Produktionsprocess av PTFE

Tetrafluoreten framställdes första gången 1933. Den nuvarande kommersiella syntesen är baserad på flusspat, svavelsyra och kloroform.

Grundläggande produktionsprocess för PTFE-polymer:

Tillverkningen av PTFE-polymer/harts utförs i princip i två steg.För det första tillverkas TFE-monomer i allmänhet genom syntes av kalciumfluorid (fluorspat), svavelsyra och kloroform och senare polymerisation av TFE utförs under noggrant kontrollerade förhållanden för att bilda PTFE.På grund av närvaron av stabila och starka CF-bindningar har PTFE-molekylen enastående kemisk tröghet, hög värmebeständighet och anmärkningsvärda elektriska isoleringsegenskaper;förutom utmärkta friktionsegenskaper.

Rening av TFE:

Ren monomer krävs för polymerisation.Om det finns föroreningar kommer det att påverka slutprodukten.Gasen skrubbas först för att avlägsna eventuell saltsyra och destilleras sedan för att separera andra föroreningar.

Polymerisation av TFE:

Ren ohämmad tetrafluoreten kan polymerisera med våld, även vid temperaturer som initialt är lägre än rumstemperaturen.En silverpläterad reaktor, kvartsfylld med en lösning bestående av 0,2 delar ammoniumpersulfat, 1,5 delar borax och 100 delar vatten och med ett pH på 9,2.Reaktorn stängdes;evakuerades och 30 delar monomer släpptes in. Reaktorn omrördes i en timme vid 80°C och gav efter kylning ett 86% utbyte av polymer. PTFE tillverkas kommersiellt genom två huvudprocesser, en som leder till den så kallade "granulära" polymer och den andra leder till en dispersion av polymer med mycket finare partikelstorlek och lägre molekylvikt.En metod för att framställa den senare involverade användningen av en 0,1%-ig vattenlösning av dibärnstenssyraperoxid.Reaktionerna utfördes vid temperatur upp till 90°C.

Andra metoder:

Nedbrytning av TFE under inverkan av en elektrisk ljusbåge. Polymerisering utförs med emulsionsmetod med användning av peroxidinitiatorer t.ex. H2O2 (väteperoxid) och järnsulfat.I vissa fall används syrgas som initiator.

Struktur och egenskaper hos PTFE:

Den kemiska strukturen hos PTFE är linjär polymer av C–F2 – C–F2 utan någon gren och de enastående egenskaperna hos PTFE är förknippade med stark och stabil kol-fluorbindning.

Polytetrafluoreten är en linjär polymer fri från någon betydande mängd förgrening.Medan molekylen av polyeten är i form av en plan sicksack i den kristallina zonen, är detta steriskt omöjligt med den för PTFE på grund av att fluoratomerna är större än väteatomerna.Som en konsekvens tar molekylen upp en vriden sicksack med fluoratomerna tätt packade i en spiral runt kol-kolskelettet.En fullständig vändning av spiralen kommer att involvera över 26 kolatomer under 19°C och 30°C ovanför det finns en övergångspunkt som involverar en 1% volymförändring vid denna temperatur.Den kompakta sammanlåsningen av fluoratomerna leder till en molekyl med stor styvhet och det är denna egenskap som leder till polymerens höga kristallina smältpunkt och termiska formstabilitet.

Den intermolekylära attraktionen mellan PTFE-molekyler är mycket liten, den beräknade löslighetsparametern är 12,6 (MJ/m3)1/2 Polymeren i bulk har alltså inte den höga styvhet och draghållfasthet som ofta förknippas med polymerer med hög mjukningspunkt.Kol-fluorbindningen är mycket stabil.Vidare, där två fluoratomer är bundna till en enda kolatom, sker en minskning av C–F-bindningsavståndet från 1,42 A till 1,35 A. Som ett resultat kan bindningsstyrkorna vara så höga som 504 kJ/mol.Eftersom den enda andra bindningen som finns är den stabila C-C-bindningen, har PTFE en mycket hög värmestabilitet, även när den värms över dess kristallina smältpunkt på 327°C.På grund av dess höga kristallinitet och oförmåga till specifik interaktion, finns det inga lösningsmedel vid rumstemperatur.Vid temperaturer som närmar sig smältpunkten kommer vissa fluorerade vätskor såsom per-fluorerad fotogen att lösa upp polymeren.

Egenskaperna hos PTFE är beroende av typen av polymer och bearbetningsmetoden.Polymeren kan skilja sig i partikelstorlek och/eller molekylvikt.Partikelstorleken kommer att påverka fallet med bearbetning och mängden hålrum i den färdiga produkten medan molekylvikten kommer att påverka kristalliniteten och därmed många fysikaliska egenskaper.Bearbetningsteknikerna kommer också att påverka både kristallinitet och tomrumsinnehåll.

Viktmedelmolekylvikterna för kommersiella polymerer tycks vara mycket höga och ligger i intervallet 400000 till 9000000. ICI rapporterar att deras material har en molekylvikt i intervallet 500000 till 5000000 och procentuell kristallinitet större än 94% som tillverkats.Tillverkade delar är mindre kristallina.Graden av kristallinitet hos den färdiga produkten kommer att bero på kylningshastigheten från bearbetningstemperaturerna.Långsam kylning kommer att leda till hög kristallinitet med snabb kylning som ger motsatt effekt.Material med låg molekylvikt kommer också att vara mer kristallina.

Det observeras att dispersionspolymeren, som har finare partikelstorlek och lägre molekylvikt, ger produkter med en avsevärt förbättrad motståndskraft mot böjning och även klart högre draghållfastheter.Dessa förbättringar verkar uppstå genom bildandet av fiberliknande strukturer i polymermassan under bearbetning.