Fluoropolimerii sunt o parte omniprezentă a vieții moderne – utilizați în orice, de la ambalaje alimentare la acoperiri antiaderente pe tigăile de bucătărie. Fluoropolimerii au reușit să satisfacă multe nevoi industriale diferite, făcându-i un material foarte popular.

Legătura carbon-fluorură prezentă în fluoropolimeri le conferă proprietățile lor caracteristice – rezistența la arsuri și la substanțe chimice. Legăturile C-F sunt foarte puternice, iar sinteza diferiților fluoropolimeri cu moduri de legătură C-F ușor diferite a contribuit la crearea industriei uriașe și diverse a fluoropolimerilor care există în prezent.

Homopolimerii, creați prin înlănțuirea unităților monomerice, și copolimerii, creați prin înlănțuirea a doi monomeri diferiți, sunt doar două exemple de configurații diferite care permit producerea atâtor fluoropolimeri diferiți.

Această industrie diversă a început cu un singur fluoropolimer original: politetrafluoroetilena, sau PTFE.

Figura 1. Peisajul fluoropolimerilor populari. Homopolimerii, cum ar fi PTFE, sunt produși prin polimerizarea unor unități monomere identice. Copolimerii încorporează doi sau mai mulți monomeri pentru a produce materialul polimeric final.

PTFE a fost rezultatul unei dezvoltări întâmplătoare de ani de zile a chimiștilor de la DuPont, care se concentrau pe dezvoltarea de noi agenți frigorifici.1 Cercetătorii lăsaseră tetrafluoretilenă (TFE) lichidă la temperaturi scăzute într-un vas sub presiune și, după un timp lăsat nesupravegheat, au descoperit că materialul se polimerizase pentru a forma un strat ceros pe pereții interiori ai vasului. S-a constatat că acest strat era PTFE.

Chiar dacă această descoperire a avut loc în 1938, PTFE nu a fost comercializat până în 1946. Înainte de acest lucru, PTFE a fost folosit în Proiectul Manhattan, activitatea americană de dezvoltare a unei bombe atomice, ceea ce înseamnă că noul material a fost ținut secret. Furnizat cel mai frecvent ca un strat de polimer pentru suprafețe metalice TeflonTM PTFE (cunoscut și sub numele simplu de TeflonTM) este acum cel mai cunoscut pentru utilizarea sa ca strat antiaderent pentru echipamentele de bucătărie.

Sinteza PTFE implică polimerizarea monomerilor de TFE (figura 2). Sinteza implică mai întâi producerea de TFE folosind cloroform (CHCl3), acid fluorhidric (HF) și fluorură de calciu (CaF2), care sunt încălzite la temperaturi de peste 600 °C (1112 °F). Gazul TFE produs de această reacție este apoi răcit pentru a forma un lichid care poate fi apoi purificat.

Figura 2. PTFE (politetrafluoroetilenă) și precursorii săi sintetici imediați. PTFE se obține din polimerizarea monomerilor de tetrafluoroetilenă (TFE) prin intermediul unei reacții radicale.

TFE lichid este apoi polimerizat printr-un mecanism radicalar, folosind un inițiator cum ar fi peroxidul (ROOR) pentru a produce PTFE. Acest proces poate fi ajustat în mai multe moduri diferite pentru producerea de PTFE sub formă de putere, sub formă de dispersie apoasă sau sub formă de pelete.2

Proprietățile puternice ale PTFE în comparație cu alte fluoropolimeri înseamnă că este considerat cel mai bun disponibil. Aceste proprietăți provin din faptul că PTFE are exclusiv numai legături C-F, care sunt puternice, scurte și inerte, de-a lungul coloanei vertebrale a polimerului C-C (figura 3), ceea ce înseamnă că coloana vertebrală este efectiv protejată de un strat exterior de atomi de fluor inerți.

Figura 3. Structura PTFE-ului. A) Desen stereo al liniei de legătură, B) model cu bilă și baston și C) model de umplere a spațiului de PTFE (prezentat ca reprezentare în zig-zag). (Conformațiile PTFE-ului sunt variabile în timpul fazei de topire și a fazei amorfe).

Această structură unică dă naștere proprietăților favorabile pentru care este cunoscut PTFE-ul – inerție chimică, absorbție redusă de apă și un coeficient de frecare extrem de scăzut, ceea ce îi conferă o senzație de alunecare.

Procesare

Vâscozitatea ridicată a PTFE-ului înseamnă că acesta nu poate fi prelucrat prin topire; cu toate acestea, pentru prelucrare pot fi utilizate metode precum extrudarea în pastă, care implică amestecarea rășinii PTFE sub formă de pulbere cu un lubrifiant (de exemplu, o hidrocarbură) (tabelul 1). Metodele de amestecare pot fi utilizate pentru a produce o preformă care poate fi apoi transformată în componente cum ar fi benzi, tuburi și foi.

