Fluoropolymery jsou všudypřítomnou součástí moderního života – používají se ve všem od obalů na potraviny až po nepřilnavé povlaky na kuchyňských pánvích. Fluoropolymery dokázaly uspokojit mnoho různých průmyslových potřeb, což z nich činí velmi oblíbený materiál.

Vazba fluoridu a uhlíku přítomná ve fluoropolymerech jim propůjčuje jejich charakteristické vlastnosti – odolnost vůči hoření a chemickým látkám. Vazby C-F jsou velmi pevné a syntéza různých fluoropolymerů s mírně odlišným způsobem vazby C-F pomohla vytvořit obrovský a rozmanitý průmysl fluoropolymerů, který nyní existuje.

Homopolymery, vytvořené řetězením monomerních jednotek, a kopolymery, vytvořené řetězením dvou různých monomerů, jsou jen dva příklady různých konfigurací, které umožňují vyrábět tolik různých fluoropolymerů.

Tento rozmanitý průmysl začal s jediným původním fluoropolymerem: polytetrafluorethylenem neboli PTFE.

Obrázek 1. Krajina populárních fluoropolymerů. Homopolymery, jako je PTFE, se vyrábějí polymerací identických monomerních jednotek. Kopolymery zahrnují dva nebo více monomerů, z nichž vzniká konečný polymerní materiál.

PTFE byl výsledkem několikaletého náhodného vývoje chemiků společnosti DuPont, která se zaměřovala na vývoj nových chladiv.1 Výzkumníci ponechali nízkoteplotní kapalný tetrafluorethylen (TFE) v tlakové nádobě a po nějaké době ponechané bez dozoru zjistili, že materiál polymerizoval a vytvořil na vnitřních stěnách nádoby voskový povlak. Zjistilo se, že tento povlak je PTFE.

Když k tomuto zjištění došlo v roce 1938, PTFE byl uveden na trh až v roce 1946. Předtím byl PTFE použit v projektu Manhattan, americké práci na vývoji atomové bomby, což znamená, že nový materiál byl utajen. Poskytuje se nejčastěji jako polymerní povlak na kovové povrchy TeflonTM PTFE (známý také jen jako TeflonTM) je nyní nejznámější pro své použití jako nepřilnavý povlak pro kuchyňské vybavení.

Syntéza PTFE zahrnuje polymerizaci monomerů TFE (obrázek 2). Syntéza nejprve zahrnuje výrobu TFE pomocí chloroformu (CHCl3), kyseliny fluorovodíkové (HF) a fluoridu vápenatého (CaF2), které se zahřívají na teplotu vyšší než 600 °C (1112 °F). Plynný TFE vzniklý touto reakcí se pak ochladí na kapalinu, kterou lze následně čistit.

Obrázek 2. PTFE (polytetrafluorethylen) a jeho bezprostřední syntetické prekurzory. PTFE se vyrábí polymerací monomerů tetrafluorethylenu (TFE) radikálovou reakcí.

Kalný TFE se pak polymeruje radikálovým mechanismem za použití iniciátoru, jako je peroxid (ROOR), za vzniku PTFE. Tento proces lze upravit několika různými způsoby pro výrobu PTFE ve formě energie, vodné disperze nebo pelet.2

Výkonné vlastnosti PTFE ve srovnání s jinými fluoropolymery znamenají, že je považován za nejlepší dostupný. Tyto vlastnosti vyplývají z toho, že PTFE má podél své C-C polymerní páteře výhradně pouze C-F vazby, které jsou silné, krátké a inertní (obrázek 3), což znamená, že páteř je účinně chráněna vnější vrstvou inertních atomů fluoru.

Obrázek 3. Struktura PTFE. A) Stereo kresba linie vazby, B) model koule a tyče a C) model prostorového vyplnění PTFE (znázorněno jako klikaté znázornění). (Konformace PTFE se mění během taveniny a amorfní fáze).

Tato jedinečná struktura dává vzniknout příznivým vlastnostem, kterými je PTFE známý – chemické inertnosti, nízké absorpci vody a extrémně nízkému koeficientu tření, který mu dodává kluzkost.

Zpracování

Vysoká viskozita PTFE znamená, že jej nelze zpracovávat taveninou; ke zpracování však lze použít metody, jako je vytlačování pasty, které zahrnuje smíchání práškové PTFE pryskyřice s mazivem (např. uhlovodíkem) (tabulka 1). Metody míchání lze použít k výrobě předlisku, z něhož lze poté vyrobit součásti, jako jsou pásky, trubky a listy.

