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 Handelsnamen anderer Hersteller von PTFE sind Dyneon^TM PTFE (ehemals Hostaflon), Heydeflon, Ekafluvin, Fluon, Algoflon und Polyflon sowie Gore-Tex.

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. 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. SbCl₄F dient dabei als Katalysator.

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
     | | | | |
··· -C-C-C-C-C- ···
     | | | | |
     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 genau so 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 hoch 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.

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 (Marketingbezeichnungen sind beispielsweise Simmerring, Radiamatic, HTS2)
• Nutring (beispielsweise Merkel Freudenberg)
• Faltenbälge (beispielsweise Simrit)

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 Veträglichkeit 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 durch 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 Hygiene-Bereich ist PTFE zu finden zum Beispiel als Zahnseide.

Das Material wird auch bei Munition eingesetzt.

Anti-Haft-Beschichtungen

Die bekannteste Anwendung ist sicherlich die Anti-Haft-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.

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. Die ePTFE Membrane wurde somit geschaffen.

Es werden nur kleine Mengen des Polymers benötigt, um diese luftige, gitterartige Struktur zu erschaffen. Das Verfahren wird dadurch hocheffizient.

Gore-Tex Membranen werden heutzutage in praktisch allen Oberbekleidungsteilen verarbeitet, 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, noch die Schweissmengen abzuführen. Bei kühlem und feuchtem Wetter funktioniert die Klimamembran nur noch sehr eingeschränkt.

Siehe auch

• Perfluorkautschuk