Usinagem de PTFE (Teflon): Propriedades, Fabricação e Aplicações

O politetrafluoroetileno, ou Teflon, é um dos plásticos de engenharia de alto desempenho mais importantes. É conhecido pela sua excelente combinação de propriedades, incluindo alta resistência à temperatura e forte resistência à corrosão química. Este artigo apresenta uma introdução às propriedades básicas do PTFE, incluindo suas propriedades, métodos de processamento e suas principais aplicações.

Introdução ao plástico PTFE

O politetrafluoroetileno (PTFE), mais conhecido como Teflon, é um composto de alto peso molecular produzido pela polimerização do tetrafluoroetileno. Sua fórmula estrutural é [CF₂-CF₂]ₙ. É um importante material químico. O PTFE oferece excelente resistência a altas temperaturas, corrosão e envelhecimento. Também é resistente à água, antiaderente e autolubrificante, com propriedades dielétricas excepcionais e um coeficiente de atrito extremamente baixo. É comumente usado como plástico de engenharia ou revestimento e pode ser transformado em tubos, barras, fitas, folhas, filmes e outros produtos de PTFE.

Propriedades do PTFE

Propriedades Mecânicas e Físicas

O PTFE possui uma densidade relativamente alta, variando de 2.14 a 2.20. Ele praticamente não absorve água, com uma taxa de absorção de água em equilíbrio inferior a 0.01%. O PTFE é resistente, mas não possui resiliência. A atração intermolecular entre suas grandes moléculas é pequena, resultando em uma resistência à tração apenas moderada e baixa dureza. Ele se deforma sob tensão prolongada, mas apresenta um alto alongamento na ruptura.

A temperatura tem um efeito significativo no comportamento tensão-deformação do PTFE. Com o aumento da temperatura, o valor do limite elástico (E) diminui. Quando o PTFE é comprimido instantaneamente por uma força externa, a deformação por compressão aumenta com o aumento da tensão. Sob carga sustentada, com o passar do tempo, a deformação do PTFE continua a aumentar e, em seguida, tende a se estabilizar. Esse aumento de deformação é chamado de propriedade de escoamento a frio do PTFE, que também é causado pela pequena atração intermolecular entre as moléculas de PTFE.

A fluência do PTFE varia com a tensão de compressão, a temperatura e a cristalinidade. Quanto maior a temperatura, maior a fluência. Quando a cristalinidade do PTFE está entre 55% e 80%, a fluência não ultrapassa 2%. Quando a cristalinidade está abaixo de 55% ou acima de 80%, a fluência aumenta rapidamente.

Devido à pequena atração intermolecular do PTFE, a atração entre as moléculas da superfície também é muito pequena. Portanto, o PTFE possui um coeficiente de atrito muito baixo e apresenta excelente lubricidade. Devido à baixa atração intermolecular, o PTFE tem baixa dureza e é facilmente desgastado por outros materiais. No entanto, desde que o material de contato apresente uma rugosidade superficial adequada, o desgaste do PTFE pode ser significativamente reduzido. Normalmente, quando a irregularidade da superfície está entre 0.1 e 0.4 μm, o desgaste do PTFE é minimizado. A essência desse fenômeno é que, durante a rotação ou o deslizamento, a superfície do material de contato fica revestida por uma fina película de PTFE devido ao desgaste, transformando o atrito entre os dois materiais em atrito entre o PTFE e si mesmo. Devido à excelente propriedade autolubrificante do PTFE e ao seu coeficiente de atrito extremamente baixo, a quantidade de desgaste é muito pequena.

Quantidade relativa de desgaste do PTFE em relação a diferentes materiais de acoplamento (considerando o desgaste do aço carbono como 1)

Propriedades térmicas

A estabilidade térmica do PTFE é extremamente notável entre todos os plásticos de engenharia. Isso ocorre porque a energia da ligação carbono-flúor nas macromoléculas de PTFE é muito alta, e a cadeia carbono-carbono é circundada por átomos de flúor, dificultando o ataque de outros átomos (como o oxigênio). Embora traços de produtos de decomposição comecem a aparecer a 200 °C, a taxa de decomposição é extremamente lenta de 200 °C até o ponto de fusão, e a quantidade de decomposição é muito pequena. Após aquecimento a 200 °C por um mês, a quantidade de decomposição é inferior a 2 partes por milhão, o que é quase insignificante. A decomposição significativa ocorre apenas acima de 400 °C, com uma perda de peso de cerca de 0.01% por hora.

