Productieproces van PTFE

Tetrafluorethyleen werd voor het eerst bereid in 1933. De huidige commerciële synthese is gebaseerd op vloeispaat, zwavelzuur en chloroform.

Basisproductieproces van PTFE-polymeer:

De productie van PTFE-polymeer/hars wordt in principe in twee fasen uitgevoerd.Ten eerste wordt TFE-monomeer doorgaans vervaardigd door de synthese van calciumfluoride (fluorspaat), zwavelzuur en chloroform, en later wordt de polymerisatie van TFE uitgevoerd onder zorgvuldig gecontroleerde omstandigheden om PTFE te vormen.Door de aanwezigheid van stabiele en sterke CF-bindingen bezit het PTFE-molecuul een uitstekende chemische inertie, hoge hittebestendigheid en opmerkelijke elektrische isolatie-eigenschappen;naast uitstekende wrijvingseigenschappen.

Zuivering van TFE:

Voor polymerisatie is zuiver monomeer nodig.Als er onzuiverheden aanwezig zijn, heeft dit invloed op het eindproduct.Het gas wordt eerst gewassen om eventueel zoutzuur te verwijderen en vervolgens gedestilleerd om andere onzuiverheden af ​​te scheiden.

Polymerisatie van TFE:

Zuiver, ongeremd tetrafluorethyleen kan met geweld polymeriseren, zelfs bij temperaturen die aanvankelijk lager zijn dan kamertemperatuur.Een verzilverde reactor, voor een kwart gevuld met een oplossing bestaande uit 0,2 delen ammoniumpersulfaat, 1,5 delen borax en 100 delen water, en met een pH van 9,2.De reactor was gesloten;geëvacueerd en 30 delen monomeer werden binnengelaten. De reactor werd een uur lang geroerd bij 80°C en gaf na afkoelen een opbrengst van 86% aan polymeer. PTFE wordt commercieel gemaakt via twee belangrijke processen, waarvan er één leidt tot de zogenaamde 'granulaire' polymeer en de tweede leidt tot een dispersie van polymeer met een veel fijnere deeltjesgrootte en een lager molecuulgewicht.Eén methode om dit laatste te produceren omvatte het gebruik van een 0,1% waterige dibarnsteenzuurperoxide-oplossing.De reacties werden uitgevoerd bij een temperatuur tot 90°C.

Een andere methoden:

Ontleding van TFE onder invloed van een elektrische boog. Polymerisatie uitgevoerd door emulsiemethode met behulp van peroxide-initiatoren, bijvoorbeeld H2O2 (waterstofperoxide) en ijzersulfaat.In sommige gevallen wordt zuurstof als initiator gebruikt.

Structuur en eigenschappen van PTFE:

De chemische structuur van PTFE is een lineair polymeer van C – F2 – C – F2 zonder enige vertakking en de uitstekende eigenschappen van PTFE zijn geassocieerd met een sterke en stabiele koolstof-fluorbinding.

Polytetrafluorethyleen is een lineair polymeer dat vrij is van enige significante hoeveelheid vertakking.Terwijl het polyethyleenmolecuul de vorm heeft van een vlakke zigzag in de kristallijne zone, is dit sterisch onmogelijk bij dat van PTFE, omdat de fluoratomen groter zijn dan die van waterstof.Als gevolg hiervan neemt het molecuul een gedraaide zigzag aan, waarbij de fluoratomen strak in een spiraal rond het koolstof-koolstofskelet worden gepakt.Bij een volledige draaiing van de spiraal zijn er meer dan 26 koolstofatomen onder de 19°C en bij een temperatuur van 30°C daarboven betrokken, waarbij er een overgangspunt is met een volumeverandering van 1% bij deze temperatuur.De compacte in elkaar grijpende fluoratomen leiden tot een molecuul met grote stijfheid en het is dit kenmerk dat leidt tot het hoge kristallijne smeltpunt en de thermische vormstabiliteit van het polymeer.

De intermoleculaire aantrekkingskracht tussen PTFE-moleculen is zeer klein; de berekende oplosbaarheidsparameter bedraagt ​​12,6 (MJ/m3)1/2. Het polymeer in bulk heeft dus niet de hoge stijfheid en treksterkte die vaak wordt geassocieerd met polymeren met een hoog verwekingspunt.De koolstof-fluorbinding is zeer stabiel.Verder is er, wanneer twee fluoratomen aan een enkel koolstofatoom zijn gebonden, een reductie van de C-F-bindingsafstand van 1,42 A naar 1,35 A. Als gevolg daarvan kunnen de bindingssterkten oplopen tot 504 kJ/mol.Omdat de enige andere aanwezige binding de stabiele C-C-binding is, heeft PTFE een zeer hoge hittestabiliteit, zelfs bij verhitting boven het kristallijne smeltpunt van 327°C.Vanwege de hoge kristalliniteit en het onvermogen tot specifieke interactie zijn er geen oplosmiddelen bij kamertemperatuur.Bij temperaturen die het smeltpunt benaderen, zullen bepaalde gefluoreerde vloeistoffen, zoals per-gefluoreerde kerosine, het polymeer oplossen.

De eigenschappen van PTFE zijn afhankelijk van het type polymeer en de wijze van verwerking.Het polymeer kan verschillen in deeltjesgrootte en/of molecuulgewicht.De deeltjesgrootte zal het verwerkingsproces en de hoeveelheid holtes in het eindproduct beïnvloeden, terwijl het molecuulgewicht de kristalliniteit en dus veel fysische eigenschappen zal beïnvloeden.De verwerkingstechnieken zullen ook zowel de kristalliniteit als de inhoud van de lege ruimtes beïnvloeden.

De gewichtsgemiddelde molecuulgewichten van commerciële polymeren lijken zeer hoog te zijn en liggen in het bereik van 400.000 tot 9000.000. ICI rapporteert dat hun materialen een molecuulgewicht hebben in het bereik van 500.000 tot 5000.000 en een kristalliniteitspercentage groter dan 94% bij vervaardiging.Gefabriceerde onderdelen zijn minder kristallijn.De mate van kristalliniteit van het eindproduct zal afhangen van de snelheid van afkoelen vanaf de verwerkingstemperaturen.Langzame afkoeling zal leiden tot een hoge kristalliniteit, terwijl snelle afkoeling het tegenovergestelde effect heeft.Materialen met een laag molecuulgewicht zullen ook kristallijner zijn.

Er is waargenomen dat het dispersiepolymeer, dat een fijnere deeltjesgrootte en een lager molecuulgewicht heeft, producten oplevert met een sterk verbeterde weerstand tegen buigen en ook duidelijk hogere treksterkten.Deze verbeteringen lijken te ontstaan ​​door de vorming van vezelachtige structuren in de polymeermassa tijdens de verwerking.