Polyvinylidenfluorid - Wikipedia

Polyvinylidenfluorid oder Polyvinylidendifluorid ( PVDF ) ist ein hochreaktives thermoplastisches Fluorpolymer, das durch Polymerisation von Vinylidendifluorid hergestellt wird.

PVDF ist ein Spezialkunststoff, der in Anwendungen verwendet wird, die höchste Reinheit sowie Beständigkeit gegen Lösungsmittel, Säuren und Kohlenwasserstoffe erfordern. Im Vergleich zu anderen Fluorpolymeren wie Polytetrafluorethylen (Teflon) hat PVDF eine geringe Dichte (1,78 g / cm ³ ).

Es ist erhältlich als Rohrleitungsprodukte, Blech, Schläuche, Filme, Platten und Isolatoren für Premiumdraht. Es kann gespritzt, gegossen oder geschweißt werden und wird üblicherweise in der chemischen, Halbleiter-, Medizin- und Verteidigungsindustrie sowie in Lithium-Ionen-Batterien verwendet. Es ist auch als vernetzter, geschlossenzelliger Schaum erhältlich, der zunehmend in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt wird. Es kann auch in wiederholtem Kontakt mit Lebensmitteln verwendet werden, da es FDA-konform und absolut ungiftig ist. ^[3]

Als feines Pulver ist es ein Bestandteil von High-End-Produkten Farben für Metalle. Diese PVDF-Lacke haben eine extrem gute Glanz- und Farbretention. Sie sind in vielen prominenten Gebäuden auf der ganzen Welt im Einsatz, wie z. B. den Petronas Towers in Malaysia und Taipei 101 in Taiwan sowie auf gewerblichen und privaten Metalldächern.

PVDF-Membranen werden aufgrund ihrer unspezifischen Affinität für Aminosäuren in Western-Blots zur Immobilisierung von Proteinen verwendet.

PVDF wird auch als Bindemittelkomponente für die Kohlenstoffelektrode in Superkondensatoren und für andere elektrochemische Anwendungen verwendet.

PVDF wird unter verschiedenen Markennamen verkauft, darunter KF (Kureha), Hylar (Solvay), Kynar (Arkema) und Solef (Solvay).

Eigenschaften [ edit ]

1969 wurde eine starke Piezoelektrizität in PVDF beobachtet, wobei der piezoelektrische Koeffizient von gepolt (unter einem starken elektrischen Feld angeordnet wurde, um ein Nettodipolmoment zu induzieren) dünn war Filme mit einer Größe von 6–7 pC / N: 10-fach größer als bei anderen Polymeren. ^[4]

PVDF hat eine Glasübergangstemperatur (T _g ) von etwa –35 ° C und ist typischerweise zu 50–60% kristallin. Um dem Material seine piezoelektrischen Eigenschaften zu verleihen, wird es zur Orientierung der Molekülketten mechanisch gedehnt und anschließend unter Spannung gepolt. PVDF gibt es in verschiedenen Formen: Alpha (TGTG ') -, Beta (TTTT) - und Gamma (TTTGTTTG') - Phasen, abhängig von den Kettenkonformationen als trans (T) - oder Gauche (G) -Bindungen. Wenn gepolt, ist PVDF ein ferroelektrisches Polymer, das effiziente piezoelektrische und pyroelektrische Eigenschaften aufweist. ^[5] Diese Eigenschaften machen es für Sensor- und Batterieanwendungen nützlich. In einigen neueren Wärmebildkamerasensoren werden dünne PVDF-Filme verwendet.

Im Gegensatz zu anderen populären piezoelektrischen Materialien, wie z. B. Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), weist PVDF einen negativen d ₃₃ -Wert auf. Physikalisch bedeutet dies, dass PVDF komprimiert wird, anstatt sich auszudehnen oder umgekehrt, wenn es dem gleichen elektrischen Feld ausgesetzt wird. ^[6]

Thermal [ edit

PVDF-Harz wurde starken Hitzeexperimenten ausgesetzt um seine thermische Stabilität zu testen. PVDF wurde zehn Jahre lang bei 302 ° F (150 ° C) gehalten und die folgenden Messungen zeigten, dass kein thermischer oder oxidativer Zusammenbruch stattfand. PVDF-Harz ist stabil bis 375 ° C (707 ° F). ^[7]

Chemische Verträglichkeit [ ]

