Тефлон

<час />

Фон

Тефлон - это зарегистрированное торговое название очень полезного пластического материала политетрафторэтилена (ПТФЭ). ПТФЭ - это один из класса пластиков, известных как фторполимеры. Полимер - это соединение, образованное химической реакцией, которая объединяет частицы в группы повторяющихся больших молекул. Многие распространенные синтетические волокна представляют собой полимеры, такие как полиэстер и нейлон. ПТФЭ - это полимеризованная форма тетрафторэтилена. ПТФЭ обладает множеством уникальных свойств, которые делают его ценным во многих областях применения. Он имеет очень высокую температуру плавления и стабилен при очень низких температурах. Его нельзя растворять только горячим газом фтора или некоторыми расплавленными металлами, поэтому он чрезвычайно устойчив к коррозии. К тому же он очень гладкий и скользкий. Это делает его отличным материалом для покрытия деталей машин, которые подвергаются нагреву, износу и трению, для лабораторного оборудования, которое должно противостоять коррозионным химическим веществам, а также в качестве покрытия для кухонной посуды и посуды. ПТФЭ используется для придания стойкости к пятнам тканям, коврам и настенным покрытиям, а также в качестве защиты от атмосферных воздействий на наружных вывесках. PTIZE имеет низкую электропроводность, поэтому он является хорошим электроизолятором. Он используется для изоляции многих кабелей передачи данных и необходим при производстве полупроводников. ПТФЭ также используется в различных медицинских целях, например, в сосудистых трансплантатах. Стеклоткань с покрытием PTFE служит для защиты крыш аэропортов и стадионов. ПТФЭ можно даже включить в волокно для плетения носков. Низкое трение PTFE делает носки исключительно гладкими, защищая ноги от пузырей.

История

ПТФЭ был случайно открыт в 1938 году молодым ученым, искавшим что-то еще. Рой Планкетт был химиком E.I. du Pont de Nemours and Company (Du Pont). Он получил докторскую степень в Университете штата Огайо в 1936 году, а в 1938 году, когда он наткнулся на тефлон, ему было всего 27 лет. Область Планкетта была хладагентами. Многие химические вещества, которые использовались в качестве хладагентов до 1930-х годов, были опасно взрывоопасными. Du Pont и General Motors разработали новый тип негорючего хладагента, форму фреона под названием хладагент 114. Хладагент 114 был связан эксклюзивным соглашением с подразделением General Motor Frigidaire и в то время не мог продаваться другим производителям. . Планкетт попытался придумать другую форму хладагента 114, которая обошла бы патентный контроль Frigidaire. Техническое название хладагента 114 - тетрафтордихлорэтан. Планкетт надеялся получить аналогичный хладагент путем реакции соляной кислоты с соединением, называемым тетрафторэтиленом или ТФЭ. Сам TFE был малоизвестным веществом, и Планкетт решил, что его первой задачей было произвести большое количество этого газа. Химик подумал, что с таким же успехом можно сделать сотню фунтов газа, чтобы его хватило на все его химические тесты, а также на токсикологические тесты. Он хранил газ в металлических баллончиках с выпускным клапаном, очень похожих на баллончики, которые сегодня используются в коммерческих целях для аэрозольных баллончиков под давлением, таких как лак для волос. Планкетт держал банки на сухом льду для охлаждения и сжижения газа ТФЭ. Его эксперимент с хладагентом потребовал от Планкетта и его помощника выпустить газ TFE из баллончиков в нагретую камеру. Утром 6 апреля 1938 года Планкетт обнаружил, что не может достать бензин из баллончика. К мистификации Планкетта и его помощника, газ за ночь превратился в белый хлопьевидный порошок. ТФЭ полимеризовался.

Полимеризация - это химический процесс, в котором молекулы объединяются в длинные цепочки. Один из самых известных полимеров - нейлон, который также был обнаружен исследователями Du Pont. В 1930-е годы полимерная наука все еще находилась в зачаточном состоянии. Планкетт считал, что ТФЭ не может полимеризоваться, и все же каким-то образом это произошло. Он отправил странные белые хлопья в центральный исследовательский отдел Du Pont, где группы химиков проанализировали их. Полимеризованный ТФЭ оказался удивительно инертным. Он не вступал в реакцию с другими химическими веществами, сопротивлялся электрическому току и был чрезвычайно гладким и гладким. Планкетту удалось выяснить, как газ ТФЭ случайно полимеризовался, и он получил патент на полимеризованное вещество, политетрафторэтилен или ПТФЭ.

