| Strukturformel | |||||||
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| Allgemeines | |||||||
| Name | Polytetrafluorethylen | ||||||
| Andere Namen |
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| CAS-Nummer | 9002-84-0 | ||||||
| Monomer | 1,1,2,2-Tetrafluorethen (IUPAC) | ||||||
| Summenformel derWiederholeinheit | C2F4 | ||||||
| Molare Masse der Wiederholeinheit | 100,01 g·mol−1 | ||||||
| Art des Polymers | |||||||
| Kurzbeschreibung | weißer geruchloser Feststoff[1] | ||||||
| Eigenschaften | |||||||
| Aggregatzustand | fest | ||||||
| Dichte | 2,2 g·cm−3[1] | ||||||
| Schmelzpunkt | |||||||
| Härte | D55 (nach Shore)[2] | ||||||
| Elastizitätsmodul | 420 MPa[2] | ||||||
| Poissonzahl | 0,46[3] | ||||||
| Wasseraufnahme | < 0,1 %[2] | ||||||
| Chemische Beständigkeit | sehr hoch, bis auf flüssiges Natrium, hochfluorierte Öle[4][5] | ||||||
| Wärmeleitfähigkeit | 0,24 W/(m·K)[2] | ||||||
| Thermischer Ausdehnungskoeffizient | 130 · 10−6 K−1[2] | ||||||
| Sicherheitshinweise | |||||||
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| Soweit möglich und gebräuchlich, werdenSI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten beiStandardbedingungen. | |||||||
Polytetrafluorethylen (KurzzeichenPTFE, gelegentlich auchPolytetrafluorethen) ist ein unverzweigtes, linear aufgebautes,teilkristallinesPolymer ausFluor undKohlenstoff, einFluorpolymer. Umgangssprachlich wird dieserKunststoff oft mit demHandelsnamenTeflon der FirmaDuPont bezeichnet. Weitere häufig verwendete Handelsnamen anderer Hersteller von PTFE sindDyneon PTFE (ehemalsHostaflon) undGore-Tex für PTFE-Membranen.
PTFE gehört zur Klasse derPolyhalogenolefine, zu der auch PCTFE (Polychlortrifluorethylen) gehört. Es gehört zu denThermoplasten, obwohl es auch Eigenschaften aufweist, die eine eher fürduroplastische Kunststoffe typische Verarbeitung bedingen.
PTFE wurde 1938 vom ChemikerRoy Plunkett entdeckt. Als Plunkett auf der Suche nachKältemitteln fürKühlschränke mitTetrafluorethylen (TFE) experimentierte, entdeckte er in seinem Reaktionsgefäß „farblose Krümel“:[6] Tetrafluorethylen war zu PTFEpolymerisiert. Der noch heute gebräuchliche Herstellungsablauf heißt nach seinem EntdeckerPlunkett-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.[7]
Zunächst war eine technische Nutzung von PTFE nicht gegeben, da die Herstellungskosten zu hoch waren und keine Anwendung für das hochinerte Material gesehen wurde. Im Jahre 1943 standen Forscher imManhattan-Projekt vor dem Problem, dass sie mit extremkorrosivemUranhexafluorid umgehen mussten. PTFE fand dabei erstmals technische Verwendung als Korrosionsschutz bei derUran-Anreicherung.[8] Später beschichtete der französische ChemikerMarc Grégoire seineAngelschnur mit PTFE, um sie leichter entwirren zu können. Seine EhefrauColette Grégoire kam auf die Idee,Töpfe undPfannen zu beschichten, wofür sie 1954 zusammen mit Georgette Wamant ein Patent erhielt.[9]
PTFE wird ausChloroform CHCl3 durchpartielle Fluoridierung hergestellt, wobei zunächstChlordifluormethan CHClF2 undTetrafluorethylen C2F4 erzeugt werden. AlsKatalysator fungiert hierbeiAntimon(V)-chloridfluorid (SbCl4F).
Tetrafluorethen wird anschließend einerradikalischen Polymerisation unterDruck unterzogen. Je nach Bedingungen ergeben sich unterschiedlicheMolekül- und Partikelgrößen:
Da diese Reaktion starkexotherm ist und sich die Monomereinheiten bei hohen Temperaturen leicht explosiv zersetzen, wird die Polymerisation inSuspension 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.
