Поливинилиденфторид - Polyvinylidene fluoride

Поливинилиденфторид

Имена
Название ИЮПАК Поли (1,1-дифторэтилен) [1]
Другие имена Поливинилидендифторид; поли (виниленфторид); Кынар; Хилар; Solef; Sygef; поли (1,1-дифторэтан)
Идентификаторы
Количество CAS	24937-79-9 Y
ЧЭБИ	ЧЕБИ: 53250 N
ChemSpider	никто
ECHA InfoCard	100.133.181
MeSH	поливинилиден + фторид
PubChem CID	6369
Панель управления CompTox (EPA)	DTXSID80895097
Свойства
Химическая формула	- (С2ЧАС2F2)п−
Внешность	Беловатое или полупрозрачное твердое вещество
Растворимость в воде	Нерастворимый
Структура
Дипольный момент	2.1 D[2]
Родственные соединения
Родственные соединения	ПВФ, ПВХ, PTFE
Если не указано иное, данные для материалов приведены в их стандартное состояние (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
N проверить (что YN ?)
Ссылки на инфобоксы

Поливинилиденфторид или поливинилидендифторид (ПВДФ) очень инертный термопласт фторполимер произведенный полимеризацией винилидендифторид.

PVDF - это специальность пластик используется 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 / см³).

Он доступен в виде трубных изделий, листов, труб, пленок, пластин и изолятора для проводов высшего качества. Он может быть подвергнут литью под давлением, формованию или сварке и обычно используется в химической, полупроводниковой, медицинской и оборонной промышленности, а также в литий-ионные батареи. Он также доступен как сшитый пена с закрытыми порами, все чаще используются в авиации и космонавтике. Его также можно использовать при многократном контакте с пищевыми продуктами, поскольку он соответствует требованиям FDA и абсолютно не токсичен.^[3]

В качестве тонкого порошка он входит в состав высококачественных красок для металлов. Эти краски PVDF очень хорошо блеск и сохранение 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 кровлях коммерческих и жилых помещений.

Мембраны из ПВДФ используются в вестерн-блоты для иммобилизации белков из-за его неспецифического сродства к аминокислотам.

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

Имена

PVDF продается под различными торговыми марками, включая KF (Куреха ), Хилар (Solvay ), Кынар (Аркема ) и Solef (Solvay).

Свойства

В 1969 г. пьезоэлектричество наблюдалось в ПВДФ, с пьезоэлектрическим коэффициентом полюс (помещенные в сильное электрическое поле для создания суммарного дипольного момента) тонкие пленки размером 6–7 ПК /N: В 10 раз больше, чем у любого другого полимер.^[4]

ПВДФ имеет температура стеклования (Т_г) 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 полированном состоянии PVDF представляет собой сегнетоэлектрик полимер, проявляющий эффективность пьезоэлектрический и пироэлектрический свойства.^[5] Эти характеристики делают его полезным в датчик и аккумулятор Приложения. Тонкие пленки ПВДФ используются в некоторых более новых тепловизионная камера датчики.

В отличие от других популярных пьезоэлектрических материалов, таких как цирконат титанат свинца (PZT), PVDF имеет отрицательную d₃₃ ценность. Физически это означает, что PVDF будет сжиматься, а не расширяться, или наоборот при воздействии того же электрического поля.^[6]

Термический

Смола PVDF была подвергнута высокотемпературным экспериментам для проверки ее термической стабильности. PVDF выдерживали в течение 10 лет при 302 ° F (150 ° C), и следующие измерения показали, что термического или окислительного разрушения не происходило.^{[нужна цитата ]}. Смола ПВДФ была зарегистрирована стабильной до 707 ° F (375 ° C).^[7]

Химическая совместимость

PVDF демонстрирует повышенную химическую стойкость и совместимость среди термопластических материалов. Считается, что ПВДФ обладает отличной / инертной стойкостью к:^{[нужна цитата ]}

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

Химическая чувствительность

ПВДФ, аналогичный другим фторполимеры, проявляет химическую чувствительность, как правило, к следующим химическим семействам:

