Fluoropolímeros são uma parte ubíqua da vida moderna – usados em tudo, desde embalagens de alimentos até os revestimentos anti-aderentes em panelas de cozinha. Os fluoropolímeros têm sido capazes de satisfazer muitas necessidades industriais diferentes, tornando-os um material altamente popular.

A ligação de fluoreto de carbono presente nos fluoropolímeros dá-lhes as suas propriedades características – queimadura e resistência química. As ligações C-F são muito fortes e a síntese de diferentes fluoropolímeros de modos de ligação C-F ligeiramente diferentes tem ajudado a criar a enorme e diversa indústria de fluoropolímeros que existe agora.

Homopolímeros, criados pelo encadeamento de unidades de monômeros, e copolímeros, criados pelo encadeamento de dois monômeros diferentes, são apenas dois exemplos das diferentes configurações que permitem a produção de tantos fluoropolímeros diferentes.

Esta indústria diversificada começou com apenas um fluoropolímero original: politetrafluoroetileno, ou PTFE.

Figure 1. Paisagem de fluoropolímeros populares. Homopolímeros como o PTFE são produzidos através da polimerização de unidades de monómeros idênticos. Copolímeros incorporam dois ou mais monômeros para produzir o material polímero final.

PTFE foi o resultado de anos de desenvolvimento serendipital por químicos na DuPont, que estava focada no desenvolvimento de novos refrigerantes.1 Os pesquisadores deixaram o tetrafluoroetileno líquido de baixa temperatura (TFE) em um vaso de pressão, e depois de algum tempo sem supervisão, eles descobriram que o material tinha polimerizado para formar um revestimento ceroso nas paredes internas do vaso. Descobriu-se que este revestimento era PTFE.

Apesar deste achado ocorrer em 1938, o PTFE não foi comercializado até 1946. Antes deste PTFE ter sido usado no Projeto Manhattan, o trabalho da América no desenvolvimento de uma bomba atômica, significando que o novo material foi mantido em segredo. Fornecido mais freqüentemente como revestimento de polímero para superfícies metálicas TeflonTM PTFE (também conhecido como apenas TeflonTM) é agora mais famoso por seu uso como revestimento antiaderente para equipamentos de cozinha.

Síntese de PTFE envolve a polimerização de monômeros de TFE (Figura 2). A síntese envolve primeiro a produção de TFE utilizando clorofórmio (CHCl3), ácido fluorídrico (HF) e fluoreto de cálcio (CaF2), que são aquecidos a temperaturas superiores a 600 °C (1112 °F). O gás TFE produzido por esta reação é então resfriado para formar um líquido que pode então ser purificado.

Figure 2. PTFE (politetrafluoroetileno) e seus precursores sintéticos imediatos. O PTFE é feito a partir da polimerização de monômeros de tetrafluoroetileno (TFE) através de uma reação radical.

O TFE líquido é então polimerizado através de um mecanismo radical, usando um iniciador como o peróxido (ROOR) para produzir o PTFE. Este processo pode ser ajustado de várias maneiras diferentes para a produção de PTFE como potência, como dispersão aquosa ou como pellets.2

As propriedades poderosas do PTFE quando comparado a outros fluoropolímeros significa que ele é considerado como o melhor disponível. Estas propriedades provêm do PTFE que tem exclusivamente ligações C-F, que são fortes, curtas e inertes, ao longo da sua espinha dorsal de polímero C-C (Figura 3), o que significa que a espinha dorsal está efetivamente protegida por uma camada externa de átomos de flúor inertes.

Figure 3. Estrutura do PTFE. A) desenho da linha de ligação estéreo, B) modelo ball-and-stick, e C) modelo de preenchimento de espaço de PTFE (mostrado como representação em zigue-zague). (As conformações do PTFE são variáveis durante as fases de fusão e amortização).

Esta estrutura única dá origem às propriedades favoráveis pelas quais o PTFE é conhecido – inércia química, baixa absorção de água e um coeficiente de atrito extremamente baixo, o que lhe confere uma sensação de escorregadio.

Processamento

A alta viscosidade do PTFE significa que não é processável por fusão; contudo, métodos como a extrusão de pasta, que envolve a mistura de resina PTFE em pó com um lubrificante (por exemplo, um hidrocarboneto), podem ser usados para processamento (Tabela 1). Métodos de mistura podem ser usados para produzir uma pré-forma que pode então ser transformada em componentes como fitas, tubos e folhas.

