Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен из PVDF )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Поливинилиденфторид или поливинилидендифторид ( ПВДФ ) представляет собой термопластичный фторполимер с высокой нереакционной способностью, получаемый полимеризацией винилидендифторида .

PVDF - это специальный пластик, используемый в приложениях, требующих высочайшей чистоты, а также устойчивости к растворителям, кислотам и углеводородам. По сравнению с другими фторполимерами, такими как политетрафторэтилен (тефлон), ПВДФ имеет низкую плотность (1,78 г / см 3 ).

Он доступен в виде трубных изделий, листов, труб, пленок, пластин и изолятора для проводов премиум-класса. Он может быть подвергнут литью, формованию или сварке и обычно используется в химической, полупроводниковой, медицинской и оборонной промышленности, а также в литий-ионных батареях . Он также доступен в виде сшитого пеноматериала с закрытыми порами , который все чаще используется в авиации и космонавтике. Его также можно использовать при многократном контакте с пищевыми продуктами, поскольку он соответствует требованиям FDA и абсолютно нетоксичен. [3]

Как сорт мелкодисперсного порошка, он входит в состав высококачественных красок для металлов. Эти краски PVDF обладают чрезвычайно хорошим блеском и сохранением цвета. Они используются на многих известных зданиях по всему миру, таких как башни Петронас в Малайзии и Тайбэй 101 на Тайване, а также на металлических крышах коммерческих и жилых домов.

Мембраны PVDF используются в вестерн-блоттинге для иммобилизации белков из-за их неспецифического сродства к аминокислотам.

PVDF также используется в качестве связующего компонента для углеродного электрода в суперконденсаторах и для других электрохимических применений.

Имена [ править ]

PVDF продается под различными торговыми марками, включая KF ( Kureha ), Hylar ( Solvay ), Kynar ( Arkema ) и Solef (Solvay).

Свойства [ править ]

В 1969 году сильное пьезоэлектричество было обнаружено в PVDF с пьезоэлектрическим коэффициентом полюсных (помещенных в сильное электрическое поле для создания суммарного дипольного момента) тонких пленок величиной 6–7 пКл / Н : в 10 раз больше, чем у любых другой полимер . [4]

PVDF имеет температуру стеклования ( T g ) около -35 ° C и обычно на 50-60% кристаллический. Чтобы придать материалу пьезоэлектрические свойства, его механически растягивают для ориентации молекулярных цепочек, а затем поляризуют под действием напряжения. PVDF существует в нескольких формах: альфа (TGTG '), бета (TTTT) и гамма (TTTGTTTG') фазы, в зависимости от конформации цепи как транс (T) или гош (G) связи. В полюсном состоянии ПВДФ представляет собой сегнетоэлектрический полимер, демонстрирующий эффективные пьезоэлектрические и пироэлектрические свойства. [5] Эти характеристики делают его полезным в датчике и батарее.Приложения. Тонкие пленки ПВДФ используются в некоторых новых датчиках тепловизоров .

В отличие от других популярных пьезоэлектрических материалов, таких как цирконат-титанат свинца (PZT), PVDF имеет отрицательное значение d 33 . Физически это означает, что PVDF будет сжиматься, а не расширяться, или наоборот при воздействии того же электрического поля. [6]

Термальный [ править ]

Смола PVDF была подвергнута высокотемпературным экспериментам для проверки ее термостойкости. PVDF выдерживали в течение 10 лет при 302 ° F (150 ° C), и следующие измерения показали, что термического или окислительного разрушения не происходило [ необходима ссылка ] . Смола PVDF была зарегистрирована стабильной до 707 ° F (375 ° C). [7]

Химическая совместимость [ править ]

PVDF демонстрирует повышенную химическую стойкость и совместимость среди термопластических материалов. PVDF обладает отличной / инертной стойкостью к: [ необходима цитата ]

  • сильные кислоты, слабые кислоты,
  • ионные, солевые растворы,
  • галогенированные соединения,
  • углеводороды,
  • ароматические растворители,
  • алифатические растворители,
  • окислители,
  • слабые базы.

Химическая чувствительность [ править ]

PVDF, как и другие фторполимеры , проявляет химическую чувствительность, как правило, к следующим химическим семействам:

  • сильные основания, каустики,
  • сложные эфиры,
  • кетоны. [8]

Внутренние свойства и сопротивление [ править ]

Поливинилиденфторид проявляет характеристики внутреннего сопротивления в определенных сферах применения. А именно: реакции окисления озона, ядерное излучение, УФ-повреждение и микробиологический рост грибков. [ необходима цитата ] Стойкость ПВДФ к этим условиям весьма характерна для термопластичных материалов. Устойчивость PVDF к углеродным и фторидным элементам способствует этому сопротивлению, а также полимерной интеграции PVDF во время его обработки. [ необходима цитата ]

