پلی‌وینیلیدین فلورید

پلی‌وینیلیدین فلورید یا پلی‌وینیلیدین دی‌فلوئورید (PVDF) یک فلوئوروپلیمر ترموپلاستیک بسیار غیر واکنشی است که از پلیمریزاسیون وینیلیدین دی‌فلوئورید تولید می‌شود. فرمول شیمیایی آن (C2H2F2)n است.

PVDF یک پلاستیک مخصوص است که در کاربردهایی که نیاز به بالاترین خلوص و همچنین مقاومت در برابر حلال‌ها، اسیدها و هیدروکربن‌ها دارند، استفاده می‌شود. PVDF چگالی کم ۱.۷۸ گرم بر سانتی‌متر مکعب در مقایسه با سایر فلوئوروپلیمرها، مانند پلی تترافلوئورواتیلن دارد.

این ماده به شکل محصولات لوله‌کشی، ورق، تیوب، فیلم، صفحه و عایق برای سیم‌های مرغوب موجود است. می‌توان آن را تزریق، قالب‌گیری یا جوش داد و معمولاً در صنایع شیمیایی، نیمه‌هادی، پزشکی و دفاعی و همچنین در باتری‌های لیتیوم-یونی استفاده می‌شود. همچنین به عنوان فوم سلول بسته (closed-cell foam) با پیوند عرضی (cross-linked) موجود است که به طور فزاینده‌ای در کاربردهای هوانوردی و هوافضا و به عنوان فیلامنت چاپگر سه‌بعدی استفاده می‌شود. همچنین می‌توان از آن در تماس مکرر با محصولات غذایی استفاده کرد، زیرا مطابق با FDA است و در دمای پایین‌تر از دمای تخریب خود غیرسمی است.

به عنوان یک  ریز، این ماده یکی از اجزای رنگ‌های مرغوب برای فلزات است. این رنگ‌های PVDF براقیت و ماندگاری رنگ بسیار خوبی دارند. آن‌ها در بسیاری از ساختمان‌های برجسته در سراسر جهان، مانند برج‌های دوقلوی پتروناس در مالزی و تایپه ۱۰۱ در تایوان، و همچنین در سقف‌های فلزی تجاری و مسکونی استفاده می‌شوند.

در بیوتکنولوژی، غشاهای PVDF برای تثبیت پروتئین‌ها برای وسترن بلات استفاده می‌شوند.
وسط|بندانگشتی|گردش کار وسترن بلات

PVDF همچنین به عنوان یک جزء چسبنده برای الکترود کربن در ابرخازن‌ها و سایر کاربردهای الکتروشیمیایی استفاده می‌شود.

 خواص 
در سال ۱۹۶۹، پیزوالکتریسیته قوی در PVDF مشاهده شد، به طوری که ضریب پیزوالکتریک لایه‌های نازک قطبی شده (که تحت یک میدان الکتریکی قوی قرار گرفته بودند تا گشتاور دوقطبی خالص ایجاد شود) به بزرگی ۶ تا ۷ pC/N (پیکوکولمب بر نیوتن) بود: ۱۰ برابر بزرگتر از مقدار مشاهده شده در هر پلیمر دیگری.

