Usinage du PTFE (Téflon) : propriétés, fabrication, applications

Le polytétrafluoroéthylène, ou Téflon, est l'un des plastiques techniques haute performance les plus importants. Il est reconnu pour son excellente combinaison de propriétés, notamment sa résistance aux hautes températures et sa forte résistance à la corrosion chimique. Cet article présente les propriétés fondamentales du PTFE, y compris ses caractéristiques, ses procédés de transformation et ses principales applications.

Introduction au plastique PTFE

Le polytétrafluoroéthylène (PTFE), plus connu sous le nom de Téflon, est un composé de masse moléculaire élevée obtenu par polymérisation du tétrafluoroéthylène. Sa formule structurale est [CF₂-CF₂]ₙ. C'est un matériau chimique important. Le PTFE offre une excellente résistance aux hautes températures, à la corrosion et au vieillissement. Il est également hydrofuge, antiadhésif et autolubrifiant, avec des propriétés diélectriques exceptionnelles et un coefficient de frottement extrêmement faible. Il est couramment utilisé comme plastique technique ou revêtement et peut être transformé en tubes, barres, rubans, feuilles, films et autres produits.

Propriétés du PTFE

Propriétés mécaniques et physiques

Le PTFE possède une densité relativement élevée, comprise entre 2.14 et 2.20. Il absorbe très peu d'eau, son taux d'absorption à l'équilibre étant inférieur à 0.01 %. Le PTFE est résistant mais dépourvu de résilience. Les interactions intermoléculaires entre ses grandes molécules étant faibles, sa résistance à la traction est modérée et sa dureté faible. Il se déforme sous contrainte prolongée, mais présente un allongement à la rupture élevé.

La température influe considérablement sur le comportement contrainte-déformation du PTFE. Lorsque la température augmente, la limite élastique E diminue. Lorsqu'une force extérieure comprime instantanément le PTFE, la déformation augmente avec la contrainte. Sous une charge soutenue, la déformation du PTFE continue d'augmenter au fil du temps, puis tend à se stabiliser. Cette augmentation de la déformation est appelée fluage à froid du PTFE et est également due aux faibles interactions intermoléculaires entre les molécules de PTFE.

Le fluage du PTFE varie en fonction de la contrainte de compression, de la température et de la cristallinité. Plus la température est élevée, plus le fluage est important. Lorsque la cristallinité du PTFE est comprise entre 55 % et 80 %, le fluage ne dépasse pas 2 %. En revanche, si la cristallinité est inférieure à 55 % ou supérieure à 80 %, le fluage augmente rapidement.

Du fait de la faible attraction intermoléculaire du PTFE, l'attraction entre les molécules de surface est également très faible. Par conséquent, le PTFE présente un coefficient de frottement très bas et d'excellentes propriétés lubrifiantes. Cette faible attraction intermoléculaire lui confère une faible dureté et le rend sensible à l'usure par d'autres matériaux. Cependant, une rugosité de surface appropriée du matériau en contact permet de réduire considérablement l'usure du PTFE. Généralement, lorsque l'irrégularité de surface se situe entre 0.1 et 0.4 µm, l'usure du PTFE est minimale. Ce phénomène s'explique par le fait que, lors de la rotation ou du glissement, la surface du matériau en contact se recouvre d'un fin film de PTFE par usure, transformant ainsi le frottement entre deux matériaux différents en un frottement entre le PTFE et lui-même. Grâce à ses excellentes propriétés autolubrifiantes et à son coefficient de frottement extrêmement faible, l'usure du PTFE est minime.

