1. Johdanto
Sähköä johtavat muovit ovat kohtalaisen uusi keksintö, mutta niiltä odotetaan tulevaisuudessa paljon.
Sähkönjohtokyvyn ja muovin ominaisuuksien yhdistäminen luo aivan uusia näkymiä erityisesti
elektroniikkateollisuuteen mutta myös muille teollisuuden aloille. Johtavia polymeereja
tutkitaan paljon ja tutkimusta tehdään Suomessakin.
Johtavien polymeerien etuja:
- keveys
- lujuus
- helposti prosessoitavissa
- edullisia
- ympäristöystävällisiä (eivät sisällä esim. raskasmetalleja, valmistusprosessi myrkytön)
- kalvot läpinäkyviä
- värjättävissä
- pysyvä, säädettävä johtavuus
Johtavien polymeerien haittoja
- teknologia vaatii laajaa osaamista sekä kemiasta että fysiikasta
- toistaiseksi kaupallisia sovelluksia on melko vähän
- johtokyky ei metallien tasolla (mutta kuitenkin riittävä useimpiin sovelluksiin)
2. Historia
2.1 Polymeerit yleensä
Polymeeri on suurikokoinen molekyyli, joka on muodostunut pienten molekyylien, monomeerien liittyessä toisiinsa. Luonnossa on lukuisia polymeereista muodostuneita materiaaleja, joita ihminen on käyttänyt hyväkseen niiden lujuuden ja kemiallisen kestävyyden takia. Tällaisia ovat esimerkiksi puu, villa, puuvilla, silkki ja kautsu. /3/
Ihminen on kehittänyt myös muovit, jotka ovat joko kokonaan tai ainakin suurimmaksi osaksi koostuneet polymeereista. Muovi on polymeerien ja lisäaineiden seos. Muoveille on tyypillistä, että ne jossain käsittelyvaiheessaan ovat helposti muovailtavissa. /3/
Tavalliset polymeerit ovat huonosti sähköä johtavia aineita ja yleensä niitä käytetään eristeinä sähkötekniikassa ja elektroniikassa. Monissa sovellutuksissa, kuten kondensaattoreissa olisi ollut hyödyllistä, jos sähkönjohtavuus ja polymeeriset ominaisuudet olisi yhdistetty.
2.2 Johtavien polymeerien historia
Ensimmäinen johtava polymeeri keksittiin vuonna 1977, kun professori Shirakawa tutki polyasetyleeniä, joka ei sinällään juuri johtanut sähköä vaan oli lähinnä puolijohteen kaltainen. Tutkimusten jossain vaiheessa polyasetyleeniä hapetettiin ilmeisesti vahingossa hieman liikaa ja tuloksena oli metallin kaltainen aine. Shirakawa mainitsi tästä professori MacDiarmidille, joka oli kiinnostunut ei-metallisista johteista ja hän päätti ryhtyä tutkimaan tätä tarkemmin. Vahingossa syntynyt aine huomattiin hyvin sähköä johtavaksi. Alun
innostuksessa oletettiin, että sähköä johtavat polymeerit, "orgaaniset metallit", voisivat laajasti syrjäyttää metallit keveyttä ja helppoa prosessoitavuutta vaativissa sovelluksissa. /10/
Konjugoidut polymeerit osoittautuivat kuitenkin jäykkäketjuisiksi, joten ne eivät sellaisenaan sula ja ovat huonosti liukenevia. Ratkaisu löytyi, kun huomattiin, että sopivien polymeeriketjuun liitettyjen sivuryhmien avulla on mahdollista muokata polymeeriä helpommin työstettäväksi. /2/
Johdepolymeerien hyödyntäminen vaatii laajaa poikkitieteellistä osaamista ja siten polymeerien rakenteen ja ominaisuuksien selvittäminen ja ymmärtäminen, sekä sovellus- ja työstömenetelmien kehittäminen on vienyt poikkeuksellisen pitkän ajan. Alan tärkeyden vuoksi vuoden 2000 Nobelin palkinto myönnettiin juuri Shirakawalle, Heegerille ja MacDiarmidille. /1/
Ensimmäinen johtava polymeeri oli siis polyasetyleeni, mutta myöhemmin muut polymeerit ovat osoittautuneet lupaavammiksi kaupallisia sovelluksia ajatellen. Näitä ovat esimerkiksi
- polypyrolli (PPy)
- polytiofeeni (Pt)
- polyfenyleenivinyleeni (PPV)
- polyaniliini (PANI)
- PEDOT/PEDT (engl. polyethylenedioxythiofene)
- Polydialkyylifluoreeni (engl. polydialkylfluorene)
Varsinkin polyaniliini on hyvä materiaali sen hyvän lämpötilan keston ja yksinkertaisen valmistusmenetelmän ansiosta. Polyasetyleeni on edelleen kaikkein parhain johde, mutta kaupallisiin sovelluksiin se on ominaisuuksiltaan heikompi: se reagoi herkästi ilmaan ja kosteuteen.
