پلی وینیلیدین فلوراید (PVDF) که با نام های پلی وینیلیدین دی فلوراید و PVF نیز شناخته می شود.2، بخشی از خانواده فلوروپلیمرها است. گروهی از مواد پلیمری تخصصی و همه کاره با خواص متمایز که از پیوند قوی بین اتم‌های کربن و اتم‌های فلوئور و محافظ فلوئور ستون فقرات کربن ناشی می‌شود. PVDF یک پلیمر تخصصی با خواص پیرو الکتریک و پیزوالکتریک است و در ساخت محصولات متنوع با خلوص بالا، استحکام بالا و مقاومت شیمیایی بالا برای کاربردهای الکتریکی، الکترونیکی، زیست پزشکی، ساختمانی، سیستم های سیال، روغن استفاده می شود. و گاز و صنایع غذایی [1][2].

در اینجا، با این موارد آشنا خواهید شد:

• PVDF چیست؟
• نحوه تولید PVDF
• خواص PVDF چیست؟
• کاربردهای اصلی PVDF
• نحوه استفاده از PVDF در تولید مواد افزودنی
• بازار و کاربردهای آینده PVDF چیست؟

Solef® PVDF Solvay برای غشاهای اولترافیلتراسیون. (اعتبار: Solvay)

PVDF چیست؟

PVDF یک پلیمر نیمه کریستالی و ترموپلاستیک است. درجه بلورینگی آن بسته به روش تهیه در محدوده 35 تا 70 درصد متغیر است. [3]. چیزی که آن را خاص می کند این است که ترکیبی منحصر به فرد از خواص مکانیکی و الکتریکی (یعنی پیزوالکتریک) دارد، استانداردهای بالایی از خلوص را حفظ می کند و در برابر اکثر مواد شیمیایی از جمله حلال ها، اسیدها و هیدروکربن ها مقاومت بالایی دارد.

با فرمول شیمیایی (CH2= CF2)_n، PVDF در وسط بین قرار می گیرد پلی اتیلن (PE: (CH2=CH2)_n ) و پلی تترا فلوراتیلن (PTFE: (CF2= CF2)_n ). ساختار شیمیایی ساده آن به آن انعطاف پذیری PE و برخی از محدودیت های استریوشیمیایی PTFE را می دهد. ساختارهای مختلف مولکولی و کریستالی PVDF بسته به آماده سازی نمونه ها تغییر می کند [4].

پلی مورفیسم کریستالی پیچیده PVDF را نمی توان در سایر پلیمرهای مصنوعی یافت. پنج شکل کریستالی شناخته شده در PVDF وجود دارد: آلفا، بتا، گاما، دلتا و اپسیلون. [5]. فاز بتا رایج ترین شکل مورد استفاده است و همراه با فازهای آلفا و گاما فازهای اصلی را تشکیل می دهند:

• فاز آلفا غیر قطبی است و در فرآیند ذوب از تبلور مذاب در هر دما ایجاد می شود.
• فاز بتا یک فاز جهت دار است که از تغییر شکل مکانیکی نمونه از طریق کشش مکانیکی تک محوری یا دو محوری در دمای زیر 70 درجه سانتی گراد حاصل می شود. بیشترین کاربرد را برای کاربردهای پیزوالکتریک دارد.
• فاز گاما شکل خاصی است که تحت شرایط خاص ایجاد می شود. می توان آن را از طریق تبلور در دماهای نزدیک به نقطه ذوب فاز آلفا از طریق ریخته گری مذاب یا ریخته گری محلول تولید کرد.

تولید PVDF

PVDF از پلیمریزاسیون رادیکال آزاد مونومر وینیلیدین دی فلوراید (1،1-دی فلوئورواتیلن) ​​تولید می شود. این فرآیند در حضور امولسیون بین 10 تا 150 درجه سانتیگراد تحت فشار 10 تا 300 اتمسفر رخ می دهد.

مواد PVDF با استفاده از ریخته گری مذاب پردازش و به قطعات و پوشش ها تبدیل می شود یا از محلولی مانند ریخته گری محلول، پوشش اسپین و ریخته گری فیلم پردازش می شود.

