A fluoropolimerek a modern élet mindenütt jelen vannak – az élelmiszercsomagolástól a konyhai serpenyők tapadásmentes bevonatáig mindenben használják őket. A fluoropolimerek számos különböző ipari igényt képesek kielégíteni, így rendkívül népszerű anyaggá váltak.

A fluoropolimerekben jelen lévő szén-fluorid kötés adja a fluoropolimerek jellegzetes tulajdonságait – égési és vegyi ellenállást. A C-F kötések nagyon erősek, és a különböző, kissé eltérő C-F kötésmódú fluoropolimerek szintézise segített létrehozni a ma létező hatalmas és változatos fluoropolimer-ipart.

A monomeregységek láncolásával létrehozott homopolimerek és a két különböző monomer láncolásával létrehozott kopolimerek csak két példa a különböző konfigurációkra, amelyek lehetővé teszik a sokféle fluorpolimer előállítását.

Ez a sokszínű ipar egyetlen eredeti fluorpolimerrel kezdődött: a politetrafluoretilénnel, vagy PTFE-vel.

1. ábra. A népszerű fluorpolimerek tájképe. A PTFE-hez hasonló homopolimereket azonos monomeregységek polimerizációjával állítják elő. A kopolimerek két vagy több monomer beépítésével állítják elő a végső polimer anyagot.

A PTFE egy véletlenszerű fejlesztés eredménye volt, amelyet a DuPont vegyészek végeztek éveken keresztül, akik új hűtőközegek kifejlesztésére összpontosítottak.1 A kutatók alacsony hőmérsékletű folyékony tetrafluoretilént (TFE) hagytak egy nyomástartó edényben, és egy idő után, miután felügyelet nélkül hagyták, azt találták, hogy az anyag viaszos bevonatot képezve polimerizálódott az edény belső falán. Megállapították, hogy ez a bevonat PTFE.

Míg ez a felfedezés 1938-ban történt, a PTFE csak 1946-ban került kereskedelmi forgalomba. Ezt megelőzően a PTFE-t a Manhattan Projektben, az atombomba kifejlesztésére irányuló amerikai munkában használták, vagyis az új anyagot titokban tartották. Leggyakrabban fémfelületek polimer bevonataként biztosított TeflonTM A PTFE (más néven csak TeflonTM) ma leginkább arról híres, hogy konyhai berendezések tapadásmentes bevonataként használják.

A PTFE szintézise a TFE monomerek polimerizációjával történik (2. ábra). A szintézis során először kloroform (CHCl3), fluorsav (HF) és kalcium-fluorid (CaF2) felhasználásával állítják elő a TFE-t, amelyet 600 °C-ot (1112 °F) meghaladó hőmérsékletre hevítenek. Az ebben a reakcióban keletkező TFE-gázt ezután folyadékká hűtik, amely ezután tisztítható.

2. ábra. PTFE (politetrafluoretilén) és közvetlen szintetikus prekurzorai. A PTFE-t tetrafluoretilén (TFE) monomerek gyökös reakcióval történő polimerizációjából állítják elő.

A folyékony TFE-t ezután gyökös mechanizmuson keresztül polimerizálják egy iniciátor, például peroxid (ROOR) felhasználásával, hogy PTFE-t állítsanak elő. Ezt a folyamatot többféleképpen lehet beállítani a PTFE hatalomként, vizes diszperzióként vagy pelletként történő előállításához.2

A PTFE erőteljes tulajdonságai más fluoropolimerekkel összehasonlítva azt jelentik, hogy a legjobb elérhetőnek tartják. Ezek a tulajdonságok abból adódnak, hogy a PTFE kizárólag C-F kötésekkel rendelkezik, amelyek erősek, rövidek és inertek, a C-C polimer gerinc mentén (3. ábra), ami azt jelenti, hogy a gerincet hatékonyan védi egy külső, inert fluoratomokból álló réteg.

3. ábra. A PTFE szerkezete. A) Sztereo kötésvonal-rajz, B) gömb-pálcika modell és C) PTFE térkitöltő modellje (cikcakkos ábrázolásként ábrázolva). (A PTFE konformációi változóak az olvadék és az amorf fázisok során).

Ez az egyedi szerkezet adja azokat a kedvező tulajdonságokat, amelyekről a PTFE ismert – kémiai inertitás, alacsony vízfelvétel és rendkívül alacsony súrlódási együttható, ami csúszós érzetet ad.

Feldolgozás

A PTFE magas viszkozitása azt jelenti, hogy nem lehet olvadékban feldolgozni; azonban olyan módszerek, mint a paszta extrudálás, amely a porított PTFE-gyanta és egy kenőanyag (pl. szénhidrogén) keverését jelenti, használhatók feldolgozásra (1. táblázat). A keverési módszerekkel előformát lehet előállítani, amelyből aztán alkatrészeket, például szalagokat, csöveket és lemezeket lehet készíteni.

