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应用广泛的聚偏氟乙烯(PVDF)材料介绍

时间:2023-06-29 理论教育 版权反馈
【摘要】:聚偏氟乙烯,简称PVDF或F2,是热塑性结晶型聚合物,其性能与F4相比,强度高,耐热性略低,但价格低,有突出的压电性、热电性、耐辐射、耐蚀及耐候性,所以应用很广,产量仅次于F4,在氟塑料中占第二位。F2为无毒性材料,且在人体中无排它性,F2及其共聚物膜对各种气体的渗透有选择性,可用作医用置入体内的人造器官及膜分离装置。F2薄膜可在160℃水蒸气中经蒸馏60h,其性能也不改变。

应用广泛的聚偏氟乙烯(PVDF)材料介绍

聚偏氟乙烯,简称PVDF或F2,是热塑性结晶型聚合物,其性能与F4相比,强度高,耐热性略低,但价格低,有突出的压电性、热电性、耐辐射、耐蚀及耐候性,所以应用很广,产量仅次于F4,在塑料中占第二位。F2有四种结晶状态,不同状态性能不同,组成了各种品种。此外,也可采用填充、增强、合金化等方法制备改性品种及导电塑料、压电塑料等功能性塑料。可采用模压、注射、挤出、浇注、喷涂等成型加工。

F2生产厂商很多,国内的有上海有机氟树脂研究所、上海曙光化工厂、四川晨光化工研究院、浙江省化工研究院,上海三F公司等。

国外的有美国Pennwalt公司、美国Diamond Sharmrock公司、德国Dynamit Nobel公司、比利时Solvay S.A.公司、日本吴羽化学公司、日本大金公司和日本昭和电工等。

1.基本性能

(1)一般性能 F2为高结晶极性聚合物,结晶度为60%~80%,相对分子质量25万~100万,密度较小(1.75~1.78g/cm3),吸水性小(0.03%~0.06%),外观呈白色半透明或透明状,手感不如F4光滑,透明料透光率为93%,折射率为1.43,成型收缩为3%左右,易着色。其结晶结构可分为α、β、γ、η四种晶型,一般情况下以α型及β型为主。由于结晶形态不同,聚合物呈现的性能也有些不同。β型结晶的F2具有特殊的压电及热电效应,可配制成压电塑料、热释电塑料。

(2)力学性能 F2是氟塑料中力学性能最好的品种。性能与聚合物中共存的α和β晶型比例有关,一般F2都具有良好的韧性。其伸长率大;拉伸强度、压缩强度和硬度都大于F4的;力学性能与ABS的相似;抗蠕变性好;耐磨性与PA的相仿;静摩擦系数大(0.4);薄膜柔软性好,折弯寿命可达75×103次;刚性大于F4,厚壁制品仍呈坚硬状。

(3)热性能 F2的耐热性低于F4的。其玻璃化温度为-39℃,脆化温度<-62℃,熔点为170~180℃,结晶熔点为140~180℃,热分解温度>316℃,热变形温度(1.82MPa)为150℃,使用温度为-40~150℃,最高使用温度为150~165℃。热稳定性良好。

F2阻燃性良好,OI值为44%,是低烟自熄性材料。其线胀系数大,为(12~14)×10-5K-1,大于F4的;热导率为0.1~0.12W/(m·K),小于F4的。

(4)电性能 F2为强极性聚合物,所以在较宽的温度和频率范围内介电常数、介质损耗因数大(>F4),体积电阻率介电强度、耐电弧性低(<F4)。但F2不吸水,耐大气和臭氧,不会因老化而降低电性能。因此,F2宜用于中、低频率和高湿度环境下的绝缘材料。另外,电性能对晶体结构及结晶度变化很敏感,故加工及使用时应充分注意。

(5)功能特性 F2均聚物和共聚物具有独特的压电特性和热电特性,可作驻极体、压电薄膜、热电传感器等。

F2为无毒性材料,且在人体中无排它性,F2及其共聚物膜对各种气体的渗透有选择性,可用作医用置入体内的人造器官膜分离装置。

(6)耐蚀性 F2耐蚀性能不及F4和PCTFE,它可耐大多数无机酸、弱碱、氧化剂脂肪酸、卤素、芳烃和氯代溶剂。但在极性较大的有机溶剂,如酮类、醚、醋酸、胺类及发烟硫酸、强碱中会发生溶胀或溶解,在室温下还会溶于二甲基亚砜、二甲基甲酰胺等少数极性溶剂,在100℃时可溶于二乙酯、环氧己烷、四氢呋喃等介质。F2薄膜可在160℃水蒸气中经蒸馏60h,其性能也不改变。

(7)耐候、耐辐射性 F2耐候性优异,具有优异的耐紫外线及耐气候老化性能,在紫外线(波长为200~400nm)及107Gy的γ射线照射下性能几乎不变,且因γ线会促使其发生交联反应,其性能还会稍有提高。F2薄膜经20年曝晒后,仍有挠性,不脆不裂。其涂料可广泛用作户外超强耐候性材料。

2.加工性及成型工艺

F2为非牛顿流体,在氟塑料中加工性最好,可使用普通加工设备采用模压、注射、挤出、吹塑、流延、喷涂、浇注、涂覆等方法加工管材、板材、棒材、成型制品、薄膜、纤维及织物。

(1)成型特点 F2的成型特性如下:

1)熔点与结晶状态、结晶度有关,一般在158~197℃范围内。

2)熔点与分解温度相差约130℃,故热稳定性好,但熔体在料筒滞留时间长会增大熔体粘度或炭化。

3)熔体粘度高,在250℃时粘度为102~104Pa·s,所以加工时加工温度必须在220~270℃其粘度才能满足注射、挤出成型的要求。不同成型工艺必须选用相应品级的F2品种。

