Reichelt Chemietechnik (2023)

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PTFE - Polytetrafluorethylen (TEFLON® PTFE, Hostaflon® TF, Chemfluor®, THOMAFLON-Reichelt Chemietechnik)

Reichelt Chemietechnik (2)Polytetrafluorethylen

andere Bezeichnungen: Poly(1,1,2,2-tetrafluorethylen), Teflon®

Kurzzeichen: PTFE

CAS-Nr.: 9002-84-0

Wichtige Handelsnamen und Markeneigner

ALGOFLON®PTFE - Solvay Plastics
DYNEON®PTFE - 3M / Dyneon
FLUON®PTFE - Asai Glass Co., Ltd.
HALON®PTFE – Allied Chemical Corp.
HOSTAFLON®- 3M / Dyneon
POLYFLON®- Daikin Industries Inc.
TEFLON®- DuPont
THOMAFLON- RCT Reichelt Chemietechnik GmbH & Co.

Geschichtliches

Bei der Suche nach einem sicher handhabbaren Kühlmittel für Kältemaschinen auf der Basis von Fluorkohlenwasserstoffen, die seinerzeit noch als umweltneutral galten, entdeckte der amerikanische Chemiker Roy J. Plunkett (1910 - 1994) im Jahre 1938 zufällig die Polymerisation von Tetrafluoretylen zu Polytetrafluorethylen. Plunkett arbeitete bereits seit 1936 im Jackson Laboratory, Deepwater (N.J.) für DuPont de Nemours. Für dieses Polymere wurde DuPont 1941 das US-Patent Nr. 2.230.654 erteilt. Es erhielt den Handelsnamen Teflon®, der bald zum generellen, weltweit bekannten Trivialnamen für diesen neuartigen Kunststoff wurde. Heute ist hierfür ebenso die auf seine chemische Herkunft hindeutende Kurzbezeichnung PTFE gebräuchlich.

Die außergewöhnlichen Eigenschaften dieses Kunststoffes, seine weitreichende chemische Beständigkeit gepaart mit hoher Temperaturfestigkeit, waren von keinem anderen der bis dahin bekannten Kunststoffe erreicht worden. Einer verbreiteten Nutzung dieses neuen Kunststoffs standen aber zunächst die hohen Produktionskosten sowie auch technische Probleme entgegen. Erst als in den Jahren 1942/43 im Rahmen des “Manhattan-Projektes (MED)“ unter der Leitung des Physikers Julius Robert Oppenheimer (1904-1967) die Uran-235-Anreicherung für den Bau der ersten Atombomben in den Mittelpunkt der amerikanischen Militärforschung rückte und dabei der Umgang mit großen Mengen des chemisch äußerst aggressiven Uranhexafluorids (UF6) unumgänglich wurde, kamen erstmalig korrosionsfeste Teflon®-beschichtete Werkstoffe und Bauelemente aus Teflon®zum Einsatz. Seit 1946 wird Teflon®auch in zivilen Bereichen verwendet.

Allgemeine Beschreibung

Teflon®ist ein hydrophober Kunststoff, dessen chemische Beständigkeit und Lösungsmittelfestigkeit von keinem anderen Kunststoff übertroffen wird.

Teflon®gilt als physiologisch unbedenklich. Es hat seit 1960 die FDA-Zulassung für die Verwendung im Lebensmittelbereich. Seine physikalischen Eigenschaften entsprechen weitgehend denen von Thermoplasten und wird deshalb diesen zugeordnet. Nachteilig ist sein ausgeprägtes Kaltfließen, die Verformung bei Druckeinwirkung ohne Erwärmung.

(Video) 0622131250.mp4

Verarbeitung

Teflon®ist bis heute ein kostenintensiver Kunststoff geblieben. Er fällt herstellungsbedingt pulverförmig in unterschiedlichen Körnungen aus und wird durch Sinterpressen und Rammextrusion zu Halbzeugen weiterverarbeitet. Teflon®ist linear aufgebaut und weist eine ungeordnete Faserstruktur auf. Durch mechanische Streckverfahren (Expandieren) wird diese Struktur gerichtet, wodurch sich die mechanischen Eigenschaften verändern. Derartig “gereckte“ Teflon®-Qualitäten werden als ePTFE bezeichnet.

