پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) ( Polytetrafluoroethylene ) یک فلوئوروپلیمر مصنوعی یا سنتز شده از تترافلوئورواتیلن است که کاربردهای بسیار فراوانی دارد. این ماده بیشتر با نام تجاری تفلون شناخته میشود.
پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) ( Polytetrafluoroethylene )
پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE)، سر دسته خانواده پلی فلوروکربنها است و پلیمری سنتری، بلوری، محکم ، سخت، مومی شکل، غیر قابل اشتعال و ترموپلاستیک است و دارای ضریب اصطکاکی پایین است که توسط پلیمریزاسیون رادیکالهای آزاد مونومر تترا فلوئورواتیلن تولید میشود. پلی تترافلوئورواتیلن (PTFE) بیشتر با نام تجاری تفلون که متعلق به شرکت Chemours است معروف است و با مارکهای تجاری مانند تفلون، فلوئون، هاستافلون و پلی فلون شناخته میشود.
پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) با سطح لغزنده، نقطه ذوب بالا و مقاومت در برابر تقریباً تمام مواد شیمیایی متمایز میشود. این خصوصیات باعث شده تا به عنوان روکش ظروف پخت نچسب همچنین در محصولات صنعتی ، از جمله بلبرینگ ، قطعات شیرآلات و پمپها و در صنایع پزشکی و پوششهای ضد خوردگی، آسترهای مقاوم در برابر مواد شیمیایی، پوششهای مقاوم حرارتی و نیز پوششهای مقاوم در برابر سایش و… استفاده شود.
تاریخچه پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE)
پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) یکی از آن اکتشافات علمی تصادفی اعجاب انگیز است که در سال ۱۹۳۸ در آزمایشگاههای دوپونت توسط Plunkett کشف شد در حالی که او در تلاش برای ساختن یک مبرد از نوع CFC بود چراکه در آن زمان یخچالها از موادی چون آمونیاک و سولفور دیاکسید به عنوان سردکننده استفاده میشد که مضر بودند و تلاش برای ساخت سردکنندههای غیر سمی منجر به کشف تترافلوئورواتیلن گشت.
پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) در طول جنگ جهانی دوم به عنوان یک پوشش مقاوم در برابر خوردگی برای محافظت از تجهیزات فلزی استفاده شد. بیش از یک دهه پس از جنگ ، PTFE به دلیل مشکلاتی استفاده تجاری کمی داشت اما دوپونت در سال ۱۹۶۰ ظروف آشپزی نچسب با پوشش تفلون با مارک تجاری خود را عرضه کرد.
چگونگی تولید پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE)
پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) طی دو مرحله تولید میشود: نخست تولید مونومر تترا فلوئورو اتیلن سپس پلیمریزاسیون رادیکالهای آزاد تترافلورواتیلن
– n F۲C = CF۲ → – (F۲C − CF۲) n
تترافلوئوراتیلن (C۲F۴)، گازی بیرنگ و بیبو است که با حرارت دادن کلرو دیفلوئورومتان (CHClF۲) در محدوده دمایی ۶۰۰-۷۰۰ درجه سانتیگراد (۱۳۰۰ـ۱۱۰۰ درجه فارنهایت) تولید میشود. کلرو دیفلورومتان از واکنش هیدروژن فلوراید (HF) با کلروفرم (CHCl۳) بدست میآید. از آنجا که تترا فلورواتیلن میتواند به طور انفجاری به تترافلورومتان و کربن تجزیه شود ، برای جلوگیری از این اتفاق دستگاه ویژهای برای پلیمریزاسیون مورد نیاز است. این فرآیند به طور معمول با پرسولفات آغاز میشود ، که برای تولید رادیکالهای سولفات همولیز میشود:
[O۳SO−OSO۳]۲− ⇌ ۲ SO۴•−
پلیمر حاصل با گروههای استر سولفاته خاتمه مییابد ، که میتواند هیدرولیز شود و به گروههای انتهایی OH برسد.
