Polytetrafluorethylen (Kurzzeichen PTFE, gelegentlich auch Polytetrafluorethen) ist ein unverzweigtes, linear aufgebautes, teilkristallines Polymer aus Fluor und Kohlenstoff, ein Fluorpolymer. Umgangssprachlich wird dieser Kunststoff oft mit dem Handelsnamen Teflon der Firma DuPont bezeichnet. Weitere häufig verwendete Handelsnamen anderer Hersteller von PTFE sind Dyneon PTFE (ehemals Hostaflon) und Gore-Tex für PTFE-Membranen.
PTFE gehört zur Klasse der Polyhalogenolefine, zu der auch PCTFE (Polychlortrifluorethylen) gehört. Es gehört zu den Thermoplasten, obwohl es auch Eigenschaften aufweist, die eine eher für duroplastische Kunststoffe typische Verarbeitung bedingen.
PTFE wurde 1938 vom Chemiker Roy Plunkett entdeckt. Als Plunkett auf der Suche nach Kältemitteln für Kühlschränke mit Tetrafluorethylen (TFE) experimentierte, entdeckte er in seinem Reaktionsgefäß „farblose Krümel“: Tetrafluorethylen war zu PTFE polymerisiert. Der noch heute gebräuchliche Herstellungsablauf heißt nach seinem Entdecker Plunkett-Verfahren; dabei wird die Polymerisation bei hohem Druck mit Peroxiden gestartet. Er erhielt am 4. Februar 1941 das am 1. Juli 1939 beantragte US-Patent auf PTFE mit der Veröffentlichungsnummer US2230654 A.
Zunächst war eine technische Nutzung von PTFE nicht gegeben, da die Herstellungskosten zu hoch waren und keine Anwendung für das hoch inerte Material gesehen wurde. Im Jahre 1943 standen Forscher im Manhattan-Projekt vor dem Problem, dass sie mit extrem korrosivem Uranhexafluorid umgehen mussten. PTFE fand dabei erstmals technische Verwendung als Korrosionsschutz bei der Uran-Anreicherung. Später beschichtete der französische Chemiker Marc Grégoire seine Angelschnur mit PTFE, um sie leichter entwirren zu können. Seine Ehefrau Colette Grégoire kam auf die Idee, Töpfe und Pfannen zu beschichten, wofür sie 1954 zusammen mit Georgette Wamant ein Patent erhielt.
PTFE wird aus Chloroform CHCl3 durch partielle Fluoridierung hergestellt, wobei zunächst Chlordifluormethan CHClF2 und Tetrafluorethylen C2F4 erzeugt werden. Als Katalysator fungiert hierbei Antimon(V)-chloridfluorid (SbCl4F).
{\displaystyle {\ce {CHCl3 + 2HF -> CHClF2 + 2 HCl}}}
{\displaystyle {\ce {2CHClF2 -> C2F4 + 2HCl}}}
Tetrafluorethylen wird anschließend einer radikalischen Polymerisation unter Druck unterzogen. Je nach Bedingungen ergeben sich unterschiedliche Molekül- und Partikelgrößen:
{\displaystyle {\ce {n{\,}C2F4->-(CF2)_{2n}{-}}}}
Da diese Reaktion stark exotherm ist und sich die Monomereinheiten bei hohen Temperaturen leicht explosiv zersetzen, wird die Polymerisation in Suspension durchgeführt. Zudem bedingt die Instabilität des Monomers eine räumliche Nähe der Produktion von Polymer und Monomer, da ein Transport des Monomers wegen der Explosionsgefahr nur sehr eingeschränkt möglich ist.
Die CF2-Einheiten in PTFE sind helikal angeordnet (im Unterschied zu Polyethylen, das eine Zickzack-Anordnung aufweist). PTFE-Ketten sind aufgrund ihrer Dipol-Dipol-Wechselwirkungen hexagonal angeordnet, was den hohen Schmelzpunkt von 327 °C erklärt.
PTFE zeichnet sich durch mehrere Besonderheiten aus:
PTFE ist sehr reaktionsträge. Selbst aggressive Säuren wie Königswasser können PTFE nicht angreifen. Der Grund liegt zum einen in der besonders starken Bindung zwischen den Kohlenstoff- und den Fluoratomen, da Fluor das Element mit der stärksten Elektronegativität ist. So gelingt es vielen Substanzen nicht, die Bindungen aufzubrechen und mit PTFE chemisch zu reagieren. Weiterhin ist PTFE durch die kompakte Hülle aus Fluoratomen, die den Kohlenstoffstrang im Inneren schützt, kinetisch gehemmt. Feines PTFE-Pulver dagegen wird z. B. als Oxidationsmittel für Metallpulver in Waffenanwendungen benutzt.
Es ist äußerst beständig gegen alle Basen, Alkohole, Ketone, Benzine, Öle usw.; unbeständig ist es nur gegen sehr starke Reduktionsmittel wie Lösungen von Alkalimetallen (z. B. Natrium) in flüssigem Ammoniak oder gegen sehr starke Oxidationsmittel wie elementares Fluor bei höheren Temperaturen; Einsatztemperatur bis 260 °C (bei Temperaturen über 400 °C werden hochtoxische Pyrolyseprodukte wie z. B. Fluorphosgen (COF2) freigesetzt, die zu Teflonfieber führen können); frostbeständig bis −270 °C; nur nach Vorbehandlung klebbar; Schweißen möglich, aber nicht üblich; leicht wachsartige Oberfläche (nicht so ausgeprägt wie bei PE); physiologisch unbedenklich.
PTFE hat einen sehr geringen Reibungskoeffizienten. PTFE rutscht auf PTFE ähnlich gut wie nasses Eis auf nassem Eis. Außerdem ist die Haftreibung genauso groß wie die Gleitreibung, so dass der Übergang vom Stillstand zur Bewegung ohne Ruck stattfindet.
Es existieren nahezu keine Materialien, die an PTFE haften bleiben, da die Oberflächenenergie extrem niedrig ist. PTFE ist schwierig zu benetzen und kaum zu verkleben. Der Kontaktwinkel mit Wasser beträgt 126°. Durch Dehnung verliert PTFE diese Eigenschaft bedingt durch molekulare Disaggregation, so dass ein solches PTFE-Band an anderen Oberflächen haftet.
Dichte: 2,1–2,3 g·cm−3, Shore-Härte D 50 bis 72, Kugeldruckhärte: 23–32 N/mm2, Reißfestigkeit: 22–40 N/mm2
Hohe Wärmeausdehnung (α im Bereich 20–100 °C: ≈20·10−5 K−1), Phasenumwandlung von triklinem zu hexagonalem Kristallgitter bei 19 °C mit Volumenänderung.