PFAS und PFOS sind Akronyme für sogenannte Ewigkeitschemikalien. Unter anderem gehört auch PTFE dazu. Das Material ist im Haushalt als Antihaftbeschichtung in Pfannen bekannt und in Outdoorbekleidung als wasserdichte, aber dampfdurchlässige Membrane. Für beide Anwendungsbereiche gibt es inzwischen hervorragende Ersatzstoffe. Über diese alltäglichen Anwendungen hinaus gibt es jedoch zahlreiche Anwendungen von Fluorpolymeren in der Industrie, bei denen diese Stoffgruppe nicht so leicht zu ersetzen ist.
Insbesondere finden sich Anwendungen im Bereich der Wasseraufbereitung (Diffusionsmembranen), bei fotolithografischen Verfahren der Halbleiterherstellung, bei medizinischen Produkten und extrem chemikalienresistenten Beschichtungen für die Chemische Industrie, die nur schwer auf Fluorpolymer-Verbindungen verzichten können. Die hohe chemische Stabilität und die sehr hohe Inertheit der Fluorpolymere ist deren Segen, aber auch Fluch. Denn natürliche Prozesse wie UV-Licht, Bakterien und Pilze oder andere physikalische Einflüsse, die beispielsweise Kunststoffe aus Polyethylen oder Polypropylen mit der Zeit aus dem natürlichen Kreislauf verschwinden lassen, verändern PFAS nicht. Deswegen ist diese Stoffgruppe inzwischen nahezu überall nachweisbar.
Bereits in der Vergangenheit wurden mehrmals Stoffgruppen aus der industriellen Nutzung genommen, um eine dauerhafte und schädliche Anreicherung in der Umwelt zu vermeiden. Besonders bekannt sind die FCKW (Fluorkohlenwasserstoffe), die nach Auftauchen des Ozonlochs schließlich binnen weniger Jahre weltweit verboten wurden. Ähnliches passierte mit den Polychlorierten Biphenylen (PCB), die z.B. in der Hochspannungstechnik als besonders langzeitstabiles Kühlmedium in Verteiltransformatoren eingesetzt wurden.
In sehr vielen Bereichen fanden sich nach anfänglichen Anstrengungen Alternativen. Bei den FCKW ist das z.B. Isobutan , das heute in den Kühlschränken als Kältemittel eingesetzt wird. Doch es gibt auch Anwendungen, in denen ein Ersatz nur sehr schwer zu finden ist.
Die Bestrebungen der EU zusammen mit Amerika, die Fluor-Chemie so umfänglich wie möglich aus dem industriellen Stoffkreislauf zu nehmen, kann also für einzelne Industriebranchen durchaus zu einer sehr erheblichen Belastung werden.
Deswegen wurden im Jahr 2022 bereits mehrere Konsultationsrunden durchgeführt, in denen die Industrie die Gelegenheit bekommen hat, Stellung zu den Plänen der EU und der ECHA (Europäische Chemikalienagentur) zu nehmen.
Neben zahlreichen weiteren Industrieverbänden ruft auch der ZVEI seine betroffenen Mitglieder auf, sich unter der Überschrift „PFAS – breite Beschränkung unter REACH: Werden aus „forever“ bald „no no never“ Chemicals?“ aktiv an den Rückmeldungen aus der Industrie zu beteiligen.
Die Beratungsfirma Ricardo führt im Auftrag der CEFIC (Europäischer Verbund der Chemischen Industrie) eine Studie zur Folgenabschätzung durch. Sie dient auch als Grundlage für die Entscheidungen innerhalb der EU zur weiteren Nutzung oder dem vollständigen Verbot von PFOS und PFAS Produkten (Isoliergase, Schmierstoffe, Folien, Beschichtungen usw.). Es ist also im Interesse der betroffenen Industrieunternehmen, sich aktiv an dem Entscheidungsprozess zu beteiligen – denn ansonsten werden sie vor vollendete Tatsachen gestellt.
