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Elring PTFE

Eigenschaften und Anwendungen eines außergewöhnlichen Werkstoffes

Das teilkristalline PTFE wird durch Polymerisation aus dem monomeren TFE gewonnen. Die dabei entstehenden Makromoleküle haben einen linearen Aufbau.
Der Kettenaufbau von PTFE weist zwei interessante Besonderheiten auf:
  1. Die Kohlenstoff-Fluorverbindung stellt eine der stärksten Bindungen in der organischen Chemie dar (Dissoziationsenergie 460 KJ/MOL).
  2. die Kohlenstoffkette ist nahezu vollständig mit Fluoratomen abgedeckt und damit vor äußeren Einflüssen geschützt. Daraus resultiert die außergewöhnlich hohe chemische Beständigkeit von PTFE.

Physikalische und chemische Eigenschaften von ungefülltem PTFE

Die Besonderheit dieses Werkstoffes ist die unter Kunststoffen einmalige Konzentration herausragender Eigenschaften:

Ein außergewöhnlich breiter thermischer Anwendungsbereich von minus 260 °C bis plus 300 °C (kurzzeitig)
Nahezu universelle chemische Beständigkeit
Licht- und witterungsbeständig
Beständig gegen Heißwasserdampf
Sehr gute Gleiteigenschaften
Antiadhäsives Verhalten
Nicht brennbar
Gute elektrische und dielektrische Eigenschaften
Keinerlei Wasseraufnahme
Physiologisch unbedenklich (Lebensmittelzulassung nach BGVV und FDA)

Die mehr oder weniger nachteiligen Eigenschaften von ungefülltem PTFE sind:

  • Das Kaltflußverhalten
  • Die verhältnismäßig geringe Verschleißfestigkeit
  • Die geringe Beständigkeit gegen energiereiche Strahlung
  • Das schlechte Klebeverhalten von PTFE
  • PTFE ist nicht spritzbar.


PTFE Faltenbälge
Komplettkolben

PTFE-Compounds

Das Einmischen von Füllstoffen in PTFE geschieht aus folgenden Gründen:

Die Verschleißfestigkeit wird um ein Vielfaches erhöht.
Der Widerstand gegen Kriechen oder Deformation unter Belastung erhöht sich auf ein Mehrfaches.
In Abhängigkeit vom Füllstoff kann sich die Wärmeleitfähigkeit auf ein Vielfaches erhöhen.
Die Wärmeausdehnung wird verringert.
Bei Bedarf können durch entsprechende Füllstoffauswahl die elektrischen Eigenschaften von PTFE geändert werden.
Außerdem beeinflußt die Wahl des Füllstoffes auch das Verschleißverhalten des Gegenlaufpartners.


Einfluß der Füllstoffe auf die Eigenschaften und Anwendungen

Thermische Eigenschaften

Temperatureinsatzgrenzen einiger Fluorkunststoffe

Schmelzbereiche:
PTFE 320-340 °C
PFA 300-310 °C
FEP 260-290 °C
ETFE 265-278 °C
PVDF 170-180 °C
Thermische Belastbarkeit
Die thermische Belastbarkeit von PTFE reicht von minus 260°C bis plus 300°C
(z.B. keine Versprödung in siedendem Helium bei -269°C). Dieser Temperaturbereich wird von keinem anderen handelsüblichen Kunststoff erreicht. Die Dauergebrauchstemperaturen richten sich jedoch nach den jeweils vorliegenden Beanspruchungen. Das bedeutet in der Praxis, daß PTFE bei mäßiger mechanischer Beanspruchung von minus 200 °C bis plus 260°C eingesetzt werden kann.

Wärmeausdehnung

Bei der Konstruktion von Bauteilen aus PTFE ist auf die verhältnismäßig hohe Wärmeausdehnung von PTFE zu achten:
20-100 °C: = 16 · 10-5 1/K
20-200 °C: = 23 · 10-5 1/K

Bei der Aufzeichnung des linearen Ausdehnungskoeffizienten sind zwei Bereiche auffallend:

  • Bei 19 °C findet eine Umwandlung im Kristallgitter statt (<19 °C triklin, >19 °C hexagonal).
  • Bei ca. 327 °C findet man eine noch stärkere Unstetigkeit, den Kristallschmelzpunkt.

