Polytetrafluoräthylen

Strukturformel
Allgemeines
Name	Polytetrafluorethylen
Andere Namen	Teflon® Polytetrafluorethen PTFE
CAS-Nummer	9002-84-0
Art des Polymers	Thermoplast
Beschreibung	weißer Feststoff, sehr geringer Reibungskoeffizient
Monomer
Monomer	1,1,2,2-Tetrafluorethen (IUPAC)
Summenformel	C2F4
Molare Masse	100,02 g·mol−1
Eigenschaften
Aggregatzustand	fest
Dichte	2,16 g·cm−3 [1]
Schmelzpunkt	327 °C [1]
Wasseraufnahme	< 0,01
Chemische Beständigkeit	sehr hoch
Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung [1]
keine Gefahrensymbole
R- und S-Sätze	R: keine R-Sätze
	S: keine S-Sätze
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Polytetrafluorethylen (Kurzzeichen PTFE, gelegentlich auch Polytetrafluorethen) ist ein vollfluoriertes Polymer. Umgangssprachlich wird dieser Kunststoff oft mit dem Handelsnamen Teflon^® der Firma DuPont bezeichnet. Weitere häufig verwendete Handelsnamen anderer Hersteller von PTFE sind Dyneon PTFE (ehemals Hostaflon) und Gore-Tex für PTFE-Membranen.

PTFE gehört zur Klasse der Polyhalogenolefine, zu der auch PCTFE (Polychlortrifluorethylen) gehört. Es gehört zu den Thermoplasten, obwohl es auch Eigenschaften aufweist, die eine eher für duroplastische Kunststoffe typische Verarbeitung bedingen. Teflon^® ist ein unpolares Polymer.

Geschichte

PTFE wird aufgrund seines niedrigen Reibungskoeffizienten und seiner hohen Hitzebeständigkeit häufig als Antihaftbeschichtung von Bratpfannen und Kochtöpfen verwendet.

Entgegen einer weitläufigen Meinung ist PTFE kein Nebenprodukt der Raumfahrt, die erst 1957 begann. Es wurde bereits 1938 von dem Chemiker Roy Plunkett durch Zufall entdeckt, als er auf der Suche nach Kältemitteln für Kühlschränke mit Tetrafluorethylen (TFE) experimentierte und eines Morgens statt Gas nur noch weiße Krümel in der Flasche fand. Das Gas hatte sich in PTFE umgewandelt. Nach seinem Entdecker heißt das noch heute gebräuchliche Herstellungsverfahren Plunkett-Verfahren. Dabei wird die Polymerisation bei hohem Druck mit Peroxiden eingeleitet. 1941 erhielt DuPont das Patent auf PTFE.

Über fünf Jahre schien eine technische Nutzung der Entdeckung unmöglich, da die Herstellkosten zu hoch waren und keine Anwendung für das so inerte Material gesehen wurde. Im Jahre 1943 standen jedoch die Macher des Manhattan-Projektes vor einem Problem. Sie mussten mit dem extrem korrosiven Uranhexafluorid umgehen und fanden kein geeignetes Behältermaterial. Da entsann man sich des PTFE, und es fand erstmals technische Verwendung als Korrosionsschutz beim Kernwaffenbau. Später beschichtete der französische Chemiker Marc Grégoire seine Angelschnur mit PTFE, um sie leichter entwirren zu können. Seine Ehefrau Colette kam dann 1954 auf die Idee, Töpfe und Pfannen damit zu beschichten.

Herstellung

PTFE wird aus Chloroform CHCl₃ durch partielle Fluoridierung hergestellt, wobei zunächst Chlordifluormethan CHClF₂ und Tetrafluorethylen C₂F₄ erzeugt werden. Als Katalysator fungiert hierbei Antimon(V)-chloridfluorid (SbCl₄F).

$\mathrm{CHCl_3 \ + \ 2 \ HF \rightarrow \ CHClF_2 \ + \ 2 \ HCl}$

$\mathrm{2 \ CHClF_2 \ \rightarrow \ C_2F_4 \ + \ 2 \ HCl}$

Tetrafluorethen wird anschließend einer radikalischen Polymerisation unter Druck unterzogen. Je nach Bedingungen ergeben sich unterschiedliche Molekül- und Partikelgrößen:

$\mathrm{ n \ C_2F_4 \ \rightarrow \ - {\lbrack CF_2 \rbrack}_{2n} - }$

Da diese Reaktion stark exotherm ist und sich die Monomereinheiten bei hohen Temperaturen leicht explosiv zersetzen, wird die Polymerisation in Suspension 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.

