¿Cómo se fabrica el teflón?

Teflón es el nombre comercial del politetrafluoroetileno (PTFE). El PTFE pertenece a una clase de polímeros conocidos como fluoropolímeros. Un polímero es un compuesto formado por una unión química que combina partículas (monómeros) en grupos de moléculas grandes repetidas (polímeros). Muchas fibras sintéticas comunes son polímeros, como el poliéster y el nylon. PTFE es la forma polimerizada de tetrafluoretileno.

Fig. 1. (a) Monómero de TFE, (b) polímero PTFE

El PTFE tiene propiedades únicas que lo hacen valioso en muchas aplicaciones. Tiene un punto de fusión muy alto y también es estable a temperaturas muy bajas. Solo se puede disolver con gas de flúor caliente o con ciertos metales fundidos, por lo que es extremadamente resistente a la corrosión. También es muy deslizante y antiadherente. Esto lo convierte en un material excelente para recubrir piezas de equipos que están sujetas a calor, desgaste y fricción, entre otros. Se utiliza para equipos de laboratorio que deben resistir productos químicos corrosivos y como revestimiento para utensilios de cocina y en multitud de aplicaciones de la alimentación en general.

Fig. 2. Aplicación como recubrimiento de PTFE en utensilios para alimentación

El PTFE también se utiliza para mejorar la resistencia a las manchas de algunos tejidos, en alfombras y en la pintura de paredes, y como impermeabilizante en letreros exteriores. El PTFE tiene una conductividad eléctrica baja, por lo que es un buen aislante eléctrico. Se utiliza para aislar gran parte de los cables de comunicación de datos y es fundamental para la fabricación de semiconductores. El PTFE también se encuentra en una variedad de aplicaciones médicas, como en injertos vasculares.

Fig. 3. Aplicación de PTFE como recubrimiento en la industria manufacturera

Un poco de historia

El PTFE fue descubierto accidentalmente en 1938 por un joven científico que buscaba otra cosa. Roy Plunkett era químico de DuPont de Nemours and Company. Había obtenido un doctorado de la Universidad Estatal de Ohio en 1936, y en 1938, cuando se topó con el teflón tenía solo 27 años. El área de Plunkett eran los refrigerantes. Muchos productos químicos que se usaban como refrigerantes antes de la década de 1930 eran peligrosamente explosivos. DuPont y General Motors habían desarrollado un nuevo tipo de refrigerante no inflamable, una forma de freón llamada refrigerante 114. El refrigerante 114 estaba vinculado a un acuerdo exclusivo con General Motor y, en ese momento, no podía comercializarse a otros fabricantes. Plunkett se esforzó por encontrar una forma diferente de refrigerante 114 que evitara el control de patentes.

El nombre técnico del refrigerante 114 era tetrafluorodicloroetano. Plunkett esperaba fabricar un refrigerante similar haciendo reaccionar ácido clorhídrico con un compuesto llamado tetrafluoretileno o TFE. El TFE en sí era una sustancia poco conocida y Plunkett decidió que su primera tarea era producir una gran cantidad de este gas. El químico pensó que también podría producir cien libras de gas, para asegurarse de tener suficiente para todas sus pruebas químicas y también para las pruebas toxicológicas. Almacenaba el gas en latas de metal con válvula de liberación, al igual que las latas que se usan comercialmente hoy en día para aerosoles presurizados como laca para el cabello. Plunkett mantuvo las latas en hielo seco, para enfriar y licuar el gas TFE. Su experimento con refrigerante requirió que Plunkett y su asistente liberaran el gas TFE de las latas en una cámara calentada. En la mañana del 6 de abril de 1938, Plunkett descubrió que no podía sacar el gas de la lata. Para sorpresa de Plunkett y su asistente, el gas se había transformado de la noche a la mañana en un polvo blanco y escamoso. El TFE se había polimerizado.

La polimerización es un proceso químico en el que las moléculas se combinan en largas cadenas. La ciencia de los polímeros se encontraba en sus inicios en la década de 1930. Plunkett creía que el TFE no podía polimerizar y, sin embargo, de alguna manera lo había hecho. Envió los extraños copos blancos al Departamento Central de Investigación de DuPont, donde equipos de químicos analizaron el material.
El TFE polimerizado fue curiosamente inerte. No reaccionaba con ningún otro producto químico, resistía las corrientes eléctricas y era extremadamente suave y resbaladizo. Plunkett pudo descubrir cómo el gas TFE se había polimerizado accidentalmente y obtuvo una patente para la sustancia polimerizada, politetrafluoroetileno o PTFE.

El PTFE era inicialmente caro de producir y su valor no estaba claro para Plunkett ni para los demás científicos de DuPont. Pero entró en uso en la Segunda Guerra Mundial, durante el desarrollo de la bomba atómica. La fabricación de la bomba requirió que los científicos manejaran grandes cantidades de una sustancia cáustica y tóxica: hexafluoruro de uranio. DuPont proporcionó juntas y revestimientos recubiertos de PTFE que resistieron la acción corrosiva extrema del hexafluoruro de uranio. DuPont también usó PTFE durante la guerra para hacer conos de algunas otras bombas. DuPont registró el nombre comercial Teflon para su sustancia patentada en 1944, y continuó trabajando después de la guerra en técnicas de fabricación más baratas y efectivas.

Materias primas

El PTFE se polimeriza a partir del compuesto químico tetrafluoroetileno o TFE. El TFE se sintetiza a partir de espato flúor (fluorita), ácido fluorhídrico y triclorometano (cloroformo.) Estos ingredientes se combinan a altas temperaturas, en una acción conocida como pirolisis.
El TFE es un gas incoloro, inodoro y no tóxico que, sin embargo, es extremadamente inflamable. Se almacena como líquido, a baja temperatura y presión. Debido a la dificultad de transportar el TFE inflamable, los fabricantes de PTFE también fabrican su propio TFE in situ. El proceso de polimerización utiliza una cantidad muy pequeña de otros productos químicos como iniciadores. El otro ingrediente esencial del proceso de polimerización es el agua.