Обработка [ править ]

PVDF может быть синтезирован из мономера газообразного винилиденфторида (VDF) с помощью процесса свободнорадикальной (или контролируемой радикальной) полимеризации. За этим могут следовать такие процессы, как литье из расплава или обработка из раствора (например, литье из раствора, нанесение покрытия центрифугированием и литье пленки). Снимались также фильмы Ленгмюра – Блоджетт . В случае обработки на основе раствора типичные используемые растворители включают диметилформамид и более летучий бутанон . В водной эмульсионной полимеризации , то фторсодержащее perfluorononanoic кислота используется в анионной форме в качестве технологической добавки путем солюбилизации мономеров. [9]По сравнению с другими фторполимерами, он имеет более легкий процесс плавления из-за его относительно низкой температуры плавления около 177 ° C.

Обработанные материалы обычно находятся в непьезоэлектрической альфа-фазе. Чтобы получить пьезоэлектрическую бета-фазу, материал необходимо либо растянуть, либо отжечь. Исключение составляют тонкие пленки ПВДФ (толщина порядка микрометров). Остаточные напряжения между тонкими пленками и подложками, на которых они обрабатываются, достаточно велики, чтобы вызвать образование бета-фазы.

Чтобы получить пьезоэлектрический отклик, материал сначала нужно полюсить в большом электрическом поле. Для полирования материала обычно требуется внешнее поле выше 30 М В / м. Толстые пленки (обычно> 100 мкм ) необходимо нагревать во время процесса полирования, чтобы добиться большого пьезоэлектрического отклика. Толстые пленки обычно нагревают до 70–100 ° C в процессе полировки.

Количественный процесс дефторирования был описан механохимией , [10] для переработки отходов ПВДФА безопасной экологически чистые.

Приложения [ править ]

Трубопровод из ПВДФ, используемый для подачи сверхчистой воды

PVDF - это термопласт, который демонстрирует универсальность применения, аналогичную другим термопластам, особенно фторполимерам. Смола ПВДФ нагревается и обрабатывается для использования в экструзии и литье под давлением для производства труб , листов, покрытий, пленок и формованных изделий из ПВДФ, таких как контейнеры для сыпучих материалов, из ПВДФ. Общие промышленные применения термопластов ПВДФ включают: [8]

  • химическая обработка,
  • электричество, аккумуляторы и электронные компоненты,
  • строительство и архитектура,
  • здравоохранение и фармацевтика,
  • биомедицинские исследования,
  • сверхчистые приложения,
  • обращение с ядерными отходами,
  • нефтехимия, нефть и газ,
  • еда, производство напитков,
  • водоснабжение, очистка сточных вод.

В электронике / электричестве [ править ]

PVDF обычно используется в качестве изоляции электрических проводов из-за сочетания гибкости, малого веса, низкой теплопроводности, высокой стойкости к химической коррозии и термостойкости. Большая часть узкого провода 30-го калибра, используемого при сборке проводов и переделке печатных плат, имеет изоляцию PVDF. В этом случае проволока обычно упоминается как «проволока Kynar» по торговому наименованию.

Пьезоэлектрические свойства PVDF используются при производстве матриц тактильных датчиков , недорогих тензодатчиков и легких преобразователей звука . Пьезоэлектрические панели из PVDF используются в счетчике пыли Venetia Burney Student, научном инструменте космического зонда New Horizons, который измеряет плотность пыли во внешней части Солнечной системы . [ необходима цитата ]

PVDF - стандартный связующий материал, используемый при производстве композитных электродов для литий-ионных аккумуляторов. [11] Раствор PVDF 1-2% по массе в N- метил-2-пирролидоне (NMP) смешивают с активным материалом-накопителем лития, таким как графит, кремний, олово, LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 или LiFePO 4. и проводящая добавка, такая как углеродная сажа или углеродные нановолокна . Эта суспензия заливается на металлический токоприемник, и NMP испаряется, образуя композитный или пастообразный электрод.. PVDF используется потому, что он химически инертен в используемом диапазоне потенциалов и не реагирует с электролитом или литием.

В биомедицине [ править ]

В биомедицине PVDF используется в иммуноблоттинге в качестве искусственной мембраны (обычно с размером пор 0,22 или 0,45 микрометра), на которую белки переносятся с помощью электричества (см. Вестерн-блоттинг).). PVDF устойчив к растворителям, поэтому эти мембраны можно легко удалить и повторно использовать для анализа других белков. Мембраны из ПВДФ могут использоваться в других биомедицинских приложениях как часть мембранного фильтрационного устройства, часто в форме шприцевого фильтра или колесного фильтра. Различные свойства этого материала, такие как термостойкость, устойчивость к химической коррозии и низкое связывание белков, делают этот материал ценным в биомедицинских науках для приготовления лекарств в качестве стерилизующего фильтра и в качестве фильтра для подготовки образцов для аналитических методов. такие как высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ), где небольшие количества твердых частиц могут повредить чувствительное и дорогое оборудование.