®Gerald Friederici 12/2022
Aktualisierung 10/2024:
Zahlreiche Industriezweige haben mit einem erheblichen Aufwand Anwendungen zusammengetragen, bei denen ein schneller Ersatz von Werkstoffen aus der PFAS-Gruppe nur sehr schwer möglich ist sowie Anwendungen, in denen es nahezu unmöglich ist. Der angestrebte Ansatz inzwischen ist ein Risiko-basierender: Wie wichtig ist der Werkstoff, wie gut wird er in Herstellung und Verwendung beherrscht (kein Austritt in die Umwelt) und wie steht es mit einer geordneten Entsorgung? Wie groß ist also das Risiko, dass dieser Werkstoff ungewollt in die Umwelt gelangt.
Etliche Unternehmen (Beispiel 3M) haben sich dennoch bereits aus der Produktion von PFAS zurück gezogen. Mit ein Grund ist, dass nicht nur durch eine ungeordnete Abfallentsorgung solche Stoffe in die Umwelt gelangen, sondern auch bei der Produktion nicht unerhebliche Mengen PFAS in die Atmosphäre gelangen - und deren Reduktion auf ppm-Maß einfach (zu) teuer ist.
Fluorkunststoffe befinden sich auf dem Vormarsch. Das mag verwundern, denn die meisten Produkte gibt es bereits seit über 50 Jahren. Doch wegen ihres relativ hohen Preises wurden Sie früher trotz der Einbußen in der Performance durch günstigere Kunststoffe substituiert. Heute jedoch sind Eigenschaften wie Zuverlässigkeit und Lebensdauer wichtiger als „nur“ ein günstiger Preis.
Die meisten Fluorkunststoffe sind gegenüber anderen Thermoplasten (z.B. PVC, PA, PP, PE) deutlich chemikalienresistenter, widerstehen UV-Licht und Bewitterung, sind sehr gute elektrische Isolatoren (u.a. wegen geringer Wasseraufnahme <0,1%) und sind in einem weiteren Temperaturbereich einsetzbar. Dazu kommen je nach Typ weitere spezielle Eigenschaften, die den Fluorkunststoff für bestimmte Anwendungen prädestinieren. Die Dichte liegt bei etwa 1,7…1,78 gr/cm³, bei FEP und PTFE 2,12 g/cm³. Weiteres deutliches Unterscheidungsmerkmal ist die Weiterreißfestigkeit, vor allem von ETFE.
Der mit Abstand größte Unterschied neben chemischer Resistenz und hoher Arbeitstemperaturen ist die extreme Alterungsbeständigkeit. Mechanische, optische und elektrische Eigenschaften verschlechtern sich selbst nach 20 Jahren Aussenbewitterung nicht wesentlich.
Etliche der Fluorpolymere (Thermoplasten, ausser PTFE) sind recyclefähig und damit mehrfach verwendbar.
(Anmerkung 2022: die wesentlichen Vorteile der Inertheit und Alterungsbeständigkeit sind auch die größten Nachteile. Die nahezu unzerstörbaren Kunststoffe reichern sich zunehmend in der Umwelt an)
Neben typischen Anwendungen in der Chemie (Resistenz gegen Chemikalien selbst bei aggressiven Substanzen und hohen Temerpaturen) zum Beispiel als Auskleidung von Rohren und Behältern werden Fluorpolymere als witterungsbeständige Beschichtungen verwendet (z.B. PVDF). Die Fluor-Thermoplaste können ähnlich wie z.B. Polyesterharze einbrennlackiert werden. Der geringe Reibwiderstand einiger Varianten prädestiniert sie als Gleitflächen oder als schmutzabweisende Oberfläche. PTFE und andere Fluorpolymere werden wegen ihrer großen chemischen Reinheit und geringen Interaktion (intert) in der Lebensmittelproduktion und Medizintechnik (u.a. gute Beständigkeit gegenüber Desinfektion) eingesetzt. Besonders ETFE, THV und PVF/PVDF finden Anwendung in der Solarindustrie als transparente Schutzfolie für Solarmodule sowie in der Architektur als flexible Foliendächer und ganze Gebäudehüllen (Tensionsbauten).
PTFE, FEP und PFA Folien können auch unter Flüssigstickstoff (z.B. Hochtemperatur-Supraleiter bei -196°C) eingesetzt werden. FEP ist dabei wegen der geringen Kaltflußneigung (im ungekühlten Zustand) besonders gut geeignet.
