Polytetrafluorethylen (Kurzzeichen PTFE, gelegentlich auch Polytetrafluorethen) ist ein unverzweigtes, linear aufgebautes, teilkristallines Polymer aus Fluor und Kohlenstoff, ein Fluorpolymer. Umgangssprachlich wird dieser Kunststoff oft mit dem Handelsnamen Teflon der Firma DuPont bezeichnet. Weitere häufig verwendete Handelsnamen anderer Hersteller von PTFE sind Dyneon PTFE (ehemals Hostaflon) und Gore-Tex für PTFE-Membranen.
PTFE gehört zur Klasse der Polyhalogenolefine, zu der auch PCTFE (Polychlortrifluorethylen) gehört. Es gehört zu den Thermoplasten, obwohl es auch Eigenschaften aufweist, die eine eher für duroplastische Kunststoffe typische Verarbeitung bedingen.
Geschichte miniatur|links|PTFE wird aufgrund seiner geringen Oberflächenenergie und guten Hitzebeständigkeit als Antihaftbeschichtung von Bratpfannen und Kochtöpfen verwendet.
PTFE wurde 1938 vom Chemiker Roy Plunkett entdeckt. Als Plunkett auf der Suche nach Kältemitteln für Kühlschränke mit Tetrafluorethylen (TFE) experimentierte, entdeckte er in seinem Reaktionsgefäß „farblose Krümel“: Tetrafluorethylen war zu PTFE polymerisiert. Der noch heute gebräuchliche Herstellungsablauf heißt nach seinem Entdecker Plunkett-Verfahren; dabei wird die Polymerisation bei hohem Druck mit Peroxiden gestartet. Er erhielt am 4. Februar 1941 das am 1. Juli 1939 beantragte US-Patent auf PTFE mit der Veröffentlichungsnummer US2230654 A.
Zunächst war eine technische Nutzung von PTFE nicht gegeben, da die Herstellungskosten zu hoch waren und keine Anwendung für das hoch inerte Material gesehen wurde. Im Jahre 1943 standen Forscher im Manhattan-Projekt vor dem Problem, dass sie mit extrem korrosivem Uranhexafluorid umgehen mussten. PTFE fand dabei erstmals technische Verwendung als Korrosionsschutz bei der Uran-Anreicherung. Später beschichtete der französische Chemiker Marc Grégoire seine Angelschnur mit PTFE, um sie leichter entwirren zu können. Seine Ehefrau Colette Grégoire kam auf die Idee, Töpfe und Pfannen zu beschichten, wofür sie 1954 zusammen mit Georgette Wamant ein Patent erhielt.Espacenet-Recherche: Method for coating containers and other articles and coated articles produced thereby. FR1137972.
Herstellung PTFE wird aus Chloroform CHCl3 durch partielle Fluoridierung hergestellt, wobei zunächst Chlordifluormethan CHClF2 und Tetrafluorethylen C2F4 erzeugt werden. Als Katalysator fungiert hierbei Antimon(V)-chloridfluorid (SbCl4F).
CHCl3 + 2HF -> CHClF2 + 2 HCl
2CHClF2 -> C2F4 + 2HCl
Tetrafluorethylen 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. Zudem bedingt die Instabilität des Monomers eine räumliche Nähe der Produktion von Polymer und Monomer, da ein Transport des Monomers wegen der Explosionsgefahr nur sehr eingeschränkt möglich ist.
Eigenschaften miniatur|Mechanische Stabilisierung von Fluorkunststoffen
Die CF2-Einheiten in PTFE sind helikal angeordnet (im Unterschied zu Polyethylen, das eine Zickzack-Anordnung aufweist). PTFE-Ketten sind aufgrund ihrer Dipol-Dipol-Wechselwirkungen hexagonal angeordnet, was den hohen Schmelzpunkt von 327 °C erklärt.
