铁氟龙

背景

Teflon 是非常有用的塑料材料聚四氟乙烯 (PTFE) 的注册商标名称。 PTFE 是一类被称为含氟聚合物的塑料。聚合物是通过化学反应形成的化合物，该反应将粒子组合成重复的大分子组。许多常见的合成纤维是聚合物，例如聚酯和尼龙。 PTFE 是四氟乙烯的聚合形式。 PTFE 具有许多独特的特性，这使其在许多应用中都很有价值。它具有非常高的熔点，并且在非常低的温度下也很稳定。它只能被热氟气或某些熔融金属溶解，因此具有极强的耐腐蚀性。它也非常光滑和滑。这使其成为涂覆承受热、磨损和摩擦的机器部件、必须抵抗腐蚀性化学品的实验室设备以及炊具和器皿的涂层的极好材料。聚四氟乙烯用于赋予织物、地毯和墙壁覆盖物抗污性，以及作为户外标志的防风雨。 PTIZE 具有低导电性，因此它是良好的电绝缘体。它用于绝缘许多数据通信电缆，对半导体制造至关重要。 PTFE 还用于各种医疗应用，例如血管移植物。带有 PTFE 涂层的玻璃纤维织物用于保护机场和体育场的屋顶。聚四氟乙烯甚至可以掺入纤维中用于编织袜子。聚四氟乙烯的低摩擦使袜子非常光滑，保护脚免受水泡。

历史

1938 年，一位年轻的科学家在寻找其他东西时偶然发现了 PTFE。 Roy Plunkett 是 E.I. 的化学家。杜邦公司 (Du Pont)。 1936 年他在俄亥俄州立大学获得博士学位，1938 年他偶然发现了特氟龙，当时他还只有 27 岁。 Plunkett 的领域是制冷剂。 1930 年代之前用作制冷剂的许多化学品具有危险的爆炸性。杜邦和通用汽车公司开发了一种新型的不可燃制冷剂，一种称为 114 制冷剂的氟利昂。制冷剂 114 与通用汽车的 Frigidaire 部门独家合作，当时无法销售给其他制造商. Plunkett 努力想出一种不同形式的制冷剂 114，以绕过 Frigidaire 的专利控制。制冷剂 114 的技术名称是四氟二氯乙烷。 Plunkett 希望通过将盐酸与一种叫做四氟乙烯或 TFE 的化合物反应来制造类似的制冷剂。 TFE 本身是一种鲜为人知的物质，Plunkett 决定他的首要任务是制造大量这种气体。化学家认为他不妨制造一百磅的气体，以确保足够用于他所有的化学测试和毒理学测试。他将气体储存在带有阀门释放装置的金属罐中，就像今天商业上用于发胶等加压喷雾的罐一样。 Plunkett 将罐子放在干冰上，以冷却和液化 TFE 气体。他的制冷剂实验需要 Plunkett 和他的助手将罐中的 TFE 气体释放到加热室中。 1938 年 4 月 6 日上午，Plunkett 发现他无法从罐中取出气体。让 Plunkett 和他的助手感到疑惑的是，气体在一夜之间变成了白色的片状粉末。 TFE已经聚合。

聚合是分子结合成长串的化学过程。最著名的聚合物之一是尼龙，杜邦的研究人员也发现了它。聚合物科学在 1930 年代仍处于起步阶段。 Plunkett 认为 TFE 不能聚合，但它以某种方式聚合了。他把奇怪的白色薄片送到杜邦的中央研究部，化学家小组在那里分析了这些东西。聚合的 TFE 奇怪地是惰性的。它不与任何其他化学物质发生反应，它抵抗电流，而且非常光滑和光滑。 Plunkett 能够弄清楚 TFE 气体是如何意外聚合的，他为聚合物质、聚四氟乙烯或 PTFE 申请了专利。

