Teflon

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Hintergrund

Teflon ist der eingetragene Handelsname des äußerst nützlichen Kunststoffs Polytetrafluorethylen (PTFE). PTFE gehört zu einer Klasse von Kunststoffen, die als Fluorpolymere bekannt sind. Ein Polymer ist eine Verbindung, die durch eine chemische Reaktion gebildet wird, die Partikel zu Gruppen von sich wiederholenden großen Molekülen kombiniert. Viele übliche synthetische Fasern sind Polymere, wie Polyester und Nylon. PTFE ist die polymerisierte Form von Tetrafluorethylen. PTFE hat viele einzigartige Eigenschaften, die es in zahlreichen Anwendungen wertvoll machen. Es hat einen sehr hohen Schmelzpunkt und ist auch bei sehr niedrigen Temperaturen stabil. Es kann nur durch heißes Fluorgas oder bestimmte geschmolzene Metalle gelöst werden und ist daher äußerst korrosionsbeständig. Es ist auch sehr glatt und rutschig. Dies macht es zu einem ausgezeichneten Material für die Beschichtung von Maschinenteilen, die Hitze, Verschleiß und Reibung ausgesetzt sind, für Laborgeräte, die korrosiven Chemikalien widerstehen müssen, und als Beschichtung für Kochgeschirr und Utensilien. PTFE wird verwendet, um Stoffen, Teppichen und Wandbelägen Fleckenbeständigkeit zu verleihen und als Wetterschutz für Außenschilder. PTIZE hat eine geringe elektrische Leitfähigkeit und ist daher ein guter elektrischer Isolator. Es wird verwendet, um viele Datenkommunikationskabel zu isolieren, und ist für die Herstellung von Halbleitern unerlässlich. PTFE findet sich auch in einer Vielzahl von medizinischen Anwendungen, wie beispielsweise in Gefäßtransplantaten. Ein Glasfasergewebe mit PTFE-Beschichtung dient dem Schutz der Dächer von Flughäfen und Stadien. PTFE kann sogar in Fasern zum Weben von Socken eingearbeitet werden. Die geringe Reibung des PTFE macht die Socken außergewöhnlich glatt und schützt die Füße vor Blasen.

Verlauf

PTFE wurde 1938 zufällig von einem jungen Wissenschaftler auf der Suche nach etwas anderem entdeckt. Roy Plunkett war Chemiker bei E.I. du Pont de Nemours und Company (Du Pont). Er hatte 1936 an der Ohio State University promoviert und war 1938, als er über Teflon stolperte, erst 27 Jahre alt. Plunketts Bereich war Kältemittel. Viele Chemikalien, die vor den 1930er Jahren als Kältemittel verwendet wurden, waren gefährlich explosiv. Du Pont und General Motors hatten eine neue Art von nicht brennbarem Kältemittel entwickelt, eine Form von Freon namens Kältemittel 114. Kältemittel 114 war in einer exklusiven Vereinbarung mit der Division Frigidaire von General Motor verbunden und konnte zu dieser Zeit nicht an andere Hersteller vermarktet werden . Plunkett bemühte sich, eine andere Form von Kältemittel 114 zu entwickeln, die die Patentkontrolle von Frigidaire umgehen würde. Der technische Name für das Kältemittel 114 war Tetrafluordichlorethan. Plunkett hoffte, ein ähnliches Kältemittel durch die Reaktion von Salzsäure mit einer Verbindung namens Tetrafluorethylen oder TFE herstellen zu können. TFE selbst war eine wenig bekannte Substanz, und Plunkett entschied, dass seine erste Aufgabe darin bestand, eine große Menge dieses Gases herzustellen. Der Chemiker dachte, er könne ebensogut hundert Pfund aus dem Gas herstellen, um sicher zu sein, genug für alle seine chemischen Tests und auch für toxikologische Tests zu haben. Das Gas lagerte er in Metalldosen mit Ventilentriegelung, ähnlich den heute kommerziell verwendeten Dosen für Drucksprays wie Haarspray. Plunkett hielt die Dosen auf Trockeneis, um das TFE-Gas zu kühlen und zu verflüssigen. Bei seinem Kältemittelexperiment mussten Plunkett und sein Assistent das TFE-Gas aus den Dosen in eine beheizte Kammer ablassen. Am Morgen des 6. April 1938 stellte Plunkett fest, dass er das Benzin nicht aus der Dose bekommen konnte. Zur Verwunderung von Plunkett und seinem Assistenten hatte sich das Gas über Nacht in ein weißes, flockiges Pulver verwandelt. Das TFE hatte polymerisiert.

