Lavorazione del PTFE (Teflon): proprietà, fabbricazione e applicazione.

Il politetrafluoroetilene, o Teflon, è una delle più importanti materie plastiche ingegneristiche ad alte prestazioni. È noto per la sua eccellente combinazione di proprietà, tra cui l'elevata resistenza alle alte temperature e la forte resistenza alla corrosione chimica. Questo articolo fornisce un'introduzione alle proprietà di base del PTFE, comprese le sue caratteristiche, i metodi di lavorazione e le sue principali applicazioni.

Introduzione alla plastica PTFE

Il politetrafluoroetilene (PTFE), meglio conosciuto come Teflon, è un composto ad alto peso molecolare prodotto dalla polimerizzazione del tetrafluoroetilene. La sua formula strutturale è [CF₂-CF₂]ₙ. È un materiale chimico di grande importanza. Il PTFE offre un'eccellente resistenza alle alte temperature, alla corrosione e all'invecchiamento. È inoltre resistente all'acqua, antiaderente e autolubrificante, con eccezionali proprietà dielettriche e un coefficiente di attrito estremamente basso. Viene comunemente utilizzato come plastica tecnica o rivestimento e può essere trasformato in tubi, barre, nastri, fogli, pellicole e altri prodotti in PTFE.

Proprietà del PTFE

Proprietà meccaniche e fisiche

Il PTFE ha una densità relativamente elevata, che varia da 2.14 a 2.20. Assorbe pochissima acqua, con un tasso di assorbimento d'acqua all'equilibrio inferiore allo 0.01%. Il PTFE è resistente ma non elastico. L'attrazione intermolecolare tra le sue grandi molecole è debole, quindi ha solo una moderata resistenza alla trazione e una bassa durezza. Si deforma sotto stress prolungato, ma ha un elevato allungamento a rottura.

La temperatura ha un effetto significativo sul comportamento sforzo-deformazione del PTFE. All'aumentare della temperatura, il valore del limite elastico E diminuisce. Quando il PTFE viene compresso istantaneamente da una forza esterna, la deformazione a compressione aumenta con l'aumentare dello sforzo. Sotto carico costante, con il passare del tempo, la deformazione del PTFE continua ad aumentare per poi tendere a stabilizzarsi. Questa deformazione crescente è chiamata proprietà di scorrimento a freddo del PTFE, ed è causata anche dalla debole attrazione intermolecolare tra le molecole di PTFE.

La deformazione viscosa del PTFE varia in funzione della sollecitazione di compressione, della temperatura e della cristallinità. Maggiore è la temperatura, maggiore è la deformazione viscosa. Quando la cristallinità del PTFE è compresa tra il 55% e l'80%, la deformazione viscosa non supera il 2%. Quando la cristallinità è inferiore al 55% o superiore all'80%, la deformazione viscosa aumenta rapidamente.

Poiché l'attrazione intermolecolare del PTFE è bassa, anche l'attrazione tra le molecole superficiali e le altre molecole è molto ridotta. Pertanto, il PTFE presenta un coefficiente di attrito molto basso e un'eccellente lubrificazione. A causa della bassa attrazione intermolecolare, il PTFE ha una bassa durezza e si usura facilmente a contatto con altri materiali. Tuttavia, se il materiale di accoppiamento presenta un'adeguata rugosità superficiale, l'usura del PTFE può essere significativamente ridotta. In genere, quando l'irregolarità superficiale è compresa tra 0.1 e 0.4 μm, l'usura del PTFE è minimizzata. L'essenza di questo fenomeno risiede nel fatto che, durante la rotazione o lo scorrimento, la superficie del materiale di accoppiamento si ricopre di un sottile film di PTFE a causa dell'usura, trasformando l'attrito tra due materiali diversi in attrito tra il PTFE e se stesso. Grazie all'eccellente proprietà autolubrificante del PTFE e al suo coefficiente di attrito estremamente basso, l'usura è minima.