1. táblázat. PTFE feldolgozásra való alkalmassága. Bár a PTFE nem feldolgozható olvadékkal, számos más gyártási módszerrel, többek között pasztaextrudálással és sajtolással is előállítható.

PtFE-alkatrészek előállítása tuskóba öntéssel vagy szinterezéssel is lehetséges. Az így kapott tuskó ezután felmelegíthető és kos-extrudálható csövek, utak vagy csővezetékek gyártásához. Ezenkívül a PTFE rudakat ezután kalanderezni lehet membránok és lemezek készítéséhez, vagy sajtolással formázott alkatrészek állíthatók elő.

A PTFE feldolgozásának sokféle módja azt mutatja, hogy annak ellenére, hogy a PTFE nem olvadékkal feldolgozható, az egyedi alkalmazásokhoz még mindig könnyen előállíthatók PTFE-alkatrészek.

PTFE tulajdonságai

Fizikai és mechanikai

A PTFE-t sokan a fluoropolimerek “arany standardjának” tekintik, mivel számos kiváló tulajdonsága van. Mivel a PTFE már akkor is annyira kívánatos volt, a következő új fluorpolimerek, mint a PFA és a FEP kifejlesztése kísérlet volt arra, hogy a PTFE-hez hasonló tulajdonságokkal rendelkező, de olvadékban feldolgozható polimereket állítsanak elő.

A PTFE az egyenes láncú perfluorozott polimer, amely a legmagasabb fluor telítettségi szinttel rendelkezik, és ez az, ami a legtöbb előnyös tulajdonságát biztosítja (2. és 3. táblázat). A PTFE polimer gerince mentén lévő C-C kötések erősek és rövidek, és a kifelé extrudálódó, erősen polimer C-F kötésekkel kombinálva nagy sűrűségű és kristályosságú szilárd anyagot eredményeznek.

2. táblázat. PTFE tipikus fizikai tulajdonságai. A PTFE fizikai tulajdonságai a fluorpolimerek egy kis csoportjába sorolják, amelyek tulajdonságai szinte minden más polimer műanyagot felülmúlnak. (A módszerek ASTM vizsgálati szabványok, kivéve ahol * jelzi).

.

3. táblázat. Jellemző PTFE mechanikai tulajdonságok. Bár mechanikai szempontból viszonylag gyenge, a PTFE nagyon alacsony súrlódási együtthatót és nagyon nagy keménységet mutat.

Az inert és hidrofób fluoratomok hatékonyan bevonják a gerincet; a PTFE kémiailag nem reagál a vegyi anyagok széles skálájával szemben, és a VI. osztályú orvosi osztályba sorolt biokompatibilitást biztosít.

Noha a PTFE mechanikai viselkedésében vannak bizonyos korlátok, különböző különböző előnyös tulajdonságok tekintetében általában jobb, mint az összes többi fluorpolimer.

A PTFE mechanikai tulajdonságai a kristályosságával függnek össze; ami nagyon magas, mivel a PTFE molekulák rendkívül homogén, lineáris szerkezetűek. A frissen gyártott PTFE kristályossága általában 90% feletti, ami jelentősen meghaladja a PVDF, egy másik rendkívül homogén fluoropolimer 40-50%-os kristályosságát.

A nagy kristályosságú anyagok általában ridegek, kisebb rugalmassággal és szakítószilárdsággal rendelkeznek. A PTFE ridegségének csökkentése érdekében szintetizálható úgy, hogy töltőanyagot tartalmazzon, vagy másfajta feldolgozás alkalmazható, amely bizonyos mechanikai (vagy más) tulajdonságokat választ ki. Ennek ellenére a kristályosság gyakran előnyös lehet, mivel jobb ütésállóságot és keménységet biztosít, ami a nagy kopást igénylő alkalmazásokban hasznos.

A PTFE rendkívül alacsony súrlódási együtthatója rendkívül sima felületet eredményez, ami segít csökkenteni a kopásból eredő károsodásokat. Végül, szintén kristályos szerkezetéből adódóan a PTFE rendkívül hőmérséklet-stabil, ami azt jelenti, hogy széles hőmérséklettartományban hasonló tulajdonságokat mutat.

Thermikus

A PTFE-ben lévő erős C-F és C-C kötésmódok jelentős hatással vannak a termikus tulajdonságaira (4. táblázat), a C-F kötések kötéserőssége nagyobb (116 kcal/mol), mint a C-H kötéseké (99 kcal/mol).3 Ezeknek a rendkívül erős kötéseknek köszönhetően a PTFE magas, akár 260 °C-os (500 °F) üzemi hőmérséklete az egyik legmagasabb a fluorpolimerek között.

