테플론

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배경

테프론은 유용성이 높은 플라스틱 소재 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)의 등록된 상품명입니다. PTFE는 불소 수지로 알려진 플라스틱 종류 중 하나입니다. 중합체는 입자를 반복되는 큰 분자 그룹으로 결합하는 화학 반응에 의해 형성된 화합물입니다. 많은 일반적인 합성 섬유는 폴리에스터 및 나일론과 같은 폴리머입니다. PTFE는 테트라플루오로에틸렌의 중합된 형태입니다. PTFE는 많은 고유한 특성을 가지고 있어 여러 응용 분야에서 가치가 있습니다. 융점이 매우 높으며 매우 낮은 온도에서도 안정적입니다. 뜨거운 불소 가스나 특정 용탕만으로 녹일 수 있어 부식에 매우 강합니다. 또한 매우 미끄럽고 미끄럽습니다. 이는 열, 마모 및 마찰에 취약한 기계 부품의 코팅, 부식성 화학 물질에 내성이 필요한 실험실 장비, 조리기구 및 기구의 코팅에 탁월한 소재입니다. PTFE는 직물, 카페트 및 벽 덮개에 내오염성을 부여하고 옥외 표지판의 비바람에 견디는 데 사용됩니다. PTIZE는 전기전도도가 낮아 전기절연성이 좋습니다. 많은 데이터 통신 케이블을 절연하는 데 사용되며 반도체 제조에 필수적입니다. PTFE는 또한 혈관 이식편과 같은 다양한 의료 응용 분야에서 발견됩니다. PTFE 코팅된 유리 섬유 직물은 공항과 경기장의 지붕을 보호하는 역할을 합니다. PTFE는 양말을 짜기 위해 섬유에 포함될 수도 있습니다. PTFE의 낮은 마찰은 양말을 매우 매끄럽게 만들어 물집으로부터 발을 보호합니다.

연혁

PTFE는 1938년 다른 것을 찾던 젊은 과학자에 의해 우연히 발견되었습니다. Roy Plunkett은 E.I.의 화학자였습니다. du Pont de Nemours and Company(듀퐁). 그는 1936년에 오하이오 주립 대학에서 박사 학위를 받았고, 1938년에 테플론을 우연히 접했을 때 그의 나이는 아직 27세였습니다. Plunkett의 지역은 냉매였습니다. 1930년대 이전에 냉매로 사용되었던 많은 화학 물질은 위험할 정도로 폭발적이었습니다. Du Pont과 General Motors는 냉매 114라고 하는 프레온의 한 형태인 새로운 유형의 비가연성 냉매를 개발했습니다. 냉매 114는 General Motor의 Frigidaire 부서와 독점 계약을 맺었으며 당시에는 다른 제조업체에 판매할 수 없었습니다. . Plunkett은 Frigidaire의 특허 통제를 우회할 다른 형태의 냉매 114를 고안하려고 노력했습니다. 냉매 114의 기술명은 테트라플루오로디클로로에탄이었다. Plunkett은 염산을 테트라플루오로에틸렌(TFE)이라고 하는 화합물과 반응시켜 유사한 냉매를 만들기를 희망했습니다. TFE 자체는 잘 알려지지 않은 물질이었고 Plunkett은 그의 첫 번째 작업이 이 가스를 대량으로 만드는 것이라고 결정했습니다. 화학자는 자신의 모든 화학 테스트와 독성 테스트를 위한 충분한 가스를 확보하기 위해 100파운드의 가스를 만드는 것이 낫다고 생각했습니다. 그는 오늘날 헤어 스프레이와 같은 가압 스프레이에 상업적으로 사용되는 캔과 마찬가지로 밸브 릴리스가 있는 금속 캔에 가스를 저장했습니다. Plunkett은 TFE 가스를 식히고 액화하기 위해 드라이아이스에 캔을 보관했습니다. 그의 냉매 실험을 위해 Plunkett과 그의 조수는 TFE 가스를 캔에서 가열된 챔버로 방출해야 했습니다. 1938년 4월 6일 아침, Plunkett은 캔에서 가스를 꺼낼 수 없음을 발견했습니다. Plunkett와 그의 조수는 그 가스가 하룻밤 사이에 흰색의 박편 같은 가루로 변했다는 것을 신비롭게 여겼습니다. TFE가 중합되었습니다.

