PTFE (Polytetrafluoroethylene) คืออะไร?

Polytetrafluoroethylene (PTFE) เป็นคาร์บอนและโพลีเมอร์ฟลูออรีน วัสดุนี้มีชื่อที่คุ้นเคยมากที่สุด: เทฟลอน

คุณสมบัติของ PTFE ได้แก่ :

• คุณสมบัติทางกลที่ดีเยี่ยม (<1%)

• ทนต่อการกัดกร่อนของสารเคมีเฉื่อย

• ทนความร้อน

• ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานต่ำสุด

• คุณสมบัติไม่ติด (ทนทานต่ออุณหภูมิสูงอย่างต่อเนื่องที่ 500°f (260°c))

• ทนต่อการสึกหรอ

• จุดหลอมเหลวสูง

คุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมของ PTFE ทำให้นำไปใช้งานได้หลากหลาย และมักใช้เป็นสารเคลือบกันติดสำหรับเครื่องครัว ความต้านทานการสึกหรอที่ดีขึ้นของ PTFE ช่วยให้สามารถรวมกับวัสดุต่างๆ ผ่านกระบวนการพอลิเมอไรเซชันแบบอิมัลชันหรือกระบวนการพอลิเมอไรเซชันแบบแขวนลอยเพื่อสร้างผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรมที่ทนความร้อนสูงพร้อมคุณสมบัติเชิงกลที่ดีเยี่ยม เช่น ฉนวนลวด สายพานลำเลียงเกรดอาหาร ผ้ากันติดที่ยืดหยุ่น เป็นต้น

PTFE คืออะไร?

Polytetrafluoroethylene ถูกค้นพบในปี 1938 เดิมถูกค้นพบโดยนักเคมีชาวอเมริกัน Roy J. Plunkett (1910–1994) เมื่อเขาพยายามสร้างสารทำความเย็นสารประกอบคาร์บอนและฟลูออรีนใหม่ คนสมัยนั้นคงไม่นึกถึงสินค้าธรรมดาๆแบบนี้ ตัวเร่งปฏิกิริยาแปลกๆ จะส่งผลต่อทุกด้านของโลก

ในปี 1941 ดูปองท์ได้รับสิทธิบัตรสำหรับผลิตภัณฑ์นี้ และจดทะเบียนเครื่องหมายการค้าภายใต้ชื่อ 'เทฟลอน' ในปี 1944

ปัจจุบัน polytetrafluoroethylene ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในหลายสาขาการผลิตและชีวิต ในอุตสาหกรรมอาหาร เครื่องครัวเคลือบ PTFE ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย ในอุตสาหกรรมเสื้อผ้า เสื้อผ้ากันความเย็นชั้นนำจากแบรนด์ต่างๆ เช่น HELIKON และ Carinthia ล้วนใช้ PTFE เป็นสารเคลือบหรือชั้นนอก เพื่อให้สามารถทนต่อความหนาวเย็นที่รุนแรงถึง -30°C; ในด้านการทหาร วัสดุ PTFE ที่มีการสูญเสียต่ำ คุณสมบัติไดอิเล็กทริกที่ดีเยี่ยม ความสม่ำเสมอที่ดี คุณสมบัติทางเคมีที่เสถียร และแทบไม่มีการดูดซับความชื้นถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในแผงเรดาร์ความถี่วิทยุสูง ในวงการแพทย์ วัสดุ PTFE ยังใช้กันอย่างแพร่หลายในส่วนของร่างกายเทียม

PTFE ย่อมาจากอะไร?

PTFE ย่อมาจาก polytetrafluoroethylene ซึ่งเป็นศัพท์ทางเคมีสำหรับโพลีเมอร์ (C2F4)n

โดยทั่วไปวัสดุนี้หมายถึงฟลูออโรโพลีเมอร์สังเคราะห์ ptfe ที่มีตราสินค้า ลักษณะสำคัญของโพลีเตตราฟลูออโรเอทิลีนมีดังนี้:

• อุณหภูมิใช้งานสูงสุด(°F/°C): 500/260

• ความต้านแรงดึงที่จุดขาด (PSI) : 4,000

• ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก (kV/mil): 3.7

• สัดส่วน: 2.16

• การยืดตัวเมื่อขาด: 350%

• ความแข็งฝั่ง D: 54

ฟลูออโรโพลีเมอร์สังเคราะห์ ptfe polytetrafluoroethylene ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายซึ่งมีลักษณะข้างต้นมีแบรนด์นับไม่ถ้วนแล้ว แบรนด์หลักมีดังนี้:

• TEFLON®: เคมูร์

• FLUON®: AGC Ltd

• ไดนีออน®: 3M

• POLYFLON: บริษัท ไดกิ้น อินดัสเตรียล จำกัด

• อัลโกฟลอน: Solvay Ltd.

