Fluorpolymerer är en allestädes närvarande del av det moderna livet – de används i allt från livsmedelsförpackningar till non-stick-beläggningar på köksbänkar. Fluorpolymerer har kunnat tillgodose många olika industriella behov, vilket har gjort dem till ett mycket populärt material.

Den kol-fluorid-bindning som finns i fluorpolymerer ger dem deras karakteristiska egenskaper – brännbarhet och kemisk beständighet. C-F-bindningarna är mycket starka och syntesen av olika fluorpolymerer med något olika C-F-bindningssätt har bidragit till att skapa den enorma och mångsidiga fluorpolymerindustri som nu finns.

Homopolymerer, som skapas genom kedjebildning av monomerenheter, och sampolymerer, som skapas genom kedjebildning av två olika monomerer, är bara två exempel på de olika konfigurationer som gör det möjligt att framställa så många olika fluorpolymerer.

Denna mångfacetterade industri startade med bara en enda ursprunglig fluorpolymer: polytetrafluoretylen, eller PTFE.

Figur 1. Landskap av populära fluorpolymerer. Homopolymerer som PTFE framställs genom polymerisering av identiska monomerenheter. Copolymerer innehåller två eller flera monomerer för att producera det slutliga polymermaterialet.

PTFE var resultatet av åratal av en slumpmässig utveckling av kemister vid DuPont, som fokuserade på utveckling av nya köldmedier.1 Forskarna hade låtit lågtemperaturvätska i flytande form av tetrafluoreten (TFE) ligga kvar i ett tryckkärl och efter att ha låtit det stå obevakat en viss tid upptäckte de att materialet hade polymeriserats och bildat en vaxartad beläggning på kärlets innerväggar. Det visade sig att denna beläggning var PTFE.

Tyvärr kom PTFE inte på marknaden förrän 1946, trots att denna upptäckt gjordes 1938. Innan detta PTFE användes i Manhattanprojektet, USA:s arbete med att utveckla en atombomb, vilket innebar att det nya materialet hölls hemligt. Tillhandahålls oftast som en polymerbeläggning för metallytor TeflonTM PTFE (även känt som bara TeflonTM) är nu mest känt för sin användning som en non-stick-beläggning för köksutrustning.

PTFE-syntesen innebär polymerisering av monomerer av TFE (figur 2). Syntesen innebär först att TFE framställs med hjälp av kloroform (CHCl3), fluorvätesyra (HF) och kalciumfluorid (CaF2), som upphettas till temperaturer över 600 °C (1112 °F). Den TFE-gas som bildas vid denna reaktion kyls sedan till en vätska som sedan kan renas.

Figur 2. PTFE (polytetrafluoreten) och dess omedelbara syntetiska prekursorer. PTFE framställs genom polymerisering av monomerer av tetrafluoreten (TFE) via en radikal reaktion.

Den flytande TFE polymeriseras sedan via en radikal mekanism med hjälp av en initiator som peroxid (ROOR) för att framställa PTFE. Denna process kan justeras på flera olika sätt för framställning av PTFE som kraft, som en vattendispersion eller som pellets.2

PTFE:s kraftfulla egenskaper jämfört med andra fluorpolymerer gör att det anses vara det bästa tillgängliga. Dessa egenskaper beror på att PTFE uteslutande har endast C-F-bindningar, som är starka, korta och inerta, längs sin C-C-polymerryggrad (figur 3), vilket innebär att ryggraden är effektivt skyddad av ett yttre skikt av inerta fluoratomer.

Figur 3. PTFE:s struktur. A) Stereo bond-line-ritning, B) modell med kula och pinne och C) rymdfyllnadsmodell av PTFE (visas som zick-zack-ritning). (Konformationerna hos PTFE varierar under smält- och amorfa faser).

Denna unika struktur ger upphov till de gynnsamma egenskaper som PTFE är känt för – kemisk inerthet, låg vattenabsorption och en extremt låg friktionskoefficient, vilket ger den en halkig känsla.

Bearbetning

PTFE:s höga viskositet innebär att det inte kan smältbearbetas; dock kan metoder som pastaextrusion, som innebär att pulveriserat PTFE-harts blandas med ett smörjmedel (t.ex. ett kolväte), användas för bearbetning (tabell 1). Blandningsmetoder kan användas för att producera en förform som sedan kan tillverkas till komponenter som band, slangar och plattor.

