Polytetrafluorethylen
Polytetrafluorethylen (Kurzzeichen PTFE, gelegentlich auch Polytetrafluorethen oder -äthylen) ist ein vollfluoriertes Polymer. Umgangssprachlich wird dieser Kunststoff oft mit dem Handelsnamen Teflon der Firma DuPont bezeichnet. Weitere häufig verwendete Handelsnamen anderer Hersteller von PTFE sind DyneonTM PTFE (ehemals Hostaflon) und Gore-Tex für PTFE-Membranen.
PTFE gehört zur Klasse der Polyhalogenolefine, zu der auch PCTFE (Polytrifluormonochlorethen) gehört.
Geschichte
Entgegen einer weitläufigen Meinung ist PTFE kein Nebenprodukt der Raumfahrt, die erst 1957 begann. Es wurde bereits 1938 von dem Chemiker Roy Plunkett durch Zufall entdeckt, als er auf der Suche nach Kältemitteln für Kühlschränke mit Tetrafluorethylen (TFE) experimentierte und vergaß, die Flasche mit dem Gas über Nacht kühl zu lagern. Am nächsten Tag hatte sich das Gas in PTFE umgewandelt. Nach seinem Entdecker heißt das noch heute gebräuchliche Herstellungsverfahren Plunkett-Verfahren. Dabei wird die Polymerisation bei hohem Druck mit Peroxiden eingeleitet. 1941 erhielt DuPont das Patent auf PTFE.
Im Jahre 1943 fand PTFE erstmals technische Verwendung als Korrosionsschutz beim Atombombenbau. Teflon schützte dort die Gaszentrifugen und Rohrleitungen vor dem extrem korrosiven Gas Uranhexafluorid. Später beschichtete der französische Chemiker Marc Grégoire seine Angelschnur mit Teflon, um sie leichter entwirren zu können. Seine Ehefrau Colette kam 1954 auf die Idee, Töpfe und Pfannen zu beschichten.
Herstellung
PTFE wird aus Chloroform CHCl3 durch partielle Fluoridierung hergestellt, wobei zunächst Chlorfluormethan CHClF2 und Tetrafluorethen C2F4 erzeugt werden. Als Katalysator fungiert hierbei Antimon(V)-chloridfluorid (SbCl4F).
CHCl3 + 2 HF → CHClF2 + 2 HCl
2 CHClF2 → C2F4 + 2 HCl
Tetrafluorethen wird anschließend einer radikalischen Polymerisation unter Druck unterzogen. Je nach Bedingungen ergeben sich unterschiedliche Molekül- und Partikelgrößen:
n C2F4 → -[CF2]2n-
Da diese Reaktionen stark exotherm ist und sich die Monomereinheiten bei hohen Temperaturen leicht explosiv zersetzen, wird die Polymerisation in Suspension durchgeführt.
Strukturformel von PTFE:
F F F F F
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··· -C-C-C-C-C- ···
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F F F F F
Eigenschaften
PTFE zeichnet sich durch mehrere Besonderheiten aus:
- PTFE ist sehr reaktionsträge. Selbst aggressive Säuren wie Königswasser können PTFE nicht angreifen. Der Grund liegt in der besonders starken Bindung zwischen den Kohlenstoff- und den Fluoratomen, da Fluor das Element mit der stärksten Elektronegativität ist. So gelingt es vielen Substanzen nicht, die Bindungen aufzubrechen und mit PTFE chemisch zu reagieren.
- PTFE hat einen sehr geringen Reibungskoeffizienten. PTFE rutscht auf PTFE ähnlich gut wie nasses Eis auf nassem Eis. Außerdem ist die Haftreibung genauso groß wie die Gleitreibung, so dass der Übergang vom Stillstand zur Bewegung ohne Rucken stattfindet.
- An PTFE bleibt so gut wie nichts haften, da seine Oberflächenspannung extrem niedrig ist.