  
  

โครงสร้างทางเคมีของ PTFE

Polytetrafluoroethylene เป็นโพลีเมอร์เชิงเส้นที่ประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอน (C) และฟลูออรีน (F) โดยมีสูตรทางเคมี (C2F4)n โดยที่ n คือจำนวนหน่วยโมโนเมอร์

โครงสร้างของ PTFE สามารถแสดงเป็น: -CF2-CF2-CF2-CF2-

สายโซ่ยาวของโมเลกุล PTFE ประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอน ซึ่งแต่ละอะตอมเชื่อมโยงกับอะตอมของฟลูออรีนสองอะตอม

อะตอมของฟลูออรีนเกือบจะปกคลุมพื้นผิวของอะตอมคาร์บอนของสายโซ่โพลีเมอร์แบบเกลียว อะตอมของคาร์บอนก่อตัวเป็นสายโซ่หลักของสายโซ่โพลีเมอร์ อะตอมของฟลูออรีนสร้างโครงสร้างคล้ายเกราะป้องกันรอบๆ อะตอมของคาร์บอน ซึ่งช่วยปกป้องอะตอมของคาร์บอนภายในได้ดี

การจัดเรียงอะตอมที่เป็นเอกลักษณ์นี้ทำให้ PTFE มีคุณสมบัติพิเศษ โครงสร้างโมเลกุลนี้มีส่วนทำให้คุณสมบัติทางกายภาพและเคมีที่ไม่มีใครเทียบได้ของ PTFE

วัสดุเทฟลอนคืออะไร?

เป็นเทฟลอน PTFE

แน่นอนว่าเทฟลอนเป็นวัสดุโพลีเมอร์ที่ทำปฏิกิริยาโพลีเมอร์จากเตตราฟลูออโรเอทิลีน และเป็นวัสดุประเภทเพอร์ฟลูออริเนต ชื่อทางเคมีของมันคือ polytetrafluoroethylene (PTFE)

โครงสร้างทางเคมีของเทฟลอนมีเอกลักษณ์เฉพาะตัวมาก โครงสร้างโมเลกุลคือ F (อะตอมของฟลูออรีน) แทนที่ H (อะตอมไฮโดรเจน) ทั้งหมดบนสาย C ในเวลาเดียวกันเนื่องจากรัศมีของอะตอมฟลูออรีนมีขนาดใหญ่กว่ารัศมีของอะตอมคาร์บอนมาก แรงผลักระหว่างอะตอมจึงมีขนาดใหญ่มาก ดังนั้นมันจะไม่เหมือนกับอะตอมไฮโดรเจนจึงสามารถจัดเรียงเป็นระนาบได้ ดังนั้นอะตอมของฟลูออรีนจึงแทบจะหมุนวนขึ้นเพื่อห่ออะตอมของคาร์บอนเพื่อให้โลกภายนอกสามารถสัมผัสกับอะตอมของฟลูออรีนที่ค่อนข้างเฉื่อยเท่านั้น

โครงสร้างโพลีเมอร์เทฟลอนมีโครงสร้างกั้นอะตอมฟลูออรีนที่แข็งแกร่ง จึงค่อนข้างเสถียรเมื่อเทียบกับวัสดุอื่นๆ

คุณสมบัติของเทฟล่อน

PTFE เป็นพอลิเมอร์โพลีเมอร์จากโมโนเมอร์เตตราฟลูออโรเอทิลีน เป็นแว็กซ์ใสหรือทึบแสงคล้ายกับ PE ความหนาแน่นของมันคือ 2.2g/cm3 และอัตราการดูดซึมน้ำน้อยกว่า 0.01%

โครงสร้างทางเคมีของโพลีเมอร์ PTFE นั้นคล้ายคลึงกับโครงสร้าง PE ยกเว้นว่าอะตอมไฮโดรเจนทั้งหมดในโพลิเอทิลีนจะถูกแทนที่ด้วยอะตอมของฟลูออรีน เนื่องจากพลังงานพันธะสูงและประสิทธิภาพที่มั่นคงของพันธะ CF จึงมีความต้านทานการกัดกร่อนทางเคมีที่ดีเยี่ยม และสามารถทนต่อกรดแก่ทุกชนิด (รวมถึงกรดกัดทอง) ยกเว้นโลหะอัลคาไลหลอมเหลว ตัวกลางออกซิไดซ์ และโซเดียมไฮดรอกไซด์ที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 300°C รวมไปถึงผลกระทบของสารออกซิแดนท์อย่างแรง สารรีดิวซ์ และตัวทำละลายอินทรีย์ต่างๆ