PTFE 最初的生产成本很高，Plunkett 或杜邦的其他科学家不清楚它的价值。但它在第二次世界大战中，在原子弹的发展过程中开始使用。制造炸弹需要科学家处理大量的腐蚀性和有毒物质六氟化铀。杜邦提供了能够抵抗六氟化铀的极端腐蚀作用的 PTFE 涂层垫圈和衬垫。杜邦还在战争期间使用聚四氟乙烯制造某些其他炸弹的鼻锥。杜邦于 1944 年为其专利物质注册了商标名称 Teflon，并在战后继续致力于开发更便宜、更有效的制造技术。杜邦公司于 1950 年在西弗吉尼亚州帕克斯堡建立了第一家生产铁氟龙的工厂。该公司在战争结束后将铁氟龙作为机械加工金属零件的涂层进行销售。 1960 年代，杜邦开始销售涂有特氟龙的炊具。光滑的特氟龙涂层即使是烧焦的食物也能抵抗粘性，因此清洁平底锅很容易。该公司还销售用于各种其他用途的 Teflon。在随后的几十年里，其他相关的含氟聚合物得到了开发和销售，其中一些比 PTFE 更容易加工。杜邦公司于 1985 年注册了 Teflon 的另一种变体，Teflon AF，可溶于特殊溶剂。

原材料

PTFE 由化合物四氟乙烯或 TFE 聚合而成。 不粘锅由不同的不粘层组成。 TFE 由萤石、氢氟酸和氯仿合成。这些成分在高温下混合，这种作用称为热解。 TFE 是一种无色、无味、无毒的气体，但非常易燃。它在低温和低压下以液体形式储存。由于运输易燃 TFE 的困难，PTFE 制造商也在现场制造自己的 TFE。聚合过程使用极少量的其他化学品作为引发剂。可以使用各种引发剂，包括过硫酸铵或过氧化二琥珀酸。聚合过程的另一个基本成分是水。

制造
过程

PTFE 可以通过多种方式生产，具体取决于最终产品所需的特定特性。该过程的许多细节是制造商的专有秘密。生产聚四氟乙烯有两种主要方法。一种是悬浮聚合。在这种方法中，TFE 在水中聚合，形成 PTFE 颗粒。谷物可以进一步加工成可以模塑的颗粒。在分散法中，所得聚四氟乙烯为乳白色糊状物，可加工成细粉。糊状和粉末都用于涂料应用。

制作 TFE

• 1 PTFE 制造商从合成 TFE 开始。 TFE、萤石、氢氟酸和氯仿这三种成分在加热到 1094-1652°F (590-900°C) 的化学反应室中混合。然后将所得气体冷却并蒸馏以除去任何杂质。

  铁氟龙可用于各种炊具。

悬浮聚合

• 2 反应室中装有纯净水和反应剂或引发剂，这是一种会引发聚合物形成的化学物质。液体 TFE 用管道输送到反应室中。当 TFE 遇到引发剂时，它开始聚合。所得聚四氟乙烯形成漂浮在水面上的固体颗粒。当这发生时，反应室被机械地震动。腔室内部的化学反应会放出热量，因此腔室通过冷水循环或其他冷却剂在其外部周围的夹套中冷却。在腔内达到一定重量后，控制器会自动关闭 TFE 的供应。水从腔室中排出，留下一团粘稠的聚四氟乙烯，看起来有点像磨碎的椰子。
• 3 接下来，将 PTFE 干燥并送入研磨机。磨粉机用旋转刀片粉碎聚四氟乙烯，生产出具有小麦粉稠度的材料。这种细粉很难成型。它具有“流动性差”，这意味着它不能在自动设备中轻松处理。就像未筛分的小麦粉一样，它可能既有块状物又有气穴。因此，制造商通过称为附聚的过程将这种细粉转化为更大的颗粒。这可以通过多种方式完成。一种方法是将 PTFE 粉末与丙酮等溶剂混合，然后在转鼓中翻滚。聚四氟乙烯颗粒粘在一起，形成小颗粒。然后将粒料在烘箱中干燥。
• 4 可以使用多种技术将 PTFE 颗粒模制成零件。然而，聚四氟乙烯可以散装销售，已经预先成型为所谓的坯料，即聚四氟乙烯的实心圆柱体。坯料可以是 5 英尺 (1.5 m) 高。这些可以切成薄片或更小的块，以便进一步成型。为了形成坯料，将聚四氟乙烯颗粒倒入圆柱形不锈钢模具中。模具被装载到液压机上，液压机就像一个装有加重柱塞的大柜子。压头下降到模具中并对 PTFE 施加力。一定时间后，将模具从压机中取出，PTFE 脱模。将其静置，然后放入烤箱中进行称为烧结的最后一步。
• 5 模制的 PTFE 在烧结炉中加热数小时，直到温度逐渐达到 680°F (360°C) 左右。这高于 PTFE 的熔点。聚四氟乙烯颗粒聚结，材料变成凝胶状。然后逐渐冷却聚四氟乙烯。成品坯料可以运送给客户，客户将其切成小块，以进行进一步加工。