Quantité d'usure relative du PTFE par rapport à différents matériaux de contact (l'usure de l'acier au carbone étant prise comme référence 1)

Propriétés thermiques

La stabilité thermique du PTFE est exceptionnelle parmi tous les plastiques techniques. Ceci s'explique par la très haute énergie de liaison carbone-fluor dans les macromolécules de PTFE et par le fait que la chaîne carbonée est entourée d'atomes de fluor, ce qui rend difficile l'attaque par d'autres atomes (comme l'oxygène). Bien que des traces de produits de décomposition apparaissent dès 200 °C, la vitesse de décomposition est extrêmement lente de 200 °C jusqu'au point de fusion, et la quantité de produit décomposé est très faible. Après un mois de chauffage à 200 °C, la quantité de produit décomposé est inférieure à 2 parties par million, ce qui est pratiquement négligeable. Une décomposition significative ne se produit qu'au-dessus de 400 °C, avec une perte de masse d'environ 0.01 % par heure.

À 250 °C, la résistance à la traction du PTFE est encore d'environ 5 MPa, soit approximativement un cinquième de sa valeur à température ambiante. En dessous de 0 °C, à mesure que la température diminue, la résistance à la traction du PTFE augmente tandis que son allongement diminue. En dessous de -75 °C, l'allongement atteint une valeur minimale d'environ 3 % et se maintient à cette valeur jusqu'à -250 °C. Par conséquent, le PTFE ne devient pas cassant, même à des températures extrêmement basses de -250 °C, et conserve une certaine flexibilité.

Le PTFE possède une très large plage de températures de service et peut être utilisé en continu de -250 °C à 260 °C.

Propriétés électriques

Le PTFE est un matériau très apolaire doté d'excellentes propriétés diélectriques. Sa caractéristique remarquable est que, au-dessus de 0 °C, ses propriétés diélectriques restent inchangées quelle que soit la fréquence ou la température, et ne sont pas affectées par l'humidité ou les gaz corrosifs.

La résistivité volumique du PTFE est supérieure à 10¹⁷ Ω·cm et sa résistivité de surface supérieure à 10¹⁶ Ω, ce qui représente la valeur la plus élevée parmi tous les plastiques techniques. Le PTFE n'absorbant pas l'eau, sa résistivité volumique ne diminue pas significativement, même après une immersion prolongée. À l'air libre à 100 % d'humidité relative, sa résistivité de surface reste également inchangée.

Le PTFE présente une excellente résistance à l'arc électrique. En cas de décharge superficielle à haute tension, il ne provoque pas de courts-circuits dus à la carbonisation ou à la présence de substances conductrices résiduelles. Il se décompose uniquement en fluorocarbones de faible masse moléculaire qui se volatilisent, conservant ainsi une bonne isolation électrique et une excellente résistance à l'arc électrique.

Résistance chimique

Le PTFE possède une stabilité chimique exceptionnelle. En effet, dans la molécule de PTFE, le squelette carboné, facilement attaqué chimiquement, est étroitement entouré d'une couche d'atomes de fluor fortement liés, ce qui rend la chaîne principale du polymère quasiment insensible à l'érosion par toute substance chimique. De nombreux produits chimiques hautement corrosifs et fortement oxydants, tels que l'acide chlorhydrique concentré, l'acide fluorhydrique, l'acide sulfurique, l'acide nitrique, le chlore, le trioxyde de soufre, l'hydroxyde de sodium et les acides organiques, sont pratiquement sans effet sur lui. Seuls les métaux alcalins fondus peuvent extraire les atomes de fluor des molécules de PTFE pour former des fluorures, ce qui provoque une coloration brun foncé à la surface.

Modifications des propriétés du PTFE après immersion dans des produits chimiques

Autres propriétés

En milieu atmosphérique, l'absence de groupes photosensibles dans les molécules de PTFE et l'insensibilité à l'ozone lui confèrent une résistance exceptionnelle au vieillissement atmosphérique. Même après une exposition prolongée, sa surface reste intacte. Lors de la transformation du PTFE en produits finis, aucun agent anti-vieillissement ni stabilisant n'est nécessaire.

Le PTFE présente également une excellente résistance au feu, avec un indice d'oxygène atteignant 95 %. Même sans aucun retardateur de flamme, sa résistance au feu peut atteindre le niveau UL94 V-0.