Kuvista 2.1-2.4 selviää yleisimpien johtavien polymeerien molekyylirakenne. Kuvassa 2.5 on vertailun vuoksi polyasetyleenin rakenne.
Polyasetyleeni oli ensimmäinen tutkittu johtava polymeeri ja sen rakenne on hyvin yksinkertainen. Sinällään polyasetyleeni ei johda sähköä kovinkaan hyvin. Juuri polyasetyleeniä tutkittaessa huomattiin hapettamisen vaikutus sähkönjohtokykyyn. Hapetetun polyasetyleenin sähkönjohtokyky 105 S/m. /10/
Johtavassa polymeerissä varauksenkuljettajana ei toimi elektroni. Sähkönjohtaminen perustuu siihen, että jostain kohtaa polymeeriketjua otetaan pois elektroni ts. polymeeri hapetetaan. Kohtaan syntyy positiivinen varaus.
Positiiviseen aukkoon siirtyy elektroni jostain muualta ketjusta luoden näin lähtöpaikkaansa aukon, johon siirtyy elektroni taas muualta ja niin edelleen. Konjugoitunutta rakennetta tarvitaan sen takia, että kaksoissidos pyrkii muuttumaan yksittäissidokseksi ja siten luovuttaa helposti toisen elektronin sidoksesta pois. Näin varaus pystyy kulkemaan pitkin polymeeriketjua ja se pystyy myös siirtymään ketjusta toiseen. Tätä kutsutaan polaroniksi.
Kahden polaronin yhdistyessä toisiinsa syntyy solitoneja. Polaroneista voi muodostua myös bipolaroneja. /10/
Johtavien polymeerien sähkönjohtokyky ei ole yhtä hyvä kuin metallien. Tämä johtuu siitä, että varauksenkuljettajien täytyy hyppiä ketjusta toiseen.
Johdepolymeereissä on usein paljon varauksenkuljettajia, mutta niiden liikkuvuus on pieni esimerkiksi puolijohteiden varauksenkuljettajiin verrattuna. Niiden johtavuusmekanismit ovat kuitenkin hyvin monimutkaisia. Usein johtavissa polymeereissä on useita eri tyyppisiä varauksenkuljettajia ja tutkimusten mukaan erityyppiset varauksenkuljettajat voivat yhdistyä liikkumattomiksi dimeereiksi. /5/
4 JOHTAVIEN POLYMEERIEN OMINAISUUDET JA KÄYTTÖ
Johdepolymeerejä käytetään jo nyt hyväksi monissa sovellutuksissa. Uusia käyttökohteita tulee koko ajan lisää. Aluksi johdepolymeerejä kehiteltiin akkuja, näyttöjä ja kondensaattoreita varten. Johdepolymeeri toimii niissä sähköä johtavana komponenttina. Johdepolymeerejä on sovellettu myös nykyisiin johtavien muovien sovelluksiin, joita ovat esimerkiksi staattisen sähkön poisto ja häiriövaimennus erilaisissa elektroniikan tuotteissa.
