Teflón

Antecedentes

Teflon es el nombre comercial registrado del material plástico de gran utilidad politetrafluoroetileno (PTFE). El PTFE pertenece a una clase de plásticos conocidos como fluoropolímeros. Un polímero es un compuesto formado por una reacción química que combina partículas en grupos de moléculas grandes repetidas. Muchas fibras sintéticas comunes son polímeros, como el poliéster y el nailon. PTFE es la forma polimerizada de tetrafluoroetileno. El PTFE tiene muchas propiedades únicas que lo hacen valioso en muchas aplicaciones. Tiene un punto de fusión muy alto y también es estable a temperaturas muy bajas. Se puede disolver con nada más que gas flúor caliente o ciertos metales fundidos, por lo que es extremadamente resistente a la corrosión. También es muy resbaladizo y resbaladizo. Esto lo convierte en un material excelente para revestir piezas de máquinas que están sujetas a calor, desgaste y fricción, para equipos de laboratorio que deben resistir productos químicos corrosivos y como revestimiento para utensilios de cocina y utensilios. El PTFE se utiliza para conferir resistencia a las manchas en telas, alfombras y revestimientos de paredes, y como impermeabilizante en letreros exteriores. PTIZE tiene baja conductividad eléctrica, por lo que es un buen aislante eléctrico. Se utiliza para aislar muchos cables de comunicación de datos y es fundamental para la fabricación de semiconductores. El PTFE también se encuentra en una variedad de aplicaciones médicas, como en injertos vasculares. Un tejido de fibra de vidrio con revestimiento de PTFE sirve para proteger los techos de aeropuertos y estadios. El PTFE incluso se puede incorporar a la fibra para tejer calcetines. La baja fricción del PTFE hace que los calcetines sean excepcionalmente suaves y protegen los pies de las ampollas.

Historial

El PTFE fue descubierto accidentalmente en 1938 por un joven científico que buscaba otra cosa. Roy Plunkett era químico de E.I. du Pont de Nemours and Company (Du Pont). Había obtenido un doctorado de la Universidad Estatal de Ohio en 1936, y en 1938, cuando se topó con el teflón, todavía tenía solo 27 años. El área de Plunkett eran los refrigerantes. Muchos productos químicos que se usaban como refrigerantes antes de la década de 1930 eran peligrosamente explosivos. Du Pont y General Motors habían desarrollado un nuevo tipo de refrigerante no inflamable, una forma de freón llamada refrigerante 114. El refrigerante 114 estaba vinculado en un acuerdo exclusivo con la división Frigidaire de General Motor, y en ese momento no podía comercializarse a otros fabricantes. . Plunkett se esforzó por encontrar una forma diferente de refrigerante 114 que evitara el control de patentes de Frigidaire. El nombre técnico del refrigerante 114 era tetrafluorodicloroetano. Plunkett esperaba fabricar un refrigerante similar haciendo reaccionar ácido clorhídrico con un compuesto llamado tetrafluoroetileno o TFE. El TFE en sí era una sustancia poco conocida, y Plunkett decidió que su primera tarea era producir una gran cantidad de este gas. El químico pensó que también podría producir cien libras de gas, para asegurarse de tener suficiente para todas sus pruebas químicas y también para las pruebas toxicológicas. Almacenaba el gas en latas de metal con una válvula de liberación, al igual que las latas que se usan comercialmente hoy en día para aerosoles presurizados como laca para el cabello. Plunkett mantuvo las latas en hielo seco para enfriar y licuar el gas TFE. Su experimento con refrigerante requirió que Plunkett y su asistente liberaran el gas TFE de las latas en una cámara calentada. En la mañana del 6 de abril de 1938, Plunkett descubrió que no podía sacar el gas de la lata. Para sorpresa de Plunkett y su asistente, el gas se había transformado de la noche a la mañana en un polvo blanco y escamoso. El TFE se había polimerizado.