Da die allermeisten Fluorpolymere eine niedrige Dielektrizitätszahl (Epsilon r ~ 2) bei geringem Verlustfaktor tan delta haben, werden Sie insbesondere in der HF-Technik eingesetzt. Als Isolation von HF-Litzen (PTFE, ETFE, FEP) erreichen sie eine hervorragende Isolationsleistung über einen weiten Temperaturbereich bei nahezu frequenzunabhängigem Epsilon r.
U.a. die Firma Holscot, England bietet neben Fluorpolymerfolien auch Schläuche und Röhren an. FEP-Schläuche werden wegen ihrer UV-Durchlässigkeit z.B. zur Glasbruchsicherung von UV-Desinfektionslampen verwendet. Holscot bietet Fluorpolymere bis 1 mm Stärke an.
Diese kurze Übersicht beschreibt nur die jeweils wesentlichen Vorteile und beschränkt sich auf einige wenige technische Daten. Hersteller wie DuPont, 3M, Daikin, Maceplast, Nowofol und Solvay veröffentlichen in Ihren Datenblätter darüber hinaus gehende Daten.
PTFE (Polytetrafluorethylen)
Der Urvater aller industriell eingesetzten Fluorpolymere ist das Polytetrafluorethylen. Es zeichnet sich durch eine nahezu vollständige chemische Inertheit aus. Es reagiert mit nahezu keiner Chemikalie und wird daher gerne in der Chemiebranche als Dichtung und Auskleidung verwendet. Die hohe Schmelztemperatur erlaubt Anwendungen bis 250°C Dauertemperatur. PTFE hat zudem einen sehr geringen Reibungskoeffizienten, weswegen es als Gleitflächen, aber auch als abweisende Oberflächen (anti-adhäsive) eingesetzt wird.
PTFE ist mechanisch nicht allzu stark belastbar, das Material weist einen sogenannten Kaltfluss auf. Das bedeutet, dass PTFE auch bei Raumtemperatur unter Druck dazu neigt, diesem Druck auszuweichen (Kaltfluss). Auch ist PTFE selbst in geringen Wandstärken eher milchig, als gesintertes Material sogar nur weiß-transluzent. Die Schmelztemperatur liegt bei ca. 330°C.
PTFE kann sehr gut mit Füllstoffen auf unterschiedliche Eigenschaftsprofile getrimmt werden! Jedoch ist Polytetrafluorethylen nur schlecht mit den in der Kunststoffindustrie üblichen Methoden verarbeitbar.
Eigenschaften:
ETFE (Ethylentetrafluorethylen)
Ethylentetrafluorethylen ist extrem robust, lässt sich extrem dehnen und hat eine sehr geringe Weiterreißneigung (ähnlich z.B. PU). Darüber hinaus ist ETFE sehr chemikalienresistent und hat ebenfalls eine abweisende Oberfläche (Anti-Graffiti, schmutzabweisende Gebäudehüllen). Es kann in einem weiten Temeperaturbereich eingesetzt werden. Herausragende Eigenschaft ist die Durchlässigkeit für das gesamte Lichtspektrum bis hinein in das UV-Licht. Mit einer Lichtdurchlässigkeit von 92…94% liegt es an der Spitze der gängigen Fluorpolymere, ist extrem UV-beständig und thermoformbar bzw. thermoschweißbar. Die Schmelztemperatur liegt bei etwa 250°C.
ETFE wird auch gerne in MOF`s (Multilayer Optical Films) verwendet, bei denen man sich die Eigenschaften des Lichts zunutze macht, an Phasengrenzen optisch unterschiedlich dichter Materialien reflektiert zu werden. Auf diese Weise kann man z.B. IR-sperrende Folien ohne zusätzliche Pigmentierung herstellen.
Für hochtemperaturfeste thermische Folienschweißungen kann der Typ Fluon® LM-ETFE AH von AGC verwendet werden. Diese ETFE-Schweißfolie schmilzt 50°C unterhalb der üblichen ETFE-Folie und eignet sich dadurch excellent für eine prozesssicherere Verschweißung (z.B. Kederleisten, überlappende Verklebung von ETFE Folie).
ETFE-Folien gibt es von Nowofol, AGC, Maceplast, Holscot u.a.