4. táblázat. PTFE termikus tulajdonságai. A PTFE a fluoropolimerek közül a legszélesebb hőmérsékleti felhasználási tartományt mutatja. A PTFE az égéssel szemben is rendkívül ellenálló, és nagyon magas oxigéntartalom szükséges az égéshez. (A módszerek az ASTM vizsgálati szabványok, kivéve ahol ez szerepel).

APTFE hihetetlenül nehezen ég, legalább 95%-os oxigénkoncentrációra van szüksége. (Összehasonlításképpen, a normál levegő csak kb. 21% oxigént tartalmaz). A PTFE ezen éghetőségi tulajdonságai különösen előnyösek az érzékeny vagy kritikus alkalmazásokban, például a repülőgépiparban és az autóiparban használt PTFE-alkatrészek esetében.

Meg kell jegyezni, hogy a PTFE 30 °C és 19 °C (86 °F és 66 °F) közötti hőmérsékleten körülbelül 1,8%-os térfogatcsökkenésen mehet keresztül, mivel a szerkezete lehűléskor egy szorosan tekeredő kanonikus spirált alkot.4,5 Ez a térfogatcsökkenés fontos, és figyelembe kell venni, amikor a finom tűrést igénylő környezetbe szánt PTFE-alkatrészeket gyártanak. A spirális konformáció kialakulása után, azaz 19 °C alatti hőmérsékleten a PFTE kiváló funkcionális viselkedést mutat akár -200 °C-ig (-328 °F).

A PTFE számos előnyös tulajdonságát széles hőmérséklet-tartományban megőrzi, jobban, mint a legtöbb más fluorpolimer.

Elektromos

A PTFE elektromos viselkedését tekintve egyedülálló polimer (5. táblázat). A PTFE-ben lévő C-F kötések szélsőséges polaritása kivételes dielektromos tulajdonságokat biztosít számára széles frekvenciatartományban. A PTFE dielektromos állandója és disszipációs tényezője jó stabilitást mutat szobahőmérséklettől egészen -250 °C-ig (-418 °F), valamint 10 GHz-et elérő frekvenciákon.6,7 A PTFE gyártása során az üregképződés minimalizálásával tovább javítható a PTFE dielektromos szilárdsága (azaz az átütési feszültség).

5. táblázat. PTFE elektromos tulajdonságai. A PTFE erősen poláris C-F kötéseket tartalmazó perfluorozott jellege rendkívül előnyös szigetelési tulajdonságokat eredményez. A PTFE dielektromos előnyei nagyon széles frekvenciatartományban szinte változatlanok maradnak. (A módszerek az ASTM szerintiek, kivéve ahol ez szerepel).

A PTFE dielektromos szilárdságát nem befolyásolja erősen a termikus öregedés vagy melegítés.7 Összességében a PTFE szigetelési tulajdonságai általában jobbak, mint a legtöbb más szilárd anyagé.

Kikészítés

A PTFE a legtöbb szokásos gyártási és megmunkálási módszerrel megmunkálható. A szilárd megmunkált PTFE különböző formák, típusok és termékek előállítására használható. A szokásos megmunkálási módszerek, beleértve a menetvágást, esztergálást, menetvágást, fúrást, csiszolást, forgácsolást stb. a berendezések módosítása nélkül elvégezhetők.

Bár műanyag, a PTFE keménysége azt jelenti, hogy a szerszámokat hasonló mértékben koptatja, mint a rozsdamentes acél.7 Ez azonban azt is jelenti, hogy a PTFE alkatrészek akár < ± 0 tolerenciára is hangolhatók.001′′′ (0,025 mm).7

A PTFE-t előzetesen is ki lehet tágítani, hogy hőre zsugorodó csöveket képezzenek tokozáshoz, amelyek ezután szinte szilárd formára keményednek/megszilárdulnak. A membrán vagy lap PTFE ezen formái ezután mechanikusan (a hőzsugorítástól eltérő módszerrel) szabályozott módon tágíthatók vagy nyújthatók, hogy expandált PTFE-t (ePTFE) kapjanak. Az ePTFE mikroporózus szerkezetű, és újszerű alkalmazásokban használható, különösen speciális szűrésekhez vagy orvosi eszközökben.

A kész PTFE-alkatrészek ragasztása lehetséges, bár ehhez gyakran az alkatrész kémiai maratására van szükség tömény alkálifémhidridek vagy hidroxidok alkalmazásával.6 A PTFE színezésére pigmentek használhatók, bár a pigmentek választéka azokra korlátozódik, amelyek ellenállnak a PTFE feldolgozása során alkalmazott magas hőmérsékletnek.

