PTFE-Bearbeitung (Teflon): Eigenschaften, Herstellung, Anwendung

Polytetrafluorethylen (PTFE), auch bekannt als Teflon, zählt zu den wichtigsten Hochleistungskunststoffen. Es zeichnet sich durch seine hervorragende Kombination von Eigenschaften aus, darunter hohe Temperaturbeständigkeit und starke chemische Korrosionsbeständigkeit. Dieser Artikel bietet eine Einführung in die grundlegenden Eigenschaften von PTFE, einschließlich seiner Eigenschaften, Verarbeitungsmethoden und wichtigen Anwendungsgebiete.

Einführung in PTFE-Kunststoff

Polytetrafluorethylen (PTFE), besser bekannt als Teflon, ist eine hochmolekulare Verbindung, die durch Polymerisation von Tetrafluorethylen hergestellt wird. Seine Strukturformel lautet [CF₂-CF₂]ₙ. Es ist ein wichtiger chemischer Werkstoff. PTFE bietet hervorragende Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen, Korrosion und Alterung. Es ist außerdem wasserabweisend, antihaftbeschichtet und selbstschmierend, besitzt ausgezeichnete dielektrische Eigenschaften und einen extrem niedrigen Reibungskoeffizienten. Es wird häufig als technischer Kunststoff oder Beschichtung eingesetzt und kann zu PTFE-Rohren, -Stäben, -Bändern, -Platten, -Folien und anderen Produkten verarbeitet werden.

Eigenschaften von PTFE

Mechanische und physikalische Eigenschaften

PTFE besitzt eine relativ hohe Dichte von 2.14 bis 2.20. Es absorbiert kaum Wasser, die Gleichgewichtswasseraufnahme liegt unter 0.01 %. PTFE ist zäh, aber nicht elastisch. Die Anziehungskräfte zwischen den großen Molekülen sind gering, daher besitzt es nur eine mäßige Zugfestigkeit und eine niedrige Härte. Unter Dauerbelastung verformt es sich, weist aber eine hohe Bruchdehnung auf.

Die Temperatur hat einen signifikanten Einfluss auf das Spannungs-Dehnungs-Verhalten von PTFE. Mit steigender Temperatur sinkt der Elastizitätsgrenzwert E. Wird PTFE durch eine äußere Kraft abrupt komprimiert, nimmt die Druckverformung mit zunehmender Spannung zu. Unter anhaltender Belastung steigt die Dehnung von PTFE mit der Zeit weiter an und stabilisiert sich schließlich. Diese zunehmende Dehnung wird als Kaltfließeigenschaft von PTFE bezeichnet und ist auch auf die geringe intermolekulare Anziehung zwischen den PTFE-Molekülen zurückzuführen.

Das Kriechverhalten von PTFE hängt von der Druckspannung, der Temperatur und dem Kristallinitätsgrad ab. Je höher die Temperatur, desto größer das Kriechverhalten. Bei einem Kristallinitätsgrad zwischen 55 % und 80 % beträgt das Kriechverhalten maximal 2 %. Liegt der Kristallinitätsgrad unter 55 % oder über 80 %, steigt das Kriechverhalten rapide an.

Da die intermolekularen Anziehungskräfte von PTFE gering sind, ist auch die Anziehung zwischen Oberflächenmolekülen sehr gering. Daher weist PTFE einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten und ausgezeichnete Schmiereigenschaften auf. Aufgrund der geringen intermolekularen Anziehungskräfte besitzt PTFE eine geringe Härte und ist anfällig für Verschleiß durch andere Materialien. Bei geeigneter Oberflächenrauheit des Gegenmaterials lässt sich der Verschleiß von PTFE jedoch deutlich reduzieren. Üblicherweise wird der Verschleiß minimiert, wenn die Oberflächenunebenheit zwischen 0.1 und 0.4 μm liegt. Dieses Phänomen beruht darauf, dass sich beim Drehen oder Gleiten durch Verschleiß ein dünner PTFE-Film auf der Oberfläche des Gegenmaterials bildet. Dadurch wird die Reibung zwischen den beiden Materialien in eine Reibung zwischen PTFE und sich selbst umgewandelt. Dank der hervorragenden Selbstschmiereigenschaften und des extrem niedrigen Reibungskoeffizienten von PTFE ist der Verschleiß sehr gering.

