Teflon

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Antecedentes

Teflon é o nome comercial registrado do politetrafluoroetileno (PTFE) de material plástico altamente útil. O PTFE faz parte de uma classe de plásticos conhecida como fluoropolímeros. Um polímero é um composto formado por uma reação química que combina partículas em grupos de grandes moléculas repetidas. Muitas fibras sintéticas comuns são polímeros, como poliéster e náilon. PTFE é a forma polimerizada de tetrafluoroetileno. O PTFE tem muitas propriedades exclusivas, o que o torna valioso em inúmeras aplicações. Tem um ponto de fusão muito alto e também é estável a temperaturas muito baixas. Ele pode ser dissolvido apenas por gás de flúor quente ou certos metais fundidos, por isso é extremamente resistente à corrosão. Também é muito escorregadio e escorregadio. Isso o torna um excelente material para revestir peças de máquinas sujeitas a calor, desgaste e fricção, para equipamentos de laboratório que devem resistir a produtos químicos corrosivos e como revestimento para panelas e utensílios. O PTFE é usado para conferir resistência a manchas em tecidos, carpetes e revestimentos de parede, e como proteção contra intempéries em placas externas. PTIZE tem baixa condutividade elétrica, por isso é um bom isolante elétrico. É usado para isolar muitos cabos de comunicação de dados e é essencial para a fabricação de semicondutores. O PTFE também é encontrado em uma variedade de aplicações médicas, como em enxertos vasculares. Um tecido de fibra de vidro com revestimento de PTFE serve para proteger os telhados de aeroportos e estádios. O PTFE pode até ser incorporado à fibra para a tecelagem de meias. A baixa fricção do PTFE torna as meias excepcionalmente lisas, protegendo os pés de bolhas.

História

O PTFE foi descoberto acidentalmente em 1938 por um jovem cientista procurando por outra coisa. Roy Plunkett era químico da E.I. du Pont de Nemours and Company (Du Pont). Ele obteve um PhD pela Ohio State University em 1936 e, em 1938, quando topou com o Teflon, ele ainda tinha apenas 27 anos. A área de Plunkett era composta de refrigerantes. Muitos produtos químicos usados ​​como refrigerantes antes da década de 1930 eram perigosamente explosivos. A Du Pont e a General Motors desenvolveram um novo tipo de refrigerante não inflamável, uma forma de Freon chamada refrigerante 114. O refrigerante 114 foi vinculado em um acordo exclusivo com a divisão Frigidaire da General Motor e, na época, não podia ser comercializado para outros fabricantes . Plunkett se esforçou para criar uma forma diferente de refrigerante 114 que contornasse o controle de patente de Frigidaire. O nome técnico do refrigerante 114 era tetrafluorodicloroetano. Plunkett esperava fazer um refrigerante semelhante ao reagir ácido clorídrico com um composto chamado tetrafluoroetileno, ou TFE. O próprio TFE era uma substância pouco conhecida e Plunkett decidiu que sua primeira tarefa era fazer uma grande quantidade desse gás. O químico achou que poderia muito bem produzir cem libras do gás, para ter certeza de ter o suficiente para todos os seus testes químicos e também para os testes toxicológicos. Ele armazenava o gás em latas de metal com válvula de escape, muito parecido com as latas usadas comercialmente hoje para sprays pressurizados como spray de cabelo. Plunkett manteve as latas em gelo seco, para resfriar e liquidificar o gás TFE. Seu experimento com refrigerante exigiu que Plunkett e seu assistente liberassem o gás TFE das latas para uma câmara aquecida. Na manhã de 6 de abril de 1938, Plunkett descobriu que não conseguia tirar o gás da lata. Para a mistificação de Plunkett e de seu assistente, o gás se transformou da noite para o dia em um pó branco e escamoso. O TFE havia polimerizado.