Tabulka 1. Vhodnost zpracování PTFE. Ačkoli PTFE není zpracovatelný taveninou, je vhodný pro několik dalších výrobních metod, včetně vytlačování pasty a lisování.

Je také možné vyrábět PTFE součásti lisováním nebo spékáním do polotovaru. Výsledný polotovar lze poté zahřát a vytlačit beranem pro výrobu trubek, silnic nebo trubek. Kromě toho lze pak PTFE loubky kalandrovat pro výrobu membrán a fólií nebo lze lisováním vyrábět lisované součásti.

Široká škála různých způsobů zpracování PTFE ukazuje, že i přesto, že PTFE není zpracovatelný taveninou, lze snadno vyrábět součásti pro zakázkové aplikace.

Vlastnosti PTFE

Fyzikální a mechanické

Mnozí považují PTFE za „zlatý standard“ fluoropolymerů díky řadě jeho vynikajících vlastností. Protože PTFE byl již tak žádaný, následující vývoj nových fluoropolymerů, jako jsou PFA a FEP, byl pokusem o výrobu polymerů se stejnými vlastnostmi jako PTFE, které by však bylo možné zpracovávat taveninou.

PTFE je perfluorovaný polymer s přímým řetězcem, který má nejvyšší stupeň nasycení fluorem, a právě to zajišťuje většinu jeho výhodných vlastností (tabulky 2 a 3). Vazby C-C podél páteře polymeru PTFE jsou silné a krátké a v kombinaci s vysoce polymerními vazbami C-F, které vystupují ven, vedou k pevné látce s vysokou hustotou a krystalinitou.

Tabulka 2. Typické fyzikální vlastnosti PTFE. Fyzikální vlastnosti PTFE jej řadí do malé skupiny fluoropolymerů, které svými vlastnostmi předčí téměř všechny ostatní polymerní plasty. (Metody jsou zkušební normy ASTM, kromě případů, kdy jsou označeny *).

.

Tabulka 3. Typické mechanické vlastnosti PTFE. Přestože je PTFE relativně mechanicky slabý, vykazuje velmi nízký součinitel tření a velmi vysokou tvrdost.

Inertní a hydrofobní atomy fluoru účinně pokrývají páteř; díky tomu PTFE chemicky nereaguje vůči obrovskému množství chemických látek a je biokompatibilní až do lékařské třídy VI.

Přestože existují určitá omezení v mechanickém chování PTFE, bývá lepší než všechny ostatní fluoropolymery z hlediska různých výhodných vlastností.

Mechanické vlastnosti PTFE souvisejí s jeho krystalinitou; ta je velmi vysoká, protože molekuly PTFE mají extrémně homogenní, lineární strukturu. Čerstvě vyrobený PTFE má obvykle krystalinitu vyšší než 90 %, což je výrazně více než 40-50% krystalinita PVDF, dalšího vysoce homogenního fluoropolymeru.

Materiály s vysokou krystalinitou bývají křehké, s nižší pružností a pevností v tahu. Pro snížení křehkosti PTFE lze syntetizovat tak, aby obsahoval plnivo, nebo lze použít jiný typ zpracování, který selektuje určité mechanické (nebo jiné) vlastnosti. Přitom krystalinita může být často výhodná, protože poskytuje zvýšenou rázovou pevnost a tvrdost, což je užitečné v aplikacích s vysokým opotřebením.

Výjimečně nízký koeficient tření PTFE má za následek velmi hladký povrch, který pomáhá snižovat poškození vznikající v důsledku opotřebení. A konečně, také v důsledku své krystalické struktury je PTFE vysoce teplotně stabilní, což znamená, že vykazuje podobné vlastnosti v širokém rozsahu teplot.

Termické

Silné vazebné režimy C-F a C-C v PTFE mají významný vliv na jeho tepelné vlastnosti (tabulka 4), přičemž vazby C-F mají vyšší pevnost vazby (116 kcal/mol) než dokonce vazby C-H (99 kcal/mol).3 Díky těmto extrémně silným vazbám má PTFE vysokou provozní teplotu až 260 °C (500 °F), jednu z nejvyšších ze všech fluoropolymerů.