L'antiadhérence est une autre caractéristique importante du PTFE. Son énergie de surface est très faible, seulement 0.019 N/m, la plus basse parmi les matériaux solides connus. Par conséquent, presque tous les matériaux solides ne peuvent adhérer à sa surface. Seuls les liquides dont la tension superficielle est inférieure à 0.02 N/m (comme l'éther, l'hexane et l'éther de pétrole) peuvent le mouiller complètement.

Comment transformer le PTFE en composants

Les principales méthodes de mise en forme du PTFE comprennent le moulage par compression, le moulage par extrusion et l'usinage CNC.

Moulage par compression

La méthode de frittage libre consiste à remplir uniformément un moule avec de la poudre de PTFE, à la préformer à température ambiante sous une pression de 10 à 100 MPa dans une presse, puis à placer la préforme dans un four de chauffage. La température est portée à 360-380 °C à une vitesse contrôlée pour le frittage. Une fois la préforme entièrement frittée, la température du four est abaissée à température ambiante à une vitesse contrôlée afin d'obtenir le produit fini. Cette méthode n'impose aucune contrainte au matériau fritté pendant le frittage, d'où son nom de frittage libre. Le temps de maintien pour le frittage libre est généralement de quelques minutes à plusieurs dizaines de minutes, l'élimination complète des porosités étant la norme. La quantité de porosités peut être vérifiée en mesurant la densité du produit. Plus la densité est élevée, plus la porosité est faible. Une pression et une température plus élevées entraînent une densité plus élevée.

La vitesse de chauffage lors du frittage est généralement contrôlée entre 25 et 60 °C par heure. Plus la préforme est grande, plus la vitesse de chauffage doit être lente. La durée du frittage est déterminée par le moment où le produit devient transparent ou translucide, et varie selon sa taille. Généralement, pour une épaisseur de 1 mm, la durée de frittage est de 5 à 8 minutes. La vitesse de refroidissement influe directement sur la cristallinité et les propriétés physico-mécaniques du produit. Pour les petites pièces, la vitesse de refroidissement peut être contrôlée entre 50 et 150 °C/heure. Pour les grandes pièces, elle ne doit pas dépasser 50 °C/heure.

Comparativement au frittage libre, le moulage par compression à chaud nécessite un pressage secondaire dans un second moule pendant le frittage après le préformage. Ce pressage secondaire doit être effectué le plus rapidement possible avant que la préforme n'atteigne son point de fusion. Le taux d'expansion de la préforme est d'environ 25 % dans le sens du pressage et de 6 à 10 % dans le sens vertical. Par conséquent, le moule secondaire doit être légèrement plus grand que le moule primaire.

Le pressage secondaire consiste à appliquer une pression pendant le refroidissement, ce qui permet un refroidissement plus rapide que le frittage libre. Le produit obtenu présente une cristallinité plus faible, une meilleure résistance à la fatigue en flexion et une ténacité accrue, mais des contraintes résiduelles plus élevées. Un post-traitement à 120–125 °C est donc généralement nécessaire.

Les performances des produits obtenus par moulage par compression à chaud dépendent principalement de la pression secondaire. Une pression secondaire plus élevée améliore les performances, mais une pression excessive augmente les bavures et entraîne des pertes de matière. Elle est généralement maintenue entre 10 et 20 MPa.

Moulage par extrusion

Le moulage par extrusion du PTFE diffère de l'extrusion des thermoplastiques ordinaires. Le fourreau de la machine n'est pas chauffé. La vis sert uniquement à acheminer et à pousser la matière première. Celle-ci traverse la tête d'une extrudeuse monovis à double filetage, à pas et profondeur constants, puis pénètre dans la filière pour le frittage et le refroidissement. Grâce à la contre-pression exercée par un dispositif de contre-pression, le PTFE est transformé en tubes à parois épaisses, en barres et en autres profilés spéciaux.

