Fluorpolymere sind ein allgegenwärtiger Bestandteil des modernen Lebens – sie werden in allem verwendet, von Lebensmittelverpackungen bis hin zu den Antihaftbeschichtungen von Küchenpfannen. Fluorpolymere erfüllen viele verschiedene industrielle Anforderungen, was sie zu einem sehr beliebten Material macht.

Die Kohlenstoff-Fluorid-Bindung in Fluorpolymeren verleiht ihnen ihre charakteristischen Eigenschaften – Brand- und Chemikalienbeständigkeit. C-F-Bindungen sind sehr stark, und die Synthese verschiedener Fluorpolymere mit leicht unterschiedlichen C-F-Bindungsarten hat dazu beigetragen, dass es heute eine große und vielfältige Fluorpolymerindustrie gibt.

Homopolymere, die durch die Verkettung von Monomereinheiten entstehen, und Copolymere, die durch die Verkettung von zwei verschiedenen Monomeren entstehen, sind nur zwei Beispiele für die verschiedenen Konfigurationen, die es ermöglichen, so viele verschiedene Fluorpolymere herzustellen.

Diese vielfältige Industrie begann mit nur einem ursprünglichen Fluorpolymer: Polytetrafluorethylen oder PTFE.

Abbildung 1. Landschaft der gängigen Fluorpolymere. Homopolymere wie PTFE werden durch die Polymerisation von identischen Monomereinheiten hergestellt. Copolymere enthalten zwei oder mehr Monomere, um das endgültige Polymermaterial herzustellen.

PTFE war das Ergebnis einer jahrelangen zufälligen Entwicklung von Chemikern bei DuPont, die sich auf die Entwicklung neuer Kühlmittel konzentrierten.1 Die Forscher hatten flüssiges Tetrafluorethylen (TFE) bei niedriger Temperatur in einem Druckbehälter belassen, und nach einiger Zeit, die sie unbeaufsichtigt ließen, stellten sie fest, dass das Material polymerisiert war und eine wachsartige Beschichtung an den Innenwänden des Behälters gebildet hatte. Es stellte sich heraus, dass es sich bei dieser Beschichtung um PTFE handelte.

Während diese Entdeckung im Jahr 1938 gemacht wurde, kam PTFE erst 1946 auf den Markt. Davor wurde PTFE im Manhattan-Projekt, der amerikanischen Arbeit an der Entwicklung einer Atombombe, verwendet, was bedeutet, dass das neue Material geheim gehalten wurde. TeflonTM PTFE (auch nur TeflonTM genannt) ist heute vor allem für seine Verwendung als Antihaftbeschichtung für Küchengeräte bekannt.

Die Synthese von PTFE beinhaltet die Polymerisation von TFE-Monomeren (Abbildung 2). Bei der Synthese wird TFE zunächst mit Hilfe von Chloroform (CHCl3), Flusssäure (HF) und Calciumfluorid (CaF2) hergestellt, die auf Temperaturen von über 600 °C erhitzt werden. Das bei dieser Reaktion entstehende TFE-Gas wird dann abgekühlt, um eine Flüssigkeit zu bilden, die dann gereinigt werden kann.

Abbildung 2. PTFE (Polytetrafluorethylen) und seine unmittelbaren synthetischen Vorstufen. PTFE wird durch die Polymerisation von Tetrafluorethylen (TFE)-Monomeren über eine radikalische Reaktion hergestellt.

Das flüssige TFE wird dann über einen radikalischen Mechanismus unter Verwendung eines Initiators wie Peroxid (ROOR) polymerisiert, um PTFE herzustellen. Dieser Prozess kann auf verschiedene Weise eingestellt werden, um PTFE als Potenz, als wässrige Dispersion oder als Granulat herzustellen.2

Die starken Eigenschaften von PTFE im Vergleich zu anderen Fluorpolymeren führen dazu, dass es als das beste verfügbare Material gilt. Diese Eigenschaften beruhen darauf, dass PTFE ausschließlich C-F-Bindungen aufweist, die stark, kurz und inert sind, und zwar entlang des C-C-Polymerrückgrats (Abbildung 3), was bedeutet, dass das Rückgrat effektiv durch eine äußere Schicht inerter Fluoratome geschützt ist.

