El politetrafluoroetileno ( PTFE ) es un fluoropolímero sintético de tetrafluoroetileno y tiene numerosas aplicaciones porque es químicamente inerte. La marca comúnmente conocida de la composición a base de PTFE es Teflon de Chemours , [1] una empresa derivada de DuPont , que descubrió originalmente el compuesto en 1938. [1]
El politetrafluoroetileno es un sólido de fluorocarbono , ya que es un polímero de alto peso molecular compuesto enteramente de carbono y flúor . El PTFE es hidrófobo : ni el agua ni las sustancias que contienen agua humedecen el PTFE, ya que los fluorocarbonos presentan sólo pequeñas fuerzas de dispersión London debido a la baja polarización eléctrica del flúor. El PTFE tiene uno de los coeficientes de fricción más bajos de cualquier sólido.
El politetrafluoroetileno se utiliza como revestimiento antiadherente para sartenes y otros utensilios de cocina. No es reactivo, en parte debido a la fuerza de los enlaces carbono-flúor , por lo que se utiliza a menudo en contenedores y tuberías para productos químicos reactivos y corrosivos. Cuando se utiliza como lubricante , el PTFE reduce la fricción, el desgaste y el consumo de energía de la maquinaria. Se utiliza como material de injerto en cirugía y como recubrimiento de catéteres .
El PTFE y los productos químicos utilizados en su producción son algunos de los PFAS [ cita requerida ] más conocidos y ampliamente aplicados , que son contaminantes orgánicos persistentes . Durante décadas, DuPont utilizó ácido perfluorooctanoico (PFOA o C8) durante la producción de PTFE, y luego suspendió su uso debido a acciones legales por cuestiones ecotoxicológicas y de salud. Chemours, una filial de Dupont, fabrica hoy PTFE utilizando una sustancia química alternativa que llama GenX , otro PFAS.
El politetrafluoroetileno (PTFE) fue descubierto accidentalmente en 1938 por Roy J. Plunkett mientras trabajaba en Nueva Jersey para DuPont . Cuando Plunkett intentó fabricar un nuevo refrigerante de clorofluorocarbono , el gas tetrafluoroetileno en su botella a presión dejó de fluir antes de que el peso de la botella cayera hasta el punto que indicaba "vacío". Como Plunkett estaba midiendo la cantidad de gas usado pesando la botella, sintió curiosidad por saber de dónde provenía el peso y finalmente recurrió a cortar la botella. Encontró el interior de la botella cubierto con un material blanco ceroso que era extrañamente resbaladizo. Los análisis mostraron que se trataba de perfluoroetileno polimerizado, habiendo actuado el hierro del interior del recipiente como catalizador a alta presión. [4] Kinetic Chemicals patentó el nuevo plástico fluorado (análogo al ya conocido polietileno ) en 1941, [5] y registró la marca Teflon en 1945. [6] [7]
En 1948, DuPont, que fundó Kinetic Chemicals en asociación con General Motors , producía más de 910.000 kilogramos (2.000.000 de libras) de politetrafluoroetileno de marca Teflón por año en Parkersburg, Virginia Occidental . [8] Uno de sus primeros usos fue en el Proyecto Manhattan como material para recubrir válvulas y sellos en las tuberías que contienen hexafluoruro de uranio altamente reactivo en la vasta planta de enriquecimiento de uranio K-25 en Oak Ridge, Tennessee . [9]
En 1954, Colette Grégoire instó a su marido, el ingeniero francés Marc Grégoire, a probar en sus sartenes el material que había estado utilizando para fabricar aparejos de pesca. Posteriormente creó las primeras sartenes antiadherentes recubiertas de PTFE bajo la marca Tefal (combinando "Tef" de "Teflon" y "al" de aluminio). [10] En los Estados Unidos, Marion A. Trozzolo , que había estado usando la sustancia en utensilios científicos, comercializó la primera sartén recubierta de PTFE fabricada en Estados Unidos, "The Happy Pan", en 1961. [11] Utensilios de cocina antiadherentes Desde entonces se ha convertido en un producto doméstico común, que ahora lo ofrecen cientos de fabricantes en todo el mundo.
La marca Zepel se utilizó para promover su resistencia a las manchas y al agua cuando se aplica a telas. [12]
En la década de 1990, se descubrió que el PTFE podía reticularse por radiación por encima de su punto de fusión en un entorno libre de oxígeno. [13] El procesamiento por haz de electrones es un ejemplo de procesamiento por radiación. El PTFE reticulado ha mejorado las propiedades mecánicas a altas temperaturas y la estabilidad a la radiación. Esto fue significativo porque, durante muchos años, la irradiación en condiciones ambientales se ha utilizado para descomponer el PTFE para su reciclaje. [14] Esta escisión de la cadena inducida por la radiación permite que se pueda rectificar y reutilizar más fácilmente.