Revêtement en téflon/revêtement en PTFE

Le PTFE peut être appliqué par projection pour former des revêtements et des doublures. Le procédé de projection comprend principalement le traitement du substrat, la projection et le frittage. Les principaux matériaux de substrat sont l'acier, la fonte, l'aluminium, les alliages d'aluminium, la céramique et le verre. Le cuivre et ses alliages sont plus difficiles à projeter, tandis que l'étain, le zinc et le plomb ne peuvent pas l'être. Pour garantir une projection uniforme et un revêtement résistant, tous les angles droits du substrat doivent être chanfreinés, avec un rayon de chanfrein recommandé de 3 à 10 mm. Avant la projection, la surface du substrat doit être dégraissée et rendue rugueuse. Le dégraissage peut être effectué par un procédé à haute température (380 °C) ou par projection de vapeur haute pression. Le sablage est généralement réalisé.

Usinage CNC en PTFE

Le polytétrafluoroéthylène (PTFE) présente une faible résistance, une faible dureté, une faible conductivité thermique et un coefficient de dilatation thermique élevé. Lors de l'usinage CNC du PTFE, il convient de sélectionner des outils appropriés, de définir des paramètres de coupe adaptés, de prendre en compte les surépaisseurs d'usinage nécessaires et d'assurer un refroidissement suffisant (généralement à l'air comprimé) en fonction des propriétés du matériau, des conditions de traitement et des exigences de qualité. On obtient ainsi une qualité et une précision d'usinage élevées.

Tournage CNC PTFE

Lors du tournage CNC du PTFE, les dimensions du diamètre extérieur, l'ovalisation des surfaces intérieure et extérieure, ainsi que les variations de conicité intérieure et extérieure sont relativement importantes et irrégulières. Par conséquent, lors de l'ébauche, il convient d'utiliser un angle de dépouille plus important afin de réduire l'effort de coupe et d'éviter la déformation élastique de la pièce. En finition, un angle de dépouille plus faible permet d'améliorer la dissipation de la chaleur de l'outil et de réduire la température de coupe.

Perçage CNC PTFE

Le principal problème lors du perçage CNC du PTFE est l'évacuation rapide des copeaux. Les mesures suivantes sont généralement prises :

• Utilisez des forets avec de petits angles d'hélice et des cannelures pour faciliter l'évacuation des copeaux.
• Réduisez au maximum la vitesse de perçage. Choisissez une avance plus faible tout en veillant à l'efficacité du perçage et effectuez plusieurs retraits pour assurer une évacuation rapide des copeaux, améliorant ainsi la qualité de surface et la précision d'usinage.

Généralement, après affûtage, l'angle d'hélice du foret est d'environ 10° à 15°, l'angle de dépouille de 9° à 20° et l'angle de pointe de 60° à 120°. La vitesse de perçage dépend non seulement du matériau percé, mais aussi du diamètre et de la profondeur du trou. Pour les perceuses à main, 900 tr/min offrent les meilleurs résultats, tandis que pour les perceuses d'établi, 2 100 tr/min avec une avance de 1.3 mm/s donnent les meilleurs résultats.

Fraisage CNC en PTFE

Lors du fraisage CNC du PTFE, l'angle de dépouille de la fraise doit être supérieur à celui utilisé pour le fraisage du métal, généralement supérieur à 6° (6°–15°). L'angle de dégagement doit également être supérieur à celui utilisé pour le fraisage du métal. Fraisage CNC du métalL'angle de coupe est généralement supérieur à 10° (15°–30°). La vitesse de coupe en fraisage doit être maintenue entre 180 et 300 mm/min, l'avance par tour entre 0.05 et 0.13 mm/tr et la profondeur de passe à environ 0.1 mm/s. La rugosité de surface diminue avec la diminution de l'avance. En production, le fraisage latéral est recommandé pour éviter de brûler la pièce. Pour l'ébauche, il convient de choisir des fraises à denture droite à haute résistance et de fabrication simple. Pour la finition, il est préférable d'utiliser des fraises à denture brisée, moins résistantes mais offrant un plus grand espace d'évacuation des copeaux.

