Herstellungsprozess von PTFE

Tetrafluorethylen wurde erstmals 1933 hergestellt. Die aktuellen kommerziellen Synthesen basieren auf Flussspat, Schwefelsäure und Chloroform.

Grundlegender Produktionsprozess von PTFE-Polymer:

Die Herstellung von PTFE-Polymer/-Harz erfolgt grundsätzlich in zwei Schritten.Zunächst wird TFE-Monomer im Allgemeinen durch Synthese von Calciumfluorid (Fluorspar), Schwefelsäure und Chloroform hergestellt. Später erfolgt die Polymerisation von TFE unter sorgfältig kontrollierten Bedingungen zur Bildung von PTFE.Aufgrund der stabilen und starken CF-Bindungen verfügt das PTFE-Molekül über eine hervorragende chemische Inertheit, hohe Hitzebeständigkeit und bemerkenswerte elektrische Isolationseigenschaften;zusätzlich zu hervorragenden Reibungseigenschaften.

Reinigung von TFE:

Für die Polymerisation wird reines Monomer benötigt.Wenn Verunreinigungen vorhanden sind, wirkt sich dies negativ auf das Endprodukt aus.Das Gas wird zunächst gewaschen, um etwaige Salzsäure zu entfernen, und anschließend destilliert, um andere Verunreinigungen abzutrennen.

Polymerisation von TFE:

Reines, ungehemmtes Tetrafluorethylen kann heftig polymerisieren, selbst bei Temperaturen, die zunächst unter der Raumtemperatur liegen.Ein versilberter Reaktor, zu einem Viertel gefüllt mit einer Lösung bestehend aus 0,2 Teilen Ammoniumpersulfat, 1,5 Teilen Borax und 100 Teilen Wasser und mit einem pH-Wert von 9,2.Der Reaktor war geschlossen;evakuiert und 30 Teile Monomer eingelassen. Der Reaktor wurde eine Stunde lang bei 80 °C gerührt und ergab nach dem Abkühlen eine Polymerausbeute von 86 %. PTFE wird kommerziell nach zwei Hauptprozessen hergestellt, von denen einer zum sogenannten „granularen“ Prozess führt. Polymer und die zweite führt zu einer Polymerdispersion mit viel feinerer Partikelgröße und niedrigerem Molekulargewicht.Eine Methode zur Herstellung letzterer beinhaltete die Verwendung einer 0,1 %igen wässrigen Dibernsteinsäureperoxidlösung.Die Reaktionen wurden bei Temperaturen bis zu 90°C durchgeführt.

Andere Methoden:

Zersetzung von TFE unter dem Einfluss eines Lichtbogens. Die Polymerisation erfolgt im Emulsionsverfahren unter Verwendung von Peroxidinitiatoren, z. B. H2O2 (Wasserstoffperoxid) und Eisensulfat.In einigen Fällen wird Sauerstoff als Initiator verwendet.

Struktur und Eigenschaften von PTFE:

Die chemische Struktur von PTFE ist ein lineares Polymer aus C–F2–C–F2 ohne jegliche Verzweigung und die herausragenden Eigenschaften von PTFE gehen mit einer starken und stabilen Kohlenstoff-Fluor-Bindung einher.

Polytetrafluorethylen ist ein lineares Polymer ohne nennenswerte Verzweigungen.Während das Molekül von Polyethylen in der kristallinen Zone die Form eines ebenen Zickzacks aufweist, ist dies bei PTFE sterisch unmöglich, da die Fluoratome größer sind als die von Wasserstoff.Dadurch nimmt das Molekül eine verdrehte Zickzacklinie ein, wobei sich die Fluoratome eng spiralförmig um das Kohlenstoff-Kohlenstoff-Gerüst packen.Bei einer vollständigen Drehung der Spirale sind über 26 Kohlenstoffatome unter 19 °C und über 30 °C beteiligt. Bei dieser Temperatur gibt es einen Übergangspunkt mit einer Volumenänderung von 1 %.Die kompakte Verzahnung der Fluoratome führt zu einem Molekül mit großer Steifheit und diese Eigenschaft führt zu dem hohen kristallinen Schmelzpunkt und der thermischen Formstabilität des Polymers.

Die intermolekulare Anziehung zwischen PTFE-Molekülen ist sehr gering, der berechnete Löslichkeitsparameter beträgt 12,6 (MJ/m3)1/2. Das Polymer in Masse weist daher nicht die hohe Steifigkeit und Zugfestigkeit auf, die oft mit Polymeren mit einem hohen Erweichungspunkt verbunden ist.Die Kohlenstoff-Fluor-Bindung ist sehr stabil.Wenn außerdem zwei Fluoratome an ein einzelnes Kohlenstoffatom gebunden sind, verringert sich der CF-Bindungsabstand von 1,42 Å auf 1,35 Å. Infolgedessen können Bindungsstärken bis zu 504 kJ/Mol betragen.Da die einzige andere Bindung die stabile C-C-Bindung ist, weist PTFE eine sehr hohe Hitzestabilität auf, selbst wenn es über seinen kristallinen Schmelzpunkt von 327 °C erhitzt wird.Aufgrund seiner hohen Kristallinität und der Unfähigkeit zur spezifischen Wechselwirkung gibt es bei Raumtemperatur keine Lösungsmittel.Bei Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt lösen bestimmte fluorierte Flüssigkeiten wie perfluoriertes Kerosin das Polymer auf.

Die Eigenschaften von PTFE hängen von der Art des Polymers und der Verarbeitungsmethode ab.Das Polymer kann sich in der Partikelgröße und/oder im Molekulargewicht unterscheiden.Die Partikelgröße beeinflusst den Verarbeitungsfall und die Menge an Hohlräumen im Endprodukt, während das Molekulargewicht die Kristallinität und damit viele physikalische Eigenschaften beeinflusst.Die Verarbeitungstechniken wirken sich auch auf die Kristallinität und den Hohlraumgehalt aus.

Die gewichtsmittleren Molekulargewichte kommerzieller Polymere scheinen sehr hoch zu sein und liegen im Bereich von 400.000 bis 9000.000. ICI berichtet, dass ihre Materialien im Herstellungszustand ein Molekulargewicht im Bereich von 500.000 bis 5000.000 und eine prozentuale Kristallinität von mehr als 94 % aufweisen.Hergestellte Teile sind weniger kristallin.Der Kristallinitätsgrad des fertigen Produkts hängt von der Abkühlgeschwindigkeit der Verarbeitungstemperaturen ab.Langsames Abkühlen führt zu einer hohen Kristallinität, während schnelles Abkühlen den gegenteiligen Effekt hat.Materialien mit niedrigem Molekulargewicht werden auch kristalliner sein.

Es ist zu beobachten, dass das Dispersionspolymer, das eine feinere Partikelgröße und ein geringeres Molekulargewicht aufweist, Produkte mit einer deutlich verbesserten Biegefestigkeit und auch deutlich höheren Zugfestigkeiten ergibt.Diese Verbesserungen scheinen durch die Bildung faserartiger Strukturen in der Polymermasse während der Verarbeitung zu entstehen.