تفلون (پی تی اف ای یا PTFE) چیست؟

تفلون نام تجاری “پلی تترافلوئوراتیلن”، همان محصول چند میلیارد دلاری شرکت دوپونت است. در موارد گوناگونی، از ماهیتابه های نچسب گرفته تا لباسهای فضایی و دریچه های مصنوعی قلب، استفاده شده است. کشف آن ناشی از تصادفی بود که “روی ج. پلانکت” (Roy.J.Plunkett)، شیمیدان جوانی که دکترای خود را از دانشگاه ایالتی اوهایو گرفته بود، مشاهده نمود.

در این روز دکتر پلانکت مخزنی از “تترافلوئوراتیلن گازی”، باز کرد به این امید که سرد کننده ای غیر سمّی از آن تهیه کند. اما پلانکت و دستیارش جک ریبوک با شگفتی دیدند که گازی خارج نشد. پلانکت نمی توانست این پدیده را توجیه کند. وزن مخزن نشان می داد که باید پر از “فلوئوروکربن گازی” باشد.

پلانکت تصمیم گرفت کنجکاوی اش را درباره آن مخزن “خالی” ارضاء کند. وقتی سیمی به دریچه مخزن وارد کرد و مطمئن شد که اشکالی ندارد، مخزن را اره کرد و به درونش نگاهی انداخت. در آنجا گرد سفید مومی شکلی پیدا کرد و دریافت که ممکن است این مشاهده چه معنایی داشته باشد.

مولکولهای تترافلوئورواتیلن گازی به حدی با یکدیگر ترکیب (پلیمریزه) شده بودند که ماده جامدی تشکیل دادند. هیچ کس تا آن هنگام پلیمریزاسیون این ترکیب بخصوص را مشاهده نکرده بود. اما با این حال واکنش به نحوی در مخزن “خالی” مرموز صورت گرفته بود. چندی نگذشت که این کشف تصادفی و ویژگی های عجیب پلیمر به دست آمده، شیمیدانان شرکت دوپونت را واداشت تا راههایی پیدا کنند که “پلی تترافلوئورواتیلن” را برحسب نیاز تولید کنند.

واقعاً هم که این گرد سفید مومی شکل ویژگیهای عجیبی داشت. از شن هم خنثی تر بود. نه تحت تأثیر اسیدها و بازی های قوی قرار می گرفت، نه حرارت. هیچ حلّالی هم آن را حل نمی کرد. اما بر خلاف شن بسیار “لیز” بود.

تفلون در جنگ جهانی دوم

با وجود این ویژگی های جالب و غیرعادی، اگر جنگ جهانی دوم در نگرفته بود، تا مدتها بعد کار دیگری در زمینه آن صورت نمی گرفت. چند ماهی نگذشته بود که دانشمندانی که مشغول ساختن نخستین بمب اتمی بودند، احتیاج به ماده ای پیدا کردند تا بتوانند از آن واشرهایی بسازند که در برابر گاز بسیار خورنده هگزافلوئورید اورانیم، که برای تولید اورانیم 235 بمب مصرف می شد، مقاوم باشد.

سرهنگ لزلی ر. گرووز، مسئول بخش طرح بمب اتمی در ارتش ایالات متحده بود. وی از پلاستیک جدید شرکت دوپونت که فوق العاده خنثی بود، خبردار شد. بدین ترتیب این پلیمر لغزنده در واشرها و دریچه ها به کار رفت و نسبت به ترکیب خورنده اورانیم مقاوم بود. شرکت دوپونت در طی جنگ، تفلون را برای این کاربرد تولید کرد. عموم مردم تا بعد از جنگ هم چیزی درباره این پلیمر جدید نمی دانستند.

پروسه تولید تفلون

تولید پلیمر/رزین PTFE در طی دو مرحله انجام می شود.

مرحله اول: مونومر TFE توسط ترکیب Calcium Fluoride (Fluorospar) ،Sulphuric Acid و Chloroform بدست می آید.