Изначально производство ПТФЭ было дорогостоящим, и его ценность не была ясна ни Планкету, ни другим ученым из Du Pont. Но его начали использовать во время Второй мировой войны, при разработке атомной бомбы. Создание бомбы потребовало от ученых обращения с большими количествами едкого и токсичного вещества гексафторида урана. Компания Du Pont предоставила прокладки и футеровки с покрытием из ПТФЭ, устойчивые к экстремальному коррозионному воздействию гексафторида урана. Du Pont также использовала PTFE во время войны для изготовления носовых конусов некоторых других бомб. Du Pont зарегистрировала торговую марку Teflon для своего запатентованного вещества в 1944 году и после войны продолжала работать над более дешевыми и эффективными технологиями производства. Du Pont построила свой первый завод по производству тефлона в Паркерсбурге, штат Западная Вирджиния, в 1950 году. После войны компания начала продавать тефлон в качестве покрытия для обработанных металлических деталей. В 1960-х годах Du Pont начала продавать посуду с тефлоновым покрытием. Гладкое тефлоновое покрытие сопротивлялось липкости даже пригоревшей пищи, поэтому мыть сковороды было легко. Компания продавала тефлон и для множества других целей. В последующие десятилетия были разработаны и проданы на рынок другие родственные фторполимеры, некоторые из которых были проще в переработке, чем ПТФЭ. В 1985 году компания Du Pont зарегистрировала еще один вариант тефлона - тефлон AF, растворимый в специальных растворителях.

Сырье

ПТФЭ полимеризуется из химического соединения тетрафторэтилена или ТФЭ. Антипригарная сковорода состоит из различных антипригарных слоев. ТФЭ синтезируется из плавикового шпата, плавиковой кислоты и хлороформа. Эти ингредиенты объединяются при сильном нагревании - так называемый пиролоз. ТФЭ - это нетоксичный газ без цвета и запаха, который, однако, легко воспламеняется. Он хранится в жидком виде при низкой температуре и давлении. Из-за сложности транспортировки легковоспламеняющегося ТФЭ производители ПТФЭ также производят свой собственный ТФЭ на месте. В процессе полимеризации в качестве инициаторов используется очень небольшое количество других химикатов. Могут быть использованы различные инициаторы, включая персульфат аммония или пероксид дисунтарной кислоты. Другой важный ингредиент процесса полимеризации - вода.

Производственный
процесс

ПТФЭ можно производить разными способами, в зависимости от конкретных свойств, желаемых для конечного продукта. Многие особенности процесса являются секретами производителей. Есть два основных метода производства ПТФЭ. Один из них - суспензионная полимеризация. В этом методе ТФЭ полимеризуется в воде, в результате чего получаются зерна ПТФЭ. Далее зерна можно перерабатывать в гранулы, которые можно формовать. При использовании метода диспергирования полученный ПТФЭ представляет собой пасту молочного цвета, которую можно перерабатывать в мелкий порошок. При нанесении покрытий используются как паста, так и порошок.

Создание TFE

• 1 Производители ПТФЭ начинают с синтеза ТФЭ. Три ингредиента:ТФЭ, плавиковый шпат, плавиковая кислота и хлороформ объединяются в камере химической реакции, нагретой до 1094–1652 ° F (590–900 ° C). Затем полученный газ охлаждают и перегоняют для удаления любых примесей.

  Тефлон можно использовать для изготовления разнообразной посуды.

