Polivinilidén-fluorid

Polivinilidén-fluorid
IUPAC-névPoli(1,1-difluoretilén)
Más nevekPolivinilidén-difluorid, poli(vinilén-fluorid); Kynar; Hylar; Solef; Sygef; poli(1,1-difluoretán)
Kémiai azonosítók
CAS-szám24937-79-9
PubChem6369
EINECS-szám607-458-6
MeSHpolyvinylidene+fluoride
ChEBI53250
Beilstein11405848
Kémiai és fizikai tulajdonságok
Kémiai képlet(C2H2F2)n
Megjelenésátlátszó vagy fehér szilárd anyag
Olvadáspont177 °C
Oldhatóság (vízben)nem oldódik
Kristályszerkezet
Dipólusmomentum2.1 D
Ha másként nem jelöljük, az adatok az anyag standardállapotára (100 kPa) és 25 °C-os hőmérsékletre vonatkoznak.

A polivinilidén-fluorid, más néven polivinilidén-difluorid hőre lágyuló, enyhén reakcióképes fluortartalmú polimer. 1,1-Difluoretén polimerizációjával állítható elő. Képlete (C2H2F2)n.

Speciális műanyag, melyet nagy tisztaságot, oldószereknek, savaknak és szénhidrogéneknek való ellenállás szükségessége esetén használnak. Sűrűsége alacsony (1,78 g/cm3) más fluorpolimerekhez, például a PTFE-hez képest.

Csővezetékekben, lapkákban, filmekben és szigetelőként is elérhető magas minőségű vezetékekhez. Injektálható, alakítható vagy hegeszthető, és gyakran használják a vegy-, a félvezető-, az orvosi és a védelmi iparban, valamint lítiumion-akkumulátorokban. Keresztkötött zártcella-habként is kapható, ezt egyre gyakrabban használják a repülésben és a légtérben, valamint egzotikus 3D-nyomtató-szálként. Használható ételekkel érintkezésben is, mivel megfelel az FDA előírásainak, és bomlási hőmérséklete alatt nem mérgező.

Finom porként magas minőségű fémfestékek összetevője. Ezek a festékek jól tartják fényességüket és színüket. Sok épületen használják, például a malajziai Petronas-tornyokon és a tajvani Taipei 101-en, valamint kereskedelmi és lakóépületek fémtetőin.

Használják ezenkívül western blotokban is fehérjék rögzítésére.

Szuperkondenzátorok szénelektródjának kötőanyagaként és más elektrokémiai alkalmazásokban is előfordul.

Nevek

A PVDF-ot több márkanéven árulják, ilyenek például a KF (Kureha), a Hylar (Solvay), a Kynar (Arkema) és a Solef (Solvay).

Jellemzők

1969-ben erős piezoelektromosságot figyeltek meg a PVDF-ben, az dipólusmomentum-indukcióhoz erős elektromos mező alá helyezett vékony filmek esetén ez 6–7 pCN volt, 10-szer nagyobb bármely más polimerénél.

Üvegesedési hőmérséklete (Tg) −35 °C, de általában 50–60%-ban kristályos. Piezolektromosságához mechanikusan megnyújtják a molekulaláncok elrendezéséhez, majd polarizálják. A PVDF több formában létezhet a lánc transz- (T) vagy gauche- (G) konformációjától függően: az α- és δ-fázis TGTG’, a β-fázis TTTT, a γ- és ε-fázis TTTGTTTG’ elrendezésben található. Az α- ε-fázis nem piezoelektromos az elemi cellán belül ellentétes irányú dipólusok miatt. A β-, γ- és δ-fázisok dipólusai azonban párhuzamosak, így poláris kristályok 0-tól eltérő dipólusmomentummal. E fázisok közül a β-fázis emelkedik ki jelentős maradékpolarizációja és az elemi cellánkénti legmagasabb dipólusmomentumával, így nagyobb érdeklődés övezi a többi fázishoz képest. A polarizált PVDF ferroelektromos polimer, erős piezo- és piroelektromossággal. Ezek hasznossá teszik szenzorokban és akkumulátorokban. Vékony PVDF-filmeket használnak egyes újabb hőkamerák szenzoraiban.