به دلیل اینکه پلی تترافلوئورواتیلن (PTFE) تقریباً در تمام حلالها بطورناچیزی حل میشود ، پلیمریزاسیون به صورت امولسیون در آب انجام میشود. این فرآیند باعث ایجاد سوسپانسیونی از ذرات پلیمر میشود.
روش دیگر ، پلیمریزاسیون با استفاده از یک سورفاکتانت مانند PFOS است به همین سبب مونومرهای تترافلورواتیلن در آب سوسپانسیون یا امولسیون میشوند و سپس تحت فشار زیاد در حضور آغازگرهای رادیکال آزاد پلیمریزه میشوند. لذا PTFE از زنجیرهای از اتمهای کربن با دو اتم فلوئور متصل به هر کربن تشکیل شده است و یک مولکول شیمیایی بی اثر و نسبتاً متراکم با پیوندهای فلوئورکربن بسیار قوی ایجاد کردهاند.
فراوری و شکل دهی پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE)
پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) به دلیل قرارگیری اتمهای بزرگ فلوئور در زنجیره آن بسیار قطبی است و دارای بلورینگی است و فراوری آن میتواند دشوار و گران باشد ، زیرا دمای ذوب بالا آن (۳۲۷ درجه سانتیگراد) بالاتر از دمای اولیه تجزیه (۲۰۰ درجه سانتیگراد) آن است. هنگام ذوب شدن ، به دلیل عدم وجود فاز بلوری و ویسکوزیته ذوب زیاد با وجود اینکه جاری نمیشود اما مانند ژل رفتار میکند. از این رو آن را در دمای ۳۵۰ درجه سانتی گراد و فشار بالا شکلدهی میکنند و به این روش زینترینگ یا تفجوشی میگویند.
برخی از محصولات پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) با قالبگیری سرد ، نوعی قالبگیری فشاری ساخته میشوند. در اینجا ، PTFE ریز پودر شده تحت فشار زیاد (۱۰۰-۱۰ مگاپاسکال) به قالب وارد می شود و پس از یک دوره چند دقیقه ای تا چند روزه قرارگیری و باقی ماندن ، قالب در ۳۶۰ تا ۳۸۰ درجه سانتیگراد (۶۸۰ تا ۷۱۶ درجه فارنهایت) گرم میشود و اجازه میدهد ذرات ریز ذوب شوند.
ساختار و فرمول شیمیایی پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE)
پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) در واقع یک پلیمر وینیلی است و ساختار آن، برخلاف رفتارش، شبیه پلی اتیلن است. پلی تترافلوئورواتیلن (PTFE) از مونومر تترافلوئورواتیلن و از طریق پلیمریزاسیون وینیلی
رادیکال آزاد ساخته می شود. زنجیره اصلی پلی تترافلوئورواتیلن (PTFE) کربن است که به هر کربن آن، دو اتم فلوئور متصل است. شکل زیر فرم ساختاری گسترده آن است.
به فرم زیر هم میتوان نمایش داد:
پیوند کربن-فلوئور به پیوند شیمیایی کووالانسی بین یک اتم کربن و یک اتم فلوئور گفته میشود که دارای خاصیت قطبی بوده و قویترین و کوتاهترین پیوند شیمیایی در شیمی آلی است. این پیوند در تمامی ترکیبات آلی فلوئور مانند فلوئوروکربنها مانند تترافلورومتان مشاهده میشود.
فلوئور به علت دافعه الکترونی خود تمایلی به وجود اتمی در اطراف خود ندارد چه هم نوع چه اتمی متفاوت که تمایل کمتری به آنها دارد ، بنابراین مولکولی که پر از اتمهای فلوئور است، دوست دارد تا آنجا که ممکن است از مولکولهای دیگر دور باشد، به همین دلیل مولکولهای سطح یک قطعه را از مولکولهای هر چیزی را که سعی کند به آنها نزدیک شود، دفع میکنند. در نتیجه به هیچ چیز نمیچسبد و این همان اتفاقی است که در ظروف تفلون رخ میدهد.