중합은 분자가 긴 끈으로 결합하는 화학적 과정입니다. 가장 잘 알려진 폴리머 중 하나는 나일론으로 Du Pont의 연구원들도 발견했습니다. 고분자 과학은 1930년대에 아직 초기 단계였습니다. Plunkett은 TFE가 중합할 수 없다고 믿었지만 어쨌든 그렇게 했습니다. 그는 이상한 흰색 플레이크를 듀폰의 중앙 연구 부서로 보냈고, 그곳에서 화학자 팀이 물질을 분석했습니다. 중합된 TFE는 이상하게도 불활성이었습니다. 다른 화학 물질과 반응하지 않고 전류에 저항하며 매우 부드럽고 매끄럽습니다. Plunkett은 TFE 가스가 어떻게 우연히 중합되었는지 알아낼 수 있었고 중합된 물질인 폴리테트라플루오로에틸렌 또는 PTFE에 대한 특허를 받았습니다.

PTFE는 처음에 생산하는 데 비용이 많이 들었고 그 가치는 Plunkett이나 Du Pont의 다른 과학자들에게 명확하지 않았습니다. 그러나 그것은 원자 폭탄이 개발되는 2차 세계 대전에서 사용되었습니다. 폭탄을 만들기 위해서는 과학자들이 다량의 부식성 및 독성 물질인 육불화우라늄을 처리해야 했습니다. Du Pont은 육불화우라늄의 극도의 부식 작용에 저항하는 PTFE 코팅 개스킷과 라이너를 제공했습니다. Du Pont은 또한 전쟁 중에 특정 폭탄의 노즈 콘을 만들기 위해 PTFE를 사용했습니다. Du Pont은 1944년 특허 물질에 대해 상표명 Teflon을 등록했으며 전쟁 후에도 더 저렴하고 효과적인 제조 기술을 개발하기 위해 노력했습니다. Du Pont은 1950년 웨스트 버지니아의 Parkersburg에 테플론 생산을 위한 첫 번째 공장을 세웠습니다. 이 회사는 종전 후 기계가공된 금속 부품용 코팅제로 테플론을 판매했습니다. 1960년대에 Du Pont은 테프론 코팅 조리기구를 판매하기 시작했습니다. 매끄러운 테프론 코팅으로 그을린 음식에도 달라붙지 않아 팬 청소가 쉬웠습니다. 이 회사는 다양한 다른 용도로도 테플론을 판매했습니다. 이후 수십 년 동안 다른 관련 플루오로폴리머가 개발 및 판매되었으며 그 중 일부는 PTFE보다 처리하기가 더 쉽습니다. Du Pont은 1985년에 특수 용제에 용해되는 Teflon AF라는 또 다른 Teflon 변종을 등록했습니다.

원자재

PTFE는 화합물 테트라플루오로에틸렌 또는 TFE에서 중합됩니다. 붙지 않는 팬은 다양한 붙지 않는 레이어로 구성됩니다. TFE는 형석, 불산 및 클로로포름에서 합성됩니다. 이러한 성분은 열분해로 알려진 작용인 고열 하에서 결합됩니다. TFE는 무색, 무취, 무독성 가스이지만 매우 가연성입니다. 낮은 온도와 압력에서 액체로 저장됩니다. 가연성 TFE를 운반하는 것이 어렵기 때문에 PTFE 제조업체도 현장에서 자체 TFE를 제조합니다. 중합 공정은 개시제로 매우 적은 양의 다른 화학 물질을 사용합니다. 암모늄 퍼설페이트 또는 디숙신산 퍼옥사이드를 비롯한 다양한 개시제가 사용될 수 있다. 중합 공정의 또 다른 필수 성분은 물입니다.

제조
프로세스

PTFE는 최종 제품에 필요한 특정 특성에 따라 다양한 방법으로 생산할 수 있습니다. 프로세스의 많은 세부 사항은 제조업체의 독점 비밀입니다. PTFE를 생산하는 두 가지 주요 방법이 있습니다. 하나는 현탁 중합입니다. 이 방법에서 TFE는 물에서 중합되어 PTFE 입자가 생성됩니다. 곡물은 성형할 수 있는 펠릿으로 추가 가공될 수 있습니다. 분산 방법에서 생성된 PTFE는 미세 분말로 가공될 수 있는 유백색 페이스트입니다. 페이스트와 분말 모두 코팅 응용 분야에 사용됩니다.

TFE 만들기

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1 PTFE 제조업체는 TFE 합성부터 시작합니다. TFE, 형석, 불화수소산 및 클로로포름의 세 가지 성분은 590-900°C(1094-1652°F)로 가열된 화학 반응 챔버에서 결합됩니다. 생성된 가스를 냉각하고 증류하여 불순물을 제거합니다.

테플론 콘은 다양한 조리기구에 사용됩니다.