مرحله دوم: تحت پلیمریزاسیون TFE در شرایط کنترل شده، PTFE تولید می شود. بدلیل مقاومت و پایداری پیوند C-F، مولکول های PTFE دارای خواص خوب شیمیایی، مقاومت بالا در برابر گرما و خواص عالی اصطکاکی بوده و عایق الکتریکی هستند.

تولید رزین PTFE

مرحله اول: تولید مونومر TFE

تترافلوئوراتیلن اولین بار در سال 1933 تولید شد. ترکیب تجاری براساس Fluorspar، Sulphuric Acid و Chloroform می باشد.

از واکنش Fluorspar و Sulphuric Acid، هیدروفلوریک اسید بدست می آید:

CaF2 + H2SO4 >>>>> CaSO4 + 2HF

تولید مونوکلرو دی فلورو متان و تترا فلوئور اتیلن (TFE): واکنش هیدروفلوریک اسید با کلروفرم باعث تولید مونوکلرو دی فلورو متان می شود:

CHCL3 + 2HF  >>>>>>>  CHCLF2 + 2HCL

نقطه ذوب مونوکلرو دی فلورو متان 40/8-  می باشد و همیشه بعنوان خنک کننده استفاده می شود. مونومر مونوکلرو دی فلورو متان را از یک لوله پلاتینیوم در دمای 700  عبور می دهند:

2CHCLF2   >>>>>>  CF2 = CF2 + 2HCL

ترکیبات تولید شده در طول پیرولیز، یک سری ساختارهای حلقه ای سمی می باشند.

مرحله دوم: پلیمریزاسیون TFE

پاکسازی TFE

برای پلیمریزاسیون، مونومر خالص مورد نیاز است. اگر ناخالصی ها وجود داشته باشد، روی محصول نهایی اثر خواهند گذاشت. بنابراین در ابتدا گاز اسکراب می شود تا هر نوع اسید هیدرولیک ازبین برود و سپس تقطیر می شود تا باقی ناخالصی ها جدا شوند.

تترافلوئوراتیلن غیر قابل انفجار خالص می تواند حتی در دمای پایین تر از دمای اتاق به شدت پلیمریزاسیون شود. یک راکتور با پوشش نقره ای، یک چهارم از محلول حاوی 0.2 قسمت آمونیوم پرسولفات، 1.5 قسمت بوراکس و 100 قسمت آب با PH 9.2 است. راکتور بسته می شود و در مدت یک ساعت در دمای 80 درجه سانتیگراد تحریک شده و پس از خنک شدن، 86 درصد پلیمر را تولید می کند.

تفلون PTFE توسط دو پروسه اصلی بوجود می آید. مرحله اول به نام پلیمر گرانول می باشد و مرحله دوم انتشار پلیمر از اندازه ذرات بسیار کوچکتر و وزن مولکولی پایین تر است. یکی از روش های تولید آن استفاده از محلول پراکسید اسید 0.1% می باشد. واکنش ها در دمای 90 درجه سانتیگراد انجام می شوند.

متدهای دیگر:

تجزیه TFE تحت تاثیر قوس الکتریکی

پلیمریزاسیون با کمک روش امولسیون با استفاده از آغازگرهای پراکسید مانند H2O2 (هیدروژن پراکسید) و سولفات آهن. گاهی اوقات از اکسیژن بعنوان آغازگر استفاده می شود.

همه واکنش های بالا بسیار اکسوترمی هستند و باید برای جلوگیری از انفجارات شدید کنترل شوند.

ساختار و خواص تفلون PTFE

ساختار شیمیایی تفلون PTFE بصورت پلیمر خطی C-F2-C-F2 بدون شاخه است و خواص مهم تفلون PTFE وابسته به پیوند محکم و پایدار کربن-فلوئور می باشد.