Eigenschaften:
ECTFE (Ethylenchlortrifluorethylen)
Teilkristallines Fluorpolymer mit sehr guter Transparenz, sehr guter Barriereeigenschaften (geringste Wasserdampf-Permeation) und ausgezeichneter Wetterbeständigkeit. Wie alle Fluorpolymer auch gut chemisch beständig. Wird auch als Alternative zu ETFE verwendet. ECTFE liegt von der Performance überwiegend etwas unter PVDF. Geringere Entzündbarkeit wie ETFE (LOI >52% statt ETFE LOI >32%). Produktname z.B. Halar von Solvay Plastics oder TEFKA von Denko und Aclar von Honeywell.
Eigenschaften:
PVDF (Polyvinylidenfluorid)
Dieses Fluorpolymer vereinigt einige außergewöhnliche Eigenschaften in sich. Es ist nicht ganz so temperaturbeständig wie PTFE, hat dafür jedoch eine sehr viel geringere Kriechneigung (Kaltfluss). Es ist ähnlich chemisch beständig, kann jedoch wegen der geringen Schmelztemperatur (177°C) relativ einfach schmelztechnisch verarbeitet werden. Auch PVDF ist sehr gut beständig gegenüber energiereicher Strahlung, UV-Licht und Bewitterung (Beschichtung von Blechen für Gebäudeverkleidung) sowie Hydrolysebelastung.
PVDF wird als Schweißband für PTFE verwendet (Schmelzkleber). Es kann als Ersatz für PVF (Tedlar®) eingesetzt werden, z.B. auch als Deckfolie von Kunststoff-Fensterprofilen oder in der Solarindustrie. Wegen der hohen Polarität weniger gut geeignet für Hochfrequenzanwendungen. Produktname z.B. Kynar® von Arkema oder Novoflon® von Nowofol sowie Guarniflon von Maceplast und PVDF-Folien von Holscot.
Eigenschaften:
FEP (Fluorethylenpropylen)
FEP ist ein transparentes (abhängig vom Kristallisationsgrad) Fluorpolymer mit ähnlichen Eigenschaften wie PTFE. Es hat jedoch eine niedrigere Schmelztemperatur von ca. 270°C und ist thermoplastisch verarbeitbar. FEP hat eine sehr gute Chemikalienbeständigkeit auch bei erhöhten Temperaturen (vergleichbar PTFE). Festigkeit und Steifigkeit ist jedoch geringer wie bei PTFE. Wie bei nahezu allen Fluorpolymeren hat FEP sehr gute elektrische Eigenschaften und eine hohe Schmelztemperatur von 270°C. FEP wird auch als Schweißfolie für PTFE verwendet oder als thermoplastischer Kleber in elektrotechnischen Anwendungen.
Eigenschaften:
PFA (Perfluoralkoxy)
Mechanisch vergleichbar PTFE, stellenweise (Kaltfluss) überlegen. Bei vergleichbarer chemischen Inertheit (chemische Beständigkeit) und geringem Reibungskoeffizienten ist die Folie etwas weicher wie PTFE. Da Perfluoralkoxy klarer ist wie PTFE, dennoch eine hohe Schmelztemperatur von 305°C hat, wird PFA da eigesetzt, wo hohe chemische Resistenz und gute Transparenz benötigt werden. Im Gegensatz zu PTFE gut thermoplastisch verarbeitbar. Produktnamen zum Beispiel Teflon® PFA von DuPont oder Hostaflon® PFA von 3M..
Eigenschaften:
THV (Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Vinylidenfluorid)
THV hat eine gute Transparenz, ist sehr biegewechselfest und dabei mechanisch stabil. Durch seine geringe Schmelztemperatur kann THV zur Herstellung mehrlagiger Verbünde eingesetzt werden (z.B. Versiegelung von Gewebelaminaten).
Eigenschaften:
PVF (Polyvinylfluorid)
Witterungsbeständige, diffusionsdichte und elastische Folie mit geringem spezifischen Gewicht von 1,37 gr/cm³. Die Dauergebrauchstemperatur liegt bei -70°C ... 110°C. PVF Folien werden als Trennfolie und als Oberflächenschutzfolie eingesetzt (Formenbau, Baugewerbe, Photovoltaik). Die Folien haben eine gut schmutz-abweisende Oberfläche. Durch den Ersatz des Chlors in der Polymermatrix durch Fluor ist das Material dem PVC überlegen.