PVDF используется в специальных лесках из моноволокна , которые продаются как фторуглеродные заменители нейлоновых моноволокон. Поверхность тверже, поэтому она более устойчива к истиранию и острым рыбьим зубам. Его оптическая плотность ниже, чем у нейлона, что делает леску менее заметной для острого рыбьего глаза. Кроме того, он более плотный, чем нейлон, поэтому быстрее тонет по направлению к рыбе. [12]

Преобразователи из PVDF имеют то преимущество, что они более подходят для динамического тестирования, чем полупроводниковые пьезорезистивные преобразователи, и более гибкие для структурной интеграции, чем пьезокерамические преобразователи . По этим причинам использование активных датчиков PVDF является краеугольным камнем для разработки будущих методов мониторинга состояния конструкций из-за их низкой стоимости и соответствия требованиям. [13]

В высокотемпературных процессах [ править ]

PVDF используется в качестве трубопроводов, листов и внутренних покрытий в высокотемпературных, горячих кислотных и радиационных средах благодаря характеристикам сопротивления PVDF и верхним порогам температуры. В качестве трубопровода ПВДФ рассчитан на температуру до 248 ° F (120 ° C). Примеры использования ПВДФ включают обращение с отходами ядерных реакторов, химический синтез и производство ( серная кислота , обычная), воздухозаборники и служебные трубы котла.

Другие формы [ править ]

Сополимеры [ править ]

Сополимеры PVDF также используются в пьезоэлектрических и электрострикционных приложениях. Одним из наиболее часто используемых сополимеров является P (VDF-трифторэтилен), обычно доступный в соотношении примерно 50:50 и 65:35 по массе (что эквивалентно примерно 56:44 и 70:30 молярным долям). Другой - П (ВДФ- тетрафторэтилен ). Они улучшают пьезоэлектрический отклик за счет улучшения кристалличности материала.

Хотя структурные единицы сополимеров менее полярны, чем у чистого ПВДФ, сополимеры обычно имеют гораздо более высокую кристалличность. Это приводит к большему пьезоэлектрическому отклику: зарегистрированные значения d 33 для P (VDF-TFE) достигают -38 p C / N [14] по сравнению с -33 pC / N в чистом PVDF. [15]

Терполимеры [ править ]

Терполимеры ПВДФ являются наиболее перспективными с точки зрения электромеханической деформации. Наиболее часто используемые терполимеры на основе PVDF - это P (VDF-TrFE-CTFE) и P (VDF-TrFE-CFE). [16] [17] Этот сегнетоэлектрический тройной сополимер на основе релаксора получают путем случайного включения объемного третьего мономера ( хлортрифторэтилена , CTFE) в полимерную цепь сополимера P (VDF-TrFE) (который по своей природе является сегнетоэлектрическим). Это случайное включение CTFE в сополимер P (VDF-TrFE) нарушает дальнее упорядочение сегнетоэлектрической полярной фазы, что приводит к образованию нанополярных доменов. При приложении электрического поля неупорядоченные нанополярные домены меняют свою конформацию на полностью трансконформация, которая приводит к большой электрострикционной деформации и высокой диэлектрической проницаемости при комнатной температуре ~ 50. [18]

См. Также [ править ]

  • Сегнетоэлектрические полимеры
  • Закон клайбера
  • Сегнетоэлектричество
  • Пироэлектричество

Ссылки [ править ]