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

Внутренние свойства и сопротивление

Поливинилиденфторид проявляет характеристики внутреннего сопротивления в определенных сферах применения. А именно: реакции окисления озона, ядерное излучение, ультрафиолетовое повреждение и микробиологический рост грибков.^{[нужна цитата ]} Устойчивость ПВДФ к этим условиям довольно заметна среди термопласт материалы. Устойчивость PVDF к углеродным и фторидным элементам способствует этому сопротивлению, а также полимерной интеграции PVDF во время его обработки.^{[нужна цитата ]}

Обработка

ПВДФ можно синтезировать из газообразного винилиденфторид (VDF) мономер в процессе свободнорадикальной (или контролируемой радикальной) полимеризации. За этим могут следовать такие процессы, как литье из расплава или обработка из раствора (например, литье из раствора, центрифугирование, и литье фильмов). Фильмы Ленгмюра – Блоджетт тоже были сделаны. В случае обработки на основе раствора типичные используемые растворители включают: диметилформамид и более изменчивый бутанон. В водной эмульсионная полимеризация, то фторированное поверхностно-активное вещество перфторонановая кислота используется в анион образуют в качестве технологической добавки путем солюбилизации мономеров.^[9] По сравнению с другими фторполимерами, он легче плавиться процесс из-за его относительно низкой температуры плавления около 177 ° C.

Обработанные материалы обычно находятся в непьезоэлектрической альфа-фазе. Для получения пьезоэлектрической бета-фазы материал необходимо либо растянуть, либо отжечь. Исключением является ПВДФ. тонкие пленки (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 необходимо полюсить в большом электрическом поле. Для полировки материала обычно требуется внешнее поле более 30 MV / м. Толстые пленки (обычно> 100 мкм ) необходимо нагревать в процессе опроса, чтобы добиться большого пьезоэлектрического отклика. Толстые пленки обычно нагревают до 70–100 ° C в процессе полировки.

Количественный процесс дефторирования описан механохимия,^[10] для безопасной экологически чистой переработки отходов ПВДФ.

Приложения

Трубы из ПВДФ, используемые для сверхчистая вода

PVDF - это термопласт, который демонстрирует универсальность применения, аналогичную другим термопластам, особенно фторполимерам. Смолу PVDF нагревают и обрабатывают для использования в экструзии и литье под давлением для производства Трубы ПВДФ, листы, покрытия, пленки и формованные изделия из ПВДФ, такие как контейнеры для массовых грузов. 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

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 в проволока монтажная схема и печатная плата доработка - изоляция ПВДФ. В этом случае проволока обычно упоминается как «проволока Kynar» по торговому наименованию.

Пьезоэлектрические свойства ПВДФ используются при производстве тактильные сенсоры, недорого тензодатчики, и легкий звук преобразователи. Пьезоэлектрические панели из ПВДФ используются на счетчике пыли Venetia Burney Student, научном инструменте Новые горизонты космический зонд, который измеряет плотность пыли в внешняя солнечная система.^{[нужна цитата ]}

PVDF - стандартный связующий материал, используемый при производстве композитных электродов для литий-ионных батарей.^[11] Раствор ПВДФ 1−2% по массе в N-метил-2-пирролидон (NMP) смешивается с активным материалом-накопителем лития, таким как графит, кремний, олово, LiCoO.₂, LiMn₂О₄, или LiFePO₄ и проводящая добавка, такая как угольно черный или углеродные нановолокна. Эта суспензия заливается на металлический токоприемник, и NMP испаряется, образуя композит или паста электрод. PVDF используется, потому что он химически инертен в используемом диапазоне потенциалов и не реагирует с электролитом или литием.

В биомедицине

В биомедицинских науках ПВДФ используется в иммуноблоттинг как искусственная мембрана (обычно с размером пор 0,22 или 0,45 микрометра), по которым 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 для специальных моноволоконные лески, продается как фторуглеродный заменитель нейлоновой мононити. Поверхность тверже, поэтому она более устойчива к истиранию и острым рыбьим зубам. это оптическая плотность ниже нейлона, что делает леску менее заметной для острого рыбьего глаза. Кроме того, он плотнее нейлона, поэтому быстрее тонет по направлению к рыбе.^[12]

Преобразователи из ПВДФ имеют то преимущество, что они более динамически подходят для модальное тестирование чем полупроводник пьезорезистивные преобразователи и более совместимы 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

PVDF используется в качестве трубопроводов, листов и внутренних покрытий в высокотемпературных, горячих кислотных и радиационных средах из-за характеристик сопротивления PVDF и верхних пороговых значений 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, общий), воздухозаборники и подводящий трубопровод котла.

