Teflon

Latar Belakang

Teflon adalah nama dagang terdaftar dari bahan plastik polytetrafluoroethylene (PTFE) yang sangat berguna. PTFE adalah salah satu kelas plastik yang dikenal sebagai fluoropolimer. Polimer adalah senyawa yang terbentuk dari reaksi kimia yang menggabungkan partikel menjadi kelompok molekul besar yang berulang. Banyak serat sintetis yang umum adalah polimer, seperti poliester dan nilon. PTFE adalah bentuk terpolimerisasi dari tetrafluoroetilena. PTFE memiliki banyak sifat unik, yang membuatnya berharga dalam banyak aplikasi. Ini memiliki titik leleh yang sangat tinggi, dan juga stabil pada suhu yang sangat rendah. Ini dapat dilarutkan hanya dengan gas fluor panas atau logam cair tertentu, sehingga sangat tahan terhadap korosi. Ini juga sangat licin dan licin. Hal ini menjadikannya bahan yang sangat baik untuk melapisi bagian-bagian mesin yang mengalami panas, keausan, dan gesekan, untuk peralatan laboratorium yang harus tahan terhadap bahan kimia korosif, dan sebagai pelapis untuk peralatan masak dan perkakas. PTFE digunakan untuk memberikan ketahanan noda pada kain, karpet, dan penutup dinding, dan sebagai penahan cuaca pada tanda-tanda luar ruangan. PTIZE memiliki konduktivitas listrik yang rendah, sehingga menjadi isolator listrik yang baik. Ini digunakan untuk mengisolasi banyak kabel komunikasi data, dan sangat penting untuk pembuatan semi-konduktor. PTFE juga ditemukan dalam berbagai aplikasi medis, seperti cangkok vaskular. Kain fiberglass dengan lapisan PTFE berfungsi untuk melindungi atap bandara dan stadion. PTFE bahkan dapat dimasukkan ke dalam serat untuk menenun kaus kaki. Gesekan rendah dari PTFE membuat kaus kaki sangat halus, melindungi kaki dari lecet.

Sejarah

PTFE ditemukan secara tidak sengaja pada tahun 1938 oleh seorang ilmuwan muda yang sedang mencari sesuatu yang lain. Roy Plunkett adalah seorang ahli kimia untuk E.I. du Pont de Nemours and Company (Du Pont). Dia memperoleh gelar PhD dari Ohio State University pada tahun 1936, dan pada tahun 1938 ketika dia menemukan Teflon, dia masih berusia 27 tahun. Area Plunkett adalah pendingin. Banyak bahan kimia yang digunakan sebagai zat pendingin sebelum tahun 1930-an bersifat eksplosif. Du Pont dan General Motors telah mengembangkan jenis baru refrigeran yang tidak mudah terbakar, suatu bentuk Freon yang disebut refrigeran 114. Refrigeran 114 terikat dalam perjanjian eksklusif dengan divisi Frigidaire General Motor, dan pada saat itu tidak dapat dipasarkan ke pabrikan lain . Plunkett berusaha untuk datang dengan bentuk yang berbeda dari refrigeran 114 yang akan mengatasi kontrol paten Frigidaire. Nama teknis untuk refrigeran 114 adalah tetrafluorodichloroethane. Plunkett berharap dapat membuat refrigeran serupa dengan mereaksikan asam klorida dengan senyawa yang disebut tetrafluoroetilena, atau TFE. TFE sendiri adalah zat yang sedikit diketahui, dan Plunkett memutuskan tugas pertamanya adalah membuat sejumlah besar gas ini. Ahli kimia berpikir dia mungkin juga membuat seratus pon gas, untuk memastikan cukup untuk semua tes kimianya, dan juga untuk tes toksikologi. Dia menyimpan gas dalam kaleng logam dengan katup rilis, seperti kaleng yang digunakan secara komersial saat ini untuk semprotan bertekanan seperti semprotan rambut. Plunkett menyimpan kaleng di atas es kering, untuk mendinginkan dan mencairkan gas TFE. Eksperimen refrigerannya mengharuskan Plunkett dan asistennya untuk melepaskan gas TFE dari kaleng ke dalam ruang yang dipanaskan. Pada pagi hari tanggal 6 April 1938, Plunkett menemukan bahwa dia tidak bisa mengeluarkan bensin dari kaleng. Untuk kebingungan Plunkett dan asistennya, gas telah berubah dalam semalam menjadi bubuk putih bersisik. TFE telah dipolimerisasi.