Hinweis:

  • Bei exakten Messungen eng tolerierter Bauteile aus PTFE ist deshalb unbedingt eine Meßtemperatur größer 19 °C vorzusehen.
  • In der Regel haben PTFE-Compounds eine geringere Wärmeausdehnung. Die Abhängigkeit zwischen Temperatur und Wärmedehnung ist hier dargestellt.

Relative Längenänderung von PTFE in
Abhängigkeit von der Temperatur		 Linearer Ausdehnungskoeffizient von PTFE
in Abhängigkeit von der Temperatur

Chemisches und physikalisches Verhalten

Wasseraufnahme

Die Wasseraufnahme von PTFE ist praktisch gleich null. Auch nach langen Einlagerungen in Wasser kann nach DIN 53472/8.2 keine Wasseraufnahme festgestellt werden.

Physiologische Eigenschaften

Ungefülltes PTFE ist physiologisch neutral. Es wurde in vielen Fällen in lebendes Gewebe implantiert, ohne daß eine Unverträglichkeit festgestellt werden konnte.
FDA- und BGA-Zulassung kann dokumentiert werden. Einsatz daher sowohl im Medizin- als auch im Lebensmittelbereich zulässig.
Sehr positiv weist sich in diesem Zusammenhang die Beständigkeit gegen Heißdampf aus, so daß PTFE-Teile im medizinischen Einsatzbereich, der Pharma- oder Lebensmittelindustrie gut sterilisiert werden können.

Gleitverhalten

Die sehr niedrigen zwischenmolekularen Kräfte führen u.a. dazu, daß PTFE von allen festen Werkstoffen die niedrigste Reibungszahl besitzt. Bei PTFE ist die statische und dynamische Reibungszahl nahezu gleich. Daher tritt kein »Stick-Slip-Effekt« auf. Selbst bei Temperaturen unterhalb von 0 °C bleiben diese günstigen Gleiteigenschaften erhalten.
Ab 20 °C nimmt die Reibungszahl von PTFE geringfügig zu. Die Modifizierung von PTFE mit Füllstoffen verändert die Reibungszahl nur unwesentlich.

Chemische Beständigkeit

Bedingt durch die starke Fluor-Kohlenstoffbindung und die nahezu vollständige Abschirmung der C-Atome durch Fluor verfügt PTFE über eine nahezu universelle Chemikalienbeständigkeit.
  • Weder Lösungsmittel wie Alkohole, Ester, Ketone noch aggressive Säuren (wie rauchende Schwefel- oder Salpetersäure, Flußsäure o.a.) verändern die Eigenschaften von PTFE.
  • Lediglich beim Einsatz in Kältemitteln (Frigene) wird eine reversible Gewichtszunahme zwischen 4 und 10% gemessen.
  • Eine geringe chemische Reaktion (Braunfärbung) von PTFE tritt nur mit geschmolzenen Alkalimetallen ein.
  • Bei höheren Temperaturen und Drücken reagiert PTFE mit elementarem Fluor- und Chlortrifluorit.

Aus diesen Gründen erübrigen sich bei PTFE umfangreiche Tabellen oder Beständigkeitslisten.

Licht- und Witterungsbeständigkeit

PTFE zeichnet sich durch eine hervorragende Licht- und Witterungsbeständigkeit aus.
PTFE kann deshalb ohne Einschränkung für den Außeneinsatz unter extremen Witterungsbedingungen verwendet werden, ohne daß dadurch nennenswerte Veränderungen der mechanischen oder elektrischen Eigenschaften auftreten.

Reibungszahlen PTFE/Perlitguß bei Trockenlauf
(p = 0,2 N/mm2, T = 30°C, Rt Perlitguß <1,5 µm)
.
Gleitgeschwindigkeit
PTFE-Typ v = 0,5m/s v = 1,0 m/s
PTFE + ungefüllt 0,25 0,27
PTFE + 15 % Glasfasern 0,15 0,15
PTFE + 25 % Glasfasern 0,15 0,15
PTFE + 15 % Grafit 0,14 0,14
PTFE + 25 % Kohle 0,22 0,21
PTFE + 60 % Bronze 0,20 0,22