پلی تترافلوئوراتیلن یک پلیمر خطی آزاد از هرگونه شاخه است. درحالیکه مولکول پلی اتیلن به شکل زیگزاگ مسطح در حالت بلورین است، این وضعیت برای تفلون PTFE غیرممکن است، زیرا که اتم های فلوئور بزرگتر از هیدروژن هستند. بنابراین مولکول بصورت یک زیگزاگ پیچ خورده با اتم های فلورین در یک حرکت چرخشی به دور اسکلت کربن-کربن دارد. اتصال فشرده اتم های فلورین موجب می شود که نقطه ذوب بالا رود و پایداری حرارتی داشته باشد.

جذب بین مولکولی تفلون PTFE بسیار کوچک است، بطوریکه پارامتر انحلال پذیری محاسبه شده به 12.6 MJ/m3)1/2) می رسد. پلیمر بطور عمده سفتی بالا یا استحکام کششی ندارد. پیوند کربن-فلورین بسیار محکم و پایدار است. زمانیکه دو اتم فلورین به یک اتم کربن متصل شود، یک کاهش فاصله در پیوند کربن-فلوئور از 1.42 A تا 1.35 A رخ می دهد.

در نتیجه استحکام پیوندها ممکن است به 504 kJ/mole برسد. با وجود اینکه باقی پیوندهای حاضر، پیوند محکم C-C می باشد، حتی در دماهای بالاتر از نقطه ذوب (327)، تفلون PTFE مقاومت گرمایی بالایی دارد. بدلیل خاصیت بلورینگی و ناتوانی آن در تعامل های خاص، هیچ نوع حلالی در دمای معمولی اتاق برای تفلون PTFE وجود ندارد. در دمای نزدیک به نقطه ذوب، مایعات فلوئوری خاص مانند Per-fluorinated kerosene پلیمر را حل خواهند کرد.

خواص تفلون PTFE وابسته به نوع پلیمر و متد پردازش است. پلیمر ممکن است در وزن مولکولی و سایزهای متفاوت باشد. سایز قطعه روی پردازش و مقدار حفره ها در محصولات تمام شده اثر خواهد گذاشت، درحالیکه وزن مولکولی روی بلورینگی و بالا بردن خواص فیزیکی موثر می باشد. تکنیک های پردازشی بر روی بلورینگی و محتوای حفره اثر می گذارد.

وزن متوسط مولکولی پلیمرهای تجاری بسیار بالا بنظر می آید و در رنج 400000 تا 9000000 می باشد. گزارش ICI نشان می دهد که موادش دارای وزن مولکولی در رنج 500000 تا 5000000 و درصد بلورینگی بزرگتر از 94 می باشد. درجه بلورینگی محصولات تمام شده به نرخ سردشدن از دماهای پردازش بستگی دارد. به آرامی سرد شدن موجب می شود درصد بلورینگی بالا رود و سردشدگی سریع اثر معکوس دارد.

میزان نفوذپذیری تفلون PTFE

Permeability (gr/m2.24h)	Solvent
3.1	Hexane
1.5	Carbon Tetrachloride
3.1	Benzene
None	Ethanol
3.1	Water
Permeability (gr/m2.24h)	Gas
11	Air
23.2	Oxygen
7.6	Nitrogen
113	Carbon dioxide
4.1	Hydrogen
Permeability (gr/m2.24h)	Acid
5.2	Glacial acetic acid
7.4	Nitric acid 70%
2.3	Hydrochloric acid 37%

کاربرد تفلون PTFE

تفلون به طرق گوناگون بر زندگی میلیونها نفر در سراسر جهان اثر داشته است. از تفلون به عنوان ضربانساز یا سرخرگ آئورت استفاده می شود. چون تفلون از معدود موادی است که بدن، آن را در هنگام پیوند رد نمی کند. از آن می توان در ساخت قرنیه های مصنوعی، استخوانهای جایگزین برای چانه، بینی، جمجمه، مفاصل ران و زانو، قطعات گوش، نای مصنوعی، دریچه های قلب، زرد پی ها، بخیه ها، مجاری صفراوی و دندانهای مصنوعی، استفاده کرد.

