Téflon

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Contexte

Teflon est le nom commercial déposé du polytétrafluoroéthylène (PTFE), une matière plastique très utile. Le PTFE fait partie d'une classe de plastiques connus sous le nom de polymères fluorés. Un polymère est un composé formé par une réaction chimique qui combine des particules en groupes de grosses molécules répétitives. De nombreuses fibres synthétiques courantes sont des polymères, tels que le polyester et le nylon. Le PTFE est la forme polymérisée du tétrafluoroéthylène. Le PTFE possède de nombreuses propriétés uniques, ce qui le rend précieux dans de nombreuses applications. Il a un point de fusion très élevé et est également stable à très basse température. Il ne peut être dissous que par du fluor gazeux chaud ou par certains métaux en fusion, il est donc extrêmement résistant à la corrosion. Il est également très glissant et glissant. Cela en fait un excellent matériau pour le revêtement de pièces de machines soumises à la chaleur, à l'usure et au frottement, pour les équipements de laboratoire qui doivent résister aux produits chimiques corrosifs et comme revêtement pour les ustensiles de cuisine et les ustensiles. Le PTFE est utilisé pour conférer une résistance aux taches aux tissus, tapis et revêtements muraux, et comme imperméabilisation sur les panneaux extérieurs. PTIZE a une faible conductivité électrique, c'est donc un bon isolant électrique. Il est utilisé pour isoler de nombreux câbles de communication de données, et il est essentiel à la fabrication de semi-conducteurs. Le PTFE est également présent dans diverses applications médicales, telles que les greffes vasculaires. Un tissu en fibre de verre avec revêtement PTFE sert à protéger les toits des aéroports et des stades. Le PTFE peut même être incorporé dans la fibre pour tisser des chaussettes. La faible friction du PTFE rend les chaussettes exceptionnellement lisses, protégeant les pieds des ampoules.

Historique

Le PTFE a été découvert accidentellement en 1938 par un jeune scientifique à la recherche d'autre chose. Roy Plunkett était chimiste pour E.I. du Pont de Nemours et Compagnie (Du Pont). Il avait obtenu un doctorat de l'Ohio State University en 1936, et en 1938, lorsqu'il tomba sur le téflon, il n'avait encore que 27 ans. Le domaine de Plunkett était celui des réfrigérants. De nombreux produits chimiques utilisés comme réfrigérants avant les années 1930 étaient dangereusement explosifs. Du Pont et General Motors avaient développé un nouveau type de réfrigérant ininflammable, une forme de fréon appelée réfrigérant 114. Le réfrigérant 114 était lié à un accord exclusif avec la division Frigidaire de General Motor et ne pouvait pas à l'époque être commercialisé auprès d'autres fabricants. . Plunkett s'est efforcé de trouver une forme différente de réfrigérant 114 qui contournerait le contrôle des brevets de Frigidaire. Le nom technique du réfrigérant 114 était le tétrafluorodichloroéthane. Plunkett espérait fabriquer un réfrigérant similaire en faisant réagir de l'acide chlorhydrique avec un composé appelé tétrafluoroéthylène, ou TFE. Le TFE lui-même était une substance peu connue et Plunkett a décidé que sa première tâche était de produire une grande quantité de ce gaz. Le chimiste pensa qu'il pourrait aussi bien fabriquer cent livres de gaz, pour être sûr d'en avoir assez pour tous ses tests chimiques, et aussi pour les tests toxicologiques. Il stockait le gaz dans des bidons métalliques avec un déclencheur, un peu comme les bidons utilisés commercialement aujourd'hui pour les sprays sous pression comme la laque pour les cheveux. Plunkett a conservé les canettes sur de la neige carbonique, pour refroidir et liquéfier le gaz TFE. Son expérience de réfrigérant a nécessité que Plunkett et son assistant libèrent le gaz TFE des canettes dans une chambre chauffée. Le matin du 6 avril 1938, Plunkett découvrit qu'il ne parvenait pas à faire sortir le gaz du bidon. À la mystification de Plunkett et de son assistant, le gaz s'était transformé du jour au lendemain en une poudre blanche et floconneuse. Le TFE s'était polymérisé.