Tabela 1. Adequação ao processamento de PTFE. Embora o PTFE não seja processável por fusão, ele é passível de vários outros métodos de produção, incluindo extrusão de pasta e moldagem por compressão.

Também é possível produzir componentes de PTFE por moldagem ou sinterização em um tarugo. O tarugo resultante pode então ser aquecido e extrudido para a produção de tubos, estradas ou tubulações. Além disso, as rolhas de PTFE podem então ser calandradas para fazer membranas e chapas, ou os componentes moldados podem ser produzidos por moldagem por compressão.

A grande variedade de diferentes formas de processamento de PTFE demonstra que apesar de não serem processados por fusão, os componentes de PTFE ainda podem ser facilmente produzidos para aplicações personalizadas.

PTFE Propriedades

Físico e Mecânico

Muito vê o PTFE como o ‘padrão ouro’ dos fluoropolímeros por causa de sua gama de excelentes propriedades. Como PTFE já era tão desejável, o seguinte desenvolvimento de novos fluoropolímeros, tais como PFA e FEP, foram tentativas de produzir polímeros com as mesmas propriedades do PTFE, mas que poderiam ser processados por fusão.

PTFE é o polímero perfluorado de cadeia reta que tem o mais alto nível de saturação de flúor, e é isto que oferece a maioria de suas propriedades benéficas (Tabelas 2 e 3). As ligações C-C ao longo da espinha dorsal do polímero PTFE são fortes e curtas e, quando combinadas com as ligações C-F altamente poliméricas extrudidas para fora, resultam num sólido de alta densidade e cristalinidade.

Tabela 2. Propriedades físicas típicas do PTFE. As propriedades físicas do PTFE o colocam em um pequeno grupo de fluoropolímeros cujas características são superiores a quase todos os outros plásticos poliméricos. (Os métodos são padrões de teste ASTM, exceto onde indicado por *).

Tabela 3. Propriedades mecânicas típicas do PTFE. Embora comparativamente fraco mecanicamente, o PTFE apresenta um coeficiente de atrito muito baixo e uma dureza muito elevada.

Os átomos de flúor inertes e hidrofóbicos revestem eficazmente a espinha dorsal; tornando o PTFE quimicamente não reactivo para uma enorme gama de produtos químicos e tornando-o biocompatível a uma classe médica de classe VI.

Embora haja algumas limitações no comportamento mecânico do PTFE, ele tende a ser melhor do que todos os outros fluoropolímeros em termos de várias características benéficas diferentes.

As propriedades mecânicas do PTFE estão relacionadas à sua cristalinidade; que é muito alta porque as moléculas de PTFE têm uma estrutura linear e extremamente homogênea. O PTFE recentemente produzido tende a ter uma cristalinidade acima de 90%, significativamente mais que a cristalinidade de 40-50% do PVDF, outro fluoropolímero altamente homogêneo.

Os materiais de uma cristalinidade elevada tendem a ser quebradiços, com menor elasticidade e resistência à tração. Para reduzir a fragilidade do PTFE pode ser sintetizado para conter um enchimento, ou um tipo diferente de processamento pode ser usado, que seleciona para certas propriedades mecânicas (ou outras). Dito isto, a cristalinidade pode muitas vezes ser vantajosa, pois proporciona uma melhor resistência ao impacto e dureza, o que é útil em aplicações de alto desgaste.

O coeficiente de atrito extremamente baixo do PTFE resulta em uma superfície altamente lisa que ajuda a reduzir os danos resultantes do desgaste. Finalmente, também como resultado de sua estrutura cristalina, o PTFE é altamente estável à temperatura, o que significa que exibe propriedades similares em uma ampla faixa de temperatura.

Thermal

Os fortes modos de ligação C-F e C-C em PTFE têm um impacto significativo em suas propriedades térmicas (Tabela 4), com as ligações C-F tendo uma resistência de ligação mais alta (116 kcal/mol) do que mesmo as ligações C-H (99 kcal/mol).3 Estas ligações extremamente fortes significam que o PTFE tem uma alta temperatura de operação de até 260 °C (500 °F), uma das mais altas de todos os fluoropolímeros.

Tabela 4. Propriedades térmicas do PTFE. O PTFE apresenta a mais ampla faixa de temperatura de uso de qualquer fluoropolímero. O PTFE também é altamente resistente à queima e requer um teor muito alto de oxigênio para entrar em combustão. (Os métodos são padrões de teste ASTM exceto onde indicado).