A 250 °C, a resistência à tração do PTFE ainda é de cerca de 5 MPa, o que corresponde a aproximadamente 1/5 do seu valor à temperatura ambiente. Abaixo de 0 °C, à medida que a temperatura continua a diminuir, a resistência à tração do PTFE aumenta enquanto o alongamento diminui. Abaixo de -75 °C, o alongamento atinge um valor mínimo de cerca de 3% e permanece nesse valor até -250 °C. Portanto, o PTFE não se torna quebradiço mesmo em temperaturas ultrabaixas de -250 °C e ainda mantém um certo grau de flexibilidade.

O PTFE possui uma faixa de temperatura de serviço muito ampla e pode ser usado continuamente de -250°C a 260°C.

Propriedades Elétricas

O PTFE é um material altamente apolar com excelentes propriedades dielétricas. Sua característica mais marcante é que, acima de 0°C, suas propriedades dielétricas não se alteram com a frequência ou a temperatura, e não são afetadas pela umidade ou por gases corrosivos.

A resistividade volumétrica do PTFE é superior a 10¹⁷ Ω·cm e a resistividade superficial é superior a 10¹⁶ Ω, sendo a mais alta entre todos os plásticos de engenharia. Como o PTFE não absorve água, mesmo após imersão prolongada em água, sua resistividade volumétrica não apresenta diminuição significativa. Em ar com 100% de umidade relativa, sua resistividade superficial também permanece inalterada.

O PTFE possui excelente resistência ao arco elétrico. Quando ocorre uma descarga superficial de alta tensão, não causa curto-circuito devido à carbonização ou a substâncias condutoras residuais. Em vez disso, decompõe-se apenas em fluorocarbonos de baixo peso molecular que volatilizaram, mantendo assim um bom isolamento elétrico e resistência ao arco elétrico.

Resistência química

O PTFE possui excelente estabilidade química. Isso ocorre porque, na molécula de PTFE, a cadeia principal de carbono, que é facilmente atacada quimicamente, é fortemente envolvida por uma camada de átomos de flúor fortemente ligados, tornando a cadeia principal do polímero praticamente imune à erosão por qualquer substância química. Muitos produtos químicos altamente corrosivos e fortemente oxidantes, como ácido clorídrico concentrado, ácido fluorídrico, ácido sulfúrico, ácido nítrico, cloro, trióxido de enxofre, hidróxido de sódio e ácidos orgânicos, praticamente não o afetam. Somente metais alcalinos fundidos podem remover átomos de flúor das moléculas de PTFE para formar fluoretos, tornando a superfície marrom-escura.

Alterações nas propriedades do PTFE após imersão em produtos químicos

Outras propriedades

Em ambientes atmosféricos, como as moléculas de PTFE não possuem grupos fotossensíveis e o ozônio não reage com elas, sua resistência ao envelhecimento atmosférico é excepcional. Mesmo após exposição prolongada à atmosfera, a superfície permanece inalterada. No processamento do PTFE para a fabricação de produtos, não é necessário adicionar agentes antienvelhecimento ou estabilizantes.

A resistência à chama do PTFE também é excepcional, com um índice de oxigênio de até 95%. Mesmo sem o uso de retardantes de chama, sua resistência à chama atinge o nível UL94 V-0.

A propriedade antiaderente é outra característica importante do PTFE. A energia livre superficial do PTFE é muito baixa, apenas 0.019 N/m, a menor entre os materiais sólidos conhecidos. Portanto, quase todos os materiais sólidos não conseguem aderir à sua superfície. Somente líquidos com tensão superficial inferior a 0.02 N/m (como éter, hexano e éter de petróleo) conseguem molhá-lo completamente.

Como processar PTFE em componentes

Os principais métodos de conformação do PTFE incluem moldagem por compressão, moldagem por extrusão e usinagem CNC.

Moldagem por compressão

O método de sinterização livre consiste em preencher uniformemente um molde com pó de PTFE, pré-formá-lo à temperatura ambiente sob uma pressão de 10 a 100 MPa em uma prensa e, em seguida, colocar a pré-forma em um forno de aquecimento. A temperatura é elevada a 360–380 °C a uma taxa controlada para a sinterização. Após a sinterização uniforme de toda a pré-forma, a temperatura do forno é reduzida à temperatura ambiente a uma taxa controlada para obter o produto final. Este método não impõe restrições ao material sinterizado durante o processo, sendo por isso denominado método de sinterização livre. O tempo de permanência na sinterização livre geralmente varia de alguns minutos a dezenas de minutos, tendo como padrão a completa eliminação de vazios. A quantidade de vazios pode ser verificada medindo-se a densidade do produto. Quanto maior a densidade, menor o teor de vazios. Pressões e temperaturas mais elevadas resultam em maior densidade.