از تفلون در پوشش بیرونی لباسهای فضانوردان استفاده شده است. تفلون ماده عایق کننده سیمها و کابلهای برقی است که در برابر تابش شدید خورشید بر سطح ماه مقاومت کرده اند. مخروطه دماغه و دیگر سپرهای گرمایی سفینه های فضایی و نیز مخازن سوخت آنها از تفلون ساخته شده اند.

همه این کاربردهای مهم و ارزشمند، ثمره کشف پلانکت بوده اند. آری، تصادفی بیش نبود، اما فقط به سبب کنجکاوی و ذکاوت مردی که این تصادف برایش اتفاق افتاد، به اکتشافی تبدیل شد.

استفاده های رایج	ویژگی های شاخص	کاربرد
گسکت، لاینر لوله و شیر، لوله	مقاومت شیمیایی، پایداری حرارتی، خواص برودتی	فرآیندهای شیمیایی
گسکت، لاینر لوله و شیر، لوله	مقاومت شیمیایی، پایداری حرارتی	پتروشیمی
گسکت، شیر، زیرساخت سقف	عدم فرسایش در برابر هوا، عدم اشتعال پذیری، خواص مکانیکی عالی	ساخت و ساز
تجهیزات و لوازم جانبی فرآیند غذا	خواص خوب مکانیکی، دارای تاییدیه FDA	صنایع غذا و نوشیدنی
تجهیزات آزمایشگاهی، لوازم جانبی تجهیزات پزشکی	پایداری، مقاومت شیمیایی، خواص خوب مکانیکی	پزشکی
رینگ ها، انژکتور	ضریب اصطکاک پایین، مقاومت شیمیایی، مقاومت حرارتی، خواص خوب مکانیکی	خودروسازی

مقاومت شیمیایی تفلون PTFE در برابر اسیدها و بازها

Weight Gain (%)	Exposure time	Exposure temp (ͦ c)		Reagent
0	12 months	25	10%
0	12 months	50	10%	Hydrochloric Acid
0	12 months	70	10%
0	8 hours	100	20%
0	8 hours	200	20%
0	12 months	25	10%
0.1	12 months	70	10%	Nitric Acid
0	12 months	25	30%
0	12 months	70	30%	Sulfuric Acid
0	8 hours	100	30%
0.1	8 hours	200	30%
0	12 months	25	10%
0.1	12 months	70	10%	Sodium Hydroxide
0	8 hours	100	50%
0	8 hours	200	50%
0	12 months	25	10%	Ammonium Hydroxide
0.1	12 months	70	10%

مقاومت شیمیایی تفلون PTFE در برابر حلال ها

Weight Gain (%)	Exposure time	Exposure temp (ͦ c)		Reagent
0.3	12 months	25
0.4	12 months	50		Acetone
0	2 weeks	70
0.5	96 hours	78
0.6	8 hours	100		Benzene
1.0	8 hours	200
0.6	12 months	25
1.6	12 months	50
1.9	2 weeks	70		Carbon Tetrachloride
2.5	8 hours	100
3.7	8 hours	200
0	12 months	25
0	12 months	50
0	2 weeks	70	95%	Ethanol
0.1	8 hours	100
0.3	8 hours	200
0.5	12 months	25
0.7	12 months	50		Ethyl Acetate
0.7	2 weeks	70
0.3	12 months	25
0.6	12 months	50		Toluene
0.6	2 weeks	70