Tabell 1. PTFE:s lämplighet för bearbetning. Även om PTFE inte kan smältbearbetas är det möjligt att använda flera andra tillverkningsmetoder, bland annat pastaextrusion och formpressning.

Det är också möjligt att tillverka PTFE-komponenter genom att forma eller sintra det till en skiva. Den resulterande bulten kan sedan upphettas och stommextruderas för tillverkning av rör, vägar eller slangar. Dessutom kan PTFE-stavar sedan kalendreras för att göra membran och plattor, eller gjutna komponenter kan tillverkas genom formpressning.

Den stora variationen av olika sätt som PTFE kan bearbetas på visar att trots att PTFE-komponenter inte kan smältbearbetas kan de ändå enkelt tillverkas för kundanpassade tillämpningar.

PTFE-egenskaper

Fysiska och mekaniska

Många ser PTFE som den ”gyllene standarden” bland fluorpolymerer på grund av dess rad utmärkta egenskaper. Eftersom PTFE redan var så eftertraktad var den följande utvecklingen av nya fluorpolymerer, t.ex. PFA och FEP, försök att framställa polymerer med samma egenskaper som PTFE men som kunde smältbearbetas.

PTFE är den rätkedjiga perfluorerade polymeren som har den högsta fluormättnadsgraden, och det är detta som ger de flesta av dess fördelaktiga egenskaper (tabellerna 2 och 3). C-C-bindningarna längs PTFE:s polymerryggrad är starka och korta och när de kombineras med de högpolymera C-F-bindningarna som sträcker sig utåt resulterar de i ett fast ämne med hög densitet och kristallinitet.

Tabell 2. Typiska fysikaliska egenskaper hos PTFE. PTFE:s fysikaliska egenskaper placerar det i en liten grupp av fluorpolymerer vars egenskaper är överlägsna nästan alla andra polymerplaster. (Metoderna är ASTM-provningsstandarder utom där de är markerade med *).

Tabell 3. Typiska mekaniska egenskaper hos PTFE. Även om PTFE är jämförelsevis mekaniskt svagt uppvisar det en mycket låg friktionskoefficient och mycket hög hårdhet.

De inerta och hydrofoba fluoratomerna täcker effektivt ryggraden, vilket gör PTFE kemiskt oreaktivt mot ett stort antal kemikalier och gör det biokompatibelt till en medicinsk klass VI.

Och även om det finns vissa begränsningar i PTFE:s mekaniska beteende tenderar det att vara bättre än alla andra fluorpolymerer när det gäller olika fördelaktiga egenskaper.

PTFE:s mekaniska egenskaper är relaterade till dess kristallinitet, som är mycket hög eftersom PTFE-molekylerna har en extremt homogen, linjär struktur. Nyproducerat PTFE tenderar att ha en kristallinitet på över 90 %, vilket är betydligt mer än kristalliniteten på 40-50 % hos PVDF, en annan mycket homogen fluorpolymer.

Material med hög kristallinitet tenderar att vara spröda, med lägre elasticitet och draghållfasthet. För att minska sprödheten hos PTFE kan det syntetiseras så att det innehåller ett fyllmedel, eller så kan en annan typ av bearbetning användas som selekterar för vissa mekaniska (eller andra) egenskaper. Med detta sagt kan kristallinitet ofta vara fördelaktigt eftersom det ger en förbättrad slaghållfasthet och hårdhet, vilket är användbart i tillämpningar med högt slitage.

Den extremt låga friktionskoefficienten hos PTFE resulterar i en mycket slät yta som bidrar till att minska de skador som uppstår till följd av slitage. Slutligen är PTFE mycket temperaturstabil, vilket också är ett resultat av dess kristallina struktur, vilket innebär att det uppvisar liknande egenskaper över ett brett temperaturområde.

Thermisk

De starka C-F- och C-C-bindningsformerna i PTFE har en betydande inverkan på dess termiska egenskaper (tabell 4), där C-F-bindningarna har en högre bindningsstyrka (116 kcal/mol) än till och med C-H-bindningarna (99 kcal/mol).3 Dessa extremt starka bindningar innebär att PTFE har en hög driftstemperatur på upp till 260 °C (500 °F), en av de högsta av alla fluorpolymerer.