Abbildung 3. Struktur von PTFE. A) Stereo-Bondlinienzeichnung, B) Kugel-Stab-Modell und C) Raumfüllungsmodell von PTFE (dargestellt als Zick-Zack-Darstellung). (Die Konformationen von PTFE sind in der Schmelze und in der amorphen Phase variabel).

Diese einzigartige Struktur führt zu den vorteilhaften Eigenschaften, für die PTFE bekannt ist – chemische Inertheit, geringe Wasseraufnahme und ein extrem niedriger Reibungskoeffizient, der ihm ein gleitendes Gefühl verleiht.

Verarbeitung

Die hohe Viskosität von PTFE bedeutet, dass es nicht in der Schmelze verarbeitbar ist; jedoch können Methoden wie die Pastenextrusion, bei der pulverförmiges PTFE-Harz mit einem Schmiermittel (z. B. einem Kohlenwasserstoff) gemischt wird, zur Verarbeitung verwendet werden (Tabelle 1). Mit Hilfe von Mischverfahren kann eine Vorform hergestellt werden, die dann zu Komponenten wie Bändern, Schläuchen und Platten verarbeitet werden kann.

Tabelle 1. PTFE-Verarbeitungseignung. Obwohl PTFE nicht in der Schmelze verarbeitbar ist, eignet es sich für verschiedene andere Herstellungsverfahren, einschließlich Pastenextrusion und Formpressen.

Es ist auch möglich, PTFE-Komponenten durch Formen oder Sintern zu einem Knüppel herzustellen. Der so entstandene Rohling kann dann erhitzt und zur Herstellung von Rohren, Straßen oder Schläuchen stranggepresst werden. Darüber hinaus können PTFE-Rohlinge zu Membranen und Platten kalandriert oder Formteile durch Formpressen hergestellt werden.

Die vielfältigen Verarbeitungsmöglichkeiten von PTFE zeigen, dass PTFE-Bauteile trotz der fehlenden Schmelzverarbeitbarkeit problemlos für kundenspezifische Anwendungen hergestellt werden können.

PTFE-Eigenschaften

Physikalische und mechanische Eigenschaften

Viele betrachten PTFE aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften als den „Goldstandard“ unter den Fluorpolymeren. Da PTFE bereits so begehrt war, wurde mit der Entwicklung neuer Fluorpolymere wie PFA und FEP versucht, Polymere mit den gleichen Eigenschaften wie PTFE herzustellen, die sich jedoch in der Schmelze verarbeiten lassen.

PTFE ist das geradkettige perfluorierte Polymer mit dem höchsten Fluor-Sättigungsgrad, der die meisten seiner vorteilhaften Eigenschaften ermöglicht (Tabellen 2 und 3). Die C-C-Bindungen entlang des Polymerrückgrats von PTFE sind stark und kurz, und in Kombination mit den hochpolymeren C-F-Bindungen, die sich nach außen erstrecken, ergeben sie einen Feststoff von hoher Dichte und Kristallinität.

Tabelle 2. Typische physikalische Eigenschaften von PTFE. Mit seinen physikalischen Eigenschaften gehört PTFE zu einer kleinen Gruppe von Fluorpolymeren, deren Eigenschaften fast allen anderen polymeren Kunststoffen überlegen sind. (Die Methoden sind ASTM-Prüfnormen, außer wenn mit * gekennzeichnet).

Tabelle 3. Typische mechanische Eigenschaften von PTFE. PTFE ist zwar mechanisch vergleichsweise schwach, weist aber einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten und eine sehr hohe Härte auf.

Die reaktionsträgen und hydrophoben Fluoratome umhüllen das Grundgerüst; dadurch ist PTFE gegenüber einer Vielzahl von Chemikalien chemisch nicht reaktiv und biokompatibel bis zu einem medizinischen Grad der Klasse VI.