La polymérisation est un processus chimique dans lequel les molécules se combinent en longues chaînes. L'un des polymères les plus connus est le nylon, qui a également été découvert par des chercheurs de Du Pont. La science des polymères en était encore à ses balbutiements dans les années 1930. Plunkett croyait que le TFE ne pouvait pas polymériser, et pourtant il l'avait fait d'une manière ou d'une autre. Il a envoyé les étranges flocons blancs au Département central de recherche de Du Pont, où des équipes de chimistes ont analysé la substance. Le TFE polymérisé était curieusement inerte. Il ne réagissait avec aucun autre produit chimique, il résistait aux courants électriques et il était extrêmement lisse et glissant. Plunkett a pu comprendre comment le gaz TFE s'était accidentellement polymérisé et il a déposé un brevet pour la substance polymérisée, le polytétrafluoroéthylène ou PTFE.

Le PTFE était initialement coûteux à produire et sa valeur n'était pas claire pour Plunkett ou les autres scientifiques de Du Pont. Mais il est entré en service pendant la Seconde Guerre mondiale, lors du développement de la bombe atomique. Pour fabriquer la bombe, les scientifiques ont dû manipuler de grandes quantités d'hexafluorure d'uranium, une substance caustique et toxique. Du Pont a fourni des joints et des chemises revêtus de PTFE qui résistent à l'action corrosive extrême de l'hexafluorure d'uranium. Du Pont a également utilisé le PTFE pendant la guerre pour fabriquer des cônes de nez de certaines autres bombes. Du Pont a enregistré le nom de marque Teflon pour sa substance brevetée en 1944 et a continué à travailler après la guerre sur des techniques de fabrication moins chères et plus efficaces. Du Pont a construit sa première usine de production de téflon à Parkersburg, Virginie-Occidentale en 1950. La société a commercialisé le téflon après la fin de la guerre comme revêtement pour les pièces métalliques usinées. Dans les années 1960, Du Pont a commencé à commercialiser des ustensiles de cuisine revêtus de téflon. Le revêtement lisse en téflon résistait à l'adhésivité des aliments même brûlés, ce qui rendait le nettoyage des casseroles facile. La société a également commercialisé le téflon pour une variété d'autres utilisations. D'autres fluoropolymères apparentés ont été développés et commercialisés au cours des décennies suivantes, dont certains étaient plus faciles à traiter que le PTFE. Du Pont a enregistré une autre variante du téflon en 1985, le téflon AF, qui est soluble dans des solvants spéciaux.

Matières premières

Le PTFE est polymérisé à partir du composé chimique tétrafluoroéthylène, ou TFE. Une poêle antiadhésive est composée de différentes couches antiadhésives. Le TFE est synthétisé à partir de spath fluor, d'acide fluorhydrique et de chloroforme. Ces ingrédients sont combinés à haute température, une action connue sous le nom de pyrolose. Le TFE est un gaz incolore, inodore et non toxique qui est cependant extrêmement inflammable. Il est stocké sous forme liquide, à basse température et pression. En raison de la difficulté de transporter le TFE inflammable, les fabricants de PTFE fabriquent également leur propre TFE sur site. Le processus de polymérisation utilise une très petite quantité d'autres produits chimiques comme initiateurs. Divers initiateurs peuvent être utilisés, notamment le persulfate d'ammonium ou le peroxyde d'acide disuccinique. L'autre ingrédient essentiel du processus de polymérisation est l'eau.

Le processus de fabrication

Le PTFE peut être produit de plusieurs manières, en fonction des caractéristiques particulières souhaitées pour le produit final. De nombreux détails du processus sont des secrets exclusifs des fabricants. Il existe deux méthodes principales de production de PTFE. L'une est la polymérisation en suspension. Dans cette méthode, le TFE est polymérisé dans l'eau, ce qui donne des grains de PTFE. Les grains peuvent ensuite être transformés en pastilles qui peuvent être moulées. Dans la méthode de dispersion, le PTFE obtenu est une pâte laiteuse qui peut être transformée en une poudre fine. La pâte et la poudre sont utilisées dans les applications de revêtement.

Faire le TFE

• 1 Les fabricants de PTFE commencent par synthétiser le TFE. Les trois ingrédients du TFE, du spath fluor, de l'acide fluorhydrique et du chloroforme sont combinés dans une chambre de réaction chimique chauffée entre 1094-1652°F (590-900°C). Le gaz résultant est ensuite refroidi et distillé pour éliminer toutes les impuretés.

  Le téflon peut être utilisé sur une grande variété d'ustensiles de cuisine.