مقاومت شیمیایی تفلون PTFE بهمراه پر کننده ها

Bronze	Glass	Carbon/Graphite	Chemical
A	A	A	Acetaldehyde
A	A	A	Acetone
B	A	A	Aluminum Sulphate
C	A	A	Ammonium chloride
C	B	A	Ammonium hydroxide
C	A	A	Aniline
A	A	A	Benzene
A	A	A	Brine
C	B	C	Bromine (anhydrous)
A	A	A	Carbon Disulphide
B	A	A	Chloroacetic acid
A	A	A	Chlorobenzene
A	A	A	Chloroform
C	B	B	Chromic acid
A	A	A	Citric acid
A	A	A	Diethyl ether
A	A	A	Ethylene glycol
A	A	A	Fatty acids
C	A	A	Ferric Chloride
C	A	A	Ferric sulphate
C	C	B	Fluorosilicic acid
A	A	A	Formic acid
A	A	A	Freon (liquid)
C	B	A	Hydro boric acid
C	B	A	Hydrochloric acid
C	B	A	Hydrocyanic acid
C	C	A	Hydrogen sulphide (solution)
C	A	A	Lead acetate
B	A	A	Maleic acid
C	A	A	Mercury salts
B	A	A	Molasses
B	A	A	Naphtha
B	A	A	Naphthalene
A	A	A	Nickel salts
C	B	C	Nitric acid
A	A	A	Nitro benzene
A	B	A	Phenol
C	A	A	Phosphoric acid
A	A	A	Picric acid
C	A	A	Pyridine
B	A	A	Salicylic acid
C	A	A	Silver nitrate
A	A	A	Sodium carbonate
A	B	A	Sodium hydroxide
A	A	A	Sodium nitrite
C	A	B	Sodium peroxide
A	C	A	Sodium silicate
C	A	A	Sodium sulphide
A	A	A	Starch
C	A	B	Sulphuric acid
A	A	A	Tallow
A	A	A	Tannic acid
A	A	A	Tartaric acid
B	A	A	Trichloroethylene
C	A	A	Zinc chloride