Tabell 4. Termiska egenskaper hos PTFE. PTFE uppvisar det bredaste temperaturanvändningsområdet av alla fluoropolymerer. PTFE är också mycket motståndskraftigt mot förbränning och kräver mycket hög syrehalt för att brinna. (Metoderna är ASTM-provningsstandarder om inte annat anges).

PTFE är otroligt svårbrännbart, eftersom det kräver minst 95 % syrekoncentration. (Som jämförelse innehåller normal luft endast cirka 21 % syre). Dessa brandegenskaper hos PTFE är särskilt fördelaktiga för PTFE-komponenter som används i känsliga eller kritiska tillämpningar, t.ex. i flyg- och fordonsmiljöer.

Det bör noteras att PTFE kan genomgå en volymminskning på cirka 1,8 % mellan temperaturerna 30 °C till 19 °C (86 °F till 66 °F), eftersom dess struktur bildar en tätt lindad kanonisk spiral när den kyls ned.4,5 Denna volymminskning är viktig och bör beaktas vid tillverkning av PTFE-komponenter för miljöer som kräver en fin tolerans. När den spiralformade konformationen väl har bildats, dvs. vid en temperatur under 19 °C (66 °F), uppvisar PFTE ett utmärkt funktionellt beteende till temperaturer så låga som -200 °C (-328 °F).

PTFE behåller många av sina fördelaktiga egenskaper över ett brett temperaturintervall, i högre grad än de flesta andra fluorpolymerer.

Elektriskt

PTFE är en unik polymer när det gäller dess elektriska beteende (tabell 5). Den extrema polariteten hos C-F-bindningarna i PTFE ger den exceptionella dielektriska egenskaper över ett brett frekvensområde. PTFE:s dielektriska konstant och dissipationsfaktor uppvisar god stabilitet från rumstemperatur till temperaturer ned till -250 °C (-418 °F) och vid frekvenser som når upp till 10 GHz.6,7 Minimeringen av hålrumsbildning under PTFE-tillverkningen kan användas för att ytterligare förbättra PTFE:s dielektriska styrka (dvs. genombrottsspänning).

Tabell 5. Elektriska egenskaper hos PTFE. PTFE:s perfluorerade natur som innehåller starkt polära C-F-bindningar ger mycket fördelaktiga isoleringsegenskaper. PTFE:s dielektriska fördelar förblir nästan oförändrade över ett mycket brett frekvensområde. (Metoderna är ASTM utom där det anges).

Den dielektriska hållfastheten hos PTFE påverkas inte starkt av termisk åldrande eller uppvärmning.7 På det hela taget tenderar isoleringsegenskaperna hos PTFE att vara bättre än de flesta andra fasta material.

Finishing

PTFE kan färdigställas med hjälp av de flesta standardtillverknings- och bearbetningsmetoder. Solid bearbetat PTFE kan användas för att tillverka en mängd olika former, typer och produkter. Vanliga bearbetningsmetoder, inklusive gängse gängande, inklusive gängning, svarvning, gängning, borrning, slipning, skivning med mera, kan utföras utan att man behöver göra några ändringar i utrustningen.

Trots att det är en plast innebär PTFE:s hårdhet att det sliter på verktyg i ungefär samma utsträckning som rostfritt stål.7 Detta innebär dock också att PTFE-komponenter kan ställas in på så låga toleranser som < ± 0.001′′′ (0,025 mm).7

Det är också möjligt att förexpander PTFE för att bilda värmekrympslangar för inkapslingar, som sedan stelnar/härdar till en nästan fast form. Dessa former av membran eller ark av PTFE kan sedan expanderas eller sträckas mekaniskt (med en annan metod än värmekrympning) på ett kontrollerat sätt för att ge expanderat PTFE (ePTFE). ePTFE har en mikroporös struktur och kan användas i nya tillämpningar, särskilt för specialfiltrering eller i medicintekniska produkter.

Det är möjligt att binda färdiga PTFE-komponenter, även om detta ofta kräver kemisk etsning av komponenten med hjälp av koncentrerade alkalimetallhydrider eller hydroxider.6 Pigment kan användas för att färga PTFE, även om valet av pigment är begränsat till sådana som tål de höga temperaturer vid vilka PTFE bearbetas.