A taxa de aquecimento para sinterização é geralmente controlada entre 25 e 60 °C por hora. Quanto maior a pré-forma, menor deve ser a taxa de aquecimento. O tempo de sinterização é determinado pelo momento em que o produto se torna transparente ou translúcido e varia de acordo com o tamanho do produto. Geralmente, para uma espessura de 1 mm, o tempo de sinterização é de 5 a 8 minutos. A taxa de resfriamento afeta diretamente a cristalinidade e as propriedades físico-mecânicas do produto. Para produtos pequenos, a taxa de resfriamento pode ser controlada entre 50 e 150 °C/hora. Para produtos grandes, a taxa de resfriamento não deve exceder 50 °C/hora.

Em comparação com a sinterização livre, o método de moldagem por compressão a quente requer uma prensagem secundária em um segundo molde durante a sinterização, após a pré-formação. A prensagem secundária deve ser realizada o mais rápido possível, antes que a pré-forma esfrie até o ponto de fusão. A taxa de expansão da pré-forma na direção da prensagem é de cerca de 25% e de 6% a 10% na direção vertical. Portanto, o molde secundário deve ser projetado com dimensões ligeiramente maiores que o molde primário.

A prensagem secundária envolve a aplicação de pressão durante o resfriamento, resultando em uma taxa de resfriamento mais rápida do que a sinterização livre. O produto apresenta menor cristalinidade, melhor resistência à fadiga por flexão e tenacidade, porém maior tensão residual. Portanto, geralmente é necessário um pós-tratamento a 120–125 °C.

O desempenho de produtos moldados por compressão a quente depende principalmente da pressão secundária. Uma pressão secundária mais alta proporciona melhor desempenho, mas uma pressão excessivamente alta aumenta o excesso de material e causa perda de material. Geralmente, essa pressão é controlada entre 10 e 20 MPa.

Moldagem por Extrusão

A moldagem por extrusão de PTFE difere da extrusão de termoplásticos comuns. O cilindro da máquina não é aquecido. A rosca serve apenas para transportar e empurrar a matéria-prima. O material passa pela cabeça de uma extrusora de rosca simples com rosca dupla, passo constante e profundidade constante, entrando então na matriz para sinterização e resfriamento. Com o auxílio da contrapressão fornecida por um dispositivo de contrapressão, o PTFE é moldado em tubos de paredes espessas, barras e outros perfis especiais.

Revestimento de Teflon/Revestimento de PTFE

O PTFE pode ser aplicado por pulverização para formar revestimentos e forros. O processo de pulverização inclui principalmente o tratamento do substrato, a pulverização e a sinterização. Os principais materiais de substrato são aço, ferro fundido, alumínio, ligas de alumínio, cerâmica e vidro. Cobre e ligas de cobre são mais difíceis de pulverizar, enquanto estanho, zinco e chumbo não podem ser pulverizados. Para garantir uma pulverização uniforme e um revestimento resistente, todas as áreas em ângulo reto no substrato devem ser chanfradas, com um raio de chanfro recomendado de 3 a 10 mm. Antes da pulverização, a superfície do substrato também deve ser desengordurada e rugosificada. A desengorduração pode ser feita por desengorduramento a alta temperatura a 380 °C ou por pulverização a vapor de alta pressão. O rugosificação geralmente é feita por jateamento de areia.

Usinagem CNC de PTFE

O politetrafluoroetileno (PTFE) apresenta baixa resistência, baixa dureza, baixa condutividade térmica e alto coeficiente de expansão térmica. Ao usinar PTFE por CNC, é necessário selecionar ferramentas adequadas, determinar parâmetros de corte razoáveis, considerar a sobremedida de usinagem apropriada e fornecer refrigeração suficiente (geralmente por ar comprimido), de acordo com as propriedades do material, as condições de processamento e os requisitos de qualidade. Dessa forma, é possível obter alta qualidade e precisão no processamento.

Torneamento CNC PTFE

Na usinagem CNC de PTFE, as dimensões do diâmetro externo, a ovalização interna e externa e as variações de conicidade interna e externa são relativamente grandes e irregulares. Portanto, durante a usinagem, um ângulo de ataque maior deve ser usado no desbaste para reduzir a força de corte e evitar a deformação elástica da peça. No acabamento, um ângulo de ataque menor pode ser usado para melhorar a dissipação de calor da ferramenta e reduzir a temperatura de corte.

Perfuração CNC de PTFE

O maior problema na perfuração CNC de PTFE é como remover os cavacos a tempo. As seguintes medidas são geralmente tomadas:

• Utilize brocas com ângulos de hélice pequenos e canais de corte para facilitar a remoção de cavacos.
• Reduza a velocidade de perfuração ao máximo. Selecione uma taxa de avanço menor, garantindo a eficiência da perfuração, e utilize retrações múltiplas para assegurar a remoção oportuna dos cavacos, melhorando assim a qualidade da superfície e a precisão da usinagem.