Obwohl es einige Einschränkungen im mechanischen Verhalten von PTFE gibt, ist es in Bezug auf verschiedene vorteilhafte Eigenschaften tendenziell besser als alle anderen Fluorpolymere.

Die mechanischen Eigenschaften von PTFE hängen mit seiner Kristallinität zusammen, die sehr hoch ist, da PTFE-Moleküle eine extrem homogene, lineare Struktur haben. Frisch hergestelltes PTFE hat in der Regel eine Kristallinität von über 90 %, deutlich mehr als die 40-50 % Kristallinität von PVDF, einem anderen sehr homogenen Fluorpolymer.

Materialien mit einer hohen Kristallinität neigen dazu, spröde zu sein, mit geringerer Elastizität und Zugfestigkeit. Um die Sprödigkeit von PTFE zu verringern, kann es so synthetisiert werden, dass es einen Füllstoff enthält, oder es kann eine andere Art der Verarbeitung angewandt werden, die bestimmte mechanische (oder andere) Eigenschaften hervorhebt. Die Kristallinität kann jedoch oft von Vorteil sein, da sie zu einer verbesserten Schlagfestigkeit und Härte führt, was bei Anwendungen mit hohem Verschleiß von Nutzen ist.

Der extrem niedrige Reibungskoeffizient von PTFE führt zu einer sehr glatten Oberfläche, die dazu beiträgt, die durch Verschleiß entstehenden Schäden zu verringern. Schließlich ist PTFE auch aufgrund seiner kristallinen Struktur sehr temperaturstabil, was bedeutet, dass es über einen weiten Temperaturbereich ähnliche Eigenschaften aufweist.

Thermische

Die starken C-F- und C-C-Bindungen in PTFE haben einen erheblichen Einfluss auf seine thermischen Eigenschaften (Tabelle 4), wobei die C-F-Bindungen eine höhere Bindungsstärke (116 kcal/mol) als selbst die C-H-Bindungen (99 kcal/mol) aufweisen.3 Diese extrem starken Bindungen bedeuten, dass PTFE eine hohe Betriebstemperatur von bis zu 260 °C (500 °F) hat, eine der höchsten von allen Fluorpolymeren.

Tabelle 4. Thermische Eigenschaften von PTFE. PTFE weist den breitesten Temperatureinsatzbereich aller Fluorpolymere auf. PTFE ist auch sehr widerstandsfähig gegen Verbrennungen und benötigt einen sehr hohen Sauerstoffgehalt, um zu verbrennen. (Methoden sind ASTM-Prüfnormen, außer wenn angegeben).

PTFE ist unglaublich schwer zu verbrennen und benötigt eine Sauerstoffkonzentration von mindestens 95%. (Im Vergleich dazu enthält normale Luft nur etwa 21 % Sauerstoff). Diese Entflammbarkeitsmerkmale von PTFE sind besonders vorteilhaft für PTFE-Komponenten, die in sensiblen oder kritischen Anwendungen wie der Luft- und Raumfahrt und der Automobilindustrie eingesetzt werden.

Es ist zu beachten, dass PTFE zwischen 30 °C und 19 °C eine Volumenverringerung von etwa 1,8 % erfahren kann, da seine Struktur beim Abkühlen eine eng gewundene kanonische Helix bildet.4,5 Diese Volumenverringerung ist wichtig und sollte bei der Herstellung von PTFE-Komponenten für Umgebungen berücksichtigt werden, die eine geringe Toleranz erfordern. Sobald die helikale Konformation gebildet ist, d.h. bei einer Temperatur unter 19 °C, zeigt PFTE ein ausgezeichnetes funktionelles Verhalten bis zu Temperaturen von -200 °C.

PTFE behält viele seiner vorteilhaften Eigenschaften über einen weiten Temperaturbereich, mehr als die meisten anderen Fluorpolymere.