A PTFE extrudálás utáni barátságos viselkedése az egyik fő oka annak, hogy a PTFE-t előszeretettel használják nagy teljesítményű alkalmazásokban az iparágak széles körében.

Alkalmazások

A PTFE még mindig a legnépszerűbb kereskedelmi polimer műanyag,2 előnyös tulajdonságai, nevezetesen kémiai és termikus inertitása és kristályszerkezete miatt a legtöbb kereskedelmi ágazatban mindenütt jelen van (6. táblázat). Ezek a vegyiparon és az elektromos iparon át az autóiparig és a repülőgépiparig terjednek, ahol a PTFE-t speciális résekben használják.

6. táblázat. A PTFE alkalmazási területeinek áttekintése. A PTFE hőmérséklettűrése, sterilizálhatósága és az olyan formákban való gyárthatósága, mint az ePTFE és a PTFE hőre zsugorodó PTFE az egyik legszélesebb körben használt fluoropolimerré tette.

Az extrudált PTFE felhasználható huzalok, csövek, monofilamentek (profillal vagy anélkül) fölé extrudálva; kalanderezhető lapokká vagy membránokká, amelyeket nyújtás követhet mikroporózus ePTFE vagy hőre zsugorodó PTFE előállítására, vagy sajtolással formázható.

A PTFE extrudálható olyan formák előállítására is, amelyeket más módon rendkívül nehéz (ha nem lehetetlen) előállítani (4. ábra). A nyers PTFE-alkatrészek módosíthatók vagy megmunkálhatók speciális késztermékek vagy újszerű tárgyak előállítása céljából. A PTFE anyagjellemzői és gyártási sokoldalúsága azt eredményezte, hogy a legnépszerűbb fluoropolimerré vált.

4. ábra. Extrudált PTFE profilok. A Zeus képes a PTFE extrudálására az itt bemutatottakhoz hasonló, szinte korlátlan számú egyedi profilokban (és többrétegű formákban), amelyeket egyébként nehéz lenne előállítani.

Összefoglaló

A PTFE volt az első a sok fluorpolimer közül, és az egyik legfontosabb kereskedelmi műanyagként honosodott meg. Részben homopolimer szerkezetének köszönhetően az összes fluorpolimer közül ez a leginkább fluorozott, ami nagy kémiai és hőstabilitást eredményez; ezek a tulajdonságok lehetővé teszik, hogy a PTFE szinte minden más polimert felülmúljon a különböző alkalmazásokban hasznos tulajdonságok tekintetében.

A PTFE-ben jelen lévő erős kötés azt jelenti, hogy magas az olvadási hőmérséklete, és befolyásolja a magas olvadékviszkozitását; ami azt jelenti, hogy nem lehet olvasztva feldolgozni, hanem ráma vagy paszta extrudálással kell feldolgozni. A PTFE megmunkálása szabványos technikákkal és módszerekkel elvégezhető, és a PTGE lemezek mikroporózus ePTFE vagy hőzsugorított lemezekké bővíthetők.

A PTFE tapadásmentes felülete kémiai maratással megkerülhető, hogy a PTFE ragasztása lehetővé váljon. A PTFE rendkívül sokoldalúsága az egyik fő oka annak, hogy ez a legnépszerűbb ipari műanyag.

A PTFE kivételes tulajdonságai a másik ok, amiért olyan népszerű. Teljesen fluorozott szerkezete (kivéve a C-C polimer gerincet) teszi azt a sablonná, amelyre más fluorpolimereket fejlesztettek ki. A PTFE-ben lévő erős C-C és C-F kötések nagyfokú kémiai és termikus inertitást kölcsönöznek neki, égéséhez legalább 95% oxigént tartalmazó légkörre van szükség.

A PTFE szigetelőképessége kívánatossá teszi az elektromos alkalmazásokban való felhasználását. Bár vannak bizonyos mechanikai korlátai, a PTFE rendkívül nagy keménysége és alacsony súrlódási együtthatója miatt kiválóan alkalmazható olyan alkatrészekben, amelyek nagy kopásnak vannak kitéve. Összességében véve a PTFE előnyös tulajdonságai meghaladják szinte az összes többi polimer tulajdonságait (7. táblázat).

7. táblázat. A PTFE előnyei és korlátai. A PTFE szinte minden olyan alkalmazásban használható, ahol nincs szükség mechanikai szilárdságra, kivéve a radiológiai felhasználást. A széleskörű kémiai, hőmérsékleti és időjárásállóság a PTFE-t egy saját csoportba helyezi a teljesítményű fluoropolimer extrudálások között.

Ez az információ forrásból származik, Zeus által rendelkezésre bocsátott anyagokból származik.

A forrással kapcsolatos további információkért látogasson el a Zeus oldalára.

Hivatkozások

.