Die Polymerisation ist ein chemischer Prozess, bei dem sich Moleküle zu langen Ketten verbinden. Eines der bekanntesten Polymere ist Nylon, das auch von Forschern bei Du Pont entdeckt wurde. Die Polymerwissenschaft steckte in den 1930er Jahren noch in den Kinderschuhen. Plunkett glaubte, dass TFE nicht polymerisieren könne, und doch hatte es dies irgendwie getan. Er schickte die seltsamen weißen Flocken an die zentrale Forschungsabteilung von Du Pont, wo Chemikerteams das Zeug analysierten. Das polymerisierte TFE war merkwürdig inert. Es reagierte nicht mit anderen Chemikalien, widerstand elektrischen Strömen und war extrem glatt und glatt. Plunkett war in der Lage herauszufinden, wie das TFE-Gas versehentlich polymerisiert hatte, und er meldete ein Patent für die polymerisierte Substanz Polytetrafluorethylen oder PTFE an.

PTFE war anfangs teuer in der Herstellung, und sein Wert war Plunkett oder den anderen Wissenschaftlern von Du Pont nicht klar. Aber es kam im Zweiten Weltkrieg, während der Entwicklung der Atombombe, zum Einsatz. Bei der Herstellung der Bombe mussten Wissenschaftler mit großen Mengen des ätzenden und giftigen Stoffes Uranhexafluorid umgehen. Du Pont lieferte PTFE-beschichtete Dichtungen und Auskleidungen, die der extremen Korrosionswirkung von Uranhexafluorid standhalten. Du Pont verwendete während des Krieges auch PTFE zur Herstellung von Nasenkegeln bestimmter anderer Bomben. Du Pont meldete 1944 den Markennamen Teflon für seine patentierte Substanz an und arbeitete nach dem Krieg weiter an billigeren und effektiveren Herstellungstechniken. 1950 errichtete Du Pont in Parkersburg, West Virginia, sein erstes Werk zur Herstellung von Teflon. Das Unternehmen vermarktete Teflon nach Kriegsende als Beschichtung für bearbeitete Metallteile. In den 1960er Jahren begann Du Pont mit der Vermarktung von teflonbeschichtetem Kochgeschirr. Die glatte Teflon-Beschichtung widersteht sogar der Klebrigkeit von angebranntem Essen, so dass die Reinigung der Pfannen einfach war. Das Unternehmen vermarktete Teflon auch für eine Vielzahl anderer Anwendungen. In den folgenden Jahrzehnten wurden weitere verwandte Fluorpolymere entwickelt und vermarktet, von denen einige einfacher zu verarbeiten waren als PTFE. Du Pont registrierte 1985 eine weitere Variante von Teflon, Teflon AF, die in speziellen Lösungsmitteln löslich ist.

Rohstoffe

PTFE wird aus der chemischen Verbindung Tetrafluorethylen oder TFE polymerisiert. Eine Antihaftpfanne besteht aus verschiedenen Antihaftschichten. TFE wird aus Flussspat, Flusssäure und Chloroform synthetisiert. Diese Zutaten werden unter hoher Hitze kombiniert, eine Aktion, die als Pyrolose bekannt ist. TFE ist ein farbloses, geruchloses, ungiftiges Gas, das jedoch hochentzündlich ist. Es wird als Flüssigkeit bei niedriger Temperatur und Druck gelagert. Wegen des schwierigen Transports des brennbaren TFE stellen die PTFE-Hersteller auch ihr eigenes TFE vor Ort her. Der Polymerisationsprozess verwendet eine sehr geringe Menge anderer Chemikalien als Initiatoren. Es können verschiedene Initiatoren verwendet werden, einschließlich Ammoniumpersulfat oder Dibernsteinsäureperoxid. Der andere wesentliche Bestandteil des Polymerisationsverfahrens ist Wasser.