La polimerización es un proceso químico en el que las moléculas se combinan en largas cadenas. Uno de los polímeros más conocidos es el nailon, que también fue descubierto por investigadores de Du Pont. La ciencia de los polímeros estaba todavía en su infancia en la década de 1930. Plunkett creía que el TFE no podía polimerizar y, sin embargo, de alguna manera lo había hecho. Envió los extraños copos blancos al Departamento Central de Investigación de Du Pont, donde equipos de químicos analizaron el material. El TFE polimerizado fue curiosamente inerte. No reaccionaba con ningún otro químico, resistía corrientes eléctricas y era extremadamente suave y resbaladizo. Plunkett pudo descubrir cómo el gas TFE se había polimerizado accidentalmente y obtuvo una patente para la sustancia polimerizada, politetrafluoroetileno o PTFE.

El PTFE era inicialmente caro de producir y su valor no estaba claro para Plunkett ni para los demás científicos de Du Pont. Pero entró en uso en la Segunda Guerra Mundial, durante el desarrollo de la bomba atómica. La fabricación de la bomba requirió que los científicos manipularan grandes cantidades de la sustancia cáustica y tóxica hexafluoruro de uranio. Du Pont proporcionó juntas y revestimientos recubiertos de PTFE que resistieron la acción corrosiva extrema del hexafluoruro de uranio. Du Pont también usó PTFE durante la guerra para hacer conos de algunas otras bombas. Du Pont registró el nombre comercial Teflon para su sustancia patentada en 1944 y continuó trabajando después de la guerra en técnicas de fabricación más baratas y efectivas. Du Pont construyó su primera planta para la producción de teflón en Parkersburg, West Virginia en 1950. La empresa comercializó el teflón después del final de la guerra como revestimiento para piezas metálicas mecanizadas. En la década de 1960, Du Pont comenzó a comercializar utensilios de cocina recubiertos con teflón. El revestimiento resbaladizo de teflón resistió la pegajosidad incluso de los alimentos chamuscados, por lo que limpiar las cacerolas fue fácil. La compañía también comercializaba teflón para una variedad de otros usos. En las décadas siguientes se desarrollaron y comercializaron otros fluoropolímeros relacionados, algunos de los cuales fueron más fáciles de procesar que el PTFE. Du Pont registró otra variante de teflón en 1985, Teflon AF, que es soluble en disolventes especiales.

Materias primas

El PTFE se polimeriza a partir del compuesto químico tetrafluoroetileno o TFE. Una sartén antiadherente se compone de diferentes capas antiadherentes. El TFE se sintetiza a partir de espato flúor, ácido fluorhídrico y cloroformo. Estos ingredientes se combinan a altas temperaturas, una acción conocida como pirolosis. El TFE es un gas incoloro, inodoro y no tóxico que, sin embargo, es extremadamente inflamable. Se almacena como líquido, a baja temperatura y presión. Debido a la dificultad de transportar el TFE inflamable, los fabricantes de PTFE también fabrican su propio TFE in situ. El proceso de polimerización utiliza una cantidad muy pequeña de otros productos químicos como iniciadores. Se pueden usar varios iniciadores, incluido el persulfato de amonio o el peróxido de ácido disuccínico. El otro ingrediente esencial del proceso de polimerización es el agua.

El
proceso de fabricación

El PTFE se puede producir de varias formas, dependiendo de las características particulares deseadas para el producto final. Muchos detalles del proceso son secretos de propiedad de los fabricantes. Hay dos métodos principales para producir PTFE. Uno es la polimerización en suspensión. En este método, el TFE se polimeriza en agua, lo que da como resultado granos de PTFE. Los granos se pueden procesar posteriormente en gránulos que se pueden moldear. En el método de dispersión, el PTFE resultante es una pasta lechosa que se puede procesar en un polvo fino. Tanto la pasta como el polvo se utilizan en aplicaciones de revestimiento.

Creación del TFE

• 1 Los fabricantes de PTFE comienzan por sintetizar TFE. Los tres ingredientes de TFE, espato flúor, ácido fluorhídrico y cloroformo se combinan en una cámara de reacción química calentada entre 1094-1652 ° F (590-900 ° C). A continuación, el gas resultante se enfría y se destila para eliminar las impurezas.

  El teflón se puede utilizar en una amplia variedad de utensilios de cocina.

