Teflon

Achtergrond

Teflon is de geregistreerde handelsnaam van de zeer bruikbare kunststof polytetrafluorethyleen (PTFE). PTFE behoort tot een klasse van kunststoffen die bekend staat als fluorpolymeren. Een polymeer is een verbinding die wordt gevormd door een chemische reactie die deeltjes combineert tot groepen zich herhalende grote moleculen. Veel voorkomende synthetische vezels zijn polymeren, zoals polyester en nylon. PTFE is de gepolymeriseerde vorm van tetrafluorethyleen. PTFE heeft veel unieke eigenschappen, waardoor het waardevol is in tal van toepassingen. Het heeft een zeer hoog smeltpunt en is ook stabiel bij zeer lage temperaturen. Het kan alleen worden opgelost door heet fluorgas of bepaalde gesmolten metalen, dus het is extreem goed bestand tegen corrosie. Het is ook erg glad en glad. Dit maakt het een uitstekend materiaal voor het coaten van machineonderdelen die onderhevig zijn aan hitte, slijtage en wrijving, voor laboratoriumapparatuur die corrosieve chemicaliën moet weerstaan, en als coating voor kookgerei en keukengerei. PTFE wordt gebruikt om stoffen, tapijten en wandbekleding vlekbestendig te maken en om buitenborden weerbestendig te maken. PTIZE heeft een lage elektrische geleidbaarheid, dus het is een goede elektrische isolator. Het wordt gebruikt om veel datacommunicatiekabels te isoleren en is essentieel voor de productie van halfgeleiders. PTFE wordt ook aangetroffen in een verscheidenheid aan medische toepassingen, zoals in vaattransplantaten. Een glasvezeldoek met PTFE-coating dient ter bescherming van de daken van luchthavens en stadions. PTFE kan zelfs worden verwerkt in vezels voor het weven van sokken. De lage wrijving van de PTFE maakt de sokken uitzonderlijk glad en beschermt de voeten tegen blaren.

Geschiedenis

PTFE werd in 1938 bij toeval ontdekt door een jonge wetenschapper die op zoek was naar iets anders. Roy Plunkett was een chemicus voor E.I. du Pont de Nemours and Company (Du Pont). Hij was in 1936 gepromoveerd aan de Ohio State University en toen hij in 1938 Teflon ontdekte, was hij nog maar 27 jaar oud. Het gebied van Plunkett was koelmiddelen. Veel chemicaliën die vóór de jaren dertig als koelmiddel werden gebruikt, waren gevaarlijk explosief. Du Pont en General Motors hadden een nieuw type niet-ontvlambaar koelmiddel ontwikkeld, een vorm van freon genaamd koelmiddel 114. Koelmiddel 114 was vastgelegd in een exclusieve overeenkomst met de Frigidaire-divisie van General Motor en kon op dat moment niet worden verkocht aan andere fabrikanten . Plunkett probeerde met een andere vorm van koelmiddel 114 te komen die de patentcontrole van Frigidaire zou omzeilen. De technische naam voor koelmiddel 114 was tetrafluordichloorethaan. Plunkett hoopte een soortgelijk koelmiddel te maken door zoutzuur te laten reageren met een verbinding genaamd tetrafluorethyleen of TFE. TFE zelf was een weinig bekende stof en Plunkett besloot dat zijn eerste taak was om een ​​grote hoeveelheid van dit gas te maken. De scheikundige dacht dat hij net zo goed honderd pond van het gas kon maken, om zeker te zijn dat hij genoeg had voor al zijn chemische tests en ook voor toxicologische tests. Hij bewaarde het gas in metalen blikken met een ontgrendelingsklep, net zoals de blikken die tegenwoordig commercieel worden gebruikt voor onder druk staande sprays zoals haarlak. Plunkett bewaarde de blikken op droogijs om het TFE-gas af te koelen en vloeibaar te maken. Voor zijn koelmiddelexperiment moesten Plunkett en zijn assistent het TFE-gas uit de blikken in een verwarmde kamer laten ontsnappen. Op de ochtend van 6 april 1938 ontdekte Plunkett dat hij het gas niet uit het blikje kon krijgen. Tot verbazing van Plunkett en zijn assistent was het gas 's nachts veranderd in een wit, schilferig poeder. Het TFE was gepolymeriseerd.

