PTFE als Werkstoff

Das Polytetrafluorethylen-Molekül besitzt dank seiner chemischen Struktur bemerkenswerte und für Kunststoffe einzigartige Eigenschaften. Die Kohlenstoff-Kette ist durch die sie umhüllenden Fluoratome vollkommen abgeschirmt.

• PTFE reagiert nur schwer mit anderen Chemikalien
  Ein Angriff von Chemikalien auf die Kohlenstoff-Kette ist wegen der abschirmenden Fluoratome nicht möglich. Wegen der geringen Polarisierbarkeit der Halogenatome kommt dies einer „Panzerung“ des Kohlenstoffgerüstes gegen äußere Einflüsse gleich. Die C-F – Bindung  ist die stärkste Einfachbindung, die Kohlenstoff eingehen kann (Bindung sehr polar, starke Anziehungskräfte zwischen den Ketten). Die äußerst feste C-F – Bindung wird nur von wenigen, besonders aggressiven Stoffen wie zum Beispiel  Alkalimetallen oder elementarem Fluor angegriffen.
• andere Stoffe haften nicht oder nur sehr wenig an PTFE
  Die zwischen den Polymerketten wirkenden Kräfte sind bei PTFE wesentlich kleiner als bei anderen Kunststoffen. Dies resultiert aus den hohen Bindungsenergien zwischen  Fluor- und Kohlenstoffatomen sowie durch die geringe Polarisierbarkeit der Fluoratome.
• der Werkstoff mit dem niedrigsten Reibungskoeffizient
  Die geringen Kräfte zwischen den Polymerketten führen dazu, dass PTFE den niedrigsten Reibungskoeffizient von allen festen Werkstoffen besitzt. Die statische und die dynamische Reibungszahl sind gleich, es tritt deshalb kein „stick-slip“-Effekt auf.
• günstige elektrische Werte
  Die starren, wechselseitig angeordneten CF₂-Gruppen, gekoppelt mit einer minimalen Elektronenbeweglichkeit im Molekül, ergeben die äußerst günstigen elektrischen Werte.

Die Ausgangsstoffe für die Herstellung von PTFE sind Flussspat (CaF₂) und Schwefelsäure (H₂SO₄). Nach verschiedenen chemischen Verarbeitungsprozessen entsteht Tetrafluorethylen (TFE). Die Polymerisation des Tetrafluorethylens (TFE)  zu PTFE erfolgt dann in einem Reaktor bei Temperaturen von 20 bis 90 °C und Drücken von 2 bis 15 bar.

Press-/Sintertechnologie

Die Halbzeuge werden mit entsprechenden Aufmaßen gefertigt. Diese Aufmaße werden so festgelegt, dass möglichst wenig Abfall bei der Zerspanung entsteht, auf der anderen Seite aber auch die Fertigteilkontur problemlos hergestellt werden kann. Die PTFE CC GmbH besitzt einen eng abgestuften Werkzeugpark, um ein optimales Verhältnis zwischen Halbzeug- und Fertigteilmaß zu erzielen. Durch materialbedingte unterschiedliche Schrumpfungen (hier gibt es deutliche Unterschiede zwischen PTFE rein, modifiziertem PTFE und PTFE-Compounds) können trotz gleicher Werkzeugabmessung die Abmessungen der Halbzeuge leicht variieren. Aus diesem Grund arbeiten wir nicht mit Halbzeuglisten, sondern passen die Halbzeugabmessungen ihren Fertigteilabmessungen an.

