Descubrimiento del teflón

El teflón o politetrafluoroetileno (PTFE) es un fluoropolímero sintético de tetrafluoroetileno que tiene numerosas aplicaciones. El conocido nombre de marca de las fórmulas basadas en PTFE es Teflón de Chemours. Chemours fue un spin-off de DuPont, que originalmente descubrió el compuesto en 1938. Otra marca popular de PTFE es Syncolon de Synco Chemical Corporation.

El PTFE es un sólido de fluorocarbono, ya que es un compuesto de alto peso molecular que consiste en su totalidad en carbono y flúor. El PTFE es hidrofóbico: ni el agua ni las sustancias que la contienen mojan el PTFE, ya que los fluorocarbonos demuestran la mitigación de las fuerzas de dispersión de London debido a la alta electronegatividad del flúor. El PTFE tiene uno de los coeficientes de fricción más bajos de cualquier sólido.

Diagrama que muestra la estructura de la molécula de teflón.
Diagrama que muestra la estructura de la molécula de teflón

Historia del descubrimiento del teflón

EL teflon fue descubierto accidentalmente el 6 de abril de 1938 por Roy J. Plunkett y su técnico asistente Jack Rebok mientras trabajaban en Nueva Jersey para DuPont. Mientras Plunkett intentaba fabricar un nuevo refrigerante de clorofluorocarbono, el gas tetrafluoroetileno de su botella a presión dejó de fluir antes de que el peso de la botella hubiera bajado hasta el punto que indicaba “vacío”. Como Plunkett estaba midiendo la cantidad de gas utilizado pesando la botella, sintió curiosidad por conocer la fuente del peso, y finalmente recurrió a aserrar la botella. Encontró el interior de la botella cubierto con un material blanco ceroso que era extrañamente resbaladizo.

Plunkett y colaboradores extrayendo el perfluoroetileno polimerizado del tanque
Plunkett y colaboradores extrayendo el perfluoroetileno polimerizado del tanque

Los análisis posteriores mostraron que era perfluoroetileno polimerizado, y que el hierro del interior del recipiente había actuado como catalizador a alta presión. Kinetic Chemicals patentó el nuevo plástico fluorado (análogo al ya conocido polietileno) el 4 de febrero de 1941, y registró la marca de Teflón en 1945.

Roy J. Plunkett, descubridor del teflón o PTFE
Roy J. Plunkett, descubridor del teflón o PTFE

Primeros usos del teflón

En 1948, DuPont, que fundó Kinetic Chemicals en asociación con General Motors, producía más de dos millones de libras (900 toneladas) de PTFE de la marca Teflón por año en Parkersburg, West Virginia. Uno de los primeros usos fue en el Proyecto Manhattan como material para revestir válvulas y sellos en las tuberías que contienen hexafluoruro de uranio altamente reactivo en la vasta planta de enriquecimiento de uranio K-25 en Oak Ridge, Tennessee.

El teflón llega a la cocina

En 1954, Collette Grégoire, la esposa del ingeniero francés Marc Grégoire, le instó a probar el material que había estado utilizando en los aparejos de pesca en sus sartenes. Posteriormente, creó las primeras cacerolas antiadherentes recubiertas de PTFE bajo la marca Tefal (combinando “Tef” de “Teflón” y “al” de aluminio). En los Estados Unidos, Marion A. Trozzolo, que había estado utilizando la sustancia en utensilios científicos, comercializó la primera cacerola recubierta de PTFE de fabricación estadounidense, “The Happy Pan”, en 1961. Desde entonces, los utensilios de cocina antiadherentes se han convertido en un producto doméstico común, que hoy en día ofrecen cientos de fabricantes en todo el mundo.