Más gyakori piezoelektromos anyagoktól, például az ólom-cirkonát-titanáttól (PZT) eltérően a PVDF d33-értéke negatív. Ez azt jelenti, hogy azonos elektromos mezőnek kitéve csökken a térfogata növekedés helyett vagy fordítva.

Termikus

A PVDF-gyanta 375 °C-ig stabilnak bizonyult.

Kémiai szenzitivitás

A PVDF más fluorpolimerekhez hasonlóan az erős bázisokkal, a kausztikumokkal, az észterekkel és a ketonokkal szemben érzékeny.

Szintézis

A PVDF előállítható 1,1-difluoreténből (vinilidén-fluorid, VDF) szabad vagy kontrollált gyökös polimerizációval, ez azonban nem regiospecifikus, ennek eredményeképp orientációs izomerek jöhetnek létre, ahol a monomerek konfigurációja fej-fej vagy fej-farok lehet.

3 orientációs PVDF-izomer

A regiospecificitás javítására használható a kopolimerizáció. Egy ilyen módszer a prekurzorpolimer 1-klór- vagy 1-bróm-2,2-difluoreténnel való reakciója. A klórozott és brómozott monomereket a CF2-oldali szénatomon támadja a növekvő –CH2CF2· gyökkel. A tributilón-hidriddel történő redukciós deklórozás vagy debrómozás után ezek a végső polimerben ismét H2CCF2 egységgé alakulnak. Így a PVDF regioizomerje alakul ki.

Regioszelektív polimerszintézis sematikus rajza
A 2 leggyakoribb konformáció (tg+tg− és mind-transz) sematikus ábrája. Sárgával a fluor, fehérrel a hidrogén, szürkével a szén atom van jelölve.

Feldolgozás

Többek közt kiöntésre és oldatalapú feldolgozásra (például oldatöntés, forgó bevonás, filmbevonás) használják. PVDF-ből előállítható Langmuir–Blodgett-film is. Oldatalapú feldolgozáskor a leggyakoribb oldószerek a dimetilformamid és az illékonyabb butanon. Vizes emulziós polimerizáció során a felületaktív heptadekafluornonanoátot használják a monomer oldhatóságát javító feldolgozássegítő anyagként. Könnyebben olvasztható, mert olvadáspontja más fluorpolimerekénél alacsonyabb – mintegy 177 °C.

A feldolgozott anyagok általában a nem piezoelektromos α-fázisban vannak, nyújtás vagy hőkezelés után keletkezik a piezoelektromos β-fázis. Kivétel ez alól a mikrométeres nagyságrendű vastagságú PVDF vékony film. A vékony filmek és a szubsztrátok közti maradékfeszültség általában elég nagy, hogy létrehozza a β-fázist.

A piezoelektromos válaszhoz az anyag nagy elektromos térben polarizálandó. Az anyag polarizálása általában 30 MV/m feletti külső teret igényel. A vastag (általában 100 μm feletti) filmek ez alatt hevítendők a nagy piezoelektromos válaszhoz, általában 70–100 °C-ra hevítik ez alatt.

Egy kvantitatív defluorozási folyamatot írtak le 2001-ben mechanokémiailag a biztonságos és környezetbarát PVDF-hulladék-feldolgozáshoz.

Alkalmazás

Ultratiszta vizet szállító PVDF cső

A PVDF termoplasztikus műanyag a többi termoplasztikus műanyaghoz, különösen a fluorpolimerekhez hasonló alkalmazásokkal. A PVDF-gyantát hevítik és kezelik az extrúziós és injekciós formázáshoz PVDF csövek, lapok, bevonatok, filmek és formázott PVDF termékek, például tartályok előállítása végett. Gyakori ipari alkalmazásai például:

Az elektronikában

A PVDF gyakori elektromosvezeték-szigetelő réteg, mert rugalmas, alacsony tömegű, kevéssé vezeti a hőt, ellenáll a kémiai korróziónak és a hőnek. A tekercselt huzalkötéssel létrehozott áramkörökben és a nyomtatott áramkörök átdolgozásában használt legtöbb 0,315 mm átmérőjű huzalt PVDF szigeteli. Ez alkalmazási területekben nevezik Kynar-huzalnak is a védjegynév alapján.