현탁 중합

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2 반응 챔버는 정제수와 폴리머 형성을 시작하는 화학물질인 반응제 또는 개시제로 채워져 있습니다. 액체 TFE는 반응 챔버로 파이프됩니다. TFE가 개시제를 만나면서 중합을 시작합니다. 결과 PTFE는 물 표면에 떠 있는 고체 입자를 형성합니다. 이것이 일어나면서 반응 챔버가 기계적으로 흔들립니다. 챔버 내부의 화학 반응은 열을 발산하므로 외부 주변의 재킷에 찬물이나 다른 냉각수의 순환에 의해 챔버가 냉각됩니다. 챔버 내부의 특정 무게에 도달하면 컨트롤이 자동으로 TFE 공급을 차단합니다. 물이 챔버 밖으로 배출되어 강판 코코넛처럼 보이는 실 같은 PTFE가 엉망으로 남습니다.

3 다음으로 PTFE는 건조되어 분쇄기에 공급됩니다. 밀은 회전하는 칼날로 PTFE를 분쇄하여 밀가루와 같은 농도의 재료를 생산합니다. 이 미세한 분말은 성형하기 어렵습니다. 그것은 자동 장비에서 쉽게 처리될 수 없다는 것을 의미하는 "불량한 흐름"을 가지고 있습니다. 체로 쳐지지 않은 밀가루처럼 덩어리와 공기 주머니가 모두 있을 수 있습니다. 따라서 제조업체는 이 미세 분말을 응집이라고 하는 과정을 통해 더 큰 과립으로 변환합니다. 이것은 여러 가지 방법으로 수행할 수 있습니다. 한 가지 방법은 PTFE 분말을 아세톤과 같은 용매와 혼합하고 회전 드럼에서 회전시키는 것입니다. PTFE 입자는 서로 달라붙어 작은 알갱이를 형성합니다. 그런 다음 펠릿을 오븐에서 건조합니다.

4 PTFE 펠릿은 다양한 기술을 사용하여 부품으로 성형할 수 있습니다. 그러나 PTFE는 PTFE의 고체 실린더인 소위 빌릿으로 미리 성형되어 대량으로 판매될 수 있습니다. 빌릿의 높이는 1.5m(5피트)일 수 있습니다. 이들은 추가 성형을 위해 시트 또는 더 작은 블록으로 절단될 수 있습니다. 빌릿을 형성하기 위해 PTFE 펠릿을 원통형 스테인리스 스틸 몰드에 붓습니다. 금형은 가중 램이 장착된 대형 캐비닛과 같은 유압 프레스에 로드됩니다. 램이 주형으로 떨어지고 PTFE에 힘을 가합니다. 일정 시간이 지나면 프레스에서 금형이 제거되고 PTFE가 성형되지 않습니다. 휴지시킨 다음 소결이라고 하는 최종 단계를 위해 오븐에 넣습니다.

5 성형된 PTFE를 소결 오븐에서 몇 시간 동안 가열하여 서서히 온도가 약 360°C(680°F)에 도달할 때까지 가열합니다. 이것은 PTFE의 융점보다 높습니다. PTFE 입자가 합쳐지고 재료가 젤처럼 됩니다. 그런 다음 PTFE를 점차적으로 냉각시킵니다. 완성된 빌릿은 추가 처리를 위해 더 작은 조각으로 자르거나 면도할 고객에게 배송될 수 있습니다.

분산 중합

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6 PTFE를 분산법으로 중합하면 미세한 분말 또는 페이스트상 물질이 생성되어 코팅 및 마감재에 더욱 유용합니다. TFE는 개시 화학물질과 함께 물로 채워진 반응기에 도입됩니다. 현탁 과정에서처럼 격렬하게 흔드는 대신 반응 챔버는 부드럽게만 교반됩니다. PTFE는 작은 비드로 형성됩니다. 일부 물은 여과하거나 PTFE 비드를 침전시키는 화학 물질을 추가하여 제거됩니다. 그 결과 PTFE 분산이라는 유백색 물질이 생성됩니다. 특히 패브릭 마감재와 같은 응용 분야에서 액체로 사용할 수 있습니다. 또는 금속을 코팅하는 데 사용되는 미세한 분말로 건조될 수 있습니다.

붙지 않는 조리기구

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7 PTFE의 가장 일반적이고 눈에 띄는 용도 중 하나는 붙지 않는 냄비와 팬에 코팅하는 것입니다. 팬은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 만들어져야 합니다. 팬 표면은 PTFE를 받기 위해 특별히 준비되어야 합니다. 먼저 팬을 세제로 씻고 물로 헹구어 모든 기름을 제거합니다. 그런 다음 에칭이라고 하는 과정에서 팬을 따뜻한 염산 수조에 담근다. 에칭은 금속 표면을 거칠게 합니다. 그런 다음 팬을 물로 헹구고 질산에 다시 담그십시오. 마지막으로 탈이온수로 다시 세척하고 완전히 건조시킵니다.