Geralmente, após a afiação, o ângulo da hélice da broca fica entre 10° e 15°, o ângulo de folga entre 9° e 20° e o ângulo da ponta entre 60° e 120°. A velocidade de perfuração depende não só do material a ser perfurado, mas também do diâmetro e da profundidade do furo. Para furadeiras manuais, 900 rpm proporciona o melhor resultado, enquanto para furadeiras de bancada fixas, 2100 rpm com uma taxa de avanço de 1.3 mm/s oferece os melhores resultados.

Fresagem CNC PTFE

Ao fresar PTFE por CNC, o ângulo de ataque da fresa deve ser maior do que o usado para fresar metal, geralmente maior que 6° (6°–15°). O ângulo de folga também deve ser maior do que o usado para fresar metal. Fresagem CNC de metal, geralmente superior a 10° (15°–30°). A velocidade de corte durante a fresagem deve ser controlada entre 180–300 mm/min, o avanço por revolução deve ser de 0.05–0.13 mm/r e a profundidade de corte deve ser de cerca de 0.1 mm/s. A rugosidade da superfície diminui à medida que a taxa de avanço diminui. Na produção, recomenda-se a fresagem lateral para evitar a queima da peça. Para desbaste, devem ser selecionadas fresas de desbaste com dentes retos, de alta resistência e fabricação simples. Para acabamento, devem ser selecionadas fresas de desbaste com dentes quebrados, de menor resistência, mas com maior espaço para cavacos.

Aplicações de componentes usinados em PTFE

Comunicações 5G

Os laminados FR4 revestidos de cobre, comumente usados ​​na indústria de comunicações, utilizam resina epóxi como material de substrato, mas apresentam alta perda e não são adequados para comunicações de alta frequência.

A tecnologia 5G exige laminados revestidos de cobre de alta frequência com baixa constante dielétrica e baixo fator de perda dielétrica. A resina de PTFE é atualmente o material polimérico com a menor constante dielétrica. Suas propriedades dielétricas e perdas dielétricas atendem aos requisitos das estações base de comunicação 5G. Portanto, o PTFE está sendo gradualmente utilizado em comunicações de alta frequência, como 5G, aplicações aeroespaciais e militares. Os laminados revestidos de cobre fabricados com PTFE são chamados de laminados revestidos de cobre de alta frequência. No campo do 5G, o PTFE também é frequentemente usado na fabricação de cabos coaxiais semiflexíveis, cabos coaxiais de RF e placas de antenas de radar.

Energia de hidrogênio

No campo da energia de hidrogênio, o PTFE é usado principalmente para vedação de eletrolisadores alcalinos e como reforço para membranas de troca de prótons em células a combustível PEM e eletrólise da água.

Em eletrolisadores alcalinos, as juntas de vedação são o principal componente, desempenhando funções de vedação e isolamento. Vazamentos são um dos fatores importantes que afetam a vida útil e a segurança desses equipamentos. A resiliência à compressão e a fluência das juntas de vedação são indicadores importantes para avaliar seu desempenho. Os materiais de vedação para eletrolisadores alcalinos no mercado interno passaram por diversas transformações: folhas de borracha de amianto → juntas de tecido-diafragma → juntas preenchidas com PTFE. Atualmente, as juntas de vedação mais utilizadas em eletrolisadores na China são principalmente as preenchidas com PTFE. O PTFE é preenchido e modificado com cargas de reforço, como fibra de vidro, alumina e grafite, sendo então moldado e sinterizado para formar as juntas de vedação.

Produtos para uso Médico

O baixo atrito do PTFE torna-o menos propenso ao desgaste durante o uso prolongado no corpo, reduzindo assim as complicações causadas pelo desgaste. Ao mesmo tempo, dificulta a formação de depósitos de sangue e outros fluidos corporais em sua superfície, reduzindo o risco de trombose. Isso o torna um material de revestimento popular para diversos dispositivos médicos, como cateteres e stents. Esse revestimento pode reduzir o atrito quando o dispositivo se move dentro do corpo e diminuir o risco de danos aos tecidos.

O PTFE é macio, fácil de moldar e proporciona resultados de implantação naturais, tornando-o adequado para cirurgia plástica. Seus efeitos são superiores aos da borracha de silicone tradicional. O uso do PTFE permite alcançar bons resultados pós-operatórios, com materiais radiopacos, estáveis ​​e naturais. As aplicações mais comuns são implantes para o nariz, mandíbula ou reconstrução de outros tecidos moles. Também pode ser usado para remoção de rugas faciais, aumento labial, reparo de tecidos moles danificados ou como material de suporte.

Tolerâncias e capacidades de usinagem CNC da Getzshape

A Getzshape oferece usinagem CNC personalizada de alta qualidade, fabricação de chapas metálicas, eletroerosão, fundição sob pressão e muito mais. Nossas capacidades de usinagem CNC para aço inoxidável estão listadas abaixo.