Политетрафторэтилен

Структурная формула
Общий
Фамилия	Политетрафторэтилен
Другие названия	Тефлон Политетрафторэтилен ПТФЭ Ксинфлон
Количество CAS	9002-84-0
Мономер	1,1,2,2-тетрафторэтилен ( IUPAC )
Молекулярная формула в повторяющемся звене	C 2 F 4
Молярная масса повторяющейся единицы	100,02 г моль -1
Тип полимера	Термопластик
Краткое описание	белое твердое вещество без запаха
характеристики
Физическое состояние	твердо
плотность	2,2 г см −3
Температура плавления	327 ° С
твердость	D55 (по Шору)
модуль упругости	420 МПа
Число Пуассона	0,46
Впитывание воды	<0,1%
Химическая устойчивость	очень высокие, за исключением жидкого натрия, высокофторированные масла
Теплопроводность	0,24 Вт / (м · К)
Коэффициент теплового расширения	130 · 10 −6 К −1
Инструкции по технике безопасности
Маркировка опасности GHS нет пиктограмм GHS H- и P-фразы ЧАС: нет H-фраз П: нет P-фраз
Насколько это возможно и общепринято, используются единицы СИ . Если не указано иное, приведенные данные относятся к стандартным условиям .

Политетрафторэтилен ( аббревиатура ПТФЭ , иногда также политетрафторэтилен ) представляет собой неразветвленный, линейно структурированный, частично кристаллический полимер, изготовленный из фтора и углерода . В просторечии этот пластик часто называют торговым наименованием Teflon от DuPont . Другими часто используемыми торговыми наименованиями других производителей ПТФЭ являются Dyneon PTFE (ранее Hostaflon ) и Gore-Tex для мембран из ПТФЭ .

ПТФЭ относится к классу полигалогенолефинов , в который также входит ПХТФЭ ( полихлортрифторэтилен ). Он принадлежит к группе термопластов , но также обладает свойствами, требующими обработки, которая более характерна для термореактивных пластиков.

история

Благодаря низкому поверхностному натяжению и хорошей термостойкости ПТФЭ используется в качестве антипригарного покрытия на сковородах и кастрюлях.

ПТФЭ был открыт химиком Роем ​​Планкеттом в 1938 году . Когда Планкетт экспериментировал с тетрафторэтиленом (TFE) в поисках хладагентов для холодильников , он обнаружил «бесцветные крошки» в своем реакционном сосуде: тетрафторэтилен был полимеризован до PTFE . В честь первооткрывателя производственный процесс, который используется до сих пор, называется процессом Планкетта . Полимеризации начинают при высоком давлении с пероксидами. Рой Планкетт получил 4 февраля 1941 г. патент США, поданный 1 июля 1939 г. с номером публикации US2230654 A по ПТФЭ.

Первоначально не было никакого технического использования ПТФЭ , потому что издержки производства были слишком высоки , и ни одно приложение для высоко инертного был замечен материала. В 1943 году исследователи Манхэттенского проекта столкнулись с проблемой чрезвычайно агрессивного гексафторида урана . Впервые политетрафторэтилен был технически использован в качестве защиты от коррозии при обогащении урана . Французский химик Марк Грегуар позже покрыл свою леску ПТФЭ, чтобы ее было легче распутать. Его жене Колетт пришла в голову идея покрыть им кастрюли и сковороды, на что она и Жоржетт Вамант получили патент в 1954 году.

Производство

ПТФЭ получают из хлороформа CHCl ₃ путем частичного фторирования , в результате чего сначала получают хлордифторметан CHClF ₂ и тетрафторэтилен C ₂ F ₄ . Фторид хлорида сурьмы (V) (SbCl ₄ F) действует как катализатор .