Quantità di usura relativa del PTFE rispetto a diversi materiali di accoppiamento (prendendo come riferimento l'usura dell'acciaio al carbonio pari a 1)

Proprietà termali

La stabilità termica del PTFE è eccezionale tra tutte le materie plastiche tecniche. Ciò è dovuto all'elevatissima energia del legame carbonio-fluoro nelle macromolecole di PTFE, e al fatto che la catena carbonio-carbonio è circondata da atomi di fluoro, il che rende difficile l'attacco da parte di altri atomi (come l'ossigeno). Sebbene tracce di prodotti di decomposizione inizino a comparire a 200 °C, la velocità di decomposizione è estremamente lenta da 200 °C fino al punto di fusione, e la quantità di prodotti di decomposizione è minima. Dopo un mese di riscaldamento a 200 °C, la quantità di prodotti di decomposizione è inferiore a 2 parti per milione, un valore pressoché trascurabile. Una decomposizione significativa si verifica solo al di sopra dei 400 °C, con una perdita di peso di circa lo 0.01% all'ora.

A 250 °C, la resistenza alla trazione del PTFE è ancora di circa 5 MPa, ovvero circa 1/5 del suo valore a temperatura ambiente. Al di sotto di 0 °C, con il continuo abbassamento della temperatura, la resistenza alla trazione del PTFE aumenta mentre l'allungamento diminuisce. Al di sotto di -75 °C, l'allungamento raggiunge un valore minimo di circa il 3% e si mantiene a tale valore fino a -250 °C. Pertanto, il PTFE non diventa fragile nemmeno a temperature ultra-basse di -250 °C e conserva un certo grado di flessibilità.

Il PTFE ha un intervallo di temperatura di esercizio molto ampio e può essere utilizzato in modo continuativo da -250 °C a 260 °C.

Proprietà elettriche

Il PTFE è un materiale altamente non polare con eccellenti proprietà dielettriche. La sua caratteristica principale è che al di sopra di 0 °C le sue proprietà dielettriche non cambiano con la frequenza o la temperatura e non sono influenzate dall'umidità o dai gas corrosivi.

La resistività volumetrica del PTFE è superiore a 10¹⁷ Ω·cm e la resistività superficiale è superiore a 10¹⁶ Ω, il valore più alto tra tutte le materie plastiche tecniche. Poiché il PTFE non assorbe acqua, anche dopo una prolungata immersione in acqua, la sua resistività volumetrica non subisce diminuzioni significative. Anche in aria con umidità relativa del 100%, la sua resistività superficiale rimane invariata.

Il PTFE possiede un'eccellente resistenza all'arco elettrico. In caso di scariche superficiali ad alta tensione, non provoca cortocircuiti dovuti a carbonizzazione o a residui di sostanze conduttive. Si decompone invece solo in fluorocarburi a basso peso molecolare che si volatilizzano, mantenendo così un buon isolamento elettrico e una buona resistenza all'arco elettrico.

Resistenza chimica

Il PTFE possiede un'eccellente stabilità chimica. Ciò è dovuto al fatto che, nella molecola di PTFE, lo scheletro di carbonio, facilmente attaccabile chimicamente, è strettamente circondato da uno strato di atomi di fluoro fortemente legati, rendendo la catena principale del polimero pressoché immune all'erosione da parte di qualsiasi sostanza chimica. Molte sostanze chimiche altamente corrosive e fortemente ossidanti, come acido cloridrico concentrato, acido fluoridrico, acido solforico, acido nitrico, cloro, anidride solforica, idrossido di sodio e acidi organici, non hanno quasi alcun effetto sul PTFE. Solo i metalli alcalini fusi possono rimuovere gli atomi di fluoro dalle molecole di PTFE, formando fluoruri e conferendo alla superficie una colorazione marrone scuro.

Modifiche delle proprietà del PTFE dopo l'immersione in sostanze chimiche

Altre proprietà

In ambienti atmosferici, poiché le molecole di PTFE non presentano gruppi fotosensibili e l'ozono non può reagire con esso, la sua resistenza all'invecchiamento atmosferico è eccezionale. Anche dopo una prolungata esposizione all'atmosfera, la superficie rimane inalterata. Durante la lavorazione del PTFE per la produzione di manufatti, non è necessario aggiungere agenti anti-invecchiamento o stabilizzanti.

Anche la resistenza alla fiamma del PTFE è eccezionale, con un indice di ossigeno che raggiunge il 95%. Persino senza l'aggiunta di ritardanti di fiamma, la sua resistenza alla fiamma può raggiungere il livello UL94 V-0.