PVDF zeigt eine erhöhte chemische Beständigkeit und Kompatibilität zwischen thermoplastischen Materialien. PVDF gilt als ausgezeichnet / inert gegenüber:

• Starke Säuren, schwache Säuren


• Ionische Salzlösungen


• Halogenierte Verbindungen


• Kohlenwasserstoffe


• Aromatische Lösungsmittel


• Aliphatische Lösungsmittel


• Oxidationsmittel


• Schwache Basen [196590289] Chemische Empfindlichkeit edit ]
  

  PVDF zeigt, ähnlich wie andere Fluorpolymere, eine chemische Empfindlichkeit im Allgemeinen mit den folgenden chemischen Familien:
  

  
  
  • Starke Basen, Kaustik
  
  
  • Ester
  
  
  • Ketone ^[8]

  Intrinsische Eigenschaften und Widerstand [ edit

  
  

  Polyvinylidenfluorid drückt in bestimmten Anwendungen mit hohem Fokus inhärente Widerstandseigenschaften aus. Dies sind nämlich: Ozonoxidationsreaktionen, Kernstrahlung, UV-Schäden und mikrobiologisches Pilzwachstum. Die Beständigkeit von PVDF gegen diese Bedingungen ist bei thermoplastischen Materialien ziemlich ausgeprägt. Die Kohlenstoff- und Fluoridelementstabilität von PVDF trägt zu dieser Beständigkeit sowie der polymeren Integration von PVDF während seiner Verarbeitung bei.
  

  
  

  Processing edit

  
  

  PVDF kann aus dem gasförmigen Vinylidenfluorid (VDF) -Monomer über ein radikalisches (oder kontrolliertes radikalisches) Polymerisationsverfahren synthetisiert werden. Daran können sich Verfahren wie Schmelzgießen oder Verarbeitung aus einer Lösung (z. B. Lösungsgießen, Schleuderbeschichten und Filmgießen) anschließen. Langmuir-Blodgett-Filme wurden ebenfalls gemacht. Bei der lösungsbasierten Verarbeitung schließen typische Lösungsmittel Dimethylformamid und das flüchtigere Butanon ein. Bei der wässrigen Emulsionspolymerisation wird das Fluortensid Perfluornonansäure in Anionenform als Verarbeitungshilfsmittel verwendet, indem Monomere solubilisiert werden. ^[9] Im Vergleich zu anderen Fluorpolymeren ist es aufgrund seines relativ niedrigen Schmelzpunkts um 177 ° C leichter zu schmelzen.
  

  Verarbeitete Materialien befinden sich typischerweise in der nicht-piezoelektrischen Alpha-Phase. Das Material muss entweder gedehnt oder geglüht werden, um die piezoelektrische Beta-Phase zu erhalten. Eine Ausnahme bilden PVDF-Dünnschichten (Dicke in der Größenordnung von Mikrometern). Restspannungen zwischen dünnen Filmen und den Substraten, auf denen sie verarbeitet werden, sind groß genug, um die Betaphase zu bilden.
  

  Um eine piezoelektrische Antwort zu erhalten, muss das Material zuerst in einem großen elektrischen Feld gepolt werden. Das Poling des Materials erfordert typischerweise ein äußeres Feld von über 30 MV / m. Dicke Filme (typischerweise> 100 um) müssen während des Polungsvorgangs erhitzt werden, um eine große piezoelektrische Reaktion zu erreichen. Dicke Filme werden normalerweise während des Poliervorgangs auf 70 bis 100 ° C erhitzt.
  

  Ein quantitatives Defluorierungsverfahren wurde von Mechanochemistry ^[10] für die umweltfreundliche Verarbeitung von PVDF-Abfällen beschrieben.
  

  
  

  Anwendungen edit ]

  
  
  
  
  

  PVDF ist ein Thermoplast, der Vielseitigkeit für Anwendungen zeigt, die anderen Thermoplasten, insbesondere Fluorpolymeren, ähneln. PVDF-Harz wird erhitzt und zur Extrusion und zum Spritzgießen verarbeitet, um PVDF-Rohre, -Folien, -Beschichtungen, -Filme und geformte PVDF-Produkte, wie Schüttgutbehälter, herzustellen. Übliche industrielle Anwendungen für PVDF-Thermoplaste sind: ^[8]

  
  