อะตอม F ในโมเลกุล PTFE มีความสมมาตร และองค์ประกอบทั้งสองในพันธะ CF นั้นมีพันธะโควาเลนต์กัน ไม่มีอิเล็กตรอนอิสระในโมเลกุล ทำให้โมเลกุลทั้งหมดเป็นกลาง ดังนั้นจึงมีคุณสมบัติเป็นฉนวนที่ดีเยี่ยม และฉนวนไฟฟ้าไม่ได้รับผลกระทบจากอิทธิพลของสภาพแวดล้อมและความถี่

คุณสมบัติทางกายภาพของเทฟลอน

ความต้านทานปริมาตรมากกว่า 1,017 การสูญเสียอิเล็กทริกมีน้อย แรงดันพังทลายสูง ความต้านทานส่วนโค้งดี และสามารถทำงานในสภาพแวดล้อมทางไฟฟ้าที่อุณหภูมิ 250°C เนื่องจากไม่มีพันธะไฮโดรเจนในโครงสร้างโมเลกุลของ PTFE โครงสร้างจึงสมมาตร ดังนั้นการตกผลึก ระดับของการตกผลึกจึงสูงมาก (โดยทั่วไปความเป็นผลึกคือ 55% ~ 75% บางครั้งสูงถึง 94%) ซึ่งทำให้ PTFE ทนความร้อนได้อย่างมาก อุณหภูมิหลอมละลายคือ 324C อุณหภูมิการสลายตัวคือ 415°C และอุณหภูมิการใช้งานสูงสุดคือ 250°C มันเปราะ อุณหภูมิอยู่ที่ -190°C และอุณหภูมิการบิดเบือนความร้อน (ภายใต้สภาวะ 0.46MPa) คือ 120C

วัสดุเทฟลอนมีคุณสมบัติเชิงกลที่ดี ความต้านทานแรงดึงอยู่ที่ 21~28MPa ความต้านทานการดัดงออยู่ที่ 11~14MPa การยืดตัวอยู่ที่ 250%~300% และค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานแบบไดนามิกและแบบสถิตต่อเหล็กอยู่ที่ 0.04 ซึ่งดีกว่าไนลอน โพลีฟอร์มาลดีไฮด์ และโพลีเอทิลีน ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานของพลาสติกเย็นมีค่าน้อย

PTFE บริสุทธิ์มีความแข็งแรงต่ำ ทนต่อการสึกหรอต่ำ และต้านทานการคืบต่ำ โดยปกติจำเป็นต้องเติมอนุภาคอนินทรีย์ลงในโพลีเมอร์ PTFE เช่น กราไฟท์ หมู่ไดซัลไฟด์ อลูมิเนียมออกไซด์ ใยแก้ว คาร์บอนไฟเบอร์ ฯลฯ เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติทางกล และยังสามารถขยายได้โดยการร่วมมือกับโพลีเมอร์อื่นๆ เช่น โพลีฟีนิเลส (PHB), โพลีฟีนิลีนซัลไฟด์ (PFS), โพลีเอทิลีนไกลคอล (PEEK), โพลีเอทิลีน/โพรพิลีนโคโพลีเมอร์ (PFEP) เป็นต้น ช่วงอุณหภูมิที่ทำให้หมาด ๆ ช่วยเพิ่มความต้านทานต่อความแปรปรวน

เทฟลอนทำอย่างไร

กระบวนการผลิตใช้คลอโรฟอร์มเป็นวัตถุดิบ ใช้กรดไฮโดรฟลูออริกแอนไฮดรัสเพื่อฟลูออริเนตคลอโรฟอร์ม อุณหภูมิของปฏิกิริยาสูงกว่า 65°C ใช้พลวงเพนตะคลอไรด์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา และสุดท้ายใช้การแตกร้าวด้วยความร้อนเพื่อผลิตเตตราฟลูออโรเอทิลีน