Суспензионная полимеризация

• 2 Реакционная камера заполнена очищенной водой и реакционным агентом или инициатором, химическим веществом, которое вызовет образование полимера. Жидкий ТФЭ подается по трубопроводу в реакционную камеру. Когда ТФЭ встречается с инициатором, он начинает полимеризоваться. Получающийся в результате ПТФЭ образует твердые зерна, которые всплывают на поверхность воды. При этом реакционную камеру механически встряхивают. В результате химической реакции внутри камеры выделяется тепло, поэтому камера охлаждается за счет циркуляции холодной воды или другого хладагента в рубашке вокруг нее. Органы управления автоматически отключают подачу ТФЭ после достижения определенного веса внутри камеры. Вода сливается из камеры, оставляя беспорядок из волокнистого ПТФЭ, который чем-то напоминает тертый кокос.
• 3 Затем ПТФЭ сушат и загружают в мельницу. Мельница измельчает ПТФЭ с помощью вращающихся лопастей, получая материал консистенции пшеничной муки. Этот мелкодисперсный порошок сложно формовать. Он имеет "плохую текучесть", что означает, что его нелегко обработать на автоматическом оборудовании. Как и непросеянная пшеничная мука, она может иметь как комочки, так и воздушные карманы. Поэтому производители превращают этот тонкий порошок в более крупные гранулы с помощью процесса, называемого агломерацией. Это можно сделать несколькими способами. Один из методов - смешать порошок ПТФЭ с растворителем, например ацетон, и перемешать его во вращающемся барабане. Зерна ПТФЭ слипаются, образуя маленькие шарики. Затем гранулы сушат в печи.
• 4 Гранулы ПТФЭ можно формовать в детали с помощью различных технологий. Однако ПТФЭ может продаваться оптом, уже предварительно отформованный в так называемые заготовки, которые представляют собой твердые цилиндры из ПТФЭ. Заготовки могут иметь высоту 5 футов (1,5 м). Их можно разрезать на листы или блоки меньшего размера для дальнейшего формования. Для формирования заготовки гранулы ПТФЭ заливаются в цилиндрическую форму из нержавеющей стали. Пресс-форма загружается на гидравлический пресс, который представляет собой что-то вроде большого шкафа с утяжеленным прессом. Плунжер опускается в форму и оказывает давление на ПТФЭ. По истечении определенного периода времени форма снимается с пресса, и ПТФЭ извлекается. Ему дают отдохнуть, а затем помещают в печь для заключительного этапа, называемого спеканием.
• 5 Формованный ПТФЭ нагревают в печи для спекания в течение нескольких часов, пока он постепенно не достигнет температуры около 680 ° F (360 ° C). Это выше точки плавления ПТФЭ. Частицы ПТФЭ сливаются, и материал становится гелеобразным. Затем ПТФЭ постепенно охлаждают. Готовую заготовку можно отправить клиентам, которые нарежут ее на более мелкие кусочки для дальнейшей обработки.

Дисперсная полимеризация

• 6 Полимеризация ПТФЭ методом диспергирования приводит либо к мелкодисперсному порошку, либо к пастообразному веществу, которое больше подходит для покрытий и отделочных материалов. ТФЭ вводят в реактор, заполненный водой, вместе с инициирующим химическим веществом. Вместо того, чтобы энергично встряхивать, как в процессе суспендирования, реакционную камеру только осторожно встряхивают. ПТФЭ превращается в крошечные шарики. Некоторая часть воды удаляется фильтрацией или добавлением химикатов, которые вызывают оседание шариков ПТФЭ. В результате получается вещество молочного цвета, называемое дисперсией ПТФЭ. Его можно использовать в виде жидкости, особенно при отделке тканей. Или он может быть высушен до мелкого порошка, используемого для покрытия металла.