  • Chemische Verarbeitung
  
  
  • Elektrizität, Batterien und elektronische Komponenten
  
  
  • Bau und Architektur
  
  
  • Gesundheitswesen und Pharmazie
  
  
  • Biomedizinische Forschung
  
  
  • ] Reinstanwendungen
  
  
  • Umgang mit nuklearen Abfällen
  
  
  • Petrochemie, Öl und Gas
  
  
  • Verarbeitung von Nahrungsmitteln, Getränken
  
  
  • Wasser- und Abwassermanagement

  PVDF in Electronics / Electricity ]]

  
  

  PVDF wird aufgrund seiner Kombination aus Flexibilität, geringem Gewicht, niedriger Wärmeleitfähigkeit, hoher chemischer Korrosionsbeständigkeit und Wärmebeständigkeit häufig als Isolation für elektrische Leitungen verwendet. Der größte Teil des schmalen 30-Gauge-Drahtes, der in der Wire-Wrap-Schaltungsbaugruppe und bei der Nachbearbeitung von Leiterplatten verwendet wird, ist PVDF-isoliert. In dieser Verwendung wird der Draht im Allgemeinen als "Kynar-Draht" bezeichnet.
  

  Die piezoelektrischen Eigenschaften von PVDF werden bei der Herstellung von taktilen Sensorarrays, kostengünstigen Dehnungsmessstreifen und leichten Audiowandlern ausgenutzt. Piezoelektrische Panels aus PVDF werden beim Venetia Burney Student Dust Counter eingesetzt, einem wissenschaftlichen Instrument der New Horizons-Weltraumsonde, die die Staubdichte im äußeren Sonnensystem misst. ^{[ Zitat benötigt ]}

  PVDF ist das Standardbindematerial, das bei der Herstellung von Verbundelektroden für Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird. ^{[ Zitat benötigt} 1–2% ige Lösung von PVDF gelöst in N -Methyl-2-pyrrolidon (NMP) wird mit einem aktiven Lithiumspeichermaterial wie Graphit, Silizium, Zinn, LiCoO ₂ LiMn ₂ gemischt. O ₄ oder LiFePO ₄ und ein leitfähiges Additiv wie Ruß oder Kohlenstoffnanofasern. Diese Aufschlämmung wird auf einen metallischen Stromkollektor gegossen und das NMP wird verdampft, um eine Verbund- oder Pastenelektrode zu bilden. PVDF wird verwendet, weil es über den verwendeten Potentialbereich chemisch inert ist und nicht mit dem Elektrolyten oder Lithium reagiert.
  

  
  

  PVDF in der biomedizinischen Wissenschaft [ edit ]

  
  

  In den biomedizinischen Wissenschaften wird PVDF im Immunoblotting als künstliche Membran (üblicherweise mit 0,22 oder 0,45 Mikrometer Porengröße) verwendet, auf der Proteine ​​vorliegen werden mit Elektrizität übertragen (siehe Western Blotting). PVDF ist beständig gegen Lösungsmittel und daher können diese Membranen leicht abgelöst und erneut verwendet werden, um andere Proteine ​​zu betrachten. PVDF-Membranen können bei anderen biomedizinischen Anwendungen als Teil einer Membranfiltrationsvorrichtung verwendet werden, häufig in Form eines Spritzenfilters oder eines Radfilters. Die verschiedenen Eigenschaften dieses Materials, wie Wärmebeständigkeit, Beständigkeit gegen chemische Korrosion und geringe Proteinbindungseigenschaften, machen dieses Material in den biomedizinischen Wissenschaften für die Herstellung von Medikamenten als Sterilisationsfilter und als Filter zur Vorbereitung von Proben für Analysetechniken wertvoll B. die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC), bei der geringe Mengen an Feststoffen empfindliche und teure Geräte beschädigen können.
  

  PVDF wird für spezielle Monofilament-Angelschnüre verwendet, die als Fluorkohlenwasserstoffersatz für Nylon-Monofilament verkauft werden. Die Oberfläche ist härter und somit widerstandsfähiger gegen Abrieb und scharfe Fischzähne. Seine optische Dichte ist geringer als bei Nylon, wodurch die Schnur für scharfe Fischaugen weniger wahrnehmbar ist. Es ist auch dichter als Nylon, wodurch es schneller in Richtung Fisch sinkt. ^[11]