Der Herstellungsprozess
Prozess

PTFE kann auf verschiedene Weise hergestellt werden, je nach den gewünschten Eigenschaften des Endprodukts. Viele Einzelheiten des Verfahrens sind Eigentumsgeheimnisse der Hersteller. Es gibt zwei Hauptverfahren zur Herstellung von PTFE. Eine davon ist die Suspensionspolymerisation. Bei diesem Verfahren wird das TFE in Wasser polymerisiert, wodurch PTFE-Körner entstehen. Die Körner können zu formbaren Pellets weiterverarbeitet werden. Beim Dispergierverfahren entsteht als PTFE eine milchige Paste, die zu einem feinen Pulver verarbeitet werden kann. Sowohl die Paste als auch das Pulver werden in Beschichtungsanwendungen verwendet.

Herstellung des TFE

• 1 PTFE-Hersteller beginnen mit der Synthese von TFE. Die drei Bestandteile TFE, Flussspat, Flusssäure und Chloroform werden in einer chemischen Reaktionskammer kombiniert, die auf 590-900 °C (1094-1652 °F) erhitzt ist. Das resultierende Gas wird dann gekühlt und destilliert, um jegliche Verunreinigungen zu entfernen.

  Teflon kann auf einer Vielzahl von Kochgeschirr verwendet werden.

Suspensionspolymerisation

• 2 Die Reaktionskammer ist mit gereinigtem Wasser und einem Reaktionsmittel oder Initiator gefüllt, einer Chemikalie, die die Bildung des Polymers auslöst. Das flüssige TFE wird in die Reaktionskammer geleitet. Wenn das TFE auf den Initiator trifft, beginnt es zu polymerisieren. Das resultierende PTFE bildet feste Körner, die an der Wasseroberfläche schwimmen. Dabei wird die Reaktionskammer mechanisch geschüttelt. Die chemische Reaktion im Inneren der Kammer gibt Wärme ab, daher wird die Kammer durch die Zirkulation von kaltem Wasser oder einem anderen Kühlmittel in einem Mantel um ihre Außenseiten gekühlt. Die Steuerung schaltet die Zufuhr von TFE automatisch ab, wenn ein bestimmtes Gewicht in der Kammer erreicht wird. Das Wasser wird aus der Kammer abgelassen und hinterlässt ein Durcheinander aus zähem PTFE, das ein wenig wie Kokosraspeln aussieht.
• 3 Als nächstes wird das PTFE getrocknet und einer Mühle zugeführt. Die Mühle pulverisiert das PTFE mit rotierenden Messern, wodurch ein Material mit der Konsistenz von Weizenmehl entsteht. Dieses feine Pulver ist schwer zu formen. Es hat einen "schlechten Fluss", was bedeutet, dass es in automatischen Geräten nicht einfach verarbeitet werden kann. Wie ungesiebtes Weizenmehl kann es sowohl Klumpen als auch Lufteinschlüsse aufweisen. Daher wandeln die Hersteller dieses feine Pulver durch einen Prozess namens Agglomeration in größere Körnchen um. Dies kann auf verschiedene Weise erfolgen. Ein Verfahren besteht darin, das PTFE-Pulver mit einem Lösungsmittel wie Aceton zu mischen und in einer rotierenden Trommel zu trommeln. Die PTFE-Körner kleben zusammen und bilden kleine Pellets. Die Pellets werden dann in einem Ofen getrocknet.
• 4 Die PTFE-Pellets können mit einer Vielzahl von Techniken zu Teilen geformt werden. Jedoch kann PTFE in großen Mengen verkauft werden, die bereits zu sogenannten Knüppeln vorgeformt sind, bei denen es sich um Vollzylinder aus PTFE handelt. Die Knüppel können 1,5 m hoch sein. Diese können zum weiteren Formen in Platten oder kleinere Blöcke geschnitten werden. Um den Knüppel zu formen, werden PTFE-Pellets in eine zylindrische Edelstahlform gegossen. Die Form wird auf eine hydraulische Presse geladen, die so etwas wie ein großer Schrank ist, der mit einem beschwerten Stößel ausgestattet ist. Der Stößel fällt nach unten in die Form und übt Kraft auf das PTFE aus. Nach einer gewissen Zeit wird die Form aus der Presse genommen und das PTFE entformt. Es wird ruhen gelassen und dann für einen letzten Schritt, der als Sintern bezeichnet wird, in einen Ofen gegeben.
• 5 Das geformte PTFE wird mehrere Stunden im Sinterofen erhitzt, bis es allmählich eine Temperatur von etwa 680°F (360°C) erreicht. Dieser liegt über dem Schmelzpunkt von PTFE. Die PTFE-Partikel verschmelzen und das Material wird gelartig. Dann wird das PTFE allmählich abgekühlt. Der fertige Knüppel kann an Kunden versandt werden, die ihn zur weiteren Verarbeitung in kleinere Stücke schneiden oder rasieren.