Physikalische Eigenschaften von PTFE
im Vergleich mit Fluorthermoplasten
Werkstoff
 PTFE FEP PFA PCTFE PVDF
Eigenschaften Prüfmethode Einheit .
Dichte 23 °C DIN 53479 g/cm3 2,15-2,19 2,12-2,17 2,12-2,17 2,10-2,20 1,76-1,78
Reißfestigkeit 23 °C DIN 53455 N/mm2 22-40 18-25 27-29 30-38 38-50
Reißdehnung 23 °C DIN 53455 % 250-500 250-350 300 80-200 30-40
Kugeldruckhärte 23 °C DIN 53456 N/mm2 23-32 23-28 25-30 30 65
Steckgrenze 23 °C DIN 53455 N/mm2 10 12 14 40 46
Zug-E-Modul 23 °C DIN 53457 N/mm2 400-800 350-700 650 1000-2000 800-1800
Biege-E-Modul 23 °C DIN 53457 N/mm2 600-800 660-680 650-700 1200-1500 1200-1400
Grenz-Biegespannung 23 °C DIN 53452 N/mm2 18-20   15 52-63 55
Shorehärte D 23 °C DIN 53505   55-72 55-60 60-65 70-80 73-85
Schmelztemperatur .  ASTM 2116 °C 327 253-282 300-310 185-210 165-178
Dauergebrauchstemp.
ohne Belastung		 .  . °C 260 205 260 150 150
Wärmeausdehnungs-
koeffizient 10-5		 .  DIN 52328 K-1 10-16 8-14 10-16 4-8 8-12
Wärmeleitfähigkeit 23 °C DIN 52612 W/K · m 0,25 0,2 0,22 0,19 0,17
Spezifische Wärme 23 °C   KJ/kg · K 1,01 1,17 1,09 0,92 1,38
Sauerstoffindex . . % >95 >95 >95 >95 >43
Wasseraufnahme . DIN 53495 % <0,01 <0,01 <0,03 <0,01 <0,03

Verschleißverhalten

Die Verschleißfestigkeit von reinem PTFE ist relativ gering. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die PTFE-Teilchen nicht in einer echten Schmelze verbunden sind, sondern beim Sinterprozeß mehr oder weniger mechanisch verbunden werden.
Eine wesentliche Verbesserung der Verschleißfestigkeit wird durch Füllstoffe wie z.B. Kohle, Grafit, Glasfasern, Bronze oder organische Füllstoffe erreicht.
Gegenüber dem mineralisch bzw. metallisch gefüllten PTFE besitzen die neu entwickelten Spezialcompounds HS 21029, HS 21037 und HS 17100 auch im absoluten Trockenlauf ein deutlich verbessertes Abriebverhalten und eine sehr geringe Einlaufneigung auf der Gegenlauffläche, selbst bei ungehärteten Oberflächen. Die Gleitreibungszahl der jeweiligen Laufpaarung spielt beim Abriebverhalten keine entscheidende Rolle. Vielmehr ist der Verschleiß von den Einsatzbedingungen (Medium, Druck, Geschwindigkeit, Temperatur, Schmierung) abhängig. Da kein PTFE-Compound alle Anforderungen erfüllen kann, muß für den jeweiligen Einsatzfall die am besten geeignete PTFE-Type ermittelt werden.
Abrieb von ungefülltem PTFE im Vergleich mit verschiedenen PTFE-Compounds

Prüfparameter:

Prüfatmospähre: Luft
T=100°C
v=4 m/s
p=0,42 N/mm2
Rz= 2 µm
Prüfdauer: 100 h

Adhäsionsverhalten

Die Adhäsion von reinem PTFE ist sehr gering (antiadhäsiv), was auf die Abschirmung der Kohlenstoffkette durch die Fluoratome und deren geringe Polarisierbarkeit zurückzuführen ist. Dadurch läßt sich PTFE nur schwer benetzen (Kontaktwinkel mit Wasser 126°).
Auch für PTFE-Compounds gilt im Prinzip diese Eigenschaft.

Vorteil:

  • Bei Auskleidungen bzw. Ummantelungen von Bauteilen keine Haftung der Medien.

Nachteil:

  • Durch die schlechte Benetzbarkeit ist ein Verkleben von PTFE in diesem Zustand nicht möglich.