Se ha informado sobre el tratamiento de descarga corona de la superficie para aumentar la energía y mejorar la adhesión. [15]
El PTFE se produce mediante polimerización por radicales libres de tetrafluoroetileno . [16] La ecuación neta es
Debido a que el tetrafluoroetileno puede descomponerse explosivamente en tetrafluorometano (CF 4 ) y carbono, se requiere un aparato especial para la polimerización para evitar puntos calientes que podrían iniciar esta peligrosa reacción secundaria. El proceso normalmente se inicia con persulfato , que se homoliza para generar radicales sulfato:
El polímero resultante termina con grupos éster sulfato , que pueden hidrolizarse para dar grupos terminales OH . [17]
El PTFE granular se produce mediante polimerización en suspensión, donde el PTFE se suspende en un medio acuoso principalmente mediante agitación y, a veces, con el uso de un tensioactivo. El PTFE también se sintetiza mediante polimerización en emulsión, donde un tensioactivo es el medio principal para mantener el PTFE en un medio acuoso. [18] En el pasado, los tensioactivos incluían el ácido perfluorooctanoico (PFOA) y el ácido perfluorooctanosulfónico (PFOS), que son tóxicos. Más recientemente, el ácido perfluoro 3,6 dioxaoctanoico (PFO2OA) y FRD-903 (GenX) se están utilizando como tensioactivos alternativos. [19]
El PTFE es un polímero termoplástico , que es un sólido blanco a temperatura ambiente, con una densidad de aproximadamente 2200 kg/m 3 y un punto de fusión de 600 K (327 °C; 620 °F). [20] Mantiene alta resistencia, tenacidad y autolubricación a bajas temperaturas de hasta 5 K (−268,2 °C; −450,7 °F) y buena flexibilidad a temperaturas superiores a 194 K (−79,15 °C; −110,5 °F). ). [21] El PTFE obtiene sus propiedades del efecto agregado de los enlaces carbono-flúor , al igual que todos los fluorocarbonos. Los únicos productos químicos que se sabe que afectan estos enlaces carbono-flúor son los metales altamente reactivos como los metales alcalinos , a temperaturas más altas, metales como el aluminio y el magnesio, y agentes fluorantes como el difluoruro de xenón y el fluoruro de cobalto (III) . [22] A temperaturas superiores a 650–700 °C (1200–1290 °F), el PTFE se despolimeriza. [23] Sin embargo, comienza a descomponerse entre 260 °C (500 °F) y 350 °C (662 °F), y la pirólisis se produce a temperaturas superiores a 400 °C (752 °F). [24]
El coeficiente de fricción de los plásticos suele medirse frente al acero pulido. [29] El coeficiente de fricción del PTFE es de 0,05 a 0,10, [20] que es el tercero más bajo de cualquier material sólido conocido ( el boruro de aluminio y magnesio (BAM) es el primero, con un coeficiente de fricción de 0,02; el carbono similar al diamante es el segundo más bajo con 0,05). La resistencia del PTFE a las fuerzas de Van der Waals significa que es la única superficie conocida a la que un gecko no puede adherirse. [30] Además, el PTFE se puede utilizar para evitar que los insectos trepen por las superficies pintadas con el material. Por ejemplo, el PTFE se utiliza para evitar que las hormigas salgan de la formicaria . Existen tratamientos superficiales para PTFE que alteran la superficie para permitir la adhesión a otros materiales.
