Polifluoruro de vinilideno (PVDF)

El fluoruro de polivinilideno, polifluoruro de vinilideno o polivinilideno fluoruro (PVDF: Polyvinylidene fluoride) es un fluoropolímero termoplástico. Nombre por IUPAC, poli-1,1-difluoroeteno.

El PVDF es un material plástico especial en la familia de los fluoropolímeros, que se utiliza generalmente en aplicaciones que requieren la más alta pureza, fuerza y resistencia a los solventes, ácidos, bases, generación de calor y baja emisión de humos durante un evento de fuego. En comparación con otros fluoropolímeros, tiene un proceso de fundido más fácil a causa de su punto de fusión relativamente bajo de alrededor de 177º C.

El PVDF se vende bajo una variedad de marcas.

Hylar® (Solvay), Kynar® (Arkema), Solef® (Solvay)

Propiedades

En 1969, la fuerte piezoelectricidad del PVDF fue observado por Hawai. El coeficiente piezoeléctrico de películas delgadas del material puede ser hasta de 6.7 pC/N (picocoulomb sobre newton), 10 veces mayor que la observada en cualquier otro polímero.

Cuando el PVDF es puesto bajo un campo eléctrico, cambia su forma. Dado que los átomos de flúor son mucho más electronegativos que los de carbono, toman electrones de los átomos de carbono a los cuales están unidos. Esto significa que los grupos -CF₂- de la cadena serán muy polares, con una carga parcial negativa sobre los átomos de flúor y una carga parcial positiva sobre los átomos de carbono. Así, cuando sean colocados en un campo eléctrico, se van a alinear. Esto causa la deformación del polímero, con todos sus grupos -CF₂- tratando de alinearse. Si se coloca el PVDF en un campo eléctrico alternativo, comenzará a vibrar, deformándose en una dirección y luego en la opuesta. Esta vibración puede ser utilizada para producir sonidos. Así es como funcionan los parlantes piezoeléctricos para sonidos agudos (tweeters).

El PVDF tiene una temperatura de transición vítrea (Tg) de alrededor de -35ºC y es típicamente un 50-60% cristalino. Para dar el material de sus propiedades piezoeléctricas, se estira mecánicamente para orientar las cadenas moleculares y polaridad (bajo un fuerte campo eléctrico que induce un momento dipolar neto) bajo tensión. El PVDF existe en varias formas: fases alfa (TGTG), beta (TTTT) y gamma (TTTGTTTG), dependiendo de la conformación de la cadena como vínculos trans (T) o gauche (G). Cuando tiene polaridad, el PVDF es un polímero ferroeléctrico, exhibiendo eficientes propiedades piezoeléctricas y piroeléctricas. Estas características lo hacen especialmente útil en aplicaciones como sensor y en baterías. Las películas delgadas de PVDF se utilizan en algunos sensores de nuevas cámaras térmicas.

A diferencia de otros materiales piezoeléctricos populares, tales como PZT , el PVDF tiene un valor negativo de coeficiente piezoeléctrico. Físicamente, esto significa que el PVDF se comprime en lugar de expandirse o viceversa cuando se exponen al mismo campo eléctrico.

Tabla de propiedades típicas

PROPIEDAD	METODO	UNIDAD	VALOR
Densidad	DIN 53479	g/cm3	1.78
Absorción de humedad	50% HR	%	0
	100% HR		0
Punto de fusión	ASTM D789	ºC	170
Conductividad térmica	DIN 52612	W/Km	0.2
Temperatura máxima de uso	Con puntas	ºC	+150/-50
Resistencia a la tracción	DIN 53455	N/mm2	55
Módulo de elasticidad	DIN 53457	N/mm2	2000
Dureza Shore	DIN 53505		80
Rigidez dieléctrica	DIN 53481	Kv/mm	60

Síntesis y fabricación

Formula abreviada PVDF

El PVDF se sintetiza por medio de una polimerización por radicales libres del monómero fluoruro de vinilideno

PVDF

Esto puede ser seguido por procesos como la fusión, o procesado desde una solución (por ejemplo, colada en solución, recubrimiento por centrifugado, y colada en película). Las películas Langmuir-Blodgett (LB) se han hecho por medio de disolventes. En el caso de los tratamientos basados en solución, los típicos disolventes utilizados son dimetilformamida (DMF), así como los más volátiles butanona (MEK: metil etil cetona).

DMF

MEK

En la polimerización en emulsión acuosa, el ácido perfluorononanoico se utiliza en forma de anión como ayuda a la transformación de monómeros de solubilización. Para la caracterización del peso molecular mediante cromatografía de permeación en gel (también llamado SEC), se pueden utilizar disolventes como el dimetilsulfóxido (DMSO) o el tetrahidrofurano (THF).