Dispersionspolymerisation

• 6 Die Polymerisation von PTFE durch das Dispersionsverfahren führt entweder zu einem feinen Pulver oder einer pastösen Substanz, die für Beschichtungen und Oberflächenbehandlungen geeigneter ist. TFE wird zusammen mit der Startchemikalie in einen mit Wasser gefüllten Reaktor eingeführt. Statt wie beim Suspensionsverfahren kräftig geschüttelt zu werden, wird die Reaktionskammer nur leicht bewegt. Das PTFE formt sich zu winzigen Kügelchen. Ein Teil des Wassers wird durch Filtern oder durch Zugabe von Chemikalien entfernt, wodurch sich die PTFE-Kügelchen absetzen. Das Ergebnis ist eine milchige Substanz namens PTFE-Dispersion. Es kann als Flüssigkeit verwendet werden, insbesondere in Anwendungen wie Stoffausrüstungen. Oder es kann zu einem feinen Pulver getrocknet werden, das zum Beschichten von Metall verwendet wird.

Antihaftbeschichtetes Kochgeschirr

• 7 Eine der häufigsten und sichtbarsten Anwendungen von PTFE ist die Beschichtung von antihaftbeschichteten Töpfen und Pfannen. Die Pfanne muss aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen. Die Pfannenoberfläche muss speziell für die Aufnahme des PTFE vorbereitet werden. Zuerst wird die Pfanne mit Spülmittel gewaschen und mit Wasser gespült, um alles Fett zu entfernen. Dann wird die Pfanne in einem als Ätzen bezeichneten Prozess in ein warmes Salzsäurebad getaucht. Ätzen raut die Oberfläche des Metalls auf. Dann wird die Pfanne mit Wasser gespült und erneut in Salpetersäure getaucht. Schließlich wird es noch einmal mit entionisiertem Wasser gewaschen und gründlich getrocknet.
• 8 Nun ist die Pfanne bereit zum Beschichten mit PTFE-Dispersion. Die flüssige Beschichtung kann aufgesprüht oder aufgewalzt werden. Die Beschichtung wird in der Regel in mehreren Schichten aufgetragen und kann mit einer Grundierung beginnen. Die genaue Zusammensetzung des Primers ist ein Eigentumsgeheimnis der Hersteller. Nach dem Auftragen der Grundierung wird die Pfanne einige Minuten getrocknet, normalerweise in einem Umluftofen. Dann werden die nächsten zwei Schichten aufgetragen, ohne zwischenzeitliche Trockenzeit. Nachdem die gesamte Beschichtung aufgetragen wurde, wird die Pfanne in einem Ofen getrocknet und dann gesintert. Sintern ist das langsame Erhitzen, das auch zum Fertigstellen des Knüppels verwendet wird. Typischerweise hat der Ofen also zwei Zonen. In der ersten Zone wird die Pfanne langsam auf eine Temperatur erhitzt, bei der das Wasser in der Beschichtung verdampft. Nachdem das Wasser verdampft ist, bewegt sich die Pfanne in eine heißere Zone, die die Pfanne bei etwa 800°F (425 °C) etwa fünf Minuten lang sintert. Dadurch geliert das PTFE. Dann lässt man die Pfanne abkühlen. Nach dem Abkühlen ist es bereit für die abschließenden Montageschritte sowie für die Verpackung und den Versand.