Polymerisatie is een chemisch proces waarbij moleculen worden gecombineerd tot lange strengen. Een van de bekendste polymeren is nylon, dat ook werd ontdekt door onderzoekers van Du Pont. De polymeerwetenschap stond in de jaren dertig nog in de kinderschoenen. Plunkett geloofde dat TFE niet kon polymeriseren, en toch had het dat op de een of andere manier gedaan. Hij stuurde de vreemde witte vlokken naar de centrale onderzoeksafdeling van Du Pont, waar teams van chemici het spul analyseerden. Het gepolymeriseerde TFE was merkwaardig inert. Het reageerde niet met andere chemicaliën, het weerstond elektrische stromen en het was extreem glad en glad. Plunkett was in staat om erachter te komen hoe het TFE-gas per ongeluk was gepolymeriseerd, en hij nam een ​​patent aan voor de gepolymeriseerde stof, polytetrafluorethyleen of PTFE.

PTFE was aanvankelijk duur om te produceren en de waarde ervan was niet duidelijk voor Plunkett of de andere wetenschappers van Du Pont. Maar het kwam in gebruik in de Tweede Wereldoorlog, tijdens de ontwikkeling van de atoombom. Voor het maken van de bom moesten wetenschappers omgaan met grote hoeveelheden van de bijtende en giftige stof uraniumhexafluoride. Du Pont leverde PTFE-gecoate pakkingen en voeringen die bestand waren tegen de extreem corrosieve werking van uraniumhexafluoride. Du Pont gebruikte tijdens de oorlog ook PTFE voor het maken van neuskegels van bepaalde andere bommen. Du Pont registreerde in 1944 de merknaam Teflon voor zijn gepatenteerde stof en bleef na de oorlog werken aan goedkopere en effectievere productietechnieken. Du Pont bouwde in 1950 zijn eerste fabriek voor de productie van teflon in Parkersburg, West Virginia. Het bedrijf bracht na het einde van de oorlog teflon op de markt als coating voor machinaal bewerkte metalen onderdelen. In de jaren zestig begon Du Pont kookgerei op de markt te brengen dat was bedekt met teflon. De gladde Teflon-coating was bestand tegen de plakkerigheid van zelfs verschroeid voedsel, dus het schoonmaken van de pannen was eenvoudig. Het bedrijf bracht Teflon ook op de markt voor verschillende andere toepassingen. Andere verwante fluorpolymeren werden in de daaropvolgende decennia ontwikkeld en op de markt gebracht, waarvan sommige gemakkelijker te verwerken waren dan PTFE. Du Pont registreerde in 1985 een andere variant van Teflon, Teflon AF, die oplosbaar is in speciale oplosmiddelen.

Grondstoffen

PTFE wordt gepolymeriseerd uit de chemische verbinding tetrafluorethyleen of TFE. Een pan met antiaanbaklaag bestaat uit verschillende antiaanbaklagen. TFE wordt gesynthetiseerd uit vloeispaat, fluorwaterstofzuur en chloroform. Deze ingrediënten worden gecombineerd onder hoog vuur, een actie die bekend staat als pyrolose. TFE is een kleurloos, geurloos, niet-toxisch gas dat echter uiterst ontvlambaar is. Het wordt opgeslagen als een vloeistof, bij lage temperatuur en druk. Vanwege de moeilijkheid om de ontvlambare TFE te transporteren, vervaardigen PTFE-fabrikanten ook hun eigen TFE ter plaatse. Het polymerisatieproces gebruikt een zeer kleine hoeveelheid andere chemicaliën als initiatoren. Er kunnen verschillende initiatoren worden gebruikt, waaronder ammoniumpersulfaat of dibarnsteenzuurperoxide. Het andere essentiële ingrediënt van het polymerisatieproces is water.

Het fabricageproces

PTFE kan op een aantal manieren worden geproduceerd, afhankelijk van de specifieke eigenschappen die gewenst zijn voor het eindproduct. Veel details van het proces zijn eigendomsgeheimen van de fabrikanten. Er zijn twee hoofdmethoden om PTFE te produceren. Een daarvan is suspensiepolymerisatie. Bij deze methode wordt de TFE gepolymeriseerd in water, wat resulteert in korrels van PTFE. De korrels kunnen verder worden verwerkt tot korrels die kunnen worden gevormd. Bij de dispersiemethode is het resulterende PTFE een melkachtige pasta die kan worden verwerkt tot een fijn poeder. Zowel de pasta als het poeder worden gebruikt in coatingtoepassingen.

De TFE maken

• 1 Fabrikanten van PTFE beginnen met het synthetiseren van TFE. De drie ingrediënten van TFE, vloeispaat, fluorwaterstofzuur en chloroform worden gecombineerd in een chemische reactiekamer die wordt verwarmd tot tussen 1094-1652 ° F (590-900 ° C). Het resulterende gas wordt vervolgens afgekoeld en gedestilleerd om eventuele onzuiverheden te verwijderen.

  Teflon kan worden gebruikt op een breed scala aan kookgerei.

