Platsforskning
av Bjarne Nyman Forum 1984-20, sida 08-09, 13.12.1984
Av BJARNE NYMAN
Framtidens elmaterial?
Platsmaterialen fortsätter sin segerrika frammarsch. Följande nya områden i tur att erövras är elektrotekniken och elektroni ken.
Plaster har länge använts som isolatorer, dielektrikum och motstånd. De senaste rönen inom forskningen visar, att polymera material också kan användas som aktiva elektriska komponenter, i batterier, transistorer och dylikt.
Forskarna — både vid universiteten och inom stora internationella bolag — är optimiska, trots att de kämpar med stora prob lem.
Febril forskning i elektriskt
EH Polymera material har allt sedan de första tillämpningarna såg dagens ljus ersatt mer traditionella material. Orsaken är givetvis de nya materialens egenskaper. De är lätta, kemiskt stabila och starka. Dessutom är de lättbearbetade och kan för olika ändamål förses med olika mekaniska egenskaper. Det finns hårda plaster, elastiska plaster, mjuka plaster. Alla dessa egenskaper byggs upp med hjälp av olika molekylära strukturer i materialet.
Stora satsningar
Under de senaste åren har forskarna kommit fram med plaster av en helt ny typ, de elektriskt ledande polymererna. Allmänt förutspås, att dessa kommer att få en enorm betydelse för en rad tillämpningar inom elektroteknik och elektronik. Optimistiska forskare ser de elektriskt ledande polymererna som en helt ny generation plaster.
Stora internationella bolag och framstående forskningsinstitut satsar kraftigt på den nya materialen. Med i leken är bl a de amerikanska företagen Allied Chemicals, IBM, Exxon, Texas Instruments, Xerox och National Laboratories. I Japan har Ministry of Trade and Industry (MITI) satt igång ett femårsprojekt för forskning i ledande polymerer. I projektet deltar fyra nationella laboratorier och de största japanska företagen.
Bland europeiska företag som aktivt forskar i ledande polymerer kan nämnas Basf, Bayer, Varta, Brown Bovery, British Petrol och Thomson. Vårt eget Neste Oy är också aktivt på området sedan två år tillbaka. Neste har inom detta område ett intimt samarbete med Statens tekniska forskningscentral.
Ett exempel på det stora intresset för le dande polymerer är en konferens som nyligen hölls i Milano. Där deltog över 130 företag från hela världen, trots att konferensen enbart behandlade materialen och inte gick in på specifika tillämpningar.
Det hänger på molekylstrukturen
Dagens allmänna plaster är elektriskt isolerande. Denna egenskap kommer sig av att polymerkedjorna har kemiskt mättade strukturer, vilket betyder att alla elektroner i kedjans kolatomer utnyttjas för den kemiska bindningen mellan kolatomerna.
I metallerna som ju är elektriskt ledande finns alltid ett visst antal elektroner som kan röra sig fritt. Då ett elektriskt fält tillåts verka på metallen fås en ström av elektroner, d v s det som vi kallar en elektrisk ström. I mättade polymerstrukturer finns inga fria elektroner, och dessa material fungerar därför som elektriska isolatorer.
Forskarna har länge drömt om elektriskt ledande material med plastens goda fysikaliska och mekaniska egenskaper. Det enklaste sättet att göra icke-ledande polymera material elektriskt ledande är att tillsätta ett ledande pulver, t ex grafit eller koppar. Detta har man också lyckats med — till en del. Någorlunda god konduktivitet har uppnåtts, men på bekostnad av materialegenskaperna.
De största nackdelarna med denna typ av material är att de är tunga, ofta ganska sköra och svårbearbetade. De har i alla fall fått en viss användning t ex som antistatiska skydd.
Teno AB i Sverige (f d Celloplast), som ägs av Neste, har för sid del nyligen lanserat ett halvledande plastmaterial med goda mekaniska egenskaper. I detta materia ledande polymere används butylympade LD- och HDpolymerer (Low Density, High Density) och inte grafit för att öka ledningsförmågan. Teno utnyttjar det nya materialet i antistatiska påsar, som kan användas till att skydda exempelvis elektronikdetaljer.