Polimerización en suspensión

• 2 La cámara de reacción se llena con agua purificada y un agente de reacción o iniciador, una sustancia química que desencadenará la formación del polímero. El TFE líquido se canaliza a la cámara de reacción. Cuando el TFE se encuentra con el iniciador, comienza a polimerizar. El PTFE resultante forma granos sólidos que flotan hacia la superficie del agua. Mientras esto sucede, la cámara de reacción se agita mecánicamente. La reacción química dentro de la cámara emite calor, por lo que la cámara se enfría mediante la circulación de agua fría u otro refrigerante en una chaqueta alrededor de su exterior. Los controles cortan automáticamente el suministro de TFE después de que se alcanza un cierto peso dentro de la cámara. El agua se drena fuera de la cámara, dejando un lío de PTFE fibroso que se parece un poco al coco rallado.
• 3 A continuación, el PTFE se seca y se introduce en un molino. El molino pulveriza el PTFE con cuchillas giratorias, produciendo un material con la consistencia de la harina de trigo. Este polvo fino es difícil de moldear. Tiene un "flujo deficiente", lo que significa que no se puede procesar fácilmente en equipos automáticos. Al igual que la harina de trigo sin triturar, puede tener grumos y bolsas de aire. Entonces, los fabricantes convierten este polvo fino en gránulos más grandes mediante un proceso llamado aglomeración. Esto se puede hacer de varias maneras. Un método consiste en mezclar el polvo de PTFE con un disolvente como la acetona y volcarlo en un tambor giratorio. Los granos de PTFE se adhieren entre sí formando pequeños gránulos. A continuación, los gránulos se secan en un horno.
• 4 Los gránulos de PTFE se pueden moldear en piezas utilizando una variedad de técnicas. Sin embargo, el PTFE puede venderse a granel ya moldeado previamente en los llamados tochos, que son cilindros sólidos de PTFE. Las palanquillas pueden tener 1,5 m (5 pies) de altura. Estos se pueden cortar en láminas o bloques más pequeños, para moldearlos más. Para formar el tocho, se vierten gránulos de PTFE en un molde cilíndrico de acero inoxidable. El molde se carga en una prensa hidráulica, que es algo así como un gabinete grande equipado con ariete pesado. El ariete cae dentro del molde y ejerce fuerza sobre el PTFE. Después de un cierto período de tiempo, se retira el molde de la prensa y se desmoldea el PTFE. Se deja reposar, luego se coloca en un horno para un paso final llamado sinterización.
• 5 El PTFE moldeado se calienta en el horno de sinterización durante varias horas, hasta que gradualmente alcanza una temperatura de alrededor de 680 ° F (360 ° C). Esto está por encima del punto de fusión del PTFE. Las partículas de PTFE se fusionan y el material se vuelve gelatinoso. Luego, el PTFE se enfría gradualmente. La palanquilla terminada se puede enviar a los clientes, quienes la cortarán o afeitarán en trozos más pequeños para su posterior procesamiento.

Polimerización por dispersión

• 6 La polimerización de PTFE por el método de dispersión conduce a un polvo fino o una sustancia pastosa, que es más útil para revestimientos y acabados. El TFE se introduce en un reactor lleno de agua junto con el químico iniciador. En lugar de agitarse vigorosamente, como en el proceso de suspensión, la cámara de reacción solo se agita suavemente. El PTFE se forma en perlas diminutas. Parte del agua se elimina mediante filtración o mediante la adición de productos químicos que provocan la sedimentación de las perlas de PTFE. El resultado es una sustancia lechosa llamada dispersión de PTFE. Se puede utilizar como líquido, especialmente en aplicaciones como acabados de telas. O se puede secar en un polvo fino que se usa para recubrir metal.