• ریخته گری مذاب: را پلیمر حرارت داده می شود تا ذوب شود و سپس در قالبی به شکل دلخواه ریخته می شود تا جامد و سرد شود. [6].
• ریخته گری محلول: پلیمر در محلول مناسب حل می شود تا غشاهای پلیمری متخلخل ایجاد شود. قطبیت، دما و وزن مولکولی حلال عوامل کلیدی در حلالیت PVDF هستند. [7].
• پوشش چرخشی: پلیمر به لایه های نازک از فاز بتای بالاتر تبدیل می شود، جایی که فیلم ها کشیده می شوند یا در معرض فشار بالا یا میدان الکتریکی قرار می گیرند تا دستگاه های لایه نازک پیزوالکتریک ایجاد شوند. [8].
• بازیگری فیلم: با استفاده از یک روش اکستروژن سفارشی، پلیمر به فیلم های یکنواخت با کیفیت بالا یا ورق های نازک پردازش می شود. این فرآیند همچنین به عنوان شناخته شده است اکستروژن فیلم [6].

خواص PVDF

برخی از بارزترین ویژگی های PVDF عبارتند از [1]:

• مقاومت در برابر سایش عالی
• پایداری حرارتی خوب
• مقاومت در برابر اشعه ماوراء بنفش (UV) و تابش پر انرژی
• مقاومت بالا در برابر خزش تحت تنش طولانی (خزش)
• مقاومت بالا در برابر خستگی در هنگام بارگذاری چرخه ای
• قدرت دی الکتریک بالا
• مقاومت در برابر اکثر مواد شیمیایی و حلال ها
• جذب کم آب؛ در دمای اتاق کمتر از 5 درصد آب را جذب می کند
• از نظر مکانیکی قوی تر از سایر فلوروپلیمرها (به عنوان مثال PTFE) شناخته شده است.
• مطابق با استانداردهای کاربردهای فرآوری مواد غذایی (غیر سمی و مقاوم در برابر باکتری ها و قارچ ها)

جدول 1 برخی از خواص مکانیکی، الکتریکی و حرارتی معمول این پلیمر را خلاصه می کند.

میز 1. ویژگی های معمولی PVDF

	PVDF
ویژگی های مکانیکی
استحکام کششی (در دمای 23 درجه سانتیگراد)	9 تا 120 مگاپاسکال
مقاومت فشاری (در دمای 23 درجه سانتیگراد)	13.8 – 172 مگاپاسکال
ازدیاد طول در تسلیم (در 23 درجه سانتیگراد)	3.5 – 40٪
قدرت تسلیم (در 23 درجه سانتیگراد)	4.8 – 120 مگاپاسکال
مدول الاستیک (در 23 درجه سانتیگراد)	0.03 – 17.1 گیگا پاسکال
مدول خمشی (در 23 درجه سانتیگراد)	0.07 – 20.9 گیگا پاسکال
چگالی (در 23 درجه سانتیگراد)	0.7 – 1.89 گرم در سانتی متر3
جذب آب (در دمای 23 درجه سانتیگراد)	0.01 – 0.5٪
خواص الکتریکی
قدرت دی الکتریک (در 23 درجه سانتیگراد)	1.4 – 110 کیلو ولت بر میلی متر
مقاومت سطحی (در 23 درجه سانتیگراد)	1*1010 – 1*1014 اهم/مربع
ثابت دی الکتریک (در 23 درجه سانتیگراد)	6 – 8
مقاومت حجمی (در 23 درجه سانتیگراد)	1*106 – 3.2 * 106 اهم. سانتی متر
خواص حرارتی
نقطه ذوب	92 – 342 درجه سانتیگراد
ظرفیت گرمایی ویژه (در 23 درجه سانتیگراد)	665 – 1500 J/kg.K
هدایت حرارتی (در 23 درجه سانتیگراد)	0.13 – 0.19 W/mK
ضریب انبساط حرارتی (در 23 درجه سانتیگراد)	2*10-5 – 2.6*10-4 / ک
دمای انتقال شیشه ای	-43.3 – -38.3 درجه سانتی گراد

