
以其独特的半结晶结构和优良的电、机械、热等性能而闻名的聚偏氟乙烯(Poly(vinylidene fluoride),简称PVDF)其化学式为((C_2H_2F_2)_n)。依托于对氟乙烯的自由基聚合而得,其分子链上交替的出现的氟原子为其赋予了极强的化学惰性和良好的耐腐蚀性等一系列优良的性能。
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结构与相态
但在常温下PVDF均以其独特的α相(非极性)存在,而经拉伸或电场的极化后可转变为β相(极性),其β相的链段都呈全反式的构型,从而赋予了材料了显著的压电、铁电和热电等一系列的独特的功能性性能。同时还存在着一系列的较低的能量次元的γ、δ等的相对态分别对应了不同的链构象和极性.。
主要性能
其对酸、碱、几乎所有的有机溶剂、油脂均表现出极佳的抗蚀能力,尤其适用于严苛的化工环境中的各种设备的防腐防蚀。
其具有较好的热稳定性,熔点可达140-170℃,最高可用温度可达约150℃,且热分解温度高,可在高温的条件下保持其结构的完整性。
其机械性能均较高,尤其密度约1.78g·cm⁻³的它,且具备较好的柔韧性和较高的耐疲劳性。同时其拉伸强度、弯曲强度和冲击强度也均较高。
其在β相下表现出高的介电常数和较为显著的压电系数(d₃₃可达50pC·N⁻¹以上),同时也具备了较好的铁电滞回特性,尤其适合作为自供电的传感器及能量的收集材料等。
其表面所具有的较低的能量、较小的粗糙度尤其使其在防污、防水的涂层中表现出极优的防污染的能力。
常见加工方式
依托于对常规的薄膜、棒材、管材等的挤出/注塑加工,我们可以较为方便地制备出相应的产品。
通过将溶液的浇铸或流延的工艺手段对其所形成的薄膜均匀的对其后续的极化处理就大大方便了。
凭借借助静电纺丝的独特优势,我们已成功地将纳米纤维的膜制备的比表面积大大地提升了,并对其压电的响应也作了较好的研究,同时将其广泛地应用于柔性传感器的开发以及各种中微子的过滤材料的研究等方面.。
依托于对其的α→β的诱导相转变不仅能显著地提高其压电的性能,而且还能使其具有铁电的双相转变的特性.。
典型应用
1. 传感与执行器:利用其压电效应,PVDF 薄膜被用于压力、应变、声波、温度等多种传感器,以及微型执行器和声学换能器。
2. 能量收集:在机械振动或冲击下产生电荷,适合作为柔性纳米发电机或自供电电子系统的能量源。
3. 膜材料:因耐化学、耐高温和低表面能,PVDF 常用于防水防油薄膜、海水淡化/废水处理的微孔过滤膜以及医药、食品包装的防污染膜。
4. 航空航天与电缆:其优异的耐候、耐火和电绝缘性能使其成为航空航天复合材料、耐高压电缆外护层的理想材料。
5. 生物医学:生物相容性好、无毒,PVDF 薄膜被用于组织工程支架、可穿戴健康监测设备以及医药过滤组件。
6. 柔性电子:结合共聚物(如 PVDF‑TrFE)或填充纳米填料,可制备柔性电容器、介电层和柔性电路基材。
发展趋势
凭借对其的掺杂如陶瓷粉体、碳纳米管或金属氧化物等的方法不仅提高了其介电常数和压电系数,有效的满足了其更高的能量密度的需求。
随着静电纺丝、3D打印等微纳加工的逐步发展,对PVDF的微型传感阵列及可穿戴的集成也更加便捷了。
通过对绿色制备的探索,如对低的的溶剂或对溶剂的回收等,我们可以大大地降低了其生产过程的环境的负荷。
借助对其性质的深入的研究和对其的不断的改性和加工,聚偏氟乙烯已表现出其独特的化学惰性、优异的热机械稳健性,并因其优异的电活性,已在传感、能量的收集、膜的分离、航空航天、生物医学等众多领域都得到了广泛的应用,并随着材料的改性和加工的不断的进步,其将持续向更高的性能,更广阔的应用前景迈进。
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