El politetrafluoroetileno ( PTFE ) es un fluoropolímero sintético de tetrafluoroetileno y es un PFAS que tiene numerosas aplicaciones. 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 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 es uno de los PFAS más conocidos y ampliamente aplicados, comúnmente descritos como contaminantes orgánicos persistentes o "químicos permanentes". Sólo desde principios del siglo XXI se ha estudiado en profundidad el impacto ambiental y la toxicidad para la vida humana y de los mamíferos. Durante décadas, DuPont utilizó ácido perfluorooctanoico (PFOA o C8) durante la producción de PTFE, descontinuando luego su uso debido a problemas ecotoxicológicos y de salud que llevaron a acciones legales . Chemours, una filial de Dupont, fabrica hoy PTFE utilizando una sustancia química alternativa que llama GenX , otro PFAS.
Historia
Anuncio de la Happy Pan, una sartén recubierta de teflón de los años 60Anuncio de Zepel, el nombre comercial utilizado para comercializar el teflón como tratamiento de tejidos.Cubierta térmica de PTFE que muestra cráteres de impacto, del Experimento de Rayos Cósmicos Ultra Pesados (UHCRE) de la NASA en la Instalación de Exposición de Larga Duración (LDEF)Logotipo de Teflon, la marca comúnmente conocida de composiciones a base de PTFE fabricadas por Chemours
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 de indicar "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 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 alta temperatura 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.
Debido a que el tetrafluoroetileno puede descomponerse explosivamente en tetrafluorometano (CF 4 ) y carbono, se requieren aparatos especiales 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 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 (−268,15 °C; −450,67 °F) y buena flexibilidad a temperaturas superiores a 194 K (−79 °C; −110 °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 y, a temperaturas más altas, también 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]
El coeficiente de fricción de los plásticos suele medirse frente al acero pulido. [28] 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. [29] De hecho, el PTFE se puede utilizar para evitar que los insectos trepen por las superficies pintadas con el material. El PTFE es tan resbaladizo que los insectos no pueden agarrarse y tienden a caerse. Por ejemplo, el PTFE se utiliza para evitar que las hormigas salgan de la formicaria .
Debido a sus propiedades químicas y térmicas superiores, el PTFE se utiliza a menudo como material de junta en industrias que requieren resistencia a productos químicos agresivos como los productos farmacéuticos o el procesamiento químico. [30] 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. [31]
Procesar PTFE puede ser difícil y costoso porque la alta temperatura de fusión, 327 °C (621 °F), está por encima de la temperatura de descomposición inicial, 200 °C (392 °F). [33] 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, [ cita necesaria ] es para el aislamiento de cableado en aplicaciones aeroespaciales e informáticas (por ejemplo, cables de conexión, cables coaxiales). Esta aplicación aprovecha el hecho de que el PTFE tiene excelentes propiedades dieléctricas , específicamente una baja dispersión de velocidad de grupo , [39] especialmente en altas frecuencias de radio , [39] lo que lo hace adecuado para su uso como excelente aislante en conjuntos de conectores y cables , y en placas de circuito impreso. utilizado 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.
Sellos de rodamientos
En aplicaciones industriales, debido a su baja fricción, el PTFE se utiliza para cojinetes lisos , engranajes , placas deslizantes , sellos, juntas, casquillos, [40] y más aplicaciones con acción deslizante de piezas, donde supera al acetal y al nailon . [41]
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.
Revestimientos químicamente inertes
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.
Estructuras de membrana tensadas.
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 . [42] 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.
Instrumentos musicales
El PTFE se encuentra a menudo en productos de lubricación de instrumentos musicales; más comúnmente, aceite de válvula.
Lubricantes
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. [43] Las marcas incluyen GT85. [44]
Las suelas de algunas planchas para ropa están recubiertas de PTFE. [45]
Otros
Cintas de PTFE con respaldo adhesivo sensible a la presión
Otras aplicaciones de nicho incluyen:
A menudo se encuentra en fijaciones de esquí como un AFD (dispositivo antifricción) no mecánico.