خواص و ویژگیهای پلی تترافلوئورواتیلن (PTFE)
پلی تترافلوئورواتیلن (PTFE) یک پلیمر ترموپلاستیک است که در دمای اتاق یک جامد سفید است و در کل به صورت گرانول ، پودر ریز و دیسپرسیون پایه آب موجود است.
- رزین گرانول رزین با پلیمریزاسیون سوسپانسیون در یک محیط آبی با عامل دیسپرسیون کم یا بدون آن تولید میشود. از رزینهای گرانول پلی تترافلوئورواتیلن (PTFE) عمدتا برای قالبگیری (فشرده سازی و ایزوستاتیک) و اکستروژن پیستونی استفاده میشود.
- پودر ریز پلی تترافلوئورواتیلن (PTFE) توسط پلیمریزاسیون امولسیونی کنترل شده تهیه میشود و محصولات آن ذرات سفید و کوچک سایز هستند. پودرهای ریز PTFE را میتوان با اکستروژن به برشهای نازک پردازش کرد و یا به عنوان افزودنی برای افزایش مقاومت در برابر سایش یا خاصیت اصطکاکی مواد دیگر استفاده کرد.
- دیسپرسیون پلی تترافلوئورواتیلن (PTFE) توسط پلیمریزاسیون آبی با استفاده از عامل دیسپرسیون بیشتر همراه با همزن تهیه میشود. از دیسپرسیونها برای پوششها و ریختهگری فیلم استفاده میشود.
مزایا و معایب پلی تترافلوئورواتیلن (PTFE)
پلی تترافلوئورواتیلن (PTFE) زیر ۳۲۷ درجه سانتیگراد ذوب نمیشود، در دمای بالاتر از ۶۵۰–۷۰۰ درجه سانتیگراد PTFE دستخوش دی پلیمریزاسیون قرار میگیرد. کمترین ضریب اصطکاک (۰.۰۸ استاتیک و ۰.۰۱ پویا) را در میان پلیمرها دارد، این ویژگی ها اجازه میدهد تا برای بلبرینگهایی که به روانکننده نیاز ندارند ، به عنوان آستر برای تجهیزات مورد استفاده در ذخیرهسازی و حمل و نقل اسیدهای قوی و حلالهای آلی ، به عنوان عایق الکتریکی در شرایط دمای بالا و در کاربردهای معروف چون سطوح پخت و پز که نیازی به استفاده از چربی ندارد، استفاده گردد.
PTFE اغلب به عنوان پوشش تابههای نچسب استفاده میشود زیرا آبگریز است و مقاومت در برابر حرارت نسبتاً بالایی دارد.
خواص شیمیایی پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE
پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) دارای خواص عالی مانند بیاثر بودن شیمیایی ، دارای مقاومت شیمیایی، مقاومت حرارتی (هم زیاد و هم کم) ، خواص عایقالکتریکی و خاصیت ضد چسبندگی در دامنه دمایی وسیع (۲۶۰ تا ۲۶۰ درجه سانتیگراد) و غیرقابل حل در بسیاری از حلالها است.
پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) پایداری حرارتی بالایی را بدون تخریب مشهودی در زیر ۴۴۰ درجه سانتیگراد از خود نشان میدهد. دارای خصوصیات الکتریکی عالی مانند مقاومت در برابر عایق بالا ، ثابت دی الکتریک کم است. دارای ثابت دیالکتریک بسیار کم به دلیل ساختار بسیار متقارن ماکرومولکولها است.
خواص مکانیکی پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE)
خواص مکانیکی پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) معمولاً از پلاستیکهای مهندسی در دمای اتاق کمتر است. ترکیب آن با پرکنندهها استراتژی غلبه بر این مشکل بوده است. PTFE در محدوده دمایی مورد استفاده از خواص مکانیکی مفیدی برخوردار است.
