Herstellung von piezoelektrischem PVDF mittels Sprühtrocknung

Herstellung von piezoelektrischem PVDF mittels Sprühtrocknung

Bearbeiter: M. Sc. Jens Wiegmann

Neben herkömmlichen piezoelektrischen Materialien können auch Polymere piezoelektrische Eigenschaften aufweisen. Polyvinylidenfluorid (PVDF) ist eines dieser Polymere und wird in sensorischen und/oder aktuatorischen Anwendungen genutzt. PVDF tritt in fünf bekannten Konformationen auf, wobei eine dieser Konformationen, die beta-Phase, die stärksten piezoelektrischen Eigenschaften aufweist. Die unpolare alpha-Phase ist die am häufigsten auftretende Konformation und wird überwiegend durch die koventionelle Herstellung gebildet. Die Umwandlung aus der alpha-Phase in die beta-Phase kann durch verschiedene Möglichkeiten stattfinden, wie zum Beispiel durch mechanische Belastung oder das Anlegen eines elektrischen Feldes, aber auch durch die Kristallisation bei niedrigen Temperaturen und somit bei geringen Kristallisationskinetiken. Bei der Bildung der beta-Phase aus gelöstem PVDF ist die Verdampfungsrate deshalb ein entscheidender Parameter. Daher wird an der Entwicklung eines kontinuierlichen Ein-Schritt-Sprühtrocknungsprozess von PVDF gearbeitet, sodass der herkömmliche und aufwendige Batchprozesse zur Behandlung von PVDF vermieden werden kann. Dabei wird untersucht, unter welchen Prozessbedingungen die piezoelektrisch aktive beta-Phase vorzugsweise gebildet wird. Hierzu werden unterschiedliche Prozessparameter der Sprühtrocknung variiert. Um die Verdampfungsrate zu beeinflussen werden Trocknungsparameter, wie relative Luftfeuchte und Trocknungstemperatur, verändert. Des Weiteren wird neben einer pneumatischen Zerstäubung auch die Zerstäubung durch Elektrospray untersucht. Bei diesem Prozess wird die Flüssigkeit durch das Anlegen eines elktrischen Feldes in feine gleichgroße Tropfen zerstäubt, zusätzlich wird elektrische Ladung auf die Tropfen übertragen. Bei den Versuchen mit Elektrospray ist eine Erhöhung des beta-phasigen Anteils an PVDF beobachtet worden. Diese Erhöhung kann durch das Aufbringen der Ladung erklärt werden. Die aufgebrachte Ladung greift an den Partialladungen im Polymer an und fördert somit die Ausrichtung zur beta-Phase. Der Elektrosprayprozess eignet sich daher sehr gut, um sehr dünne piezoelektrische Schichten auf Oberflächen abzuscheiden.