PVDF主要用于對(duì)純度有極高要求,同時(shí)需要抗溶劑及酸堿腐蝕的場(chǎng)合。比起其他含氟聚合物,比如
聚四氟乙烯,PVDF的密度較低(1.78g/cm)。
PVDF可用于生產(chǎn)管材、板材、薄膜、基板以及線纜的絕緣外皮。同時(shí),其還可進(jìn)行注射成型或焊接,廣泛用于化工、半導(dǎo)體、制藥以及國(guó)防工業(yè),比如它可以用于制造
鋰離子電池。此外,它還可以制成
交叉鏈接閉孔
泡沫,在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛。
精細(xì)粉末品級(jí)的PVDF,如KYNAR 500 PVDF以及HYLAR 5000 PVDF,可以用于制造高端
金屬涂料。這種涂料具有極高的光澤度以及色澤穩(wěn)定性。在許多著名建筑中,比如
雙峰塔,
臺(tái)北101,都可以發(fā)現(xiàn)這種涂料的身影。商用建筑以及住宅的鋪
金屬屋面也可用到這種涂料。
由于PVDF薄膜對(duì)于氨基酸具有非特異親和性,因而其可以在
Western印跡法檢測(cè)中用于固定蛋白質(zhì)。
1969年,研究人員發(fā)現(xiàn)PVDF具有較強(qiáng)的
壓電效應(yīng):極化(即放入強(qiáng)電場(chǎng)產(chǎn)生凈偶極矩)薄膜的壓電系數(shù)為6-7pC/N,比當(dāng)時(shí)已發(fā)現(xiàn)的聚合物的相應(yīng)數(shù)值大10倍以上。
PVDF的
玻璃轉(zhuǎn)化溫度(T
g)約為?35°C,結(jié)晶度通常為50–60%。為了賦予材料壓電特性,材料通常會(huì)先沿著分子鏈的方向被機(jī)械拉伸,再在張力下進(jìn)行極化。PVDF有多種固態(tài)相:α相(TGTG')、β相(TTTT)以及γ相(TTTGTTTG')。這幾種相的差別在于分子鏈?zhǔn)琼樖剑═)的還是反式(G)的。PVDF在極化后會(huì)成為鐵電聚合物,具有良好的壓電性與熱釋電性。這些性質(zhì)令其可以用于生產(chǎn)傳感器與電池,比如一些新型的熱圖攝影機(jī)的傳感器就用到了PVDF薄膜。
[2] 與一些其他的
壓電材料,如
PZT,不同,PVDF的d
33值是負(fù)的。從物理意義的角度上說(shuō),這一點(diǎn)意味著,當(dāng)其他材料在電場(chǎng)中膨脹時(shí),PVDF則會(huì)收縮,反之亦然。
PVDF可以利用氣態(tài)的偏二氟乙烯單體通過(guò)自由基(或受控自由基)聚合過(guò)程合成。后續(xù)還要進(jìn)行熔鑄或溶液處理(比如溶液澆鑄、
旋涂或薄膜流延)。同時(shí)還要制備朗繆爾-布洛杰特薄膜?;谌芤旱奶幚沓S玫降娜軇┌?a target="_blank" style="color: rgb(19, 110, 194); text-decoration-line: none;">二甲基甲酰胺以及丁酮。在水性乳液聚合中,常用含氟表面活性劑,陰離子形式的全氟酸,來(lái)作為加工助劑,用于增溶單體。相較于其他含氟聚合物,聚偏二氟乙烯的熔點(diǎn)較低(約177°C),因而較易進(jìn)行熔化處理。
處理后的材料通常處于不具壓電性的α相。為了使其轉(zhuǎn)化為具有壓電性的β相,材料通常還要經(jīng)過(guò)拉伸或退火處理。微米級(jí)厚度的PVDF薄膜可以不經(jīng)過(guò)這種處理,薄膜與基板間殘余的應(yīng)力足以令其轉(zhuǎn)化為β相。
為了獲得壓電響應(yīng),材料先要在強(qiáng)電場(chǎng)中進(jìn)行極化。極化電場(chǎng)通常要大于30MV/m。為了獲得較大的壓電響應(yīng),較厚的薄膜(厚度大于100μm)要在極化過(guò)程中加熱,溫度在70-100°C之間。
機(jī)械力化學(xué)中一種定量脫氟處理可以較為環(huán)保地處理PVDF廢料。
共聚物
PVDF的共聚物也可用于制作壓電材料與電致伸縮材料。其中最常用的共聚物是偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物,比例通常約為50:50 wt% 或65:35 wt%(相當(dāng)于56:44mol%或70:30mol%)。另一種常用的共聚物是偏二氟乙烯-