Polymérisation en suspension

• 2 La chambre de réaction est remplie d'eau purifiée et d'un agent de réaction ou initiateur, un produit chimique qui déclenchera la formation du polymère. Le TFE liquide est acheminé dans la chambre de réaction. Lorsque le TFE rencontre l'initiateur, il commence à polymériser. Le PTFE obtenu forme des grains solides qui flottent à la surface de l'eau. Au fur et à mesure que cela se produit, la chambre de réaction est secouée mécaniquement. La réaction chimique à l'intérieur de la chambre dégage de la chaleur, de sorte que la chambre est refroidie par la circulation d'eau froide ou d'un autre liquide de refroidissement dans une chemise autour de ses extérieurs. Les commandes coupent automatiquement l'alimentation en TFE une fois qu'un certain poids à l'intérieur de la chambre est atteint. L'eau est évacuée de la chambre, laissant un gâchis de PTFE filandreux qui ressemble un peu à de la noix de coco râpée.
• 3 Ensuite, le PTFE est séché et introduit dans un broyeur. Le broyeur pulvérise le PTFE avec des lames rotatives, produisant un matériau ayant la consistance de la farine de blé. Cette poudre fine est difficile à mouler. Il a un « faible débit », ce qui signifie qu'il ne peut pas être traité facilement dans un équipement automatique. Comme la farine de blé non tamisée, elle peut avoir à la fois des grumeaux et des poches d'air. Les fabricants transforment donc cette poudre fine en granulés plus gros par un processus appelé agglomération. Cela peut être fait de plusieurs manières. Une méthode consiste à mélanger la poudre de PTFE avec un solvant tel que l'acétone et à la culbuter dans un tambour rotatif. Les grains de PTFE se collent les uns aux autres, formant de petites pastilles. Les pastilles sont ensuite séchées à l'étuve.
• 4 Les pastilles de PTFE peuvent être moulées en pièces à l'aide de diverses techniques. Cependant, le PTFE peut être vendu en vrac déjà pré-moulé en billettes, qui sont des cylindres pleins de PTFE. Les bûches peuvent mesurer 5 pi (1,5 m) de hauteur. Ceux-ci peuvent être coupés en feuilles ou en blocs plus petits, pour un moulage ultérieur. Pour former la billette, des pastilles de PTFE sont versées dans un moule cylindrique en acier inoxydable. Le moule est chargé sur une presse hydraulique, qui ressemble à une grande armoire équipée d'un vérin lesté. Le vérin tombe dans le moule et exerce une force sur le PTFE. Après un certain temps, le moule est retiré de la presse et le PTFE est démoulé. Il est laissé au repos, puis placé dans un four pour une dernière étape appelée frittage.
• 5 Le PTFE moulé est chauffé dans le four de frittage pendant plusieurs heures, jusqu'à ce qu'il atteigne progressivement une température d'environ 680°F (360°C). C'est au-dessus du point de fusion du PTFE. Les particules de PTFE fusionnent et le matériau devient semblable à un gel. Ensuite, le PTFE est progressivement refroidi. La billette finie peut être expédiée aux clients, qui la trancheront ou la raseront en plus petits morceaux, pour un traitement ultérieur.

Polymérisation par dispersion

• 6 La polymérisation du PTFE par la méthode de dispersion conduit à une poudre fine ou à une substance pâteuse, qui est plus utile pour les revêtements et les finitions. Le TFE est introduit dans un réacteur rempli d'eau avec le produit chimique d'amorçage. Au lieu d'être vigoureusement secouée, comme dans le processus de suspension, la chambre de réaction n'est agitée que doucement. Le PTFE forme de minuscules billes. Une partie de l'eau est éliminée par filtration ou par ajout de produits chimiques qui provoquent la sédimentation des billes de PTFE. Le résultat est une substance laiteuse appelée dispersion de PTFE. Il peut être utilisé sous forme liquide, en particulier dans des applications telles que les finitions de tissus. Ou il peut être séché en une fine poudre utilisée pour enduire le métal.