Relativer Verschleiß von PTFE gegenüber verschiedenen Gegenmaterialien (Verschleiß von Kohlenstoffstahl als 1 angenommen)

Thermische Eigenschaften

Die thermische Stabilität von PTFE ist unter allen technischen Kunststoffen herausragend. Dies liegt an der sehr hohen Kohlenstoff-Fluor-Bindungsenergie in den PTFE-Makromolekülen. Die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Kette ist von Fluoratomen umgeben, wodurch ein Angriff anderer Atome (wie z. B. Sauerstoff) erschwert wird. Obwohl ab 200 °C Spuren von Zersetzungsprodukten auftreten, verläuft die Zersetzung von 200 °C bis zum Schmelzpunkt extrem langsam, und die Zersetzungsmenge ist sehr gering. Nach einmonatiger Erhitzung bei 200 °C beträgt die Zersetzungsmenge weniger als 2 ppm und ist somit nahezu vernachlässigbar. Eine signifikante Zersetzung tritt erst oberhalb von 400 °C auf, mit einem Gewichtsverlust von etwa 0.01 % pro Stunde.

Bei 250 °C beträgt die Zugfestigkeit von PTFE noch etwa 5 MPa, was ungefähr einem Fünftel des Wertes bei Raumtemperatur entspricht. Unterhalb von 0 °C steigt die Zugfestigkeit von PTFE mit weiter sinkender Temperatur, während die Dehnung abnimmt. Unterhalb von -75 °C erreicht die Dehnung einen Minimalwert von etwa 3 % und bleibt bis -250 °C konstant. Daher wird PTFE selbst bei extrem niedrigen Temperaturen von -250 °C nicht spröde und behält eine gewisse Flexibilität.

PTFE verfügt über einen sehr breiten Einsatztemperaturbereich und kann kontinuierlich von -250 °C bis 260 °C verwendet werden.

Elektrische Eigenschaften

PTFE ist ein stark unpolares Material mit hervorragenden dielektrischen Eigenschaften. Seine herausragende Eigenschaft besteht darin, dass sich seine dielektrischen Eigenschaften oberhalb von 0 °C weder mit der Frequenz noch mit der Temperatur ändern und auch nicht durch Feuchtigkeit oder korrosive Gase beeinträchtigt werden.

Der spezifische Volumenwiderstand von PTFE liegt über 10¹⁷ Ω·cm, der spezifische Oberflächenwiderstand über 10¹⁶ Ω und ist damit der höchste aller technischen Kunststoffe. Da PTFE kein Wasser aufnimmt, sinkt sein spezifischer Volumenwiderstand auch nach längerem Eintauchen in Wasser nicht merklich. Auch bei 100 % relativer Luftfeuchtigkeit bleibt sein spezifischer Oberflächenwiderstand unverändert.

PTFE besitzt eine ausgezeichnete Lichtbogenbeständigkeit. Bei Hochspannungsentladungen an der Oberfläche kommt es nicht zu Kurzschlüssen durch Verkohlung oder leitfähige Reststoffe. Stattdessen zersetzt es sich lediglich in niedermolekulare Fluorkohlenwasserstoffe, die verdampfen, sodass die gute elektrische Isolation und Lichtbogenbeständigkeit erhalten bleiben.

Chemische Resistenz

PTFE besitzt eine außerordentlich hohe chemische Stabilität. Dies liegt daran, dass im PTFE-Molekül das leicht angreifbare Kohlenstoffgerüst von einer Schicht stark gebundener Fluoratome umgeben ist. Dadurch ist die Hauptkette des Polymers nahezu immun gegen die Korrosion durch chemische Substanzen. Viele stark korrosive und oxidierende Chemikalien, wie konzentrierte Salzsäure, Fluorwasserstoffsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure, Chlor, Schwefeltrioxid, Natriumhydroxid und organische Säuren, haben nahezu keine Wirkung auf PTFE. Lediglich geschmolzene Alkalimetalle können Fluoratome aus den PTFE-Molekülen abspalten und Fluoride bilden, wodurch sich die Oberfläche dunkelbraun färbt.

Veränderungen der PTFE-Eigenschaften nach dem Eintauchen in Chemikalien

Andere Eigenschaften

Da PTFE-Moleküle keine lichtempfindlichen Gruppen aufweisen und Ozon nicht mit ihnen reagieren kann, ist seine Beständigkeit gegenüber atmosphärischer Alterung in der Atmosphäre außerordentlich hoch. Selbst nach langjähriger Einwirkung der Atmosphäre bleibt die Oberfläche unverändert. Bei der Weiterverarbeitung von PTFE zu Produkten müssen keine Alterungsschutzmittel oder Stabilisatoren zugesetzt werden.

