TEFLON® coating, Sintering and Commercial Ltd.

Geschichte, Eigenschaften und Arten der Teflonbeschichtung

Kurz zur Erfindung: Die Teflon®-Beschichtung wurde 1938 zufällig von Dr. Roy Plunkett entdeckt, einem jungen Chemiker bei DuPont, der damals Experimente mit Kühlgasen durchführte. Dieses rutschige Material, das an nichts haftet, ist PTFE (Polytetrafluorethylen), dem DuPont später den Namen Teflon ® gab.

Teflon® ist eine eingetragene Marke und darf nur von DuPont verwendet werden.

Dr. Roy Plunketts Notiz in seinem Notizbuch

Zur Erfindung im Detail: Auszug aus der Beilage „Life and Science“.
Autor: Dr. Árpád Máthé
 

Teflon® und der Zufall
Im April 1938 verwendete Dr. Roy Plunkett, Chemiker bei der amerikanischen Firma DuPont, Tetrafluorethylen (C2F4) als Zwischenprodukt, um ein neues Kältemittel herzustellen. Die 45 Kilogramm minus 76 Grad Celsius heißen Gases waren in einigen Dutzend kleinen Stahlflaschen gelagert. Als sie später das Absperrventil öffneten, schien eine der Flaschen leer zu sein… Aus der Flasche kam kein Gas. Das Ventil wurde entfernt. Es stellte sich heraus, dass sich ein weißes Pulver aus dem Tetrafluorethylengas an der Flaschenwand ablagerte. Um den Staub aufzufangen, wurde die Flasche in zwei Hälften zersägt. Es wurde festgestellt, dass das weiße Pulver dieselbe chemische Zusammensetzung wie Tetrafluorethylengas hatte. Unabhängig von der Absicht der Forscher entstand bei der Lagerung Poly(tetrafluorethylen), kurz: PTFE.
Plunkett glaubte nicht, dass Tetrafluorethylen während der Lagerung polymerisieren könnte, da die Polymerisation eines ähnlichen Monomers, Vinylchlorid, einen Katalysator, einen Radikalinitiator, erforderte. Die spontane Polymerisation war auch deshalb überraschend, weil es die Forscher gerade wegen ihrer hohen Stabilität mit Fluorchlorkohlenwasserstoffen (Freonen) zu tun hatten.
Poly(tetrafluorethylen) erhielt den Namen Teflon®. Dieses thermoplastische Polymer hat eine hochkristalline Struktur. Es hat die höchste chemische Beständigkeit aller Kunststoffe: Es enthält keine Lösungsmittel. Es hält sowohl Kälte als auch Hitze gut stand: Es ist dauerhaft von minus 269 Grad Celsius bis plus 260 Grad Celsius einsetzbar. Der am wenigsten brennbare Kunststoff. Es erfüllt die strengsten Anforderungen der Lebensmittelindustrie und der Medizin und kann sogar in lebende Organismen eingebaut werden.
Auch bei höheren Temperaturen bleibt kein Material daran haften. Deshalb können wir in Teflon®-beschichteten Metallformen ohne Fett backen. Es kann nicht mit herkömmlichen Kunststoffverarbeitungsmethoden geformt werden: Seine Dichte ist höher (2,3 Gramm/Kubikzentimeter) als die von Massenkunststoffen und sein Preis ist viel höher als bei ihnen.
Dank seiner besonderen Anwendungsmöglichkeiten werden weltweit jedes Jahr mehr als 50.000 Tonnen Teflon® produziert.
Teflon® ist ein Produkt der radikalischen Polymerisation von Tetrafluorethylen. Es hat ein hohes durchschnittliches Molekulargewicht (0,5–1 Million), eine 90-prozentige Kristallstruktur und schmilzt bei 341 Grad Celsius. Interessant ist, dass das geblähte und dann abgekühlte Polymer bereits bei 327 Grad Celsius zum zweiten Mal schmilzt. Oberhalb dieser Temperatur ist es stabil, allerdings ist die Viskosität der Schmelze so hoch (1011 Poise bei 380 Grad Celsius), dass sie nicht auf herkömmliche Weise (durch Extrusion oder Spritzguss) verarbeitet werden kann. Das aus den Suspensionspolymerisationsreaktoren austretende Material aus porösen Partikeln unterschiedlicher Form wird je nach Bedarf gefiltert, getrocknet und gemahlen. Ein typisches PTFE-Granulat besteht aus Partikeln mit einem Durchmesser von 400–800 Mikrometern. Dieses Mahlgut wird bei niedriger Temperatur in die gewünschte Form gepresst und anschließend wird das Halbzeug im Ofen gesintert (langzeitig bei 380 Grad Celsius unter Druck wärmebehandelt). Dadurch fügen sich die Partikel zu einem porenfreien, festen Material zusammen, das den Raum vollständig ausfüllt. Dieses kann dann mit aus der Metallindustrie bekannten Verfahren (Bohren, Drehen, Fräsen etc.) in Form gebracht werden.
Teflon ® eignet sich zur Herstellung von Beschichtungen und Fasern in Form einer wässrigen Dispersion. Die Rohdispersion wird zunächst mit Tensiden stabilisiert und anschließend auf einen Trockensubstanzgehalt von 50-60 Prozent eingedickt. Es wird auf unterschiedliche Weise auf die gewünschte Oberfläche aufgetragen: Es wird mit Treibgas besprüht, es wird mit Flüssigkeit aufgetragen, das zu beschichtende Material wird darin oder in ein elektrisches Feld getaucht, wodurch die Beschichtung entsteht .
Eine Teflon®-Faser kann auch aus einer wässrigen Dispersion gezogen werden. Dabei wird die Dispersion mit einem matrixbildenden Kunststoff wie beispielsweise Viskose vermischt. Das Hilfspolymer, das die Matrix bildet, wird durch Erhitzen aus dem Faserbündel entfernt, anschließend werden die Fasern gesintert und weiter gestreckt.