PVDF دمای انتقال شیشه‌ای (Tg) حدود -35 درجه سانتیگراد دارد و معمولاً 50 تا 60 درصد کریستالی است. برای ایجاد خواص پیزوالکتریک در این ماده، آن را به صورت مکانیکی می‌کشند تا زنجیره‌های مولکولی جهت‌گیری کنند و سپس تحت کشش قطبی می‌شوند. PVDF بسته به آرایش زنجیره‌ای، در چندین فاز به صورت پیوندهای ترانس (T) یا گوچ (G) وجود دارد: TGTG' برای فاز α و δ، TTTT برای فازهای β و TTTGTTTG' برای فازهای γ و ε. آرایش‌های α و ε به دلیل جهت‌گیری غیرموازی دوقطبی‌ها در سلول واحد آن، فاقد خواص پیزوالکتریک هستند. فازهای β، γ و δ دارای آرایش موازی دوقطبی هستند که آنها را به کریستال‌های قطبی با گشتاور دوقطبی غیر صفر تبدیل می‌کند. در میان این فازها، فاز β به دلیل قطبش باقیمانده قابل توجه و بالاترین گشتاور دوقطبی در هر سلول واحد، برجسته‌تر است و در مقایسه با سایرین توجه بیشتری را به خود جلب می‌کند. PVDF در حالت قطبی، یک پلیمر فروالکتریک است که خواص پیزوالکتریک و پیروالکتریک کارآمدی از خود نشان می‌دهد. این ویژگی‌ها، آن را در کاربردهای حسگر و باتری مفید می‌کند. لایه‌های نازک PVDF در برخی از حسگرهای دوربین حرارتی جدیدتر استفاده می‌شوند.بندانگشتی|شرح شماتیک دو تا از رایج‌ترین ترکیب‌های PVDF، ترکیب سمت چپ tg+tg− و ترکیب سمت راست تماماً ترانس است، کره سبز نشان دهنده اتم فلوئور، کره سفید نشان دهنده اتم هیدروژن و کره خاکستری نشان دهنده اتم کربن است.برخلاف سایر مواد پیزوالکتریک محبوب، مانند تیتانات زیرکونات سرب (PZT)، PVDF دارای مقدار d33 منفی است. از نظر فیزیکی، این بدان معناست که PVDF در معرض میدان الکتریکی یکسان، به جای انبساط، فشرده می‌شود یا برعکس.

 d33 
ضریب پیزوالکتریک یا مدول پیزوالکتریک، که معمولاً با d33 نوشته می‌شود، تغییر حجم را هنگامی که یک ماده پیزوالکتریک تحت تأثیر میدان الکتریکی قرار می‌گیرد، یا قطبش آن را در اثر اعمال تنش، کمّی می‌کند. به طور کلی، پیزوالکتریک با تانسوری از ضرایب dij توصیف می‌شود.

 حرارتی 
پلیمرهای فلوئوردار مانند PTFE و PVDF به دلیل پیوندهای قوی کربن-فلوئور (C-F) که قوی‌ترین پیوندها در شیمی آلی هستند، از نظر حرارتی بسیار پایدار هستند و به دوام این مواد در برابر حرارت کمک می‌کنند. PVDF نیمه بلوری است و به آن تعادلی از استحکام و انعطاف‌پذیری در دماهای بین -35 درجه سانتیگراد تا 160 درجه سانتیگراد می‌دهد. بالاتر از 316 درجه سانتیگراد، PVDF از طریق دهیدروفلوراسیون تجزیه می‌شود که می‌تواند منجر به تغییرات ساختاری، از جمله پیوندهای دوگانه و تغییر رنگ احتمالی ناشی از تجزیه حرارتی شود.

 دهیدروفلوراسیون 
واکنش حذفی که در آن یک اتم فلوئور و یک هیدروژن مجاور از یک مولکول حذف می‌شوند تا یک پیوند دوگانه تشکیل دهند.

 حساسیت شیمیایی 

 PVDF، مشابه سایر فلوروپلیمرها، به طور کلی در برابر خانواده‌های شیمیایی زیر حساسیت شیمیایی نشان می‌دهد:

 بازهای قوی، مواد سوزآور،

 استرها، 

 کتون‌ها.

 کاربردها 
PVDF یک ترموپلاستیک است که برای کاربردهایی مشابه سایر ترموپلاستیک‌ها، به ویژه فلوئوروپلیمرها، تطبیق‌پذیری بالایی از خود نشان می‌دهد. رزین PVDF برای استفاده در اکستروژن و قالب‌گیری تزریقی گرم می شود و برای تولید لوله‌ها، ورق‌ها، پوشش‌ها، فیلم‌های PVDF قالب‌گیری شده مانند ظروف فله‌ای. کاربردهای رایج صنعتی برای ترموپلاستیک‌های PVDF عبارتند از:
بندانگشتی|لوله‌های PVDF که برای انتقال آب فوق خالص استفاده می‌شوند
 فرآوری شیمیایی،

 برق، باتری‌ها و قطعات الکترونیکی،

 ساخت و ساز و معماری،

 مراقبت‌های بهداشتی و دارویی،

 تحقیقات زیست پزشکی،

 کاربردهای فوق خالص،

 جابجایی زباله‌های هسته‌ای،

 پتروشیمی، نفت و گاز،

 فرآوری مواد غذایی و نوشیدنی،

 مدیریت آب و فاضلاب.