Tabel 1. Pretabilitatea de prelucrare a PTFE. Deși PTFE nu poate fi prelucrat prin topire, se pretează la alte câteva metode de producție, inclusiv la extrudarea pastei și la turnarea prin compresie.

Este, de asemenea, posibil să se producă componente din PTFE prin turnarea sau sinterizarea acestuia în lingouri. Bucata rezultată poate fi apoi încălzită și extrudată cu berbecul pentru producerea de țevi, drumuri sau tuburi. În plus, batoanele de PTFE pot fi apoi calandrate pentru a realiza membrane și foi, sau pot fi produse componente turnate prin turnare prin compresie.

Varietatea mare de moduri diferite în care poate fi prelucrat PTFE demonstrează că, în ciuda faptului că nu sunt prelucrabile prin topire, componentele din PTFE pot fi totuși produse cu ușurință pentru aplicații personalizate.

Proprietățile PTFE

Fizice și mecanice

Mulți consideră PTFE ca fiind „standardul de aur” al fluoropolimerilor datorită gamei sale de proprietăți excelente. Deoarece PTFE era deja atât de dorit, următoarele dezvoltări de noi fluoropolimeri, cum ar fi PFA și FEP, au fost încercări de a produce polimeri cu aceleași proprietăți ca și PTFE, dar care să poată fi prelucrați prin topire.

PTFE este polimerul perfluorurat cu lanț drept care are cel mai înalt nivel de saturație cu fluor, iar acesta este cel care oferă majoritatea proprietăților sale benefice (tabelele 2 și 3). Legăturile C-C de-a lungul coloanei vertebrale a polimerului PTFE sunt puternice și scurte și, atunci când sunt combinate cu legăturile C-F puternic polimerizate care se extind spre exterior, rezultă un solid cu densitate și cristalinitate ridicate.

Tabelul 2. Proprietăți fizice tipice ale PTFE. Proprietățile fizice ale PTFE îl plasează într-un grup mic de fluoropolimeri ale căror trăsături sunt superioare aproape tuturor celorlalte materiale plastice polimerice. (Metodele sunt standarde de testare ASTM, cu excepția cazurilor în care sunt indicate cu *).

.

Tabelul 3. Proprietăți mecanice tipice ale PTFE. Deși este relativ slab din punct de vedere mecanic, PTFE prezintă un coeficient de frecare foarte scăzut și o duritate foarte mare.

Atomii de fluor inerți și hidrofobi acoperă efectiv coloana vertebrală; ceea ce face ca PTFE să fie chimic nereactiv față de o gamă imensă de substanțe chimice și îl face biocompatibil până la un grad medical de clasa VI.

Deși există unele limitări în comportamentul mecanic al PTFE, acesta tinde să fie mai bun decât toți ceilalți fluoropolimeri în ceea ce privește diferite caracteristici benefice.

Proprietățile mecanice ale PTFE sunt legate de cristalinitatea sa; care este foarte ridicată deoarece moleculele PTFE au o structură liniară extrem de omogenă. PTFE proaspăt produs tinde să aibă o cristalinitate de peste 90%, semnificativ mai mare decât cristalinitatea de 40-50% a PVDF, un alt fluoropolimer foarte omogen.

Materialele cu o cristalinitate ridicată tind să fie fragile, cu o elasticitate și o rezistență la tracțiune mai scăzute. Pentru a reduce fragilitatea PTFE-ului, acesta poate fi sintetizat astfel încât să conțină un material de umplutură sau poate fi utilizat un alt tip de prelucrare, care să selecteze anumite proprietăți mecanice (sau de altă natură). Acestea fiind spuse, cristalinitatea poate fi adesea avantajoasă, deoarece oferă o rezistență la impact și o duritate îmbunătățite, ceea ce este util în aplicațiile cu grad ridicat de uzură.

Coeficientul de frecare extrem de scăzut al PTFE are ca rezultat o suprafață foarte netedă, care ajută la reducerea deteriorărilor rezultate din uzură. În cele din urmă, tot ca urmare a structurii sale cristaline, PTFE este extrem de stabil la temperatură, ceea ce înseamnă că prezintă proprietăți similare pe o gamă largă de temperaturi.

Termal

Modelele puternice de legătură C-F și C-C din PTFE au un impact semnificativ asupra proprietăților sale termice (tabelul 4), legăturile C-F având o rezistență de legătură mai mare (116 kcal/mol) chiar și decât legăturile C-H (99 kcal/mol).3 Aceste legături extrem de puternice înseamnă că PTFE are o temperatură de funcționare ridicată de până la 260 °C (500 °F), una dintre cele mai ridicate dintre toți fluoropolimerii.