Das hohe Molekulargewicht von PTFE führt zu einer extrem hohen Schmelzviskosität (ca. 10¹¹ bis 10¹² Pa x s). Deshalb ist PTFE, obwohl rein chemisch gesehen eigentlich ein Vertreter der Produktgruppe der Thermoplaste, in der Realität tatsächlich ein „Sinterwerkstoff“, der nicht nach den typischen thermoplastischen Verarbeitungsmethoden wie Spritzguss oder Blasformen verarbeitbar ist. Auch ist es mit den gängigen Thermoplast-Schweißverfahren nicht verschweißbar. Durch spezielle Press- und Sintertechnologien können geometrisch einfache Halbzeugformen wie Vollstäbe, Hohlstäbe und Platten hergestellt werden. Das PTFE-Material wird bei Pressdrücken zwischen 120 und 700 bar mechanisch verdichtet. Die Weiterverarbeitung dieser Rohlinge, auch „Grünlinge“ genannt, erfolgt dann in speziellen Sinteröfen. In diesen Öfen wird dann mit genau definierten Sinterprogrammen, die abhängig von Materialien und Füllstoffen sowie von den Wandstärken sind, das Material fertig gesintert. Die Sintertemperatur liegt zwischen 360 und 380 °C. Nach Überschreiten des Kristallisationsschmelzpunktes bei etwa 342 °C geht das PTFE in den amorphen Zustand über und die zuvor verdichteten Pulverteilchen sintern zu einem homogenen Gefüge zusammen. Trotz Erreichen bzw. Überschreiten des Schmelz-/Gelpunktes erfolgt das Sintern der Pressteile „formfrei“, da aufgrund des hohen Molekulargewichtes die Gelstabilität von PTFE sehr hoch ist.

Die Herstellung von Halbzeugen durch Extrusion

Bei der sogenannten RAM-Extrusion wird PTFE-Pulver wird mittels eines periodisch einwirkenden Stempels schubweise durch ein beheiztes Rohr gedrückt. Der für die Verdichtung erforderliche Pressdruck entsteht durch die Wandreibung oder zusätzlich über eine Bremse. Verschiedene Heizzonen entlang des Extrusionsrohres und ein spezielles Temperaturprofil sorgen für vollständiges Durchsintern des PTFE-Stabes. Die Formgebung erfolgt generell durch die Form des Extrusionszylinders, wobei z. B. bei der Rohrherstellung ein Dorn verwendet wird, der den inneren Durchmesser ergibt. Mit Hilfe der RAM-Extrusion werden stangenförmige Halbzeuge (Vollstäbe, Hohlstäbe, Schläuche) quasi-kontinuierlich und wirtschaftlich hergestellt.

Bedingt durch die Stärke der Fluor-Kohlenstoff-Bindung und der nahezu vollständigen Abschirmung der Kohlenstoffketten durch Fluoratome hat PTFE eine sehr gute und universelle Chemikalienbeständigkeit. Dies macht eine Erstellung einer Chemikalienbeständigkeitsliste, wie bei anderen Kunststoffen üblich, überflüssig.

Ausnahmen sind:

• Fluorierte Kohlenwasserstoffe: führen zum Aufquellen, bei längerem Kontakt irreversibel
• Gelöste oder geschmolzene Alkalimetalle: Eliminierung von Fluor, Polymerzerstörung
• Halogene, elementares Fluor, Chlortrifluorid: teilweise heftige chemische Reaktionen bei erhöhten Temperaturen, führt zu Materialzerstörung
• Nitriersäure (Mischung aus konz. Schwefel- und Salpetersäure): Bei Temperaturen von > 100 °C langsame Materialzersetzung
• Bestimmte Monomere, z.B. Styren, Butadien, Acrylnitril: Eindringen in die Oberfläche möglich, führt zum Aufquellen und/oder Polymerzerstörung

Die chemische Beständigkeit von PTFE-Compounds ist abhängig von Art und Menge der verwendeten Füllstoffe. Eine pauschale Aussage wie bei ungefülltem PTFE ist hier leider nicht möglich.

Die außergewöhnlichen Eigenschaften von PTFE sind auf den einzigartigen chemischen Aufbau des Stoffes zurückzuführen. Daraus ergeben sich jedoch auch besondere Anforderungen an die Herstellung und Verarbeitung von Teilen aus PTFE. Als Ihr Partner mit Expertise im Bereich PTFE haben wir im Folgenden die wichtigsten Informationen, die für das Verständnis dieses außergewöhnlichen Materials notwendig sind, zusammengeführt.