 در الکترونیک / برق 
PVDF به دلیل ترکیبی از انعطاف‌پذیری، وزن کم، رسانایی حرارتی کم، مقاومت بالا در برابر خوردگی شیمیایی و مقاومت در برابر حرارت، معمولاً به عنوان عایق روی سیم‌های برق استفاده می‌شود. بیشتر "سیم‌های باریک 30 گیج (American Wire Gauge (AWG))" مورد استفاده در مونتاژ مدار سیم‌پیچی و بازسازی برد مدار چاپی، عایق PVDF دارند. در این کاربرد، این سیم عموماً با نام تجاری "سیم کینار (Kynar wire)" شناخته می‌شود.

از خواص پیزوالکتریک PVDF در ساخت آرایه‌های حسگر لمسی، کرنش‌سنج‌های ارزان قیمت و ترانسدیوسرهای صوتی سبک وزن استفاده می‌شود.

PVDF ماده اتصال‌دهنده استانداردی است که در تولید الکترودهای کامپوزیتی برای باتری‌های لیتیوم-یونی استفاده می‌شود. محلول PVDF با غلظت 1 تا 2 درصد جرمی در N-متیل-2-پیرولیدون (NMP) با یک ماده ذخیره‌سازی لیتیوم فعال مانند گرافیت، سیلیکون، قلع، LiCoO2، LiMn2O4 یا LiFePO4 و یک افزودنی رسانا مانند کربن سیاه یا نانوفیبرهای کربنی مخلوط می‌شود. این دوغاب روی یک جمع‌کننده جریان فلزی ریخته می‌شود و NMP تبخیر می‌شود تا یک الکترود کامپوزیتی یا خمیری تشکیل شود. PVDF به این دلیل استفاده می‌شود که از نظر شیمیایی در محدوده پتانسیل مورد استفاده بی‌اثر است و با الکترولیت یا لیتیوم واکنش نمی‌دهد.

 در علوم زیست پزشکی 
در علوم زیست‌پزشکی، PVDF در ایمونوبلاتینگ به عنوان یک غشای مصنوعی (معمولاً با اندازه منافذ 0.22 یا 0.45 میکرومتر) استفاده می‌شود که پروتئین‌ها با استفاده از الکتریسیته روی آن منتقل می‌شوند (به وسترن بلاتینگ مراجعه کنید). PVDF در برابر حلال‌ها مقاوم است و بنابراین، این غشاها را می‌توان به راحتی جدا کرد و برای بررسی سایر پروتئین‌ها دوباره استفاده کرد. غشاهای PVDF ممکن است در سایر کاربردهای زیست‌پزشکی به عنوان بخشی از یک دستگاه فیلتراسیون غشایی، اغلب به شکل فیلتر سرنگی یا فیلتر چرخی، استفاده شوند. خواص مختلف این ماده، مانند مقاومت در برابر حرارت، مقاومت در برابر خوردگی شیمیایی و خواص اتصال کم به پروتئین، این ماده را در علوم زیست‌پزشکی برای تهیه داروها به عنوان یک فیلتر استریل کننده و به عنوان یک فیلتر برای تهیه نمونه‌ها برای تکنیک‌های تحلیلی مانند کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا (HPLC)، که در آن مقادیر کمی از ذرات معلق می‌توانند به تجهیزات حساس و گران‌قیمت آسیب برسانند، ارزشمند می‌کند.

ترانسدیوسرهای PVDF این مزیت را دارند که از نظر دینامیکی برای آزمایش مودال نسبت به ترانسدیوسرهای پیزومقاومتی نیمه‌رسانا مناسب‌تر هستند و نسبت به ترانسدیوسرهای پیزوسرامیکی برای ادغام سازه‌ای سازگارترند. به همین دلایل، استفاده از حسگرهای فعال PVDF به دلیل هزینه کم و انطباق‌پذیری، سنگ بنای توسعه روش‌های آینده پایش سلامت سازه است.

