Changes in the physical and chemical properties of PVDF irradiated by 4 MeV protons

E. Adem^1a, J. Rickards¹, E. Muñoz¹, G. Burillo², L. Cota³ and M. Avalos-Borja^2b

¹ Instituto de Física, UNAM Apartado Postal 20-364, México, D.F. 01000, México. ^ae-mail: esbaide@fisica.unam.mx

² Instituto de Ciencias Nucleares, UNAM México, D.F. 01000, México

³ Centro de Ciencias de la Materia Condensada, UNAM Apartado Postal 2681, Ensenada, B.C. 22800, México ^be-mail: miguel@ccmc.unam.mx

Abstract

The behavior of poly-vinylidene fluoride (PVDF) under bombardment of different kinds of radiation is of interest due to the polymer's unique piezo-electric properties and various crystalline forms. In this work, PVDF film samples of 0.3 mm thickness and density 1.76 g/cm³ were irradiated with 4 MeV protons from the Instituto de Física 9SDH-2 Pelletron Accelerator. Changes in the physical and chemical properties were investigated using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) with ATR, X-ray Diffraction (XRD), Differential Scanning Calorimetry (DSC) and gel fraction measurements. The gel percent increases with fluence to almost 60% for a fluence of 10¹³ cm^-2, and then more slowly up to 100% for a fluence of 3 x 10¹⁴ cm^-2. The DSC curve of the control sample shows a sharp band at 176 °C with a shoulder on the low temperature side. A well defined lower temperature peak, related to the relaxation of inter-crystalline regions appears at a fluence of 10¹³ cm^-2. At 3 x 10¹⁴ cm^-2 there are no melting peaks, due to complete destruction of the crystalline structure. This was confirmed at this high fluence by the FTIR spectra, and by x-ray diffraction, where an amorphous structure was observed.

Keywords: Protons; irradiation; PVDF; physical properties; chemical properties.

Resumen

El comportamiento del polifluoruro de vinilideno (PVDF) sometido a distintos tipos de irradiación es de interés por sus propiedades piezoeléctricas y sus distintas formas cristalinas. En este trabajo se irradiaron muestras de PVDF de 0.3 mm de grosor y densidad 1.76 g/cm³ con protones de 4 MeV provenientes del acelerador Pelletron 9SDH-2 del Instituto de Física. Los cambios en las propiedades físicas y químicas se estudiaron por medio de espectroscopía infrarrojo con transformada de Fourier (FTIR) y reflexión total atenuada, difracción de rayos x (XRD), calorimetría diferencial de barrido (DSC), y medida de fracción de gel. El porciento de gel inicialmente aumenta con la afluencia hasta casi 60% para una afluencia de 10¹³ cm^-2, y luego lentamente hasta 100% a 3 x 10¹⁴ cm^-2. La curva de DSC de referencia muestra una banda angosta a 176 °C con un hombro del lado de baja temperatura. A una afluencia de 10¹³ cm^-2 aparece un pico a más baja temperatura, relacionado con la relajación de regiones intercristalinas. A una afluencia de 3 x 10¹⁴ cm^-2 no hay picos de fusión, debido a la destrucción completa de la estructura cristalina. Esto se confirmó para afluencias grandes con los espectros de FTIR y de XRD, donde se observa una estructura amorfa.

Palabras clave: Protones; irradiación; PVDF; propiedades físicas; propiedades químicas.

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Acknowledgments

The authors wish to acknowledge the assistance of J. Cañetas, K. López, E, Santillana, R. Trejo-Luna, E. Aparicio, I. Gradilla, M. Vázquez. This project was partly supported by Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología grants F036-E9109 and G0010-E.

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