Polimerisasi adalah proses kimia di mana molekul bergabung menjadi string panjang. Salah satu polimer yang paling terkenal adalah nilon, yang juga ditemukan oleh para peneliti di Du Pont. Ilmu polimer masih dalam masa pertumbuhan pada tahun 1930-an. Plunkett percaya bahwa TFE tidak dapat berpolimerisasi, namun entah bagaimana berhasil melakukannya. Dia mengirim serpihan putih aneh ke Departemen Riset Pusat Du Pont, di mana tim ahli kimia menganalisis barang-barang itu. TFE terpolimerisasi anehnya lembam. Itu tidak bereaksi dengan bahan kimia lain, menahan arus listrik, dan sangat halus dan licin. Plunkett dapat mengetahui bagaimana gas TFE secara tidak sengaja terpolimerisasi, dan dia mengeluarkan paten untuk zat terpolimerisasi, polytetrafluoroethylene, atau PTFE.

PTFE awalnya mahal untuk diproduksi, dan nilainya tidak jelas bagi Plunkett atau ilmuwan lain di Du Pont. Tapi itu mulai digunakan dalam Perang Dunia II, selama pengembangan bom atom. Pembuatan bom membutuhkan ilmuwan untuk menangani sejumlah besar zat kaustik dan racun uranium heksafluorida. Du Pont menyediakan gasket dan pelapis berlapis PTFE yang tahan terhadap aksi korosif ekstrim uranium heksafluorida. Du Pont juga menggunakan PTFE selama perang untuk membuat kerucut dari bom tertentu lainnya. Du Pont mendaftarkan nama merek dagang Teflon untuk zat yang dipatenkannya pada tahun 1944, dan terus bekerja setelah perang dengan teknik manufaktur yang lebih murah dan lebih efektif. Du Pont membangun pabrik pertamanya untuk produksi Teflon di Parkersburg, Virginia Barat pada tahun 1950. Perusahaan memasarkan Teflon setelah perang berakhir sebagai pelapis untuk bagian logam mesin. Pada tahun 1960-an, Du Pont mulai memasarkan peralatan masak yang dilapisi dengan Teflon. Lapisan Teflon yang licin menahan lengketnya makanan yang hangus sekalipun, jadi membersihkan panci itu mudah. Perusahaan juga memasarkan Teflon untuk berbagai kegunaan lain. Fluoropolimer terkait lainnya dikembangkan dan dipasarkan dalam dekade berikutnya, beberapa di antaranya lebih mudah diproses daripada PTFE. Du Pont mendaftarkan varian lain Teflon pada tahun 1985, Teflon AF, yang larut dalam pelarut khusus.

Bahan Baku

PTFE dipolimerisasi dari senyawa kimia tetrafluoroethylene, atau TFE. Pan anti lengket terdiri dari berbagai lapisan anti lengket. TFE disintesis dari fluorspar, asam fluorida, dan kloroform. Bahan-bahan ini digabungkan di bawah panas tinggi, suatu tindakan yang dikenal sebagai pyrolosis. TFE adalah gas tidak berwarna, tidak berbau, tidak beracun yang, bagaimanapun, sangat mudah terbakar. Itu disimpan sebagai cairan, pada suhu dan tekanan rendah. Karena sulitnya mengangkut TFE yang mudah terbakar, pabrikan PTFE juga memproduksi TFE mereka sendiri di lokasi. Proses polimerisasi menggunakan sejumlah kecil bahan kimia lain sebagai inisiator. Berbagai inisiator dapat digunakan, termasuk amonium persulfat atau asam disuksinat peroksida. Bahan penting lainnya dari proses polimerisasi adalah air.

Manufaktur
Proses

PTFE dapat diproduksi dalam beberapa cara, tergantung pada sifat tertentu yang diinginkan untuk produk akhir. Banyak spesifikasi proses adalah rahasia hak milik dari produsen. Ada dua metode utama untuk memproduksi PTFE. Salah satunya adalah polimerisasi suspensi. Dalam metode ini, TFE dipolimerisasi dalam air, menghasilkan butiran PTFE. Biji-bijian dapat diproses lebih lanjut menjadi pelet yang dapat dicetak. Pada metode dispersi, PTFE yang dihasilkan berupa pasta seperti susu yang dapat diolah menjadi bubuk halus. Baik pasta maupun bubuk digunakan dalam aplikasi pelapisan.

Membuat TFE

• 1 Produsen PTFE memulai dengan mensintesis TFE. Tiga bahan TFE, fluorspar, asam fluorida, dan kloroform digabungkan dalam ruang reaksi kimia yang dipanaskan hingga antara 1094-1652°F (590-900 °C). Gas yang dihasilkan kemudian didinginkan, dan disuling untuk menghilangkan kotoran.

  Teflon con dapat digunakan pada berbagai peralatan masak.