- Dichte: 2,10 .. 2,30 g/cm³
- Äußerst beständig gegen alle Säuren und Basen, Alkohole, Ketone, Benzine, Öle usw.; unbeständig nur gegen Natrium; Einsatztemperatur bis 260 °C (bei Temperaturen über 400 °C werden hochtoxische Pyrolyseprodukte wie z. B. Fluorphosgen (COF2) freigesetzt); frostbeständig bis -200 °C; nur nach Vorbehandlung klebbar; schweißen möglich, aber nicht üblich; leicht wachsartige Oberfläche (nicht so ausgeprägt wie bei PE); physiologisch unbedenklich
- Hohe Wärmeausdehnung, Phasenumwandlung von triklinem zu hexagonalem Kristallgitter bei 19 °C mit Volumenänderung
- Brennprobe: Nicht brennbar; in heißer Flamme findet bei Rotglut Zersetzung statt; dabei Geruch nach Salz- und Fluorwasserstoffsäure; die entstehenden Dämpfe sind giftig und können Haustiere schwer schädigen oder töten und führen beim Menschen zum Polymerfieber.
- Brechzahl: Teflon weist mit etwa 1,34 eine sehr niedrige Brechzahl, ähnlich der von Wasser auf
Anwendungen
Wegen seiner chemischen Trägheit wird PTFE als Beschichtung dort eingesetzt, wo aggressive Chemikalien vorkommen. Schon bei Aufbereitung von Uran für die ersten Atombomben (Manhattan-Projekt) wurde das sehr reaktionsfreudige Uranhexafluorid in PTFE-beschichteten Gefäßen aufbewahrt.
Im Bereich der Dichtungstechnik wird PTFE als Basiscompound in vielen Anwendungen eingesetzt. Insbesondere im Bereich:
- Wellendichtring (Produktmarken hierfür sind beispielsweise Simmerring und Radiamatic)
- Nutring
- Faltenbälge
Weiterhin wird PTFE auch im Chemieanlagenbau als Auskleidungswerkstoff (beispielsweise Dr. Schnabel) für Kompensatoren, Rohrleitungen und Kolonnen eingesetzt. Die gängigste Verarbeitungsform bei der Auskleidung ist die isostatische Vorgehensweise. Hierbei wird das PTFE unter hohem Druck an die Wände des auszukleidenden Aggregates gepresst.
Die vielfältigen und relativ einfachen Möglichkeiten der Compoundierung ermöglichen spezielle Mischungen für zahlreiche Anwendungen, die in diversen Parametern (beispielsweise Druck, Oberflächengüte, Geschwindigkeit etc.) differieren können.
Durch seine geringe Reibung ist PTFE als Beschichtung für Lager und Dichtungen interessant.
In der Medizin wird PTFE beispielsweise bei Implantaten verwendet. Zum einen sorgt seine chemische Beständigkeit für eine lange Lebensdauer und gute Verträglichkeit, zum anderen verringert die glatte Oberfläche die Entstehung von Blutgerinnseln. Aufgrund dieser Verträglichkeit findet es auch immer mehr Anwendung als Piercing-Schmuck – wobei hier darauf geachtet werden sollte, dass der PTFE-Schmuck für den Einsatz im/am Körper hergestellt wurde, da es bei „industriellem“ PTFE immer zu chemischen Rückständen durch das Sintern kommen kann.
Durch den Einsatz von Piercing-Schmuck aus PTFE als Ersteinsatzmaterial werden wesentlich kürzere Abheilzeiten erreicht als vergleichsweise bei Verwendung von Titan. Aufgrund der mechanischen Eigenschaften ist PTFE nicht ringförmig für den Piercingbereich geläufig, sondern ausschließlich in Stabform im Einsatz. Durch die extrem hohe Wärmebeständigkeit kann PTFE im Gegensatz zu anderen Kunststoffen ohne Probleme im Autoklaven dampfsterilisiert werden und ist somit ein hervorragendes Ersteinsatzmaterial.
In der Optik wird Teflon als Linsenmaterial eingesetzt, da es im fernen Infrarotbereich transparent ist.
Im Bereich der Hochfrequenztechnik ist PTFE aufgrund seiner geringen Dielektrizitätskonstante ein beliebter Werkstoff beispielsweise für Kabelisolationen.
Und auch im Hygienebereich ist PTFE zu finden, zum Beispiel als Zahnseide.
Das Material wird auch bei Munition eingesetzt.
PTFE wird auch im Brückenlagerbau als Gleitwerkstoff eingesetzt.