Die Flammwidrigkeit von PTFE ist ebenfalls hervorragend, mit einem Sauerstoffindex von bis zu 95 %. Selbst ohne Flammschutzmittel erreicht es die Flammwidrigkeitsklasse UL94 V-0.

Eine weitere wichtige Eigenschaft von PTFE ist seine Antihaftwirkung. Die Oberflächenenergie von PTFE ist mit nur 0.019 N/m sehr gering und damit die niedrigste aller bekannten Feststoffe. Daher haften nahezu keine Feststoffe an seiner Oberfläche. Lediglich Flüssigkeiten mit einer Oberflächenspannung unter 0.02 N/m (wie Ether, Hexan und Petrolether) benetzen es vollständig.

Wie man PTFE zu Bauteilen verarbeitet

Zu den wichtigsten Formgebungsverfahren für PTFE gehören das Pressformen, das Extrusionsformen und die CNC-Bearbeitung.

Formpressen

Das freie Sinterverfahren beinhaltet das gleichmäßige Einfüllen von PTFE-Pulver in eine Form, das Vorformen bei Raumtemperatur unter einem Druck von 10–100 MPa in einer Presse und das anschließende Erhitzen des Vorformlings in einen Heizofen. Die Temperatur wird mit einer bestimmten Rate auf 360–380 °C erhöht, um den Sinterprozess zu ermöglichen. Nach dem vollständigen Sintern des Vorformlings wird die Ofentemperatur kontrolliert auf Raumtemperatur abgesenkt, um das fertige Produkt zu erhalten. Da bei diesem Verfahren keine Einschränkungen für das Sintermaterial während des Sinterprozesses vorgenommen werden, wird es als freies Sinterverfahren bezeichnet. Die Haltezeit beim freien Sintern beträgt in der Regel einige Minuten bis einige zehn Minuten, wobei die vollständige Beseitigung von Lufteinschlüssen als Standard gilt. Der Anteil an Lufteinschlüssen kann durch Messung der Produktdichte überprüft werden. Je höher die Dichte, desto geringer der Lufteinschluss. Höherer Druck und höhere Temperatur führen zu einer höheren Dichte.

Die Aufheizrate beim Sintern wird üblicherweise auf 25–60 °C pro Stunde eingestellt. Je größer das Vorformling, desto langsamer sollte die Aufheizrate sein. Die Sinterzeit wird durch den Zeitpunkt bestimmt, an dem das Produkt transparent oder transluzent wird, und variiert mit der Produktgröße. Im Allgemeinen beträgt die Sinterzeit bei einer Produktdicke von 1 mm 5–8 Minuten. Die Abkühlrate beeinflusst direkt die Kristallinität und die physikalisch-mechanischen Eigenschaften des Produkts. Bei kleinen Produkten kann die Abkühlrate zwischen 50 und 150 °C/Stunde eingestellt werden. Bei großen Produkten sollte die Abkühlrate 50 °C/Stunde nicht überschreiten.

Im Vergleich zum freien Sintern erfordert das Heißpressverfahren nach der Vorformung ein Nachpressen in einer zweiten Form während des Sinterprozesses. Dieses Nachpressen sollte möglichst bald erfolgen, bevor die Vorform auf den Schmelzpunkt abkühlt. Die Ausdehnung der Vorform in Pressrichtung beträgt etwa 25 % und in vertikaler Richtung 6–10 %. Daher muss die zweite Form etwas größer als die erste Form ausgelegt sein.

Beim Sekundärpressen wird während des Abkühlens Druck ausgeübt, wodurch die Abkühlrate im Vergleich zum freien Sintern höher ist. Das Produkt weist eine geringere Kristallinität, eine höhere Biegeermüdungsfestigkeit und Zähigkeit, aber auch höhere Eigenspannungen auf. Daher ist in der Regel eine Nachbehandlung bei 120–125 °C erforderlich.

Die Eigenschaften von Produkten, die durch Heißpressen hergestellt werden, hängen maßgeblich vom Nachpressdruck ab. Ein höherer Nachpressdruck führt zu besseren Eigenschaften, jedoch erhöht ein zu hoher Druck die Gratbildung und verursacht Materialverluste. Er wird üblicherweise auf 10–20 MPa eingestellt.

Extrusionsformen

Die PTFE-Extrusion unterscheidet sich von der Extrusion herkömmlicher Thermoplaste. Der Extruderzylinder wird nicht beheizt. Die Schnecke dient lediglich dem Transport und Vorschub des Rohmaterials. Das Material durchläuft den Kopf eines Einschneckenextruders mit Doppelgewinde, konstanter Steigung und konstanter Tiefe und gelangt anschließend zum Sintern und Abkühlen in die Düse. Mithilfe des Gegendrucks einer Gegendruckvorrichtung wird PTFE zu dickwandigen Rohren, Stäben und anderen Spezialprofilen geformt.