Tabel 4. Proprietățile termice ale PTFE. PTFE prezintă cea mai largă gamă de temperaturi de utilizare dintre toți fluoropolimerii. PTFE este, de asemenea, foarte rezistent la ardere și necesită un conținut foarte ridicat de oxigen pentru a arde. (Metodele sunt standarde de testare ASTM, cu excepția cazurilor în care sunt indicate).

PTFE este incredibil de greu de ars, necesitând o concentrație de oxigen de cel puțin 95%. (În comparație, aerul normal conține doar aproximativ 21% oxigen). Aceste trăsături de inflamabilitate ale PTFE sunt deosebit de benefice pentru componentele PTFE utilizate în aplicații sensibile sau critice, cum ar fi mediile aerospațiale și auto.

Ar trebui remarcat faptul că PTFE poate suferi o scădere de volum de aproximativ 1,8% între temperaturile de la 30 °C la 19 °C (86 °F la 66 °F), deoarece structura sa formează o spirală canonică bine înfășurată atunci când se răcește.4,5 Această scădere de volum este importantă și ar trebui luată în considerare atunci când se produc componente PTFE pentru medii care necesită o toleranță fină. Odată formată conformația elicoidală, adică la o temperatură mai mică de 19 °C (66 °F), PFTE prezintă un comportament funcțional excelent până la temperaturi de până la -200 °C (-328 °F).

PTFE își păstrează multe dintre caracteristicile sale benefice pe o gamă largă de temperaturi, mai mult decât majoritatea celorlalți fluoropolimeri.

Electrice

PTFE este un polimer unic în ceea ce privește comportamentul său electric (tabelul 5). Polaritatea extremă a legăturilor C-F din PTFE îi conferă proprietăți dielectrice excepționale pe o gamă largă de frecvențe. Constanta dielectrică și factorul de disipare a PTFE prezintă o bună stabilitate de la temperatura camerei până la temperaturi de până la -250 °C (-418 °F) și la frecvențe care ating 10 GHz.6,7 Reducerea la minimum a formării de goluri în timpul producției de PTFE poate fi utilizată pentru a îmbunătăți și mai mult rezistența dielectrică (adică tensiunea de rupere) a PTFE.

Tabel 5. Proprietăți electrice ale PTFE. Natura perfluorurată a PTFE, care conține legături C-F puternic polare, are ca rezultat caracteristici izolatoare foarte benefice. Beneficiile dielectrice ale PTFE rămân aproape neschimbate pe o gamă foarte largă de frecvențe. (Metodele sunt ASTM, cu excepția cazurilor indicate).

Rezistența dielectrică a PTFE nu este puternic afectată de îmbătrânirea termică sau de încălzire.7 În ansamblu, proprietățile izolatoare ale PTFE tind să fie mai bune decât cele mai multe alte materiale solide.

Finisare

PTFE poate fi finisat folosind majoritatea metodelor standard de fabricare și prelucrare. PTFE prelucrat solid poate fi utilizat pentru a produce o varietate de forme, tipuri și produse diferite. Metodele uzuale de prelucrare, inclusiv tarodarea, strunjirea, filetarea, găurirea, rectificarea, zgârierea și multe altele, pot fi efectuate fără a fi nevoie să se facă modificări ale echipamentului.

Deși este un plastic, duritatea PTFE-ului înseamnă că acesta uzează sculele într-o măsură similară cu cea a oțelului inoxidabil.7 Cu toate acestea, acest lucru înseamnă, de asemenea, că componentele din PTFE pot fi ajustate la toleranțe de până la < ± 0.001′′′ (0,025 mm).7

Este, de asemenea, posibil să se pre-expande PTFE pentru a forma tuburi termocontractabile pentru încapsulări, care apoi se întărește până la o formă aproape solidă. Aceste forme de membrane sau folii de PTFE pot fi apoi expandate sau întinse mecanic (folosind o metodă diferită de contracția termică) într-un mod controlat pentru a obține PTFE expandat (ePTFE). ePTFE are o structură microporoasă și poate fi utilizat în aplicații noi, în special pentru filtrări specializate sau în dispozitive medicale.

Este posibilă lipirea componentelor finite din PTFE, deși adesea acest lucru necesită gravarea chimică a componentei folosind hidruri sau hidroxizi concentrați de metale alcaline.6 Pigmenții pot fi utilizați pentru a colora PTFE, deși alegerea pigmenților este limitată la cei care pot rezista la temperaturile ridicate la care este prelucrat PTFE.