1. TEFLON® PTFE
Zweischichtiges Antihaftbeschichtungssystem. (Basis- und Oberschicht.)
Unter den Fluorpolymeren hält PTFE der höchsten Dauerbetriebstemperatur (250 °C) stand. Es verfügt über einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten, eine gute Abriebfestigkeit und Chemikalienbeständigkeit. PTFE wird als wasserbasierte Dispersion hergestellt.

2. TEFLON® FEP
FEP (Fluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer)
Eine Antihaftbeschichtung, die bei richtiger Wärmebehandlung schmilzt und fließt, um eine porenfreie, kontinuierliche Schicht zu bilden. Dadurch verfügt es über eine hervorragende chemische Beständigkeit, einen niedrigen Reibungskoeffizienten und hervorragende Antihafteigenschaften. Maximale Betriebstemperatur: 205 °C. FEP ist als wasserbasierte Dispersion und in Pulverform erhältlich.

3. TEFLON® PFA
PFA (Perfluoralkyl)
Eine Antihaftbeschichtung, die bei ordnungsgemäßem Backen schmilzt und fließt und eine porenfreie, kontinuierliche Schicht bildet. Die Einsatztemperatur von PFA beträgt maximal 250 °C, die Schichtdicke der Beschichtung kann 0,3 Millimeter erreichen. Härter als PTFE oder FEP. Aufgrund seiner Eigenschaften ist PFA für viele Anwendungen die bessere Wahl, insbesondere im Bereich der Chemikalienbeständigkeit. PFA kann als wasserbasierte Dispersion und in Pulverform eingesetzt werden.

4. TEFLON® ETFE
ETFE (Copolymer aus Ethylen und Tetrafluorethylen)
Es wurde als Markenname Tefzel® populär. Es ist nicht vollständig fluoriert, weist jedoch eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit auf. Bei einer Betriebstemperatur von 150 °C ist ein Dauereinsatz möglich. Das härteste Harz unter den Fluorpolymeren. Es steht eine Schichtdicke von bis zu 0,3 Millimetern zur Verfügung, sodass eine sehr langlebige, widerstandsfähige und harte Beschichtung entsteht. ETFE wird sowohl in Pulver- als auch in Dispersionsform hergestellt.

5. TEFLON-S® einschichtige Beschichtungen
Diese Dispersion auf chemischer Basis ist eine spezielle Mischung aus Fluorpolymer und anderen Hochleistungsharzen, die zur Erhöhung der Härte und Abriebfestigkeit beiträgt. Bei der Wärmebehandlung werden die Bestandteile der Beschichtung so geschichtet, dass die Eigenschaften des Fluorpolymers (geringer Reibungskoeffizient und Nichthaftung) erhalten bleiben. Die Beschichtung weist gute Formtrenn- und Abriebfestigkeitseigenschaften auf. Es kann sogar auf eine glatte, saubere Metalloberfläche aufgetragen werden.