Un'altra importante caratteristica del PTFE è la sua capacità di non aderire. L'energia libera superficiale del PTFE è molto bassa, pari a soli 0.019 N/m, la più bassa tra i materiali solidi conosciuti. Pertanto, quasi tutti i materiali solidi non riescono ad aderire alla sua superficie. Solo i liquidi con una tensione superficiale inferiore a 0.02 N/m (come etere, esano ed etere di petrolio) possono bagnarlo completamente.

Come trasformare il PTFE in componenti

I principali metodi di formatura del PTFE includono lo stampaggio a compressione, lo stampaggio per estrusione e la lavorazione CNC.

Stampaggio a compressione

Il metodo di sinterizzazione libera prevede il riempimento uniforme di uno stampo con polvere di PTFE, la preformatura a temperatura ambiente sotto una pressione di 10-100 MPa in una pressa e il successivo inserimento del preformato in un forno di riscaldamento. La temperatura viene innalzata a 360-380 °C a una determinata velocità per la sinterizzazione. Dopo che l'intero preformato è stato sinterizzato uniformemente, la temperatura del forno viene abbassata a temperatura ambiente a una velocità controllata per ottenere il prodotto finito. Questo metodo non impone alcun vincolo al materiale sinterizzato durante il processo, pertanto viene definito metodo di sinterizzazione libera. Il tempo di mantenimento per la sinterizzazione libera varia generalmente da pochi minuti a diverse decine di minuti, con l'eliminazione completa dei vuoti come obiettivo standard. La quantità di vuoti può essere verificata misurando la densità del prodotto. Maggiore è la densità, minore è il contenuto di vuoti. Una pressione e una temperatura più elevate comportano una densità maggiore.

La velocità di riscaldamento durante la sinterizzazione è generalmente controllata tra 25 e 60 °C all'ora. Maggiore è la dimensione del preformato, minore deve essere la velocità di riscaldamento. Il tempo di sinterizzazione è determinato dal momento in cui il prodotto diventa trasparente o traslucido e varia in base alle sue dimensioni. Generalmente, per uno spessore del prodotto di 1 mm, il tempo di sinterizzazione è di 5-8 minuti. La velocità di raffreddamento influisce direttamente sulla cristallinità e sulle proprietà fisico-meccaniche del prodotto. Per i prodotti di piccole dimensioni, la velocità di raffreddamento può essere controllata tra 50 e 150 °C/ora. Per i prodotti di grandi dimensioni, la velocità di raffreddamento non deve superare i 50 °C/ora.

Rispetto alla sinterizzazione libera, il metodo di stampaggio a compressione a caldo richiede una pressatura secondaria in un secondo stampo durante la sinterizzazione successiva alla preformatura. La pressatura secondaria deve essere eseguita il prima possibile, prima che la preforma si raffreddi fino al punto di fusione. Il tasso di espansione della preforma nella direzione di pressatura è di circa il 25%, e del 6%-10% nella direzione verticale. Pertanto, lo stampo secondario deve essere progettato leggermente più grande dello stampo primario.

La pressatura secondaria prevede l'applicazione di pressione durante il raffreddamento, pertanto presenta una velocità di raffreddamento più elevata rispetto alla sinterizzazione libera. Il prodotto ha una cristallinità inferiore, una migliore resistenza alla fatica da flessione e una maggiore tenacità, ma anche maggiori tensioni residue. Pertanto, è generalmente necessario un post-trattamento a 120-125 °C.

Le prestazioni dei prodotti ottenuti mediante stampaggio a compressione a caldo dipendono principalmente dalla pressione secondaria. Una pressione secondaria più elevata garantisce prestazioni migliori, ma una pressione eccessivamente alta aumenta le bave e causa perdite di materiale. Generalmente, la pressione secondaria viene mantenuta tra 10 e 20 MPa.

Estrusione

Lo stampaggio per estrusione del PTFE si differenzia dall'estrusione dei termoplastici comuni. Il cilindro della macchina non viene riscaldato. La vite serve unicamente a trasportare e spingere la materia prima. Il materiale passa attraverso la testa di un estrusore monovite a doppia filettatura, passo e profondità costanti, per poi entrare nella filiera di sinterizzazione e raffreddamento. Grazie alla contropressione generata da un dispositivo di contropressione, il PTFE viene trasformato in tubi a parete spessa, barre e altri profili speciali.

