PlastXnow erklärt – Polytetrafluorethylen   PTFE: Eigenschaften, Anwendungen und Vorteile 

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Wilhelm Büchner Hochschule - Träger: Hochschule für Berufstätige Darmstadt GmbH

Ob Dichtungen, Gleitlager oder Beschichtungen: Polytetrafluorethylen (PTFE) überzeugt durch seine außergewöhnliche Medienresistenz und Temperaturstabilität. In der Verarbeitung stellt der Hochleistungskunststoff jedoch besondere Anforderungen.

Die Geschichte von Polytetrafluorethylen, besser bekannt unter seinem Markennamen Teflon, beginnt am 6. April 1938. Der junge Chemiker Roy Plunkett arbeitet zu dieser Zeit für den Chemiekonzern DuPont und soll eigentlich nach einem neuen Kältemittel für Kühlschränke suchen. 

Er versuchte es mithilfe von gasförmigem „Tetrafluorethylen“, kurz: TFE. Dieses bewahrt er unter hohem Druck in flaschenförmigen Zylindern auf Trockeneis auf. Nachdem er eine gefrorene, komprimierte TFE-Probe untersucht hatte, machten er und seine Mitarbeiter eine unerwartete Entdeckung: Die Probe war spontan zu einem weißen, wachsartigen Feststoff unter Bildung von Polytetrafluorethylen (PTFE) polymerisiert.

Am 4. Februar 1941 erhält Plunkett ein Patent auf PTFE, der Name Teflon wird erst später geprägt. 1943 wird der Kunststoff zum ersten Mal praktisch eingesetzt – als Korrosionsschutz für Behälter, in denen beim Bau von Atomwaffen im Rahmen des „Manhattan-Projekts“ Uranhexafluorid gelagert wurde. Der Siegeszug von PTFE als Beschichtungs-, Dichtungs- oder Isoliermittel beginnt erst nach dem Ende des 2. Weltkriegs.

Was ist Polytetrafluorethylen?

Polytetrafluorethylen (PTFE) ist ein Kunststoff mit besonderen Eigenschaften wie extremer Hitzebeständigkeit, chemischer Stabilität und sehr geringer Reibung. Aufgrund seiner Eigenschaften zählt PTFE auch zu den Hochleistungskunststoffen. 

Polytetrafluorethen ist darüber hinaus das mengenmäßig wichtigste Fluorpolymer. Dabei handelt es sich um Kunststoffe auf Basis von Fluorcarbonen mit mehrfachen Kohlenstoff-Fluor-Bindungen.

Wie wird Polytetrafluorethylen hergestellt?

Die PTFE-Herstellung erfolgt durch eine Polymerisationsreaktion aus dem gasförmigen Ausgangsstoff Tetrafluorethylen. Das erfolgt in mehreren Schritten:

• Polytetrafluorethylen wird aus chloriertem Kohlenwasserstoff durch partielle Fluoridierung hergestellt, wobei zunächst die Gase Chlordifluormethan und Tetrafluorethylen (TFE) erzeugt werden.
• TFE wird anschließend unter hohem Druck in wässriger Phase polymerisiert. Als Initiatoren dienen Peroxide. Da die Reaktion stark exotherm ist und die Monomere bei hohen Temperaturen leicht explosiv zersetzt werden, erfolgt die Polymerisation als Suspension oder Emulsion.
• Der „fertige Kunststoff“ fällt nach dem Filtrieren, Waschen und Trocken als verhältnismäßig grobes Pulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 600 µm an. Es kann bereits in dieser Form weiterverarbeitet werden, lässt sich aber auch problemlos zu einer Korngröße von 35 µm vermahlen. 

Es werden auch Polytetrafluorethylen-Compounds hergestellt, welche mit Füllstoffen (zum Beispiel Glas, Kohle, Graphit, Bronze oder organischen Füllstoffen) versehen sind.

Eigenschaften von PTFE

PTFE besitzt eine Reihe außergewöhnlicher Eigenschaften, die ihn von vielen anderen Kunststoffen unterscheiden:

Thermische Eigenschaften

• Hohe Hitzebeständigkeit: einsetzbar bis ca. 260 °C
• Schmilz erst bei ~327 °C
• Auch bei sehr niedrigen Temperaturen (bis etwa –200 °C) noch stabil

Chemische Eigenschaften

• Extrem beständig gegenüber Chemikalien 
• • Korrosionsfrei
• Sehr langlebig, da kaum Abbauprozesse stattfinden

Physikalische Eigenschaften

• Sehr geringe Reibung
• Antihaftwirkung
• Hydrophob (= wasserabweisend)

Elektrische Eigenschaften

• Sehr guter Isolator
• Hohe Durchschlagsfestigkeit

Mechanische Eigenschaften

• Relativ weich und verformbar
• Geringe Festigkeit im Vergleich zu Metallen
• Neigt unter Belastung zu „Kriechen“ (langsames Verformen)

Weitere Besonderheiten

• Nicht brennbar bzw. schwer entflammbar
• UV- und witterungsbeständig
• Physiologisch weitgehend unbedenklich (wird auch in der Medizin eingesetzt)

Wichtige Eigenschaften und Strukturformel von PTFE: Der Werkstoff bietet eine außergewöhnlich hohe thermische Stabilität, chemische Beständigkeit sowie Korrosionsbeständigkeit.