Se puede estirar para contener pequeños poros de diferentes tamaños y luego se coloca entre capas de tela para crear una tela impermeable y transpirable en ropa para exteriores. [46]
Se utiliza ampliamente como protector de telas para repeler las manchas en ropa escolar formal, como chaquetas de uniforme. [47]
Se utiliza frecuentemente como lubricante para evitar que escapen insectos cautivos y otros artrópodos .
Se utiliza como recubrimiento para aplicaciones médicas y sanitarias, formulado para proporcionar resistencia y resistencia al calor a dispositivos quirúrgicos y otros equipos médicos. [48]
Se utiliza como parche de interfaz de película para aplicaciones deportivas y médicas, con un respaldo adhesivo sensible a la presión, que se instala en áreas estratégicas de alta fricción del calzado, plantillas, ortesis de tobillo-pie y otros dispositivos médicos para prevenir y aliviar la fricción. Ampollas inducidas, callos y ulceración del pie. [49]
Se han utilizado membranas de PTFE expandido en ensayos para ayudar en la cirugía de trabeculectomía para tratar el glaucoma. [50]
El PTFE en polvo se utiliza en una suspensión con una mezcla azeotrópica de baja viscosidad de éteres de siloxano para crear un lubricante para usar en rompecabezas sinuosos . [52]
En radiometría óptica , las láminas de PTFE se utilizan como cabezales de medición en espectrorradiómetros y radiómetros de banda ancha (p. ej., medidores de iluminancia y radiómetros UV ) debido a la capacidad del PTFE de difundir una luz transmitida casi a la perfección. Además, las propiedades ópticas del PTFE se mantienen constantes en una amplia gama de longitudes de onda, desde los rayos UV hasta el infrarrojo cercano . En esta región, la relación entre su transmitancia regular y transmitancia difusa es insignificante, por lo que la luz transmitida a través de un difusor (lámina de PTFE) irradia como la ley del coseno de Lambert . Así, el PTFE permite una respuesta angular cosinusoidal para un detector que mide la potencia de la radiación óptica en una superficie, por ejemplo en mediciones de irradiancia solar .
Las balas recubiertas de teflón están recubiertas con PTFE para reducir el desgaste en el estriado de las armas de fuego que causarían los proyectiles sin recubrimiento. El PTFE por sí solo no confiere al proyectil propiedades perforantes. [53]
Su alta resistencia a la corrosión hace que el PTFE sea útil en entornos de laboratorio, donde se utiliza para revestir recipientes, como revestimiento para agitadores magnéticos y como tubería para productos químicos altamente corrosivos como el ácido fluorhídrico , que disuelve los recipientes de vidrio. Se utiliza en recipientes para almacenar ácido fluoroantimónico , un superácido . [54]
Los tubos de PTFE se utilizan en intercambiadores de calor gas-gas en la limpieza de gases de incineradoras de residuos. La capacidad de potencia unitaria suele ser de varios megavatios.
El PTFE se usa ampliamente como cinta selladora de roscas en aplicaciones de plomería, reemplazando en gran medida la pasta para roscas.
Los filtros de membrana de PTFE se encuentran entre los filtros de aire industriales más eficientes. Los filtros recubiertos de PTFE se utilizan a menudo en sistemas de recolección de polvo para recolectar partículas de corrientes de aire en aplicaciones que involucran altas temperaturas y altas cargas de partículas, como plantas de energía alimentadas con carbón, producción de cemento y fundiciones de acero. [55]
Muchos lubricantes y grasas para bicicletas contienen PTFE y se utilizan en cadenas y otras piezas móviles sujetas a fuerzas de fricción (como los cojinetes de las mazas ).
El PTFE se utiliza para algunos tipos de hilo dental .