Polimerisasi Suspensi

• 2 Ruang reaksi diisi dengan air murni dan zat atau inisiator reaksi, bahan kimia yang akan memicu pembentukan polimer. TFE cair disalurkan ke dalam ruang reaksi. Saat TFE bertemu dengan inisiator, ia mulai berpolimerisasi. PTFE yang dihasilkan membentuk butiran padat yang mengapung ke permukaan air. Saat ini terjadi, ruang reaksi diguncang secara mekanis. Reaksi kimia di dalam ruang mengeluarkan panas, sehingga ruang didinginkan oleh sirkulasi air dingin atau pendingin lain dalam jaket di sekitar bagian luarnya. Kontrol secara otomatis mematikan pasokan TFE setelah berat tertentu di dalam ruang tercapai. Air mengalir keluar dari ruangan, meninggalkan PTFE berserabut yang terlihat seperti parutan kelapa.
• 3 Selanjutnya, PTFE dikeringkan dan dimasukkan ke dalam mill. Pabrik menghancurkan PTFE dengan pisau berputar, menghasilkan bahan dengan konsistensi tepung terigu. Serbuk halus ini sulit dibentuk. Ini memiliki "aliran yang buruk," yang berarti tidak dapat diproses dengan mudah dalam peralatan otomatis. Seperti tepung terigu yang tidak diayak, tepung ini mungkin memiliki gumpalan dan kantong udara. Jadi produsen mengubah bubuk halus ini menjadi butiran yang lebih besar dengan proses yang disebut aglomerasi. Ini dapat dilakukan dalam beberapa metode. Salah satu metodenya adalah dengan mencampur bubuk PTFE dengan pelarut seperti aseton dan memasukkannya ke dalam drum yang berputar. Butir PTFE saling menempel, membentuk pelet kecil. Pelet kemudian dikeringkan dalam oven.
• 4 Pelet PTFE dapat dicetak menjadi beberapa bagian menggunakan berbagai teknik. Namun, PTFE dapat dijual dalam jumlah besar yang sudah dicetak sebelumnya menjadi apa yang disebut billet, yang merupakan silinder padat PTFE. Tinggi billet mungkin 5 kaki (1,5 m). Ini dapat dipotong menjadi lembaran atau blok yang lebih kecil, untuk pencetakan lebih lanjut. Untuk membentuk billet, pelet PTFE dituangkan ke dalam cetakan stainless steel berbentuk silinder. Cetakan dimuat ke mesin press hidrolik, yang merupakan sesuatu seperti lemari besar yang dilengkapi dengan ram berbobot. Ram jatuh ke dalam cetakan dan memberikan gaya pada PTFE. Setelah jangka waktu tertentu, cetakan dikeluarkan dari pers dan PTFE tidak dicetak. Didiamkan, kemudian dimasukkan ke dalam oven untuk tahap terakhir yang disebut sintering.
• 5 PTFE yang telah dicetak dipanaskan dalam oven sintering selama beberapa jam, hingga suhunya mencapai sekitar 680°F (360°C). Ini di atas titik leleh PTFE. Partikel PTFE menyatu dan material menjadi seperti gel. Kemudian PTFE didinginkan secara bertahap. Billet yang sudah jadi dapat dikirim ke pelanggan, yang akan mengiris atau mencukurnya menjadi potongan-potongan yang lebih kecil, untuk diproses lebih lanjut.

Polimerisasi dispersi

• 6 Polimerisasi PTFE dengan metode dispersi menghasilkan bubuk halus atau zat seperti pasta, yang lebih berguna untuk pelapis dan pelapis. TFE dimasukkan ke dalam reaktor berisi air bersama dengan bahan kimia pemicu. Alih-alih dikocok kuat-kuat, seperti dalam proses suspensi, ruang reaksi hanya diaduk perlahan. PTFE terbentuk menjadi manik-manik kecil. Sebagian air dihilangkan, dengan menyaring atau menambahkan bahan kimia yang menyebabkan butiran PTFE mengendap. Hasilnya adalah zat seperti susu yang disebut dispersi PTFE. Ini dapat digunakan sebagai cairan, terutama dalam aplikasi seperti pelapis kain. Atau mungkin dikeringkan menjadi bubuk halus yang digunakan untuk melapisi logam.

