Polytetrafluóretylén

Polytetrafluóretylén (skrátene PTFE; niekedy tiež Polytetrafluóretén) je polymér tetrafluoretylenu, ktorý ako prvý pripravil chemik Roy J. Plunkett v spoločnosti DuPont. Polytetrafluóretylén je známy najmä pod svojím obchodným názvom teflon (resp. teflón). Ďalšími používanými obchodnými názvami polytetrafluóretylénu sú Dyneon™ PTFE (v minulosti Hostaflon™) a Gore-Tex™ (PTFE membrány).

PTFE patrí do skupiny polyhalogénolefínov, kam patrí napr. aj PCTFE — polytrifluórmonochlóretén. Patrí ku termoplastom, hoci má niektoré vlastnosti, ktoré sú typické skôr pre reaktoplasty. Teplota topenia PTFE je približne 327 °C, ale jeho vlastnosti sa menia už pri teplote 260 °C, nad teplotou 350 °C nastáva rozklad.

História

Napriek vžitému nesprávnemu tvrdeniu, že PTFE vznikol ako materiál pre vesmírne lety, ktoré začali až roku 1957, siaha jeho história až do roku 1938. Vtedy PTFE náhodne pripravil Roy J. Plunkett, keď experimentoval s tetrafluóretylénom ako chladiacim médiom pre chladničky. Plunkett zabudol tlakové fľaše s tetrafluóretylénom (TFE) umiestniť na noc do chladu. Do druhého dňa sa plyn vo fľašiach čiastočne premenil polymerizáciou na bielu tuhú látku — PTFE. Po svojom objaviteľovi sa ešte dnes nazýva priemyselný proces výroby PTFE. Ten spočíva v polymerizácii tetrafluóetylénu pri vysokom tlaku za prítomnosti iniciátorov (peroxidov). V roku 1941 získala firma DuPont patent na výrobu PTFE, v roku 1944 sa Teflon stal registrovanou obchodnou značkou.

Prvé praktické využitie sa pre PTFE našlo v roku 1943 — ochrana proti korózii pri výrobe atómovej bomby. Jeho vrstva na centrifúgach a potrubiach chránila materiál pred veľmi korozívnym plynom fluoridom uránovým (UF₆). Neskôr francúzsky chemik Marc Grégoire naniesol vrstvu teflonu na rybársky vlasec, ktorý sa potom rýchlejšie odvíjal. Práve jeho manželka Colette prišla v roku 1954 na myšlienku, že by sa teflon mohol použiť ako povrch na hrnce a panvice.

Výroba

PTFE sa vyrába z chloroformu (C H Cl₃) čiastočnou (parciálnou) fluoráciou, pričom medziproduktmi sú difluórchlórmetán a tetrafluóretylén. Ako katalyzátor sa používa fluorid-tetrachlorid antimoničný (Sb Cl₄F).

CHCl₃ + 2 HF → CHClF₂ + 2 HCl

2 CHClF₂ → C₂F₄ + 2 HCl

Tetrafluóretylén sa hneď po vzniku podrobuje radikálovej polymerizácii pri vysokom tlaku (cca 5 MPa). Podľa podmienok pri reakcii vznikajú molekuly PTFE rôznej dĺžky:

n C₂F₄ → —[C₂F₄]_n—

Vzhľadom na to, že reakcia je silne exotermická a monomér je pri vysokých teplotách výbušný, uskutočňuje sa polymerizácia v suspenzii.

Vzniknutý PTFE ma nasledujúcu štruktúru:

    F F F F F F F F F F F F
    | | | | | | | | | | | |
...-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-...
    | | | | | | | | | | | |
    F F F F F F F F F F F F

Vlastnosti

PTFE sa vyznačuje viacerými výnimočnými vlastnosťami:

PTFE je takmer nereaktívny. Silné kyseliny, ako napríklad lúčavka kráľovská s PTFE vôbec nereagujú. Príčinou sú veľmi silné väzby medzi atómami uhlíka a fluóru, pretože fluór je prvok s najvyššou elektronegativitou (x = 4,0) a s uhlíkom (x = 2,5) vytvára veľmi polárnu a stabilnú väzbu. Doteraz poznáme len málo zlúčenín, ktoré dokážu PTFE chemicky narušiť — napríklad roztavený sodík alebo fluór.
PTFE má veľmi nízky súčiniteľ šmykového trenia (f(oceľ–teflon) = 0,04). Dva PTFE povrchy sa po sebe kĺžu rovnako dobre ako dva ľadové povrchy. Okrem toho je tento súčiniteľ takmer rovnaký pre statický aj dynamický stav, preto je veľmi nenáročný prechod telesa z pokoja do pohybu.
Na povrchu zhotovenom z PTFE takmer nič neprilieha, pretože má ku ostatným materiálom extrémne vysoké povrchové napätie.
Hustota: 2,1–2,3 g/cm³, Tvrdosť podľa Shore D 55 až D 60
Vysoká odolnosť voči zvýšenej teplote, všetkým kyselinám, zásadám, alkoholom, ketónom, olejom atď. PTFE je možné používať pri teplote do 260 °C bez zmeny vlastností (pri teplote 400 °C dochádza pyrolýzou ku vzniku toxických produktov, napríklad fluórfosgén C O F₂). PTFE je odolný voči mrazu do −200 °C; fyziologicky úplne indiferentný.
Vysoký súčiniteľ tepelnej rozťažnosti, fázový prechod z triklinickej kryštálovej mriežky na hexagonálnu pri 19 °C sprevádzaný zmenou objemu.
Nehorľavý, v silnom žiare rozklad za vzniku fluorovodíka, plynné spaliny sú jedovaté a u človeka môžu vyvolať tvz. „teflónovú horúčku”.
Index lomu cca 1,34 — len málo odlišný od vody (1,333).