A polimerização é um processo químico no qual as moléculas se combinam em longas cadeias. Um dos polímeros mais conhecidos é o náilon, também descoberto por pesquisadores da Du Pont. A ciência dos polímeros ainda estava em sua infância na década de 1930. Plunkett acreditava que o TFE não poderia polimerizar, mas de alguma forma o fez. Ele enviou os estranhos flocos brancos para o Departamento Central de Pesquisa da Du Pont, onde equipes de químicos analisaram o material. O TFE polimerizado era curiosamente inerte. Não reagia com nenhum outro produto químico, resistia às correntes elétricas e era extremamente liso e escorregadio. Plunkett conseguiu descobrir como o gás TFE polimerizou acidentalmente e obteve a patente da substância polimerizada, o politetrafluoroetileno, ou PTFE.

A produção de PTFE foi inicialmente cara e seu valor não estava claro para Plunkett ou para os outros cientistas da Du Pont. Mas entrou em uso na Segunda Guerra Mundial, durante o desenvolvimento da bomba atômica. A fabricação da bomba exigiu que os cientistas manejassem grandes quantidades da substância cáustica e tóxica hexafluoreto de urânio. A Du Pont forneceu gaxetas e revestimentos com PTFE que resistiram à ação corrosiva extrema do hexafluoreto de urânio. A Du Pont também usou PTFE durante a guerra para fazer cones de outras bombas. A Du Pont registrou o nome de marca registrada Teflon para sua substância patenteada em 1944 e continuou a trabalhar após a guerra em técnicas de fabricação mais baratas e eficazes. A Du Pont construiu sua primeira fábrica para a produção de Teflon em Parkersburg, West Virginia, em 1950. A empresa comercializou o Teflon após o fim da guerra como revestimento para peças de metal usinadas. Na década de 1960, a Du Pont começou a comercializar utensílios de cozinha revestidos com Teflon. O revestimento liso de Teflon resistia à pegajosidade mesmo de alimentos chamuscados, então limpar as panelas foi fácil. A empresa também comercializou o Teflon para uma variedade de outros usos. Outros fluoropolímeros relacionados foram desenvolvidos e comercializados nas décadas seguintes, alguns dos quais eram mais fáceis de processar do que o PTFE. A Du Pont registrou outra variante do Teflon em 1985, o Teflon AF, que é solúvel em solventes especiais.

Matérias-primas

O PTFE é polimerizado a partir do composto químico tetrafluoroetileno, ou TFE. Uma frigideira antiaderente é composta de várias camadas antiaderentes. O TFE é sintetizado a partir de espatoflúor, ácido fluorídrico e clorofórmio. Esses ingredientes são combinados em alta temperatura, uma ação conhecida como pirolose. O TFE é um gás incolor, inodoro e não tóxico, mas extremamente inflamável. É armazenado na forma líquida, em baixa temperatura e pressão. Devido à dificuldade de transporte do TFE inflamável, os fabricantes de PTFE também fabricam seu próprio TFE no local. O processo de polimerização usa uma quantidade muito pequena de outros produtos químicos como iniciadores. Vários iniciadores podem ser usados, incluindo persulfato de amônio ou peróxido de ácido disuccínico. O outro ingrediente essencial do processo de polimerização é a água.

O processo de fabricação

O PTFE pode ser produzido de várias maneiras, dependendo das características específicas desejadas para o produto final. Muitos detalhes do processo são segredos de propriedade dos fabricantes. Existem dois métodos principais de produção de PTFE. Uma é a polimerização em suspensão. Nesse método, o TFE é polimerizado em água, resultando em grãos de PTFE. Os grãos podem ser posteriormente processados ​​em pellets que podem ser moldados. No método de dispersão, o PTFE resultante é uma pasta leitosa que pode ser processada em um pó fino. Tanto a pasta quanto o pó são usados ​​em aplicações de revestimento.

Fazendo o TFE

• 1 Os fabricantes de PTFE começam sintetizando o TFE. Os três ingredientes de TFE, fluorita, ácido fluorídrico e clorofórmio são combinados em uma câmara de reação química aquecida entre 1094-1652 ° F (590-900 ° C). O gás resultante é então resfriado e destilado para remover quaisquer impurezas.
  Teflon pode ser usado em uma ampla variedade de utensílios de cozinha.
  