  PVDF-Wandler haben den Vorteil, dass sie für modale Tests dynamischer geeignet sind als Halbleiter-piezoresistive Wandler und für strukturelle Integration besser geeignet sind als piezokeramische Wandler. Aus diesen Gründen ist der Einsatz von aktiven PVDF-Sensoren aufgrund ihrer geringen Kosten und der Einhaltung der Vorschriften ein Schlüsselelement für die Entwicklung zukünftiger Verfahren zur Überwachung des strukturellen Zustands. ^[12]

  
  

  PVDF in Hochtemperaturprozessen [ edit ]

  
  

  PVDF wird als Rohrleitungs-, Platten- und Innenbeschichtung in Hochtemperatur-, heißen Säure- und Strahlungsumgebungsanwendungen aufgrund der Beständigkeitseigenschaften von PVDF und der oberen Temperaturschwellen verwendet. Als Rohrleitungen ist PVDF für eine Temperatur von bis zu 120 ° C (248 ° F) ausgelegt. Beispiele für die Verwendung von PVDF umfassen die Behandlung von Kernreaktorabfällen, die chemische Synthese und Produktion ( Schwefelsäure, üblich ), Luftkammern und Kesselleitungsleitungen.
  

  
  

  Andere Formen [ edit ]

  
  

  Copolymere [ edit

  
  

  . Copolymere von PVDF werden auch in piezoelektrischen und elektrostriktiven Anwendungen verwendet. Eines der am häufigsten verwendeten Copolymere ist P (VDF-Trifluorethylen), üblicherweise erhältlich in Verhältnissen von etwa 50:50 Gew .-% und 65:35 Gew .-% (Äquivalent zu etwa 56:44 Mol-% und 70:30 Mol-%). Ein anderes ist P (VDF-Tetrafluorethylen). Sie verbessern die piezoelektrische Reaktion, indem sie die Kristallinität des Materials verbessern.
  

  Während die Einheitsstrukturen der Copolymere weniger polar sind als die von reinem PVDF, weisen die Copolymere typischerweise eine viel höhere Kristallinität auf. Dies führt zu einer größeren piezoelektrischen Antwort: d ₃₃ Werte für P (VDF-TFE) wurden mit -38 pC / N ^[13] gegenüber -33 pC / N in reinem PVDF gemessen. ^[14]

  
  

  Terpolymers [ edit ]

  
  

  Terpolymere von PVDF sind hinsichtlich der elektromechanisch induzierten Dehnung die vielversprechendsten. Die am häufigsten verwendeten PVDF-basierten Terpolymere sind P (VDF-TrFE-CTFE) und P (VDF-TrFE-CFE). ^[15][16] Dieses auf Relaxor basierende ferroelektrische Terpolymer wird durch willkürlichen Einbau des sperrigen dritten Monomers (Chlortrifluorethylen, CTFE) hergestellt ) in die Polymerkette des P (VDF-TrFE) -Copolymers (das ferroelektrisch ist). Dieser zufällige Einbau von CTFE in P (VDF-TrFE) -Copolymer unterbricht die Fernordnung der ferroelektrischen polaren Phase, was zur Bildung von nano-polaren Domänen führt. Wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, ändern die ungeordneten nano-polaren Domänen ihre Konformation in all-trans-Konformation, was zu einer großen elektrostriktiven Belastung und einer hohen Raumtemperatur-Dielektrizitätskonstante von ~ 50 führt. ^[17]

  
  

  Siehe auch [ edit ]

  
  

  Referenzen [ edit ]

  
  
  
  

  1. ^ "Poly (vinylenfluorid) (CHEBI: 53250)" . Abgerufen 14. Juli 2012
     
  
  
  2. Q. Zhang, V. Bharti, V. Kavarnos, M. Schwartz (Hrsg.) (2002). "Polyvinylidenfluorid (PVDF) und seine Copolymere", Encyclopedia of Smart Materials, Bände 1–2 John Wiley & Sons, 807–825.
     
  
  
  3. ^ http: // www.plasticsintl.com/pvdf.htm[19659097?^19659094?[19459076?KawaiHeiji(1969)"DiePiezoelektrizitätvonPoly(vinylidenfluorid)" Japanisches Journal für angewandte Physik . 8 (7): 975. doi: 10.1143 / JJAP.8.975.
     
  
  
  4. ^ Lolla, Dinesh; Stechginster, Joseph; Kisielowski, Christian; Miao, Jiayuan; Taylor, Philip L .; Chase, George G .; Reneker, Darrell H. (2015-12-17). "Polyvinylidenfluoridmoleküle in Nanofasern, abgebildet auf atomarer Skala durch Aberrationskorrigierte Elektronenmikroskopie". Nanoskala . 8 (1): 120–128. doi: 10.1039 / c5nr01619c. ISSN 2040–3372.
     