Los materiales procesados generalmente están en la fase alfa no piezoeléctrico. El material o bien debe ser estirado o recocido para obtener la fase beta piezoeléctrico. La excepción a esto es para películas delgadas de PVDF (espesor en el orden de micrómetros). Las tensiones residuales entre películas delgadas y los sustratos en los que se traten son lo suficientemente grandes para causar la forma en fase Beta.

Con el fin de obtener una respuesta piezoeléctrica, el material debe ser polarizado en un gran campo eléctrico. La polarización del material por lo general requiere un campo externo igual o mayor a 30 MV/m. Películas gruesas (típicamente mayor a 100 micrómetros) se debe calentar durante el proceso de polarización a fin de lograr una respuesta piezoeléctrica elevada. Las películas gruesas por lo general se calientan a 70-100ºC durante el proceso de polarización.

Los copolímeros de PVDF también se utilizan en aplicaciones piezoeléctricas y electrodinámicas. Uno de los copolímeros más comúnmente utilizado es P (VDF-TrFE), copolímero de fluoruro de vinilideno-trifluoroetileno, por lo general disponibles en relación 50:50 y 65:35 %peso (equivalente a 56:44 %mol y 70:30 %mol). Otro es el P (VDF- TFE), copolímero de fluoruro de vinilideno-tetrafluoroetileno. Estos mejoran la respuesta piezoeléctrica por la mejora de la cristalinidad del material.

Mientras que las unidades estructurales de los copolímeros de son menos polares que el del PVDF puro, los copolímeros suelen tener una cristalinidad muy superior. Esto se traduce en una mayor respuesta piezoeléctrica. Los valores del coeficiente piezoeléctrico del P (VDF-TrFE) es mayor a -38 pC/N versus -33 pC/N del PVDF.

Usos

El PVDF puede ser inyectado, moldeado o soldado y se utiliza comúnmente en la industria química, los semiconductores, médica y de defensa, así como en las baterías de iones de litio. También está disponible como una espuma de célula cerrada reticulado, que se utiliza cada vez más en la aviación y aplicaciones aeroespaciales.

El PVDF se utiliza normalmente como aislante en algunos tipos de cables de electricidad (ejemplo: cables para computadoras o para aviones), debido a su combinación de flexibilidad, bajo peso, baja conductividad térmica, alta resistencia a la corrosión química y resistencia al calor. En este uso el cable es generalmente conocido con el nombre comercial de "cable Kynar". 

Cable kynar

Su resistente químicamente, hace que sea utilizado en la industria química, en la manufactura de caños, juntas, válvulas, botellas y otros recipientes que contengan productos químicos.

Válvulas de PVDF

Rodete de campana para extracción de gases

Contenedor para transporte de bromo

Las propiedades piezoeléctricas de PVDF se utilizan para la fabricación de matrices de sensores táctiles, parlantes para sonidos agudos (tweeters) y micrófonos. Paneles piezoeléctricos de PVDF se utilizan en el contador de polvo Venetia Burney, un instrumento científico de pruebas espaciales de New Horizons (zonda espacial destinada a explorar plutón), que mide la densidad del polvo en el sistema solar exterior.

En ciencias biomédicas, el PVDF se utiliza en la inmunotransferencia como una membrana artificial, por lo general con poros de 0,22 ó 0,45 micrómetros de tamaño, en la que las proteínas se transfieren por medio de la electricidad (véase Western Blot técnica analítica usada para detectar proteínas específicas en una muestra determinada). El PVDF es resistente a los solventes y, por lo tanto, estas membranas pueden extraer fácilmente y reutilizar para ver otras proteínas, por lo que es muy conveniente.

Filtros membrana

El PVDF se utiliza para la fabricación de líneas de pesca de monofilamento especiales, que se vende como sustitutos de fluorocarbono de monofilamento de nylon. La densidad óptica es menor que el nylon, lo que hace que la línea sea menos perceptible. La superficie es más dura, por lo que es más resistente a la abrasión y dientes de peces. También es más denso que el nylon, lo que hace que se hunda más rápido.

A menudo el PVDF es mezclado con polimetil metacrilato (PMMA) para hacerlo más resistente a la luz UV. El PMMA se degrada cuando es expuesto a la radiación UV, (ejemplo: ventanas de PMMA para uso externo).

Un grado de polvo fino, Kynar 500 ® PVDF o HYLAR ® 5000 PVDF, también se utiliza como el ingrediente principal de la gama alta de las pinturas de los metales. Estas pinturas PVDF tiene muy buen brillo y retención del color, y están en uso en muchos edificios importantes de todo el mundo, por ejemplo, la Torres Petronas en Malasia y el Taipei 101 en Taiwán, así como en techos de metal.

Otro uso importante es el de fabricación de sensores térmicos.

Cámara de imagen térmica y la pantalla, fotografiado en una terminal de aeropuerto en Grecia. La imagen térmica puede detectar la temperatura corporal, uno de los signos del virus H1N1).