Fluoropolimery należą do najbardziej integralnych elementów współczesnego przemysłu, odgrywając istotną rolę w tak ważnych sektorach jak automotive czy telekomunikacja, a ich unikalne właściwości napędzają wynalazki, które prowadzą przemysł w kierunku większej wydajności. Fluoropolimery to materiały polimerowe zawierające atomy fluoru w swoich strukturach chemicznych. Fluor w tych polimerach ma ujemny ładunek elektryczny, dzięki czemu nie wiąże się łatwo z innymi materiałami, co z kolei sprawia, że powłoka z polimeru fluorowego ma właściwości nieprzylegające.
Chemia fluoropolimerów wywodzi się ze związków stosowanych w przemyśle chłodniczym, którego historia sięga ponad 70 lat. A jak to w historii wielkiej nauki bywało i bywa – wszystko co wielkie jest często efektem zbiegu okoliczności. I podobnie jest w przypadku polimerów fluorowych.
Historia teflonu, a tym samym komercjalizacja fluoropolimerów, rozpoczęła się 6 kwietnia 1938 r. Roy J. Plunkett, naukowiec pracujący w placówce badawczej Jackson Laboratory w Deepwater należącej do koncernu chemicznego DuPont, wraz ze swoim asystentem sprawdzał zamrożony 45-kilogramowy zbiornik tetrafluoroetylenu, stosowanego w produkcji chłodziwa do lodówek. Gdy go otworzył, odkrył że w pojemniku utworzył się biały proszek, który nie przylegał do ścian zbiornika.
Po sprawdzeniu zamrożonej, sprasowanej próbki tetrafluoroetylenu, Plunkett nieoczekiwanego odkrycia: próbka spontanicznie spolimeryzowała do białego, woskowatego ciała stałego, tworząc politetrafluoroetylen (PTFE). Nowa substancja o zaskakujących właściwościach: niezwykle małej energii powierzchniowej oraz dużej odporności cieplnej i chemicznej, została wysłana do Centralnego Działu Badawczego DuPont, zaś tamtejszym naukowcom zlecono dalsze eksperymenty. W rezultacie PTFE został skomercjalizowany przez DuPont jako teflon w 1950 r.
Fluoropolimery w najprostszej postaci to homopolimery lub kopolimery nasyconych węglowodorów, w których wszystkie lub niektóre atomy wodoru zostały zastąpione atomami fluoru lub kombinacją fluoru i chloru. Teoretycznie istnieje wiele możliwych kombinacji, ale najbardziej znaczące komercyjnie są pochodne etylenu i propylenu, czasami określane jako polimery fluorowęglowe. Inne, bardziej złożone fluoropolimery to fluorowane akrylany, silikony, poliuretany, poliimidy i inne.
Rodzaje i właściwości
Istnieją dwa rodzaje materiałów fluoropolimerowych: perfluoropolimery i częściowo fluorowane polimery. W pierwszym przypadku wszystkie atomy wodoru w analogicznych strukturach polimeru węglowodorowego zostały zastąpione atomami fluoru. Perfluoropolimery stanowią największą ilość przemysłowo przetwarzanych polimerów fluorowęglowodorowych, a częściowo fluorowane polimery są wykorzystywane głównie w specjalnych zastosowaniach.
Z punktu widzenia przetwórstwa termoplastycznymi fluoropolimerami, zwanymi również fluoroplastami, są fluoropolimery przetwarzalne w stanie stopionym i nieprzetwarzalne w stanie stopionym. Obecnie fluoropolimery nienadające się do przetwarzania w stanie stopionym obejmują PTFE i PVF, podczas gdy pozostałe komercyjne fluoroplastiki można przetwarzać różnymi technikami w stanie stopionym.
Materiały tego typu posiadają doskonałe właściwości, takie jak wyjątkowa odporność chemiczna, odporność na warunki atmosferyczne, niska energia powierzchniowa, niski współczynnik tarcia i niska stała dielektryczna. Właściwości te wynikają ze specjalnej struktury elektronowej atomu fluoru, stabilnego wiązania kowalencyjnego węgiel-fluor oraz unikalnych interakcji wewnątrzcząsteczkowych i międzycząsteczkowych między segmentami fluorowanego polimeru a głównymi łańcuchami.
Nie wszystkie fluoropolimery są sobie równe; każdy z nich ma swoje unikalne zalety. Możemy je podzielić na kategorie w oparciu o ich właściwości fizyczne, cechy przetwarzania i zastosowania.
- Homopolimery (tj. politetrafluoroetylen PTFE) – jak sama nazwa wskazuje, składają się z jednego konkretnego monomeru. Fluoropolimery w tej kategorii (w tym PTFE) są sprzedawane w postaci granulek lub proszku, który jest stapiany i wytłaczany, formowany ciśnieniowo w składniki lub łączony z wodą lub innymi rozpuszczalnikami i natryskiwany na powierzchnię. Pomaga to chronić powierzchnie przed narażeniem na chemikalia, tarcie lub zmiany temperatury.
- Kopolimery (tj. fluorowany etylen-propylen (FEP), perfluoroalkoksypolimer (PFA)) – składają się z więcej niż jednego określonego monomeru, połączonych ze sobą, aby nadać materiałowi dodatkowe właściwości. Te fluoropolimery można przetwarzać podobnie jak wiele innych rodzajów tworzyw sztucznych klasy inżynierskiej; często są formowane wtryskowo lub wytłaczane.
- Fluoroelastomery (FKM)/perfluoroelastomery (FFKM) – elastomery to gumopodobne tworzywa sztuczne, które po odkształceniu powracają do swojego pierwotnego kształtu. Fluoroelastomery mają te same właściwości co elastomery, ale z dodatkowymi właściwościami nieprzylepnymi, niskim współczynnikiem tarcia oraz odpornością chemiczną i temperaturową, co czyni je jeszcze bardziej użytecznymi w niektórych zastosowaniach.
