El politetrafluoroetileno ( PTFE ) es un fluoropolímero sintético de tetrafluoroetileno y tiene numerosas aplicaciones porque es químicamente inerte. La marca conocida comúnmente de la composición basada en PTFE es Teflon de Chemours , [1] una empresa derivada de DuPont , que descubrió originalmente el compuesto en 1938. [1]
El politetrafluoroetileno es un sólido fluorocarbonado , ya que es un polímero de alto peso molecular que consiste completamente de carbono y flúor . El PTFE es hidrófobo : ni el agua ni las sustancias que contienen agua mojan el PTFE, ya que los fluorocarbonos exhiben solo pequeñas fuerzas de dispersión de London debido a la baja polarizabilidad 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 revestimiento de catéteres .
El PTFE y los productos químicos utilizados en su producción son algunos de los PFAS más conocidos y ampliamente utilizados [ cita requerida ] , que son contaminantes orgánicos persistentes . Durante décadas, DuPont utilizó ácido perfluorooctanoico (PFOA o C8) durante la producción de PTFE, y luego dejó de usarlo debido a acciones legales por problemas ecotoxicológicos y de salud. Chemours, una empresa derivada de DuPont, fabrica actualmente PTFE utilizando un producto químico alternativo al que llama GenX , otro PFAS.
El politetrafluoroetileno (PTFE) fue descubierto accidentalmente en 1938 por Roy J. Plunkett mientras trabajaba en la planta Chemours Chambers Works en Nueva Jersey para DuPont . Un equipo de químicos de Dupont intentó fabricar un nuevo refrigerante de clorofluorocarbono , llamado tetrafluoroetileno . El gas en su botella de presión dejó de fluir antes de que el peso de la botella hubiera bajado hasta el punto que indicaba que estaba "vacía". John J. Beall (químico), al notar una diferencia de peso en su cilindro de prueba, se lo hizo notar a Roy Plunkett. Los químicos del laboratorio cortaron la botella con una sierra y encontraron que el interior de la botella estaba cubierto con un material blanco ceroso que era extrañamente resbaladizo. El análisis mostró que se trataba de perfluoroetileno polimerizado, en el que el hierro del interior del recipiente había actuado 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 lb) de politetrafluoroetileno de marca Teflon por año en Parkersburg, Virginia Occidental . [8] Uno de los primeros usos fue en el Proyecto Manhattan como material para recubrir válvulas y sellos en las tuberías que contenían hexafluoruro de uranio altamente reactivo en la enorme 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 el material que había estado utilizando en aparejos de pesca en sus sartenes de cocina. Posteriormente, creó las primeras sartenes antiadherentes revestidas 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 utilizando la sustancia en utensilios científicos, comercializó la primera sartén revestida de PTFE fabricada en Estados Unidos, "The Happy Pan", en 1961. [11] Desde entonces, los utensilios de cocina antiadherentes se han convertido en un producto doméstico común, ahora ofrecido por cientos de fabricantes en todo el mundo.
La marca Zepel se utilizó para promocionar su resistencia a las manchas y al agua cuando se aplicaba a las 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 sin oxígeno. [13] El procesamiento por haz de electrones es un ejemplo de procesamiento por radiación. El PTFE reticulado ha mejorado las propiedades mecánicas a alta temperatura y la estabilidad a la radiación. Esto fue importante porque, durante muchos años, la irradiación en condiciones ambientales se ha utilizado para descomponer el PTFE para reciclarlo. [14] Esta escisión de la cadena inducida por radiación permite que se vuelva a moler y reutilizar con mayor facilidad.
