Polytétrafluoroéthylène

Le polytétrafluoroéthylène, est un fluoro polymère issu du tétrafluoroéthylène.


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Lubrifiant - Matériau - Polymère - Diélectrique

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Polytétrafluoroéthylène
Teflon structure.PNG
PTFE-3D-vdW.png
Structure du PTFE.
Général
Nom IUPAC Poly (difluorométhylène)
Synonymes Polytétrafluoroéthène, PTFE, Teflon-PTFE, Teflon, Téflon (dans le langage familier) [1]
No CAS 9002-84-0
SMILES
Apparence solide blanc inodore
Propriétés chimiques
Formule brute C2F4  [Isomères]
Masse molaire[2] 100, 015 ± 0, 0016 g·mol-1
C 24, 02 %, F 75, 98 %,
Propriétés physiques
T° transition vitreuse environ -30 °C
T° fusion 327 °C [3]
Solubilité insoluble
Masse volumique 2, 16 g·cm−3 [3]
Conductivité thermique 0, 25 W·m-1·K-1[4]
Propriétés électroniques
constante diélectrique 2, 1 (60 Hz) [4]
2, 1 (1 kHz, 25 °C)
2, 1 (1 MHz, 25 °C)
2, 1 (1 GHz, 25 °C) [5]
Cristallographie
Structure type semi-cristalline
Propriétés optiques
Indice de réfraction nˆ{ 20 }_{  }  1, 35 [4]
Transparence opaque sauf films particulièrement minces amorphes[6]
Précautions
SIMDUT[8]
Produit non contrôlé
Classification du CIRC
Groupe 3 : Inclassable quant à sa cancérogénicité pour l'Homme[7]
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le polytétrafluoroéthylène (sigle PTFE), est un fluoropolymère issu du tétrafluoroéthylène.

Ce polymère technique a été découvert par hasard en 1938 par le chimiste Roy J. Plunkett (1910-1994) œuvrant pour la société Du Pont de Nemours. Il fut introduit commercialement en 1949. Il est commercialisé sous les marques déposées Teflon, Hostalen, Hostaflon ou Fluon. La marque la plus connue est Teflon de Du Pont de Nemours.

Il possède des propriétés remarquables qui le distinguent des autres polymères thermoplastiques, surtout une excellente résistance thermique et chimique, ainsi qu'un cœfficient de frottement extrêmement faible.

Dans la vie courante, le Téflon est beaucoup utilisé comme revêtement antiadhésif dans les ustensiles de cuisine.

Le PTFE est doux, aisément déformable, semi-cristallin, opaque, blanc et alimentaire. Son allongement est élevé (propriétés mécaniques de type élastomère) et sa résistance aux contraintes ainsi qu'aux radiations est faible. Il présente une remarquable résistance à la majorité des produits chimiques, un cœfficient de frottement extrêmement faible et reste stable à température élevée (jusqu'à 327 °C) [9]. Ces propriétés inhabituelles lui confèrent une valeur inestimable pour la plupart d'applications.
Le polytétrafluoroéthylène est d'autre part l'unique matériau auquel les pattes de la majorité des geckos arboricoles n'adhèrent pas.

Utilisations

Le Téflon s'avère précieux dans les applications où ses propriétés spécifiques sont indispensables (industries chimique et textile, électronique, etc. ).


Le PTFE représente à peu près 90 % de la consommation de fluoropolymères, soit ∼ 20 000 t/an.
Dans l'industrie, il est utilisé dans les roulements, les joints, l'isolation électrique à hautes températures, les revêtements et garnitures non adhésives pour les cuves, etc. Dans la vie courante, il forme le revêtement de certains ustensiles de cuisine et s'utilise en ruban afin d'assurer l'étanchéité de montages filetés.

Enfin, le PTFE est quelquefois utilisé pour les gaines des bus informatiques.

Propriétés

Chimiques

Généralement excellente inertie chimique, surtout avec les acides (oléum, eau régale, acide nitrique fumant), les bases (soude ou potasse concentrées), les alcools, les cétones et les hydrocarbures. Il résiste à l'acide fluoroantimonique, l'acide le plus fort connu aujourd'hui, qui dissout le verre.
Le PTFE n'est pas compatible avec la diéthylamine, le diméthyl-formamide, le fluor et le cyanure aureux.

Thermiques

Température de fusion : 342 °C (vierge) 327 °C (fritté) [6] (thermostable)
Température de transition vitreuse : à peu près -30 °C
Températures limites d'emploi (usage permanent)  : -150 à 250 °C[6] (un des plus larges intervalles d'utilisation des polymères thermoplastiques)
Chaleur spécifique : 1 000 J·K-1·kg-1
Cœfficient d'expansion thermique : 100 à 160×10-6 K-1
Température de déflection à la chaleur (HDT[10]) à 0, 45 MPa : 120 °C
Température de déflection à la chaleur (HDT) à 1, 8 MPa : 54 °C

Physiques

Masse volumique : 2, 15 kg·dm-3 pour 50 % de cristallinité[11]
Absorption d'eau sur 24 heures : 0, 01 % (hydrophobe)
Indice limite d'oxygène (ILO)  : 95 % (valeur particulièrement élevée, matière ininflammable, auto-extinguible)
Perméabilité au diazote à 25 °C : 1×1013 cm2·s-1·Pa-1
Perméabilité au dihydrogène à 25 °C : 7×1013 cm2·s-1·Pa-1
Perméabilité au dioxyde de carbone à 25 °C : 7×1013 cm2·s-1·Pa-1
Perméabilité au dioxygène à 25 °C : 3×1013 cm2·s-1·Pa-1
Perméabilité à l'eau à 25 °C : 25×1013 cm2·s-1·Pa-1
Résistance aux ultra-violets : excellente

Mécaniques

Le comportement mécanique est de type élastomère et semblable entre -80 et 250 °C.