El proceso de fabricación

El PTFE se puede producir de varias formas, dependiendo de las características particulares deseadas para el producto final. Muchos detalles del proceso son secretos de propiedad de los fabricantes. Hay dos métodos principales para producir PTFE. Uno es la polimerización en suspensión. En este método, el TFE se polimeriza en agua, lo que da como resultado granos de PTFE. Los granos se pueden procesar posteriormente en gránulos que se pueden moldear. En el método de dispersión, el PTFE resultante es una pasta lechosa que se puede procesar en un polvo fino. Tanto la pasta como el polvo se utilizan en aplicaciones de revestimiento.
Haciendo el TFE

Los fabricantes de PTFE comienzan sintetizando TFE. Los tres ingredientes de TFE, espato flúor, ácido fluorhídrico y cloroformo se combinan en una cámara de reacción química calentada entre 590-900 ° C. A continuación, el gas resultante se enfría y se destila para eliminar las impurezas.

Polimerización en suspensión

La cámara de reacción se llena con agua purificada y un agente de reacción o iniciador, una sustancia química que desencadenará la formación del polímero. El TFE líquido se canaliza a la cámara de reacción. Cuando el TFE se encuentra con el iniciador, comienza a polimerizar. El PTFE resultante forma granos sólidos que flotan hacia la superficie del agua. Mientras esto sucede, la cámara de reacción se agita mecánicamente. La reacción química dentro de la cámara emite calor, por lo que la cámara se enfría mediante la circulación de agua fría u otro refrigerante en un enchaquetado exterior. Los controles cortan automáticamente el suministro de TFE después de que se alcanza un cierto peso dentro de la cámara. El agua se drena fuera de la cámara

A continuación, el PTFE se seca y se introduce en un molino. El molino pulveriza el PTFE con cuchillas giratorias, produciendo un material con la consistencia de la harina de trigo. Este polvo fino es difícil de moldear. Tiene un «flujo deficiente», lo que significa que no se puede procesar fácilmente en un equipo automático. Al igual que la harina de trigo sin triturar, puede tener grumos y bolsas de aire. Entonces, los fabricantes convierten este polvo fino en gránulos más grandes mediante un proceso llamado aglomeración. Esto se puede hacer de varias maneras. Un método consiste en mezclar el polvo de PTFE con un disolvente como la acetona y volcarlo en un tambor giratorio. Los granos de PTFE se adhieren entre sí, formando pequeños gránulos. A continuación, los gránulos se secan en un horno.

Los gránulos de PTFE se pueden moldear en piezas utilizando una variedad de técnicas. Sin embargo, el PTFE puede venderse a granel ya moldeado previamente en los llamados tochos, que son cilindros sólidos de PTFE. Las palanquillas pueden tener 1,5 m de altura. Estos se pueden cortar en láminas o bloques más pequeños, para moldearlos o mecanizarlos. Para formar el tocho, se vierten gránulos de PTFE en un molde cilíndrico de acero inoxidable. El molde se carga en una prensa hidráulica. El punzón cae dentro del molde y ejerce fuerza sobre el PTFE. Después de un cierto período de tiempo, se retira el molde de la prensa y se desmoldea el PTFE. Se deja reposar, luego se coloca en un horno para un paso final llamado sinterización.

El PTFE moldeado se calienta en el horno de sinterización durante varias horas, hasta que alcanza gradualmente una temperatura de alrededor de 360 ° C. Esto está por encima del punto de fusión del PTFE. Las partículas de PTFE se fusionan y el material se vuelve gelatinoso. Luego, el PTFE se enfría gradualmente.

Polimerización por dispersión

La polimerización de PTFE por el método de dispersión conduce a un polvo fino o una sustancia pastosa, que es más útil para recubrimientos y acabados. El TFE se introduce en un reactor lleno de agua junto con el químico iniciador. En lugar de agitarse vigorosamente, como en el proceso de suspensión, la cámara de reacción solo se agita suavemente. El PTFE se forma en pequeñas perlas. Parte del agua se elimina mediante filtración o añadiendo productos químicos que provocan la sedimentación de las perlas de PTFE. El resultado es una sustancia lechosa llamada dispersión de PTFE. Se puede utilizar como líquido, especialmente en aplicaciones como acabados de telas. O se puede secar en un polvo fino que se usa para recubrir metal y para todo tipo de formulaciones que se aplican en recubrimientos antiadherentes.

Fig. 4. Aplicación como recubrimiento de PTFE en la industria de la panificación

Si quiere saber más puede consultar:

1. Ebnesajjad, S. Fluoroplastics: Second Edition; Elsevier Inc., 2014; Vol. 1; ISBN 9781455731992.
2. Drobny, J. G. Technology of Fluoropolymers Secon Edition; 2010; Vol. 71; ISBN 9781420063172.
3. Ebnesajjad, S. Fluoroplastics, Volume 2: Melt Processible Fluoropolymers – The Definitive User’s Guide and Data Book; Plastics Design Library; Elsevier Science, 2015; ISBN 9781455731985.
4. Gardiner, J. Fluoropolymers: Origin, Production, and Industrial and Commercial Applications. Aust. J. Chem. 2015, 68, 13, doi:10.1071/CH14165.
5. Plunkett, R. J. The history of polytetrafluoroethylene: discovery and development. In High Performance Polymers: Their Origin and Development; Springer, 1986; pp. 261–266 ISBN 9401170754.