PTFE zeichnet sich durch mehrere Besonderheiten aus: PTFE ist sehr reaktionsträge. Selbst aggressive Säuren wie Königswasser können PTFE nicht angreifen. Der Grund liegt zum einen 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. Weiterhin ist PTFE durch die kompakte Hülle aus Fluoratomen, die den Kohlenstoffstrang im Inneren schützt, kinetisch gehemmt. Feines PTFE-Pulver dagegen wird z. B. als Oxidationsmittel für Metallpulver in Waffenanwendungen benutzt. Es ist äußerst beständig gegen alle Basen, Alkohole, Ketone, Benzine, Öle usw.; unbeständig ist es nur gegen sehr starke Reduktionsmittel wie Lösungen von Alkalimetallen (z. B. Natrium) in flüssigem Ammoniak oder gegen sehr starke Oxidationsmittel wie elementares Fluor bei höheren Temperaturen; Einsatztemperatur bis 260 °C (bei Temperaturen über 400 °C werden hochtoxische Pyrolyseprodukte wie z. B. Fluorphosgen (COF2) freigesetzt, die zu Teflonfieber führen können); frostbeständig bis −270 °C; nur nach Vorbehandlung klebbar; Schweißen möglich, aber nicht üblich; leicht wachsartige Oberfläche (nicht so ausgeprägt wie bei PE); physiologisch unbedenklich. 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 Ruck stattfindet. Es existieren nahezu keine Materialien, die an PTFE haften bleiben, da die Oberflächenenergie extrem niedrig ist. PTFE ist schwierig zu benetzen und kaum zu verkleben. Der Kontaktwinkel mit Wasser beträgt 126°. Durch Dehnung verliert PTFE diese Eigenschaft bedingt durch molekulare Disaggregation, so dass ein solches PTFE-Band an anderen Oberflächen haftet. Dichte: 2,1–2,3 g·cm−3, Shore-Härte D 50 bis 72, Kugeldruckhärte: 23–32 N/mm2, Reißfestigkeit: 22–40 N/mm2Elringklinger-Kunststoff: , abgerufen am 2. April 2013. Hohe Wärmeausdehnung (α im Bereich 20–100 °C: ≈20·10−5 K−1), Phasenumwandlung von triklinem zu hexagonalem Kristallgitter bei 19 °C mit Volumenänderung.Elringklinger-Kunststoff: , abgerufen am 2. April 2013. Brennprobe: Nicht brennbar; in heißer Flamme findet bei Rotglut Zersetzung statt; dabei Geruch nach Salz- und Fluorwasserstoffsäure. Es gibt auch Quellen, die belegen, dass Trifluoressigsäure entsteht, die der Mensch ausscheiden kann, nicht aber die Pflanzenwelt.David A. Ellis, Scott A. Mabury, Jonathan W. Martin, Derek C. G. Muir: Thermolysis of fluoropolymers as a potential source of halogenated organic acids in the environment. In: Nature. 412, 321–324, . Die entstehenden Dämpfe sind giftig, führen beim Menschen zum Polymerfieber.W. Temple, I. Edwards, S. Bell: „Poly“ fume fever – two fatal cases. In: New Zealand Veterinary Journal. 33(3), 1985, PMID 16031138. Brechungsindex: PTFE weist mit etwa 1,38 einen sehr niedrigen Brechungsindex auf. Spezifische Wärmekapazität: 0,96 J/(g·K). Wärmeleitfähigkeit: 0,25 W/(K·m). Permittivität: 2,1 (D150 bei 103 Hz), Dielektrischer Verlustfaktor: 0,3·10−4 bei 103 Hz, Spezifischer Widerstand: 1018 Ω·cm.
Es werden auch PTFE-Compounds hergestellt, welche mit Füllstoffen wie Glas, Kohle, Graphit, Molybdändisulfid, Bronze, organischen Füllstoffen oder Edelstahl versehen sind. Durch das Compoundieren können verschiedene Eigenschaften verändert werden. (PDF; 531 kB), auf hoefert.de, abgerufen am 19. März 2017.
Anwendungen mini|PTFE-Band nach DIN EN 751-3 für metallene Gewindeverbindungen
Wegen seiner chemischen Trägheit wird PTFE als Beschichtung dort eingesetzt, wo aggressive Chemikalien vorkommen. Als erste bedeutende Anwendung gilt die Aufbereitung von Uran für die ersten Atombomben (Manhattan-Projekt), wo das sehr reaktionsfähige Uranhexafluorid nur in PTFE-beschichteten Gefäßen aufbewahrt werden konnte.
Die vielfältigen und relativ einfachen Möglichkeiten der Compoundierung ermöglichen spezielle Mischungen für zahlreiche Anwendungen. Im Bereich der Dichtungstechnik wird PTFE als Basiscompound in vielen Anwendungen eingesetzt, insbesondere als: Wellendichtring Nutring Faltenbalg Dichtungsband für Schraubverbindungen, besonders im Sanitärbereich
Industrie und Technik PTFE wird im Chemieanlagenbau als Auskleidungswerkstoff für Kompensatoren, Rohrleitungen und Kolonnen eingesetzt. Die gängigste Verarbeitungsform bei der Auskleidung ist die isostatische Vorgehensweise. Hierbei wird PTFE unter hohem Druck an die Wände des auszukleidenden Aggregates gepresst.