کاربردهای PVDF

برخی از رایج ترین کاربردهای قطعات PVDF عبارتند از [1][2][4]:

• رشته ها برای تولید مواد افزودنی
• نیمه هادی ها با خلوص بالا
• جدا کننده سیم و کابل
• غشاهای مصنوعی، زیست پزشکی
• پردازش زباله های هسته ای
• کاربردهای لوله و پمپاژ
• پردازش شیمیایی عمومی
• غشاهای تصفیه آب
• فرآوری مواد غذایی و دارویی
• باتری و سنسور
• پوشش معماری

PVDF برای تولید مواد افزودنی

مواد با عملکردهای پیزوالکتریک به دلیل ایجاد کرنش مکانیکی، زمانی که در معرض میدان الکتریکی قرار می گیرند، تمایل به کشیده شدن دارند. این مواد برای چاپ سه بعدی دستگاه های الکترونیکی مانند حسگرها و محرک ها اهمیت زیادی دارند.

علاوه بر خواص پیزوالکتریک، PVDF بدون سرب است که آن را در کاربردهای زیست پزشکی و صنایع غذایی مطلوب می کند. همچنین یک ماده منعطف است، ویژگی مورد نیاز در کاربردهایی که نیاز به جابجایی زیاد دارند. حسگرهای پیزوالکتریک PVDF حساسیتی دارند که مستقیماً تحت تأثیر غلظت و جهت فازهای قطبی است. متداول ترین روش چاپ سه بعدی که محصولات PVDF را چاپ می کند، ساخت فیلامنت ذوب شده (FFF) است که به عنوان مدل سازی رسوب ذوب شده (FDM) نیز شناخته می شود. در اینجا، یک رشته PVDF از طریق یک نازل گرم شده اکسترود می شود، که مواد را برای چاپ مایع می کند. [9].

یک مطالعه بررسی شده در سال 2017 اثرات پارامترهای فرآیند FFF را بر روی خواص یک فیلم PVDF چاپ شده، از جمله زاویه پر شدن، دمای اکستروژن، سرعت افقی، مواد بستر و ولتاژ انتهای داغ اعمال شده نشان داد. نتایج نشان داد که نرخ نسبتاً سریع اکستروژن همراه با دمای اکستروژن پایین و ولتاژ انتهای داغ بالا منجر به محتوای فاز بتا بالاتر می‌شود. فیلم های PVDF چاپ شده با محتوای فاز β بالا، پس از قرار گرفتن در معرض یک روش قطبی تاج پس از چاپ، یک پاسخ پیزوالکتریک کوچک و ثابت را نشان دادند. [10].

بنابراین، PVDF به دلیل سهولت فرآیند، انعطاف پذیری و زیست سازگاری، به عنوان یک ماده عالی برای ساخت افزودنی دستگاه های پیزوالکتریک شناخته می شود.

رشته های PVDF برای تولید مواد افزودنی ارائه عملکرد طولانی مدت تا 120 درجه سانتیگراد، مقاومت شیمیایی استثنایی، مقاومت بالا در برابر UV، هوازدگی و اکسیداسیون [11]. دمای ذوب پایین PVDF باعث می شود تا رشته ها برای انواع مدل های چاپگر قابل دسترسی باشند. [12].

فیلامنت Solef® PVDF Solvay. (اعتبار: IGO3D)

بازار و آینده پلی وینیلیدین فلوراید

بازار PVDF عمدتا توسط لوله ها و اتصالات، باتری های لیتیوم یون و نیمه هادی ها کنترل می شود. انتظار می‌رود بازار PVDF بین سال‌های 2021 تا 2026 با CAGR حدود 5 درصد رشد کند. منطقه آسیا-اقیانوسیه، به‌ویژه چین، بزرگ‌ترین تولیدکننده و همچنین بزرگترین مصرف‌کننده است و انتظار می‌رود در همین مدت به جایگاه پیشرو ادامه دهد. عادت زنانه [2].