A PVDF piezoelektromos tulajdonságait használják az érintésérzékelő-sorokban, az olcsóbb nyúlásmérő bélyegekben és a könnyű hangtranszduktorokban. A PVDF piezoelektromos paneleket használja a New Horizons egy, a külső Naprendszer porsűrűségét mérő műszere, a Venetia Burney Student Dust Counter.

A PVDF szabványos kötőanyag a lítiumion-akkumulátorok összetett elektródjainak előállításához. 1–2 tömegszázalék PVDF N-metilpirrolidin-2-onos oldatát keverik aktív lítiumtároló anyaggal, például grafittal, szilíciummal, ónnal, LiCoO2-dal, LiMn2O4-dal vagy LiFePO4-tal és egy elektromos vezető adalékanyaggal, például korommal vagy szénszálakkal. E keveréket féms kollektorra öntik, majd az NMP-t elpárologtatják összetett elektródot adva. A PVDF-használat oka, hogy a használati tartományon belül inert, és nem reagál az elektrolittal vagy a lítiummal.

Az orvostudományban

Az orvostudományban a PVDF-et az immunblotokhoz mesterséges membránként használják (általában 0,22 vagy 0,45 μm pórusmérettel), melyen a fehérjéket elektromosan szállítják (például western blothoz). A PVDF ellenáll az oldószereknek, ezért e membránok könnyen leválaszthatók, majd más fehérjék elemzésére újrahasználhatók. A PVDF membránok más orvosi alkalmazásokban is előfordulhatnak például membrános filtrációs eszközökben fecskendő- vagy kerékszűrőkhöz. Az anyag bizonyos tulajdonságai, például a hőállóság és kémiai ellenállóság, valamint az alacsony fehérjeaffinitás az anyagot értékessé teszik az orvostudományban gyógyszer-előkészítéshez sterilizáló szűrőként és analitikai minták elemzésére használt szűrőként például magas teljesítményű folyadékkromatográfia (HPLC) esetén, ahol kis mennyiségű részecske is károsíthatja az érzékeny és drága eszközöket.

A PVDF transzduktorok előnye, hogy dinamikusan jobban megfelel a modális teszteléshez, mint a félvezetős piezorezisztív transzduktorok, és a szerkezetbe jobban integrálhatók, mint a piezokerámiás transzduktorok. Ezért és alacsony költségük miatt a PVDF szenzorok alkalmazása a szerkezeti és egészségi mérőrendszerek fontos része.

Magas hőmérsékleten

A PVDF használatos csövek, lapok és belső burkolatok anyagaként magas hőmérsékletű, forró savas, magas sugárzású környezetekben a PVDF ellenálló-képessége és felső hőmérsékleti határai révén. Csőalapanyagként 120 °C-ig megbízható. Például alkalmazzák nukleáris reaktorok hulladékának kezeléséhez, kémiai szintézishez és termeléshez (például kénsavhoz), légterekhez és kazáncsövekhez.

További használat

A PVDF használatos speciális egyszálas damilokhoz a poliamid szálak fluorozott helyettesítőjeként. Felszíne keményebb, így ellenállóbb az abrázióval és az éles halfogakkal szemben. Abszorbanciája kisebb, így kevésbé különböztethető meg a halszemeknek, ezenkívül sűrűbb, így gyorsabban süllyed.

Egyéb formák

Kopolimerek

A poli(vinilidén-fluorid-ko-hexafluorpropilén) vagy PVDF-HFP a műfűben használt kopolimer.

A PVDF-kopolimereket használják piezoelektromos és elektrostrikciós célra is. Az egyik leggyakoribb kopolimer a P(VDF-TrFE) (poli(vinilidén-fluorid-trifluoretilén)), mely 50:50 és 65:35 tömegarányokban (56:44 és 70:30 móltörtnek megfelelő) kapható. További példa a P(VDF-TFE) (poli(vinilidén-fluorid-tetrafluoretilén)). Ez a piezoelektromos választ a kristályszerkezet javításával növeli.

While the copolymers' unit structures are less polar than that of pure PVDF, the copolymers typically have a much higher crystallinity. This results in a larger piezoelectric response: d33 values for P(VDF-TFE) have been recorded to be as high as −38 p C/N compared to −33 pC/N in pure PVDF.