Peralatan masak antilengket

• 7 Salah satu penggunaan PTFE yang paling umum dan terlihat adalah pelapis untuk panci dan wajan antilengket. Panci harus terbuat dari aluminium atau paduan aluminium. Permukaan panci harus disiapkan secara khusus untuk menerima PTFE. Pertama, panci dicuci dengan deterjen dan dibilas dengan air, untuk menghilangkan semua lemak. Kemudian panci dicelupkan ke dalam rendaman hangat asam klorida dalam proses yang disebut etsa. Etching membuat permukaan logam menjadi kasar. Kemudian panci dibilas dengan air dan dicelupkan lagi ke dalam asam nitrat. Akhirnya dicuci lagi dengan air deionisasi dan dikeringkan secara menyeluruh.
• 8 Sekarang panci siap untuk dilapisi dengan dispersi PTFE. Lapisan cair dapat disemprotkan atau digulung. Pelapisan biasanya diterapkan dalam beberapa lapisan, dan dapat dimulai dengan primer. Riasan yang tepat dari primer adalah rahasia eksklusif yang dipegang oleh produsen. Setelah primer diterapkan, panci dikeringkan selama beberapa menit, biasanya dalam oven konveksi. Kemudian dua lapisan berikutnya diterapkan, tanpa periode pengeringan di antaranya. Setelah semua lapisan diterapkan, panci dikeringkan dalam oven dan kemudian disinter. Sintering adalah pemanasan lambat yang juga digunakan untuk menyelesaikan billet. Jadi biasanya, oven memiliki dua zona. Pada zona pertama, panci dipanaskan perlahan-lahan sampai suhu yang akan menguapkan air di lapisan. Setelah air menguap, panci bergerak ke zona yang lebih panas, yang mensinter panci pada suhu sekitar 800 °F (425 °C) selama sekitar lima menit. Ini membuat PTFE menjadi gel. Kemudian panci dibiarkan dingin. Setelah pendinginan, siap untuk setiap langkah perakitan akhir, dan pengemasan dan pengiriman.

Kontrol Kualitas

Langkah-langkah pengendalian kualitas dilakukan baik di fasilitas manufaktur PTFE utama dan di pabrik di mana langkah-langkah pemrosesan lebih lanjut, seperti pelapisan, dilakukan. Di fasilitas manufaktur utama, prosedur industri standar diikuti untuk menentukan kemurnian bahan, akurasi suhu, dll. Produk akhir diuji kesesuaiannya dengan standar. Untuk PTFE dispersi, ini berarti viskositas dan berat jenis dispersi diuji. Tes lain juga dapat dilakukan. Karena Teflon adalah produk bermerek dagang, produsen yang ingin menggunakan nama merek untuk suku cadang atau produk yang dibuat dengan Teflon PTFE harus mengikuti pedoman kontrol kualitas yang ditetapkan oleh Du Pont. Dalam kasus produsen peralatan masak antilengket, misalnya, pembuat peralatan masak mematuhi Program Sertifikasi Mutu Du Pont, yang mengharuskan mereka memantau ketebalan lapisan PTFE dan suhu pemanggangan, dan melakukan uji daya rekat beberapa kali selama setiap shift.

Produk Sampingan/Limbah

Meskipun PTFE sendiri tidak beracun, pembuatannya menghasilkan produk sampingan yang beracun. Ini termasuk asam fluorida dan karbon dioksida. Area kerja harus berventilasi memadai untuk mencegah paparan gas saat PTFE dipanaskan, atau saat mendingin setelah sintering. Dokter telah mendokumentasikan penyakit tertentu yang disebut demam asap polimer yang diderita oleh pekerja yang menghirup produk sampingan gas dari manufaktur PTFE. Pekerja juga harus dilindungi dari menghirup debu PTFE saat suku cadang PTFE dipasang.

Beberapa limbah yang dibuat selama proses pembuatan dapat digunakan kembali. Karena PTFE pada awalnya sangat mahal untuk diproduksi, produsen memiliki insentif tinggi untuk menemukan cara menggunakan bahan bekas. Limbah atau puing-puing yang dihasilkan dalam proses manufaktur dapat dibersihkan dan dibuat menjadi bubuk halus. Bubuk ini dapat digunakan untuk pencetakan, atau sebagai aditif untuk pelumas, minyak, dan tinta tertentu.

Bagian PTFE bekas harus dikubur di tempat pembuangan sampah, tidak dibakar, karena pembakaran pada suhu tinggi akan melepaskan hidrogen klorida dan zat beracun lainnya. Satu studi yang dirilis pada tahun 2001 mengklaim bahwa PTFE juga terdegradasi di lingkungan menjadi salah satu zat yang beracun bagi tanaman. Ini adalah trifluoroasetat, atau TFA. Sementara tingkat TFA saat ini di lingkungan rendah, zat tersebut bertahan untuk waktu yang lama. Jadi polusi TFA mungkin menjadi perhatian untuk masa depan.

Tempat Belajar Lebih Lanjut

Buku

Ebnesajjad, Sina. Fluoroplastik. Norwich, NY:Perpustakaan Desain Plastik, 2000.

Majalah

Friedel, Robert, dan Alan Pilon. "Penemu yang Tidak Disengaja." Temukan (Oktober 1996):58.

Gorman, J. "Lingkungan Terjebak dengan Lapisan Antilengket." Berita Sains (21 Juli 2001):36.

Angela Hutan