PTFE - Polytetrafluorethylen

Polytetrafluorethylen (PTFE), bekannter unter dem Markennamen Teflon®, ist ein Kunststoff, welcher aufgrund seiner hervorragenden chemischen und physikalischen Eigenschaften in der Industrie nicht mehr wegzudenken ist und häufig als Hochleistungskunststoff bezeichnet wird. PTFE zeichnet sich durch eine sehr hohe chemische Beständigkeit aus und kann selbst von aggressivsten Säuren wie etwa Königswasser nicht zersetzt werden. PTFE hat eine extrem hohe Beständigkeit gegen alle Säuren und Basen, Alkohole, Ketone, Benzine, Öle usw. (unbeständig nur gegen Natrium und elementares Fluor), wodurch der Kunststoff für den Einsatz im Chemieanlagenbau prädestiniert ist und hier für Beschichtungen in Rohrleitungen sowie als Dichtmaterial zum Einsatz kommt. Auch in der Wassertechnik werden Gewindedichtbänder aufgrund der guten Gleiteigenschaften und der hohen Temperaturbeständigkeit von -200 °C bis +260 °C aus PTFE eingesetzt.

In Dichtungen aus PTFE wird häufig Graphit als Füllmaterial verwendet, um die Eigenschaften des PTFE zu verbessern. PTFE ist zwar ein sehr gutes Material für Dichtungen aufgrund seiner hohen chemischen Beständigkeit, seiner Temperaturbeständigkeit und seiner geringen Reibungseigenschaften. Allerdings ist PTFE aufgrund seiner geringen Festigkeit und Steifigkeit nicht immer ideal für den Einsatz in Anwendungen mit hohen Drücken oder Vibrationen. Dichtungen mit einem Graphitanteil von bis zu 15 % werden häufig für die Kugeldichtungen bei Metallventilen eingesetzt.

Durch die Zugabe von Graphit als Füllmaterial wird die Festigkeit und Steifigkeit von PTFE verbessert, was es besser geeignet macht für den Einsatz in anspruchsvollen Anwendungen. Graphit verbessert auch die Wärmeableitung und die Leitfähigkeit, was dazu beiträgt, dass die Dichtungen in Hochtemperatur- und Hochdruckumgebungen besser funktionieren. Die Kombination von PTFE und Graphit ergibt also eine Dichtung mit verbesserten Eigenschaften in Bezug auf Festigkeit, Steifigkeit, Wärmeableitung und Leitfähigkeit.

Eigenschaften von PTFE

• PTFE ist sehr reaktionsträge. Dies liegt in der besonders starken Bindung zwischen den Kohlenstoff- und den Fluoratomen begründet. Fluor ist das Element mit der stärksten Elektronegativität und geht somit nur sehr schwer Bindungen ein. So gelingt es vielen Substanzen nicht, die Bindungen aufzubrechen und mit PTFE chemisch zu reagieren. Auch die Kohlenstoffatome sind so von den Fluoratomen eingeschlossen, dass eine Reaktion erheblich erschwert wird.
• Aufgrund der sehr geringen Oberflächenspannung bleiben kaum Stoffe an PTFE hängen.
• Der sehr geringe Reibungskoeffizient sorgt für eine sehr gute Gleitfähigkeit des PTFE. Die Haftreibung ist genauso groß wie die Gleitreibung, was ein sehr gleichmäßiges Rutschen ohne Rucken ermöglicht. Dies macht PTFE besonders als Gleitringe in Kugelhähnen interessant, welche die Kugel fixieren. Kugelhähne können so gleichmäßig geöffnet und geschlossen werden. Bei Gewindedichtbändern wird das Festschrauben der Gewindeteile ebenfalls erheblich erleichtert.
• Die sehr gute Temperaturbeständigkeit von -200 °C bis +260 °C ermöglicht ein großes Einsatzspektrum für diverse Flüssigkeiten von der Kühltechnik bis zum Heizungsbau und der Prozessindustrie. PTFE ist auch für Dampf geeignet.
• Die extrem hohe chemische Beständigkeit gegenüber allen Säuren und Basen, Ölen, Benzinen usw. ermöglicht es, den Kunststoff für diverse Einsatzbereiche in der chemischen Industrie anzuwenden.
• PTFE ist physiologisch unbedenklich und kann in der Lebensmittelindustrie und der Trinkwasserversorgung verwendet werden.