Applications des composants usinés en PTFE

Communications 5G

Les stratifiés cuivrés FR4 couramment utilisés dans l'industrie des communications utilisent de la résine époxy comme matériau de substrat, mais ils présentent des pertes élevées et ne conviennent pas aux communications à haute fréquence.

La 5G requiert des stratifiés cuivrés haute fréquence à faible constante diélectrique et à faible facteur de perte diélectrique. La résine PTFE est actuellement le polymère présentant la plus faible constante diélectrique. Ses propriétés diélectriques et ses pertes diélectriques répondent aux exigences des stations de base de communication 5G. C'est pourquoi le PTFE est progressivement utilisé dans les communications haute fréquence telles que la 5G, l'aérospatiale et les applications militaires. Les stratifiés cuivrés fabriqués à partir de ce matériau sont appelés stratifiés cuivrés haute fréquence. Dans le domaine de la 5G, le PTFE est également fréquemment utilisé pour la fabrication de câbles coaxiaux semi-flexibles, de câbles coaxiaux RF et de cartes d'antennes radar.

Énergie hydrogène

Dans le domaine de l'énergie hydrogène, le PTFE est principalement utilisé pour l'étanchéité des électrolyseurs alcalins et comme renfort pour les membranes échangeuses de protons dans les piles à combustible PEM et l'électrolyse de l'eau.

Dans les électrolyseurs alcalins, les joints d'étanchéité constituent l'élément principal et assurent à la fois l'étanchéité et l'isolation. Les fuites représentent un facteur important affectant la durée de vie et la sécurité de ces appareils. La résilience à la compression et le fluage des joints d'étanchéité sont des indicateurs essentiels de leurs performances. Les matériaux d'étanchéité utilisés pour les électrolyseurs alcalins en Chine ont connu plusieurs évolutions : feuilles de caoutchouc d'amiante → joints à membrane textile → joints chargés en PTFE. Actuellement, en Chine, les joints d'étanchéité les plus couramment utilisés pour les électrolyseurs sont principalement des joints chargés en PTFE. Le PTFE est chargé et modifié avec des charges de renforcement telles que la fibre de verre, l'alumine et le graphite, puis moulé et fritté pour former les joints d'étanchéité.

Médical

Le faible coefficient de frottement du PTFE le rend moins sujet à l'usure lors d'une utilisation prolongée dans le corps, réduisant ainsi les complications liées à l'usure. De plus, il empêche le sang et les autres fluides corporels de se déposer à sa surface, diminuant le risque de thrombose. C'est pourquoi il est un matériau de revêtement couramment utilisé pour divers dispositifs médicaux, tels que les cathéters et les stents. Ce revêtement permet de réduire le frottement lors des mouvements du dispositif à l'intérieur du corps et de limiter le risque de lésions tissulaires.

Le PTFE est souple, facile à modeler et offre des résultats d'implantation naturels, ce qui le rend idéal pour la chirurgie plastique. Ses performances sont supérieures à celles du silicone traditionnel. L'utilisation du PTFE permet d'obtenir d'excellents résultats postopératoires : des implants radio-opaques, stables et d'aspect naturel. Ses applications les plus courantes concernent les implants nasaux, maxillaires ou la reconstruction d'autres tissus mous. Il peut également être utilisé pour le traitement des rides du visage, l'augmentation des lèvres, la réparation des tissus mous endommagés ou comme matériau de soutien.

Tolérances et capacités d'usinage CNC Getzshape

Getzshape propose des services d'usinage CNC sur mesure de haute qualité, de fabrication de tôlerie, d'usinage par électroérosion, de fonderie sous pression et bien plus encore. Nos capacités d'usinage CNC pour l'acier inoxydable sont détaillées ci-dessous.