انتظار می رود که خواص متعدد PVDF بر بازار صنعت در حال رشد زیست پزشکی تأثیر بگذارد [2]. PVDF یکی از معدود پلیمرهایی است که برای غشاهای ریز متخلخل به دلیل خواص فیلتراسیون خاص آنها و همچنین برای تجهیزات جانبی متنوعی مانند پمپ ها، لوله ها، اتصالات و سایر قطعات در تماس با سیالات استفاده می شود. [13]. همچنین انتظار می‌رود که تقاضاهای بالا برای پوشش‌ها، فیلم‌های فتوولتائیک، محصولات نفت و گاز و کاربردهای الکتریکی نیز به رشد این بازار و کاربردهای آن کمک کند. [14].

[1] Drobny، JG، 2009، فناوری فلوروپلیمرها، 2nd نسخه، CR Press

[2] تحقیقات گراند ویو، گزارش تحلیل اندازه بازار پلی‌وینیلیدین فلوراید، سهم و روند براساس برنامه، چشم‌انداز منطقه‌ای، استراتژی‌های رقابتی و پیش‌بینی‌های بخش، 2019 تا 2025، [Online]

[3] سینا ابنسجاد، 1390، مقدمه ای بر فلوروپلیمرها، در کتابخانه طراحی پلاستیک، کتابچه راهنمای مهندسی پلاستیک کاربردی، انتشارات ویلیام اندرو، 1390، صفحات 49-60

[4] لی اس.، 2006، دایره المعارف پردازش شیمیایی، جلد 4، تیلور و فرانسیس، نیویورک

[5] گرگوریو جونیور آر.، 2006، تعیین فازهای کریستالی a، b و g فیلم های پلی (وینیلیدین فلوراید) تهیه شده در شرایط مختلف، مجله علمی کاربردی پلیمر، جلد 6، شماره. 4، صص 3272-3279، [Online]

[6] سپهری ع.، 1391، توسعه لایه نازک پلی وینیلیدین فلوراید ساختار یافته میکرو سه بعدی (PVDF).، پایان نامه کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک، دانشگاه ایالتی سن دیگو

[7] سولوی، راهنمای پردازش غشاهای پلیمری، بولتن فنی، پلیمرهای ویژه، [Online]

[8] Roopa TS، Murty N، Swathi HS، Angadi G، و Harish DVN، 2019، سنتز و خصوصیات لایه‌های نازک خاک رس/PVDF با روکش چرخشی، بولتن علوم مواد، سال 42، شماره 15، [Online]

[9] ماراندیا ام.، تاربوتن جی.2019، ساخت افزودنی سنسورهای کوپلیمری پیزوالکتریک PVDF-TrFE تک لایه و دو لایه، Procedia Manufacturing، جلد 34، صفحات 666-671، [Online]

[10] Porter DA، Hoang TVT، و Bearfield TA، 2017، اثرات قطبش درجا و پارامترهای فرآیند بر خواص مکانیکی و الکتریکی ورق PVDF چاپ شده در ساخت فیلامنت ذوب شده، جلد 13، صفحات 81-92، [Online]

[11] Kumasi Sadasivuni K.، Deshmuck K. و Almahaaded MA، چاپ سه بعدی و چهار بعدی مواد نانوکامپوزیت پلیمری، فرآیندها، کاربردها و چالشاس، الزویر، کمبریج MA

[12] سولوای، ​​2019، ماده جدیدی برای پرینت سه بعدی؟ سولوی متوجه شد…، [Online]

[13] راه حل های پلیمر، 2015، تاثیر فلوروپلیمرها بر صنعت تجهیزات پزشکی، [Online]

[14] بینش بازار آینده، بازار پلی وینیلیدین فلوراید (PVDF): تجزیه و تحلیل صنعت جهانی و ارزیابی فرصت 2014 – 2020، [Online]

مراجع محتوای نوار کناری:

[a] فوکادا ای.، 2000، تاریخچه و پیشرفت اخیر در پلیمرهای پیزوالکتریک، IEEE Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics, and Frequency Control, جلد 47, شماره 6, p.1277-90, [Online] موجود در

[b] براون ال اف و هریس GR، 2000، مقدمه ای بر ویژه نامه در 30هفتم سالگرد کشف PVDF پیزوالکتریک, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 47، شماره 6، نوامبر 2000، [Online] موجود در