Se ha informado sobre el tratamiento de descarga de 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 ( ) y carbono, se requiere un aparato especial para la polimerización para evitar puntos calientes que podrían iniciar esta reacción secundaria peligrosa. El proceso generalmente se inicia con persulfato , que se homoliza para generar radicales sulfato:
El polímero resultante termina con grupos éster de sulfato , que pueden hidrolizarse para dar grupos terminales OH . [17]
El PTFE granular se produce mediante polimerización en suspensión, en la que el PTFE se suspende en un medio acuoso principalmente mediante agitación y, a veces, con el uso de un surfactante. El PTFE también se sintetiza mediante polimerización en emulsión, en la que un surfactante es el medio principal para mantener el PTFE en un medio acuoso. [18] Los surfactantes en el pasado han incluido el ácido perfluorooctanoico tóxico (PFOA) y el ácido perfluorooctanosulfónico (PFOS). Más recientemente, el ácido perfluoro 3,6 dioxaoctanoico (PFO2OA) y el FRD-903 (GenX) se están utilizando como surfactantes alternativos. [19]
El PTFE es un polímero termoplástico , que es un sólido blanco a temperatura ambiente, con una densidad de aproximadamente 2200 kg/m3 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 a estos enlaces carbono-flúor son 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 sufre despolimerización. [23] Sin embargo, comienza a descomponerse entre 260 °C (500 °F) y 350 °C (662 °F), y la pirólisis ocurre a temperaturas superiores a 400 °C (752 °F). [24]
El coeficiente de fricción de los plásticos se mide generalmente contra 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 tipo 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 geco no puede adherirse. [30] Además, el PTFE se puede utilizar para evitar que los insectos trepen por superficies pintadas con el material. Por ejemplo, el PTFE se utiliza para evitar que las hormigas salgan de la formicaria . Hay tratamientos de superficie para el 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 de 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 tales sellos es peor que el de los elastómeros que exhiben niveles de fluencia cero o casi cero. En aplicaciones críticas, las arandelas Belleville se utilizan a menudo para aplicar una fuerza continua a las juntas de PTFE, lo que garantiza una pérdida mínima de rendimiento durante la vida útil de la junta. [32]
El PTFE es un polímero transparente a la luz ultravioleta (UV). Sin embargo, cuando se expone a un haz de láser excimer , se degrada gravemente debido al efecto fototérmico heterogéneo . [33]
El procesamiento del PTFE puede ser difícil y costoso, debido a que su alta temperatura de fusión, 327 °C (621 °F), es superior a la temperatura de descomposición. Incluso cuando está fundido, el PTFE no fluye debido a su viscosidad de fusión extremadamente alta. [34] [35] La viscosidad y el punto de fusión se pueden reducir mediante la inclusión de una pequeña cantidad de comonómeros como perfluoro (éter de propilvinilo) y hexafluoropropileno (HFP). Estos hacen que la cadena de PTFE, que de otro modo sería perfectamente lineal, se ramifique, lo que reduce 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 a presión en un molde (10-100 MPa). [37] Después de un período de asentamiento, que dura de minutos a días, el molde se calienta a entre 360 y 380 °C (680 y 716 °F), [37] lo que permite que las partículas finas se fusionen ( sintericen ) en una sola masa. [38]
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La principal aplicación del PTFE, que consume alrededor del 50% de la producción, [39] es el aislamiento de cableado en aplicaciones aeroespaciales y de computadoras (por ejemplo, cables de conexión, cables coaxiales). [40] [39] Esta aplicación explota el hecho de que el PTFE tiene excelentes propiedades dieléctricas , específicamente baja dispersión de velocidad de grupo , [41] especialmente a altas frecuencias de radio , [41] lo que lo hace adecuado para su uso como un excelente aislante en conjuntos de conectores y cables , y en placas de circuitos impresos utilizadas en frecuencias de microondas . Combinado con su alta temperatura de fusión, esto lo convierte en el material de elección como sustituto de alto rendimiento para el polietileno más débil, de mayor dispersión y punto de fusión más bajo 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, bujes, [42] y más aplicaciones con acción deslizante de piezas, donde supera al acetal y al nailon . [43]
Su resistividad volumétrica 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, así como de compuestos de fibra de vidrio, en particular 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 que se utilizan para encapsular la unión durante el desbulking (extracción al vacío del aire de entre las capas de capas de material dispuestas una sobre otra) y durante el curado del compuesto, normalmente en un 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 carbono-grafito o fibra de vidrio están preimpregnadas con resina de bismaleimida . Los materiales que no son de producción, como el teflón, el respiradero Airweave y la propia bolsa, se considerarían FOD (residuos/daños de objetos extraños) si se dejan en laminado.
Gore-Tex es una marca de PTFE expandido (ePTFE), un material que incorpora una membrana de fluoropolímero con microporos. El techo del Hubert H. Humphrey Metrodome 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 de fibra de vidrio recubierta de PTFE de doble capa blanca.
Debido a su extrema no reactividad y a su alta resistencia a la temperatura, el PTFE se utiliza a menudo como revestimiento en conjuntos de mangueras , juntas de expansión y tuberías industriales, en particular en aplicaciones que utilizan ácidos, álcalis u otros productos químicos. Sus cualidades sin fricción permiten un mejor flujo de líquidos altamente viscosos y se utiliza en aplicaciones como las 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 fuertes y duraderos utilizados en estructuras tensadas . [44] Algunas estructuras notables que cuentan con membranas tensadas con 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 Sídney en Australia. [45]
El PTFE se encuentra a menudo en productos de lubricación de instrumentos musicales; más comúnmente, en aceite para válvulas.