Die für Thermoplaste übliche Warmverformung, wie Spritzgießen und Extrudieren, ist wegen der hohen Schmelzviskosität nicht geeignet. Im kalten Zustand lassen sich Teflon®-Halbzeuge jedoch auch spanabhebend bearbeiten. Allerdings sind solche Bearbeitungsverfahren aus ökonomischen Gründen meist wenig zweckvoll.

Das Verkleben von Teflon®ist wegen seiner Oberflächeneigenschaften nicht ohne weiteres möglich. Es erfordert Vorbehandlung mit einem Primer, mit dem die Oberfläche chemisch aufgeraut wird. Hierfür wird meist in verflüssigtem Ammoniakgas (NH3, Siedepunkt -33 °C) gelöstes Natriummetall verwendet. Die Handhabung solcher, als Primer bezeichneten Formulierungen ist nicht gefahrlos, so daß Klebetechniken für die Teflon®-Bearbeitung die Ausnahme sind.

Verwendung

Als feinkörniges Material ist Teflon®, eingearbeitet in Pasten oder anderen Trägern, ein hervorragendes Schmiermittel, das auch bei höheren Temperaturen erfolgreich eingesetzt werden kann. Meist begrenzt die Thermostabilität des Trägermaterials den Einsatz.

Vollkonstruktionen aus Teflon®sind kostenintensiv, so daß in solchen Fällen Teflon®nach Möglichkeit durch andere, zweckerfüllende Kunststoffe ersetzt wird. In speziellen Fällen sind jedoch auch Bauelemente aus Voll-Teflon®unentbehrlich geworden, etwa für schmierfreie Gleitvorrichtungen, korrosionsfeste Faltenbälge, Schraubverbindungen sowie für chemikalienfeste Dichtungen. Ebenso wird Teflon®wegen seiner hervorragenden Isolationseigenschaften im Elektrobau eingesetzt. Dank seiner UV-Beständigkeit ist es auch für Außenkonstruktionen geeignet.

Außerordentlich bewährt hat sich Teflon®als Beschichtungsmaterial auf Metalloberflächen, die dadurch vor Korrosion geschützt sind und ausgeprägte Antihafteigenschaften erhalten. So werden in der chemischen Industrie durch Teflon®- Beschichtungen die Standzeiten von Behältern, Rohrleitungen und anderen, Chemikalien ausgesetzten Vorrichtungen deutlich verlängert.

Filtermaterialen aus Teflon sind hydrophob und chemisch inert. Sie werden in unterschiedlichen, jedoch eng begrenzten Porenweiten durch Teilchenbeschuß von PTFE-Folien in Groß-Beschleunigeranlagen hergestellt und eignen sich sowohl für Gas- als auch Flüssigfiltration. Sie werden vorwiegend für die Vorbereitung analytischer Proben eingesetzt.

Gerecktes Teflon®(ePTFE) ist ein atmungsakives Folienmaterial, das beispielsweise als Gore-Tex®PTFE hauptsächlich in der Bekleidungsindustrie für Funktionstextilien Verwendung gefunden hat.

Ein großer Teil des weltweiten Teflon®Aufkommens entfällt auf Schlauchmaterialien, die durch zusätzliche Einlagerung elektrisch leitender Stoffe, Metallpulver oder Graphit antistatisch ausgerüstet werden können. Metallische Zusätze, wie Bronzepulver, erhöhen außerdem die Wärmeleitfähigkeit. Mechanisch stabilisierende Ummantelungen oder Einlagerungen in die Schlauchwandung, z.B. durch Kupfer- oder Edelstahlgeflechte, verleihen PTFE-Schläuchen Druckfestigkeiten bis 130 bar ohne Einbuße der Temperaturfestigkeit. Letztendlich können auch Farbpigmente eingearbeitet werden und Schläuche so codiert werden.

Aufgrund der außerordentlichen Vielfalt, die Teflon-Schlauchmaterialien sowohl hinsichtlich ihrer Qualitäten als auch in den verfügbaren Dimensionen auszeichnen, sind sie für viele Anwendungsbereiche in chemischen, biologischen und technischen Laboratorien unentbehrlich geworden. Teflon®-Schlauch, etwa in Form von PTFE-Well- und Kapillarschlauch, PTFE-Chemieschlauch, High-Tech-PTFE-Analytikschlauch oder kalibrierten PTFE-Schlauch sind wegen ihrer hohen thermischen und chemischen Stabilität, vernachlässigbaren Gaspermeabilität, mechanischen Flexibilität sowie ihrer glatten Innenoberfläche für Apparaturen und Versuchsständen oft das Material der Wahl. Auch in Bereichen der Pharma- und Medizintechnik sowie der Lebensmittelindustrie kommen ausgesuchte Teflon®-Schlauchmaterialien zum Einsatz. Hier spielen neben ihrer chemischen und thermischen Stabilität vor allem die ausgeprägten Antihafteigenschaften die bestimmende Rolle, weil sie deren Reinigung und alle Arten der Sterilisation problemlos zulassen.