Verklebbarkeit /Verschweißbarkeit

Geringe zwischenmolekulare Kräfte und die geringe Polarisierbarkeit der Fluoratome sind die Ursache für die schlechte Verklebbarkeit von PTFE. Voraussetzung zur Verklebung ist deshalb eine chemische Vorbehandlung der Oberfläche z.B. durch in Ammoniak gelöstes Natrium. Eine weitere Verbindungsmöglichkeit ist das sogenannte »Verschweissen«. Als Bindeglied zwischen den beiden PTFE-Flächen wird hierbei ein Schmelzkleber aus PFA oder FEP verwendet.

Vorteil: PTFE-Oberfläche muß nicht geätzt werden.
Nachteil: Die Verschweißung erfolgt nur bei sehr hohen Temperaturen 300-330 °C
(= Kristallitschmelztemperatur von PTFE).

Elektrische Eigenschaften

In nachfolgender Tabelle sind einige elektrische Kenngrößen von Fluorkunststoffen zusammengefaßt.

Werkstoff . .
Eigenschaften Prüfmethode Einheit PTFE
Dielektrizitätskonstante DIN 53483 103 Hz
106 Hz 		2,1
2,1
Dielektrischer Verlustfaktor DIN 53483 103 Hz·10-4
106 Hz·10-4
 0,3
0,7
Spezifischer Widerstand DIN 53482 · cm 1018
Oberflächenwiderstand DIN 53482 1017
Kriechstromfestigkeit DIN 53480 . KA 3c
Durchschlagsfestigkeit DIN 53481 KV/mm 40-80
Lichtbogenfestigkeit ASTM 495 sec. >360

Bemerkenswert ist, daß der spezifische Durchgangswiderstand von PTFE bis ca. 150 °C nahezu konstant bleibt.
Besonders interessant ist weiterhin die niedrige Dielektrizitätskonstante und der geringe dielektrische Verlustfaktor von PTFE.
Die Durchschlagfestigkeit beträgt bei einer porenfreien PTFE-Folie mit einer Dicke von 0,2 mm ca. 60 KV.


Deformation unter Last von PTFE
und PTFE-Compounds

Für den häufigeren Belastungsfall, die Druckbelastung, können die Kennwerte den folgenden Diagrammen entnommen werden. Man erkennt hier eindeutig die geringere Verformung der PTFE-Compounds mit 25 % Kohle bzw. 60 % Bronzefüllstoff, sowie der modifizierten Typen.

Deformation unter Last nach ASTM D621
(15 N/mm2, 100 h, 23 °C,
gepreßter Probekörper: Ø 10 mm, 10 mm hoch)


Kaltflußeigenschaften

PTFE hat die Eigenschaft, unter kontstanter Zug- oder Druckbelastung bereits bei Raumtemperatur auszuweichen – zu fließen. Diese Eigenschaft ist abhängig von der ausgeübten Druck- oder Zugspannung, der Belastungszeit und der Temperatur.
Aufgrund dieser Eigenschaften werden mechanisch höher beanspruchte PTFE-Teile entweder gekammert, und damit am Ausweichen gehindert, oder PTFE-Compounds mit deutlich verbesserten Druckstandsfestigkeiten eingesetzt.

Brennbarkeit

Brandtechnische Prüfungen weisen aus, daß Fluorpolymere von allen Kunststoffen am schwierigsten zu entflammen sind. Nur im Bereich einer Fremdflamme entzünden sich die gasförmigen Zersetzungsprodukte. Nach Entfernen der Zündflamme hört der Brennvorgang sofort auf. Die nach ASTM D 1929 an PTFE-Halbzeugen gemessenen Zündtemperaturen liegen im Bereich von 500 bis 560°C, der LOI-Index (Sauerstoffindex) beträgt 95%.

Preßsintern

PTFE-Pulver wird in ein zylindrisches Werkzeug gegeben und anschließend unter großem Druck verdichtet. Wichtig dabei ist, daß die in dem Werkzeug eingeschlossene Luft nahezu vollständig entweichen kann. Das Verpressen des Pulvers geschieht auf hydraulischen Pressen mit einer Geschwindigkeits-, Druck- und Zeitsteuerung. Nach dem Pressen werden die Vorformlinge in elektrisch beheizten Umluftöfen nach festgelegten Programmen gesintert. Dabei sind Preß- und Sinterparameter auf den jeweiligen PTFE-Compound abzustimmen, um optimale Werkstoffeigenschaften zu gewährleisten.