El PTFE también se puede utilizar al colocar empastes dentales , para aislar los contactos del diente adyacente para que los materiales de restauración no se peguen al diente adyacente. [56] [57]
Las láminas de PTFE se utilizan en la producción de aceite de hachís de butano debido a sus propiedades antiadherentes y su resistencia a los disolventes no polares. [58]
El PTFE, asociado a un laminado ligeramente texturizado, constituye el sistema de cojinete deslizante de un telescopio Dobsoniano .
El PTFE se utiliza ampliamente como revestimiento antiadherente para equipos de procesamiento de alimentos; [59] tolvas de masa, tazones para mezclar, sistemas transportadores, rodillos y rampas. El PTFE también se puede reforzar donde hay abrasión, por ejemplo, para equipos que procesan masa con semillas o granulada. [59]
Los tubos de PTFE se utilizan para los tubos Bowden en impresoras 3D porque su baja fricción permite que el motor paso a paso del extrusor empuje el filamento a través de ellos más fácilmente.
El PTFE se usa comúnmente en pies de mouse complementarios del mercado de accesorios para ratones para juegos para reducir la fricción del mouse contra la alfombrilla, lo que resulta en un deslizamiento más suave.
Las láminas de PTFE se usan comúnmente con impresoras láser en todas partes, en su unidad de fusión, envueltas alrededor de los elementos calentadores y también en el rodillo de presión opuesto para evitar que se peguen (ni el papel impreso ni el desperdicio de tóner).
El PTFE también se utiliza para fabricar joyas para el cuerpo, ya que es mucho más seguro de usar en comparación con materiales como el acrílico, que liberan tóxicos en el cuerpo a 26,6 °C, a diferencia del PTFE a 650-700 °C.
El PTFE se utiliza para fabricar herramientas de encuadernación para doblar, marcar y separar hojas de papel. Por lo general, se las conoce como carpetas de huesos de teflón.
El PTFE se usa comúnmente para la punta de las bombas desoldadoras debido a su alta temperatura de fusión.
Seguridad
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). ). [60] Los principales productos de descomposición son gases fluorocarbonados y un sublimado , incluidos los radicales tetrafluoroetileno (TFE) y difluorocarbeno (RCF2). [60]
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). [33] Por encima de esas temperaturas, los subproductos de la degradación pueden ser letales para las aves , [61] y pueden causar síntomas similares a los de la gripe en los humanos ( fiebre por vapores de polímero ), [62] aunque en los humanos esos síntomas desaparecen al cabo de uno o dos días. siendo trasladado al aire libre. [63]
La mayoría de los casos de fiebre por vapores de polímeros en humanos ocurren debido a fumar tabaco contaminado con PTFE, [63] aunque se han producido casos en personas que han soldado cerca de componentes de PTFE. [63] 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. [64]
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). [65] 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. [63] Los utensilios de cocina con revestimiento antiadherente no se fabrican con PFOA desde 2013, [66] y ya no se fabrica PFOA en los Estados Unidos. [sesenta y cinco]
Ecotoxicidad
trifluoroacetato
El trifluoroacetato de sodio y el compuesto similar clorodifluoroacetato 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. [63]
PFOA
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. [67] 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 estima 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. [68] 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 . [69] [70] [71] 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 circundante a una planta química que estaba expuesta al PFOA en niveles 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. [72]
En general, los utensilios de cocina de PTFE se consideran una vía de exposición menor al PFOA. [73]
Generación X
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. [74] [75] Sin embargo, en pruebas de laboratorio en ratas, se ha demostrado que GenX causa muchos de los mismos problemas de salud que el PFOA. [76] [77]
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. [79]
Ver también
BS 4994 , PTFE como revestimiento termoplástico para equipos de plantas de proceso químico de doble laminado
Dark Waters , una película sobre litigios relacionados con el PFOA
The Devil We Know , documental sobre los efectos del PFOA en la salud y el medio ambiente
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Otras lecturas
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enlaces externos
Procesos de plasma y unión adhesiva de politetrafluoroetileno
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