神奇的膜材料—PVDF（聚偏氟乙烯）
01 PVDF是何方神圣
聚偏氟乙烯 (PVDF)是含氟塑料中的一种特种塑料，外观呈半透明或白色的粉体或颗粒，其分子式如图1所示。PVDF密度范围为1.75～1.78 g/cm3，吸水率＜0.04%，玻璃化转变温度为-39℃，脆化温度在-62℃以下，熔点为170℃左右，热分解温度大于316℃，长期使用温度范围为-40℃～150℃。具有优良的力学性能、化学稳定性、生物相容性、疏水性、高介电强度和抗紫外辐射降解性能。只溶于N,N二甲基甲酰胺 (DMF)、N,N二甲基乙酰胺 (DMAc) 、二甲基亚砜 (DMSO) 、四氢呋喃 (THF) 及N-甲基吡咯烷酮 (NMP)等有机溶剂。
02 PVDF膜有什么用
压电薄膜：PVDF压电薄膜相较于传统压电材料，展现出了多个显著的优势。
首先，PVDF压电薄膜具有更宽的频响范围，这意味着它能够更有效地响应不同频率的振动或压力变化，从而在更广泛的应用场景中发挥作用。其次，其力电转换灵敏度高，能够更精确地将机械能转换为电能，或者反之，这对于传感器、能量收集器等应用尤为重要。此外，PVDF压电薄膜还表现出高强度、质量轻、柔软性好以及耐冲击等特性，这些优点使得它在可穿戴设备、柔性电子等领域具有巨大的应用潜力。
通过静电纺丝的方法制备PVDF纤维膜，不仅操作简单、方便，而且成本相对较低。这种方法制备的PVDF纤维膜不仅保留了PVDF材料的优异性能，如良好的压电性、透气性、柔软性和轻质特性，还赋予了纤维膜独特的结构和性能。例如，高孔隙率和良好的透气性使得纤维膜在穿戴过程中能够保持舒适感，减少闷热感；同时，柔软性和轻质特性也使得纤维膜更适合用于可穿戴产品的制造。
防水透湿膜：防水透湿膜，这一被称为“可呼吸材料”的创新技术，为众多领域带来了革命性的变化。其独特之处在于既能有效阻挡液态水的渗透，又能允许气体（特别是水蒸气）自由通过，从而在保证防水性能的同时，提供了良好的透气性和舒适度。
PVDF（聚偏二氟乙烯）因其高静态接触角（远大于90°），展现出极强的疏水性，这使得它成为制备防水透湿膜的理想材料之一。通过静电纺丝技术制备的PVDF纤维膜，不仅保留了PVDF的疏水特性，还因其高孔隙率而显著提升了透气性，相比传统涂层膜具有更为出色的性能。
这种防水透湿纳米纤维膜的应用范围极为广泛，涵盖了从专业运动装备（如赛车服、高尔夫装、滑雪服、冲锋衣等）到日常生活用品（如防水服、登山鞋、雨衣、浴帘、桌布等）的多个领域。在这些应用中，PVDF防水透湿膜不仅能够有效保护穿戴者或使用者免受雨水、雪水等液态水的侵扰，还能通过其优异的透气性能，确保汗液等水蒸气能够及时排出，维持身体的干爽和舒适。
防水透声膜：在电子产品中的应用日益广泛，随着电子产品防水性能的不断提升，防水透声膜的防护等级也从IP54升级到了更高的IP68标准。PVDF纳米纤维膜作为一种先进的材料，凭借其出色的疏水性和透气性能，在各类防水手机、防水相机以及其他防水电子产品中发挥着重要作用。
这种膜材料不仅能够有效防止水分和尘埃的侵入，保持电子产品的内部干燥和清洁，同时其独特的透气性能还能确保声音传输不受影响，保持音质的清晰和逼真。