Antihaft-Beschichtungen
Die bekannteste Anwendung ist sicherlich die Antihaft-Beschichtung in Pfannen und Töpfen. Die berühmte Frage „Wenn nichts an Teflon haftet, wie haftet das Teflon dann an der Pfanne?“ ist leicht zu beantworten: Das Metall der Pfanne wird angeraut, beispielsweise mechanisch durch Sandstrahlen oder chemisch durch Säuren. Danach wird das PTFE mit Druck aufgetragen und so von den zahllosen kleinen Unebenheiten der Pfanne festgehalten. Die Bindung erfolgt somit mechanisch und nicht chemisch. Viele Anwendungen gibt es aber auch im industriellen Bereich, als Antihaft-Beschichtung in der Textilindustrie oder in Formen bei der Kunststoffbearbeitung.
Gore-Tex
In hauchdünnen Schichten findet PTFE als Gore-Tex Verwendung, einer Membran mit feinsten Poren, die groß genug sind, um Wasserdampf durchzulassen, nicht aber Wasser in flüssiger Form. Daraus kann wasser- und winddichte Bekleidung hergestellt werden, die trotzdem die Hautfeuchtigkeit nach außen abgeben kann.
Gore-Tex ist der Handelsname für eine aus PTFE bestehende Membran, die zur Beschichtung von Textilien verwendet wird. Die folgenden Angaben stammen vom Hersteller W. L. Gore & Associates, Newark, Delaware.
Im Jahre 1969 entdeckte der US-Chemiker Bob Gore eine ganz besondere Form der Verarbeitung von PTFE (Polytetrafluorethylen). Dadurch wurde es möglich, die besonderen Eigenschaften dieses Polymers auf textile Produkte zu übertragen. Dieses Verfahren bestand zum Teil darin, das PTFE mechanisch zu expandieren, um eine mikroporöse Membran zu erhalten. Somit wurde die ePTFE-Membrane geschaffen.
Es werden nur kleine Mengen des Polymers benötigt, um diese luftige, gitterartige Struktur zu schaffen. Das Verfahren wird dadurch hocheffizient.
Gore-Tex-Membranen werden heutzutage in praktisch allen Oberbekleidungsteilen verarbeitet, und ebenso in Schuhen, um die Outdoor-Ausrüstungsteile wasserfest zu machen. Die Atmungsaktivität wird allerdings in der Produktwerbung meist stark übertrieben dargestellt. Bei starker körperlicher Belastung ist keine Membran in der Lage, die dabei entstehenden Schweißmengen vollständig abzuführen. Durch einen m² Membran können 200-290g Dampf pro Stunde entweichen, bei extremer Belastung sondert der Körper allerdings bis zu 2 l Schweiß pro Stunde ab. Bei feuchtem Wetter funktioniert die Klimamembran nur noch sehr eingeschränkt. In der Medizin werden Gore-Tex-Transplantate und Patchmaterialien in der Herz- und Gefäßchirurgie, bei Bruchsackbildungen (Hernien) und in der Ophthalmochirurgie bei tiefen Hornhautgeschwüren eingesetzt.
Umweltproblematik
In den letzten Jahren ist die Herstellung von GoreTex und Teflon in die Kritik geraten, da die dabei benötigte Perfluoroctansäure als persistenter und bioakkumulativer organischer Stoff im Verdacht steht, krebserregende und auch sonstige toxische Eigenschaften zu haben. Von der US-amerikanischen Umweltschutzbehörde EPA wird deshalb das Verbot bestimmter Anwendungen der Chemikalie erwogen. Außerdem musste DuPont an die EPA eine Vergleichsumme in Höhe von ca. 16 Millionen US-Dollar zahlen, da Studien, die auf die auf krebserregende Eigenschaften dieses Zwischenproduktes hinweisen, der Öffentlichkeit vorenthalten worden waren. Bei starker Erhitzung können die Endprodukte wieder in ihre möglicherweise toxischen Vorprodukte zerlegt werden, die durch ihre sehr geringe biologische Abbaubarkeit und Bioakkumulation in der Nahrungskette sich im Organismus anreichern. Im Blut von 95% der amerikanischen Bevölkerung und sogar Eisbären konnten sie nachgewiesen werden.