Teflonbeschichtung/PTFE-Beschichtung

PTFE kann durch Sprühen zu Beschichtungen und Auskleidungen verarbeitet werden. Der Sprühprozess umfasst im Wesentlichen die Substratbehandlung, das Sprühen selbst und das Sintern. Hauptsächlich werden Stahl, Gusseisen, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Keramik und Glas als Substratmaterialien verwendet. Kupfer und Kupferlegierungen sind schwieriger zu beschichten, Zinn, Zink und Blei hingegen nicht. Um ein gleichmäßiges Sprühbild und eine widerstandsfähige Beschichtung zu gewährleisten, müssen alle rechtwinkligen Bereiche des Substrats mit einem Fasenradius von 3–10 mm angefast werden. Vor dem Sprühen muss die Substratoberfläche entfettet und aufgeraut werden. Die Entfettung kann durch Hochtemperaturentfettung bei 380 °C oder durch Hochdruckdampfbesprühung erfolgen. Die Aufrauung wird üblicherweise durch Sandstrahlen durchgeführt.

PTFE-CNC-Bearbeitung

Polytetrafluorethylen (PTFE) weist eine geringe Festigkeit, Härte, Wärmeleitfähigkeit und einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Bei der CNC-Bearbeitung von PTFE müssen geeignete Werkzeuge ausgewählt, sinnvolle Schnittparameter festgelegt, ein angemessenes Aufmaß berücksichtigt und eine ausreichende Kühlung (üblicherweise Druckluftkühlung) entsprechend den Materialeigenschaften, den Bearbeitungsbedingungen und den Qualitätsanforderungen sichergestellt werden. So lassen sich eine hohe Bearbeitungsqualität und -genauigkeit erzielen.

PTFE-CNC-Drehen

Beim CNC-Drehen von PTFE sind die Außendurchmesser, die innere und äußere Rundheit sowie die inneren und äußeren Konizitätsänderungen relativ groß und unregelmäßig. Daher sollte beim Schruppen ein größerer Spanwinkel verwendet werden, um die Schnittkraft zu reduzieren und elastische Verformungen des Werkstücks zu vermeiden. Beim Schlichten kann ein kleinerer Spanwinkel verwendet werden, um die Wärmeableitung des Werkzeugs zu verbessern und die Schnitttemperatur zu senken.

PTFE CNC-Bohrung

Das größte Problem beim CNC-Bohren von PTFE ist die rechtzeitige Späneabfuhr. Üblicherweise werden folgende Maßnahmen ergriffen:

• Verwenden Sie Bohrer mit kleinen Spiralwinkeln und Spannuten, um den Spanabtransport zu erleichtern.
• Reduzieren Sie die Drehzahl des Bohrers so weit wie möglich. Wählen Sie eine geringere Vorschubgeschwindigkeit bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Bohreffizienz und verwenden Sie mehrere Rückzüge, um einen zeitnahen Spanabtransport zu gewährleisten und dadurch die Oberflächenqualität und Bearbeitungsgenauigkeit zu verbessern.

Im Allgemeinen beträgt der Spiralwinkel des Bohrers nach dem Schärfen etwa 10°–15°, der Freiwinkel 9°–20° und der Spitzenwinkel 60°–120°. Die Bohrgeschwindigkeit hängt nicht nur vom zu bearbeitenden Material, sondern auch von Lochgröße und -tiefe ab. Bei Handbohrmaschinen erzielt man mit 900 U/min die besten Ergebnisse, während bei stationären Tischbohrmaschinen 2100 U/min bei einem Vorschub von 1.3 mm/s optimale Ergebnisse liefern.

PTFE-CNC-Fräsen

Beim CNC-Fräsen von PTFE sollte der Spanwinkel des Fräsers größer sein als beim Fräsen von Metall, im Allgemeinen größer als 6° (6°–15°). Auch der Freiwinkel sollte größer sein als beim Fräsen von Metall. CNC-Fräsen von MetallDer Anstellwinkel sollte im Allgemeinen größer als 10° (15°–30°) sein. Die Schnittgeschwindigkeit beim Fräsen sollte 180–300 mm/min, der Vorschub 0.05–0.13 mm/U und die Schnitttiefe etwa 0.1 mm/s betragen. Die Oberflächenrauheit nimmt mit sinkendem Vorschub ab. In der Fertigung wird Seitenfräsen empfohlen, um ein Anbrennen des Werkstücks zu vermeiden. Zum Schruppen eignen sich geradverzahnte Rückwärtsfräser mit hoher Festigkeit und einfacher Fertigung. Zum Schlichten sind gebrochene Rückwärtsfräser mit geringerer Festigkeit, aber größerem Spanraum besser geeignet.