Eigenschaften
UHMW-PE (Ultra high molecular weigth Polyetyhlen)
Kein Fluorpolymer, jedoch in vielen Eigenschaften dem PTFE ähnlich. UHMW-PE ist extrem reibungsarm, schmutzabweisend, bietet eine gute Gleitoberfläche, ist abriebfest und chemisch sehr beständig. Hochmolekulare Polyethylene werden z.B. als Gleitringe anstelle von Kugellagern verwendet. Sie dichten hervorragend ab.
PPS (Polyphenylensulfid)
Ausgezeichnet chemikalienfester, mechanisch hoch belastbarer Hochtemperatur-Kunststoff mit sehr geringer Kriechneigung. Einsetzbar bis über 200°C. Gute elektrische Werte, geringe Wasseraufnahme (0,01%), sehr hohe Hydrolysebeständigkeit, Thermoplast, bedingt UV-stabil (nicht für Freibewitterung geeignet), gute Wärmeleitfähigkeit (0,25 W/mK)
Übersicht
Eigenschaften von einigen typ. Polymeren | PTFE | ETFE | ECTFE | PVDF | THV | FEP | PFA | PVC | HDPE | PP | PAI | UHMWE-PE | PPS | PEN | PI | PEEK |
Dichte | 2,12 | ~1,73 | 1,68 | 1,78 | ~2,1 | 2,15 | 2,15 | 1,42 | 0,95 | 0,91 | 1,41 | 1,36 | 1,36 | 1,46 | 1,32 | |
Max. Dauertemperatur °C (Wärmeklasse) | 260 | 155 | 150 | 150 | 130 | 200 | 250 | (60) | 85 | 100 | 250 | 80 | 230 (155) | 180 (155) | 300 (220) | 240 (180) |
Min Gebrauchstemperatur °C | -200 | -190 | -80 | -40 | - | -200 | -200 | -15 | -50 | -15 | -200 | -200 | -270 | -50 | ||
Schmelzpunkt °C | ~330 | 250 | 255 | 175 | - | ~260 | 305 | 160 | 130 | 165 | 135 | 281 | 280 | - | 343 | |
Brandklasse (UL 94) | V-0 | V-0 | V-0 | V-0 | V-0 | V-0 | V-0 | (V-0) | V-2 | V-2 | V0 | V-2 | V0 | V0(1) | ||
Zugfestigkeit MPa | 20-40 | 40-46 | 30-50 | 25-30 | 25-30 | 15-25 | 45-55 | 24-29 | 33 | 100 | 280 | 120 | ||||
Reißdehnung % | 140-500 | 300-500 | 20-200 | 300-500 | 300-350 | 300-400 | 20-30 | 100-1000 | 20-800 | 4 | ||||||
E-Modul (MPa) | 900-1100 | 2200-2500 | 200-300 | 400-700 | 400-800 | - | - | - | 3300 | |||||||
CTI (IEC 60112) | >600 (0) | >600 (0) | >600 (0) | >600 (0) | >600 (0) | >600 (0) | >600 (0) | >600 (0) | >600 | >600 wenn mod. | <400 | <175 | <175 | |||
Dieletrizitätszahl@10MHz | <2,1 | <2,6 | 2,5 @ 1kHz | 8,5 | >4,2 | <2,1 | <2,1 | 3,0 | 2,3 | 3,9 | 3,0 | (4,6) | 2,9 | 3,3 | 3,5 | |
Verlustfaktor tan delta @ 1MHz | 0,0002 | 0,005 | 0,020 | 0,0007 | 0,0002 | 0,031 | 0,001 | (0,001) | 0,005 | 0,004 | 0,002 | |||||
Wasserabsorbtion (meist bei 25°C/50% RH | <0,01 | <0,03 | <0,02 | <0,04 | <0,01 | <0,01 | <0,05 | 0,3 | <2,8 | 0,04 | ||||||
WVTR @ 50 µm gr/m² d (Wasserdampfdurchlässigkeit) | 1,6 (PCTFE 0,1) | |||||||||||||||
Großhandelspreis | 1 | 3,5 | 6,4 | 2,5 | 7,7 | 10 | 12 |
Anmerkung zu der Liste: Die Eigenschaften einiger Polymere lassen sich in weiten Bereichen einstellen. Daher sind die Angaben eher als Tendenz