خواص و کاربرد تفلون PTFE و ترکیبات آن

کاربرد	خواص	درصد	ترکیبات
گسکت ها، سیلندر، قابل تماس با دارو و غذا	·         بهداشتی ·         مقاومت شیمیایی عالی ·         خواص الکتریکی عالی ·         خواص خمشی عالی	–	PTFE خالص
پمپ ها، دیافراگرم ها، آب بند شیر توپی، پوشش	·         خزش کم ·         مقاومت نفوذپذیری بهبودیافته ·         سطح صافتر ·         حفره کمتر ·         عایق حرارتی بهتر ·         قابلیت جوشکاری	–	PTFE اصلاح شده شیمیایی
ترکیبات شیر توپی، پدهای بلبرینگ، پدهای نگهدارنده لوله ها	·         استحکام فشرده سازی عالی ·         مقاومت شیمیایی عالی ·         مقاومت سایشی تحت بار و تغییر شکل دائمی بهبود یافته	15 – 25	PTFE + Glass
رایدر و پیستون رینگ های کمپرسور هوا	·         استحکام فشرده سازی عالی ·         مقاومت سایشی تحت بار و تغییر شکل دائمی بهبود یافته ·         رسانایی الکتریکی/حرارتی بهتر	25 – 35	PTFE + Carbon
بعنوان شفت بلبرینگ ها و در پمپ های شیمیایی با سرعت بالا کاربرد دارد.	·         استحکام فشرده سازی عالی ·         مقاومت شیمیایی عالی ·         مقاومت سایشی تحت بار و تغییر شکل دائمی بهبود یافته ·         رسانایی الکتریکی/حرارتی بهتر ·         خواص اصطکاکی بهبود یافته	15	PTFE + Graphite
اجزا شیر	·         استحکام فشرده سازی عالی ·         مقاومت سایشی تحت بار و تغییر شکل دائمی بهبود یافته ·         رسانایی الکتریکی/حرارتی بهتر	12 + 3 + 10	PTFE + Carbon + Graphite + Glass
لاینرهای نوارهای خمیری، آب بندهای هیدرولیک	·         استحکام فشرده سازی عالی ·         مقاومت شیمیایی عالی ·         مقاومت سایشی تحت بار و تغییر شکل دائمی بهبود یافته ·         رسانایی الکتریکی/حرارتی بهتر ·         جریان بسیار آهسته	40 – 60	PTFE + Bronze (oxidizing/Non oxidizing)
آب بندهای هیدرولیک	·         خواص اصطکاکی بهبود یافته ·         استحکام فشرده سازی عالی ·         مقاومت سایشی تحت بار و تغییر شکل دائمی بهبود یافته ·         رسانایی الکتریکی/حرارتی بهتر ·         جریان بسیار آهسته	55 + 5	PTFE + Bronze + Molybdenum Disulphide
عایق های الکتریکی در ترمزهای دایره ای	·         خواص عالی الکتریکی ·         استحکام عالی فشردگی ·         مقاومت سایشی تحت بار و تغییر شکل دائمی بهبود یافته	7 – 15	PTFE + Aluminum oxide
قسمت های آب بند مکانیکی	·         مقاومت عالی شیمیایی ·         مقاومت سایشی تحت بار و تغییر شکل دائمی بهبود یافته ·         استحکام عالی فشردگی ·         سازگاری با موادی که به الیاف شیشه آسیب می زنند.	5 – 10	PTFE + Calcium Fluoride
تجهیزات شمیایی فشار بالا	·         مقاومت عالی شیمیایی ·         خواص عالی مکانیکی ·         مقاومت خوب سایشی	5 – 10	PTFE + Stainless Steel
پدهای عایق الکتریکی و حرارتی تحت بار	·         استحکام عالی فشردگی ·         انبساط حرارتی با ضریب بسیار کم ·         خواص ضعیف کششی	5 – 10	PTFE + Mica
ترکیبات شیر گشتاور کم	·         استحکام بالای فشردگی ·         مقاومت شیمیایی عالی ·         مقاومت سایشی تحت بار و تغییر شکل دائمی بهبود یافته ·         خواص بهبودیافته اصطکاکی	15 + 5	PTFE + Glass + MoS2
بخش های تجهیزات شیمیایی نیازمند به خواص مکانیکی در دمای تعیین شده	·         استحکام بالای فشردگی ·         مقاومت شیمیایی عالی ·         خواص مکانیکی عالی در دمای تعیین شده ·         مقاومت خوب سایشی	15	PTFE + PEEK
عایق های الکتریکی در ترمزهای دایره ای	·         خود روغنکاری در حضور گاز Apolar ·         ضریب پایین اصطکاک ·         عملکرد دی الکتریک بالا حتی در حضور رسانایی الکتریکی و حرارتی بهبودیافته ·         پایداری ابعادی خوبی دارد و شکنندگی سرامیک را ندارد ·         رنج دمای سرویس از -272 تا +260 درجه سلسیوس	0.1 – 0.2	PTFE + MoS2
عایق الکتریکی	·         خود روغنکاری در حضور گاز Apolar ·         ضریب پایین اصطکاک ·         عملکرد دی الکتریک بالا حتی در حضور رسانایی الکتریکی و حرارتی بهبودیافته ·         استحکام فشردگی عالی ·         رنج دمای سرویس از -272 تا +260 درجه سلسیوس	10	PTFE + Borum Nitrite
عایق الکتریکی	·         خود روغنکاری در حضور گاز Apolar ·         ضریب پایین اصطکاک ·         عملکرد دی الکتریک بالا حتی در حضور رسانایی الکتریکی و حرارتی بهبودیافته ·         استحکام فشردگی خیلی بالا ·         رنج دمای سرویس از -272 تا +260 درجه سلسیوس	0.3	PTFE + Cobalt Aluminate

Material	Density  (g/cm3)
Virgin PTFE	2,130 – 2,190
PTFE + 15% Carbon	2,100 – 2,160
PTFE + 25% Carbon	2,050 – 2,120
PTFE + 35% Carbon	2,030 – 2,090
PTFE + 40% Bronze	3,090 – 3,140
PTFE + 25% Glass	2,230 – 2,260
PTFE + 20% PEEK	1,890 – 1,910
PA6G	1,15
PA6	1,14
PA66	1,14
POM	1,41
PEEK	1,3