Quelle: Saechtling Kunststoff-Handbuch (Hanser)

Welche Anwendungen gibt es für PTFE?

PTFE ist als Pulver, Granulat und Emulsion erhältlich. Aufgrund seiner korrosionsbeständigen, hoch- und niedrigtemperaturbeständigen, reibungsarmen und selbstreinigenden Eigenschaften wird es unter anderem in der Lebensmittelindustrie, im Bauwesen, im Gesundheitswesen und in der Industrie eingesetzt.

Lebensmittelbereich

Seine hervorragenden Antihafteigenschaften und seine Fähigkeit, über einen langen Zeitraum bei etwa 200 °C kontinuierlich zu arbeiten, prädestinieren PTFE als Material für Küchengeschirr und Lebensmittelförderbändern. Bekannte Beispiele sind antihaftbeschichtetes Kochgeschirr, Backformen, Kessel usw.

Im Bauwesen

Im Bauwesen begegnen uns häufig PTFE-beschichtete architektonische Zugmembranen und Sonnensegelgewebestrukturen, zum Beispiel in Stadien, Opernhäusern, Parkhäusern usw. eingesetzt. Sie verfügen über eine einzigartige Lichtdurchlässigkeit, sind witterungsbeständig, selbstreinigend, wasserdicht und UV-beständig und können eine Lebensdauer von über 25 Jahren haben.

Fluorkohlenwasserstofffarbe kann aus PTFE sowie anderen Füllstoffen bestehen. Sie ist sehr wasser- und schmutzabweisend und wird daher häufig in Flughäfen, Bahnhöfen, Stadien und anderen großen Gebäuden verwendet. Dadurch können Reinigungs- und Wartungsaufwand effektiv reduziert und die Lohnkosten deutlich gesenkt werden.

Textilindustrie

Aufgrund der mikroporösen Struktur der Membran erfüllt PTFE auch die hohen Anforderungen von Outdoor-Textilien und medizinischer Schutzkleidung. Diese müssen wasserdicht, atmungsaktiv und schmutzabweisend sein. PTFE-Anwendungen in der Textilindustrie sind unter anderem:

• Wasserdichte und atmungsaktive Bekleidung
• PTFE-Beschichtungen für technische Textilien
• Trennfolien in der Herstellung von hitzeempfindlichen Textilien
• Antihaftbeschichtungen in der Herstellung textiler Formteile und Gießformen

Industrie

In der Petrochemie und im Bereich der erneuerbaren Energien kommen unter anderem PTFE-Dichtungen zum Einsatz, zum bei der Wasserstoff-PEM-Elektrolyse und in Wasserstoffreaktoren mit alkalischer Elektrolyse. Um die Dichtungseigenschaften zu verbessern, ist es häufig erforderlich, PTFE chemisch oder physikalisch zu modifizieren, um unterschiedliche mechanische Festigkeiten, Abriebfestigkeit und Luftdichtheit zu erreichen.

Elektroindustrie

Als Hochleistungskunststoff verfügt PTFE über eine hohe Temperaturbeständigkeit. Hinzu kommen eine hohe dielektrischer Festigkeit, eine niedrige Dielektrizitätskonstante, sehr gute elektrischen Isoliereigenschaften und Flammhemmung. Daher wird PTFE häufig für Koaxialkabel, feuerfeste Kabel, Zündkabel, sowie Fahrzeugkabel verwendet. 

Wie lässt sich Polytetrafluorethylen verarbeiten?

Polytetrafluorethylen wird aufgrund seiner extrem hohen Schmelzviskosität nicht wie typische Thermoplaste verarbeitet, sondern durch pulvermetallurgische Verfahren: Pressen und Sintern. 

Die Hauptmethode ist das Sintern. Der Prozess beginnt mit feinem PTFE-Pulver, das zunächst bei Raumtemperatur in eine gewünschte Form gepresst wird. Dieser Schritt wird als Kaltpressen bezeichnet und dient dazu, die Pulverpartikel mechanisch zu verdichten und dem Werkstück bereits seine ungefähre Geometrie zu geben. Das so entstandene „Grünteil“ besitzt jedoch noch keine ausreichende Festigkeit, da die Partikel lediglich aneinanderhaften, ohne fest miteinander verbunden zu sein.

Im anschließenden Sinterprozess wird dieses Grünteil kontrolliert erhitzt, typischerweise auf Temperaturen zwischen etwa 360 und 380 °C. Diese liegen oberhalb des Schmelzpunktes von PTFE, aber unterhalb seiner Zersetzungstemperatur. Anders als bei klassischen Thermoplasten wird das Material dabei nicht dünnflüssig. Stattdessen beginnen die Polymerpartikel an ihren Grenzflächen zu verschmelzen. Durch Diffusionsprozesse verbinden sich die Molekülketten benachbarter Partikel miteinander, wodurch Poren reduziert und die Dichte sowie die mechanische Festigkeit des Bauteils deutlich erhöht werden. 