Suspensiepolymerisatie

• 2 De reactiekamer is gevuld met gezuiverd water en een reactiemiddel of initiator, een chemische stof die de vorming van het polymeer in gang zet. De vloeibare TFE wordt in de reactiekamer geleid. Als de TFE de initiator ontmoet, begint deze te polymeriseren. Het resulterende PTFE vormt vaste korrels die naar het wateroppervlak drijven. Terwijl dit gebeurt, wordt de reactiekamer mechanisch geschud. De chemische reactie in de kamer geeft warmte af, dus de kamer wordt gekoeld door de circulatie van koud water of een ander koelmiddel in een mantel rond de buitenkant. Regelaars sluiten automatisch de toevoer van TFE af nadat een bepaald gewicht in de kamer is bereikt. Het water wordt uit de kamer afgevoerd, waardoor een puinhoop van vezelig PTFE achterblijft dat enigszins lijkt op geraspte kokosnoot.
• 3 Vervolgens wordt het PTFE gedroogd en in een molen gevoerd. De molen verpulvert het PTFE met roterende messen, waardoor een materiaal ontstaat met de consistentie van tarwebloem. Dit fijne poeder is moeilijk te vormen. Het heeft een "slechte doorstroming", wat betekent dat het niet gemakkelijk kan worden verwerkt in automatische apparatuur. Net als ongezeefd tarwemeel kan het zowel klontjes als luchtbellen bevatten. Dus fabrikanten zetten dit fijne poeder om in grotere korrels door een proces dat agglomeratie wordt genoemd. Dit kan op verschillende manieren. Een methode is om het PTFE-poeder te mengen met een oplosmiddel zoals aceton en het in een roterende trommel te tuimelen. De PTFE-korrels plakken aan elkaar en vormen kleine korrels. De korrels worden vervolgens gedroogd in een oven.
• 4 De PTFE-pellets kunnen met verschillende technieken tot onderdelen worden gegoten. PTFE mag echter worden verkocht in bulk die al is voorgevormd tot zogenaamde knuppels, dit zijn massieve cilinders van PTFE. De knuppels kunnen 5 voet (1,5 m) lang zijn. Deze kunnen in vellen of kleinere blokken worden gesneden voor verdere vormgeving. Om de knuppel te vormen, worden PTFE-pellets in een cilindrische roestvrijstalen mal gegoten. De mal wordt op een hydraulische pers geladen, die zoiets is als een grote kast die is uitgerust met een verzwaarde ram. De ram valt naar beneden in de mal en oefent kracht uit op het PTFE. Na een bepaalde tijd wordt de mal uit de pers gehaald en wordt het PTFE uit de mal gehaald. Het mag rusten en vervolgens in een oven worden geplaatst voor een laatste stap die sinteren wordt genoemd.
• 5 Het gevormde PTFE wordt enkele uren in de sinteroven verwarmd, totdat het geleidelijk een temperatuur van ongeveer 680°F (360°C) bereikt. Dit ligt boven het smeltpunt van PTFE. De PTFE-deeltjes smelten samen en het materiaal wordt gelachtig. Vervolgens wordt het PTFE geleidelijk afgekoeld. De afgewerkte knuppel kan naar klanten worden verzonden, die deze in kleinere stukken zullen snijden of schaven voor verdere verwerking.

Dispersiepolymerisatie

• 6 Polymerisatie van PTFE door de dispersiemethode leidt tot een fijn poeder of een pasta-achtige substantie, die nuttiger is voor coatings en afwerkingen. TFE wordt samen met de initiërende chemische stof in een met water gevulde reactor gebracht. In plaats van krachtig geschud te worden, zoals bij het suspensieproces, wordt de reactiekamer slechts zachtjes geschud. De PTFE vormt zich tot kleine kralen. Een deel van het water wordt verwijderd door filtratie of door toevoeging van chemicaliën die ervoor zorgen dat de PTFE-korrels gaan bezinken. Het resultaat is een melkachtige substantie die PTFE-dispersie wordt genoemd. Het kan als vloeistof worden gebruikt, vooral in toepassingen zoals stofafwerkingen. Of het kan worden gedroogd tot een fijn poeder dat wordt gebruikt om metaal te coaten.