Anuncio de la Sartén Feliz, una sartén recubierta de teflón de los años 60
Anuncio de la Sartén Feliz, una sartén recubierta de teflón de los años 60

En la década de 1990, se descubrió que el teflón podía ser reticulado por radiación por encima de su punto de fusión en un ambiente libre de oxígeno. El procesamiento de haces de electrones es un ejemplo de procesamiento de radiación. El PTFE reticulado ha mejorado las propiedades mecánicas a alta temperatura y la estabilidad de la radiación. Esto fue significativo porque, durante muchos años, la irradiación en condiciones ambientales se ha utilizado para descomponer el PTFE para su reciclaje. Esta escisión en cadena inducida por la radiación permite que sea más fácil volver a molerlo y reutilizarlo.

Síntesis y producción del teflón

El PTFE o teflón se produce mediante la polimerización de los radicales libres del tetrafluoroetileno. La ecuación neta es

Sintesis teflón

Dado que el tetrafluoroetileno puede descomponerse explosivamente en tetrafluorometano y carbono, se requiere un montaje especial para la polimerización a fin de evitar los puntos calientes que podrían iniciar esta peligrosa reacción lateral. El proceso se inicia típicamente con el persulfato, que se homoliza para generar radicales de sulfato:

Sintesis teflón 2

El polímero resultante se termina con grupos de éster de sulfato, que pueden ser hidrolizados para dar grupos finales de OH.

Debido a que el PTFE es poco soluble en casi todos los disolventes, la polimerización se lleva a cabo como una emulsión en agua. Este proceso da una suspensión de partículas de polímero. Alternativamente, la polimerización se lleva a cabo utilizando un surfactante como el PFOS (ácido Perfluorooctanoico).

Propiedades físicas y químicas

El PTFE es un polímero termoplástico, que es un sólido blanco a temperatura ambiente, con una densidad de unos 2200 kg/m3. Según investigaciones, su punto de fusión es de 600 K (327 °C; 620 °F). Mantiene una alta resistencia, tenacidad y autolubricación a bajas temperaturas hasta 5 K (-268,15 °C; -450,67 °F), y buena flexibilidad a temperaturas superiores a 194 K (-79 °C; -110 °F). El teflón obtiene sus propiedades del efecto agregado de los enlaces carbono-flúor, como todos los fluorocarbonos.

Los únicos productos químicos que se sabe que afectan a estos enlaces carbono-flúor son los metales altamente reactivos como los metales alcalinos, y a temperaturas más altas también como los metales como el aluminio y el magnesio, y los agentes fluorantes como el difluoruro de xenón y el fluoruro de cobalto (III). A temperaturas superiores a 650-700 °C (1.200-1.290 °F) el PTFE se someterá a una despolimerización.

El coeficiente de fricción de los plásticos se suele medir en relación con el acero pulido. El coeficiente de fricción del teflón es de 0,05 a 0,10, que es el tercero más bajo de cualquier material sólido conocido (siendo el boruro de aluminio y magnesio (BAM) el primero, con un coeficiente de fricción de 0,02; el carbono diamantado es el segundo más bajo con 0,05). La resistencia del PTFE a las fuerzas de van der Waals significa que es la única superficie conocida a la que no se puede adherir un geco. De hecho, el PTFE se puede utilizar para evitar que los insectos suban a las superficies pintadas con el material. El PTFE es tan resbaladizo que los insectos no pueden agarrarse y tienden a caerse.

Debido a su inercia química, el teflón no puede reticularse como un elastómero. Por lo tanto, no tiene “memoria” y está sujeto a la fluencia. Debido a sus propiedades químicas y térmicas superiores, el PTFE se utiliza a menudo como material de juntas en industrias que requieren resistencia a sustancias químicas agresivas como los productos farmacéuticos o los procesos químicos. Sin embargo, debido a la propensión a la fluencia, el rendimiento a largo plazo de dichas juntas es peor que el de los elastómeros que presentan niveles de fluencia cero o casi cero. En aplicaciones críticas, las arandelas Belleville se utilizan a menudo para aplicar una fuerza continua a las juntas de PTFE, asegurando así una pérdida mínima de rendimiento durante la vida útil de la junta.