Посуда с антипригарным покрытием

• 7 Одно из наиболее распространенных и видимых применений ПТФЭ - покрытие антипригарных кастрюль и сковородок. Сковорода должна быть из алюминия или алюминиевого сплава. Поверхность посуды должна быть специально подготовлена ​​для приема ПТФЭ. Сначала кастрюлю моют с моющим средством и ополаскивают водой, чтобы удалить весь жир. Затем сковороду опускают в теплую ванну с соляной кислотой в процессе, называемом травлением. Травление делает поверхность металла шероховатой. Затем сковороду ополаскивают водой и снова окунают в азотную кислоту. Наконец, его снова промывают деионизированной водой и тщательно сушат.
• 8 Теперь кастрюля готова к покрытию дисперсией ПТФЭ. Жидкое покрытие можно распылять или наносить валиком. Покрытие обычно наносится в несколько слоев и может начинаться с грунтовки. Точный состав праймера - служебная тайна производителей. После нанесения грунтовки противень сушат несколько минут, обычно в конвекционной печи. Затем наносятся следующие два слоя без перерыва между ними. После нанесения всего покрытия противень сушат в духовке, а затем спекают. Спекание - это медленный нагрев, который также используется для отделки заготовки. Обычно духовка имеет две зоны. В первой зоне сковорода медленно нагревается до температуры, при которой вода в покрытии испаряется. После того, как вода испарится, сковорода переходит в более горячую зону, в которой сковорода спекается при температуре около 800 ° F (425 ° C) в течение примерно пяти минут. Это превращает ПТФЭ в гель. Затем сковороде дают остыть. После охлаждения он готов к окончательной сборке, упаковке и отправке.

Контроль качества

Меры по контролю качества имеют место как на предприятии по производству первичного ПТФЭ, так и на предприятиях, где выполняются дальнейшие этапы обработки, такие как нанесение покрытий. На первичном производственном предприятии соблюдаются стандартные производственные процедуры для определения чистоты ингредиентов, точности температуры и т. Д. Конечная продукция проверяется на соответствие стандартам. Для дисперсии ПТФЭ это означает, что проверяются вязкость и удельный вес дисперсии. Также могут быть выполнены другие тесты. Поскольку тефлон является товарным знаком, производители, желающие использовать товарный знак для деталей или продуктов, изготовленных из тефлонового ПТФЭ, должны следовать инструкциям по контролю качества, установленным Du Pont. В случае производителей посуды с антипригарным покрытием, например, производители посуды соблюдают Программу сертификации качества Du Pont, которая требует, чтобы они контролировали толщину покрытия PTFE и температуру выпекания, а также проводили тесты на адгезию несколько раз в течение каждой смены.

Побочные продукты / отходы

Хотя сам ПТФЭ нетоксичен, при его производстве образуются токсичные побочные продукты. К ним относятся плавиковая кислота и диоксид углерода. Рабочие зоны должны хорошо вентилироваться, чтобы предотвратить воздействие газов во время нагрева ПТФЭ или когда он охлаждается после спекания. Врачи задокументировали конкретное заболевание, называемое лихорадкой от паров полимеров, от которой страдают рабочие, вдыхавшие газообразные побочные продукты производства ПТФЭ. Рабочие также должны быть защищены от вдыхания пыли из ПТФЭ при работе с деталями из ПТФЭ.

Некоторые отходы, образующиеся в процессе производства, можно использовать повторно. Поскольку производство ПТФЭ поначалу было очень дорогим, производители были заинтересованы в поиске способов использования металлолома. Отходы или мусор, образующиеся в процессе производства, можно очистить и превратить в мелкий порошок. Этот порошок можно использовать для формования или в качестве добавки к некоторым смазочным материалам, маслам и чернилам.

Использованные детали из ПТФЭ следует захоронить на свалках, а не сжигать, поскольку при сжигании при высоких температурах выделяется хлористый водород и другие токсичные вещества. В одном исследовании, опубликованном в 2001 году, утверждалось, что ПТФЭ также разлагается в окружающей среде на одно токсичное для растений вещество. Это трифторацетат, или ТФУ. Хотя текущие уровни TFA в окружающей среде низкие, это вещество сохраняется в течение длительного времени. Так что загрязнение TFA, возможно, вызывает беспокойство в будущем.

Где узнать больше

Книги

Эбнесаджад, Сина. Фторопласт. Норидж, штат Нью-Йорк:Библиотека дизайна пластмасс, 2000 г.

Периодические издания

Фридель, Роберт и Алан Пилон. «Случайный изобретатель». Откройте для себя (Октябрь 1996 г.):58.

Горман, Дж. «Окружающая среда застряла с антипригарными покрытиями». Новости науки (21 июля 2001 г.):36.

Анджела Вудворд