Batterie de cuisine antiadhésive

• 7 L'une des utilisations les plus courantes et les plus visibles du PTFE est le revêtement des casseroles et poêles antiadhésives. Le bac doit être en aluminium ou en alliage d'aluminium. La surface du plateau doit être spécialement préparée pour recevoir le PTFE. Tout d'abord, la casserole est lavée avec un détergent et rincée à l'eau pour éliminer toute graisse. Ensuite, la casserole est plongée dans un bain chaud d'acide chlorhydrique dans un processus appelé gravure. La gravure rend la surface du métal rugueuse. Ensuite, la casserole est rincée à l'eau et plongée à nouveau dans l'acide nitrique. Enfin, il est à nouveau lavé avec de l'eau déminéralisée et soigneusement séché.
• 8 La casserole est maintenant prête à être recouverte de dispersion PTFE. Le revêtement liquide peut être pulvérisé ou enroulé. Le revêtement est généralement appliqué en plusieurs couches et peut commencer par un apprêt. La composition exacte de l'apprêt est un secret de propriété détenu par les fabricants. Après l'application de l'apprêt, la poêle est séchée pendant quelques minutes, généralement dans un four à convection. Ensuite, les deux couches suivantes sont appliquées, sans période de séchage entre les deux. Une fois que tout le revêtement est appliqué, la casserole est séchée dans un four puis frittée. Le frittage est le chauffage lent qui est également utilisé pour finir la billette. Donc typiquement, le four a deux zones. Dans la première zone, la casserole est chauffée lentement à une température qui évaporera l'eau du revêtement. Une fois l'eau évaporée, la casserole se déplace dans une zone plus chaude, qui fritte la casserole à environ 800 °F (425 °C) pendant environ cinq minutes. Cela gélifie le PTFE. Ensuite, la casserole est laissée refroidir. Après refroidissement, il est prêt pour toutes les étapes d'assemblage final, d'emballage et d'expédition.

Contrôle qualité

Des mesures de contrôle de la qualité ont lieu à la fois dans l'installation de fabrication de PTFE primaire et dans les usines où des étapes de traitement supplémentaires, telles que des revêtements, sont effectuées. Dans l'installation de fabrication primaire, des procédures industrielles standard sont suivies pour déterminer la pureté des ingrédients, l'exactitude des températures, etc. Les produits finis sont testés pour leur conformité aux normes. Pour le PTFE en dispersion, cela signifie que la viscosité et la densité de la dispersion sont testées. D'autres tests peuvent également être effectués. Parce que le téflon est un produit de marque, les fabricants qui souhaitent utiliser le nom de la marque pour des pièces ou des produits fabriqués avec du téflon PTFE doivent suivre les directives de contrôle de qualité établies par Du Pont. Dans le cas des fabricants d'ustensiles de cuisine antiadhésifs, par exemple, les fabricants d'ustensiles de cuisine adhèrent au programme de certification de qualité de Du Pont, qui exige qu'ils contrôlent l'épaisseur du revêtement PTFE et la température de cuisson, et effectuent des tests d'adhérence plusieurs fois au cours de chaque quart de travail.

Sous-produits/Déchets

Bien que le PTFE lui-même ne soit pas toxique, sa fabrication produit des sous-produits toxiques. Il s'agit notamment de l'acide fluorhydrique et du dioxyde de carbone. Les zones de travail doivent être suffisamment ventilées pour éviter l'exposition aux gaz pendant le chauffage du PTFE ou lorsqu'il se refroidit après le frittage. Les médecins ont documenté une maladie particulière appelée fièvre des fumées de polymère dont souffrent les travailleurs qui ont inhalé les sous-produits gazeux de la fabrication du PTFE. Les travailleurs doivent également être protégés contre l'inhalation de poussière de PTFE lorsque les pièces en PTFE sont usinées.

Certains déchets créés au cours du processus de fabrication peuvent être réutilisés. Parce que le PTFE était au début très coûteux à produire, les fabricants étaient fortement incités à trouver des moyens d'utiliser les déchets de matériaux. Les déchets ou débris générés lors du processus de fabrication peuvent être nettoyés et transformés en poudre fine. Cette poudre peut être utilisée pour le moulage ou comme additif à certains lubrifiants, huiles et encres.

Les pièces en PTFE usagées doivent être enterrées dans des décharges, et non incinérées, car la combustion à haute température libère du chlorure d'hydrogène et d'autres substances toxiques. Une étude publiée en 2001 a affirmé que le PTFE se dégrade également dans l'environnement en une substance toxique pour les plantes. Il s'agit du trifluoroacétate, ou TFA. Alors que les niveaux actuels de TFA dans l'environnement sont faibles, la substance persiste pendant une longue période. La pollution par les TFA est donc peut-être une préoccupation pour l'avenir.

Où en savoir plus

Livres

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

Périodiques

Friedel, Robert et Alan Pilon. "L'inventeur accidentel." Découvrir (Octobre 1996) :58.

Gorman, J. "L'environnement est coincé avec des revêtements antiadhésifs." Actualités scientifiques (21 juillet 2001) :36.

Angèle Woodward