Технические характеристики, получение и поляризация пленок поливинилиденфторида

Размещено на http://allbest.ru

Технические характеристики, получение и поляризация пленок ПВДФ

Биятенко Юрий Николаевич,

Гаврилов Сергей Олегович

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время идет активный поиск и исследование новых материалов, обладающих пьезосвойствами, то есть способностью эффективно конвертировать механическое воздействие в электрический заряд. В этой связи все большее внимание начинают привлекать электроактивные полимеры. Одним из их наиболее ярких и перспективных представителей является поливинилиденфторид (ПВДФ), который может использоваться в качестве датчиков и преобразователей акустических сигналов. Основными преимуществами данного материала являются:

- Относительно легкое получение пленок ПВДФ больших площадей.

- Пластичность пленок ПВДФ.

- Высокая стойкость к механическим повреждения, коррозийным воздействиям и ультрафиолетовому излучению.

Все это делает данный материал весьма привлекательным для использования его пленок в качестве покрытий, устойчивых к погодным условиям и к тому же обладающих пьезосвойствами.

1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ПВДФ (-CH2-CF2-)n - это гибкоцепной аморфно-кристаллический полимер с температурой плавления 171-178°С и температурой стеклования Tcт=-40°С. Пьезоэлектрические свойства ПВДФ, зависят от полиморфного состава кристаллической фазы (различают б-, в-, г-, и б_р-модификации), морфологического разнообразия структуры, а также неоднородностей аморфных зон.

Он способен проявлять выраженный пьезоэлектрический эффект только при наличии большой доли сильнополярных сегнетоэлектрических кристаллитов в-формы, однако кристаллизация ПВДФ в обычных условиях приводит к образованию слабополярной б-модификации.

В настоящее время сополимеры винилиденфторида с трифторэтиленом изучены более полно, чем гомополимер, поскольку они способны кристаллизоваться с образованием кристаллитов в-формы без дополнительных воздействий.

Однако введение звеньев сомономеров в ПВДФ приводит к существенному понижению степени кристалличности и температуры Кюри (при которой исчезают сегнетоэлектрические свойства), поэтому задача получения пленки ПВДФ с высоким содержанием модификации остается весьма актуальной.

На данный момент основными зарубежные марками пленок ПВДФ являются Solef™, Kynar™, KF-Polymer™.

В России же наиболее близким аналогом является фторопласт-2Э, а также модифицированный ПВДФ - фторопласт-2М.

Основные технические характеристики данного вида пленок приведены в таблице 1.

поливинилиденфторид пьезоэлектрический вытяжка

Таблица 1. Технические характеристики пленок ПВДФ

ПВДФ - очень чистый полимер, не содержит, в отличие от других пластиков, остатков каталитической системы, термо- и УФ- стабилизаторов, смазочных материалов, пластификаторов, антипиренов.

Стойкость к ультрафиолету. Поливинилиденфторид содержит большое количество фтора, а связь между атомами углерода и сильно электроотрицательными атомами фтора чрезвычайно прочная (энергия диссоциации 480 кДж/мол). Поэтому ПВДФ превосходно сопротивляется УФ радиации.

2. ПОЛУЧЕНИЕ ПЛЕНОК ПВДФ

Основной задачей при получении пленки ПВДФ является добиться максимально высокого содержания в ней кристаллитов в-формы. Так как именно от этого зависят пьезоэлектрические характеристики образцов. На сегодняшний день одним из наиболее продуктивных способов формирования кристаллитов в-формы в ПВДФ является ориентационная вытяжка пленки (экструзия). Одним из важнейших параметров при ориентационной вытяжке является температура процесса, установлено [1], что при температуре вытяжки в 50^оС достигаются наилучшие показатели (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость доли кристаллитов в-формы от температуры вытяжки при степени вытяжки 50%.

После вытяжки пленку подвергают отжигу при 140^оС. На стадии отжига образцов происходит совершенствование кристаллической структуры (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость доли кристаллитов в-формы от степени растяжения для пленок ПВДФ, вытянутых при 50°С (1), и для тех же образцов после отжига при 140°С (2)

Основные структурные превращения на этом этапе связаны с резким увеличением размеров кристаллитов. Именно в результате отжига образец приобретает жесткоэластические свойства, т.е. способность к большим обратимым деформациям при высоком модуле упругости.

Наиболее значительные изменения структуры пленок имеют место при одноосном растяжении - третьей стадии процесса формирования пористой структуры пленок. При растяжении в направлении ориентации расстояние между участками соседних ламелей, соединенных проходными цепями, почти не изменяется, а несоединенные друг с другом участки раздвигаются, что приводит к изгибу ламелей.

