PVDF пластик. Новый материал для необычных применений

Поливинилиденфторид (PVDF) — это высокотехнологичный термопластичный фторполимер. Материал занимает особое место среди инженерных пластиков благодаря уникальному сочетанию свойств, которые редко встречаются в одном полимере.

PVDF является родственником фторопласта, но в отличие от него, PVDF может перерабатываться методом экструзии, что делает его совместимым с технологией FFF/FDM 3D-печати.

Одна из особенностей PVDF - пьезоэлектрический эффект. Это генерация электрического заряда при механической деформации. Также пластик обладает пироэлектрическим эффектом - чувствительностью к изменению температуры.

Одни источники сообщают, что при обычном охлаждении из расплава, PVDF формирует неполярную кристаллическую фазу, которая не дает вышеописанных эффектов.

Другие исследователи считают, что в процессе 3D-печати возникают сдвиговые напряжения, которые могут индуцировать возникновение электроактивной кристаллической фазы непосредственно во время печати.

В промышленности для получения электроактивной кристаллической фазы PVDF (с пьезоэлектрическим эффектом) требуются специальные методы: механическое растяжение, поляризация в сильном электрическом поле или контролируемая кристаллизация.

Сейчас самое массовое направление в научных исследованиях PVDF - это печать гибких сенсоров, которые преобразуют механическое воздействие (касание, изгиб, нажатие) в электрический сигнал. Например, из PVDF можно изготовить сенсорные панели для игровых контроллеров и тактильных интерфейсов. Можно создать электронную кожу для роботов - пьезоэлектрические сенсоры, размещенные на поверхности робота дадут ему осязание посредством определение силы касания и распределения давления.

По химическим свойствам, PVDF инертен к кислотам, растворителям, углеводородам и большинству агрессивных сред. Стабилен под действием солнечного света и атмосферных воздействий, нетоксичен и биосовместим. Влагопоглощение пластика очень низкое, негигроскопичен. Температура плавления 180–190°C, эксплуатации - до 150°C.

Используется в химической промышленности: трубы, фитинги, клапаны и насосы для перекачки агрессивных жидкостей. Защитные покрытия для оборудования, работающего в агрессивных средах.

Подходит для микрофлюидных чипов - лабораторий на чипе для химических реакций.

Используется PVDF и в электронике: связующее для электродов литий-ионных батарей, диэлектрик для конденсаторов, изоляция для проводов в авиации и космической технике.

Используется в медицине как компонент биосовместимых имплантатов. Например, томские онкологи применяют 3D-печатные имплантаты из PVDF.

Проблемы 3D-печати PVDF

PVDF считается капризным материалом, требующим опыта и правильно настроенного оборудования.

Обладает высокой усадкой - значительно сжимается при охлаждении в процессе 3D-печати, что приводит к отрыву от печатного стола и искажению геометрии детали.

В наших опытах усадка при печати детали с 100% заполнением составила 4%, что при температурах стола 120°С, приводило к неминуемому отрыву от стола и порче изделия.

При повышении температуры стола 3D-принтера от 130°С и до 150°С - небольшие детали хорошо держались на столе и печать шла до конца.

Также нужно знать, что PVDF может быть опасен - при превышении температуры печати в 265°C он начинает деградировать с выделением опасных газов.

Результаты 3D-печати PVDF

Пластик PVDF нам предоставил для испытаний отечественный производитель "Полюс Про Инжиниринг".

Печать велась на высокотемпературном 3D-принтере Faberant Cube нашей разработки.

Первые пробы были неудовлетворительными - печать этим пластиком без тщательного подбора параметров действительно невозможна.

Далее мы подобрали оптимальные параметры и получили хороший результат. К сожалению, пластик PVDF капризный, если печатать им быстро, как обычными пластиками, то ничего не получится.

Нам пришлось драматически снизить скорость печати, чтобы получить хороший внешний вид деталей и хорошую адгезию слоев для всех наших тестовых заданий. Если обычным АБС пластиком мы могли печатать на линейной скорости 200 мм/сек с потоком экструдера до 106 см3/час, то PVDF только на скорости 9 мм/сек с потоком 0,9 мм3/с. При повышении скорости адгезия слоев начинала ухудшаться. При повышении температуры печати для мелких деталей, становился заметным перегрев детали с ухудшением внешнего вида.

Печать велась с помощью сопла с медным ядром нашей разработки, которое полностью прогревает весь объем пластика внутри себя, что требуется для современной очень быстрой печати.

Уверены, что скорость печати PVDF для более крупных деталей с более разреженной заливкой можно поднять еще в 2-3 раза, но для каждой детали нужно будет тщательно подбирать все параметры. Мы были ограничены тестовым образцом в 100 грамм пластика PVDF, поэтому не дошли до тестов печати крупных изделий.

Печать PVDF проводилась в следующей конфигурации:

3D-принтер Faberant Cube

Сопло с медным ядром, диаметр 0,5 мм

Высота слоя 0,2 мм

Температура стола: 130°С

Температура сопла: 220°С

Скорость печати: 9 мм/сек

Общий результат печати из PVDF:

Печать трубки из PVDF:

Печать полоски из PVDF:

Печать крышки из PVDF:

Похоже, что эта статья - первая в отечественном сегменте сети с реальными фотографиями результатов печати PVDF. Если в знаете еще примеры, дайте ссылки в комментариях, хочется сравнить результаты.