${\ displaystyle {\ ce {CHCl3 + 2HF -> CHClF2 + 2 HCl}}}$

${\ displaystyle {\ ce {2CHClF2 -> C2F4 + 2HCl}}}$

Затем тетрафторэтилен подвергают радикальной полимеризации под давлением . В зависимости от условий бывают разные размеры молекул и частиц:

${\ Displaystyle {\ ce {п {\,} C2F4 -> - (CF2) _ {2n} {-}}}}$

Поскольку эта реакция является сильно экзотермической и мономерные звенья взрывоопасно разлагаются при высоких температурах, полимеризация проводится в суспензии . Кроме того, нестабильность мономера означает, что предприятия по производству полимера и мономера находятся в непосредственной близости, поскольку мономер может транспортироваться только в очень ограниченной степени из-за риска взрыва.

характеристики

механическая стабилизация фторопластов

ПТФЭ характеризуется несколькими особенностями:

• ПТФЭ очень инертен. Даже агрессивные кислоты, такие как царская водка, не могут повредить ПТФЭ. Причина заключается, с одной стороны, в особенно прочной связи между атомами углерода и фтора , поскольку фтор является элементом с самой сильной электроотрицательностью . Многие вещества не могут разорвать связи и вступить в химическую реакцию с ПТФЭ. Кроме того, PTFE кинетически ингибируется компактной оболочкой из атомов фтора, которая защищает углеродную нить внутри. Однако мелкодисперсный порошок PTFE - это z. Б. используется в качестве окислителя металлического порошка в оружии.
• Он чрезвычайно устойчив ко всем основаниям , спиртам , кетонам , бензинам , маслам и т. Д .; он неустойчив только к очень сильным восстановителям, таким как растворы щелочных металлов (например, натрия ) в жидком аммиаке, или к очень сильным окислителям, таким как элементарный фтор, при более высоких температурах; Рабочая температура до 260 ° C (при температуре выше 400 ° C выделяются высокотоксичные продукты пиролиза, такие как фторфосген (COF ₂ ), что может привести к тефлоновой лихорадке ); морозоустойчив до −270 ° С; клеить можно только после предварительной обработки; Сварка возможна, но редко; слегка восковая поверхность (не так выражена, как у ПЭ ); физиологически безвреден.
• ПТФЭ имеет очень низкий коэффициент трения . ПТФЭ скользит по ПТФЭ так же, как мокрый лед по мокрому льду. Кроме того, статическое трение так же велико, как трение скольжения , так что переход из состояния покоя в движение происходит без рывков .
• Практически нет материалов, которые прилипают к ПТФЭ, поскольку поверхностное натяжение чрезвычайно низкое. ПТФЭ трудно смачивать и почти не липнет. Угол контакта с водой 126 °.
• Плотность : 2,1–2,3 г · см ^–3 , твердость по Шору D от 50 до 72, твердость при вдавливании шарика : 23–32 Н / мм ² , прочность на разрыв: 22–40 Н / мм ²
• Высокое тепловое расширение (α в диапазоне 20–100 ° C: ≈20 · 10 ⁻⁵ K ⁻¹ ), фазовый переход от триклинной к гексагональной кристаллической решетке при 19 ° C с изменением объема.
• Испытание на горение: не горючий; в горячем пламени разложение происходит на красном огне; это запах соли и плавиковой кислоты . Есть также источники, которые доказывают, что образуется трифторуксусная кислота , которую может выделять человек, но не растительный мир. Образующиеся пары ядовиты и вызывают у людей полимерную лихорадку .
• Показатель преломления : ПТФЭ имеет очень низкий показатель преломления около 1,38.
• Удельная теплоемкость : 0,96 Дж / (г · К).
• Теплопроводность : 0,25 Вт / (К · м).
• Диэлектрическая : 2.1 (D150 при 10 ³ Гц), коэффициент диэлектрических потерь: 0,3 · 10 ^-4 при 10 ³ Гц, удельное сопротивление: 10 ¹⁸ Ом · см.

Также производятся соединения ПТФЭ с наполнителями, такими как стекло, углерод, графит , дисульфид молибдена , бронза , органические наполнители или нержавеющая сталь V2A . Путем компаундирования можно изменять различные свойства.