В результате раздвижения и изгиба ламелей между ними возникают разрывы сплошности (поры), которые при больших степенях растяжения образца сливаются друг с другом, образуя сквозные каналы. Необходимо отметить, что в реальном образце формирование пористой структуры сопровождается процессами ориентации, разрыва проходных цепей и разрушения кристаллитов. На заключительной стадии - термофиксации - происходит релаксация внутренних напряжений, накопленных в процессе растяжения. В результате сформированная структура становится ненапряженной, и размеры охлажденной пористой пленки не изменяются во времени.

3. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ПЛЕНОК ПВДФ И ИЗМЕРЕНИЕ ПЬЕЗОМОДУЛЯ

Для поляризации пленок ПВДФ и регистрации пьезоэффекта на них наносятся контактные электроды. Металлизация пьезопленки может быть выполнена с помощью эластичной серебряной краски, либо напыленным металлом. Пьезопленка с металлизацией на эластичной серебряной краске применяется тогда, когда пьезопленка используется в условиях механического воздействия. Эластичная серебряная краска обладает следующими характеристиками:

· Теоретическая укрывистость - 1 литр на 5 кв. м. (мокрый слой 200мкм.).

· Эластичность 1мм (Sheen).

· Плотность - 1,65-1,68 г/см3.

· Вязкость - 2-3Па*сек(Haake).

· Твердость - 3Dg (Эриксон).

· Рекомендуемая толщина слоя - 120-200мкм.

· Рекомендуемое количество слоев - 1.

· Содержание серебра - 45 - 55%, полиурената - 18 - 25%, добавок - 01,- 0,5%.

· Содержание твердых веществ -70%.

· Адгезия - 5В (ASTM D-3359-78).

· Сопротивление -«полоса: длина - 10см, ширина - 1см, толщина- 100мкм (сухой)» -0,6 - 2,0 Ом

Такая металлизация также дает возможность изготавливать электроды по спецификации заказчика, и кроме этого, лучше приспособлена для крепления проводников.

Тонкая напыленная металлизация более хрупка, и используется в тех случаях, когда требуемое соотношение сигнала к шуму диктует наличие очень маленькой массы электродов.

Стандартный напыленный медно-никелевый сплав обладает хорошей проводимостью и стойкостью к оскидантам. По желанию заказчика может быть выполнено напылением золотом.

Поляризацию проводят, обрабатывая пленку электрическим полем постоянного тока, помещая ее между электродами или в коронном разряде в течение 30 минут. При этом значения напряженности поля находятся в интервале 30 - 150кВ/мм в зависимости от толщины пленки и ее пористости . Кроме того важна и температура поляризации.

При 90^оС (рис. 3) достигаются наилучшие результаты и при этом структура образца не претерпевает изменений.

Рис. 3. Зависимость разности потенциалов от приложенной нагрузки и температуры поляризации пленок ПВДФ.

Известен также способ получения пьезопленочных материалов, в котором процесс вытяжки пленки совмещен с процессом поляризации, пат. США. Между циклами поляризации пленка может подвергаться ультрафиолетовому излучению для увеличения качества характеристик.

Для получения информации о пьезосвойствах на ПВДФ пленку оказывают растягивающее воздействие и после снятия напряжения с электродов рассчитывают пьезомодуль по формуле:

где С - емкость пленки(Ф), V - изменение электрического напряжения(В), F - приложенная сила(Н), А - площадь электродов(см²), В - площадь поперечного сечения(см²).

Полученные значения пьезомодуля зависят от напряженности электрического поля, а также от пористости пленки. Так в [1] максимальное значение пьезомодуля d₃₁ = 8,3 пкКл/Н были получены при E_поля = 38 МВ/м и пористости P = 5% (таблица 1).

Таблица 1. Зависимость пьезомодуля d₃₁ пористых пленок ПВДФ при температуре поляризации 90°С от напряженности поляризующего поля (E_поля) и пористости (P).

Попытки увеличить напряженность поля приводили к пробою образца.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дмитриев И. Ю. Электроактивные полимерные системы на основе пористых пленок поливинилиденфторида : диссертация кандидата физико-математических наук : 02.00.06 Санкт-Петербург, 2007 154 с. РГБ ОД, 61:07-1/901

2. Быстров В.С., Парамонова Е.В. Компьютерное моделирование свойств ПВДФ и П(ВДФ-ТрФЭ) нанопленок при фазовом переходе и эмиссионная cпектроскопия их поляризации. Математическая биология и биоинформатика. 2011. Т. 6. No2. С. 273-297.

3. Лущейкин Г.А. Новые полимерсодержащие пьезоактивные материалы. г.Москва, Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 6.

АННОТАЦИЯ

Технические характеристики, получение и поляризация пленок ПВДФ

Биятенко Юрий Николаевич, Гаврилов Сергей Олегович

Данная статья является обзорной. В ней рассматриваются пленки на основе поливинилиденфторида (ПВДФ), а именно, их получение, процесс поляризации и основные технические характеристики.

Размещено на Allbest.ru