Optimalisatie van toepassingsrelevante eigenschappen in poly(vinylideenfluoride)-gebaseerde homo-, co-en ter-polymeren door beïnvloeding van hun driefasige structuur

Poly(vinylideenfluoride) (PVDF)-gebaseerde homo-, co- en ter-polymeren staan bekend om hun ferro-elektrische en relaxor-ferro-elektrische eigenschappen. Hun semi-kristallijne morfologie bestaat uit kristallijne en amorfe fasen met daartussen interfaceregio's, en bepaalt de relevante elektro-actieve eigenschappen. In dit werk wordt de invloed onderzocht van chemische, thermische en mechanische behandeling op de structuur van op PVDF gebaseerde polymeren en op de daarmee samenhangende ferro-elektrische/relaxor-ferro-elektrische eigenschappen. Polymeerfilms werden op verschillende manieren bereid en onderworpen aan verschillende behandelingen zoals warmte behandelen, afschrikken en uitrekken. De resulterende veranderingen in de overgangen en relaxaties van de polymeersamples werden bestudeerd met behulp van diëlektrische, thermische, mechanische en optische technieken. In het bijzonder werd nagegaan wat de oorsprong(en) is (zijn) van de mysterieuze overgang in het middentemperatuur gebied (Tmid) die in alle op PVDF gebaseerde polymeren wordt waargenomen. Een nieuwe hypothese wordt voorgesteld om de Tmid te beschrijven als een resultaat van meerdere processen die plaatsvinden binnen het temperatuur bereik van de overgang.  De bijdrage van de afzonderlijke processen tot de waargenomen totale overgang hangt af van zowel de chemische structuur van de monomeereenheden als de verwerkingsomstandigheden die ook de smeltovergang beïnvloeden. Quenchen resulteert in een afname van de totale kristalliniteit en kleinere kristallieten. Bij samples die na annealing zijn afgekoeld, zijn opmerkelijke verschillen in de fracties van verschillende kristallijne fasen waargenomen in vergelijking met stalen die langzaam waren afgekoeld. Uitrekken van poly(vinylideenfluoride-tetrafluorethyleen) (P(VDF-TFE)) films veroorzaakt een toename in de fractie van de ferro-elektrische β-fase met gelijktijdige toenames in het smeltpunt (Tm) en de kristalliniteit (χc) van het copolymeer. Terwijl een verhoging van de uitrektemperatuur geen diepgaand effect heeft op de hoeveelheid van de ferro-elektrische fase, lijkt de stabiliteit ervan te verbeteren.

Metingen van de niet-lineaire diëlektrische permittiviteit in een poly(vinylideenfluoride-trifluorethyleen-chloorfluorethyleen) (P(VDF-TrFE- CFE)) relaxor-ferro-elektrisch (R-F) terpolymeer leiden tot pieken bij 30 en 80 °C die niet kunnen worden geïdentificeerd via conventionele diëlektrische spectroscopie. De eerste piek is geassocieerd met Tmid en kan helpen om de niet-nul waarden die worden gevonden voor de para-elektrische terpolymeer fase te begrijpen. De laatste piek kan ook worden waargenomen tijdens afkoeling van P(VDF-TrFE) copolymeer samples bij 100° C en is te wijten aan geleidingsprocessen en ruimte-lading polarisatie als gevolg van de accumulatie van reële ladingen op het grensvlak tussen elektrode en polymeer. Annealing verlaagt de Curietemperatuur van het terpolymeer als gevolg van de kleinere ferro-elektrische fractie, die algemeen aanwezig is, zelfs in terpolymeren met een relatief hoog CFE-gehalte. Veranderingen in de overgangstemperaturen zijn op hun beurt gerelateerd aan het gedrag van de hysteresiscurven die zijn waargenomen bij verschillend warmtebehandelde stalen. Bij opwarming evolueren de hysteresiscurven van typisch ferro-elektrisch naar de karakteristieke vorm voor relaxor-ferroelektrica. Bij vergelijking van de diëlektrische-hysterese krommen verkregen bij verschillende temperaturen, vinden we dat warmtebehandelde terpolymeer films hogere elektrische verplaatsingswaarden en lagere coërcitiefvelden vertonen dan de niet- warmtebehandelde samples - ongeacht de meettemperatuur - en ook ideaal relaxor-ferro-elektrisch gedrag vertonen bij omgevingstemperaturen, waardoor ze uitstekende kandidaten zijn voor gerelateerde toepassingen bij of nabij kamertemperatuur. Niet- warmtebehandelde films vertonen echter - op grond van hun hogere ferro-elektrische activiteit - een hogere en stabiele remanente polarisatie bij kamertemperatuur, terwijl warmtebehandelde samples onder 0 °C moeten worden gepoold om een goed gedefinieerde polarisatie te vertonen. Door de drie fasen in op PVDF gebaseerde polymeren op een gecontroleerde manier te wijzigen, is in het algemeen aangetoond hoe de preparatiestappen en verwerkingsomstandigheden kunnen worden aangepast om de gewenste eigenschappen te verkrijgen met oog voor specifieke toepassingen.