Qualitätskontrolle

Qualitätskontrollen finden sowohl in der primären PTFE-Produktionsstätte als auch in Werken statt, in denen weitere Verarbeitungsschritte, wie beispielsweise Beschichtungen, durchgeführt werden. In der primären Produktionsstätte werden industrielle Standardverfahren befolgt, um die Reinheit der Inhaltsstoffe, die Genauigkeit der Temperaturen usw. zu bestimmen. Die Endprodukte werden auf Übereinstimmung mit den Standards getestet. Für Dispersions-PTFE bedeutet dies, dass die Viskosität und das spezifische Gewicht der Dispersion getestet werden. Es können auch andere Tests durchgeführt werden. Da Teflon ein geschütztes Produkt ist, müssen Hersteller, die den Markennamen für Teile oder Produkte aus Teflon-PTFE verwenden möchten, die von Du Pont festgelegten Qualitätskontrollrichtlinien befolgen. Im Fall von Antihaft-Kochgeschirrherstellern zum Beispiel halten sich die Kochgeschirrhersteller an das Qualitätszertifizierungsprogramm von Du Pont, das vorsieht, dass sie die Dicke der PTFE-Beschichtung und die Einbrenntemperatur überwachen und während jeder Schicht mehrmals Haftprüfungen durchführen.

Nebenprodukte/Abfälle

Obwohl PTFE selbst ungiftig ist, produziert seine Herstellung giftige Nebenprodukte. Dazu gehören Flusssäure und Kohlendioxid. Die Arbeitsräume müssen ausreichend belüftet werden, um eine Exposition gegenüber Gasen während des Erhitzens von PTFE oder beim Abkühlen nach dem Sintern zu vermeiden. Ärzte haben eine spezielle Krankheit namens Polymerdampffieber dokumentiert, an der Arbeiter leiden, die die gasförmigen Nebenprodukte der PTFE-Herstellung eingeatmet haben. Auch beim Bearbeiten von PTFE-Teilen müssen Arbeiter vor dem Einatmen von PTFE-Staub geschützt werden.

Einige Abfälle, die während des Herstellungsprozesses anfallen, können wiederverwendet werden. Da PTFE anfangs sehr teuer in der Herstellung war, hatten die Hersteller einen hohen Anreiz, Wege zur Verwendung von Schrott zu finden. Abfälle oder Ablagerungen, die im Herstellungsprozess anfallen, können gereinigt und zu feinem Pulver verarbeitet werden. Dieses Pulver kann zum Formen oder als Zusatz zu bestimmten Schmiermitteln, Ölen und Tinten verwendet werden.

Gebrauchte PTFE-Teile sollten auf Deponien vergraben und nicht verbrannt werden, da beim Verbrennen bei hohen Temperaturen Chlorwasserstoff und andere giftige Substanzen freigesetzt werden. Eine 2001 veröffentlichte Studie behauptete, dass PTFE auch in der Umwelt zu einer für Pflanzen giftigen Substanz abgebaut wird. Dies ist Trifluoracetat oder TFA. Obwohl die TFA-Werte in der Umwelt derzeit niedrig sind, bleibt die Substanz lange bestehen. Die TFA-Verschmutzung ist daher möglicherweise ein Problem für die Zukunft.

Weitere Informationen

Bücher

Ebnesajjad, Sina. Fluorkunststoffe. Norwich, NY:Plastics Design Library, 2000.

Zeitschriften

Friedel, Robert und Alan Pilon. "Der zufällige Erfinder." Entdecken (Oktober 1996):58.

Gorman, J. "Die Umwelt bleibt mit Antihaftbeschichtungen hängen." Wissenschaftsnachrichten (21. Juli 2001):36.

Angela Woodward