Rivestimento in teflon/rivestimento in PTFE

Il PTFE può essere applicato mediante spruzzatura per formare rivestimenti e guaine. Il processo di spruzzatura comprende principalmente il trattamento del substrato, la spruzzatura e la sinterizzazione. I principali materiali di substrato sono acciaio, ghisa, alluminio, leghe di alluminio, ceramica e vetro. Il rame e le leghe di rame sono più difficili da spruzzare, mentre stagno, zinco e piombo non possono essere spruzzati. Per garantire una spruzzatura uniforme e un rivestimento resistente, tutte le aree ad angolo retto sul substrato devono essere smussate, con un raggio di smusso raccomandato di 3-10 mm. Prima della spruzzatura, la superficie del substrato deve essere sgrassata e irruvidita. Lo sgrassamento può essere effettuato mediante sgrassatura ad alta temperatura a 380 °C o spruzzatura a vapore ad alta pressione. L'irruvidimento viene generalmente effettuato mediante sabbiatura.

Lavorazione CNC del PTFE

Il politetrafluoroetilene (PTFE) presenta bassa resistenza meccanica, bassa durezza, scarsa conducibilità termica e un elevato coefficiente di dilatazione termica. Durante la lavorazione CNC del PTFE, è necessario selezionare utensili appropriati, determinare parametri di taglio adeguati, considerare un sovrametallo di lavorazione appropriato e garantire un raffreddamento sufficiente (solitamente ad aria compressa) in base alle proprietà del materiale, alle condizioni di lavorazione e ai requisiti di qualità. In questo modo, è possibile ottenere un'elevata qualità e precisione di lavorazione.

Tornitura CNC PTFE

Durante la tornitura CNC del PTFE, le dimensioni del diametro esterno, l'ovalizzazione interna ed esterna e le variazioni di conicità interna ed esterna sono relativamente ampie e irregolari. Pertanto, durante la tornitura, è opportuno utilizzare un angolo di spoglia maggiore nella sgrossatura per ridurre la forza di taglio e prevenire la deformazione elastica del pezzo. Nella fase di finitura, è possibile utilizzare un angolo di spoglia minore per migliorare la dissipazione del calore dell'utensile e ridurre la temperatura di taglio.

Foratura CNC in PTFE

Il problema principale nella foratura CNC del PTFE è come rimuovere i trucioli in tempo. Solitamente si adottano le seguenti misure:

• Utilizzare punte con angoli di elica ridotti e scanalature per la rimozione dei trucioli per facilitarne l'asportazione.
• Riduci al minimo la velocità di foratura. Seleziona una velocità di avanzamento inferiore, garantendo al contempo un'elevata efficienza di foratura, e utilizza più retrazioni per assicurare una rapida rimozione dei trucioli, migliorando così la qualità della superficie e la precisione della lavorazione.

In genere, dopo l'affilatura, l'angolo di elica della punta è di circa 10°–15°, l'angolo di spoglia è di 9°–20° e l'angolo di punta è di 60°–120°. La velocità di foratura non dipende solo dal materiale da forare, ma anche dalle dimensioni e dalla profondità del foro. Per i trapani manuali, 900 giri/min offrono il miglior risultato, mentre per i trapani da banco fissi, 2100 giri/min con una velocità di avanzamento di 1.3 mm/s garantiscono i risultati migliori.

Fresatura CNC PTFE

Quando si fresa il PTFE con una macchina CNC, l'angolo di spoglia della fresa deve essere maggiore di quello utilizzato per la fresatura del metallo, generalmente maggiore di 6° (6°–15°). Anche l'angolo di spoglia deve essere maggiore di quello per Fresatura CNC del metallo, generalmente superiore a 10° (15°–30°). La velocità di taglio durante la fresatura deve essere controllata tra 180 e 300 mm/min, l'avanzamento per giro tra 0.05 e 0.13 mm/giro e la profondità di taglio intorno a 0.1 mm/s. La rugosità superficiale diminuisce al diminuire della velocità di avanzamento. In produzione, si raccomanda la fresatura laterale per evitare di bruciare il pezzo. Per la sgrossatura, si dovrebbero selezionare frese a denti dritti con elevata resistenza e semplicità di fabbricazione. Per la finitura, si dovrebbero selezionare frese a denti spezzati con minore resistenza ma maggiore spazio per il truciolo.