Die CF2-Einheiten in PTFE sindhelikal angeordnet (im Unterschied zuPolyethylen, das eine Zickzack-Anordnung aufweist). PTFE-Ketten sind aufgrund ihrerDipol-Dipol-Wechselwirkungenhexagonal angeordnet, was den hohen Schmelzpunkt von 327 °C erklärt.[10]
PTFE zeichnet sich durch mehrere Besonderheiten aus:
Es werden auchPTFE-Compounds hergestellt, welche mit Füllstoffen wie Glas, Kohle,Graphit,Molybdändisulfid,Bronze, organischen Füllstoffen oderEdelstahl versehen sind. Durch dasCompoundieren können verschiedene Eigenschaften verändert werden.[15]
Wegen seiner chemischen Trägheit wird PTFE als Beschichtung dort eingesetzt, wo aggressive Chemikalien vorkommen.Als erste bedeutende Anwendung gilt die Aufbereitung vonUran für die ersten Atombomben (Manhattan-Projekt), wo das sehr reaktionsfähigeUranhexafluorid nur in PTFE-beschichteten Gefäßen aufbewahrt werden konnte.
Die vielfältigen und relativ einfachen Möglichkeiten derCompoundierung ermöglichen spezielle Mischungen für zahlreiche Anwendungen. Im Bereich derDichtungstechnik wird PTFE als Basiscompound in vielen Anwendungen eingesetzt, insbesondere als:
PTFE wird imChemieanlagenbau als Auskleidungswerkstoff fürKompensatoren,Rohrleitungen undKolonnen 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 derHochfrequenztechnik ist PTFE aufgrund seiner geringenDielektrizitätskonstante und der geringen Verluste ein geeigneterIsolierstoff. In der Produktion vonHochfrequenzleiterplatten dient der Werkstoff, zum Teil verstärkt mit Glasgewebe, als dielektrisches Basismaterial.
In derHochspannungstechnik eignet sich PTFE aufgrund der hohenTeilentladungsfestigkeit und der geringen Haftbeständigkeit von Oberflächen-Verschmutzungen als elektrischer Isolator (Einsatz in Isolatoren) sowie als Düsenmaterial inLeistungsschaltern.
Durch seine geringe Reibung ist PTFE als Trockenschmierstoff (Festschmierstoff) und als Beschichtung fürLager und Dichtungen interessant.
Auch im Baugewerbe wird das schwer entzündliche PTFE eingesetzt, um Dächer oder Fassaden vor Wettereinflüssen zu schützen.[16] 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 imBrückenlagerbau als Gleitwerkstoff eingesetzt.
ImLiegeradbau wird PTFE für Kettenleitrohre[17] eingesetzt.
In derMedizin wird PTFE unter anderem fürImplantate wie beispielsweiseGefäßprothesen 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 derZahnmedizin wird PTFE als Barrieremembran zumKnochenaufbau verwendet. Das Verfahren ist als Guided Bone Regeneration (GBR) – Gesteuerte Geweberegeneration – bekannt.[18] 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 alsPiercing-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 dasSintern kommen kann. Durch den Einsatz von Piercing-Schmuck aus PTFE als Ersteinsatzmaterial werden wesentlich kürzere Abheilzeiten erreicht als bei Verwendung vonTitan. Wegen seiner extrem hohen Wärmebeständigkeit kann PTFE im Gegensatz zu anderen Kunststoffen imAutoklaven bei 130 °C dampfsterilisiert werden. Weiterhin gibt es Implantate für das Gesicht aus PTFE, die in der Plastischen Chirurgie Verwendung finden.
Die bekannteste Anwendung ist sicherlich der Einsatz als Antihaft-Beschichtung in Pfannen und Töpfen. Die Beschichtung selbst haftet, weil das Metall der Pfanne angeraut wird, was beispielsweise mechanisch durch Sandstrahlen oder chemisch durch Säuren geschieht. Im nächsten Schritt wird das PTFE mit Druck aufgetragen und so von den zahllosen kleinen Unebenheiten der Pfanne festgehalten. Die Bindung erfolgt somit mechanisch und nicht chemisch, weshalb die Oberfläche meist nur wenig kratzfest ist. Die Oberseite der Beschichtung bleibt jedoch sehr glatt und verhindert so das Anbacken des Gargutes.
In der Textilindustrie wird der Stoff zur Herstellung wasserabweisender Stoffe wieGore-Tex verwendet.
