Politetrafluoroetylen

Wszystkie homopolimery fluoroalkenów są ciałami krystalicznymi: politetrafluoroetylen (PTFE), politrifluorochloroetylen (PTFCE), polifluorek winylu (PFV). Najważniejszy z nich to politetrafluoroetylen. Występuje pod różnymi nazwami handlowymi (w zależności od producenta): Teflon [1], Polyflon [2], Fluon [3], Algoflon [4]. W Polsce jest produkowany pod nazwą Tarflen [5].
Często spotykana nazwa Teflon jest zastrzeżona przez przedsiębiorstwo DuPont, które wykorzystuje tą nazwę nie tylko do PTFE, ale również do kopolimerów, w których występuje mer \( -(CF_2-CF_2)- \) [1].

Politetrafluoroetylen (PTFE) jest prostołańcuchowym polimerem tetrafluoroetylenu o ogólnym wzorze:

Struktura łańcuchów PTFE jest całkowicie liniowa. Jego łańcuchy są sztywniejsze niż łańcuchy polietylenu, ponieważ atomy fluoru są większe niż atomy wodoru. Łańcuch ma strukturę zygzakowatą ze spiralnym skrętem wzdłuż osi łańcucha. Specyficzne cechy budowy łańcucha i duża jego masa cząsteczkowa odzwierciedlają się w niezwykle dużej stabilności i odporności termicznej. Charakteryzuje się wysoką temperaturę topnienia \( T_t=327^{\circ} C \), bardzo wysoką lepkością stopu i bardzo szerokim zakresem temperatury użytkowania od \( -200^{\circ} C \) do \( 260^{\circ} C \). PTFE wykazuje niską stałą dielektryczną niezmienną w szerokim zakresie temperatur ( \( 40^{\circ} C \) do \( 250^{\circ} C \)) i częstotliwości (od 5 Hz do 10 GHz) [6], [7].

Duża energia wiązania \( C – F \) (najsilniejszego spośród wszystkich znanych w chemii organicznej wiązań C – inny pierwiastek) powoduje, że jest on odporny na działanie substancji chemicznych, odporny na gorący dymiący kwas azotowy (V), nie reaguje z gorącym, żrącym gazowym chlorem ani z kwasem fluorowodorowym. Jedyne substancje z którymi reaguje to stopione metale alkaliczne, trifluorek chloru i gazowy fluor w podwyższonym ciśnieniu i temperaturze [6], [7]. Charakteryzuje się bardzo niską energią powierzchniową, co odzwierciedla się w małej zwilżalności, adhezji i współczynniku tarcia. PTFE ma najmniejszą względną przenikalność elektryczną oraz współczynnik strat dielektrycznych.
Jest najbardziej ognioodpornym ze wszystkich znanych polimerów, spala się tylko w czystym tlenie [7].
Wysoka lepkość stopionego PTFE wyklucza przetwarzanie go metodami typowymi dla termoplastów. Przetwarza się go metodami stosowanymi w metalurgii proszków, które w pierwszym etapie polegają na formowaniu kształtki wstępnej na zimno a następnie spiekaniu w temp. \( 365-385^{\circ} C \). Obróbka PTFE polega na cięciu, wierceniu, toczeniu, szlifowaniu itp. [8].
Polimer ten charakteryzuje się bardzo dobrą odpornością na starzenie. Jest obojętny fizjologicznie, nietoksyczny i odporny na działanie mikroorganizmów i grzybów. Z powodu względnie słabych właściwości mechanicznych (podatność na pełzanie lub rozrywanie nawet pod niewielkim obciążeniem), do celów konstrukcyjnych jest modyfikowany różnymi dodatkami, jak: węgiel, grafit, włókno szklane, brąz, stal, itp.

Zastosowanie PTFE
PTFE w czystej postaci ma kolor biały i stosuje się do produkcji [1], [7], [8]:

• elementów pracujących ślizgowo, pod małym obciążeniem mechanicznym, np. do wszelkiego rodzaju uszczelek oraz elementów zaworów;
• aparatury laboratoryjnej (chemicznej);
• izolatorów, taśm izolacyjnych;
• do laminowania i powlekania tkanin (np. tkanina GoreTex);
• węży do różnych płynów;
• do produkcji smarów.

Politetrafluoroetylen modyfikowany

PTFE + węgiel

Politetrafluoroetylen wzbogacony węglem ( \( 25\% \)) ma kolor czarny. Dodatek węgla poprawia właściwości tworzywa takie jak:

• niska rozszerzalność cieplna i dobre przewodnictwo cieplne;
• dobra odporność na nacisk i zużycie;
• zachowuje lepsze właściwości mechaniczne w wyższych temperaturach;
• posiada znakomite własności antystatyczne.

Jest wykorzystywany do profili ślizgowych, gdzie dochodzi do powstawania ładunków elektrycznych, do produkcji łożysk, pierścieni tłokowych i uszczelek [9], [10], [11], [12].

PTFE + grafit

Dodatek grafitu powoduje:

• dobre właściwości samosmarujące;
• niski współczynnik tarcia;
• lepszą przewodność elektryczną i cieplną;
• mniejszą odporność chemiczną w środowisku utleniającym.

Tworzywo stosuje się do produkcji folii ślizgowych, oraz tam gdzie są wymagane właściwości samosmarujące [9], [10], [11].

PTFE + stal

Politetrafluoroetylen wzbogacony cząsteczkami stali (zwykle stal 316) wyróżnia się:

• dobrymi właściwościami mechanicznymi w wysokich temperaturach
• wysoką przewodnością cieplną
• bardzo dobrą odpornością na ścieranie

Tworzywo stosuje się tam gdzie występuje zużycie ścierne na przeciwległych powierzchniach [11].

PTFE + włókno szklane (GF)

PTFE z dodatkiem włókien szklanych ( \( 25\% \)) cechuje się:

• dobrą odpornością na ścieranie;
• dobrą wytrzymałością na ściskanie;
• gorszymi właściwościami ślizgowo-ciernymi.

Materiał ten jest stosowany w gniazdach zaworowych oraz jako taśmy w przenośnikach taśmowych [10], [11], [13], [14].

PTFE + brąz
Dodatek cząstek brązu ( \( 60\% \)) do PTFE wpływa na:

• polepszenie właściwości mechanicznych w wysokich temperaturach;
• polepszenie przewodności cieplnej;
• polepszenie odporności na ścieranie;
• przewodnictwo prądu elektrycznego;
• niewielkie pełzanie.

Tworzywo ma zastosowanie do produkcji łożysk, uszczelek i pierścieni tłokowych pracujących w wysokich temperaturach i pod wysokim ciśnieniem [9], [10], [11], [12].