خواص مکانیکی پلی تترافلوئورواتیلن (PTFE) همچنین تحت تأثیر متغیرهای فراورشی مانند فشار از پیش ایجاد شده، دمای سخت شدن ، سرعت خنک سازی و … قرار دارد. متغیرهای پلیمری مانند جرم مولی ، اندازه ذرات ، توزیع اندازه ذرات تأثیر قابل توجهی بر خصوصیات مکانیکی دارد.
گاز حاصل از سوختن پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) در دمای بالاتر از ۴۰۰ درجه سانتیگراد بسیار سمی و خطرناک می باشد. در دماهای بالا فرآیند پذیری مشکلی دارد، وزن مخصوص بالایی دارد (۲.۳ برابر پلی اتیلن) که باعث افزایش قیمت این پلیمر شده است.
ساخت محصولات پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) دشوار است زیرا مواد حتی بالاتر از نقطه ذوب خود به راحتی جریان نمییابند. قطعات را میتوان با فشردهسازی و گرم کردن پودرهای ریز مخلوط با روانکنندههای فرار تهیه کرد. سطوح فلزی را میتوان با سوسپانسیون آبی ذرات پلی تترافلوئورواتیلن (PTFE) اسپری کرد و یا غوطهور کرد و یک پوشش دائمی ایجاد کرد. پراکندگی پلی تترافلوئورواتیلن (PTFE) همچنین می تواند به الیاف تبدیل شود.
زمانی که مولکولهای پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) دچار شکست حرارتی شوند ترکیباتی از قبیل سدیم تریفلوئورو استات (Sodium trifluoroacetate) و کلورودیفلوئورو استات (chlorodifluoroacetate) و کربوکسیلیک اسیدها ایجاد میگردد. برخی مطالعات جدید حاکی از اثرات سوء این ترکیبات بر سلامتی انسان و تأثیرات مخرب زیست محیطی است و به همین دلیل در بازار آمریکا در حال جایگزینی است.
خصوصیات مولکولهای پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) از ساختار الکترونیکی خاص اتم فلوئور ، پیوند کووالانسی پایدار کربن-فلور و فعل و انفعالات درون مولکولی و بین مولکولی منحصربفرد بین بخشهای پلیمر فلوئوره شده و زنجیرههای اصلی حاصل میشود.
محتوای فلوئور موجود در پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) از نظر تئوری ۷۶٪ و دارای تبلور ۹۵٪ است و این اندازه اتم فلوئور است که پوشش یکنواخت و مداومی در اطراف پیوندهای کربن-کربن ایجاد میکند و از این رو مقاومت شیمیایی و ثبات خوبی به مولکول میدهد. این پوشش یکنواخت فلوئور همچنین بی اثر بودن الکتریکی مولکول را فراهم میکند.
تأثیر پرکنندهها و مواد افزودنی بر خواص پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE)
خواص مکانیکی پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) را میتوان با افزودن مواد پرکننده ، به ویژه خزش و میزان سایش را افزایش داد. الیاف شیشه ، برنز ، فولاد ، کربن ، الیاف کربن ، گرافیت و … از جمله پرکننده های رایج مورد استفاده هستند.
- الیاف شیشه با کاهش دماهای پایین و بالا آن تأثیر مثبتی بر عملکرد خزش پلی تترافلوئورواتیلن (PTFE) دارد. ترکیبات حاوی پرکننده شیشه در محیطهای اکسیدکننده عملکرد خوبی دارند. علاوه بر این ، ویژگیهای سایش پلی تترافلوئورواتیلن (PTFE) بهبود مییابد.
- کربن باعث کاهش خزش ، افزایش سختی و افزایش رسانش گرمایی پلی تترافلوئورواتیلن (PTFE) میشود. هنگامی که با گرافیت ترکیب شود ، مقاومت در برابر سایش ترکیبات حاوی پرکننده کربن میتواند بیشتر بهبود یابد. این ترکیبات برای کاربردهای غیر روانکننده مانند حلقههای پیستون در سیلندر کمپرسور مناسب هستند. علاوه بر این، گرافیت ویژگیهای سایش بسیار خوبی به پلی تترافلوئورواتیلن (PTFE) میدهد و PTFE حاوی پرکننده گرافیت دارای ضریب اصطکاک بسیار کم است.