Anwendungsbereiche von PTFE-bearbeiteten Bauteilen

5G-Kommunikation

FR4-Kupferlaminate, die häufig in der Kommunikationsindustrie eingesetzt werden, verwenden Epoxidharz als Substratmaterial, weisen jedoch hohe Verluste auf und sind für Hochfrequenzkommunikation ungeeignet.

5G erfordert hochfrequente, kupferkaschierte Laminate mit niedriger Dielektrizitätskonstante und geringem dielektrischem Verlustfaktor. PTFE-Harz ist derzeit das Polymermaterial mit der niedrigsten Dielektrizitätskonstante. Seine dielektrischen Eigenschaften und sein dielektrischer Verlustfaktor erfüllen die Anforderungen von 5G-Basisstationen. Daher findet PTFE zunehmend Anwendung in Hochfrequenzkommunikationstechnologien wie 5G, der Luft- und Raumfahrt sowie im Militärbereich. Aus PTFE hergestellte kupferkaschierte Laminate werden als hochfrequente, kupferkaschierte Laminate bezeichnet. Im 5G-Bereich wird PTFE außerdem häufig zur Herstellung von halbflexiblen Koaxialkabeln, HF-Koaxialkabeln und Radarantennenplatinen verwendet.

Wasserstoff-Energie

Im Bereich der Wasserstoffenergie wird PTFE hauptsächlich zur Abdichtung von alkalischen Elektrolyseuren und als Verstärkung für Protonenaustauschmembranen in PEM-Brennstoffzellen und der Wasserelektrolyse eingesetzt.

In alkalischen Elektrolyseuren dienen Dichtungen als Hauptkomponente und übernehmen sowohl die Abdichtung als auch die Isolierung. Leckagen sind ein wichtiger Faktor, der die Lebensdauer und Sicherheit alkalischer Elektrolyseure beeinflusst. Die Kompressionselastizität und das Kriechverhalten von Dichtungen sind wichtige Indikatoren für deren Leistungsfähigkeit. Die Dichtungsmaterialien für alkalische Elektrolyseure in China haben sich im Laufe der Zeit mehrfach weiterentwickelt: von Asbestgummiplatten über Gewebemembrandichtungen bis hin zu PTFE-gefüllten Dichtungen. Derzeit werden in China hauptsächlich PTFE-gefüllte Dichtungen für Elektrolyseure verwendet. PTFE wird mit Verstärkungsfüllstoffen wie Glasfasern, Aluminiumoxid und Graphit gefüllt und modifiziert, anschließend geformt und gesintert, um die Dichtungen herzustellen.

Medizintechnik

Die geringe Reibung von PTFE macht es bei Langzeitanwendung im Körper weniger verschleißanfällig und reduziert somit verschleißbedingte Komplikationen. Gleichzeitig erschwert es die Ablagerung von Blut und anderen Körperflüssigkeiten auf seiner Oberfläche und senkt dadurch das Thromboserisiko. Aus diesem Grund ist es ein beliebtes Beschichtungsmaterial für verschiedene medizinische Geräte wie Katheter und Stents. Diese Beschichtung kann die Reibung bei der Bewegung des Geräts im Körper verringern und das Risiko von Gewebeschäden minimieren.

PTFE ist weich, leicht formbar und sorgt für natürliche Implantationsergebnisse, wodurch es sich für die plastische Chirurgie eignet. Seine Eigenschaften sind denen von herkömmlichem Silikonkautschuk überlegen. Mit PTFE lassen sich gute postoperative Ergebnisse erzielen, die röntgendicht, stabil und natürlich wirken. Am häufigsten wird es für Implantate zur Rekonstruktion von Nase, Kieferknochen oder anderem Weichgewebe eingesetzt. Darüber hinaus kann es zur Faltenbehandlung im Gesicht, zur Lippenvergrößerung, zur Reparatur von geschädigtem Weichgewebe oder als Stützmaterial verwendet werden.

Getzshape CNC-Bearbeitungstoleranzen und -kapazitäten

Getzshape bietet hochwertige kundenspezifische CNC-Bearbeitung, Blechbearbeitung, Funkenerosion, Druckguss und mehr. Unsere CNC-Bearbeitungsmöglichkeiten für Edelstahl sind unten aufgeführt.