Terpolimerek

A PVDF-terpolimerek a legígéretesebbek az elektromechanikailag indukált feszültésg terén. A leggyakoribb PVDF-alapú terpolimerek a P(VDF-TrFE-CTFE) és a P(VDF-TrFE-CFE). E relaxoralapú ferroelektromos terpolimer a harmadik monomer (klór-trifluoretén, CTFE) ferroelektromos P(VDF-TrFE) kopolimerbe való véletlenszerű beágyazódásával keletkezik. E véletlenszerű beágyazódás megtöri a ferroelektromos poláris fázis hosszú távú rendezettségét, nanopoláris doméneket létrehozva. Elektromos tér alkalmazásakor e domének konformációja mind transz állapotba vált, jelentős elektrostriktív feszültséget és standard hőmérsékleten 50 körüli dielektromos állandót eredményezve.

Jegyzetek

  1. ↑ "poly(vinylene fluoride) (CHEBI:53250)". Hozzáférés: 2012. július 14.
  2. ↑ Zhang QM, Bharti V, Kavarnos G (2002). "Poly (Vinylidene Fluoride) (PVDF) and its Copolymers". In Schwartz M (ed.). Encyclopedia of Smart Materials. Vol. 1–2. John Wiley & Sons. 807–825. o.{{cite book}}: CS1 karbantartás: több név: szerzőfelsorolás (link)
  3. ↑ "PVDF (Polyvinylidene fluoride, Tecaflon ®, Solef®, Kynar®) | Plastics International". 2023. december 2. dátummal az eredeti címről archiválva. Hozzáférés: 2024. január 11.
  4. ↑ Kawai, Heiji (1969). "The Piezoelectricity of Poly (vinylidene Fluoride)". Japanese Journal of Applied Physics. 8 (7): 975–976. Bibcode:1969JaJAP...8..975K. doi:10.1143/JJAP.8.975. S2CID 122316276.
  5. ↑ Martins, P.; Lopes, A.C.; Lanceros-Mendez, S. (2014. április). "Electroactive phases of poly(vinylidene fluoride): Determination, processing and applications". Progress in Polymer Science. 39 (4): 683–706. doi:10.1016/j.progpolymsci.2013.07.006. ISSN 0079-6700.
  6. ↑ Lolla, Dinesh; Gorse, Joseph; Kisielowski, Christian; Miao, Jiayuan; Taylor, Philip L.; Chase, George G.; Reneker, Darrell H. (2015. december 17.). "Polyvinylidene fluoride molecules in nanofibers, imaged at atomic scale by aberration corrected electron microscopy". Nanoscale. 8 (1): 120–128. Bibcode:2015Nanos...8..120L. doi:10.1039/c5nr01619c. ISSN 2040-3372. PMID 26369731. S2CID 205976678.
  7. ↑ Lolla, Dinesh; Lolla, Manideep; Abutaleb, Ahmed; Shin, Hyeon U.; Reneker, Darrell H.; Chase, George G. (2016. augusztus 9.). "Fabrication, Polarization of Electrospun Polyvinylidene Fluoride Electret Fibers and Effect on Capturing Nanoscale Solid Aerosols". Materials. 9 (8): 671. Bibcode:2016Mate....9..671L. doi:10.3390/ma9080671. PMC 5510728. PMID 28773798.
  8. ↑ "Physical and Mechanical Properties". Arkema, Inc. Innovative Chemistry. 2021. szeptember 22. dátummal az eredeti címről archiválva. Hozzáférés: 2024. január 11.
  9. 1 2 "PVDF Performance & Characteristics Data" (PDF). Plastic Pipe Solutions.
  10. ↑ Cais, R.E.; Kometani, J.M. (1985). "Synthesis and two-dimensional NMR of highly aregic poly(vinylidene fluoride)". Macromolecules. 18 (6): 1354–1357. Bibcode:1985MaMol..18.1354C. doi:10.1021/ma00148a057.
  11. ↑ Prevedouros K, Cousins IT, Buck RC, Korzeniowski SH (2006. január). "Sources, fate and transport of perfluorocarboxylates". Environ. Sci. Technol. 40 (1): 32–44. Bibcode:2006EnST...40...32P. doi:10.1021/es0512475. PMID 16433330.{{cite journal}}: CS1 karbantartás: több név: szerzőfelsorolás (link)