Chemische Eigenschaften

Teflon®(Polytetrafluorethylen, PTFE) gehört zu den Polyhalogenolefinen. Ausgangsprodukt für die Herstellung hierfür ist Chloroform (CHCl3), das in einer zweistufigen katalytischen Reaktion in Gegenwart von Antimon(V)tetrachlorfluorid (SbCl4F) mit Fluorwasserstoff (HF) über Chlor-Difluorchlormethan (CHClF2) als Zwischenprodukt zu Tetrafluorethylen (C2F4) umgesetzt wird. Das ursprünglich am Kohlenstoff gebundene Chlor wird dabei als Chlorwassserstoff (HCl) abgespalten. In der sich anschließenden, stark exothermen Druckreaktion wird das äußerst reaktive Tetrafluorethylen polymerisiert. Je nach den gewählten Reaktionsbedingungen, die Polymerisation in Suspension (Suspensionspolymerisation) oder in Emulsion (Emulsionspolymerisation), ergeben sich hierbei unterschiedliche, ihrem späteren Verwendungszweck angepaßte Teflon®-Qualitäten.

Teflon®ist völlig hydrophob. Die äußerst feste Kohlenstoff-Fluor-Bindung begründet die hohe chemische und thermische Beständigkeit dieses teilkristallinen Kunststoffs. Allein elementares Fluor sowie Alkalimetalle, wie Natrium, vermögen es chemisch anzugreifen. Das freie Alkalimetall reagiert dabei mit dem Fluor des Teflons®und hinterläßt elementaren Kohlenstoff. Diese Reaktion wird genutzt, um Teflon®-Oberflächen zum Verkleben aufzurauhen.

Durch verschiedene Diesel- und Bio-Kraftstoffe kann Teflon®in sehr geringem Maße oberflächlich angequollen werden; seine Gebrauchseigenschaften werden dadurch jedoch in keiner Weise eingeschränkt.

Bei Temperaturen über +360 °C zersetzt sich Teflon®. Dabei werden gesundheitsschädigende Pyrolyseprodukte frei, die Tetrafluorethylen (C2F4), Trifluoressigsäure (CF3COOH) und Fluorwasserstoff (HF) sowie das Lungengift Fluorphosgen (COF2) enthalten. Deshalb sind Teflon®-Beschichtungen für den üblichen Gebrauch im Haushalt und in Großküchen, etwa für Töpfe, Backformen und Pfannen, heftig umstritten, weil hier versehentliche Überhitzungen mit schwerwiegenden Folgen keineswegs auszuschließen sind. Stattdessen werden Edelstahl- oder emaillierte Geschirre empfohlen.

Aufgrund seiner hohen chemischen Stabilität verrottet Teflon®nicht. Daher sind Teflon®-Rest- und Abfallstoffe auf Abfalldeponien zwar nicht unmittelbar problematisch, sie sollten aber nach Möglichkeit in Recyclings einbezogen werden, weil das Langzeitverhalten von Teflon®wie auch anderer fluorierter Kunststoffe unter den in Deponiekörpern herrschenden Bedingungen noch weitgehend unbekannt ist. Probleme bereitet jedoch die Aufbereitung von Teflon®-beschichteten Metallen. Wegen der beim Einschmelzen freiwerdenden gasförmigen Giftstoffe sind dafür speziell ausgerüstete Anlagen nötig.

Interessant erscheint in dem Zusammenhang ein in der Erprobung befindliches Verfahren zur Teflon®-Entsorgung, bei dem der Kunststoff durch Bestrahlung mit Mikrowellen depolymerisiert und die freigesetzten, gasförmigen Depolymerisationsprodukte wieder in den Teflon®-Produktionsprozeß zurückgeführt werden. (Universität Bayreuth, Lehrstuhl für Werkstoffverarbeitung[Nordbayrische Nachrichten v. 11. 08. 2010]).