Was geht? Was geht nicht?

• PTFE lässt sich sehr gut mechanisch bearbeiten (Drehen, Fräsen, Bohren), um präzise Fertigteile herzustellen.
• Auch Kleben und Schweißen sind möglich.
• Die Verarbeitung via Spritzgießen oder Extrusion ist dagegen nicht möglich.

Gesundheit & Umwelt

Ist Polytetrafluorethylen giftig?

PTFE gilt im Allgemeinen als nicht giftig und physiologisch unbedenklich, solange es unter normalen Einsatzbedingungen verwendet wird. Im festen Zustand ist PTFE extrem chemisch inert, reagiert also praktisch nicht mit anderen Stoffen und wird vom Körper nicht aufgenommen. Deshalb wird es sogar in sensiblen Bereichen eingesetzt, etwa in der Medizintechnik oder in der Lebensmittelverarbeitung (siehe Abschnitt Anwendungen). 

Allerdings gibt es wichtige Einschränkungen bei hohen Temperaturen: Wird PTFE stark überhitzt (typischerweise ab etwa 300–350 °C und besonders darüber hinaus), beginnt es sich zu zersetzen. Dabei können giftige Dämpfe entstehen. Das Einatmen dieser Zersetzungsprodukte kann beim Menschen grippeähnliche Symptome auslösen, bekannt als „Polymerfieber“. Für Vögel sind diese Dämpfe sogar hochgefährlich und können tödlich sein.

Hinzu kommt: PTFE gehört zu den PFAS. Einige der sogenannten Ewigkeitschemikalien stehen im Verdacht, krebserregend zu sein. Die EU-Chemiebehörde will sie daher weitgehend verbannen lassen, hält aber Ausnahmen für sinnvoll. 

Ist PTFE recycelbar?

Polytetrafluorethylen lässt sich grundsätzlich recyceln – allerdings nur eingeschränkt und mit deutlich höherem Aufwand als viele andere Kunststoffe. Der Hauptgrund liegt in seiner besonderen Struktur: Der Hochleistungskunststoffe ist extrem chemisch stabil und zeigt beim Erhitzen kein normales Schmelzfließen. Deshalb kann es nicht einfach eingeschmolzen und neu geformt werden.

In der Praxis erfolgt das Recycling von Polytetrafluorethylen meist mechanisch. Dabei werden saubere PTFE-Abfälle (zum Beispiel Produktionsreste) zunächst zerkleinert und zu Pulver vermahlen. Dieses Pulver kann anschließend wieder in begrenztem Umfang dem ursprünglichen Material beigemischt und erneut gesintert werden. Allerdings verschlechtern sich dabei oft die mechanischen Eigenschaften, sodass der Anteil an Recyclingmaterial typischerweise begrenzt ist.

Eine weitere Möglichkeit ist die thermische Verwertung. PTFE kann unter kontrollierten Bedingungen verbrannt werden, wobei jedoch aufgrund der Fluorverbindungen spezielle Anlagen erforderlich sind, um schädliche Emissionen sicher zu behandeln.

Darüber hinaus gibt es auch chemische Recyclingansätze, bei denen PTFE bei sehr hohen Temperaturen in seine Ausgangsstoffe oder kleinere fluorhaltige Moleküle zerlegt wird. Diese Verfahren sind jedoch technisch aufwendig und wirtschaftlich bislang weniger verbreitet.

Fazit

Polytetrafluorethylen ist ein hochspezialisierter Kunststoff mit außergewöhnlichen Eigenschaften. Zu Vorteilen von PTFE gehören eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit, extreme chemische Resistenz und eine der niedrigsten Reibungskoeffizienten aller Feststoffe aus. Dadurch ist er in vielen anspruchsvollen Anwendungen – von Dichtungen über Beschichtungen bis hin zur Medizintechnik – kaum ersetzbar.

Demgegenüber stehen aber auch Nachteile: PTFE lässt sich nur schwer beziehungsweise sehr aufwendig verarbeiten. Auch das Recycling ist nur begrenzt möglich beziehungsweise technisch anspruchsvoll. Zudem ist bei starker Überhitzung Vorsicht geboten, da dabei gesundheitsschädliche Zersetzungsprodukte entstehen können. 

auf einen Blick

Übersicht: Temperaturbereich, Verarbeitung und Anwendungen

Quelle: Saechtling Kunststoff-Handbuch (Hanser)

Insgesamt lässt sich sagen: Polytetrafluorethylen ist kein Alltagskunststoff! Vielmehr handelt es sich um ein Hochleistungsmaterial für spezielle Anforderungen, bei denen seine einzigartigen Eigenschaften die aufwendigere PTFE-Verarbeitung sowie die höheren Kosten rechtfertigen.