Поливинилиденфторид (ПВДФ, PVDF) — это частично кристаллический термопластичный фторполимер, известный высокой химической стойкостью, механической прочностью и пьезоэлектрическими свойствами. Ниже представлена подробная справка по запрошенным пунктам.
Первые фторсодержащие полимеры, включая PVDF, появились в период Второй мировой войны (1940‑е годы) в рамках военных программ США и СССР. Материал стал поступать в СССР по ленд-лизу вместе с американской военной техникой.
Конкретный изобретатель материала неизвестен. Разработка и производство фторполимеров были засекречены как в США, так и в СССР т.к. они использовались в оборонной промышленности. Он был стратегическим материалом, засекреченным из‑за его незаменимости в ядерной, ракетной, подводной и авиационной технике. Его уникальные свойства — химическая стойкость, термостабильность, пьезоэлектрический эффект — делали его идеальным для изделий, работающих в агрессивных и экстремальных условиях. Только после распада СССР информация о ПВДФ стала общедоступной. В Советском Союзе PVDF называли «фторопласт‑2», а его гражданское применение долгое время оставалось ограниченным.
В 1960‑х годах материал начал широко производиться под международными марками Kynar, Hylar, Solef, Sygef и другие.
PVDF – это полимер винилиденфторида (1,1‑дифторэтилена) с повторяющимся звеном ‑(CH₂‑CF₂)ₙ
Производственный цикл (упрощённая схема)
Сырьё (CHClF₂, CTFE) + HF → Синтез VDF → Очистка VDF →
→ Полимеризация (эмульсионная/суспензионная) → Фильтрация → Сушка →
→ Плавление/экструзия → Гранулирование → Контроль качества → Упаковка.
Цикл от синтеза мономера до готовых гранул занимает от нескольких часов до суток в зависимости от масштаба установки.
Этап 1. Синтез мономера VDF
Исходное сырьё – хлордифторметан (CHClF₂) или хлортрифторэтилен (CTFE), которое взаимодействует с фтористым водородом (HF) с получением винилиденфторида (VDF, CH₂=CF₂). Реакция проводится при повышенных температуре и давлении. Мономер должен быть высокой чистоты.
2. Полимеризация VDF
Мономер полимеризуется по радикальному механизму. В промышленности применяют два основных метода:
– Эмульсионная полимеризация
– Суспензионная полимеризация
3. Очистка и сушка
Полимерную суспензию (или эмульсию) фильтруют, удаляя непрореагировавший мономер и примеси. Затем полимер промывают и сушат до остаточной влажности <0,1%. Критично для обеспечения химической стабильности и отсутствия пузырей при дальнейшей переработке.
4. Гранулирование / измельчение
Высушенный полимер (порошок) плавят в экструдере и формуют в гранулы (или оставляют в виде порошка для специальных применений). Температура расплава 180–240 °C. Гранулы удобны для транспортировки и последующей переработки.
Достоинства и недостатки материала
Достоинства:
- Высокая химическая стойкость: Устойчив к кислотам, щелочам, окислителям, галогенам, большинству органических растворителей (кроме полярных аминов, ацетона, ДМФА).
- Механическая прочность: Твёрдость до 90 МПа по Бринеллю, хорошая устойчивость к износу, истиранию и прорезанию.
- Термостойкость: Рабочий диапазон от ‑40 °C до +150 °C (кратковременно до 177 °C).
- Электроизоляционные и пьезоэлектрические свойства: Обладает высокой диэлектрической постоянной, пьезо‑ и пироэлектрическим эффектами.
- Перерабатываемость: Легко перерабатывается из расплава (литьё под давлением, экструзия, сварка) при температурах 180…240 °C.
- Низкая горючесть и дымообразование: Трудногорючий материал, выделяет мало дыма.
- Физиологическая инертность: Пригоден для контакта с пищевыми продуктами и в медицине.
Недостатки:
- Ограниченная адгезия: Плохо клеится и красится, требует модификации поверхности.
- Чувствительность к полярным растворителям: Растворяется в ацетоне, ДМФА, диметилацетате, первичных аминах.
- Высокая цена: Стоимость от 60 €/кг и выше.
- Термостойкости до 150 °C для некоторых задач может быть недостаточно.
Отличия от других полимеров:
В отличие от PTFE (тефлон, фторопласт‑4) прочнее, твёрже, легко перерабатывается литьём и экструзией. У PTFE хуже механическая прочность, он не перерабатывается обычными термопластичными методами (требует спекания).
У PVF (поливинилфторид) меньше содержание фтора, ниже химическая стойкость.
ECTFE имеет более широкий температурный диапазон (‑76…+160 °C) и более высокую химическую стойкость к концентрированным средам, но дороже.
FEP, PFA - полностью фторированные полимеры, у них более высокая химическая инертность и температура непрерывной службы, но они менее прочные и более дорогие.
Наиболее хорошо подходит для:
- Химическая и нефтехимическая промышленность: Трубы, фитинги, клапаны, насосы, футеровка ёмкостей, реакторов, фильтров (за исключением тех, которые имеют длительный контакт с растворителями указанными выше).
- Электротехника и электроника: Изоляция кабелей, пьезоэлектрические датчики, мембраны для топливных элементов, компоненты литий‑ионных батарей.
- Архитектура и строительство: Покрытия для алюминиевых фасадов, панелей, перил (атмосферостойкие и УФ‑стойкие).
- Водоочистка и мембранные технологии: Ультрафильтрационные мембраны, фильтры для агрессивных сред.
- Медицина и фармацевтика: Оборудование для чистых помещений, лабораторная посуда, имплантаты.
- Рыболовство: изготовление лесок («флюорокарбон»).
Оборудование и режимы обработки:
- Сварка:
- Стыковая сварка с контактным нагревом (для труб диаметром до 225 мм).
- Бесконтактная инфракрасная сварка (подходит для PVDF).
- Сварка горячим воздухом (ручная или автоматическая) – наиболее распространённый метод.
- Температура сварки: 200…240 °C. Важно избегать перегрева (выше 260 °C может привести к деградации).
- Литьё под давлением: Температура расплава 180…240 °C, давление впрыска 80‑120 МПа. Рекомендуется использовать шнеки с антикоррозионным покрытием.
- Экструзия: Температура цилиндра 180…220 °C, головки – 190…230 °C. Подходит для получения труб, листов, плёнок, профилей.
- Механическая обработка: PVDF хорошо режется, сверлится, фрезеруется на стандартных станках (CNC, токарных, фрезерных). Рекомендуются твёрдосплавные инструменты с острыми кромками.
- Склеивание: Требует предварительной активации поверхности (плазменная, химическая обработка). Обычные клеи плохо адгезируют.
- Печать/окраска: Только после специальной подготовки поверхности (грунтовки, коронарная обработка).
Ограничения при обработке:
- Нельзя обрабатывать на оборудовании, загрязнённом другими полимерами (особенно полярными). Требуется тщательная очистка.
- Не рекомендуется длительный нагрев выше 260 °C – приводит к разложению с выделением фтороводорода.
- Нельзя использовать для контакта с олеумом, концентрированными сульфирующими агентами, аминами, ацетоном, ДМФА при повышенных температурах.
- Избегать резких перепадов температуры при сварке – может вызвать внутренние напряжения и трещины.