Eigenschaften

PTFE zeichnet sich durch mehrere Besonderheiten aus:

• PTFE ist sehr reaktionsträge. Selbst aggressive Säuren wie Königswasser können PTFE nicht angreifen. Der Grund liegt in der besonders starken Bindung zwischen den Kohlenstoff- und den Fluoratomen, da Fluor das Element mit der stärksten Elektronegativität ist. So gelingt es vielen Substanzen nicht, die Bindungen aufzubrechen und mit PTFE chemisch zu reagieren.
• Äußerst beständig gegen alle Basen, Alkohole, Ketone, Benzine, Öle usw.; unbeständig nur gegen sehr starke Reduktionsmittel wie Lösungen von Alkalimetallen (z. B. Natrium) in flüssigem Ammoniak oder gegen sehr starke Oxidationsmittel wie elementares Fluor bei höheren Temperaturen; Einsatztemperatur bis 260 °C (bei Temperaturen über 400 °C werden hochtoxische Pyrolyseprodukte wie z. B. Fluorphosgen (COF₂) freigesetzt, die zu Teflonfieber führen); frostbeständig bis −200 °C; nur nach Vorbehandlung klebbar; Schweißen möglich, aber nicht üblich; leicht wachsartige Oberfläche (nicht so ausgeprägt wie bei PE); physiologisch unbedenklich

• PTFE hat einen sehr geringen Reibungskoeffizienten. PTFE rutscht auf PTFE ähnlich gut wie nasses Eis auf nassem Eis. Außerdem ist die Haftreibung genauso groß wie die Gleitreibung, so dass der Übergang vom Stillstand zur Bewegung ohne Rucken stattfindet.
• Es existieren nahezu keine Materialien, die an PTFE haften bleiben, da die Oberflächenspannung extrem niedrig ist.
• Dichte: 2,1–2,3 g·cm⁻³, Shore-Härte D 50 bis 72, Kugeldruckhärte: 23-32 N/mm², Reißfestigkeit: 22-40 N/mm^2[2]
• Hohe Wärmeausdehnung (α im Bereich 20-100 °C: ~20·10^-5 1/K) , Phasenumwandlung von triklinem hexagonalem Kristallgitter bei 19 °C mit Volumenänderung^[2]
• Brennprobe: Nicht brennbar; in heißer Flamme findet bei Rotglut Zersetzung statt; dabei Geruch nach Salz- und Fluorwasserstoffsäure; (es gibt auch Quellen, die belegen, dass Trifluoressigsäure entsteht, welche der Mensch ausscheiden kann, nicht aber die Pflanzenwelt^[3]) die entstehenden Dämpfe sind giftig, führen beim Menschen zum Polymerfieber und bei Vögeln besonders schnell zum Tod.^[4]
• Brechzahl: PTFE weist mit etwa 1,38 eine sehr niedrige Brechzahl auf.
• Spezifische Wärmekapazität: 0,96 J/gK [Datenblatt Kern GmbH]
• Wärmeleitfähigkeit: 0,25 W/K·m^[2]
• Dielektrizitätskonstante: 2,1 (D150 bei 10³ Hz), Dielektrischer Verlustfaktor: 0,3·10^-4 bei 10³ Hz, Spezifischer Widerstand: 10¹⁸ Ω·cm^[2]

Anwendungen

Wegen seiner chemischen Trägheit wird PTFE als Beschichtung dort eingesetzt, wo aggressive Chemikalien vorkommen. Schon bei der Aufbereitung von Uran für die ersten Atombomben (Manhattan-Projekt) wurde das sehr reaktionsfähige Uranhexafluorid in PTFE-beschichteten Gefäßen aufbewahrt.

Im Bereich der Dichtungstechnik wird PTFE als Basiscompound in vielen Anwendungen eingesetzt. Insbesondere im Bereich:

• Wellendichtring (Produktmarken hierfür sind beispielsweise Simmerring und Radiamatic)
• Nutring
• Faltenbälge

Weiterhin wird PTFE auch im Chemieanlagenbau als Auskleidungswerkstoff für Kompensatoren, Rohrleitungen und Kolonnen eingesetzt. Die gängigste Verarbeitungsform bei der Auskleidung ist die isostatische Vorgehensweise. Hierbei wird das PTFE unter hohem Druck an die Wände des auszukleidenden Aggregates gepresst.

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 Teflon hergestellte Gewebe. Diese haben den Vorteil der leichteren Handhabbarkeit und der geringeren Knickgefährdung. Dazu sind deren Dehnwerte besser für die Herstellung von Membranen geeignet.