PTFE:s vänliga beteende efter extrudering är ett av de viktigaste skälen till att det föredras för användning i högpresterande tillämpningar inom ett brett spektrum av industrier.

Användningar

PTFE är fortfarande den mest populära kommersiella polymerplasten,2 och dess fördelaktiga egenskaper, nämligen dess kemiska och termiska inerthet och kristallstruktur, gör den allestädes närvarande i de flesta kommersiella sektorer (tabell 6). Dessa sträcker sig från den kemiska och elektriska industrin till fordons- och flygindustrin, där PTFE används i specialiserade nischer.

Tabell 6. Översikt över PTFE-tillämpningar. PTFE:s temperaturtolerans, förmåga att steriliseras och förmåga att tillverkas i former som ePTFE och PTFE-värmekrympning har gjort det till en av de mest använda fluoropolymererna .

PTFE som har extruderats kan användas för att framställa extruderad över tråd, slangar, monofilamenter (med eller utan profiler); Det kan kalandreras till ark eller membran, som kan följas av sträckning för att bilda mikroporöst ePTFE eller värmekrympande PTFE, eller formpressas.

PTFE kan också extruderas för att ge former som skulle vara extremt svåra (om inte omöjliga) att tillverka på annat sätt (figur 4). Råa PTFE-komponenter kan modifieras eller bearbetas för att producera specialiserade färdiga varor eller för att tillverka nya föremål. PTFE:s materialegenskaper och mångsidighet i tillverkningen har lett till att det har etablerat sig som den mest populära fluoropolymeren som finns.

Figur 4. Extruderade PTFE-profiler. Zeus kan extrudera PTFE i nästan obegränsat antal skräddarsydda profiler (och multilumenformer) som de som visas här och som annars skulle vara svåra att tillverka.

Sammanfattning

PTFE var den första av många fluorpolymerer och har etablerat sig som en av de viktigaste kommersiella plasterna som finns. Delvis på grund av sin homopolymerstruktur är det den mest fluorerade av alla fluorpolymerer, vilket resulterar i en hög kemisk och termisk stabilitet; dessa egenskaper gör att PTFE kan slå nästan alla andra polymerer när det gäller fördelaktiga egenskaper i olika tillämpningar.

Den starka bindningen som finns i PTFE innebär att det har en hög smälttemperatur och påverkar dess höga smältviskositet; det innebär att det inte kan smältbearbetas och måste i stället ram- eller pastaextruderas. Bearbetning av PTFE kan utföras med hjälp av standardtekniker och -metoder, och skivor av PTGE kan förlängas för att bilda mikroporöst ePTFE eller värmekrympor.

PTFE:s icke-stickyta kan kringgås med hjälp av kemisk etsning för att möjliggöra bindning av PTFE. PTFE:s mycket mångsidiga karaktär är en av de viktigaste orsakerna till att det är den mest populära industriplasten som finns.

PTFE:s exceptionella egenskaper är en annan orsak till att det är så populärt. Dess fullständigt fluorerade struktur (med undantag för C-C-polymerens ryggrad) gör den till den mall på vilken andra fluorpolymerer har utvecklats. De starka C-C- och C-F-bindningarna i PTFE ger det en hög kemisk och termisk inerthet och kräver en atmosfär med minst 95 % syre för att förbrännas.

PTFE:s isolerande förmåga gör det önskvärt att använda det i elektriska tillämpningar. Även om det har vissa mekaniska begränsningar innebär PTFE:s extremt höga hårdhet och låga friktionskoefficient att det är utmärkt i komponenter som utsätts för stort slitage. När PTFE:s fördelaktiga egenskaper betraktas som helhet överstiger de fördelaktiga egenskaperna hos nästan alla andra polymerer (tabell 7).

Tabell 7. Fördelar och begränsningar med PTFE. PTFE kan användas i nästan alla tillämpningar där mekanisk styrka inte krävs, med undantag för radiologiska tillämpningar. En bred kemisk, temperatur- och väderbeständighet placerar PTFE i en egen grupp i landskapet av prestandaextruderade fluoropolymerer.

Denna information har hämtats från ett källmaterial, granskats och anpassats från material som tillhandahållits av Zeus.

För mer information om denna källa, besök Zeus.

Citat

.