另一位艾倫·黑格（Alan J. Heeger）教授到賓夕法尼亞大學共同研究。他們用先進的裝置進行了大量研究試驗，並且利用精密電腦記錄分析。在經過無數次的失敗後，當有一次將微量的碘加入到一種聚乙炔時（這是非常困難的），奇蹟發生了，銀光塑膠的導電效能一下子提高了千萬倍，真正成為了金屬般的導電塑膠。這一成果公佈後，在全世界引起了巨大的反響，2000年這三位科學家共同獲得了諾貝爾化學獎。從左到右：黑格, 麥克迪阿米德, 英樹.

經過三十年的研究， 科學家們發現，經過特殊改造之後，許多塑膠都能像金屬一樣具有導電性，例如聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩、聚噻唑等。目前，已製成一批導電性與銀、銅相當的聚合物，被稱為有機金屬或合成金屬。與金屬相比，塑膠的特點是價格低廉、柔軟易曲、易於加工，重量輕。

到這裡，大家明白了。噢，一次“事故”導致了一種新材料的出現。當然這種偶然的無心之舉，在科學史上也是屢見不鮮的。比如“偉哥”是美國學者穆拉德博士在研發治療心血管疾病藥物時，意外發現的可以治療男性勃起功能障礙的藥物。

接下來我們就介紹一下導電塑膠的分類

圖1 各種材料的表面電阻率

我們通常都知道，材料可以分為：導體和絕緣體。不過，如果我們按照它們的表面電阻率（表面電阻率是表示物體表面形成的電荷移動或電流流動難易程度。比如，我們都知道金屬表面不會堆積什麼電荷或電流，因為它們就像荷葉上的水珠，一下子就會不見的。所以金屬的表面電阻率很小。）如果再細分一點，材料依據其表面電阻率的高低就可以分為圖1所示的6類材料。

導電塑膠即為表面電阻率從101-1012的塑膠，按照其實現導電的原理，則可分為結構型導電塑膠和複合型導電塑膠二大類。

1 結構型導電塑膠

結構型導電塑膠又稱本徵型導電塑膠，是指本身具有導電性或經化學改性後具有導電性的塑膠。這類材料都是帶有共軛雙鍵結構的高分子聚合物。

簡單說，就是：哥自身能力強啊！給點陽光就能燦爛！

不過，這種材料合成工藝較複雜，成本較高，目前價格相當昂貴，是一種真正意義的導電塑膠，研發一旦突破技術瓶頸，將給我們的生活帶來無法想象的影響。

說到導電，其實就是電子的定向流動，產生電流，對於金屬而言，大家都知道金屬導電是因為金屬裡面有帶電的粒子（電子），而且這些電子都很自由，基本不受約束，叫自由電子。在電壓的作用下自由電子就會定向流動，形成電流。於是金屬就導電了。同理，電解質溶液的機理也是類似，定向電壓產生的陰陽離子的定向移動，最終形成了電流。那麼純水可以導電嗎？想一想噢！

那麼對於一些特殊的結構，如“共軛結構”又對導電會產生什麼貢獻呢？

塑膠中當然也有很多電子，但是它們卻不像金屬的那些“親戚”那麼自由。這些電子都是被束縛著，不能動。這也就是普通塑膠不會導電的原因。

不過，有些塑膠，比如聚乙炔，它的分子結構是共價單鍵與雙鍵交替出現（成鍵原子共享兩對電子，一對來自σ鍵，另一對來自π鍵），這種結構被稱為共軛，簡單一點說,一個單鍵一個雙鍵，再一個單鍵一個雙鍵,如此重複……就叫共軛結構。

圖2 聚乙炔分子結構示意圖

圖3 共軛結構所形成的電子隧道

共軛結構所形成的通路，就像是隧道，可以讓電子從中穿過，不過平時這些電子像塞死的汽車，都擠擠挨挨的不能移動，這就無法表現出導電性。只有當我們向其中新增一些活性物質，如碘蒸汽時，碘的強氧化性可以拿走隧道中的一個電子，就像在堵塞的汽車中我們移走了一輛，那麼其他的汽車就會有空間移動，或者如下面的華容道棋盤，拿走一個棋子，就出現一個空位而旁邊的棋子就可以挪進去。這樣的電子移動後，它原先的位子就空了出來，其它電子就可以跳進去，如此一來，電子就沿著高分子鏈運動了，而這種新增外來物質拿走電子（陽離子）產生空位的方法就叫“摻雜”。正是這些相對“自由”的電子在摻雜態下的運動，使得聚乙炔——甚至所有的共軛高分子——可以導電。