Приложения

Лента PTFE согласно DIN EN 751-3 для металлических резьбовых соединений

Из-за своей химической инертности PTFE используется в качестве покрытия там, где есть агрессивные химические вещества. Даже когда уран перерабатывался для первых атомных бомб ( Манхэттенский проект ), высокореакционный гексафторид урана хранился в сосудах с покрытием из ПТФЭ.

Разнообразные и относительно простые возможности компаундирования позволяют создавать специальные смеси для множества применений. В области уплотнительной техники ПТФЭ используется в качестве основного компаунда во многих областях, в частности:

• Уплотнение вала
• U-образное кольцо
• Сильфоны
• Герметизирующая лента для резьбовых соединений, особенно в санитарной зоне

Промышленность и технологии

Кроме того, PTFE также используется в строительстве химических заводов в качестве облицовочного материала для компенсаторов , трубопроводов и колонн . Самым распространенным видом обработки футеровки является изостатическая процедура. Здесь ПТФЭ прижимается к стенкам футерованного устройства под высоким давлением.

Также существует множество применений в промышленном секторе в качестве антипригарных покрытий, например, в формах при переработке пластмасс.

В области высокочастотной технологии PTFE является подходящим изоляционным материалом из-за его низкой диэлектрической проницаемости и малых потерь . При производстве высокочастотных печатных плат материал, частично армированный стеклотканью, служит диэлектрическим основным материалом.

В высоковольтной технике PTFE подходит в качестве электрического изолятора (используется в изоляторах) и в качестве материала сопел в автоматических выключателях из-за его высокой устойчивости к частичному разряду и низкой адгезии поверхностных загрязнений .

Благодаря низкому трению PTFE представляет интерес как сухая смазка ( твердая смазка ) и как покрытие для подшипников и уплотнений.

Огнестойкий ПТФЭ также используется в строительной отрасли для защиты крыш или фасадов от погодных условий. В архитектурном секторе стеклоткань покрывается ПТФЭ, чтобы получить мембраны, устойчивые к погодным условиям и ультрафиолетовому излучению. При последующей обработке в основном используется сварка, так как сшивание проблематично из-за низкого трения волокон. Теперь есть также ткани, полностью изготовленные из ПТФЭ. Их преимущество в том, что с ними легче обращаться и с меньшим риском перекручивания. ПТФЭ также используется в качестве материала скольжения в конструкции мостовых опор.

Медицинские приложения

В медицине ПТФЭ используется, среди прочего, для имплантатов, таких как протезы сосудов . С одной стороны, его химическая стойкость обеспечивает долгий срок службы и хорошую совместимость, с другой - гладкая поверхность снижает образование тромбов.

В стоматологии ПТФЭ используется в качестве барьерной мембраны для наращивания костей . Эта процедура известна как управляемая регенерация костей (GBR) - контролируемая регенерация тканей. В процедуре GBR пространство, которое должно быть заполнено костью, дополнительно окружается мембраной. Его задача - предотвратить слишком быстрый рост окружающих клеток окружающих мягких тканей в полости, поскольку они формируются быстрее, чем кость.

Из-за такой совместимости его все чаще используют в качестве украшений для пирсинга ; Здесь следует проявлять осторожность, чтобы гарантировать, что рассматриваемые украшения из ПТФЭ были изготовлены для использования внутри / на теле, поскольку «промышленный» ПТФЭ всегда может приводить к образованию химических остатков из-за спекания . При использовании в качестве исходного материала пирсинговых украшений из ПТФЭ достигается значительно более короткое время заживления, чем при использовании титана . Благодаря чрезвычайно высокой термостойкости ПТФЭ, в отличие от других пластиков, можно стерилизовать паром в автоклаве при 130 ° C. Также существуют имплантаты для лица из PTFE, которые используются в пластической хирургии.

Антипригарные покрытия для товаров народного потребления

Самым известным применением, безусловно, является использование в качестве антипригарного покрытия для сковород и кастрюль. Само покрытие прилипает, потому что металл сковороды имеет шероховатость, что делается механически с помощью пескоструйной обработки или химически с помощью кислот. На следующем этапе PTFE применяется с давлением и, таким образом, удерживается на месте бесчисленными небольшими неровностями в поддоне. Таким образом, склеивание является механическим, а не химическим, поэтому поверхность обычно лишь немного устойчива к царапинам. Однако верхняя часть покрытия остается очень гладкой и предотвращает прилипание пищи.