Utensilios de cocina antiadherentes

• 7 Uno de los usos más comunes y visibles del PTFE es el revestimiento para ollas y sartenes antiadherentes. La sartén debe estar hecha de aluminio o una aleación de aluminio. La superficie de la sartén debe estar especialmente preparada para recibir el PTFE. Primero, la sartén se lava con detergente y se enjuaga con agua, para quitar toda la grasa. Luego, la sartén se sumerge en un baño tibio de ácido clorhídrico en un proceso llamado grabado. El grabado da aspereza a la superficie del metal. Luego, la sartén se enjuaga con agua y se sumerge nuevamente en ácido nítrico. Finalmente se vuelve a lavar con agua desionizada y se seca completamente.
• 8 Ahora la sartén está lista para recubrir con dispersión de PTFE. El revestimiento líquido se puede rociar o enrollar. El recubrimiento generalmente se aplica en varias capas y puede comenzar con una imprimación. La composición exacta de la imprimación es un secreto de propiedad mantenido por los fabricantes. Después de aplicar la imprimación, la sartén se seca durante unos minutos, generalmente en un horno de convección. Luego se aplican las siguientes dos capas, sin un período de secado intermedio. Después de aplicar todo el recubrimiento, la sartén se seca en un horno y luego se sinteriza. La sinterización es el calentamiento lento que también se usa para terminar la palanquilla. Por lo general, el horno tiene dos zonas. En la primera zona, la sartén se calienta lentamente a una temperatura que evaporará el agua del recubrimiento. Una vez que el agua se ha evaporado, la olla se mueve a una zona más caliente, que sinteriza la olla a alrededor de 800 ° F (425 ° C) durante unos cinco minutos. Esto gelifica el PTFE. Luego se deja enfriar la sartén. Después de enfriar, está listo para cualquier paso de ensamblaje final, empaque y envío.

Control de calidad

Las medidas de control de calidad se llevan a cabo tanto en la planta de fabricación primaria de PTFE como en las plantas donde se realizan los pasos de procesamiento adicionales, como los recubrimientos. En la planta de fabricación primaria, se siguen los procedimientos industriales estándar para determinar la pureza de los ingredientes, la precisión de las temperaturas, etc. Los productos finales se prueban para verificar su conformidad con las normas. Para PTFE de dispersión, esto significa que se prueba la viscosidad y la gravedad específica de la dispersión. También se pueden realizar otras pruebas. Debido a que el teflón es un producto de marca registrada, los fabricantes que deseen utilizar el nombre de marca para piezas o productos fabricados con teflón PTFE deben seguir las pautas de control de calidad establecidas por Du Pont. En el caso de los fabricantes de utensilios de cocina antiadherentes, por ejemplo, los fabricantes de utensilios de cocina se adhieren al Programa de Certificación de Calidad de Du Pont, que requiere que controlen el grosor del recubrimiento de PTFE y la temperatura de horneado, y realicen pruebas de adhesión varias veces durante cada turno.

Subproductos / Residuos

Aunque el PTFE en sí no es tóxico, su fabricación produce subproductos tóxicos. Estos incluyen ácido fluorhídrico y dióxido de carbono. Las áreas de trabajo deben estar adecuadamente ventiladas para evitar la exposición a los gases mientras se calienta el PTFE o cuando se enfría después de la sinterización. Los médicos han documentado una enfermedad particular llamada fiebre por vapores de polímeros que sufren los trabajadores que han inhalado los subproductos gaseosos de la fabricación de PTFE. Los trabajadores también deben estar protegidos de la inhalación de polvo de PTFE cuando se mecanizan las piezas de PTFE.

Algunos residuos generados durante el proceso de fabricación se pueden reutilizar. Debido a que el PTFE era al principio muy caro de producir, los fabricantes tenían un gran incentivo para encontrar formas de utilizar material de desecho. Los desechos o escombros generados en el proceso de fabricación se pueden limpiar y convertir en polvo fino. Este polvo se puede utilizar para moldear o como aditivo para ciertos lubricantes, aceites y tintas.

Las piezas de PTFE usadas deben enterrarse en vertederos, no incinerarse, porque al quemar a altas temperaturas se liberan cloruro de hidrógeno y otras sustancias tóxicas. Un estudio publicado en 2001 afirmó que el PTFE también se degrada en el medio ambiente en una sustancia que es tóxica para las plantas. Este es trifluoroacetato o TFA. Si bien los niveles actuales de AGT en el medio ambiente son bajos, la sustancia persiste durante mucho tiempo. Por tanto, la contaminación por AGT es posiblemente una preocupación para el futuro.

Dónde obtener más información

Libros

Ebnesajjad, Sina. Fluoroplásticos. Norwich, NY:Plastics Design Library, 2000.

Publicaciones periódicas

Friedel, Robert y Alan Pilon. "El inventor accidental". Descubrir (Octubre de 1996):58.

Gorman, J. "El medio ambiente se atasca con revestimientos antiadherentes". Noticias científicas (21 de julio de 2001):36.

Ángela Woodward