  
  
  5. Lolla, Dinesh; Lolla, Manideep; Abutaleb, Ahmed; Shin, Hyeon U .; Reneker, Darrell H .; Chase, George G. (2016-08-09). "Herstellung, Polarisation von elektrogesponnenen Polyvinylidenfluorid-Elektretfasern und Wirkung auf das Einfangen nanoskaliger fester Aerosole". Materialien . 9 (8): 671. doi: 10.3390 / ma9080671.
     
  
  
  6. ^ "Physical and Mechanical Properties". Arkema, Inc. Innovative Chemistry
     
  
  
  7. ^ ^{a b} "PVDF Performance & Characteristics Data" (PDF) . Plastic Pipe Solutions
     
  
  
  8. ^ Prevedouros K, Cousins ​​IT, RC Buck, Korzeniowski SH (Januar 2006). "Quellen, Verbleib und Transport von Perfluorcarboxylaten". Environ Sci Technol . 40 (1): 32–44. doi: 10.1021 / es0512475. PMID 16433330.
     
  
  
  9. ^ Zhang, Qiwu; Lu, Jinfeng; Saito, Fumio; Baron, Michel (2001). "Mechanochemische Festphasenreaktion zwischen Polyvinylidenfluorid und Natriumhydroxid". Journal of Applied Polymer Science . 81 (9): 2249. doi: 10.1002 / app.1663.
     
  
  
  10. ^ Geschichte von Seaguar - Hersteller von Kureha America, Inc. Archiviert am 20.06.2010 an der Wayback Machine [19659115] ^ Guzman, E .; Cugnoni, J; Gmür, T (2013). "Überlebensfähigkeit integrierter PVDF-Filmsensoren gegenüber beschleunigten Alterungsbedingungen in Luftfahrt- und Luftfahrtstrukturen". Smart Mater Struct . 22 (6): 065020. doi: 10.1088 / 0964-1726 / 22/6/065020.
      
  
  
  11. ^ Omote, Kenji; Ohigashi, Hiroji; Koga, Keiko (1997). "Temperaturabhängigkeit von elastischen, dielektrischen und piezoelektrischen Eigenschaften von einkristallinen -Filmen aus Vinylidenfluoridtrifluorethylen-Copolymer". Journal of Applied Physics 81 (6): 2760. doi: 10.1063 / 1.364300.
      
  
  
  12. ^ Nix, EL; Ward, IM (1986). "Die Messung der piezoelektrischen Scherkoeffizienten von Polyvinylidenfluorid". Ferroelectrics 67 : 137. doi: 10.1080 / 00150198608245016.
      
  
  
  13. ^ Xu, Haisheng, Z.-Y. Cheng, T. Olson, T. Mai, QM Zhang, Kavarnos G. (16. April 2001). "Ferroelektrische und elektromechanische Eigenschaften von Poly (vinylidenfluorid-trifluorethylen-chlortrifluorethylen) terpolymer". Applied Physics Letters . AIP Publishing LLC, American Institute of Physics. 78 (16): 2360–2362. doi: 10.1063 / 1.1358847.
      
  
  
  14. ^ Bao, Hui-Min; Song, Jiao-Fan, Zh ang, Juan; Shen, Qun-Dong; Yang, Chang-Zheng; Zhang, Q. M. (3. April 2007). "Phasenübergänge und ferroelektrisches Relaxorverhalten in P (VDF-TrFE-CFE) -Terpolymeren". Macromolecules . ACS-Veröffentlichungen. 40 (7): 2371–2379. doi: 10.1021 / ma062800l
      
  
  
  15. ^ Ahmed, Saad; Arrojado, Erika; Sigamani, Nirmal; Ounaies, Zoubeida (14. Mai 2015). Goulbourne, Nakhiah C., Hrsg. "Auf elektrische Felder reagierende Origami-Strukturen unter Verwendung von aktiven Materialien auf der Basis von Elektrostriktion" Proceedings of SPIE: Verhalten und Mechanik multifunktionaler Werkstoffe und Verbundstoffe 2015 . Society of Photographic Instrumentation Engineers (SPIE). 9432 . doi: 10.1117 / 12.2084785. ISBN 9781628415353.