Viele Anwendungen gibt es auch im industriellen Bereich als Antihaft-Beschichtung, beispielsweise in Formen bei der Kunststoffverarbeitung.
Im Bereich der Hochfrequenztechnik ist PTFE aufgrund seiner geringen Dielektrizitätskonstante und der geringen Verluste ein geeigneter Isolierstoff. In der Produktion von Hochfrequenzleiterplatten dient der Werkstoff, zum Teil verstärkt mit Glasgewebe, als dielektrisches Basismaterial.
In der Hochspannungstechnik eignet sich PTFE aufgrund der hohen Teilentladungsfestigkeit und der geringen Haftbeständigkeit von Oberflächen-Verschmutzungen als elektrischer Isolator (Einsatz in Isolatoren) sowie als Düsenmaterial in Leistungsschaltern.
Durch seine geringe Reibung ist PTFE als Trockenschmierstoff (Festschmierstoff) und als Beschichtung für Lager und Dichtungen interessant.
Auch im Baugewerbe wird das schwer entzündliche PTFE eingesetzt, um Dächer oder Fassaden vor Wettereinflüssen zu schützen.3m: Neue Formensprache in der Architektur – Fluorpolymere schützen Dachgewebe. In: GAK 10/2011, S. 602–604. Im Architekturbereich wird Glasfasergewebe mit PTFE beschichtet, um witterungs- und UV-beständige Membranen zu erhalten. In der späteren Verarbeitung wird hauptsächlich Schweißen angewendet, da ein Vernähen aufgrund der geringen Reibung der Fasern problematisch ist. Inzwischen gibt es auch komplett aus PTFE hergestellte Gewebe. Diese haben den Vorteil der leichteren Handhabbarkeit und der geringeren Knickgefährdung. PTFE wird auch im Brückenlagerbau als Gleitwerkstoff eingesetzt.
Im Liegeradbau wird PTFE für Kettenleitrohre eingesetzt.
Medizinische Anwendungen In der Medizin wird PTFE unter anderem für Implantate wie beispielsweise Gefäßprothesen verwendet. Zum einen sorgt seine chemische Beständigkeit für eine lange Lebensdauer und gute Verträglichkeit, zum anderen verringert die glatte Oberfläche die Entstehung von Blutgerinnseln.
In der Herzchirurgie, speziell zur Mitralklappen-Reparatur, werden vorgefertigte Loops aus PTFE-Nahtmaterial, sogenannte „neochordae“, aufgrund der mechanischen Eigenschaften routinemäßig eingesetzt. Das Material gewährleistet eine hohe Widerstandsfähigkeit bei wiederholter Zugbelastung für diese Op-Verfahren.
In der Zahnmedizin wird PTFE als Barrieremembran zum Knochenaufbau verwendet. Das Verfahren ist als Guided Bone Regeneration (GBR) – Gesteuerte Geweberegeneration – bekannt.P. Coulthard, M. Esposito u. a.: Interventions for replacing missing teeth: bone augmentation techniques for dental implant treatment. In: Cochrane database of systematic reviews (Online). Nummer 3, 2003, S. CD003607. . PMID 12917975. Beim Verfahren der GBR wird der Raum, der mit Knochen aufgefüllt werden soll, zusätzlich mit einer Membran umgeben. Diese hat die Aufgabe, ein zu schnelles Wachstum der umliegenden Zellen des umliegenden Weichgewebes in den Hohlraum zu verhindern, da sich dieses schneller bildet als Knochen.
Aufgrund dieser Verträglichkeit findet es auch immer mehr Anwendung als Piercing-Schmuck; dabei sollte hier darauf geachtet werden, dass der betreffende 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 bei Verwendung von Titan. Wegen seiner extrem hohen Wärmebeständigkeit kann PTFE im Gegensatz zu anderen Kunststoffen im Autoklaven bei 130 °C dampfsterilisiert werden. Weiterhin gibt es Implantate für das Gesicht aus PTFE, die in der Plastischen Chirurgie Verwendung finden.
Antihaft-Beschichtungen bei Konsumgütern