圖4 華容道棋盤

圖5 聚乙炔摻雜碘後的導電示意圖

結構型導電塑膠（本徵導電高聚物），由於加工和機械強度的問題，通常我們很少直接使用這樣的聚合物。當我們將這類本徵導電高聚物和其他的基體樹脂共混時，其導電效果往往無法達到較高水準，通常會109-1012之間，這就意味著，這樣的產品通常只能用作防止靜電的應用裡面，但是由於這樣的結構相對純淨許多，不會產生如炭黑等析出的汙染問題，不用擔心長時間使用導電率下降的問題，而且，甚至可以實現一定的透光度，在某些特定的場合反而會有不可替代的作用。這樣的典型產品如Sabic的63000CTC，其特性就是透明，防靜電。當然這樣型別的導電塑膠還有不少，您可以透過塑庫網高階搜尋，在填充比例的填充物選項選擇(IDP 本徵導電聚合物)，就可以查詢這樣不同的導電塑膠。

2 複合型導電塑膠

這裡材料是由導電性物質與高分子材料複合而成。

簡單說，哥沒有能力導電。但是，哥人緣好，有強力的朋友可以幫忙。

可以摻混的導電物質有：碳系(炭黑、石墨、碳奈米管等)，晶須系（鈦酸鉀晶須、氧化鋅晶須等），金屬粉，金屬纖維等等

該類別成本稍低，可以滿足各種成型要求，是一類已被廣泛應用的功能性高分子材料。

複合型導電塑膠根據製備的方法不同,分散相的形態主要有:

① 海島，以顆粒狀( 或棒狀或橢球狀) 分散;這類的產品相對價格低廉，導電效果不錯，基本可以實現103-106表面電阻率，但是由於不少的顆粒，如導電炭黑本身並無法非常好地分散在基體樹脂中，導致其有析出現象，大家可以嘗試用一些這種塑膠生產的產品在白紙上劃一下，你將會看到他們基本可以用來當鉛筆使用：），所以這類產品需要考慮析出汙染問題。典型的牌號有Sabic的DD0009（導電炭黑增強）

② 分散相纖維化， 以大量微細纖維形式分散;相對於上一種產品，這類填充物以碳纖，碳奈米管以及不鏽鋼纖維為主，其導電率和析出性都有比較好的改善，表面電阻率可以達到100-103，從而得以應用於需要電磁遮蔽的產品，並且這類填充物較為穩定，並不會產生析出問題，但是這樣的產品通常只能是灰黑色或者著色空間有限制。典型的牌號有Sabic的DE0029EF（10%碳纖增強），NX07344（15%不鏽鋼纖維增強）等

③ 分散相層化, 以片狀或細筋狀的層狀形式分散。導電填料主要有石墨、金屬粉末以及現在被廣為關注的石墨烯等。其實從實用性的角度，石墨烯還遠沒有達到實用級別，因為所有的特殊導電以及導熱性甚至是透光性都基於石墨烯單層的片狀結構，而現在能夠量產的單層片狀石墨烯還沒有，所以我們看到很多展示石墨烯的展品都是灰黑色的，這種產品更像是一種高階的石墨而已。

複合型導電塑膠相對於本徵型導電聚合物來講，原理和實現方式要簡單許多，不同的填充物會導致不同的導電效果，覆蓋了從100-109的廣泛的表面電阻率，對於電磁遮蔽材料，如果需要在高頻和低頻保持很好的電磁波吸收，可以考慮採用鍍鎳碳纖作為填充物，如RTP公司的RTP 383 HEC FR。 您也可以透過塑庫網高階搜尋，在填充比例的填充物選項選擇（鍍鎳碳纖），就可以查詢這樣不同種類的導電塑膠。

這裡需要尤其強調的一點是：

以上不同的填充物無論以哪種形態分散，都需要形成一定的連續相，或者通俗一點講要形成空間立體的網路結構，因為顯而易見，填充物是這種導電塑膠的關鍵因素，只有當填充物充分搭接起來，才能形成通路，有效的將電荷轉移，形成一定的導電效果。於是大家一定也可以知曉，為什麼填充物的比例以及成型加工工藝會對最終制件產生根本性影響。

有關這部分的內容，請關注下一期文章《神奇的導電塑膠——測試/加工篇》

展望未來, 導電塑膠的發展趨勢為:

(1) 綜合考慮成本、加工方便、遮蔽效能的穩定性、環保及回收等因素, 未來導電塑膠的研究方向是以高導電性的導電填料開發為主, 並以降低新增量、提高導電能力、降低填料對基體工程塑膠效能影響及改善加工適應性為主要研究及開發方向;

(2) 加強導電塑膠導電機理研究。完備和成熟的導電機理，不僅可以為導電塑膠的配方和生產過程的工藝引數控制提供理論指導而且還會為研究和開發熔點高、軟化點高、熱穩定性好、抗靜電效能優異的新型碳材料, 並使產品向功能化、系列化方向發展提供新的動力和指導方向。