Ebenso kommt PTFE für Beschichtungen bei hochpreisigenRasierklingen und bei hochwertigen Garten-Schneidewerkzeugen wie Reb- oder Astscheren zum Einsatz. Der Kraftaufwand beim Schneiden wird hierdurch erheblich reduziert und die Qualität des Schnitts gesteigert.
Bei hochwertigenComputermäusen werden die Gleitpads oderSkatez ebenfalls aus PTFE hergestellt. Dies soll den Reibungswiderstand der Maus herabsetzen und somit eine komfortablere Führung gestatten.
Eine Beschichtung der Metallsaiten für Saiteninstrumente wie Gitarren, Bassgitarren, Mandolinen und Banjos erhöht die Lebensdauer der Saiten ganz erheblich, weil die Korrosion durch Schweiß und Fette von den Fingern unterbleibt.
Mit PTFE werden vereinzeltProjektile fürHandfeuerwaffen beschichtet, um härtere Geschosse (z. B. aus Messing) ohne übermäßigen Verschleiß desLaufs verschießen zu können. PTFE ist hierbei eine Alternative zuMolybdändisulfid (MoS2).
Expandiertes PTFE (ePTFE) ist eine speziell verarbeitete Form des Polytetrafluorethylens. Während des Verarbeitungsprozesses werden die PTFE-Molekülfasern orientiert, wodurch im Material verbesserte Festigkeits- undKaltflusseigenschaften, im Vergleich zu nicht orientiertem PTFE, erzeugt werden. In hauchdünnen Schichten finden gereckte PTFE-Folien (ePTFE) auch unter dem HandelsnamenGore-Tex Verwendung als sogenanntes Gore-Tex-Laminat, dessenMembran feine Poren besitzt, die noch groß genug sind, um Wasserdampf durchzulassen, nicht aber Wasser in flüssiger Form. Daraus kann „atmungsaktive“, wasser- und winddichte Kleidung hergestellt werden (z. B. Jacken, Schuhe und Socken), die trotz hoher Dichtheit ein Entweichen derHautfeuchtigkeit ermöglicht. Neben dem Einsatz in der Textilindustrie wird ePTFE auch im Bereich der Medizintechnik z. B. für Stents oder Bypässe eingesetzt. Als Dichtungsmaterial findet ePTFE auch unter dem Handelsnamen FluorTex, KWO MultiTex und SoftFluor Anwendung in Luft- und Raumfahrt sowie, wegen seiner unverändert hohen Chemikalienbeständigkeit, auch in der Chemie- und Pharmaindustrie.
Für spezielle messtechnische Aufgaben, beispielsweise mit derUlbricht-Kugel, wird PTFE in optisch reinweißer Qualität als diffus reflektierende Beschichtung verwendet. In der Optik wird PTFE als Linsenmaterial eingesetzt, da es im fernenInfrarotbereich transparent ist. Aber auch beiBrillengläsern wird PTFE als Beschichtung eingesetzt, um diese einfacher reinigen zu können.
In einigen Ländern ist dieAusfuhr mit PTFE beschichteter chemischer Herstellungseinrichtungen eingeschränkt. In derEU fällt derartiges, teils mit weiteren Voraussetzungen, unter Anlage I zurVerordnung (EG) Nr. 428/2009 (Dual Use) an Position 2B350 und damit ist die Ausfuhr solcher Güter gemäß Artikel 3 der Verordnung genehmigungspflichtig.[19] Da die Vorprodukte fürchemische Kampfstoffe und auch die Kampfstoffe selbst (siehe z. B.Schwefellost) teilshochkorrosiv sind, ist es notwendig, die Herstellungsanlagen säure- und laugenfest auszulegen. Mit PTFE innen vollständig beschichtete Ventile, Rohrleitungen und Behältnisse sind notwendig bei der Herstellung aggressiver Stoffe wie z. B. bestimmten Giftgasen. Sie finden auch inMeerwasserentsalzungsanlagen Anwendung, da die entstehende Ablauge korrosiv ist. Die ungenehmigte Ausfuhr solcher Güter stellt einenStraftatbestand nach§ 17 Abs. 1 desAußenwirtschaftsgesetzes dar.