Aokai ผลิตขึ้นโดยใช้สารแขวนลอยโพลีเมอไรเซชันหรือสารโพลีเมอไรเซชันแบบอิมัลชัน

1. การเตรียมมอนอเมอร์เตตราฟลูออโรเอทิลีน

ในทางอุตสาหกรรม คลอโรฟอร์มถูกใช้เป็นวัตถุดิบ, กรดแอนไฮดรัสไฮโดรฟลูออริกถูกใช้เพื่อฟลูออริเนตคลอโรฟอร์ม, อุณหภูมิปฏิกิริยาสูงกว่า 65°C, เพนตะคลอไรด์พลวงถูกใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา และในที่สุด เตตราฟลูออโรเอทิลีนก็ผลิตโดยการแตกร้าวด้วยความร้อน Tetrafluoroethylene สามารถผลิตได้โดยการทำปฏิกิริยาสังกะสีกับ tetrafluorodichloroethane ที่อุณหภูมิสูง

1. การเตรียมโพลีเตตระฟลูออโรเอทิลีน

ในกาต้มน้ำโพลีเมอไรเซชันแบบเคลือบหรือสเตนเลส น้ำจะถูกใช้เป็นตัวกลาง โพแทสเซียมเปอร์ซัลเฟตจะถูกใช้เป็นตัวริเริ่ม เกลือแอมโมเนียมของกรดเพอร์ฟลูออโรคาร์บอกซิลิกจะถูกใช้เป็นสารช่วยกระจายตัว ฟลูออโรคาร์บอนจะถูกใช้เป็นสารทำให้คงตัว และเตตระฟลูออโรเอทิลีนจะถูกทำปฏิกิริยารีดอกซ์เพื่อให้ได้โพลีเอทิลีนที่เป็นผงละเอียด เตตราฟลูออโรเอทิลีน

เพิ่มสารเติมแต่งต่างๆ ลงในกาต้มน้ำปฏิกิริยา และโมโนเมอร์เตตราฟลูออโรเอทิลีนจะเข้าสู่กาต้มน้ำโพลีเมอไรเซชันในเฟสแก๊ส ปรับอุณหภูมิในกาต้มน้ำเป็น 25°C จากนั้นเติมแอคติเวเตอร์ (โซเดียมเมตาไบซัลไฟต์) จำนวนหนึ่งเพื่อเริ่มปฏิกิริยาโพลีเมอไรเซชันผ่านระบบรีดอกซ์ ในระหว่างกระบวนการโพลีเมอไรเซชัน โมโนเมอร์จะถูกเติมอย่างต่อเนื่อง และความดันการเกิดโพลีเมอไรเซชันจะอยู่ที่ 0.49~0.78MPa การกระจายตัวที่ได้รับหลังการเกิดพอลิเมอไรเซชันจะถูกเจือจางด้วยน้ำจนมีความเข้มข้น และอุณหภูมิจะปรับเป็น 15~20°C หลังจากการรวมตัวด้วยการกวนเชิงกลแล้ว ให้ล้างด้วยน้ำและทำให้แห้ง กล่าวคือ ผลิตภัณฑ์นี้จะได้เป็นเรซินเม็ดละเอียด

เทฟลอนปลอดภัยหรือไม่?

การเคลือบเทฟล่อนนั้นปลอดภัย: วัสดุเทฟล่อนเองนั้นปลอดสารพิษ จะไม่สลายตัว และไม่ก่อให้เกิดอันตรายต่อสุขภาพ อาจเป็นเพราะโครงสร้างโมเลกุลโดยทั่วไปไม่ละลายในสารเคมีจริง ไม่ต้องพูดถึงการย่อยและดูดซึมโดยร่างกายมนุษย์

เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับความปลอดภัยของเทฟลอน

PTFE ใช้สำหรับอะไร？

วัสดุ PTFE มีแรงตึงผิวน้อยที่สุดในบรรดาวัสดุที่เป็นของแข็ง และไม่ยึดติดกับสารใดๆ นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติทนต่ออุณหภูมิสูงและต่ำและความเฉื่อยของสารเคมีทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานเช่นการผลิต กระทะนอนสติ๊กถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในงานป้องกันการติด กระบวนการป้องกันการติดยึดประกอบด้วยสองประเภทหลัก: การติดตั้งแผ่น PTFE บนพื้นผิวและการวาง เคลือบ PTFE หรือวานิชผสมกับแก้วบนพื้นผิว ผ่านการหดตัวด้วยความร้อน

เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการเคลือบ PTFE

แม้ว่าวัสดุ PTFE ยังคงมีปัญหาเรื่องความยากในการเชื่อมสูง แต่ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยี วิธีการสังเคราะห์แบบใหม่จะช่วยแก้ปัญหาของ PTFE ในไม่ช้า และใช้ PTFE กับสาขาที่กว้างขึ้น