Applicazioni dei componenti lavorati in PTFE

Comunicazioni 5G

I laminati FR4 rivestiti in rame, comunemente utilizzati nel settore delle telecomunicazioni, impiegano resina epossidica come materiale di supporto, ma presentano elevate perdite e non sono adatti alle comunicazioni ad alta frequenza.

Il 5G richiede laminati rivestiti in rame ad alta frequenza con bassa costante dielettrica e basso fattore di perdita dielettrica. La resina PTFE è attualmente il materiale polimerico con la costante dielettrica più bassa. Le sue proprietà dielettriche e la sua perdita dielettrica soddisfano i requisiti delle stazioni base di comunicazione 5G. Pertanto, il PTFE viene gradualmente utilizzato nelle comunicazioni ad alta frequenza come il 5G, nell'industria aerospaziale e in quella militare. I laminati rivestiti in rame realizzati con questo materiale sono chiamati laminati rivestiti in rame ad alta frequenza. Nel campo del 5G, il PTFE viene spesso utilizzato anche per la produzione di cavi coassiali semiflessibili, cavi coassiali RF e schede per antenne radar.

Energia idrogeno

Nel campo dell'energia a idrogeno, il PTFE viene utilizzato principalmente per la sigillatura degli elettrolizzatori alcalini e come rinforzo per le membrane a scambio protonico nelle celle a combustibile PEM e nell'elettrolisi dell'acqua.

Negli elettrolizzatori alcalini, le guarnizioni di tenuta rappresentano il componente principale e svolgono sia la funzione di tenuta che quella di isolamento. Le perdite sono uno dei fattori più importanti che influenzano la durata e la sicurezza degli elettrolizzatori alcalini. La resilienza alla compressione e il rilassamento viscoso delle guarnizioni di tenuta sono indicatori importanti per la valutazione delle loro prestazioni. I materiali di tenuta per elettrolizzatori alcalini di produzione nazionale hanno subito diverse evoluzioni: da fogli di gomma amianto a guarnizioni a diaframma in tessuto, fino a guarnizioni riempite di PTFE. Attualmente, le guarnizioni di tenuta per elettrolizzatori più comunemente utilizzate in Cina sono principalmente quelle riempite di PTFE. Il PTFE viene riempito e modificato con materiali di rinforzo come fibra di vetro, allumina e grafite, quindi stampato e sinterizzato per formare le guarnizioni di tenuta.

Medicale

Il basso attrito del PTFE lo rende meno soggetto all'usura durante l'uso prolungato all'interno del corpo, riducendo così le complicazioni causate dall'usura stessa. Allo stesso tempo, impedisce la formazione di depositi di sangue e altri fluidi corporei sulla sua superficie, riducendo il rischio di trombosi. Questo lo rende un materiale di rivestimento molto diffuso per diversi dispositivi medici, come cateteri e stent. Tale rivestimento può ridurre l'attrito durante il movimento del dispositivo all'interno del corpo e diminuire il rischio di danni ai tessuti.

Il PTFE è morbido, facile da modellare e garantisce risultati di impianto naturali, il che lo rende adatto alla chirurgia plastica. I suoi effetti sono superiori a quelli della tradizionale gomma siliconica. L'utilizzo del PTFE consente di ottenere ottimi risultati post-operatori, radiopachi, stabili e dall'aspetto naturale. Le applicazioni più comuni riguardano gli impianti per il naso, la mandibola o altre ricostruzioni dei tessuti molli. Può essere utilizzato anche per la rimozione delle rughe del viso, l'aumento delle labbra, la riparazione di tessuti molli danneggiati o come materiale di supporto.

Tolleranze e capacità di lavorazione CNC di Getzshape

Getzshape offre lavorazioni CNC personalizzate di alta qualità, lavorazione della lamiera, elettroerosione, pressofusione e altro ancora. Le nostre capacità di lavorazione CNC per l'acciaio inossidabile sono elencate di seguito.