  1. ^ "поли (виниленфторид) (CHEBI: 53250)" . Проверено 14 июля 2012 года .
  2. ^ Zhang, QM, Бхарти, В., Kavarnos Г. Шварц, М. (ред.), (2002). «Поли (винилиденфторид) (ПВДФ) и его сополимеры», Энциклопедия интеллектуальных материалов, тома 1–2 , John Wiley & Sons, 807–825.
  3. ^ https://www.plasticsintl.com/shop-by-material/pvdf
  4. ^ Kawai, Heiji (1969). «Пьезоэлектричество поливинилиденфторида». Японский журнал прикладной физики . 8 (7): 975–976. Bibcode : 1969JaJAP ... 8..975K . DOI : 10,1143 / JJAP.8.975 .
  5. ^ Лолла, Динеш; Горс, Джозеф; Киселёвский, Кристиан; Мяо, Цзяюань; Тейлор, Филип Л .; Чейз, Джордж Дж .; Ренекер, Даррелл Х. (2015-12-17). «Молекулы поливинилиденфторида в нановолокнах, полученные в атомном масштабе с помощью электронной микроскопии с коррекцией аберраций» . Наноразмер . 8 (1): 120–128. Bibcode : 2015Nanos ... 8..120L . DOI : 10.1039 / c5nr01619c . ISSN 2040-3372 . PMID 26369731 .  
  6. ^ Лолла, Динеш; Лолла, Манидип; Абуталеб, Ахмед; Шин, Хён Ю .; Ренекер, Даррелл Х .; Чейз, Джордж Г. (2016-08-09). «Изготовление, поляризация электретных волокон из поливинилиденфторида и их влияние на улавливание наноразмерных твердых аэрозолей» . Материалы . 9 (8): 671. Bibcode : 2016Mate .... 9..671L . DOI : 10,3390 / ma9080671 . PMC 5510728 . PMID 28773798 .  
  7. ^ «Физические и механические свойства» . Arkema, Inc. Инновационная химия .
  8. ^ a b «Данные о характеристиках и характеристиках ПВДФ» (PDF) . Решения для пластиковых труб .
  9. ^ Prevedouros К., Казинс IT, Buck RC, Корженевский SH (январь 2006). «Источники, судьба и транспорт перфторкарбоксилатов». Environ. Sci. Technol . 40 (1): 32–44. Bibcode : 2006EnST ... 40 ... 32P . DOI : 10.1021 / es0512475 . PMID 16433330 . CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  10. ^ Чжан, Циу; Лу, Цзиньфэн; Сайто, Фумио; Барон, Мишель (2001). «Механохимическая твердофазная реакция между поливинилиденфторидом и гидроксидом натрия». Журнал прикладной науки о полимерах . 81 (9): 2249. DOI : 10.1002 / app.1663 .
  11. ^ Ордоньес, Дж .; Gago, EJ; Жирар, А. (2016-07-01). «Процессы и технологии переработки и утилизации отработанных литий-ионных аккумуляторов». Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии . 60 : 195–205. DOI : 10.1016 / j.rser.2015.12.363 . ISSN 1364-0321 . 
  12. ^ История компании Seaguar  - сайт производителя Kureha America, Inc. Архивировано 20 июня 2010 в Wayback Machine.
  13. ^ Guzman, E .; Cugnoni, J .; Гмюр, Т. (2013). «Живучесть интегрированных пленочных датчиков PVDF в условиях ускоренного старения в авиационных / аэрокосмических конструкциях». Smart Mater. Struct . 22 (6): 065020. Bibcode : 2013SMaS ... 22f5020G . DOI : 10.1088 / 0964-1726 / 22/6/065020 .
  14. ^ Омотэ, Кендзи; Охигаши, Хиродзи; Кога, Кейко (1997). «Температурная зависимость упругих, диэлектрических и пьезоэлектрических свойств« монокристаллических »пленок сополимера винилиденфторида и трифторэтилена». Журнал прикладной физики . 81 (6): 2760. Bibcode : 1997JAP .... 81.2760O . DOI : 10.1063 / 1.364300 .
  15. ^ Nix, EL; Уорд, И.М. (1986). «Измерение сдвиговых пьезоэлектрических коэффициентов поливинилиденфторида». Сегнетоэлектрики . 67 : 137–141. DOI : 10.1080 / 00150198608245016 .
  16. ^ Сюй, Хайшэн; Cheng, Z.-Y .; Олсон, Дана; Mai, T .; Чжан, QM; Каварнос, Г. (16 апреля 2001 г.). «Сегнетоэлектрические и электромеханические свойства тройного сополимера поливинилиденфторид – трифторэтилен – хлортрифторэтилен». Письма по прикладной физике . AIP Publishing LLC, Американский институт физики. 78 (16): 2360–2362. Bibcode : 2001ApPhL..78.2360X . DOI : 10.1063 / 1.1358847 .
  17. ^ Бао, Хуэй-Минь; Сун, Цзяо-Фань; Чжан, Хуан; Шен, Цюнь-Донг; Ян, Чанг-Чжэн; Чжан, QM (3 апреля 2007 г.). «Фазовые переходы и поведение сегнетоэлектрического релаксора в терполимерах P (VDF-TrFE-CFE)». Макромолекулы . Публикации ACS. 40 (7): 2371–2379. DOI : 10.1021 / ma062800l .
  18. ^ Ахмед, Саад; Арроджадо, Эрика; Сигамани, Нирмал; Унайес, Зубейда (14 мая 2015 г.). Goulbourne, Nakhiah C. (ред.). "Оригами структуры, реагирующие на электрическое поле, с использованием электрострикционных активных материалов". Труды SPIE: Поведение и механика многофункциональных материалов и композитов 2015 . Поведение и механика многофункциональных материалов и композитов 2015. Общество инженеров фотографического приборостроения (SPIE). 9432 : 943206. Bibcode : 2015SPIE.9432E..06A . DOI : 10.1117 / 12.2084785 . ISBN 9781628415353. S2CID  120322803 .