Debido a sus propiedades químicas y térmicas, el PTFE se utiliza a menudo como material para juntas en industrias que requieren resistencia a productos químicos agresivos, como productos farmacéuticos o procesamiento químico. [31] Sin embargo, hasta la década de 1990, [13] no se sabía que el PTFE se reticulara como un elastómero , debido a su inercia química. Por lo tanto, no tiene "memoria" y está sujeto a fluencia . Debido a la propensión a la fluencia, el rendimiento a largo plazo de dichos sellos es peor que el de los elastómeros que presentan niveles de fluencia cero o casi nulos. En aplicaciones críticas, las arandelas Belleville se utilizan a menudo para aplicar fuerza continua a las juntas de PTFE, garantizando así una pérdida mínima de rendimiento durante la vida útil de la junta. [32]
El PTFE es un polímero transparente a los rayos ultravioleta (UV). Sin embargo, cuando se expone a un rayo láser excimer , se degrada severamente debido al efecto fototérmico heterogéneo . [33]
El procesamiento de PTFE puede resultar difícil y costoso porque la alta temperatura de fusión, 327 °C (621 °F), está por encima de la temperatura de descomposición. Incluso cuando está fundido, el PTFE no fluye debido a su viscosidad extremadamente alta. [34] [35] La viscosidad y el punto de fusión se pueden disminuir mediante la inclusión de una pequeña cantidad de comonómeros como perfluoro (propilvinil éter) y hexafluoropropileno (HFP). Esto hace que la cadena de PTFE, que de otro modo sería perfectamente lineal, se ramifique, reduciendo su cristalinidad. [36]
Algunas piezas de PTFE se fabrican mediante moldeo en frío, una forma de moldeo por compresión . [37] Aquí, el PTFE en polvo fino se introduce en un molde a alta presión (10-100 MPa). [37] Después de un período de asentamiento, que dura de minutos a días, el molde se calienta de 360 a 380 °C (680 a 716 °F), [37] permitiendo que las partículas finas se fusionen ( sinterezen ) en una sola masa. [38]
La principal aplicación del PTFE, que consume alrededor del 50% de la producción, [39] es el aislamiento de cableado en aplicaciones aeroespaciales e informáticas (por ejemplo, cables de conexión y cables coaxiales). [40] [39] Esta aplicación aprovecha el hecho de que el PTFE tiene excelentes propiedades dieléctricas , específicamente una baja dispersión de velocidad de grupo , [41] especialmente en altas frecuencias de radio , [41] lo que lo hace adecuado para su uso como excelente aislante en conjuntos de conectores y cables. y en placas de circuito impreso utilizadas en frecuencias de microondas . Combinado con su alta temperatura de fusión, esto lo convierte en el material elegido como sustituto de alto rendimiento del polietileno más débil, de mayor dispersión y de menor punto de fusión , comúnmente utilizado en aplicaciones de bajo costo.
En aplicaciones industriales, debido a su baja fricción, el PTFE se utiliza para cojinetes lisos , engranajes , placas deslizantes , sellos, juntas, casquillos, [42] y más aplicaciones con acción deslizante de piezas, donde supera al acetal y al nailon . [43]
Su resistividad aparente extremadamente alta lo convierte en un material ideal para fabricar electretos de larga duración , los análogos electrostáticos de los imanes permanentes .
La película de PTFE también se utiliza ampliamente en la producción de compuestos de fibra de carbono y de fibra de vidrio, especialmente en la industria aeroespacial. La película de PTFE se utiliza como barrera entre la pieza de carbono o fibra de vidrio que se está construyendo y los materiales de ventilación y embolsado utilizados para encapsular la unión al reducir el volumen (eliminación del aire al vacío entre las capas de capas de material colocadas) y al curar el compuesto. generalmente en autoclave. El PTFE, utilizado aquí como película, evita que los materiales que no son de producción se adhieran a la pieza que se está construyendo, que es pegajosa debido a que las capas de grafito de carbono o fibra de vidrio están preimpregnadas con resina de bismaleimida . Los materiales que no son de producción, como el teflón, el Airweave Breather y la propia bolsa, se considerarían FOD (daños/residuos de objetos extraños) si se dejan en depósito.
Gore-Tex es una marca de PTFE expandido (ePTFE), un material que incorpora una membrana de fluoropolímero con microporos. El techo del Metrodomo Hubert H. Humphrey en Minneapolis , EE. UU., fue una de las mayores aplicaciones de recubrimientos de PTFE. Se utilizaron 20 acres (81.000 m 2 ) del material en la creación de la cúpula blanca de fibra de vidrio recubierta de PTFE de doble capa.
Debido a su extrema no reactividad y su clasificación de alta temperatura, el PTFE se utiliza a menudo como revestimiento en conjuntos de mangueras , juntas de expansión y en tuberías industriales, particularmente en aplicaciones que utilizan ácidos, álcalis u otros productos químicos. Sus cualidades sin fricción permiten un mejor flujo de líquidos altamente viscosos y para usos en aplicaciones como mangueras de freno.
Las membranas arquitectónicas de PTFE se crean recubriendo una tela base de fibra de vidrio tejida con PTFE, formando uno de los materiales más resistentes y duraderos utilizados en estructuras tensadas . [44] Algunas estructuras notables que cuentan con membranas tensadas de PTFE incluyen el O2 Arena en Londres, el estadio Moses Mabhida en Sudáfrica, el estadio Metropolitano en España y el techo del estadio de fútbol de Sydney en Australia. [45]
El PTFE se encuentra a menudo en productos de lubricación de instrumentos musicales; más comúnmente, aceite de válvula.
