Traçando a História de Materiais Poliméricos:Parte 10

Há algum tempo, eu estava assistindo a uma apresentação online de um físico que discutia o processo de síntese de elementos pesados. Esses são os elementos da tabela periódica mais pesados ​​que o urânio. Muitos dos que aparecem na linha na parte inferior de uma tabela periódica foram criados “naturalmente” durante a pesquisa para desenvolver e testar as primeiras armas atômicas. Mas, à medida que você aumenta em número atômico, fica mais difícil produzir esses elementos. Os rendimentos tornam-se muito baixos, às vezes apenas um punhado de átomos, e eles decaem rapidamente, tornando muito difícil descobrir o que exatamente foi feito.

O propósito e o valor prático desse tipo de pesquisa nem sempre são evidentes para quem financia projetos, por isso há necessidade de justificá-lo, o que esse físico fez no final de sua palestra fazendo uma analogia com o programa espacial. Ele contou um argumento apresentado por uma das pessoas-chave da NASA de que, embora possa parecer que ir à lua não seja um exemplo de dinheiro bem gasto, se não tivéssemos empreendido tal empreendimento, nunca teríamos inventado o Teflon. A ideia, claro, é que os grandes empreendimentos tecnológicos produzem benefícios auxiliares ao longo do caminho, porque são necessários para apoiar o objetivo principal.

Teflon, é claro, é o nome comercial de um material conhecido como poli (tetrafluoroetileno) ou PTFE. Possui um conjunto de propriedades muito invulgar, algumas das quais são familiares ao público em geral. O PTFE também deu origem a uma ampla gama de outros fluoropolímeros. Mas por melhor que pareça o argumento do oficial da NASA, está errado. O PTFE foi descoberto acidentalmente em 1938, quase duas décadas antes mesmo de começarmos a pensar em enviar foguetes de nossa atmosfera para orbitar a Terra, e mais de 30 anos antes de pousarmos um ser humano na superfície da lua.

A história da descoberta do PTFE parece semelhante à do polietileno. Se você olhar a química do polietileno e do PTFE, verá algumas semelhanças. Uma cadeia de polietileno é uma estrutura de carbono com átomos de hidrogênio povoando todos os locais que se estendem a partir desses átomos de carbono. No PTFE, todos os átomos de hidrogênio foram substituídos por átomos de flúor, daí o nome do material. Como o etileno, o tetrafluoroetileno é um gás à temperatura ambiente. Eric Fawcett e Reginald Gibson polimerizaram acidentalmente o polietileno a partir do gás etileno durante experimentos que colocaram o gás etileno sob pressão muito alta. A descoberta do PTFE seguiu um caminho semelhante, porém, neste caso, o criador do material não estava tentando criar um novo polímero, mas simplesmente tentando fazer um refrigerante recém-descoberto.
A pesquisa mostrou que a superfície de baixa fricção de PTFE é o único material que os pés de uma lagartixa não conseguem agarrar.
Roy Plunkett, o homem responsável pela descoberta do PTFE, foi um químico contratado pela DuPont quase imediatamente após receber seu doutorado no estado de Ohio. Ele havia feito seu trabalho de graduação no Manchester College, onde por pelo menos parte do tempo seu colega de quarto era Paul Flory. Flory, você deve se lembrar, ajudou Wallace Carothers a entender a reação química associada à polimerização de materiais de náilon e passou a fazer pesquisas fundamentais inovadoras em polímeros, pelos quais recebeu o Prêmio Nobel de Química em 1974.

Enquanto Flory explorava materiais em um nível teórico, Plunkett passou toda a sua carreira no mundo dos empreendimentos práticos na DuPont. Seu primeiro projeto foi uma investigação de novos produtos químicos para refrigerantes. Eles assumiram a forma de fluorocarbonos clorados, os mesmos CFCs que desde então se tornaram o garoto propaganda dos impactos ambientais negativos. É fácil esquecer que antes do advento dos CFCs, os refrigerantes eram baseados em produtos químicos como a amônia e o dióxido de enxofre, que frequentemente envenenavam os trabalhadores da indústria alimentícia e também as pessoas afortunadas por terem refrigeração em casa.

Plunkett havia sintetizado cerca de 100 libras de tetrafluoroetileno e armazenado o gás em pequenos cilindros a temperaturas muito baixas em preparação para a cloração para fazer os novos refrigerantes. Um dia, enquanto montava um dos cilindros, o assistente de Plunkett, Jack Rebok descobriu que, ao abrir a válvula do cilindro, nenhum gás saiu. No entanto, o cilindro tinha o mesmo peso de um cilindro cheio de gás. Quando Plunkett e Rebok desparafusaram a válvula do cilindro, encontraram uma pequena quantidade de uma substância branca e cerosa com algumas propriedades notáveis. O material exibia um ponto de fusão muito alto, era quimicamente inerte e tinha um coeficiente de atrito extremamente baixo. O corte do cilindro rendeu uma quantidade maior da nova substância. A análise mostrou que, sob pressão, o tetrafluoroetileno havia polimerizado em PTFE.