TEFLON® ist unvergleichlich vielseitiger als jeder andere Kunststoff
Seitdem der DuPont-Chemiker Roy Plunkett 1938 erstmals die Entdeckung des Fluorpolymers TEFLON® PTFE dokumentierte, hat DuPont weiterhin Fluorpolymer-Geschichte geschrieben. Von der Basistechnologie bis hin zu individuell gestalteten Fluorpolymerprodukten erweitert es kontinuierlich die funktionelle Qualität von TEFLON®-Beschichtungen in den anspruchsvollen technischen Anwendungen von heute.

Hervorragende Eigenschaften von TEFLON®-Beschichtungen

 

Nicht haftend
An der TEFLON®-Beschichtung haften nur sehr wenige Feststoffe. Manche Materialien können eine Zeit lang haften, sind aber in der Regel auch leicht zu entfernen.
Niedriger Reibungsfaktor
Der Reibungskoeffizient einer TEFLON®-Beschichtung liegt üblicherweise zwischen 0,05 und 0,20, abhängig von der Belastung, der Gleitgeschwindigkeit und der verwendeten Teflon®-Beschichtung.
Wasserabweisend
Oberflächen mit TEFLON®-Beschichtung sind öl- und wasserabweisend, werden nicht nass, sind daher leichter zu reinigen und in vielen Fällen selbstreinigend.
Hitzebeständigkeit
Industrielle TEFLON®-Beschichtungen können dauerhaft bei einer konstanten Temperatur von bis zu 250 °C eingesetzt werden. In Einzelfällen kann der Einsatz auch bei höherer Temperatur über einen kürzeren Zeitraum erfolgen. (Erfordert professionelle Beratung!)
Einzigartige elektrische Eigenschaften
Die TEFLON®-Beschichtung – breit getestet – weist eine sehr hohe Schlagfestigkeit, einen geringen Verlustfaktor und einen sehr hohen Oberflächenwiderstand auf. Durch spezielle Methoden kann es als antistatische Beschichtung eingesetzt werden, indem es zum elektrischen Leiter wird.
Kältebeständigkeit
Industrielle TEFLON®-Beschichtungen halten extremer Kälte stand, ohne ihre Grundeigenschaften zu verändern. Es ist dauerhaft bis minus 250 °C einsetzbar.

Chemische Beständigkeit – Korrosionsschutz
Die TEFLON®-Beschichtung bleibt neutral – sie reagiert nicht – auf ihre chemische Umgebung, sie ist nur empfindlich gegenüber geschmolzenen Alkalimetallen und stark fluorhaltigen Chemikalien.
Eigentum ASTM Standard Einheit Teflon®  PTFE Teflon® FEP Teflon® PFA Teflon® ETFE
Fajsúly D792  — 2,15 2,15 2,15 1,76
Szakítószilárdság D1457
D1708
D638
MPa 21-35 23 25 40-47
Nyúlás D1457
D1708
D638
% 300-500 325 300 150-300
Hajlítási együttható D790 MPa 500 600 600 1.200
Hajlítási próba D2176 ciklus >106 5-80 x 103 10-500 x 103 10-27 x 103
Ütőszilárdság D256 J/m 189 Nincs törés Nincs törés Nincs törés
Keménység D2240 Shore D
pencil
50-65
HB
56
HB
60 HB 72 HB
Kopásállóság
– Bell teszt (1)
– Sliding Arm (2)
– Tabor Abrasion (3)
g/µm
mg
mg
85
7,9-9,7
12

11,1-15,2
14,8


  —
1,4
Karcállóság
– kezdet (4)
– teljes (5)
kg
kg
5,7-7,0
7,3-10,7
5,1-11,4
8,5-13,2