El PTFE se utiliza en algunos aerosoles lubricantes, incluso en forma micronizada y polarizada. Destaca por su bajísimo coeficiente de fricción, su hidrofobia (que sirve para inhibir la oxidación) y por la película seca que forma tras la aplicación, lo que le permite resistir la acumulación de partículas que de otro modo podrían formar una pasta abrasiva. [46] Las marcas incluyen GT85. [47]
El PTFE es mejor conocido por su uso para recubrir sartenes antiadherentes y otros utensilios de cocina, ya que es hidrofóbico y posee una resistencia al calor bastante alta.
Las suelas de algunas planchas para ropa están recubiertas de PTFE. [48]
Otras aplicaciones de nicho incluyen:
Si bien el PTFE es estable a temperaturas más bajas, comienza a deteriorarse a temperaturas de aproximadamente 260 °C (500 °F), se descompone por encima de 350 °C (662 °F) y la pirólisis ocurre a temperaturas superiores a 400 °C (752 °F). ). [24] Los principales productos de descomposición son gases fluorocarbonados y un sublimado , incluidos los radicales tetrafluoroetileno (TFE) y difluorocarbeno (RCF2). [24]
Un estudio en animales realizado en 1955 concluyó que es poco probable que estos productos se generen en cantidades significativas para la salud a temperaturas inferiores a 250 °C (482 °F). [63] Por encima de esas temperaturas, los subproductos de la degradación pueden ser letales para las aves , [64] y pueden causar síntomas similares a los de la gripe en los humanos ( fiebre por vapores de polímero ), [65] aunque en los humanos esos síntomas desaparecen en uno o dos días después. siendo trasladado al aire libre. [66]
La mayoría de los casos de fiebre por vapores de polímeros en humanos ocurren debido a fumar tabaco contaminado con PTFE, [66] aunque se han producido casos en personas que han soldado cerca de componentes de PTFE. [66] Es poco probable que los utensilios de cocina recubiertos de PTFE alcancen temperaturas peligrosas con el uso normal, ya que la carne generalmente se fríe entre 204 y 232 °C (399 y 450 °F) y la mayoría de los aceites de cocina (excepto los aceites refinados de cártamo y aguacate ) comienzan a fume antes de alcanzar una temperatura de 260 °C (500 °F). Un estudio de 1973 realizado por el Laboratorio Haskell de DuPont encontró que una exposición de 4 horas a los vapores emitidos por los utensilios de cocina de PTFE calentados a 280 °C (536 °F) era letal para los periquitos , aunque esa era una temperatura más alta que los 260 °C (500 °F). F) requerido para que los vapores de la mantequilla pirolizada sean letales para las aves. [67]
El ácido perfluorooctanoico (PFOA), una sustancia química que se utilizaba anteriormente en la fabricación de productos de PTFE, como los utensilios de cocina con revestimiento antiadherente, puede ser cancerígeno para las personas expuestas a él (consulte Ecotoxicidad). [68] Se han encontrado niveles preocupantes de PFOA en la sangre de personas que trabajan o viven cerca de fábricas donde se utiliza el producto químico, y en personas expuestas regularmente a productos que contienen PFOA, como algunas ceras para esquís y revestimientos de telas resistentes a las manchas. pero no se encontró que los utensilios de cocina antiadherentes fueran una fuente importante de exposición, ya que el PFOA se quema durante el proceso de fabricación y no está presente en el producto terminado. [66] Los utensilios de cocina con revestimiento antiadherente no se fabrican con PFOA desde 2013, [69] y ya no se fabrica PFOA en los Estados Unidos. [68]
El trifluoroacetato de sodio y el compuesto similar clorodifluoroacetato de sodio pueden generarse cuando el PTFE se somete a termólisis , además de producir ácidos polifluoro y/o policlorofluorocarboxílicos (C3-C14) de cadena más larga que pueden ser igualmente persistentes. Estos productos pueden acumularse en los humedales evaporativos y se han encontrado en las raíces y semillas de especies de plantas de humedales, pero no se ha observado que tengan un impacto adverso en la salud de las plantas o el éxito de la germinación. [66]
El ácido perfluorooctanoico (PFOA o C8) se ha utilizado como tensioactivo en la polimerización en emulsión de PTFE, aunque varios fabricantes han suspendido por completo su uso.