Die vielfältigen und relativ einfachen Möglichkeiten der Compoundierung ermöglichen spezielle Mischungen für zahlreiche Anwendungen, die in diversen Parametern (beispielsweise Druck, Oberflächengüte, Geschwindigkeit etc.) differieren können.

Durch seine geringe Reibung ist PTFE als Trockenschmierstoff (Festschmierstoff) und als Beschichtung für Lager und Dichtungen interessant. Ebenso kommt PTFE für Beschichtungen bei hochwertigen Garten-Schneidewerkzeugen wie Reb- oder Astscheren zum Einsatz. Der Kraftaufwand beim Schneiden wird hierdurch erheblich reduziert.

In der Medizin wird PTFE unter anderem für Implantate wie beispielsweise Gefäßprothesen verwendet. Zum einen sorgt seine chemische Beständigkeit für eine lange Lebensdauer und gute Verträglichkeit, zum anderen verringert die glatte Oberfläche die Entstehung von Blutgerinnseln. Aufgrund dieser Verträglichkeit findet es auch immer mehr Anwendung als Piercing-Schmuck – wobei hier darauf geachtet werden sollte, dass der betreffende PTFE-Schmuck für den Einsatz im/am Körper hergestellt wurde, da es bei „industriellem“ PTFE immer zu chemischen Rückständen durch das Sintern kommen kann.

Durch den Einsatz von Piercing-Schmuck aus PTFE als Ersteinsatzmaterial werden wesentlich kürzere Abheilzeiten erreicht als vergleichsweise bei Verwendung von Titan. Aufgrund der mechanischen Eigenschaften ist PTFE nicht ringförmig für den Piercingbereich geläufig, sondern ausschließlich in Stabform im Einsatz. Durch die extrem hohe Wärmebeständigkeit kann PTFE im Gegensatz zu anderen Kunststoffen ohne Probleme im Autoklaven dampfsterilisiert werden und ist somit ein hervorragendes Ersteinsatzmaterial.

In der Optik wird PTFE als Linsenmaterial eingesetzt, da es im fernen Infrarotbereich transparent ist. Aber auch bei Brillengläsern wird PTFE als Beschichtung eingesetzt, um diese einfacher reinigen zu können.

Im Bereich der Hochfrequenztechnik ist PTFE aufgrund seiner geringen Dielektrizitätskonstante und der geringen Verluste ein beliebter Werkstoff beispielsweise für Kabelisolationen.

In der Hochspannungstechnik eignet sich PTFE auf Grund der hohen Teilentladungsfestigkeit und der geringen Haftbeständigkeit von Oberflächen-Verschmutzungen als elektrischer Isolator (Einsatz in Isolatoren) sowie als Düsenmaterial in Leistungsschaltern.

Und auch im Hygienebereich ist PTFE zu finden, zum Beispiel als Zahnseide.

Mit PTFE wird vereinzelt Munition für Handfeuerwaffen beschichtet, um härtere Geschosse (z. B. aus Messing) ohne übermäßigen Verschleiß des Laufs verschießen zu können.

PTFE wird auch im Brückenlagerbau als Gleitwerkstoff eingesetzt.

Bei Computermäusen werden die „Mausfüßchen“ ebenfalls aus PTFE hergestellt. Dies soll den Reibungswiderstand der Maus herabsetzen und somit eine komfortablere Führung gestatten.

Antihaft-Beschichtungen

Die bekannteste Anwendung ist sicherlich die Antihaft-Beschichtung in Pfannen und Töpfen. Sie selbst haftet, weil das Metall der Pfanne angeraut wird, beispielsweise mechanisch durch Sandstrahlen oder chemisch durch Säuren. Danach 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 glatt und verhindert so das Anbacken des Gargutes.

Viele Anwendungen gibt es aber auch im industriellen Bereich, als Antihaft-Beschichtung in der Textilindustrie oder in Formen bei der Kunststoffbearbeitung und in der Dachsanierung als Dachbeschichtung mittels einer elastischen Acryldispersionsbeschichtung.