Другие формы

Сополимеры

Сополимеры PVDF также используются в пьезоэлектрических и электрострикционный Приложения. 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 - P (VDF-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: d₃₃ значения для P (VDF-TFE) были зарегистрированы до -38 пC / N^[14] по сравнению с -33 пКл / Н в чистом ПВДФ.^[15]

Терполимеры

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] Эта релаксор -на основании сегнетоэлектрик терполимер получают путем случайного включения объемного третьего мономера (хлортрифторэтилен, CTFE) в полимерную цепь сополимера P (VDF-TrFE) (который по своей природе является сегнетоэлектрическим). Такое 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 полностьютранс конформация, которая приводит к большой электрострикционной деформации и высокой комнатной температуре диэлектрическая постоянная из ~ 50.^[18]

Смотрите также

• Сегнетоэлектрические полимеры
• Закон клайбера
• Сегнетоэлектричество
• Пироэлектричество

использованная литература

1. «поли (виниленфторид) (CHEBI: 53250)». Получено 14 июля, 2012.
2. Чжан, К. М., Бхарти, В., Каварнос, 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. Каваи, Хейджи (1969). «Пьезоэлектричество поливинилиденфторида». Японский журнал прикладной физики. 8 (7): 975–976. Bibcode:1969JaJAP ... 8..975K. Дои: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». Наномасштаб. 8 (1): 120–128. Bibcode:2015Нано ... 8..120л. Дои: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:2016Мате .... 9..671л. Дои:10.3390 / ma9080671. ЧВК  5510728. PMID  28773798.
7. «Физико-механические свойства». Arkema, Inc. Инновационная химия.
8. «Данные о характеристиках и характеристиках ПВДФ» (PDF). Решения для пластиковых труб.
9. Преведурос К., Казинс И. Т., Бак Р. С., Корзенёвски С. Х. (январь 2006 г.). «Источники, судьба и транспорт перфторкарбоксилатов». Environ. Sci. Technol. 40 (1): 32–44. Bibcode:2006EnST ... 40 ... 32P. Дои:10.1021 / es0512475. PMID  16433330.
10. Чжан, Циву; Лу, Цзиньфэн; Сайто, Фумио; Барон, Мишель (2001). «Механохимическая твердофазная реакция между поливинилиденфторидом и гидроксидом натрия». Журнал прикладной науки о полимерах. 81 (9): 2249. Дои:10.1002 / app.1663.
11. Ordoñez, J .; Gago, E. J .; Жирар, А. (01.07.2016). «Процессы и технологии переработки и утилизации отработанных литий-ионных аккумуляторов». Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии. 60: 195–205. Дои:10.1016 / j.rser.2015.12.363. ISSN  1364-0321.
12. История Seaguar - Сайт производителя Kureha America, Inc. В архиве 2010-06-20 на 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. Дои: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. Дои:10.1063/1.364300.
15. Nix, E. L .; Уорд, И. М. (1986). «Измерение сдвиговых пьезоэлектрических коэффициентов поливинилиденфторида». Сегнетоэлектрики. 67: 137–141. Дои:10.1080/00150198608245016.
16. Сюй, Хайшэн; Cheng, Z.-Y .; Олсон, Дана; Mai, T .; Zhang, Q. M .; 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:2001АпФЛ..78.2360Х. Дои:10.1063/1.1358847.
17. Бао, Хуэй-Минь; Сун, Цзяо-Фань; Чжан, Хуан; Шен, Цюнь-Донг; Ян, Чанг-Чжэн; Чжан, К. М. (3 апреля 2007 г.). «Фазовые переходы и поведение сегнетоэлектрического релаксора в терполимерах P (VDF-TrFE-CFE)». Макромолекулы. Публикации ACS. 40 (7): 2371–2379. Дои: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 активных материалов на основе электрострикции". Труды SPIE: Поведение и механика многофункциональных материалов и композитов 2015. Поведение и механика многофункциональных материалов и композитов 2015. Сообщество инженеров фотографического приборостроения (SPIE). 9432: 943206. Bibcode:2015SPIE.9432E..06A. Дои:10.1117/12.2084785. ISBN  9781628415353. S2CID  120322803.