El PFOA persiste indefinidamente en el medio ambiente. [70] Se ha detectado PFOA en la sangre de muchos individuos de la población general de los EE. UU. en el rango bajo y subpartes por mil millones , y los niveles son más altos en los empleados de plantas químicas y las subpoblaciones circundantes. Se ha estimado que el PFOA y el ácido perfluorooctanosulfónico (PFOS) se encuentran en el torrente sanguíneo de cada estadounidense en el rango de partes por mil millones, aunque esas concentraciones han disminuido en un 70% para el PFOA y un 84% para el PFOS entre 1999 y 2014, lo que coincide con el final. de la producción y eliminación gradual de PFOA y PFOS en Estados Unidos. [71] La población general ha estado expuesta al PFOA mediante el vertido masivo de desechos C8 en el océano y cerca del valle del río Ohio . [72] [73] [74] Se ha detectado PFOA en desechos industriales, alfombras resistentes a las manchas, líquidos para limpieza de alfombras, polvo doméstico , bolsas de palomitas de maíz para microondas , agua, alimentos y utensilios de cocina de PTFE.
Como resultado de una demanda colectiva y un acuerdo comunitario con DuPont , tres epidemiólogos realizaron estudios en la población de Parkersburg, WV que rodea la planta química Chemours Washington Works (antigua DuPont) que estuvo expuesta a niveles de PFOA mayores que en la población general. . Los estudios concluyeron que existía una asociación entre la exposición al PFOA y seis resultados de salud: cáncer de riñón, cáncer testicular, colitis ulcerosa , enfermedad de la tiroides, hipercolesterolemia (colesterol alto) e hipertensión inducida por el embarazo. [75]
En general, los utensilios de cocina de PTFE se consideran una vía de exposición menor al PFOA. [76]
Como resultado de las demandas relacionadas con la demanda colectiva por PFOA , DuPont comenzó a utilizar GenX, un compuesto igualmente fluorado, como sustituto del ácido perfluorooctanoico en la fabricación de fluoropolímeros , como el PTFE de marca Teflón. [77] [78] Sin embargo, en pruebas de laboratorio en ratas, se ha demostrado que GenX causa muchos de los mismos problemas de salud que el PFOA. [79] [80]
Los productos químicos son fabricados por Chemours , una empresa derivada de DuPont, en Fayetteville, Carolina del Norte . [81] Fayetteville Works fue el sitio donde DuPont comenzó a fabricar PFOA después de que la demanda en Parkersburg WV detuviera su producción allí. Cuando la EPA pidió a las empresas que eliminaran voluntariamente la producción de PFOA, fue reemplazada por GenX en Fayetteville Works. En junio de 2017, The Wilmington Star-News publicó la historia [82] de que GenX se encontró en el río Cape Fear, el suministro de agua potable para 500.000 personas. Se determinó que la fuente de la contaminación era el sitio de Fayetteville Works, que había sido administrado por DuPont desde su fundación en 1971 y luego administrado por la empresa derivada de DuPont, The Chemours Company, desde 2015. La empresa de agua confirmó que no tenían capacidad para filtrar estos productos químicos del agua potable. Los registros del Departamento de Calidad Ambiental de Carolina del Norte [83] indican que DuPont comenzó a liberar PFAS en el área a partir de 1976 con la producción de Nafion, y que PFAS, incluido GenX, se habían liberado como subproducto de la producción de éteres vinílicos desde 1980, exponiendo al Cabo. Fear Basin durante décadas. Una pequeña organización sin fines de lucro llamada Cape Fear River Watch demandó al Departamento de Calidad Ambiental (DEQ) de Carolina del Norte por no tomar medidas más rápidas y enérgicas, y demandó al contaminador, Chemours, por violaciones de la Ley de Agua Limpia y la Ley de Control de Sustancias Tóxicas. El resultado fue una Orden de Consentimiento, [84] firmada el 25 de febrero de 2019 por Cape Fear River Watch, el Departamento de Calidad Ambiental de Carolina del Norte y Chemours. [85] La orden ha requerido que Chemours detenga la descarga de aguas residuales, emisiones al aire, descarga de aguas subterráneas, opciones de muestreo y filtración a los usuarios de pozos, y requirió muestreos que demostraron que se estaban liberando más de 300 PFAS distintos desde Fayetteville Works. [86]
El nombre comercial Teflón también se utiliza para otros polímeros con composiciones similares:
Estos conservan las propiedades útiles del PTFE de baja fricción y no reactividad, pero también son más fáciles de moldear. Por ejemplo, el FEP es más blando que el PTFE y se funde a 533 K (260 °C; 500 °F); también es muy transparente y resistente a la luz solar. [87]