Handelsformen

Teflon®fällt sowohl bei der Suspensions-Polymerisation als auch bei der Emulsions-Polymersation als Pulver an, das zu Halbzeugen, wie Platten, Stangen, Rohre und Schläuche, weiterverarbeitet wird. Dispersionen aus der Emulsions-Polymerisation werden jedoch meist für Teflon®-Beschichtungen und -Imprägnierungen eingesetzt. Durch die Einarbeitung von anorganischen Füllstoffen bei der Halbzeugfabrikation, wie Glasfasern oder Glaspulver, werden die mechanischen Eigenschaften von Teflon®verändert. Insbesondere wird das Kaltfließen verringert und die Verschleißfestigkeit erhöht.

Technische Daten
allgemeine Eigenschaften
Dichte2,16 g / cm3
Farbeopak; einfärbbar
Wasseraufnahmenicht meßbar (ISO 62)
LOI-Index95 %
Brandklasse UL 94V-0
thermische Eigenschaften
Wärmeleitfähigkeit0,24 W / m · K(DIN 52612)
spezifische Wärmekapazität0,96 J / g · K
Schmelz-/Umformtemperatur+327 °C (ISO 11357-1/3)
Zersetzungstemperatur> +360 °C
linearer Wärmeausdehnungskoeffizient1,3 · 10-8/ K
maximale Einsatztemperatur
kurzzeitig+300 °C
dauerhaft+260 °C
minimale Einsatztemperatur-200 °C
elektrische Eigenschaften
Dielektrizitätskonstante (50 Hz)2,15 (IEC 60250)
Dielektrizitätskonstante (1 MHz)2,15 (IEC 60250)
Dielektrischer Verlustfaktor (50 Hz)0,5 · 10-4(IEC 60250)
Dielektrischer Verlustfaktor (1 MHz)0,7· 10-4(IEC 60250)
Durchschlagfestigkeit20 kV / mm
spezifischer Durchgangswiderstand>1018Ω / m(IEC 60093)
spezifischer Oberflächenwiderstand>1017Ω
Kriechstromfestigkeit CTI600 (ICE 60112)
mechanische Eigenschaften
Shore-Härte (D)55-60 (ISO 868)
Kugeldruckhärte (Rockwell)28 MPa (ISO 2039-1)
Kerbschlagzähigkeit (IZOD, +23 °C)185 J / m(ISO 180/1A)
Charpy-Kerbschlagzähigkeit16 kJ / m2(ISO 179/1A)
Zugelastizitätsmodul3,1 GPa (ISO 527-1/2)
Reißdehnung140 - 400 % (ISO 527)
Reißfestigkeit20 - 40 N / mm2
Grenzbiegespannung40 - 50 N /mm2
Elastizitätsmodul350 - 720 N / mm2
Streckspannung10 MPa (ISO 527)
chemische Beständigkeit
Schmierstoffe sowie Benzin und anderealiphatische Kohlenwasserstoffebeständig
Benzol, Xylol und andere aromatischeKohlenwasserstoffebeständig
Phenolebeständig
halogenierte Lösungsmittelbeständig
freie Halogene, außer Fluorbeständig
Ester, Ketonebeständig
Alkalilaugen, Ammoniak und Aminebeständig
organische Säuren und Mineralsäurenbeständig
Wasserstoffperoxid, Ozonund andere Oxidationsmittelbeständig
Heißwasser und Wasserdampfbeständig
UV-Strahlungbeständig
freie Alkalimetallevöllige Zersetzung/ Dehalogenierung
hochenergetische radioaktive Strahlungunbeständig

Weiterführende Literatur

(1) J. Comyn, Polymer Permeability; Ed. Capman & Hall, London (1985)

(2) David E. Ellis et al., Thermolysis of fluoropolymers as a potential source of halogenated organic acids in the environment; Nature 412, 321-324 (2001)

(3) Fragen und Antworten zu Koch- und Bratgeschirr mit Antihaftbeschichtung; Bundesinstitut für Risikobewertung, unter: www.bfr.bund.de

(4) GESTIS Stoffdatenbank; Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Unfallversicherung, unter:www.dguv.de

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Author: Golda Nolan II

Last Updated: 11/25/2022

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Name: Golda Nolan II

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