Deformation unter Last von PTFE und PTFE-Compounds

Prüftemperatur: 23 °C
Prüfdauer: 100 h


Energiereiche Strahlung

PTFE zählt nicht zu den strahlungsbeständigen Kunststoffen.
PTFE sollte daher nicht in strahlengefährdeten Räumen eingesetzt werden.
Eine extrem hohe Strahlungsdosis kann zur Zersetzung von PTFE führen. Dabei entsteht gasförmiges Tetrafluoräthylen.

  • Bei einer aufgenommenen Strahlungsdosis von 102 J/kg beginnen sich die Polymereigenschaften zu ändern.
  • Bei einer Strahlungsdosis von 5 · 104 J/kg:
    • Abnahme der Zugfestigkeit um 50-90 %.
    • Abnahme der Bruchdehnung um > 90 %

Verarbeitung

Die Verarbeitung von PTFE ist schwieriger als bei den üblichen Thermoplasten.
Bei hoher Temperatur (340-380 °C) wird PTFE lediglich hochviskos, so daß Spritzgießen oder gewöhnliches Extrudieren nicht möglich ist. Halbzeuge werden deshalb durch Preßsintern oder Ramextrusion hergestellt. 		Ramextrusion

Die Ramextrusion ist ein Preßverfahren, das die Herstellung endloser Profile ermöglicht. Dabei wird das Granulat über eine Dosiervorrichtung in ein zylindrisches Extrusionsrohr geleitet, mit einem hydraulisch betätigten Stempel verdichtet und im Rohr durch eine auf Sintertemperatur beheizte Zone befördert.
In der Sinterzone »schmelzen« die einzelnen Dosierchargen zu einem Endlosprofil zusammen.


Elring Produkte aus PTFE

Zusammenfassung
Aufgrund der außergewöhnlichen Eigenschaften bietet PTFE bzw. seine Compounds den Konstrukteuren neue Aspekte zur technischen Problemlösung.
PTFE eignet sich aufgrund seiner ungewöhnlichen Eigenschaften als Spezialkunststoff für viele Einsatzgebiete.
  • Dichtungs- und Gleitelemente im Maschinen- und Kraftfahrzeugbau,
  • Korrosionsschutz in der chemischen Industrie,
  • Isolierwerkstoff für die Elektronik und Elektrotechnik,
  • für Ummantelungen und Beschichtungen von Kolben, Heizelementen, Walzen, Membranen etc.,
  • als Implantate in der Medizin wird PTFE ebenso verwendet wie im medizinischen Apparatebau,
  • Einsatz von PTFE-Erzeugnissen in der Lebensmittelindustrie,
  • als PTFE-Schlauch in der chemischen, pharmazeutischen und Kfz-Industrie.

PTFE-Teile können trotz höherer Werkstoffkosten im Vergleich zu den bekannten Massenkunststoffen die kostengünstigere Alternative sein.

Der Einsatz von PTFE bringt bei kritischen Anwendungen höhere Standzeiten, mehr Sicherheit, verbesserte Funktionen, und bietet Ihnen damit zusätzlich Wettbewerbsvorteile auf schwierigen Märkten.



Innovationen aus Kunststoff – seit mehr als 40 Jahren sind wir mit Dichtungen und Konstruktionselementen einer der Technologieführer. Für unsere Kunden auf der ganzen Welt entwickeln und produzieren wir praxisgerechte Lösungen: aus PTFE bzw. PTFE-Compounds, Duroplasten und anderen Hochleistungs-Kunststoffen sowie PTFE-Verbundteile mit Kunststoffen oder Metallen. Als individuelle Einzellösung oder aus einem breiten Lieferprogramm an Standardbaureihen. Unsere Produkte sind in nahezu allen Industriezweigen und in der Medizin im Einsatz. Jetzt können wir Ihnen durch den Zusammenschluss mit Venus und die Integration des Venus-Lieferprogramms eines der breitesten PTFE-Verarbeitungsangebote weltweit bieten. Mit noch mehr Kompetenz für Gesamtlösungen vom Halbzeug bis zur individuellen Funktionslösung. Mit noch mehr Service, mehr Flexibilität und Ihren gewohnten Ansprechpartnern. Gemeinsam machen wir für Sie das Beste aus Kunststoff. PTFE spielt dabei eine Schlüsselrolle – ein Werkstoff mit einzigartigen technischen Eigenschaften, selbst bei extremen Bedingungen.