Kookgerei met antiaanbaklaag

• 7 Een van de meest voorkomende en zichtbare toepassingen van PTFE is coating voor potten en pannen met antiaanbaklaag. De pan moet van aluminium of een aluminiumlegering zijn. Het panoppervlak moet speciaal worden voorbereid om het PTFE te kunnen opnemen. Eerst wordt de pan gewassen met afwasmiddel en afgespoeld met water, om al het vet te verwijderen. Vervolgens wordt de pan ondergedompeld in een warm bad van zoutzuur in een proces dat etsen wordt genoemd. Door te etsen wordt het oppervlak van het metaal ruw. Daarna wordt de pan gespoeld met water en opnieuw ondergedompeld in salpeterzuur. Ten slotte wordt het opnieuw gewassen met gedeïoniseerd water en grondig gedroogd.
• 8 Nu is de pan klaar om te coaten met PTFE-dispersie. De vloeibare coating kan worden opgespoten of opgerold. De coating wordt meestal in meerdere lagen aangebracht en kan beginnen met een primer. De exacte samenstelling van de primer is een eigen geheim van de fabrikanten. Nadat de primer is aangebracht, wordt de pan enkele minuten gedroogd, meestal in een convectieoven. Daarna worden de volgende twee lagen aangebracht, zonder tussenliggende droogtijd. Nadat alle coating is aangebracht, wordt de pan gedroogd in een oven en vervolgens gesinterd. Sinteren is de langzame verhitting die ook wordt gebruikt om de knuppel af te werken. De oven heeft dus typisch twee zones. In de eerste zone wordt de pan langzaam verwarmd tot een temperatuur waarbij het water in de coating verdampt. Nadat het water is verdampt, gaat de pan naar een warmere zone, die de pan ongeveer vijf minuten bij ongeveer 800 ° F (425 ° C) sintert. Dit geleert de PTFE. Daarna mag de pan afkoelen. Na afkoeling is het klaar voor eventuele laatste montagestappen, verpakking en verzending.

Kwaliteitscontrole

Kwaliteitscontrolemaatregelen vinden zowel plaats in de primaire PTFE-productiefaciliteit als in fabrieken waar verdere verwerkingsstappen, zoals coatings, worden uitgevoerd. In de primaire productiefaciliteit worden standaard industriële procedures gevolgd om de zuiverheid van ingrediënten, nauwkeurigheid van temperaturen, enz. te bepalen. Eindproducten worden getest op conformiteit met normen. Voor dispersie PTFE betekent dit dat de viscositeit en het soortelijk gewicht van de dispersie worden getest. Er kunnen ook andere tests worden uitgevoerd. Omdat Teflon een handelsmerk is, moeten fabrikanten die de merknaam willen gebruiken voor onderdelen of producten die zijn gemaakt met Teflon PTFE, de richtlijnen voor kwaliteitscontrole van Du Pont volgen. In het geval van fabrikanten van kookgerei met antiaanbaklaag houden de kookgereimakers zich bijvoorbeeld aan het kwaliteitscertificeringsprogramma van Du Pont, dat vereist dat ze de dikte van de PTFE-coating en de baktemperatuur controleren en meerdere keren per shift hechtingstests uitvoeren.

Bijproducten/afval

Hoewel PTFE zelf niet-toxisch is, produceert de vervaardiging ervan giftige bijproducten. Deze omvatten fluorwaterstofzuur en koolstofdioxide. Werkruimten moeten voldoende worden geventileerd om blootstelling aan gassen te voorkomen terwijl PTFE wordt verwarmd of wanneer het na sinteren afkoelt. Artsen hebben een bepaalde ziekte gedocumenteerd die polymeerdampkoorts wordt genoemd en die wordt veroorzaakt door werknemers die de gasvormige bijproducten van de productie van PTFE hebben ingeademd. Werknemers moeten ook worden beschermd tegen het inademen van PTFE-stof wanneer PTFE-onderdelen worden bewerkt.

Een deel van het afval dat tijdens het productieproces ontstaat, kan worden hergebruikt. Omdat PTFE aanvankelijk erg duur was om te produceren, waren fabrikanten sterk geneigd manieren te vinden om afvalmateriaal te gebruiken. Afval of puin dat tijdens het productieproces wordt gegenereerd, kan worden gereinigd en tot fijn poeder worden verwerkt. Dit poeder kan worden gebruikt om te vormen of als toevoeging aan bepaalde smeermiddelen, oliën en inkten.

Gebruikte PTFE-onderdelen moeten op stortplaatsen worden begraven en niet worden verbrand, omdat bij verbranding bij hoge temperaturen waterstofchloride en andere giftige stoffen vrijkomen. Een in 2001 uitgebrachte studie beweerde dat PTFE ook in het milieu wordt afgebroken tot een stof die giftig is voor planten. Dit is trifluoracetaat of TFA. Hoewel de huidige niveaus van TFA in het milieu laag zijn, blijft de stof lang aanwezig. Dus TFA-vervuiling is mogelijk een zorg voor de toekomst.

Waar meer te leren

Boeken

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

Tijdschriften

Friedel, Robert en Alan Pilon. "De toevallige uitvinder." Ontdek (oktober 1996):58.

Gorman, J. "Het milieu zit vast met anti-aanbaklagen." Wetenschapsnieuws (21 juli 2001):36.

Angela Woodward