El PTFE se utiliza en algunos aerosoles lubricantes, incluso en forma micronizada y polarizada. Se destaca por su coeficiente de fricción extremadamente bajo, su hidrofobia (que sirve para inhibir la oxidación) y por la película seca que forma después de 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 más conocido por su uso en el revestimiento de sartenes antiadherentes y otros utensilios de cocina, ya que es hidrófobo y posee una resistencia al calor bastante alta.
Las placas base de algunas planchas de ropa están recubiertas con 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 los 350 °C (662 °F) y la pirólisis ocurre a temperaturas superiores a los 400 °C (752 °F). [24] Los principales productos de descomposición son gases de fluorocarbono y un sublimado , incluidos radicales de tetrafluoroetileno (TFE) y difluorocarbeno (RCF2). [24]
Un estudio realizado en animales 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 la gripe en los seres humanos ( fiebre por vapores de polímeros ), [65] aunque en los seres humanos esos síntomas desaparecen en un día o dos después de ser trasladados al aire fresco. [66]
La mayoría de los casos de fiebre por vapores de polímeros en humanos se producen 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 un uso normal, ya que la carne suele freírse 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 humear antes de alcanzar una temperatura de 260 °C (500 °F). Un estudio de 1973 del Laboratorio Haskell de DuPont descubrió 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) necesarios para que los vapores de la mantequilla pirolizada fueran 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 (véase Ecotoxicidad). [68] Se han encontrado niveles preocupantes de PFOA en la sangre de personas que trabajan o viven cerca de fábricas donde se utiliza la sustancia química, y en personas expuestas regularmente a productos que contienen PFOA, como algunas ceras para esquís y revestimientos de tela 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 han fabricado con PFOA desde 2013, [69] y el PFOA ya no se fabrica en los Estados Unidos. [68]
El trifluoroacetato de sodio y el compuesto similar clorodifluoroacetato de sodio pueden generarse cuando el PTFE sufre termólisis , así como producir ácidos polifluoro- y/o policlorofluoro- (C3-C14) carboxílicos de cadena más larga que pueden ser igualmente persistentes. Estos productos pueden acumularse en 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 surfactante en la polimerización en emulsión de PTFE, aunque varios fabricantes han descontinuado por completo su uso.
El PFOA persiste indefinidamente en el medio ambiente. [70] Se ha detectado PFOA en la sangre de muchas personas 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) están en el torrente sanguíneo de cada persona 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 la eliminación gradual del PFOA y el PFOS en los EE. UU. [71] La población general ha estado expuesta al PFOA a través del 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 de 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 sobre la población de Parkersburg, Virginia Occidental, que rodea la planta química Chemours Washington Works (antigua DuPont) que estuvo expuesta a PFOA en niveles superiores a los de la población general. Los estudios concluyeron que existía una asociación entre la exposición a PFOA y seis consecuencias para la salud: cáncer de riñón , cáncer testicular , colitis ulcerosa , enfermedad tiroidea , hipercolesterolemia (colesterol alto) e hipertensión gestacional (presión arterial alta 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 fluorado similar, como reemplazo del ácido perfluorooctanoico en la fabricación de fluoropolímeros , como el PTFE de marca Teflon. [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 escisión corporativa 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 reemplazado 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 escisión de DuPont, The Chemours Company, desde 2015. La empresa de servicios 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 (NC DEQ) [83] indican que DuPont comenzó a liberar PFAS en el área a partir de 1976 con la producción de Nafion, y que los PFAS, incluido GenX, se habían liberado como subproducto de la producción de éteres de vinilo desde 1980, exponiendo la cuenca de Cape Fear durante décadas. Una pequeña organización sin fines de lucro llamada Cape Fear River Watch demandó a NC DEQ 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, NC DEQ y Chemours. [85] La orden ha requerido que Chemours detenga la descarga de aguas residuales, las emisiones atmosféricas, la descarga de aguas subterráneas, las opciones de muestreo y filtración a los usuarios de pozos, y ha exigido un muestreo que demostrara que se estaban liberando más de 300 compuestos PFAS distintos de Fayetteville Works. [86]
El nombre comercial Teflón también se utiliza para otros polímeros con composiciones similares:
Estos conservan las propiedades útiles del PTFE, como la baja fricción y la 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]