 سایر کاربردها 
PVDF برای نخ‌های ماهیگیری تک‌رشته‌ای مخصوص استفاده می‌شود و به عنوان جایگزین فلوروکربن برای نخ‌های نایلونی تک‌رشته‌ای فروخته می‌شود. سطح آن سخت‌تر است، بنابراین در برابر سایش و دندان‌های تیز ماهی مقاوم‌تر است. ضریب شکست آن از نایلون کمتر است، که باعث می‌شود نخ برای چشم ماهی کمتر قابل تشخیص باشد. همچنین از نایلون متراکم‌تر است و باعث می‌شود سریع‌تر به سمت ماهی فرو رود.

 ایمنی و مقررات 
PVDF به طور گسترده ایمن و فراگیر در نظر گرفته می‌شود و برای تصفیه آب، صنایع غذایی و دستگاه‌های زیست‌سازگار مانند توری‌های فتق یا دستگاه‌های داخلی استفاده می‌شود. PVDF با PFAS از این نظر متفاوت است که گروه‌های متناوب آن هیدروژن هستند و این امر باعث می‌شود که در برابر دماهای بالا مقاومت کمتری داشته باشد، اما همچنین به این معنی است که محصولات جانبی به PFAS خطرناک شناخته شده تجزیه نمی‌شوند. با این حال، مطالعاتی که سمیت اکولوژیکی را بررسی می‌کنند نشان داده‌اند که غلظت‌های بسیار بالا (تا 100 میلی‌گرم در لیتر) ممکن است رفتار عروس دریایی را تغییر دهد، در حالی که برای آنها سمی نیست. در ایالات متحده، مقررات PVDF ، FDA را از نظر غذایی ایمن می‌داند، در حالی که مقررات تصفیه آب EPA ایالات متحده در مورد PFAS از اعمال محدودیت بر PVDF خودداری کرده است، در حالی که غلظت PFAS را به شدت محدود می‌کند.

مقررات پیشنهادی در اتحادیه اروپا با هدف ممنوعیت «هر ماده‌ای که حاوی حداقل یک اتم کربن متیل (-CF3) یا متیلن (-CF2-) کاملاً فلوئوره شده (بدون هیچ H/Cl/Br/I متصل به آن) باشد» وضع شده‌اند. در صورت عدم اعمال معافیت‌ها، اعمال مقررات متناقض و سختگیرانه ممکن است خطری برای وجود این صنعت ایجاد کند.

 منابع 

 Membranes and Filter Papers for Western Blotting | Thermo Fisher Scientific - NL
 Electroactive phases of poly(vinylidene fluoride): Determination, processing and applications - ScienceDirect
 Polyvinylidene fluoride molecules in nanofibers, imaged at atomic scale by aberration corrected electron microscopy
 A comprehensive review on fundamental properties and applications of poly(vinylidene fluoride) (PVDF) | Advanced Composites and Hybrid Materials
 Catalytic Dehydrofluorination Reactions | Nature Research Intelligence
 Arkema High Performance Polymers | Arkema High Performance Polymers
 Processes and technologies for the recycling and recovery of spent lithium-ion batteries - ScienceDirect
 KF Polymer | KUREHA CORPORATION
 All PFAS Chemicals are Not Created Equal | ACHR News
 (PDF) The contrastive study of chemical treatment on the properties of hydrophobic PVDF membrane
 Ecotoxicity of Polyvinylidene Difluoride (PVDF) and Polylactic Acid (PLA) Microplastics in Marine Zooplankton - PubMed
 Interim Guidance on the Destruction and Disposal of PFAS and Materials Containing PFAS | US EPA
 Registry of restriction intentions until outcome - ECHA
 ‪Tom Pankratz‬ - ‪Google Scholar‬

 جستارهای وابسته 
 فروالکتریسیته
 پیزوالکتریسیته
 پیروالکتریسیته
 پلاستیک
 بسپار
 باتری لیتیم-یون

رده:اعضای فلوئوریدها
رده:بسپارها
رده:بیوموادها
رده:پلاستیک‌ها
رده:فروالکتریسیته
رده:فلوئوروپلیمر
رده:گرمانرم‌ها