  12. ↑ Zhang Q, Lu J, Saito F, Baron M (2001). "Mechanochemical solid-phase reaction between polyvinylidene fluoride and sodium hydroxide" (PDF). Journal of Applied Polymer Science. 81 (9): 2249. doi:10.1002/app.1663.{{cite journal}}: CS1 karbantartás: több név: szerzőfelsorolás (link)
  13. ↑ Poppe A, James D, Jacobsmeyer B, Horányi M (2010). "First results from the Venetia Burney Student Dust Counter on the New Horizons mission". Geophysical Research Letters. 37 (11). doi:10.1029/2010GL043300. S2CID 129795884. Hozzáférés: 2023. augusztus 17.{{cite journal}}: CS1 karbantartás: több név: szerzőfelsorolás (link)
  14. ↑ Ordoñez, J.; Gago, E. J.; Girard, A. (2016. július 1.). "Processes and technologies for the recycling and recovery of spent lithium-ion batteries" (PDF). Renewable and Sustainable Energy Reviews. 60: 195–205. doi:10.1016/j.rser.2015.12.363. ISSN 1364-0321.
  15. ↑ Guzman, E.; Cugnoni, J.; Gmür, T. (2013). "Survivability of integrated PVDF film sensors to accelerated ageing conditions in aeronautical/aerospace structures". Smart Mater. Struct. 22 (6): 065020. Bibcode:2013SMaS...22f5020G. doi:10.1088/0964-1726/22/6/065020. S2CID 136758382.{{cite journal}}: CS1 karbantartás: oldalszám helyett cikk száma (link)
  16. ↑ Seaguar history — Kureha America, Inc. manufacturer's site. Archiválva 2010. június 20-i dátummal a Wayback Machine-ben.
  17. ↑ McMenemy, Jeff (2021. december 10.). "Portsmouth to test for PFAS in new turf field. Is it dangerous? City says no. Others disagree". Portsmouth Herald. Hozzáférés: 2021. december 30.
  18. ↑ Omote, Kenji; Ohigashi, Hiroji; Koga, Keiko (1997). "Temperature dependence of elastic, dielectric, and piezoelectric properties of "single crystalline" films of vinylidene fluoride trifluoroethylene copolymer". Journal of Applied Physics. 81 (6): 2760. Bibcode:1997JAP....81.2760O. doi:10.1063/1.364300.
  19. ↑ Nix, E. L.; Ward, I. M. (1986). "The measurement of the shear piezoelectric coefficients of polyvinylidene fluoride". Ferroelectrics. 67 (1): 137–141. Bibcode:1986Fer....67..137N. doi:10.1080/00150198608245016.
  20. ↑ Haisheng X, Cheng ZY, Olson D, Mai T, Zhang QM, Kavarnos G (2001. április 16.). "Ferroelectric and electromechanical properties of poly(vinylidene-fluoride–trifluoroethylene–chlorotrifluoroethylene) terpolymer". Applied Physics Letters. 78 (16). AIP Publishing LLC, American Institute of Physics: 2360–2362. Bibcode:2001ApPhL..78.2360X. doi:10.1063/1.1358847.{{cite journal}}: CS1 karbantartás: több név: szerzőfelsorolás (link)
  21. ↑ Bao, Hui-Min; Song, Jiao-Fan; Zhang, Juan; Shen, Qun-Dong; Yang, Chang-Zheng; Zhang, Q. M. (2007. április 3.). "Phase Transitions and Ferroelectric Relaxor Behavior in P(VDF−TrFE−CFE) Terpolymers". Macromolecules. 40 (7). ACS Publications: 2371–2379. Bibcode:2007MaMol..40.2371B. doi:10.1021/ma062800l.
  22. ↑ Ahmed, Saad; Arrojado, Erika; Sigamani, Nirmal; Ounaies, Zoubeida (2015. május 14.). "Electric field responsive origami structures using electrostriction-based active materials". In Goulbourne, Nakhiah C. (ed.). Behavior and Mechanics of Multifunctional Materials and Composites 2015. Vol. 9432. Society of Photographic Instrumentation Engineers (SPIE). 943206. o. Bibcode:2015SPIE.9432E..06A. doi:10.1117/12.2084785. ISBN 978-1-62841-535-3. S2CID 120322803.

Fordítás

Ez a szócikk részben vagy egészben a Polyvinylidene fluoride című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.

További információk