8 이제 팬에 PTFE 분산액을 코팅할 준비가 되었습니다. 액체 코팅은 스프레이 또는 롤온될 수 있습니다. 코팅은 일반적으로 여러 층에 적용되며 프라이머로 시작할 수 있습니다. 프라이머의 정확한 구성은 제조업체가 보유한 독점 비밀입니다. 프라이머를 도포한 후 팬은 일반적으로 대류 오븐에서 몇 분 동안 건조됩니다. 그런 다음 건조 기간 없이 다음 두 층이 적용됩니다. 모든 코팅이 적용된 후 팬은 오븐에서 건조되고 소결됩니다. 소결은 빌릿을 마무리하는 데에도 사용되는 느린 가열입니다. 따라서 일반적으로 오븐에는 두 개의 영역이 있습니다. 첫 번째 영역에서 팬은 코팅의 물을 증발시킬 온도까지 천천히 가열됩니다. 물이 증발한 후 팬은 더 뜨거운 영역으로 이동하여 약 5분 동안 약 800°F(425°C)에서 팬을 소결합니다. 이것은 PTFE를 젤화합니다. 그런 다음 팬을 식힙니다. 냉각 후 최종 조립 단계와 포장 및 배송 준비가 완료됩니다.

품질 관리

품질 관리 조치는 기본 PTFE 제조 시설과 코팅과 같은 추가 처리 단계가 수행되는 공장 모두에서 이루어집니다. 1차 제조 시설에서는 표준 산업 절차를 따라 성분의 순도, 온도의 정확성 등을 결정합니다. 최종 제품은 표준에 대한 적합성을 테스트합니다. 분산 PTFE의 경우 분산의 점도와 비중이 테스트됨을 의미합니다. 다른 테스트도 수행할 수 있습니다. Teflon은 상표가 있는 제품이기 때문에 Teflon PTFE로 만든 부품 또는 제품에 브랜드 이름을 사용하려는 제조업체는 Du Pont에서 정한 품질 관리 지침을 따라야 합니다. 예를 들어, 붙지 않는 조리기구 제조업체의 경우 조리기구 제조업체는 Du Pont의 품질 인증 프로그램을 준수하여 PTFE 코팅의 두께와 베이킹 온도를 모니터링하고 각 교대 근무 중에 여러 번 접착 테스트를 수행해야 합니다.

부산물/폐기물

PTFE 자체는 독성이 없지만 제조 시 독성 부산물이 생성됩니다. 여기에는 불산과 이산화탄소가 포함됩니다. PTFE가 가열되는 동안 또는 소결 후 냉각될 때 작업 영역은 가스 노출을 방지하기 위해 적절하게 환기되어야 합니다. 의사들은 PTFE 제조의 기체 부산물을 흡입한 작업자가 겪는 고분자 흄열이라는 특정 질병을 기록했습니다. 또한 작업자는 PTFE 부품을 공구로 사용할 때 PTFE 먼지를 흡입하지 않도록 보호해야 합니다.

제조 과정에서 발생하는 일부 폐기물은 재사용할 수 있습니다. PTFE는 처음에 생산하는 데 매우 비쌌기 때문에 제조업체는 스크랩 재료를 사용하는 방법을 찾는 데 큰 인센티브를 받았습니다. 제조 과정에서 발생하는 폐기물이나 부스러기를 세척하여 미세한 분말로 만들 수 있습니다. 이 분말은 성형에 사용하거나 특정 윤활유, 오일 및 잉크에 첨가제로 사용할 수 있습니다.

사용된 PTFE 부품은 고온에서 연소하면 염화수소 및 기타 독성 물질이 방출되기 때문에 소각되지 않은 매립지에 매립해야 합니다. 2001년에 발표된 한 연구에서는 PTFE가 환경에서도 식물에 유독한 한 물질로 분해된다고 주장했습니다. 이것은 트리플루오로아세테이트 또는 TFA입니다. 현재 환경에서 TFA의 수준은 낮지만 물질은 오랫동안 지속됩니다. 따라서 TFA 오염은 미래에 대한 우려가 될 수 있습니다.

자세히 알아보기

책

에브네사자드, 시나. 불소수지. Norwich, NY:플라스틱 디자인 라이브러리, 2000년.

정기간행물

프리델, 로버트, 앨런 필론. "우연한 발명가." 발견 (1996년 10월):58.

Gorman, J. "환경이 달라붙지 않는 코팅으로 막혀 있습니다." 과학 뉴스 (2001년 7월 21일):36.

안젤라 우드워드