В текстильной промышленности ткань используется для производства водоотталкивающих тканей, таких как Gore-Tex .

ПТФЭ также используется для покрытий дорогостоящих бритвенных лезвий и высококачественных садовых режущих инструментов, таких как секатор или секатор. Это значительно снижает усилия, необходимые для резки, и повышает качество резки.

В высококачественных компьютерных мышах «ножки» также сделаны из ПТФЭ. Это предназначено для уменьшения сопротивления трения мыши и, таким образом, для более удобного управления.

Покрытие металлических струн для струнных инструментов, таких как гитары, бас-гитары, мандолины и банджо, значительно увеличивает срок службы струн, поскольку не возникает коррозии от пота и жира с пальцев.

Отдельные снаряды для ручного огнестрельного оружия покрыты ПТФЭ, чтобы можно было стрелять более тяжелыми снарядами (например, из латуни) без чрезмерного износа ствола . В этом отношении ПТФЭ является альтернативой дисульфиду молибдена (MoS ₂ ).

Расширенный PTFE (ePTFE)

Вспененный PTFE (ePTFE) - это специально обработанная форма политетрафторэтилена. В процессе производства молекулярные волокна ПТФЭ ориентируются, что приводит к улучшенным свойствам прочности и текучести на холоде по сравнению с неориентированным ПТФЭ. Пленки из растянутого ПТФЭ (ePTFE) также используются в тонких слоях под торговой маркой Gore-Tex в качестве так называемого ламината Gore-Tex , мембрана которого имеет мелкие поры, которые все еще достаточно велики, чтобы пропускать водяной пар. , но не воду в жидком виде. Из него можно сделать «дышащую», водонепроницаемую и непродуваемую одежду (например, куртки, обувь и носки), которая позволяет влаге уходить с кожи, несмотря на то, что она очень непроницаема . Помимо использования в текстильной промышленности, ePTFE также используется в секторе медицинских технологий, например B. используется для стентов или шунтов. В качестве уплотнительного материала ePTFE также используется под торговыми марками FluorTex, KWO MultiTex и SoftFluor в аэрокосмической промышленности, а благодаря неизменно высокой химической стойкости также в химической и фармацевтической промышленности.

Оптический PTFE

Для специальных метрологических задач, например, с интегрирующей сферой , PTFE в оптически чистом белом качестве используется в качестве покрытия с диффузным отражением. В оптике в качестве материала линз используется ПТФЭ, поскольку он прозрачен в дальнем инфракрасном диапазоне . Но PTFE также используется в качестве покрытия для линз очков, чтобы их было легче чистить.

Вопросы, связанные с экспортным законодательством

В некоторых странах экспорт химического оборудования с покрытием из ПТФЭ ограничен. В ЕС это подпадает под Приложение I к Регламенту (ЕС) № 428/2009 (Двойное использование) в позиции 2B350 , иногда с дополнительными требованиями, и поэтому экспорт таких товаров подлежит разрешению в соответствии со статьей 3 Регулирование. Поскольку предварительные продукты для боевых отравляющих веществ и сами боевые отравляющие вещества (см., Например, серный иприт ) отчасти являются сильно коррозионными , необходимо проектировать производственные мощности так, чтобы они были кислотостойкими и стойкими к щелочам. Клапаны, трубопроводы и емкости, полностью покрытые изнутри PTFE, необходимы при производстве агрессивных веществ, таких как, например, Б. Некоторые ядовитые газы. Они также используются на установках по опреснению морской воды, поскольку производимые отработанные щелоки вызывают коррозию. Несанкционированный экспорт таких товаров является уголовным преступлением в соответствии с разделом 17 (1) Закона о внешней торговле .