Comportamentul prietenos al PTFE după extrudare este unul dintre motivele cheie pentru care este favorizat pentru utilizarea în aplicații de înaltă performanță într-o gamă largă de industrii.

Aplicații

PTFE rămâne în continuare ca fiind cel mai popular plastic polimeric comercial2, proprietățile sale benefice, și anume inerția chimică și termică și structura cristalină, făcându-l omniprezent în majoritatea sectoarelor comerciale (tabelul 6). Acestea se întind de la industria chimică și electrică, până la industria auto și aerospațială, unde PTFE este utilizat în nișe specializate.

Tabel 6. Studiu privind aplicațiile PTFE. Toleranța la temperatură a PTFE, capacitatea de a fi sterilizat și capacitatea de a fi produs sub forme precum ePTFE și PTFE termocontractabil au făcut din acesta unul dintre cei mai utilizați fluoropolimeri .

PTFE care a fost extrudat poate fi utilizat pentru a produce extrudat peste sârmă, tuburi, monofilamente (cu sau fără profile); poate fi calandrat în foi sau membrane, care pot fi urmate de întindere pentru a forma ePTFE microporos sau PTFE termocontractabil, sau poate fi turnat prin compresie.

PTFE poate fi, de asemenea, extrudat pentru a da forme care ar fi extrem de dificil (dacă nu imposibil) de produs altfel (figura 4). Componentele brute din PTFE pot fi modificate sau prelucrate pentru a produce produse finite specializate sau pentru a produce obiecte noi. Caracteristicile materialului și versatilitatea de fabricație a PTFE au făcut ca acesta să se impună ca fiind cel mai popular fluoropolimer care există.

Figura 4. Profiluri extrudate din PTFE. Zeus poate extruda PTFE în profiluri personalizate aproape nelimitate (și forme multilumen) precum cele prezentate aici, care altfel ar fi dificil de produs.

Rezumat

PTFE a fost primul dintre numeroșii fluoropolimeri și s-a impus ca unul dintre cele mai importante materiale plastice comerciale care există. În parte datorită structurii sale homopolimerice, este cel mai fluorurat dintre toți fluoropolimerii, rezultând o stabilitate chimică și termică ridicată; aceste proprietăți permițând ca PTFE să învingă aproape toți ceilalți polimeri în ceea ce privește proprietățile benefice în diferite aplicații.

Legătura puternică prezentă în PTFE înseamnă că acesta are o temperatură de topire ridicată și influențează vâscozitatea sa ridicată de topire; ceea ce înseamnă că nu poate fi prelucrat prin topire și trebuie, în schimb, să fie extrudat cu berbec sau cu pastă. Prelucrarea PTFE-ului poate fi efectuată cu ajutorul tehnicilor și metodelor standard, iar foile de PTGE pot fi extinse pentru a forma ePTFE microporos sau termocontractabile.

Suprafața neaderentă a PTFE-ului poate fi ocolită cu ajutorul gravurii chimice pentru a permite lipirea PTFE-ului. Natura extrem de versatilă a PTFE este unul dintre motivele cheie pentru care este cel mai popular plastic industrial care există.

Proprietățile excepționale ale PTFE sunt un alt motiv pentru care este atât de popular. Structura sa complet fluorurată (cu excepția coloanei vertebrale a polimerului C-C) îl face să fie șablonul pe baza căruia au fost dezvoltați alți fluoropolimeri. Legăturile puternice C-C și C-F din PTFE îi conferă o inerție chimică și termică ridicată, necesitând o atmosferă de cel puțin 95% oxigen pentru a fi ars.

Puterea izolatoare a PTFE-ului îl face de dorit pentru utilizarea în aplicații electrice. Deși are unele limite mecanice, duritatea extrem de mare și coeficientul de frecare scăzut al PTFE-ului înseamnă că este excelent în componentele care vor suferi o uzură mare. Privite în ansamblu, proprietățile avantajoase ale PTFE le depășesc pe cele ale aproape tuturor celorlalți polimeri (tabelul 7).

Tabel 7. Avantajele și limitările PTFE. PTFE poate fi utilizat în aproape toate aplicațiile în care nu este necesară rezistența mecanică, cu excepția utilizărilor radiologice. Rezistența largă la substanțe chimice, la temperatură și la intemperii plasează PTFE într-un grup de sine stătător în peisajul extrudelor de fluoropolimeri de performanță.

Aceste informații au fost obținute din surse, revizuite și adaptate din materiale furnizate de Zeus.

Pentru mai multe informații despre această sursă, vă rugăm să vizitați Zeus.

Citate

.