Elektrisch

PTFE ist ein einzigartiges Polymer in Bezug auf sein elektrisches Verhalten (Tabelle 5). Die extreme Polarität der C-F-Bindungen in PTFE verleiht ihm außergewöhnliche dielektrische Eigenschaften über einen breiten Frequenzbereich. Die Dielektrizitätskonstante und der Verlustfaktor von PTFE zeigen eine gute Stabilität von Raumtemperatur bis zu Temperaturen von -250 °C (-418 °F) und bei Frequenzen bis zu 10 GHz.6,7 Die Minimierung der Hohlraumbildung bei der PTFE-Herstellung kann zur weiteren Verbesserung der Durchschlagsfestigkeit (d. h. der Durchbruchspannung) von PTFE genutzt werden.

Tabelle 5. Elektrische Eigenschaften von PTFE. Die perfluorierte Natur von PTFE, die stark polare C-F-Bindungen enthält, führt zu sehr vorteilhaften isolierenden Eigenschaften. Die dielektrischen Vorteile von PTFE bleiben über einen sehr breiten Frequenzbereich nahezu unverändert. (Methoden sind ASTM, außer wo angegeben).

Die Durchschlagsfestigkeit von PTFE wird durch thermische Alterung oder Erwärmung nicht stark beeinflusst.7 Insgesamt sind die Isolationseigenschaften von PTFE besser als die der meisten anderen festen Werkstoffe.

Bearbeitung

PTFE kann mit den meisten Standardherstellungs- und Bearbeitungsmethoden bearbeitet werden. Fest verarbeitetes PTFE kann zur Herstellung einer Vielzahl von verschiedenen Formen, Typen und Produkten verwendet werden. Gängige Bearbeitungsverfahren wie Gewindeschneiden, Drehen, Gewindeschneiden, Bohren, Schleifen, Schälen usw. können durchgeführt werden, ohne dass Änderungen an der Ausrüstung vorgenommen werden müssen.

Obwohl es sich um einen Kunststoff handelt, bedeutet die Härte von PTFE, dass es Werkzeuge in ähnlichem Maße verschleißt wie rostfreier Stahl.7 Dies bedeutet jedoch auch, dass PTFE-Bauteile auf Toleranzen von nur < ± 0 abgestimmt werden können.001′′ (0,025 mm).7

Es ist auch möglich, PTFE vorzuschrumpfen, um Schrumpfschläuche für Verkapselungen zu bilden, die dann zu einer fast festen Form aushärten/verfestigen. Diese Formen von Membranen oder PTFE-Folien können dann mechanisch gedehnt oder gestreckt werden (mit einer anderen Methode als dem Warmschrumpfen), um kontrolliert expandiertes PTFE (ePTFE) zu erhalten. ePTFE hat eine mikroporöse Struktur und kann in neuartigen Anwendungen eingesetzt werden, insbesondere für spezielle Filtrationen oder in medizinischen Geräten.

Es ist möglich, fertige PTFE-Komponenten zu verkleben, obwohl dies oft das chemische Ätzen der Komponente mit konzentrierten Alkalimetallhydriden oder -hydroxiden erfordert.6 Pigmente können zum Einfärben von PTFE verwendet werden, allerdings ist die Auswahl an Pigmenten auf solche beschränkt, die den hohen Temperaturen, bei denen PTFE verarbeitet wird, standhalten.

Das nach der Extrusion freundliche Verhalten von PTFE ist einer der Hauptgründe, warum es für den Einsatz in Hochleistungsanwendungen in einem breiten Spektrum von Branchen bevorzugt wird.

Anwendungen

PTFE ist nach wie vor der beliebteste handelsübliche Polymerkunststoff,2 der aufgrund seiner vorteilhaften Eigenschaften, nämlich seiner chemischen und thermischen Inertheit und seiner Kristallstruktur, in den meisten Wirtschaftszweigen allgegenwärtig ist (Tabelle 6). Diese reichen von der Chemie- und Elektroindustrie bis hin zur Automobil- und Luftfahrtindustrie, wo PTFE in speziellen Nischen eingesetzt wird.

Tabelle 6. Übersicht über die PTFE-Anwendungen. Die Temperaturtoleranz von PTFE, seine Fähigkeit, sterilisiert zu werden, und seine Fähigkeit, in Formen wie ePTFE und PTFE-Schrumpfschlauch hergestellt zu werden, haben es zu einem der am meisten verwendeten Fluorpolymere gemacht.