4)大多数氟塑料熔体对金属有腐蚀性,所以设备及模具接触熔体部分,应采用耐蚀钢材或进行镀铬处理。

5)不吸湿,加工前可不用干燥处理,也不用加入润滑剂和稳定剂。为了提高性能也可加入石墨、MoS2、玻璃纤维、碳纤维等填充料。

6)导热性差,制品冷却慢,常采用急冷。这会影响结晶体型比例及结晶度,需酌情处理。F2热刚性好,制品在90℃以下即可脱模。(www.xing528.com)

7)成型收缩率较大,一般为3%左右。

(2)常用成型工艺 下面介绍几种常用的F2成型工艺。

1)模压成型。用高镍不锈钢或镀硬铬钢制作模具。成型前原料应在烘箱中预热到180~190℃,模具应加热到165℃。加入粉料后合模加压,压力为14MPa,加热到180~195℃,保压时间5min,然后用水急冷或在压力下缓冷到90℃以下即可脱模。为了去除内应力,稳定制品尺寸,可在135~150℃烘箱中进行退火处理。

2)注射成型。F2可用普通注射机加工制品。采用长径比为23、压缩比为2~3的等距突变型螺杆;喷嘴采用独立加热装置,短粗直通式结构;注射机料筒、螺杆、喷嘴、模具成型零件均应采取耐蚀金属材料或镀硬铬处理。

F2注射成型工艺条件:料筒温度为230~290℃;喷嘴温度为180~260℃;模具温度为60~90℃,薄壁及形状复杂制品模温可取80~140℃,注射压力为80~110MPa;保压压力取注射压力的30%~50%;保压时间为20s;冷却时间为60s,成型周期为40~100s;螺杆转速为150r/min。

3)挤出成型。可用等距不等深螺杆,长径比为20~25,压缩比为2.5~3,螺杆、料筒、机头及口模接触熔料部位应采用不锈钢或镀硬铬处理。

成型时料筒温度为200~260℃,口模温度为220~275℃。挤出成型可加工棒、板、片、管、薄膜及电线电缆护套等制品。

4)流延浇注成型。该工艺主要用于加工薄膜。首先用二甲基乙酰胺将F2粉末配制成分散液,用流延机将分散液浇注在铝箔上,经200~300℃热熔化后快速急冷即可制得薄膜。F2含固量为20%可得厚度为0.051~0.076mm的连续强韧膜;含固量为45%在238~249℃温度下热熔冷却后可制得厚度为0.1~0.25mm的超韧透明薄膜。

5)压电薄膜成型。用流延法或辗光热压法成型的F2薄膜,以20mm/min的速度单向拉伸4~5倍,即可得到β型结构的薄膜,再用真空镀膜法在薄膜两面镀上厚度约为0.1μm的铝、金或银等箔作为电极,再经直流电场极化处理即可制成压电薄膜。其极化温度为80~100℃,极化电场强度为500kV/cm,极化时间为30~60min。

6)喷涂成型。喷涂成型是将F2的分散液喷涂在被喷涂面上,经烧结后可得到一次涂层,多次重复喷涂后,即可得到一定厚度的涂层、不同含固量的分散液喷涂工艺条件及可达到的一次涂层厚度及最终涂层厚度也不同。20%(质量分数)F2二甲基乙酰胺分散液烧结温度为210℃,一次涂层厚为0.05~0.08mm;45%(质量分数)的分散液烧结温度为260~275℃,一次涂层厚为0.1~0.15mm,最后可达0.6mm左右。其一般喷涂工艺条件:喷涂制品必须经表面活化处理,且加热到250℃左右;喷涂空气压力为0.1MPa,喷涂速度为100g/min;喷涂后制品先在120~200℃下加热20min去除溶剂,再于240~260℃下加热20min进行烧结成型。

3.制品应用

1)用作压电或热电制品。由于F2压电薄膜柔软性好,电压输出常数大,音响阻抗小,机械共振小,超声波分辨力好,绝缘及介电性好,各向压电性好,成型性好,能制薄膜化和大面积制品,所以应用很广,目前广泛用作头戴式受话器、扬声器、超声波探测器、水听器、医疗听诊器、心声及血压测定传感器、海波发电元件、热光导摄像管、红外线探测传感器、火灾报警器及不接触测温计等。

2)在电子电气方面,可作电线电缆包覆层、电缆护套、热收缩管、接线板、印制电路板、电容器介质和电解隔板等。

3)薄膜制品。F2可制作平挤膜、流延膜、挤吹膜、单向或双向拉伸膜、压电及热电膜等,可制成具有微孔、超滤、气体选择性及反渗透功能性的薄膜,且价格比F4、FEP、PFA等薄膜便宜,易加工,故广泛用于食品、制药、化学试剂半导体工业、生物工程环保工程中作各种膜分离装置。

4)在化工领域,主要用作耐腐蚀管道、管件、泵、阀门、储槽及容器、反应装置的衬里、密封垫圈、耐蚀齿轮轴承及耐蚀涂层等。

5)在医疗方面,可作人造肺、肾器官及官疗器材。

6)在机械设备方面,可作齿轮、轴承等结构件及设备防腐涂层。

7)其他方面,如在军工产品中可作压电引信、火箭和飞机连接电线、推进剂燃料密封材料等。

建材中可作室内外装饰或防护用涂料,薄膜及高层建筑物用的电缆,可不用金属管。

F2还可做成机织布和无纺布,机织布可用作耐蚀过滤布等。

某国外F2的性能数据见表10-52。

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