Fluorkunststoffe

Fluorkunststoffe sind Hochleistungs-Kunststoffe, die seit 1950 industriell verarbeitet werden. Bei diesen Polymeren sind die Wasserstoffatome der Kohlenstoffhauptketten ganz oder teilweise durch Fluoratome ersetzt. Diese Fluorbindungen sind sehr stabil, so dass Fluorkunststoffe eine hohe Chemikalien- und Temperaturbeständigkeit aufweisen.
Zu den Fluorkunststoffen gehören das nicht schmelzbare Polytetrafluorethylen (PTFE) und das thermoplastisch verarbeitbare Polyvinylidendifluorid (PVDF). Sie sind die wichtigsten Vertreter dieser Gruppe, die noch eine Vielzahl anderer thermoplastischer Fluorverbindungen beinhaltet.

      

           Abb. 1 Molekulare Strukturformeln

Polytetrafluorethylen

Polytetrafluorethylen (Kurzzeichen PTFE) ist unter dem Handelsnamen Teflon gut bekannt, gehört jedoch, bedingt durch seine schwierige, meist sintertechnische Herstellung, nicht zu den Massenkunststoffen. Teflon lässt sich nicht wie andere Thermoplaste durch Wärmwirkung verarbeiten. Dennoch wird das Polymer zu den Thermoplasten gezählt, da es fadenförmige Makromoleküle besitzt.
Sein chemischer Bau ist einfach (Abb. 1a) und kann mit dem des Polyethylens verglichen werden. Die Hauptkette besteht ausschließlich aus Kohlenstoffatomen, anstelle der Wasserstoffatome befinden sich Fluoratome. Durch diesen Austausch von Atomen wird die Wärmebeständigkeit des Polymeren erhöht. Die Gebrauchstemperatur von Polytetrafluorethylen beträgt max. 260 °C und kann kurzzeitig 300 °C erreichen. Andererseits, bedingt durch die Fluoratome, beträgt die Dichte rund 2,2 g/cm³. Somit ist Teflon der schwerste aller Kunststoffe. Das Polymer ist teilkristallin mit hohen Anteilen geordneter Molekülbereiche. Einige Kennwerte von Polytetrafluorethylen sind in Tab. 1 dargestellt.
Polytetrafluorethylen zeichnet sich durch viele außergewöhnliche Eigenschaften aus. Es ist beständig gegen nahezu allen Chemikalien und zeigt keine Wasseraufnahme. Am besten ist der Kunststoff für seine sehr geringe (praktisch keine) Neigung zur Adhäsion bekannt. Sein Reibungskoeffizient gilt als der niedrigste aller Werkstoffe, wodurch es auch als Lagerwerkstoff verwendet werden kann. Seine Festigkeit und Härte sind jedoch sehr niedrig (vgl. Tab. 1). Dafür besitzt Teflon eine sehr gute Zähigkeit, auch bei niedrigen Temperaturen (bis -250 °C). Hohes Isoliervermögen auch bei hoher Luftfeuchtigkeit ermöglicht die Anwendung in der Elektrotechnik. Polytetrafluorethylen ist, als einer der wenigen Kunststoffe, nicht entflammbar.

    Tab.1 Kennwerte von Polytetrafluorethylen PTFE

 Dichte  2,16 g/cm3
 E-Modul  420 MPa
 Streckspannung  10 MPa
 Kugeleindruckhärte H358/30  28 MPa
 Kerbschlagzähigkeit nach Charpy bei 23°C  nicht gebrochen
 Schmelztemperatur  327 °C
 Wärmebeständigkeit HDT/B  121 °C
 Dauergebrauchstemperatur max./min.  260 °C /-200 °C

Polytetrafluorethylen lässt sich nur sintertechnisch verarbeiten, was seinen Preis erhöht und seine Anwendung einschränkt. Es wird häufig für abweisende Beschichtungen verwendet z. B. für Bratpfannen. Aufgrund seines Eigenschaftsprofils eignet sich Teflon nur eingeschränkt für mechanisch belastete Bauteile. Es wird insbesondere für Dichtungen und Dichtungselemente (Abb. 2a), für Isolationsbauteile und für mechanisch sehr gering belastete Gleitelemente verwendet. Zu weiteren Anwendungen zählen z. B. korrosionsbeständige Auskleidungen von Pipelines. Polytetrafluorethylen lässt sich gut mit Füllstoffen vermischen und ist daher in vielen verschiedenen Typen erhältlich. Es ist auch Basis für verschiedene Sonderkunststoffe.

         

        Abb. 2 Anwendungsbeispiele für PTFE (a) und PVDF (b)

Polyvinylidendifluorid

Polyvinylidendifluorid (Kurzzeichen PVDF) ist mit seinem chemischen Bau dem Polyterafluorethylen ähnlich. Seine Hauptkette besteht aus Kohlenstoffatomen und an jedem zweiten Kohlenstoffatom befindet sich anstelle des Wasserstoffatoms ein Fluoratom (Abb. 1b). Der Thermoplast ist wie Polytetrafluorethylen teilkristallin, hat jedoch eine geringere Dichte. Einige Kennwerte des Polyvinylidendifluorids sind in Tab. 2 dargestellt.

Tab. 2 Kennwerte von Polyvinylidendifluorid PVDF

 Dichte  1,78 g/cm3
 E-Modul  2.500 MPa
 Streckspannung  59 MPa
 Kugeleindruckhärte H358/30  95 MPa
 Kerbschlagzähigkeit nach Charpy bei 23°C  7,6 kJ/m2
 Schmelztemperatur  175 °C
 Wärmebeständigkeit HDT/B  148 °C
 Dauergebrauchstemperatur max./min.  150 °C /-30 °C

Durch die geringere Anzahl an starken Bindungen zwischen Kohlenstoff und Fluor ist seine Gebrauchstemperatur mit max. 150 °C kleiner als die von Polytetrafluorethylen. Im Vergleich zum Teflon verfügt Polyvinylidendifluorid über eine deutlich bessere Steifigkeit und Druckfestigkeit. Seine Beständigkeit gegen Chemikalien und UV-Strahlung ist hervorragend. Der Kunststoff weist eine hohe Beständigkeit gegen energiereiche Strahlung auf und gilt als physiologisch unbedenklich. Polyvinylidendifluorid kann als ein extrem reines Polymer hergestellt werden und damit erfüllt es höchste Reinheitsansprüche. Daher wird es in Bereichen höchster Reinheit, z. B. in der Chemie-, Lebensmittel- und Halbleiterindustrie gerne eingesetzt. Im Vergleich zum Polytetrafluorethylen sind seine Wärmebeständigkeit, Gleit- und Isoliereigenschaften geringer, dafür muss es nicht sintertechnisch verarbeitet werden. Damit stellt Polyvinylidendifluorid eine gute Alternative zum Teflon dar. Eine Besonderheit des Polyvinylidendifluorids sind seine piezoelektrischen Eigenschaften. Verwendung findet dieser Kunststoff vor allem in der chemischen Industrie für verschiedene kleine Teile oder Rohrleitungen (Abb. 2b).