Polimerização em suspensão

• 2 A câmara de reação é preenchida com água purificada e um agente de reação ou iniciador, um produto químico que iniciará a formação do polímero. O TFE líquido é canalizado para a câmara de reação. Conforme o TFE encontra o iniciador, ele começa a polimerizar. O PTFE resultante forma grãos sólidos que flutuam na superfície da água. Enquanto isso acontece, a câmara de reação é sacudida mecanicamente. A reação química dentro da câmara libera calor, então a câmara é resfriada pela circulação de água fria ou outro refrigerante em uma camisa em volta de suas partes externas. Os controles desligam automaticamente o fornecimento de TFE depois que um determinado peso dentro da câmara é alcançado. A água é drenada da câmara, deixando uma confusão de PTFE fibroso que se parece um pouco com coco ralado.
• 3 Em seguida, o PTFE é seco e alimentado em um moinho. O moinho pulveriza o PTFE com lâminas rotativas, produzindo um material com consistência de farinha de trigo. Este pó fino é difícil de moldar. Ele tem "fluxo pobre", o que significa que não pode ser processado facilmente em equipamentos automáticos. Como a farinha de trigo não plantada, ela pode ter caroços e bolsas de ar. Portanto, os fabricantes convertem esse pó fino em grânulos maiores por um processo denominado aglomeração. Isto pode ser feito de várias maneiras. Um método é misturar o pó de PTFE com um solvente, como acetona, e despejá-lo em um tambor rotativo. Os grãos de PTFE se unem, formando pequenos grânulos. Os pellets são então secos na estufa.
• 4 Os pellets de PTFE podem ser moldados em peças usando uma variedade de técnicas. No entanto, o PTFE pode ser vendido a granel já pré-moldado nos chamados tarugos, que são cilindros sólidos de PTFE. Os tarugos podem ter 5 pés (1,5 m) de altura. Estes podem ser cortados em folhas ou blocos menores, para posterior moldagem. Para formar o tarugo, pellets de PTFE são despejados em um molde cilíndrico de aço inoxidável. O molde é carregado em uma prensa hidráulica, que é algo como um grande gabinete equipado com aríete pesado. O aríete cai no molde e exerce força no PTFE. Após um certo período de tempo, o molde é removido da prensa e o PTFE é desmoldado. É deixado em repouso e depois colocado no forno para uma etapa final chamada sinterização.
• 5 O PTFE moldado é aquecido no forno de sinterização por várias horas, até que gradualmente alcance uma temperatura de cerca de 680 ° F (360 ° C). Isso está acima do ponto de fusão do PTFE. As partículas de PTFE coalescem e o material se torna semelhante a um gel. Em seguida, o PTFE é resfriado gradualmente. O tarugo acabado pode ser enviado aos clientes, que irão fatiá-lo ou cortá-lo em pedaços menores para processamento posterior.

Polimerização por dispersão

• 6 A polimerização do PTFE pelo método de dispersão leva a um pó fino ou uma substância pastosa, que é mais útil para revestimentos e acabamentos. O TFE é introduzido em um reator cheio de água junto com o produto químico inicial. Em vez de ser agitada vigorosamente, como no processo de suspensão, a câmara de reação é agitada apenas suavemente. O PTFE se forma em pequenas esferas. Parte da água é removida por filtração ou adição de produtos químicos que causam o assentamento dos grânulos de PTFE. O resultado é uma substância leitosa chamada dispersão de PTFE. Pode ser usado como líquido, especialmente em aplicações como acabamentos de tecidos. Ou pode ser seco em um pó fino usado para revestir metal.