Použitie

Pre svoju chemickú odolnosť sa používa PTFE vo forme ochrannej vrstvy všade tam, kde sa pracuje s agresívnymi chemikáliami. Pri úprave uránu pre prvú atómovú bombu (Projekt Manhattan) bol reaktívny fluorid uránový uskladnený v nádobách pokrytých vrstvou PTFE.

V oblasti tesniacej techniky sa PTFE hojne používa na výrobu tesniacich krúžkov, závitov atď. Ďalej sa používa pri stavbe chemických aparatúr, kolón a potrubí na ich vnútorné povrchy, ktoré prichádzajú do styku s reaktívnymi látkami. Na nanášanie týchto vrstiev sa používa tzv. izostatická metóda, kedy sa PTFE pod vysokým tlakom lisuje na dané povrchy.

Rozmanité a relatívne jednoduché vytváranie prímesí k PTFE umožňujú vznik nových materiálov, ktoré sa vyznačujú viacerými výnimočnými parametrami (napríklad odolnosť voči tlaku, kvalita povrchu atď.). Pre svoje veľmi nízke trenie je PTFE vhodný materiál na výrobu ložísk, ktoré sa len pomaly opotrebúvajú.

V medicíne sa PTFE používa predovšetkým na výrobu implantátov. Dôvodom je najmä vysoká chemická stálosť, životnosť a znášanlivosť PTFE v tkanivách.

V optike sa teflon používa ako materiál na výrobu šošoviek, ktoré sú vhodné na prácu v IČ oblasti. V elektrotechnike našiel teflon uplatnenie ako kvalitný a odolný izolant. Z teflonu sa tiež vyrábajú dentálne nite, povrch projektilov. Počítačové myši majú z teflonu zhotovené „nožičky”, ktoré veľmi dobre kĺžu po podložke robia myš pohodlnejšou.

Antiadhezívne povrchy

Najznámejším použitím teflonu sú určite nepriľnavé povrchy na panviciach a hrncoch. Ich výroba spočíva najprv v zdrsnení povrchu kovu (buď pieskovaním alebo chemicky kyselinami). Potom sa PTFE nanáša pod tlakom na povrch, kde drží práve vďaka vytvoreným nerovnostiam. Väzba PTFE na panviciach teda spočíva vo fyzikálnych a nie chemických väzbách. Mnohé aplikácie PTFE sú aj v priemysle — v textilnom priemysle na úpravy tkanín, formy na spracovanie plastov atď.

Gore-Tex

V podobe veľmi tenkých vrstiev našiel teflon použitie ako Gore-Tex — sú to membrány s mikropórmi, ktoré sú dostatočne veľké, aby prepúšťali vodnú paru, ale vodu ako kvapalinu neprepúšťajú. Preto možno vyrábať oblečenie a obuv, ktoré je vodeodolné, ale zároveň umožňuje odvádzanie telesnej vlhkosti.

Gore-Tex je obchodný názov pre membrány vyrobené z PTFE, ktoré slúžia na poťahovanie textílií. Gore-Tex vyvinula americká spoločnosť W. L. Gore & Associates, Newark, Delaware.

V roku 1969 objavil americký chemik Bob Gore celkom nový spôsob spracovania PTFE, ktorý umožnil prenášať jeho výnimočné vlastnosti na textilné materiály. Spôsob výroby spočíva v mechanickej expanzii PTFE, čím sa docieli pórovitý povrch (tzv. ePTFE membrána). Na výrobu membrán sú potrebné len veľmi malé množstvá polyméru a vďaka tomu je výroba efektívna.

Gore-Tex membrány sú v súčasnosti používané na takmer všetky časti odevu a tiež na obuv, ktorá je potom vodotesná. Priepustnosť Gore-Tex membrán býva však veľmi často preceňovaná. Pri ťažkej fyzickej aktivite nie je žiadna membrána schopná odvádzať vznikajúci pot. Cez 1 m² membrány prejde za jednu hodinu maximálne 200–290 g pary, pričom pri veľkej záťaži môže telo vyprodukovať až 2 l tekutín za hodinu a navyše, pri vyšších teplotách je priepustnosť membrán ešte obmedzená.

V medicíne sa Gore-Tex implantáty používajú v chirurgii srdca, ciev, liečbe hernie a pri operáciách očnej rohovky.

Vplyv na životné prostredie

V posledných rokoch je výroba fluórovaných polymérov veľmi kritizovaná, pretože pri výrobe je potrebná kyselina perfluóroktánová, ktorá je toxická a navyše podozrivá z karcinogenity. Preto americký úrad pre ochranu životného prostredia EPA uvažuje o zákaze používania niektorých chemikálií. Spoločnosť DuPont musela zaplatiť sumu 16 miliónov dolárov za štúdiu, ktorá preukázala karcinogénne vlastnosti niektorých medziproduktov. Ďalších 300 miliónov dolárov stál spoločnosť súdny proces ohľadom znečistenia vôd v blízkosti jej továrne.

Pri vysokých teplotách sa môže PTFE rozkladať na toxické produkty, ktoré sú veľmi ťažko odbúrateľné a akumulujú sa v potravinovom reťazci. V krvi 95 % americkej populácie je možné tieto látky dokázať.

Iné projekty

Commons ponúka multimediálne súbory na tému Polytetrafluóretylén

Chemický portál