Tärkeitä johdepolymeerien sovellutuksia ovat muun muassa antistaattiset pinnoitteet. Näitä käytetään esimerkiksi piirilevyjen ja valokuvausfilmien päällystämiseen. Erityisesti ns PEDOTia (polyethylenedioxythiophene) käytetään näissä sovelluksissa. Johdepolymeerejä käytetään hyväksi niiden erilaisten funktionaalisten ominaisuuksien vuoksi, joita ovat esimerkiksi pysyvä, säädettävä johtavuus ja johdepolymeerin hapetus/pelkistyskyky.
Muita ominaisuuksia ovat myös valon emittointikyky ja elektronismi, jota voidaan hyödyntää esimerkiksi jännitteellä säädettävässä peilin häikäisysuojassa.
Elintarviketeollisuudessa ja terveydenhuollossa johdepolymeerit ovat päätyneet jo käytännön sovellutuksiin. Niistä on valmistettu ns. kemialliset nenät eli kemialliset anturit ja bioanturit, jotka kykenevät aistimaan vaikkapa jonkin entsyymin pitoisuudet ruoka-aineista tai hormonit potilasnäytteestä.
Eri tutkimusryhmät kehittelevät koko ajan uusia johdepolymeerien sovellutuksia. Yksi mielenkiintoisista tutkimuskohteista tällä hetkellä on uusien ratkaisujen etsiminen elektroniikkalaitteiden häiriövaimennukseen (EMI-suojaus). Johdepolymeerituotteiden realisoitua sähkönjohtavuutta pyritään parantamaan, jotta materiaalilla saavutettava vaimennuskyky vastaisi laitteille asetettuja vaatimuksia. /2/
Johdepolymeerit tarjoavat läpinäkyvyyttä, hallittua johtavuutta, värjättävyyttä ja pinnoitusteknologian tuomaa kilpailukykyä ja ominaisuuksia. Näitä ominaisuuksia käytetään hyväksi erilaisten kalvojen ja materiaalien pinnoitteissa. Seuraavaksi kehitellään ympäristöystävällistä vähäpäästöistä ja vesipohjaista pinnoitustuotevaihtoehtoja. /2/
4.1 Kuidut ja kalvot
Sulatyöstettäviä johdepolymeeriblendejä käytetään johtavissa kuiduissa ja kalvoissa. Näiden tuotteiden etuna on johtavuuden hallinta laajalla asteikolla sekä työstettävyysominaisuudet. Kuitujen etuna on myös niistä tehtyjen tekstiilien pölyämättömyys ja värjäämättömyys. Kalvojen etuna on osittainen läpikuultavuus. Johdepolymeerien sovelluksia ovat ns. älykkäät ikkunat, joiden valon ja lämmön läpäisykykyä voidaan säädellä sekä paperinohuet valodiodit, joista voidaan valmistaa suuria itsevalaisevia pintoja, vaikkapa valaisevia tapetteja. /6/
4.2 Korroosionestopinnoitteet
Johdepolymeereillä on kyky passivoida terästä, minkä takia johdepolymeereilla on antikorroosio-ominaisuuksia. Testeissä on todettu, että johdepolymeerit estävät naarmusta etenevää korroosiota tehokkaasti. Johdepolymeeripinnoitteet eivät sisällä raskasmetalleja ja suojaksi riittää hyvin ohut kerros, joten kustannukset eivät nouse kovin korkeiksi. Monet teollisuudessa käytetyt pinnat on järkevä vaihtaa johdepolymeereihin perustuviin korroosionsuojauspinnotteisiin. Erityisesti polyanilliinia käytetään näissä sovelluksissa. /2/
4.3 Muoviparisto
Muovipariston periaatteen keksiminen tapahtui vahingossa kun yritettiin kehittää uutta tapaa hapettaa polyasetyleeniä: kaksi polyasetyleeniliuskaa laitetaan liuokseen, joka sisältää samoja ioneita, joita käytetään hapettamisessa (jodi, kloori, bromi) ja liuskojen läpi johdetaan sähkövirta. Kuten normaalissa sähköparissa, positiiviset ionit hakeutuivat toisen liuskan pintaan ja negatiiviset toisen. Kahden liuskan välille syntyi siis varaus. Mutta kun sähkövirta katkaistiin, varaus ei purkautunutkaan vaan jäi liuskoille.
