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 sehr 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 (Teflon)

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 Wärmewirkung verarbeiten. Dennoch wird das Polymer zu den Thermoplasten gezählt, da es fadenförmige Makromoleküle besitzt. Der chemische Bau von Teflon ist einfach (Abb. 1a) und kann mit dem des Polyethylens verglichen werden. Die Hauptkette besteht wie beim Polyethylen ausschließlich aus Kohlenstoffatomen, jedoch anstelle der Wasserstoffatome befinden sich Fluoratome. Die Bindung zwischen Kohlenstoff und Fluor ist besonders stabil und verleiht dem Material fast wundersame Eigenschaften. Durch den Austausch von Atomen wird erheblich die Wärmebeständigkeit des Polymeren erhöht. Die Gebrauchstemperatur von Polytetrafluorethylen beträgt max. 260 °C und kann kurzzeitig 300 °C erreichen. Unter den Kunststoffen ist Teflon eines der hitzebeständigsten Materialien. 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. Selbst Königswasser, eine überaus aggressive Mischung aus Salz- und Salpetersäure, mit dem man Gold auflösen kann, greift Teflon nicht an.

Am besten ist der Kunststoff für seine sehr geringe (praktisch keine) Neigung zur Adhäsion bekannt. Sein Reibungskoeffizient gilt als der niedrigste aller Werkstoffe. Diese Antihafteigenschaften rühren zum einen daher, dass das Molekül unpolar ist und deshalb auch keine auf elektrostatischer Anziehung beruhende Bindung eingehen kann; auch Wasserstoffbrücken bilden sich nicht aus. Zum anderen ist die Oberfläche von Teflon sehr glatt, was eine mechanische Verankerung erschwert. Des Weiteren existieren nahezu keine Materialien, die am Teflon haften bleiben, da seine Oberflächenspannung extrem niedrig ist. Ein idealer Werkstoff also für verschiedene oft einzigartige Anwendungen. Zu diesen gehören teflonbeschichtete Bratpfannen sowie auch das gut bekannte GORE-TEX-Gewebe (Abb. 2a). Hierfür werden aus Teflon künstliche Membranen gefertigt, die Milliarden winziger Poren enthalten. Diese Poren sind für Wasser-Moleküle groß genug, aber für Wassertropfen zu klein. Wenn ein GORE-TEX-Kleidungsstück beispielsweise dem Regen ausgesetzt wird, kommt keine Nässe hindurch; der Schweiß dagegen, der als Wasserdampf ausgeschieden wird, kann durch das Gewebe leicht entweichen.

Bedingt durch den geringen Reibungskoeffizient können zwei teflonbeschichtete Werkstücke ganz einfach gegeneinander gleiten, wodurch PTFE 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. Aufgrund seines Eigenschaftsprofils eignet sich Teflon nur eingeschränkt für mechanisch belastete Bauteile. Es wird häufig für abweisende Beschichtungen, für Dichtungen und Dichtungselemente (Abb. 2b), 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. Heutzutage steckt Teflon in der Medizintechnik bei Implantaten, in Brillengläsern, in Raumfahrzeugen, auf Gitarrensaiten und in Mikrochips. 

                                  Abb. 2 Anwendungsbeispiele a) GORE-TEX mit PTFE, b) Dichtungen aus PTFE, c) Rohrteil aus PVDF

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. 2c). Der Markt für die beiden Fluorkunststoffe ist längst sehr groß, und ständig werden neue Anwendungs- und Kombinationsmöglichkeiten entdeckt. <<