Наследие PTFE: от случайности к глобальному влиянию — Часть 10

Во время недавней онлайн-лекции физик объяснил, как синтезируются элементы тяжелее урана. Эти сверхтяжелые элементы, созданные в первой ядерной программе оружия, становятся все труднее производить по мере роста их атомного номера, часто давая лишь несколько атомов, которые быстро распадаются. Практическая ценность такого исследования трудно обосновать фондам, поэтому спикер провел сравнение с космической программой, цитируя инженера NASA, который утверждал, что, хотя посадка на Луну может не казаться мудрым вложением, она привела к изобретениям, таким как Тефлон. Это сравнение исторически неверно: PTFE был случайно открыт в 1938 году, почти двадцать лет до запуска первых ракет на орбиту и более чем три десятилетия до высадки Аполлон-11.

PTFE, или поли(тетрафторетилен), имеет структурное родство с полиэтиленом. Оба полимера состоят из углеродного хребта, но в то время как водороды полиэтилена остаются, атомы водорода PTFE замещены фтором. Эта замещающая реакция дает PTFE его исключительную химическую инертность, высокую температуру плавления и низкий коэффициент трения. История открытия PTFE зеркалирует историю полиэтилена: Эрик Фосетт и Реджинальд Гибсон случайно полимеризовали этилен под высоким давлением, и аналогичная случайная полимеризация тетрафторетилена привели к первым кристаллам PTFE.

Рой Планкетт, химик, приписываемый открытию PTFE, присоединился к DuPont после завершения Ph.D. в штате Огайо. В то время как его современник Пол Флори, позже нобелевский лауреат, фокусировался на теоретической полимерной науке, Планкетт применял химию напрямую к промышленным вызовам. Его первый проект в DuPont включал разработку новых холодильных средств, преследование которое привело к синтезу 100 фунтов тетрафторетилена. Когда цилиндр хранения был открыт, газа не вышло; вместо этого было найдено белое, восковидное вещество. Материал, с высокой температурой плавления и химической стойкостью, оказался PTFE, образованным полимеризацией тетрафторетилена под давлением.

Хотя Планкетт не коммерциализировал PTFE — его работа позже была выделена в Chemours в 2013 году — военная ценность полимера стала очевидной во время Второй мировой войны. Сопротивление PTFE коррозивному урангексафториду (UF₆) было критичным для обращения и обработки делящегося материала в Лос-Аламосе и Оук-Риджских национальных лабораториях. Патенты на PTFE были поданы в 1941 году, и материал был официально выведен на рынок в 1945 году.

Карьера Планкетта пересекалась с другими ключевыми химическими разработками. Пока он был повышен до отделения бензиновых добавок DuPont, химик General Motors Томас Миджли ранее открыл тетраэтилсвинцов в 1921 году, обеспечивая плавную работу бензиновых двигателей. Миджли также помог синтезировать первый хлорофторуглеродистый холодильный агент, дихлордифториметан (Фреон 12), соединение, которое Планкетт производил, когда возник PTFE. Эти события иллюстрируют, как промышленная химия может стимулировать непредвиденные прорывы.

Строя на PTFE, производители разработали фторополимеры, которые могут быть расплавно-обработаны, такие как фторированный этилен пропилен (FEP), перфлуор-алкокси (PFA) и кополимеры вроде этилен-тетрафторетилен (ETFE) и этилен-хлортрифторетилен (ECTFE). Поливинилиденфторид (PVDF) предлагает более низкую температуру плавления (~160 °C) и часто формуется с минимальными добавками. Эти материалы варьируются от эластомеров до полужестких композитов, наполненных минералами или углеродом. Их фторное содержание придает химическую стойкость, огнеупорность и низкое трение, а также обеспечивает отличную электрическую изоляцию — делая их незаменимыми в электронике, авиации и медицинских приборах.

Самое известное свойство PTFE — его нелипкая поверхность, которая была впервые применена к посуде в середине 1950-х. Сегодня PTFE остается единственным известным материалом, предотвращающим прикрепление гекконов к поверхностям, и держит рекорд по количеству поданных патентах DuPont. Хотя Планкетт не контролировал коммерческий запуск, его имя синонимично PTFE и его дериватам.

Наследие Планкетта сложно; его более поздняя работа на свинцовистом бензине и фреоновых холодильных средствах теперь рассматривается критически. Тем не менее, создание PTFE и его фторополимерной семьи глубоко сформировало современные технологии, от авиации до повседневных товаров потребления.

В следующей части мы исследуем эволюцию инженерных термопластов, фокусируясь на влиятельном материале поликарбонат.

Об авторе: Майкл Сепе — независимый консультант по материалам и обработке, базирующийся в Седоне, штат Аризона, обслуживающий клиентов по всей Северной Америке, Европе и Азии. С более чем 45-летним опытом в пластиковой индустрии он специализируется на выборе материалов, дизайне для технологичности, оптимизации процессов, устранении неисправностей и анализе отказов. Контакт: (928) 203-0408 • mike@thematerialanalyst.com