Tämä ilmiö huomattiin jo vuonna 1979. /1/
Erona tavalliseen metalliparistoon on se, että metalliparistoissa metalliliuskoista irtoaa ioneita ja ne kuluvat mutta muoviparistossa vain liuoksen ionit liikkuvat. Näin polymeeriliuskat eivät kulu, joten niitä voi ladata uudelleen ja uudelleen. Tavallisiin uudelleen ladattaviin paristoihin verrattuna muoviparistojen elinikä on huomattavasti pidempi. /1/
Muoviparistoja on kaavailtu sähköautojen voimanlähteeksi. Ne sopivat siihen paremmin kuin perinteiset paristot, koska ne pystyvät antamaan enemmän voimaa joka parantaa kiihtyvyyttä ja ylämäkien ajamista ja niiden energiatiheys on parempi, ne varastoivat enemmän energiaa eikä paristoja tarvitse ladata niin usein. Muoviparistojen energiatiheys on noin 50 Wh/kg kun lyijyparistojen on 35 Wh/kg. /1/
Parempien ominaisuuksiensa lisäksi muoviparistoja on mahdollista valmistaa edullisesti ja ympäristöystävällisistä materiaaleista. Muoviparistoista ei luultavasti synny ongelmajätettä, koska niissä ei ole raskasmetalleja. /1/
5 LÄHDELUETTELO
- Alan MacDiarmid, Conductive Polymers and Plastic Batteries (verkkodokumentti). DOE R&D Accomplishments.
Viitattu 5.4.2002. Saatavissa
http://www.osti.gov/accomplishments/macdiarmid.html
- Funck Heli, Jussila Matti: Sähköä johtavien polymeerien sovellukset nyt ja tulevaisuudessa
(verkkodokumentti). Panipol Oy. Viitattu 25.3.2002. Saatavissa
http://www.vtt.fi/aut/rm/projects/staha/sem10-99/funck.pdf
- Haavisto Anja et al. Elämän kemia 2. Rauma: Kirjayhtymä 1997. ISBN 951-26-3915-7
- Inherently Conductive Polymers (verkkodokumentti). Conductivepolymers.com. Viitattu 5.4.2002 Saatavissa
http://www.conductivepolymers.com/
- Kleemola; Kari: Johdepolymeerit (verkkodokumentti). Turun yliopisto, analyyttisen kemian laitos.
Viitattu 25.3.2002. Saatavissa
http://www.utu.fi/ml/kemia/akem/johpol1.html
- Ollila, Raimo: Valaisevaa tapettia, älykkäitä ikkunoita ja sähköinen kirja (verkkodokumentti). Turun
Sanomat. Viitattu 4.4.2002. Saatavissa
http://www.utu.fi/ml/kemia/akem/TS2.htm
- Ormecon - A Conductive Polymer - An Organic Metal (verkkodokumentti). Zipperling Kessler & Co.
Viitattu 4.4.2002. Saatavissa
http://www.zipperling.de/Products/PAni/u-sichte.html
- The 2000 Nobel Prize in Chemistry (verkkodokumentti). Nobel e-Museum. Viitattu 4.4.2002. Saatavissa
http://www.nobel.se/chemistry/laureates/2000/press.html
- The 2000 Nobel Prize in Chemistry: Information for the Public (verkkodokumentti). Nobel e-Museum.
Viitattu 4.4.2002. Saatavissa
http://www.nobel.se/chemistry/laureates/2000/public.html
- The 2000 Nobel Prize in Chemistry: Conductive Polymers (verkkodokumentti). Nobel e-Museum.
Viitattu 4.4.2002. Saatavissa
http://www.nobel.se/chemistry/laureates/2000/chemadv.pdf
)