Проблемы окружающей среды и здоровья

Воздействие на окружающую среду

В последние годы производство фторполимеров подверглось критике из-за того, что перфтороктановая кислота (PFOA) , которая ранее использовалась в качестве поверхностно-активного вещества , обладает репродуктивными свойствами и свойствами PBT . Производство тефлона создает долговечные перфторированные алкильные вещества, которые можно обнаружить в грудном молоке. Как эти вещества влияют на здоровье, неясно. Эксперименты на животных не позволяют сделать какие-либо однозначные выводы из-за гораздо более длительного времени удерживания в организме человека. В матки , воздействие на PFOA связана с уменьшением массы тела при рождении . В то время как концентрация известного проблемного вещества перфтороктановой кислоты в крови человека в Германии падает, концентрация менее известных и изученных полифторированных химических веществ растет.

Когда перфторполимеры удаляются (сжигаются), соединения фтора выделяются в окружающую среду, обычно фтористоводородная кислота и перфторуглероды, такие как тетрафторэтен или трифторуксусная кислота . В 2010 году был опубликован процесс восстановления фтормономеров из ПТФЭ. Байройтский университет и институт InVerTec e. В. и компания Dyneon GmbH. Dyneon в настоящее время строит пилотную установку по переработке 500 тонн перфторированных полимеров в год. Цель состоит в том, чтобы избежать сильного загрязнения окружающей среды, вызванного сжиганием, которое было обычным до сих пор.

Риски для здоровья

В случае тефлоновых сковородок существует определенный потенциал риска из-за возможного образования канцерогенных веществ из покрытия. Опасные для здоровья фторированные соединения образуются при температуре около 202 ° C. Однако Федеральный институт оценки рисков Германии предполагает только концентрацию, токсичную для человека при температуре сковороды 360 ° C. Поэтому во избежание достижения этих температур рекомендуется не нагревать сковороды с покрытием более трех минут, пока они не станут пустыми. В индукционных плитах Федеральный институт оценки рисков не рекомендует нагревать пустые сковороды, так как они так быстро достигают критических температур. Эти рекомендации применимы только к пустым кастрюлям, поскольку потребителя предупреждают о перегреве покрытия, например, при нагревании масла с температуры 270 ° C или выше из-за образования дыма.

Полимерная лихорадка может возникнуть в результате вдыхания небольших количеств паров ПТФЭ ; большие количества смертельны. Птицы более чувствительны к парам ПТФЭ: они могут погибнуть от мелких частиц ПТФЭ, которые образуются при нагревании материала примерно до 202 ° C. Царапины на покрытии, а также отслаивающиеся частицы покрытия считаются безвредными, так как полностью устраняются.

Смотри тоже

• Фторуглероды
• Перфторированный каучук (FFKM или FFPM)
• Перфторалкоксилалкан (PFA)
• Перфторэтиленпропилен (FEP)
• Поливинилиденфторид (ПВДФ)
• Полихлортрифторэтилен (ПХТФЭ)

веб ссылки

• Федеральный институт оценки рисков : вопросы и ответы по посуде и инструментам для жарки с антипригарным покрытием ( Memento от 26 октября 2017 г. в Интернет-архиве )
• Свойства ПТФЭ и ценности материалов (английский; PDF; 91 kB)
• Запись о политетрафторэтилене (ПТФЭ) в базе данных информации о потребительских товарах
• Патент на пластик. Рой Планкетт - первооткрыватель тефлона . Deutschlandfunk - Календарный лист 4 февраля 2016 г.