In den letzten Jahren ist die Herstellung von Fluorpolymeren in die Kritik geraten, da die dabei ehemals alsTensid eingesetztePerfluoroctansäure (PFOA)reproduktionstoxische sowiePBT-Eigenschaften hat. Bei der Herstellung von Teflon entstehen langlebigeperfluorierte Alkylverbindungen (PFAS), die in der Muttermilch nachgewiesen werden können. Wie sich diese Substanzen auf die Gesundheit auswirken, ist unklar.[20] Tierversuche lassen wegen der wesentlich längeren Verweildauer im menschlichen Organismus keine eindeutigen Rückschlüsse zu.[21] In derGebärmutter ist dieExposition gegenüber PFOA mit einer Abnahme desGeburtsgewichts verbunden.[22] Während die Konzentration des als problematisch bekannten Stoffes Perfluoroctansäure im Blut des Menschen in Deutschland zurückgeht, nehmen die Konzentrationen weniger bekannter und untersuchter polyfluorierter Chemikalien zu.[23]
Bei der Entsorgung (Verbrennung) von Perfluorpolymeren gelangen Fluorverbindungen in die Umwelt, typischerweiseFlusssäure und Perfluorkohlenwasserstoffe wieTetrafluorethen oderTrifluoressigsäure.[24] Im Jahr 2010 wurde ein Verfahren zur Rückgewinnung von Fluormonomeren aus PTFE veröffentlicht. Das von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt geförderte Projekt hat die Universität Bayreuth gemeinsam mit dem Institut InVerTec e. V. und der Firma Dyneon GmbH entwickelt. Die Firma Dyneon baute ab 2005 eine Pilotanlage für das Recycling von 500 Jahrestonnen perfluorierter Polymere auf. Das Ziel war, die hohe Umweltbelastung durch die bisher übliche Verbrennung zu vermeiden.[25]
Auf EU-Ebene wird 2023 ein Verbot von PFAS diskutiert, weil die Stoffe sich nicht natürlich zersetzen, sondern sich als Ewigkeitschemikalien in der Umwelt wiederfinden.[26]
Im Zusammenhang mit Teflonpfannen besteht durch die mögliche Entstehung krebserregender Substanzen aus der Beschichtung ein gewisses Risikopotential. Die gesundheitsgefährdenden fluorierten Verbindungen treten ab einer Temperatur von ca. 202 °C auf. Das deutscheBundesinstitut für Risikobewertung geht jedoch erst ab einer Pfannentemperatur von 360 °C von einer Konzentration aus, die für den Menschen giftig ist. Um das Erreichen dieser Temperaturen zu vermeiden, wird daher empfohlen, beschichtete Pfannen nicht länger als drei Minuten leer zu erhitzen. BeiInduktionsherdplatten rät das Bundesinstitut für Risikobewertung von der Erhitzung leerer Pfannen ab, da diese so zu schnell kritische Temperaturen erreichen. Diese Empfehlungen beziehen sich nur auf leere Pfannen, weil der Verbraucher beispielsweise beim Erhitzen von Öl ab einer Temperatur von 270 °C durch Rauchentwicklung vor einer Überhitzung der Beschichtung gewarnt wird.[27]
Als Folge des Einatmens geringer Mengen an PTFE-Dämpfen kann es zum Auftreten vonPolymerfieber kommen, größere Mengen wirken tödlich. Vögel reagieren bei Kontakt sensibler.[27] Die bei der Benutzung beschichteter Haushaltsgeräte oder auch Heizbirnen entstehenden Dämpfe können bei im Haushalt oder inVolieren gehaltenen Vögeln teilsblutigeLungenödeme verursachen, an welchen diese in schweren Fällenperakut ersticken.[28] Kratzer in der Beschichtung werden ebenso wie sich ablösende Beschichtungspartikel als unbedenklich angesehen, da diese in vollem Umfang wieder ausgeschieden werden.[29][30]
Der FilmVergiftete Wahrheit (2019) behandelt den jahrelangen Kampf des AnwaltsRobert Bilott gegen die ChemiefirmaDuPont, die bei der Produktion von Teflon wissentlich Umwelt- und Gesundheitsschäden durchPFOA verursachte. Der 2018 entstandene investigative DokumentarfilmThe Devil We Know – Das unsichtbare Gift der RegisseurinStephanie Soechtig widmet sich ebenfalls diesen Vorkommnissen. DuPont versuchte, die Umwelt- und Gesundheitsschäden zu verschleiern, wurde aber letztendlich zu Schadensersatzzahlungen in Höhe von insgesamt 671 Millionen US-Dollar verurteilt.[31]