Aufbau

PTFE wird aus Chloroform CHCl₃ durch partielle Fluoridierung hergestellt, wobei zunächst Chlordifluormethan CHClF₂ und Tetrafluorethylen C₂F₄ erzeugt werden. Als Katalysator fungiert hierbei Antimon(V)-chloridfluorid (SbCl₄F).

CHCl₃ + 2 HF → CHClF₂ + 2 HCl
2 CHClF₂ → C₂F₄ + 2 HCl

Tetrafluorethen wird anschließend einer radikalischen Polymerisation unter Druck unterzogen. Je nach Bedingungen ergeben sich unterschiedliche Molekül- und Partikelgrößen:

n C₂F₄ → -[CF₂]_2n-

Da diese Reaktion stark exotherm ist und sich die Monomereinheiten bei hohen Temperaturen leicht explosiv zersetzen, wird die Polymerisation in Suspension (Suspensionspolymerisation) oder in Emulsion (Emulsionspolymerisation) durchgeführt.

Strukturformel von PTFE (Teilausschnitt der Molekülkette):

     F F F F
     | | | |
··· -C-C-C-C- ···
     | | | |
     F F F F

Umweltauswirkungen

Die Vorteile von PTFE, wie etwa die hohe chemische Beständigkeit und Langlebigkeit können sich als Nachteile entpuppen, wenn der Werkstoff in die Umwelt gelangt. Hier kann PTFE eine Reihe von Umwelt- und Gesundheitsproblemen verursachen, da es fast nicht zersetzt und damit einhergehend nicht abgebaut werden kann, wodurch es sich in der Umwelt und auch in der Nahrungskette anreichert, wenn Lebewesen den Kunststoff aufnehmen. Zudem steht PTFE wie viele Verbindungen aus der PFAS-Gruppe im Verdacht krebserregend zu sein und ähnlich wie Hormone zu wirken, wodurch gesundheitliche Probleme entstehen können.

Umweltprobleme

• PTFE ist schwer abbaubar und kann in die Umwelt gelangen, wo es sich in Wasser, Boden und Luft anreichert.
• PTFE kann von Tieren aufgenommen werden und in die Nahrungskette gelangen.
• PTFE kann sich in der Umwelt anreichern und zu einer Belastung für die Umwelt und die Gesundheit von Menschen und Tieren werden.

Gesundheitsprobleme

• PTFE kann bei Menschen und Tieren Krebs verursachen.
• PTFE kann die Fortpflanzungsfähigkeit beeinträchtigen.
• PTFE kann das Immunsystem schädigen.
• PTFE kann zu anderen gesundheitlichen Problemen wie Leberschäden, Nierenschäden und Atemwegserkrankungen führen.

PFAS

PFAS (Per- und Polyfluoralkylsubstanzen) sind eine Gruppe von chemischen Verbindungen, die PTFE, PVDF und andere fluorierte Polymere enthalten. PFAS sind sehr stabil und schwer abbaubar. Wenn sie in die Umwelt gelangen, können sie sich in Wasser, Boden und Luft anreichern. PFAS können von Tieren aufgenommen werden und in die Nahrungskette gelangen. PFAS können bei Menschen und Tieren Krebs verursachen und die Fortpflanzungsfähigkeit beeinträchtigen. Zudem können sie das Immunsystem schädigen und zu anderen gesundheitlichen Problemen wie Leberschäden, Nierenschäden und Atemwegserkrankungen führen.

Die Europäische Union hat bereits 2019 als Teil des „Green Deals“, oder der „Europäische Grüne Deal (EGD)“, welcher verschiedene Maßnahmen zur Reduzierung der Treibhausgase und Umweltverschmutzungen vorgibt, damit begonnen, den Einsatz einiger PFAS-Arten zu verbieten. Unter anderem wird darin ein schrittweisen Ausstieg aus der Verwendung von Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) in der EU vorgesehen. Auch in den Vereinigten Staaten wird derzeit über ein Verbot von PFAS diskutiert.

Die europäische Chemikalienagentur ECHA hat am 7. Februar 2023 auf ihrer Internetseite einen Entwurf für eine umfassende Beschränkung von Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) veröffentlicht (https://echa.europa.eu/de/hot-topics/perfluoroalkyl-chemicals-pfas). Die Definition von „PFAS“ im Entwurf beinhaltet jede Substanz, die mindestens ein vollständig fluoriertes Methyl- (CF₃-) oder Methylen- (-CF₂-) Kohlenstoffatom enthält (ohne daran gebundenes H/Cl/Br/I). Dadurch sind beispielsweise auch Fluorpolymere wie PTFE oder PVDF betroffen.