Tabulka 4. Tepelné vlastnosti PTFE. PTFE vykazuje nejširší teplotní rozsah použití ze všech fluoropolymerů. PTFE je také vysoce odolný proti hoření a ke svému hoření vyžaduje velmi vysoký obsah kyslíku. (Metody jsou zkušební normy ASTM, pokud není uvedeno jinak).

PTFE je neuvěřitelně obtížně hořlavý, potřebuje nejméně 95% koncentraci kyslíku. (Pro srovnání, běžný vzduch obsahuje pouze asi 21 % kyslíku). Tyto hořlavé vlastnosti PTFE jsou zvláště výhodné pro PTFE součásti používané v citlivých nebo kritických aplikacích, jako je letecký a automobilový průmysl.

Je třeba poznamenat, že PTFE může mezi teplotami 30 °C až 19 °C (86 °F až 66 °F) projít přibližně 1,8% poklesem objemu, protože jeho struktura při ochlazení vytváří pevně navinutou kanonickou šroubovici.4,5 Tento pokles objemu je důležitý a měl by být zohledněn při výrobě PTFE součástí pro prostředí, která vyžadují jemnou toleranci. Po vytvoření šroubovicové konformace, tj. při teplotě pod 19 °C (66 °F), vykazuje PFTE vynikající funkční chování až do teplot -200 °C (-328 °F).

PTFE si zachovává mnoho svých výhodných vlastností v širokém rozsahu teplot, více než většina ostatních fluoropolymerů.

Elektrické

PTFE je jedinečný polymer z hlediska svého elektrického chování (tabulka 5). Extrémní polarita vazeb C-F v PTFE mu dává výjimečné dielektrické vlastnosti v širokém frekvenčním rozsahu. Dielektrická konstanta a rozptylový faktor PTFE vykazují dobrou stabilitu od pokojové teploty až po teploty -250 °C (-418 °F) a při frekvencích dosahujících 10 GHz.6,7 Minimalizace tvorby dutin při výrobě PTFE lze využít k dalšímu zlepšení dielektrické pevnosti (tj. průrazného napětí) PTFE.

Tabulka 5. Elektrické vlastnosti PTFE. Perfluorovaná povaha PTFE obsahující silně polární vazby C-F má za následek velmi příznivé izolační vlastnosti. Dielektrické výhody PTFE zůstávají téměř nezměněny ve velmi širokém frekvenčním rozsahu. (Metody jsou podle ASTM, pokud není uvedeno jinak).

Dielektrická pevnost PTFE není výrazně ovlivněna tepelným stárnutím nebo zahříváním.7 Celkově bývají izolační vlastnosti PTFE lepší než u většiny ostatních pevných materiálů.

Zpracování

PTFE lze dokončit většinou standardních výrobních a obráběcích metod. Z pevného zpracovaného PTFE lze vyrábět různé formy, typy a výrobky. Běžné metody obrábění, včetně závitování, soustružení, řezání závitů, vrtání, broušení smykování a dalších, lze provádět bez nutnosti jakýchkoli úprav zařízení.

Ačkoli se jedná o plast, tvrdost PTFE znamená, že se nástroje opotřebovávají v podobném rozsahu jako nerezová ocel.7 To však také znamená, že součásti z PTFE lze seřizovat s tolerancemi až < ± 0 %.001′′ (0,025 mm).7

Také je možné PTFE předexponovat a vytvořit tak teplem smrštitelné trubičky pro zapouzdření, které pak ztuhnou do téměř pevné formy. Tyto formy membrán nebo fólií PTFE lze poté řízeně mechanicky rozšiřovat nebo natahovat (jinou metodou než tepelným smršťováním), čímž vzniká expandovaný PTFE (ePTFE). ePTFE má mikroporézní strukturu a lze jej použít v nových aplikacích, zejména pro specializované filtrace nebo v lékařských přístrojích.

Je možné lepit hotové součásti PTFE, i když to často vyžaduje chemické leptání součásti pomocí koncentrovaných hydridů nebo hydroxidů alkalických kovů.6 K barvení PTFE lze použít pigmenty, ačkoli výběr pigmentů je omezen na ty, které odolávají vysokým teplotám, při nichž se PTFE zpracovává.

Přátelské chování PTFE po vytlačování je jedním z hlavních důvodů, proč je upřednostňován pro použití ve vysoce výkonných aplikacích v široké škále průmyslových odvětví.

