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PTFE (Polytetrafluorethylen) allgemeine Informationen
(Quelle: Wikipedia)
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. Es gehört zu den Thermoplasten, obwohl es auch Eigenschaften aufweist, die eine eher für duroplastische Kunststoffe typische Verarbeitung bedingen.
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 eines Morgens statt Gas nur noch weiße Krümel in der Flasche fand. Das Gas hatte sich 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. Über fünf Jahre schien eine technische Nutzung der Entdeckung unmöglich, da die Herstellkosten zu hoch waren und keine Anwendung für das so inerte Material gesehen wurde. Im Jahre 1943 standen jedoch die Macher des Manhattan-Projektes vor einem unlösbaren Problem. Sie mussten mit dem extrem korrosiven Uranhexafluorid umgehen und fanden kein geeignetes Behältermaterial. Da entsann man sich des PTFE und es fand erstmals technische Verwendung als Korrosionsschutz beim Atombombenbau. Später beschichtete der französische Chemiker Marc Grégoire seine Angelschnur mit PTFE, 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 Tetrafluorethylen 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 Reaktion stark exotherm ist und sich die Monomereinheiten bei hohen Temperaturen leicht explosiv zersetzen, wird die Polymerisation in Suspension durchgeführt.
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, Shore-Härte D 55 bis 60 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 reaktionsfähige 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 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. Aber auch bei Brillengläsern wird Teflon als Beschichtung eingesetzt, um diese einfacher zu reinigen und kratzunempfindlicher zu machen. 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. Bei Computermäusen werden die "Mausfüßchen" ebenfalls aus PTFE hergestellt. Dies soll den Reibungswiderstand der Maus herabsetzen und somit eine komfortablere Führung gestatten.
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. Die verbreitete Meinung, die Benutzung beschädigter Teflonpfannen und -töpfe wäre gesundheitsschädlich, ist falsch.
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.
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