Konjugerade dubbelbindningar
Alla ledande polymerer bygger på s k konjugerade dubbelbindningar. Det betyder, att vi har att göra med polymerer, där varannan kol-kolbindning är dubbel och varannan är enkel. Denna struktur hos polymeren gör det i princip möjligt för elektroner att röra sig fritt längs polymerkedjan.
Den strukturellt sett enklaste polymeren med konjugerade dubbelbindningar är polyacetylen som fås genom att polymerisera vanlig acetylengas, dock i renad form. Polyacetylen-polymeren syntetiserades för första gången redan på 1950-talet och resultatet blev då ett pulver som inte var särskilt intressant med tanke på kommersiella tillämpningar.
Intresset för detta material förblev svagt ända fram till 1970-talet, då en japansk forskare lyckade syntetisera polyacetylen i form av fristående flexibla filmer. Sedermera har andra forskare upptäckt att polyacetylenfilmerna, som till utseendet påminner om aluminiumfolier, efter kemisk modifiering uppvisar en konduktivitet som systematiskt kan varieras inom hela intervallet från isolatorer till halvledare och metaller.
Det största problemet med polyacetylenet är att det inte är stabilt i luft. Polyacetylenfilmerna oxideras lätt av luftens syre och detta leder till försämrade elektriska och mekaniska egenskaper. Oxidationen
Ph D Jan-Erik Österholm, som på bilden utför experiment i kvävemiljö, tror att det är möjligt att få fram elektriskt självisolerande plastkablar.
innebär nämligen att den för konduktiviteten erforderliga konjugationen bryts. För forskarna betyder stabilitietsproblem i luft inte så myckel, eftersom experimenten med filmerna kan ske i luftfria förhållanden. Viktigare för forskarna är att polyacetylenet till sin uppbyggnad är mycket enkelt och därför från teorisynpunkt lätt att jobba med.
Också polymerer kan dopas
Konduktiviteten hos elektriskt ledande polymerer kan fås att variera genom dopning med oorganiska ämnen. Redan vid låga koncentralioner av dopningsmedlet stiger konduktiviteten hos exempelvis polyacetylenfilmer mycket kraftigt. Allmänna dopningsmedel är t ex halogenerna brom och jod. arsenikfluorid, antimonfluorid. svavelsyra och alkalimetallerna. Avsevärda förändringar fås på detta sätt till stånd i filmernas elektriska och optiska egenskaper.
Vid dopningen sker ingen kemisk bindning mellan dopningsmedlet och polymeren.
— Det får helt enkelt inte ske någon kemisk bindning mellan polymeren och dopningsmedlet. Om vi får en kemisk bindning betyder det att konjugationen bryts, d vs den viktigaste egenskapen hos materialet går förlorad. säger Ph D Jan-Erik Österholm vid Nestes forskningscentrum.
— Det som sker är att ett elektronaccepterande dopningsmedel accepterar en elektron från polymerkedjan. Det bildas e positivt laddad organisk polykatjon och en negativt laddad jon, som finns inuti polymerstrukturen. Om dopningen sker med ett elektrondonerande dopningsmedel (t ex en akalimetall) sker det motsatta händelseförloppet.
Många problem återstår
Vid sidan av arbetet med polvacetylen arbetar forskarna också med andra polymerer. I detta nu studeras ute i laboratorierna ett tiotal olika polymerer med konjugerade dubbelbindningar. Tillsammans har dessa polymerer alla de egenskaper som behövs för att göra elektriskt ledande polymerer kommersiellt gångbara. Men ingen enskild polymer har dessvärre alla de behövliga egenskaperna. Alla polymerer som studeras är behäftade med någon nackdel.
Forskarna har också försökt kombinera material för att få de rätta egenskaperna. Vid Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm har man gjort kompositer av polyacetylen och polypyrrol. På elektrokemisk väg har man av de båda materialen lyckats framställa en komposit som är stabil i luft. Men ett problem kvarstår: bägge polymererna är svåra att bearbeta.
I USA har IBM försökt sig på att kombinera polypyrrol med icke-ledande polyvinylklorid (vanlig PCV-plast). På detta sätt har man strävat att komma bort från polypyrrolets mekaniska brister. Resultaten av försöken uppges vara uppmuntrande. Den komposit som erhållits leder elektrici >