Plunkett nunca teve a oportunidade de desenvolver PTFE no produto comercial que acabou se tornando o Teflon. (Esta família de fluoropolímeros foi separada da DuPont em 2013 para a Chemours Company.) A comercialização foi adiada até 1945 devido ao alto custo de fabricação do polímero e o fato de que sua combinação de propriedades o tornava um material essencial para os esforços militares da Segunda Guerra Mundial. Especificamente, o PTFE resolveu um problema urgente associado à purificação do urânio fissionável. O processo de conversão de urânio envolve a produção de hexafluoreto de urânio (UF ₆ ), que é muito corrosivo e apresentava problemas de manuseio significativos em Los Alamos e Oak Ridge National Laboratories, onde o trabalho de enriquecimento de urânio estava sendo feito como parte do desenvolvimento das primeiras armas atômicas. O PTFE tinha a resistência química necessária para evitar a corrosão pelo UF ₆ .

As patentes do PTFE foram depositadas em 1941. Naquela época, Plunkett havia sido promovido a uma divisão diferente da DuPont que produzia o aditivo para gasolina, chumbo tetraetila. Isso ilustra uma relação interessante entre a DuPont e a General Motors durante este período de tempo e produziu uma interseção interessante entre a carreira de Plunkett e a do químico Thomas Midgely.

Midgely era um químico que começou a trabalhar na General Motors em 1916 e em 1921 fez a descoberta de que adicionar chumbo tetraetila à gasolina evitava batidas em motores de combustão interna. Em 1923, a GM criou a General Motors Chemical Company para supervisionar a produção de chumbo tetraetila pela DuPont. No final dos anos 1920, Frigidaire era uma divisão da General Motors. A divisão de pesquisa da GM viu a necessidade de desenvolver um refrigerante que fosse uma alternativa não inflamável e não tóxica aos componentes tradicionais, como amônia, dióxido de enxofre e propano.

Eles identificaram os halogenetos de alquila como os materiais ideais, uma vez que esses compostos eram voláteis e quimicamente inertes. Midgely fez parte da equipe que sintetizou o primeiro CFC, o diclorodifluorometano, agora conhecido como Freon 12. Era esse composto que Plunkett estava em processo de fabricação quando descobriu o PTFE. Seu envolvimento com CFCs continuaria quando ele foi designado para dirigir a produção de Freon na DuPont mais tarde em sua carreira.

A descoberta do PTFE eventualmente levou à criação de uma variedade de fluoropolímeros processáveis ​​por fusão que permitem a moldagem por injeção intrincada, bem como extrusão e moldagem por sopro. (Foto:Performance Plastics Ltd.)


O PTFE forneceu a plataforma para o desenvolvimento de uma ampla variedade de fluoropolímeros que são mais tratáveis ​​do que o PTFE puro e geralmente podem ser processados ​​por fusão. Alguns desses materiais, como etileno propileno fluorado (FEP) e perfluoroalcoxi (PFA), são moldados em condições muito exigentes. Copolímeros com menores teores de flúor, como etileno-tetrafluoroetileno (ETFE) e etileno-clorotrifluoroetileno (ECTFE) podem ser executados em temperaturas um pouco mais baixas, e fluoreto de polivinilideno (PVDF) pode ser moldado em temperaturas relativamente suaves devido ao seu ponto de fusão de aproximadamente 160 C (320 F).

Alguns desses materiais são elastômeros, enquanto outros são materiais semi-rígidos relativamente macios que geralmente são preenchidos com mineral ou carbono. Todos esses materiais se beneficiam em vários graus da presença do flúor, que contribui com resistência química, resistência à combustão e baixo coeficiente de fricção. Muitos desses materiais também fornecem excelentes propriedades de isolamento elétrico e são amplamente usados ​​em aplicações elétricas e eletrônicas. O PTFE também é usado como enchimento em muitos outros polímeros para conferir um coeficiente de atrito mais baixo e propriedades de desgaste aprimoradas.

A propriedade pela qual o PTFE é mais conhecido, seu caráter antiaderente, não foi explorado comercialmente até meados da década de 1950, quando foi aplicado pela primeira vez em panelas de metal. Até hoje, o PTFE é o único material conhecido ao qual os pés de uma lagartixa não podem aderir e está sujeito a mais patentes do que qualquer outro produto já desenvolvido pela DuPont. Embora Plunkett nunca tenha estado envolvido na comercialização do polímero, seu nome está na maioria dessas patentes e ele continua a ser a pessoa mais conhecida associada ao PTFE.

Ele continuou a receber reconhecimento por sua descoberta fortuita por muitos anos. Dado o que sabemos hoje, a história pode não parecer favorável em seu envolvimento posterior com gasolina com chumbo e refrigerantes CFC, mas é inegável que a criação de PTFE e seus polímeros derivados teve um impacto benéfico significativo no estado de nossas tecnologias modernas.

Em nossa próxima edição, vamos voltar nossa atenção para o desenvolvimento contínuo da família de termoplásticos de engenharia com uma discussão sobre outro material muito influente, o policarbonato.

SOBRE O AUTOR:Michael Sepe é um consultor independente de materiais e processamento com sede em Sedona, Arizona, com clientes na América do Norte, Europa e Ásia. Ele tem mais de 45 anos de experiência na indústria de plásticos e auxilia clientes na seleção de materiais, projetos para capacidade de fabricação, otimização de processos, solução de problemas e análise de falhas. Contato:(928) 203-0408 •[email protected]