Индивидуальные доказательства

1. ↑ ^{б с д е} записи на политетрафторэтилене в базе данных GESTIS вещества в IFA , доступ к 30 июля 2017 года. (Требуется JavaScript)
2. ↑ ^{a b c d e f} Технический паспорт политетрафторэтилена в Kern, по состоянию на 22 сентября 2019 г.
3. ↑ DuPont Teflon / PTFE Properties Handbook (PDF; 189 kB) .
4. ↑ bürkert - Таблица сопротивления ( Memento от 12 декабря 2014 г. в Интернет-архиве ) (PDF; 222 kB).
5. ↑ Фторопласты PTFE - свойства и характеристики ( Памятка от 12 ноября 2011 г. в Интернет-архиве ) (PDF; 1,6 МБ).
6. ↑ Мартин Шнайдер: От атомной бомбы до сковороды . 15 октября, 2004. Архивировано из оригинального 28 сентября 2007 года Проверено 20 августа 2010 года.
7. ↑ Google патентный поиск: тетрафторэтилена полимер US 2230654 .
8. ^ Ричард Родс : Создание атомной бомбы . Саймон и Шустер, Нью-Йорк, Нью-Йорк 1986, ISBN 0-671-65719-4 , стр. 494.
9. ↑ Исследование Espacenet: Метод покрытия контейнеров и других изделий и изделий с покрытием, производимых с их помощью. FR1137972. .
10. ↑ ^{a b} Пластмасса Elringklinger: PTFE - свойства материала ( Memento от 3 декабря 2013 г., Интернет-архив ), доступ осуществлен 2 апреля 2013 г.
11. ↑ ^б ElringKlinger пластик: ПТФЭ - термические свойства ( мементо от 29 апреля 2013 года в архиве веб - archive.today ), доступ к которому 2 апреля 2013.
12. ↑ Дэвид А. Эллис, Скотт А. Мабери, Джонатан В. Мартин, Дерек К. Г. Мьюир: Термолиз фторполимеров как потенциального источника галогенированных органических кислот в окружающей среде. В кн . : Природа . 412, 321-324, DOI : 10.1038 / 35085548 .
13. ^ В. Темпл, И. Эдвардс, С. Белл: "Поли" дымовая лихорадка - два смертельных случая. В: Ветеринарный журнал Новой Зеландии. 33 (3), 1985, PMID 16031138 .
14. ↑ PTFE Compounds (PDF; 531 kB), на hoefert.de, по состоянию на 19 марта 2017 г.
15. ↑ 3 мес .: Новый язык дизайна в архитектуре - фторполимеры защищают кровельные ткани . В: ГАК 10/2011, с. 602–604.
16. ↑ П. Култхард, М. Эспозито и др.: Вмешательства по замене отсутствующих зубов: методы увеличения кости для лечения дентальных имплантатов. В: Кокрановская база данных систематических обзоров (онлайн). № 3, 2003 г., стр. CD003607. DOI : 10.1002 / 14651858.CD003607 . PMID 12917975 .
17. ↑ Постановление (ЕС) № 1334/2000 .
18. ↑ Власти доказывают заражение грудного молока , aerztezeitung.de
19. ↑ Экологически- медицинское значение перфторированных ПАВ, allum.de
20. ↑ Джулия Малиц, Ян Бластейн, Леонардо Трасанде, Тереза ​​М. Аттина: Перфтороктановая кислота и низкая масса тела при рождении: оценки связанных с США бремени и экономических затрат с 2003 по 2014 год. В: Международный журнал гигиены и гигиены окружающей среды. . 221, 2018, стр 269, DOI : 10.1016 / j.ijheh.2017.11.004 .
21. ↑ Перфторированные и полифторированные химические вещества: избегать загрязнения - защищать окружающую среду. Федеральное агентство по окружающей среде, июль 2009, доступ к 19 октября 2016 года . 
22. ↑ Информационный бюллетень Perfluorocarbons (PFC) ( Memento от 26 июня 2011 г. в Интернет-архиве ) (PDF; 93 kB), на asstech.com.
23. ↑ Invertec-ev.de: Пилотный проект: Переработка фторполимеров (PTFE) .
24. ↑ ^{a b} Федеральный институт оценки рисков : вопросы и ответы о посуде и принадлежностях для жарки с антипригарным покрытием ( Memento от 26 октября 2017 г. в Интернет-архиве ).
25. ↑ Опасность для здоровья «Тефлоновая лихорадка». В: Журнал Гринпис. Проверено 8 сентября 2017 года . 
26. ↑ Верно? Поцарапанные сковороды ( сувенир от 23 февраля 2017 г. в Интернет-архиве )