PFAS-vrij polymeer is flexibel, ferro-elektrisch en afbreekbaar

Er is een fluorvrij polymeer ontwikkeld dat ferro-elektrische eigenschappen combineert met mechanische flexibiliteit en biologische afbreekbaarheid. Het materiaal biedt een veelbelovend alternatief voor conventionele polymeren in toepassingen als sensoren, wearables en medische technologie.

Ferro-elektrische polymeren zijn traditioneel gebaseerd op poly(vinylideenfluoride) (PVDF), vanwege de superieure ferro-elektrische en elektromechanische prestaties. PVDF-structuren vormen echter een milieu-uitdaging door hun persistentie als zogeheten forever chemicals. In reactie hierop hebben de onderzoekers een nieuwe klasse ferro-elektrische polymeren ontwikkeld, volledig vrij van fluorverbindingen.

Het nieuw ontwikkelde materiaal is gebaseerd op een polyoxypropyleen hoofdketen met disulfonylalkyl-zijketens (−SO₂CH₂CHRCH₂SO₂−) met een C3-spacer. Afhankelijk van de aard van de R-groep (−H of −CH₃), vertoont het polymeer klassiek ferro-elektrisch of relaxor-ferro-elektrisch gedrag. Dit gedrag is het gevolg van sterke dipool-dipoolinteracties tussen de disulfonylgroepen, die in de vaste fase een geordende, ferro-elektrische structuur vormen.

Prestaties vergelijkbaar met PVDF-tetrapolymeren

De relaxor-ferro-elektrische variant (R = −CH₃) toont indrukwekkende electrostrictieve en electrocalorische prestaties bij lage elektrische veldsterktes — vergelijkbaar met die van PVDF-gebaseerde tetrapolymeren, maar zonder de nadelen van fluorchemie. Dit maakt het materiaal bij uitstek geschikt voor toepassingen zoals:

• Precisie-actuatoren en micro-elektromechanische systemen (MEMS)
• Elektrocalorische koelsystemen
• Medische sensoren, wearables en flexibele elektronica

Daarnaast is het materiaal mechanisch flexibel, verwerkbaar tot dunne films en coatings, en biologisch afbreekbaar. Deze combinatie van eigenschappen is uniek in het veld van ferro-elektrische polymeren.

Verwerking en toepassingsmogelijkheden

Dankzij de verwerkbaarheid via gangbare polymeerprocessen kan het materiaal relatief eenvoudig worden geïntegreerd in bestaande productie-infrastructuur. De gelaagde structuur van de zijketens draagt bij aan de vorming van functionele dunne films, waardoor toepassing in flexibele elektronica en coatingtechnologieën binnen handbereik ligt. Bovendien is het polymeer akoestisch compatibel met biologisch weefsel, wat het geschikt maakt voor medische toepassingen zoals ultrasone transducers en diagnostische hulpmiddelen.

Hoogleraar Lei Zhu, hoofdonderzoeker aan de Case Western Reserve University, geeft aan dat het materiaal zich nog in de ontwikkelingsfase bevindt. “We werken momenteel aan opschaling en structurele optimalisatie, maar het potentieel om milieubelastende ferro-elektrische polymeren te vervangen is veelbelovend,” aldus Zhu. Er loopt inmiddels een patentaanvraag op het materiaal.

Met deze ontwikkeling lijkt een belangrijke stap gezet naar functionele, fluorvrije alternatieven voor ferro-elektrische toepassingen. Dit nieuwe materiaal combineert een lage milieubelasting met prestaties die tot nu toe alleen haalbaar waren met PVDF-gebaseerde systemen. Voor sectoren die streven naar duurzame, flexibele en elektrisch functionele polymeren biedt dit polymeer een toekomstbestendig alternatief.