医用敷料膜：PVDF（聚偏二氟乙烯）因其出色的生物相容性和独特的理化性质，在生物医学领域展现出广泛的应用潜力。其纳米纤维支架结构与细胞外基质的高度相似性，为细胞的黏附和生长提供了一个理想的环境。这种结构不仅促进了细胞之间的接触和渗透，还有助于维持细胞结构的稳定性，引导细胞沿着纤维方向有序生长。
此外，PVDF的疏水性特性在伤口处理中尤为重要。它能有效防止伤口处的水分挥发，有助于保持伤口的湿润环境，这对伤口的愈合过程至关重要。同时，PVDF的高孔隙率和良好的拉伸性能确保了其在应用中的透气性和柔韧性，使得其在作为伤口敷料或组织工程支架时，既能保持适当的通气性，又能适应身体的动态变化，为伤口的愈合提供持续的支持和保护。
锂离子电池隔膜：在隔膜的设计中，需要同时满足两个看似对立的要求：一是要防止正负极之间的电子流直接通过，以避免电池短路；二是要确保离子流在通过隔膜时的阻力尽可能小，以保证电池的正常工作。多孔非导体的PVDF纳米纤维膜正是这样一种能够最佳地满足这两个要求的材料。
多孔结构使得PVDF纳米纤维膜具有高的孔隙率，从而允许离子在电池内部自由穿梭，降低了离子传输的阻力。同时，非导体的特性确保了电子无法直接通过隔膜，有效防止了电池短路的风险。
高效低阻空气/水过滤膜：相较于传统纤维空气过滤材料，PVDF纳米纤维膜的孔径显著减小，这使其能够更有效地拦截和过滤空气中的微小颗粒，包括PM2.5、细菌、病毒等。高孔隙率确保了空气或水在通过膜时能够保持较高的通量，同时不牺牲过滤效率。这种特性使得PVDF纳米纤维膜在保持高效过滤的同时，也能实现低阻力运行。大比表面积意味着膜表面能够吸附更多的杂质和污染物，从而提高了过滤效果和吸附性能。PVDF纳米纤维膜不仅具有物理过滤作用，还能通过其表面的化学基团与污染物发生吸附反应，进一步提升过滤效
03 PVDF膜怎么制作
静电纺丝法制PVDF膜的流程 ：将PVDF纺丝液抽到20mL注射器中，注射器固定到纺丝机注射泵上，装上20G （1/2 英寸，平口）不锈钢针头，针头接高压电源正极，接收辊筒接高压电源负极，辊筒上贴上接收基材；设置注射泵规格为20mL，供液速度2mL/h，辊筒转速300转/min，滑台行程20cm，纺丝距离15cm，纺丝电压正15kV、负5kV，温度35℃，湿度40%，定时120min，最后关闭设备门，开启排风。
04 PVDF膜在水处理中的应用
在用于饮用水净化的众多材料中，膜材料作为一种新兴的材料，具有过滤效果好，性价比高的特点。PVDF中空纤维超滤膜具有无能耗，绿色环保，过滤精度高，可以滤除所有的细菌、病毒、浊度、芽孢、贾第虫及铁锈等物质，而又能保留人体必需的微量元素的特点。经过清洗后，通量基本能恢复到初始的数值，效果十分明显。在采用双膜法进行海水淡化方面，选用PVDF微滤膜替代传统的絮凝、机械过滤、精滤工艺作为反渗透的预处理系统，可大大减少设备占地面积，提高产水水质，且水质稳定。
随着水资源危机的日益严峻，工业废水及城市污水的处理以及资源化应用已成为当今世界的发展趋势PVDF材料作为一种性能优良的高分子材料，其突出的化学稳定性、耐辐射特性、抗污染性和耐热性必将使其在该领域大显身手。随着PVDF膜的应用范围不断扩大，各国的研究人员都在对PVDF膜进行改性研发，从而使其优异的性能得到充分发挥，在水处理以及中水回用方面的市场应用前景越来越广阔。
来源：资顺晨化