Im Zusammenhang mit Teflonpfannen wird häufig ein Verdacht auf krebserregende Substanzen in der Beschichtung geäußert. Die gefährlichen fluorierten Verbindungen treten allerdings nur bei starker Überhitzung auf (je nach Quelle ab 202 °C bis 360 °C). Daher sollte eine Pfanne nicht länger als drei Minuten leer erhitzt werden. Bei Induktionsherdplatten rät das Bundesinstitut für Risikobewertung von der Erhitzung leerer Pfannen ab, da diese zu schnell die kritische Temperatur erreichen.^[5] Kratzer in der Beschichtung sind ebenso unbedenklich wie sich ablösende Beschichtungspartikel, da diese wieder ausgeschieden werden.^[6][7]

Gore-Tex

In hauchdünnen Schichten finden gereckte PTFE-Folien (ePTFE) auch unter dem Handelsnamen Gore-Tex Verwendung. Hier als sogenanntes Gore-Tex-Laminat, dessen Membran 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 Dichte ein Entweichen der Hautfeuchtigkeit ermöglicht.

Ausfuhrrechtliche Problematik

Mit PTFE beschichtete chemische Herstellungseinrichtungen fallen, teils nach Erfüllung weiterer Voraussetzungen, unter Teil 1 Abschnitt C Position 2B350 der Ausfuhrliste. Die Ausfuhr solcher Güter ist gemäß Artikel 3 der EG-Dual use-VO genehmigungspflichtig.^[8] Da die Vorprodukte für chemische Kampfstoffe und auch die Kampfstoffe selbst (siehe z.B. Schwefellost) teils hochkorrosiv sind, ist es notwendig die Herstellungsanlagen säure- und laugenfest auszulegen. Mit PTFE innen vollständig beschichtete Ventile und Tanks sind ein essentieller Bestandteil jeder Giftgasfabrik. Sie finden aber auch in Meerwasserentsalzungsanlagen Anwendung, da die dort entstehende Ablauge ebenfalls korrosiv ist. Diese Güter können also sowohl für hochbrisante militärische, als auch für zivile Zwecke eingesetzt werden. Die ungenehmigte Ausfuhr solcher Güter stellt einen Straftatbestand nach § 34 Abs. 1 Nr. 2 AWG dar und kann mit Freiheitsstrafe von bis zu fünf Jahren geahndet werden^[9].

Umweltproblematik

In den letzten Jahren ist die Herstellung von Fluorpolymeren in die Kritik geraten, da die dabei benötigte Perfluoroctansäure (wie alle perfluorierten Tenside) als persistenter und bioakkumulativer organischer Stoff im Verdacht steht, krebserregende und auch sonstige toxische Eigenschaften zu haben. Bei der Herstellung von Teflon entstehen langlebige perfluorierte Alkylsubstanzen, die in der Muttermilch nachgewiesen werden können. Wie sich diese Substanzen auf die Gesundheit auswirken, ist unklar.^[10]

Bei der Entsorgung (Verbrennung) von Perfluorpolymeren gelangen Fluorverbindungen in die Umwelt, typischerweise Flusssäure und Perfluorkohlenwasserstoffe wie Tetrafluorethen oder Trifluoressigsäure.^[11]

Siehe auch

• Fluorcarbone
• Perfluorkautschuk FFKM oder FFPM
• Perfluoralkoxylalkan PFA
• Perfluorethylenpropylen FEP
• Polyvinylidenfluorid PVDF
• Polychlortrifluorethylen PCTFE

Weblinks

• Bundesinstitut für Risikobewertung: Fragen und Antworten zu Koch- und Bratgeschirr mit Antihaftbeschichtung (PDF)
• PTFE-Eigenschaften und -Stoffwerte (englisch) (PDF)

Quellen

1. ↑ ^{a b c} Eintrag zu Polytetrafluorethylen in der GESTIS-Stoffdatenbank des BGIA, abgerufen am 13. Dezember 2007 (JavaScript erforderlich)
2. ↑ ^{a b c d} Elringklinger-Kunststoff: PTFE
3. ↑ David A. Ellis, Scott A. Mabury, Jonathan W. Martin, Derek C. G. Muir: Thermolysis of fluoropolymers as a potential source of halogenated organic acids in the environment, Nature, 412, 321–324, doi:10.1038/35085548
4. ↑ W. Temple, I. Edwards, S. Bell (1985): “Poly” fume fever – two fatal cases. New Zealand Veterinary Journal 33(3), PMID 16031138
5. ↑ Bundesinstitut für Risikobewertung: Fragen und Antworten zu Koch- und Bratgeschirr mit Antihaftbeschichtung (PDF)
6. ↑ greenpaeace-magazin.de
7. ↑ zeit.de - Zerkratzte Pfannen
8. ↑ VO (EG) Nr. 1334/2000
9. ↑ http://bundesrecht.juris.de/awg/__34.html
10. ↑ aerztezeitung.de – Behörde weist Belastung der Muttermilch nach
11. ↑ Newsletter Perfluorierte Kohlenwasserstoffe (PFC)