Panelas antiaderentes

• 7 Um dos usos mais comuns e visíveis do PTFE é o revestimento de panelas e frigideiras antiaderentes. A frigideira deve ser de alumínio ou liga de alumínio. A superfície da panela deve ser especialmente preparada para receber o PTFE. Primeiro, a panela é lavada com detergente e enxaguada com água, para retirar toda a gordura. Em seguida, a panela é mergulhada em um banho morno de ácido clorídrico em um processo chamado de ataque químico. A corrosão torna a superfície do metal áspera. Em seguida, a panela é enxaguada com água e mergulhada novamente em ácido nítrico. Finalmente, é lavado novamente com água desionizada e completamente seco.
• 8 Agora a bandeja está pronta para ser revestida com dispersão de PTFE. O revestimento líquido pode ser pulverizado ou enrolado. O revestimento é normalmente aplicado em várias camadas, podendo começar com um primer. A composição exata do primer é um segredo de propriedade dos fabricantes. Após a aplicação do primer, a panela é seca por alguns minutos, geralmente em um forno de convecção. Em seguida, as próximas duas camadas são aplicadas, sem um período de secagem entre elas. Após a aplicação de todo o revestimento, a panela é seca em estufa e, em seguida, sinterizada. A sinterização é o aquecimento lento que também é usado para finalizar o tarugo. Normalmente, o forno tem duas zonas. Na primeira zona, a panela é aquecida lentamente até uma temperatura que fará com que a água do revestimento evapore. Depois que a água evapora, a panela se move para uma zona mais quente, que sinteriza a panela a cerca de 800 ° F (425 ° C) por cerca de cinco minutos. Isso gelifica o PTFE. Em seguida, a panela pode esfriar. Após o resfriamento, ele está pronto para todas as etapas finais de montagem, embalagem e envio.

Controle de qualidade

As medidas de controle de qualidade ocorrem tanto na unidade de fabricação primária de PTFE quanto nas fábricas onde outras etapas de processamento, como revestimentos, são realizadas. Na instalação de fabricação primária, os procedimentos industriais padrão são seguidos para determinar a pureza dos ingredientes, a precisão das temperaturas, etc. Os produtos finais são testados quanto à conformidade com os padrões. Para dispersão de PTFE, isso significa que a viscosidade e a gravidade específica da dispersão são testadas. Outros testes também podem ser realizados. Como o Teflon é um produto de marca registrada, os fabricantes que desejam usar o nome da marca para peças ou produtos feitos com Teflon PTFE devem seguir as diretrizes de controle de qualidade estabelecidas pela Du Pont. No caso de fabricantes de panelas antiaderentes, por exemplo, os fabricantes de panelas aderem ao Programa de Certificação de Qualidade da Du Pont, que exige que eles monitorem a espessura do revestimento de PTFE e a temperatura de cozimento, e realizem testes de aderência várias vezes durante cada turno.

Subprodutos / resíduos

Embora o PTFE em si não seja tóxico, sua fabricação produz subprodutos tóxicos. Estes incluem ácido fluorídrico e dióxido de carbono. As áreas de trabalho devem ser adequadamente ventiladas para evitar a exposição a gases enquanto o PTFE está sendo aquecido ou quando esfria após a sinterização. Os médicos documentaram uma doença específica chamada febre do polímero, sofrida por trabalhadores que inalaram os subprodutos gasosos da fabricação de PTFE. Os trabalhadores também devem ser protegidos para não respirar poeira de PTFE quando as peças de PTFE forem usinadas.

Alguns resíduos gerados durante o processo de fabricação podem ser reaproveitados. Como o PTFE era inicialmente muito caro para produzir, os fabricantes tinham um grande incentivo para encontrar maneiras de usar o material de sucata. Resíduos ou detritos gerados no processo de fabricação podem ser limpos e transformados em pó fino. Esse pó pode ser usado para moldagem ou como aditivo para certos lubrificantes, óleos e tintas.

As peças de PTFE usadas devem ser enterradas em aterros sanitários, não incineradas, porque a queima em altas temperaturas liberará cloreto de hidrogênio e outras substâncias tóxicas. Um estudo divulgado em 2001 afirmou que o PTFE também se degrada no meio ambiente em uma substância tóxica para as plantas. Este é trifluoroacetato ou TFA. Embora os níveis atuais de TFA no meio ambiente sejam baixos, a substância persiste por muito tempo. Portanto, a poluição por TFA é possivelmente uma preocupação para o futuro.

Onde aprender mais

Livros

Ebnesajjad, Sina. Fluoroplásticos. Norwich, NY:Plastics Design Library, 2000.

Periódicos

Friedel, Robert e Alan Pilon. "O Inventor Acidental". Descubra (Outubro de 1996):58.

Gorman, J. "Environment's Stuck with Nonstick Coatings." Notícias de ciência (21 de julho de 2001):36.

Ângela Woodward