PTFE, das extrudiert wurde, kann zur Herstellung von extrudierten Drähten, Schläuchen, Monofilamenten (mit oder ohne Profil) verwendet werden; es kann zu Platten oder Membranen kalandriert werden, die anschließend verstreckt werden können, um mikroporöses ePTFE oder wärmeschrumpfendes PTFE zu bilden, oder es kann formgepresst werden.

PTFE kann auch extrudiert werden, um Formen zu erhalten, die auf andere Weise extrem schwierig (wenn nicht gar unmöglich) herzustellen wären (Abbildung 4). Rohe PTFE-Komponenten können modifiziert oder bearbeitet werden, um spezielle Fertigprodukte oder neuartige Objekte herzustellen. Die Materialeigenschaften und die Fertigungsvielfalt von PTFE haben dazu geführt, dass es sich als das beliebteste Fluorpolymer überhaupt etabliert hat.

Abbildung 4. Extrudierte PTFE-Profile. Zeus kann PTFE in nahezu unbegrenzten kundenspezifischen Profilen (und Multilumenformen) wie den hier gezeigten extrudieren, die sonst nur schwer herzustellen wären.

Zusammenfassung

PTFE war das erste von vielen Fluorpolymeren und hat sich als einer der wichtigsten kommerziellen Kunststoffe überhaupt etabliert. Zum Teil aufgrund seiner Homopolymerstruktur ist es das am stärksten fluorierte aller Fluorpolymere, was zu einer hohen chemischen und thermischen Stabilität führt; diese Eigenschaften ermöglichen es PTFE, fast alle anderen Polymere in Bezug auf vorteilhafte Eigenschaften in verschiedenen Anwendungen zu übertreffen.

Die starke Bindung in PTFE bedeutet, dass es eine hohe Schmelztemperatur hat, und beeinflusst seine hohe Schmelzviskosität; das bedeutet, dass es nicht in der Schmelze verarbeitet werden kann und stattdessen stoß- oder pastenextrudiert werden muss. Die Bearbeitung von PTFE kann mit Standardtechniken und -verfahren erfolgen, und PTGE-Folien können zu mikroporösem ePTFE oder zu Schrumpfschläuchen erweitert werden.

Die Antihaft-Oberfläche von PTFE kann durch chemisches Ätzen umgangen werden, so dass PTFE verklebt werden kann. Die hohe Vielseitigkeit von PTFE ist einer der Hauptgründe, warum es der beliebteste Industriekunststoff überhaupt ist.

Die außergewöhnlichen Eigenschaften von PTFE sind ein weiterer Grund für seine Beliebtheit. Seine vollständig fluorierte Struktur (mit Ausnahme des C-C-Polymergerüsts) macht es zur Vorlage für die Entwicklung anderer Fluorpolymere. Die starken C-C- und C-F-Bindungen in PTFE verleihen ihm eine hohe chemische und thermische Inertheit, so dass eine Atmosphäre von mindestens 95 % Sauerstoff erforderlich ist, um es zu verbrennen.

Das Isoliervermögen von PTFE macht es für den Einsatz in elektrischen Anwendungen wünschenswert. Die extrem hohe Härte und der niedrige Reibungskoeffizient von PTFE bedeuten, dass es sich hervorragend für Komponenten eignet, die einem hohen Verschleiß ausgesetzt sind, auch wenn es einige mechanische Grenzen hat. Insgesamt gesehen übertreffen die vorteilhaften Eigenschaften von PTFE die von fast allen anderen Polymeren (Tabelle 7).

Tabelle 7. Vorteile und Grenzen von PTFE. PTFE kann in fast allen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen keine mechanische Festigkeit erforderlich ist, mit Ausnahme der radiologischen Anwendungen. Aufgrund seiner umfassenden Chemikalien-, Temperatur- und Witterungsbeständigkeit gehört PTFE zu einer eigenen Gruppe von Hochleistungs-Fluorpolymeren.

Diese Informationen wurden aus Quellen bezogen, Materialien, die von Zeus zur Verfügung gestellt wurden, überprüft und angepasst.

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