Procesamiento del teflón

El procesamiento del teflón puede ser difícil y costoso, porque la alta temperatura de fusión, 327 °C (621 °F), está por encima de la temperatura de descomposición inicial, 200 °C (392 °F). Incluso cuando está fundido, el PTFE no fluye, sino que se comporta como un gel debido a la ausencia de fase cristalina y a la alta viscosidad de fusión.

Algunas piezas de PTFE se fabrican mediante moldeo en frío, una forma de moldeo por compresión. Aquí, el teflón en polvo fino es forzado a entrar en un molde a alta presión (10-100 MPa). Después de un período de asentamiento, que dura de minutos a días, el molde se calienta a una temperatura de 360 a 380 °C (680 a 716 °F), permitiendo que las partículas finas se fusionen en una sola masa.

Usos y aplicaciones

El Teflón se utiliza como una capa antiadherente para sartenes y otros utensilios de cocina. No es reactivo, en parte debido a la fuerza de los enlaces carbono-flúor, por lo que se utiliza a menudo en contenedores y tuberías para productos químicos reactivos y corrosivos. Cuando se utiliza como lubricante, el PTFE reduce la fricción, el desgaste y el consumo de energía de la maquinaria. Se utiliza comúnmente como material de injerto en intervenciones quirúrgicas. También se emplea con frecuencia como revestimiento de catéteres; esto interfiere con la capacidad de las bacterias y otros agentes infecciosos para adherirse a los catéteres y causar infecciones adquiridas en el hospital.

Cables de par trenzado con cubierta de PTFE
Cables de par trenzado con cubierta de PTFE

La principal aplicación del PTFE, que consume alrededor del 50% de la producción, es para el aislamiento del cableado en aplicaciones aeroespaciales e informáticas (por ejemplo, cables de conexión, cables coaxiales). Esta aplicación aprovecha el hecho de que el PTFE tiene excelentes propiedades dieléctricas, especialmente a altas frecuencias de radio, lo que lo hace adecuado para su uso como excelente aislante en montajes de conectores y cables, y en placas de circuito impreso utilizadas en frecuencias de microondas. Esto, combinado con su alta temperatura de fusión, lo convierte en el material elegido como sustituto de alto rendimiento del polietileno más débil y de menor punto de fusión que se utiliza comúnmente en aplicaciones de bajo coste.

Seguridad y toxicidad

La pirólisis del teflón es detectable a 200 °C (392 °F), y desarrolla varios gases de fluorocarbono y un sublimado. Un estudio en animales realizado en 1955 concluyó que es poco probable que estos productos se generen en cantidades significativas para la salud a temperaturas inferiores a 250 °C (482 °F).

Aunque el PTFE es estable y no tóxico a temperaturas más bajas, comienza a deteriorarse después de que la temperatura de los utensilios de cocina alcanza unos 260 °C (500 °F), y se descompone por encima de los 350 °C (662 °F). Los subproductos de la degradación pueden ser letales para las aves, y pueden causar síntomas parecidos a los de la gripe en los humanos (la fiebre de los humos de polímeros). La carne suele freírse entre 204 y 232 °C (399 y 450 °F), y la mayoría de los aceites empiezan a humear antes de alcanzar una temperatura de 260 °C (500 °F), pero hay al menos dos aceites de cocina (aceite de cártamo refinado a 265 °C (509 °F) y aceite de aguacate a 271 °C (520 °F)) que tienen un punto de humo más alto.

El trifluoroacetato de sodio y el compuesto similar clorodifluoroacetato pueden generarse cuando el teflón se somete a termólisis, así como producir ácidos carboxílicos de cadena más larga polifluoro- y/o policlorofluoro- (C3-C14) que pueden ser igualmente persistentes. Algunos de estos productos se han vinculado recientemente con posibles impactos adversos para la salud y el medio ambiente y se están eliminando gradualmente del mercado de los Estados Unidos.

El ácido perfluorooctanoico (PFOA) se utiliza a veces en el proceso de fabricación de PTFE/Teflón, aunque se quema durante este proceso y no suele estar presente en cantidades significativas en el PTFE resultante.

Para más información The chemical industry doesn’t want you to be