四氟乙烯共聚物。它們通過(guò)提高材料的結(jié)晶性來(lái)改善壓電響應(yīng)。
由于共聚物的結(jié)構(gòu)單元比純PVDF的極性小,因而上述共聚物通常結(jié)晶度也較高。這將導(dǎo)致其壓電響應(yīng)更大:偏二氟乙烯-四氟乙烯共聚物的d33高達(dá)?38pC/N,而純PVDF相應(yīng)數(shù)值為?33pC/N。
三元共聚物
PVDF的三元共聚物可以用于制造機(jī)電致應(yīng)變材料。較為常用的PVDF基三元聚合物包括偏二氟乙烯-三氟乙烯-
三氟氯乙烯共聚物以及偏二氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯共聚物。這種基于弛豫鐵電體的三元共聚物可以通過(guò)向偏二氟乙烯-三氟乙烯聚合物鏈(本身是鐵電體)中隨機(jī)摻入膨松的三氟氯乙烯來(lái)制造。這種隨機(jī)摻雜的過(guò)程會(huì)破壞鐵電體極性相的長(zhǎng)程有序性,從而產(chǎn)生納米極性疇。當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí),無(wú)序的納米極性疇的構(gòu)象會(huì)變?yōu)槿词綐?gòu)象,這會(huì)導(dǎo)致材料具有較大的電致應(yīng)變和室溫下較高的的介電常數(shù)(~50)。
由于具有彈性、低重量、低導(dǎo)熱性、高耐化學(xué)腐蝕性以及耐熱性等多重優(yōu)良性質(zhì),PVDF常用于制作電線的絕緣外皮。常用于繞線電路的細(xì)30號(hào)線以及
印刷電路板常用PVDF絕緣。具有PVDF絕緣層的線纜常以PVDF的商標(biāo)名而被稱(chēng)為“Kynar線”。
PVDF由于具有壓電特性常用于生產(chǎn)
觸覺(jué)傳感器陣列、廉價(jià)的應(yīng)變儀以及輕量的音頻換能器。
PVDF還是鋰電池
復(fù)合電極的標(biāo)準(zhǔn)粘結(jié)劑:將溶于
N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)比重為1-2%的PVDF與石墨、硅、錫、LiCoO
2、LiMn
2O
4或是LiFePO
4這樣的活性鋰存儲(chǔ)材料以及碳黑或碳
納米纖維這樣的導(dǎo)電添加劑混合,然后將該漿料澆注在金屬集電器并蒸發(fā)掉NMP即可形成復(fù)合電極或糊電極。PVDF之所以可以用于這個(gè)場(chǎng)合是因?yàn)槠湓陔姵爻浞烹姷碾妱?shì)范圍內(nèi)具有化學(xué)惰性并且不會(huì)與電解質(zhì)或鋰反應(yīng)。
在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,PVDF薄膜常用于免疫印跡,蛋白質(zhì)會(huì)在上面電泳。由于PVDF耐溶劑腐蝕,因此檢測(cè)中使用的薄膜可以輕易剝離并重復(fù)使用,以檢測(cè)其他蛋白質(zhì)。PVDF薄膜還可以用于制作注射器式或輪式的膜過(guò)濾裝置。這種材料所具有的耐熱、耐化學(xué)腐蝕以及低蛋白質(zhì)結(jié)合等特性令其可以在制備藥物過(guò)程中用作消毒過(guò)濾器,并且在HPLC等分析的樣品制備過(guò)程中還可作為過(guò)濾器,防止昂貴的設(shè)備因這些樣品中少量的顆粒物質(zhì)而損壞。
PVDF還可用于制作專(zhuān)業(yè)單絲釣魚(yú)線,以替代傳統(tǒng)的尼龍單絲。其表面堅(jiān)硬,更耐鋒利的魚(yú)齒磨損,并且其光密度比尼龍低,令魚(yú)線更不易被敏銳的魚(yú)眼發(fā)現(xiàn)。同時(shí)其密度比尼龍大,使魚(yú)線可以更快地向著魚(yú)下沉。
PVDF傳感器相比于半導(dǎo)體壓阻傳感器更能適應(yīng)于動(dòng)態(tài)模態(tài)測(cè)試,并且在結(jié)構(gòu)整合方面相比于
壓電陶瓷換能器而言具有一定優(yōu)勢(shì)。由于成本較低且兼容性更強(qiáng),采用PVDF的
有源傳感器對(duì)于未來(lái)的
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的發(fā)展非常重要。
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