Aplikace

PTFE stále zůstává nejoblíbenějším komerčním polymerním plastem,2 díky svým výhodným vlastnostem, konkrétně chemické a tepelné inertnosti a krystalické struktuře, je všudypřítomný ve většině komerčních odvětví (tabulka 6). Ty sahají od chemického a elektrotechnického průmyslu až po automobilový a letecký průmysl, kde se PTFE používá ve specializovaných nikách.

Tabulka 6. Přehled aplikací PTFE. Teplotní tolerance PTFE, schopnost sterilizace a možnost výroby ve formách, jako je ePTFE a PTFE smršťovací za tepla, z něj učinily jeden z nejpoužívanějších fluoropolymerů .

PTFE, který byl extrudován, lze použít k výrobě extrudovaného přes drát, trubky, monofilamenty (s profily nebo bez nich); může být kalandrován do listů nebo membrán, které mohou být následně protaženy za vzniku mikroporézního ePTFE nebo teplem smrštitelného PTFE, nebo lisovány.

PTFE lze také vytlačovat a získat tak formy, jejichž výroba by byla jinak velmi obtížná (ne-li nemožná) (obrázek 4). Surové součásti PTFE lze upravovat nebo obrábět tak, aby bylo možné vyrábět specializované hotové výrobky nebo nové předměty. Vlastnosti materiálu a výrobní univerzálnost PTFE vedly k tomu, že se stal nejoblíbenějším fluoropolymerem, který existuje.

Obrázek 4. Vytlačované profily PTFE. Zeus dokáže vytlačovat PTFE v téměř neomezeném množství přizpůsobených profilů (a vícevrstvých forem), jako jsou zde zobrazené, které by jinak bylo obtížné vyrobit.

Shrnutí

PTFE byl prvním z mnoha fluoropolymerů a prosadil se jako jeden z nejdůležitějších komerčních plastů. Částečně díky své homopolymerní struktuře je nejvíce fluorovaný ze všech fluoropolymerů, což má za následek vysokou chemickou a tepelnou stabilitu; díky těmto vlastnostem PTFE překonává téměř všechny ostatní polymery, pokud jde o výhodné vlastnosti v různých aplikacích.

Silná vazba přítomná v PTFE znamená, že má vysokou teplotu tání, a ovlivňuje jeho vysokou viskozitu taveniny; což znamená, že nemůže být zpracováván taveninou a místo toho musí být vytlačován beranem nebo pastou. Obrábění PTFE lze provádět standardními technikami a metodami a listy PTGE lze rozšiřovat a vytvářet mikroporézní ePTFE nebo smršťovat za tepla.

Nelepivý povrch PTFE lze obejít pomocí chemického leptání, což umožňuje lepení PTFE. Vysoce univerzální povaha PTFE je jedním z hlavních důvodů, proč je nejoblíbenějším průmyslovým plastem, který existuje.

Výjimečné vlastnosti PTFE jsou dalším důvodem, proč je tak oblíbený. Jeho plně fluorovaná struktura (s výjimkou C-C polymerní páteře) z něj činí předlohu, na jejímž základě byly vyvinuty další fluoropolymery. Silné vazby C-C a C-F v PTFE mu propůjčují vysokou chemickou a tepelnou inertnost a k jeho hoření je zapotřebí atmosféra s nejméně 95 % kyslíku.

Izolační schopnost PTFE jej činí žádoucím pro použití v elektrických aplikacích. I když má určité mechanické limity, extrémně vysoká tvrdost a nízký koeficient tření PTFE znamená, že je vynikající v součástech, které budou vystaveny vysokému opotřebení. Při celkovém posouzení převyšují výhodné vlastnosti PTFE vlastnosti téměř všech ostatních polymerů (tabulka 7).

Tabulka 7. Výhody a omezení PTFE. PTFE lze použít téměř ve všech aplikacích, kde není vyžadována mechanická pevnost, s výjimkou použití v radiologii. Široká chemická, teplotní a povětrnostní odolnost řadí PTFE do samostatné skupiny v krajině výkonných fluoropolymerních výlisků.

Tyto informace byly získány, přezkoumány a upraveny z materiálů poskytnutých společností Zeus.

Další informace o tomto zdroji naleznete na stránkách společnosti Zeus.

Citace

.