Súrlódási tényező
– nyugvó
– mozgó
D1894 0,12-0,15
0,05-0,10
  0,12-0,20
0,08-0,3
  0,2
  0,24-0,50
0,3-0,4
Nedvesítési határszög (víz)  —  deg  104-111  95-105  104-111  90-100
Megjegyzések:
1. Bell dörzsállósági teszt berendezés: gramm koptatóanyag/mikron
2. Sliding Arm teszt: 1000 ciklus, 500 gr teher, 400-as dörzspapír, 35,5 cm2 felület 3. Tabor koptató teszt: Cs 17 kerék, 1 kg teher, 1000 ciklus, súlyveszteség milligrammban 4. Scratch Master karcállósági teszt: kezdet – amint kilátszik az alapfém 5. Scratch Master karcállósági teszt: teljes – amint teljesen levált a bevonat réteg
TERMIKUS TULAJDONSÁGOK

Tulajdonság

ASTM Standard Egység Teflon® PTFE Teflon® FEP Teflon® PFA Teflon® ETFE
Olvadáspont D3418 °C 327 260 305 267
Beégetési hőfok °C 380-430 360-390 380-400 300-325
Max. folyamatos
üzemi hőfok
°C 270 205 260 150
Max. időszakos
üzemi hőfok
°C szakmai egyeztetést igényel
Tűzveszélyességi besorolás UL94   — VO VO VO VO
Limitált oxigén index D2863 % >95 >95 >95 30-36

Égéshő

D240 MJ/kg 5,1 5,1 5,3 13,7
Hővezetési tényező  — W/m·K 0,25 0,20 0,19 0,24
VEGYI TULAJDONSÁGOK
Tulajdonság ASTM Standard Egység Teflon® PTFE Teflon® FEP Teflon® PFA Teflon® ETFE
Vegyszer és oldószerállóság D543   — Kiváló Kiváló Kiváló Kiváló
Nedvességfelvevő képesség, 24 h D570 % <0,01 <0,01 <0,03 <0,03
Sós víz állóság (1)
– alumíniumon
– acélon
B-117 Óra
Óra
744+
192
744+
1000
1000
Tisztítószer állóság (2) -alumínium
-szemcseszórt alumínium -szemcseszórt acél
—  Óra
Óra
Óra
264
624
24
744
600
480




Időjárás állóság Floridai viszony kivétel Év alatt nem változik 20 20 10 15
Megjegyzés:
1. Sós víz állóság 35°C fokon 5%os sóoldatban, órákban mérve az áteresztésig.
2. Tisztítószer állóság órákban mérve.
ELEKTROMOS TULAJDONSÁGOK
Tulajdonság ASTM Standard Egység Teflon® PTFE Teflon® FEP Teflon® PFA Teflon® ETFE
Dielektromos állandó D150 1 MHz 2,1 2,1 2,1 2,6
Térerősség az anyagban** D149 V/µm 18 53 80 79
Disszipációs tényező D150 1 MHz <0,0001 0,0006 0,0001 0,007
Ívállóság D495 sec >300 300 >180 122
Térfogati ellenállás D257 ohm·cm >1018 >1018 >1018 >1017
Felületi vezetőképesség D257 ohm/sq >1018 >1016 >1017 >1015
** 100 µ film esetén
A Teflon® FEP réteg gőz átviteli tényezője, 25 mikron vastagságnál, ASTM E-96-nál
(vastagabb rétegnél mért értékek átszámítva 25 mikronra)

Gőz

Hőfok, °C g/100 inch 2 vagy g/625 cm2 (24 óra)
Ecetsav 35° 0,41
Aceton 35° 0,95
Acetofenon 25° 0,50
Benzol 35° 0,64
Szén tetraklorid 35° 0,31
Etil Acetát 35° 0,76
Hexán 35° 0,56
Sósav, 20% 25° <0,01
Piperidin 25° 0,04
Tömény salétromsav 25° 7,5-1,4
Nátrium hidroxid, 50% 25° <0,01
Kénsav, 98% 25° 0,00001
Víz 39,5° 0,40

Wichtiger Hinweis:
Zweck der Bereitstellung der vorstehenden Daten ist – nach unserem besten Wissen, unserer Erfahrung und dem aktuellen Stand der Wissenschaft –, den Nutzern zu helfen. Für bestimmte Eigenschaften und Eignung für bestimmte Einsatzbereiche übernehmen wir keine rechtliche Gewähr. Um unerwünschte Effekte bei der Anwendung zu vermeiden, sollte der Anwender eine eigene Untersuchung durchführen, bei der wir ihm umfassend zur Seite stehen.