- الیاف کربن باعث کاهش خزش ، افزایش مدول خمشی و تراکمی و افزایش سختی میشود. بر خلاف الیاف شیشه ، الیاف کربن نسبت به هیدروفلوئوریک اسید و بازهای قوی بی اثر هستند. ترکیبات پلی تترافلوئورواتیلن (PTFE) الیاف کربن ضریب انبساط حرارتی کمتر و هدایت گرمایی بالایی دارند. این قطعات برای قطعات خودرو در کمک فنرها ، پمپهای آب و… ایده آل هستند.
- ترکیبات پلی تترافلوئورواتیلن (PTFE) حاوی برنز دارای هدایت حرارتی و الکتریکی بالایی هستند که به نوبه خود باعث میشود که این ترکیبات در مواردی که در دماهای خیلی بالا عمل میکنند ، برای استفاده مناسب باشند.
- سایر پرکنندههایی که در پلی تترافلوئورواتیلن (PTFE) برای تولید ترکیبات خاص گنجانده شدهاند ، شامل پرکنندههای پلیمری، کلسیم فلوراید ، آلومینا ، میکا هستند.
به طور کلی:
- پرکنندهها باعث ایجاد خواص عالی پلی تترافلوئورواتیلن (PTFE) در دماهای پایین و بالا می شوند.
- پرکنندهها / مواد افزودنی تخلخل ترکیبات پلی تترافلوئورواتیلن (PTFE) را افزایش میدهند و از این رو خصوصیات الکتریکی را تحت تأثیر قرار می دهند و مقاومت دی الکتریک کاهش می یابد در حالی که ثابت دی الکتریک و ضریب اتلاف افزایش مییابد.
- خواص شیمیایی به خوبی به نوع پرکننده استفاده شده بستگی دارد. به طور کلی ، خواص شیمیایی ترکیبات پلی تترافلوئورواتیلن (PTFE) بهبود یافته به خوبی خصوصیات رزین بهبود نیافته نیست.
- پرکننده تغییر در هدایت الکتریکی و حرارتی PTFE را ایجاد می کند.
بدون از دست دادن کامل خواص فیزیکی ، حداکثر ۴۰٪ از حجم پرکننده میتواند به پلی تترافلوئورواتیلن (PTFE) اضافه شودو تأثیر پرکنندههای زیر ۵٪ کم است.
کاربردهای پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE)
مواد ترموپلاستیک فلوئوره شده فقط برای کاربردهایی با کارایی بالا و مربوط به گرمای زیاد ، دمای پایین ، بی اثر بودن شیمیایی ، خلوص بالا ، خاصیت ضد چسبندگی و خود روانکننده استفاده میشود. علاوه بر این از درجههای با خلوص بالا بیشتر در نیمه هادی ، دارویی و سایر بخشهای مشابه استفاده میشود.
اصلی ترین کاربرد پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE)
اصلی ترین کاربرد پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) در پوششها و عایقها است. پوشش دادن وسایل خوراک پزی(ظروف تفلون)، صنایع شیمیایی و الکتریکی و کاربرد به عنوان فیلم (نوار تفلون) برای مصارف لوله کشی و صنایع نفت و گاز ، فرآیند شیمیایی ، صنعتی تا بخش های الکتریکی / الکترونیکی و ساختمانی و غیره است.
پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) در صنایع نفت و گاز و جکهای هیدرولیک به عنوان گاید رینگ و بکاپ رینگ، در صنایع آببندی، در ساخت انواع واشر و در صنایع نیروگاهی و تولید ولو (شیر) به عنوان آببند ولو استفاده میشود.
پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) خواص خود را در دماهای بسیار پایین نیز حفظ می نماید از این رو در صنایع مهمی از جمله هوا فضا در ساخت کابلهای برق رایانهها و هوافضا (برای مثال کابلهای کواکسیال( استفاده میشود و مخصوصا به دلیل خواص دیالکتریکی عالی آن در فرکانسهای رادیویی بالا آن را برای استفاده به عنوان یک عایق عالی در اتصال دهندهها و کابلها و در صفحه مدار چاپی مورد استفاده در فرکانسهای مایکروویو مناسب میکند، استفاده میشود. همچنین در صنایعی که نیاز به کار در دمای پایین دارند مانند آب بندی مخازن نیتروژن مایع در دمای ۱۹۶- درجه و هیدروژن مایع ۲۵۳- کاربردهای فراوانی دارد.
فیلم پلی پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) به طور گستردهای در تولید کامپوزیتهای الیاف کربن و همچنین کامپوزیتهای فایبرگلاس ، به ویژه در صنعت هوافضا مورد استفاده قرار میگیرد.
پلی تترافلوئورواتیلن (PTFE) با دمای ذوب بالای آن باعث میشود که ماده مورد انتخاب برای پلی اتیلن ضعیفتر و با نقطه ذوب پایینتر که معمولاً در کاربردهای کم هزینه استفاده میشود ، به عنوان یک جایگزین با عملکرد بالا باشد.
از لایه نازک پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) به صورت گستردهای در تولید کامپوزیتهای فیبرکربنی و کامپوزیتهای فایبرگلاس مخصوصاً در صنعت هوافضا استفاده میشود.
در کاربردهای صنعتی به دلیل ضریب اصطکاک بسیار پایین پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE)، از آن برای ساخت بلبرینگ لغزشی، چرخدنده، آببند، گسکت و واشر، بوش، آسترها و دیگر کاربردهایی که نیاز به لغزش با اصطکاک پایین دارد استفاده میشود.
پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) در برخی از اسپریهای روانکننده آیروسل ، از جمله به صورت میکرونیزه و پلاریزه ، استفاده میشود. به دلیل ضریب اصطکاک بسیار کم ، آبگریزی (که باعث مهار زنگ زدگی میشود) و همچنین برای فیلم خشکی که پس از استفاده ایجاد می شود ، قابل توجه است و به آن اجازه میدهد در برابر جمعآوری ذراتی که در غیر این صورت ممکن است خمیر ساینده تشکیل دهند ، مقاومت کند.
مقاومت توده بسیار زیاد پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) ، آن را به ماده ای ایده آل برای ساخت الکترودهای با عمر طولانی ، آنالوگهای الکترواستاتیک آهن رباهای دائمی تبدیل میکند.
از آنجاییکه پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) به ندرت توسط بدن انسان دفع میشود استفادههای پزشکی و بیمارستانی مختلفی چون ساخت اعضای مصنوعی بدن انسان ،ایمپلنت ، ابزار جراحی و تجهیزات آزمایش و… دارد.
پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) در ساخت کلیه ی قطعات صنایع پتروشیمی که در تماس با اسیدها و بازهای قوی هستند، کاربرد دارد.
خلاصهای از کاربردهای پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE)
کاربردهای کلی پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE)
پوشش تفلونی وسایل آشپزی، لوله مقاوم در برابر مواد شیمیایی، شیرهای اتصال و قطعات پمپ؛ قطعات الکتریکی با دمای بالا، واشرها، درزگیرها و بسته بندی.
خلاصه خواص پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE)
PTFE پلیمری بلورین با مقاومت شمیایی و مقاومت حرارتی بسیار زیاد (تا دمای ۲۵۰ درجه سانتیگراد) است. PTFE کمترین ضریب اصطکاک را در میان پلیمرها دارد. PTFE برخلاف سایر ترموپلاستیک ها نرم نمی شود و باید با روش های غیر معمول فرآیند شود (پودر PTFE به شکل مورد نظر فشرده شده و تف جوشی می شود).