分散聚合

• 6 聚四氟乙烯通过分散法聚合形成细粉或糊状物质，更适用于涂料和饰面。 TFE 与起始化学品一起被引入一个充满水的反应器。不像在悬浮过程中那样剧烈摇晃，反应室只是轻轻搅拌。聚四氟乙烯形成微小的珠子。通过过滤或添加导致 PTFE 珠子沉降的化学品，可以去除一些水。结果是一种称为聚四氟乙烯分散体的乳状物质。它可以作为液体使用，特别是在织物整理等应用中。或者可以将其干燥成用于涂覆金属的细粉。

不粘锅

• 7 PTFE 最常见和最明显的用途之一是用于不粘锅和平底锅涂层。平底锅必须由铝或铝合金制成。盘表面必须特别准备好接受聚四氟乙烯。首先，用清洁剂清洗锅并用水冲洗，以去除所有油脂。然后在称为蚀刻的过程中将锅浸入盐酸的温水浴中。蚀刻使金属表面变得粗糙。然后用水冲洗锅并再次浸入硝酸中。最后用去离子水再次洗涤并彻底干燥。
• 8 现在平底锅准备好涂上 PTFE 分散液。液体涂层可以喷涂或滚涂。涂层通常分为几层，可以从底漆开始。底漆的确切组成是制造商持有的专有秘密。涂上底漆后，通常在对流烤箱中将锅干燥几分钟。然后涂上接下来的两层，中间没有干燥期。涂完所有涂层后，将锅在烘箱中干燥，然后烧结。烧结是缓慢加热，也用于完成坯料。所以通常，烤箱有两个区域。在第一个区域，平底锅被缓慢加热到可以蒸发涂层中水的温度。水蒸发后，锅移动到较热的区域，在大约 800°F (425°C) 下烧结锅约五分钟。这使 PTFE 凝胶化。然后让锅冷却。冷却后，即可进行任何最终组装步骤、包装和运输。

质量控制

质量控制措施在主要的 PTFE 制造设施和进一步加工步骤（例如涂层）的工厂中进行。在初级生产设施中，遵循标准工业程序来确定成分的纯度、温度的准确性等。测试最终产品是否符合标准。对于分散体 PTFE，这意味着测试分散体的粘度和比重。也可以执行其他测试。由于 Teflon 是一种商标产品，因此希望在由 Teflon PTFE 制成的零件或产品上使用该品牌名称的制造商必须遵循杜邦制定的质量控制指南。以不粘炊具制造商为例，炊具制造商遵守杜邦的质量认证计划，该计划要求他们监控 PTFE 涂层的厚度和烘烤温度，并在每个班次期间进行多次附着力测试。

副产品/废物

尽管 PTFE 本身无毒，但其制造过程会产生有毒的副产品。这些包括氢氟酸和二氧化碳。工作区域必须充分通风，以防止在加热 PTFE 或烧结后冷却时接触气体。医生记录了一种特殊的疾病，称为聚合物烟雾病，工人吸入了 PTFE 制造的气体副产品。在加工 PTFE 部件时，还必须防止工人吸入 PTFE 粉尘。

制造过程中产生的一些废物可以再利用。由于 PTFE 起初的生产成本非常高，因此制造商有很大的动力寻找使用废料的方法。制造过程中产生的废物或碎屑可以清洗并制成细粉。这种粉末可用于成型，或作为某些润滑剂、油和油墨的添加剂。

用过的聚四氟乙烯零件应该填埋，而不是焚烧，因为高温燃烧会释放氯化氢等有毒物质。 2001 年发布的一项研究声称，PTFE 在环境中也会降解为一种对植物有毒的物质。这是三氟乙酸盐或 TFA。虽然目前环境中的反式脂肪酸含量很低，但这种物质会持续很长时间。因此，TFA 污染可能是未来的一个问题。

哪里可以了解更多

书籍

Ebnesajjad，新浪。 氟塑料。 纽约州诺里奇：塑料设计图书馆，2000 年。

期刊

弗里德尔、罗伯特和艾伦·皮隆。 “偶然的发明者。” 发现 （1996 年 10 月）：58。

Gorman, J. “环境被不粘涂层粘住了”。 科学新闻 （2001 年 7 月 21 日）：36。

安吉拉 伍德沃德