Dureté Shore D : 50-65
Dureté Rockwell : 25
Module de Young : 300 à 800 MPa
Résistance à la traction : 10 à 40 MPa
Allongement à la rupture : 100 à 400 %
Cœfficient de frottement : 0, 05 à 0, 2
Résistance au choc Izod : pas de rupture[6]
Cœfficient de Poisson : 0, 46

Électriques

Les propriétés électriques du PTFE sont exceptionnelles.

Permittivité relative à 1 MHz : 2, 0 à 2, 1
Facteur de dissipation à 1 MHz : 0, 0003 à 0, 0007
Rigidité diélectrique : 15 à 17 kV·mm-1
Résistivité : 1018 à 1019 Ω·cm

Inconvénients

Les autres fluoropolymères ont été développés pour atténuer ces inconvénients.
A titre d'exemple, le polytrifluorochloroéthylène (PCTFE, issu du monomère CFCl=CF2) (point de fusion ∼ 213 °C) se transforme légèrement plus aisément que le PTFE. Il montre un intervalle d'emploi (en usage permanent) de -250 à 150 °C[6]. Il offre une tenue au froid et des propriétés mécaniques[12] meilleures que le PTFE, par contre sa tenue thermique et chimique est moindre.

Toxicité

Le PTFE est chimiquement inerte et non toxique à basse température, mais commence à émettre des produits toxiques à 230 °C (température normalement atteinte par une poêle après 2 à 5 minutes d'utilisation normale). La décomposition du PTFE génère au-delà de 350 °C des émissions quelquefois mortelles pour les oiseaux, pouvant causer des symptômes s'apparentant à la grippe chez les humains[13].

Par comparaison, les graisses de cuisine (huiles et beurres) commencent à brûler autour de 200 °C. Une étude de 1959 a conclu que la toxicité des émanations du revêtement (par chauffage sec) était moindre que celle des fumées générées par des huiles de cuisine surchauffées[14].

En 1973, une étude a confirmé ces résultats qui ont précédé. Elle a, qui plus est , montré que l'exposition aux produits de cuisson du beurre à 260 °C, pendant quatre heures, dans une poêle sans revêtement, était toxique à 100 % (mortelle) pour les perruches alors que les mêmes conditions avec une poêle à revêtement n'entraînait aucun décès chez les animaux jusqu'à 280 °C[15]. D'autre part, au cours des quarante dernières années, les poêles antiadhésives ont été beaucoup utilisées et il n'a été reporté qu'un cas mineur ayant un effet limité sur la santé et lié à la surchauffe d'une poêle[16].

En 2005, l'Agence de protection de l'environnement des États-Unis (EPA) a découvert que l'acide perfluorooctanoïque (APFO ou PFOA en anglais, aussi connu sous le nom de C8), un produit chimique clef utilisé pour fabriquer le Téflon, était cancérigène. Cette découverte est une partie d'un rapport (en anglais) [17] qui est en cours de relecture avant acceptation finale.

Les laboratoires DuPont qui le commercialisent ont été condamnés à payer plus de 16 millions de dollars aux autorités sanitaires des États-Unis pour avoir dissimulé certains risques potentiels[18]. Des études ont montré que l'APFO provoque des cancers chez l'animal[réf.  nécessaire].

Une action en justice, menée par 60 000 habitants résidant près d'usines américaines du groupe, a condamné DuPont à dépenser 345 millions de dollars pour les dédomager et l'obliger à stopper l'émission d'APFO dans l'eau et le sol. À ce jour, ce produit chimique n'est pas accepté par l'EPA. En 2007, parmi d'autres composés perfluorés, l'acide perfluorooctanoïque, connu persistant dans l'environnement, et accumulable dans les tissus adipeux des organismes vivants, toxique pour l'homme et les animaux a été trouvé[19] dans le sang du cordon ombilical de 100 % de 299 nouveau-nés testés à Baltimore, ce qui montre une contamination intra-utérine généralisée dans cette région. D'autres composés perfluorés ont été trouvés, mais à des doses plus faibles et/ou chez moins de sujets.

En janvier 2006, DuPont, l'unique compagnie à utiliser l'APFO en usine sur le territoire américain, a annoncé son intention de supprimer les émissions de ce produit pour 2015. Elle recherche aujourd'hui un substitut et n'a par conséquent pas prévu de ne plus l'utiliser, ce produit étant essentiel dans la production du Téflon. Cette annonce englobe l'ensemble des produits de la société utilisant le Téflon. En effet, l'APFO est utilisé dans le processus de fabrication du Téflon, qui sert autant pour les ustensiles de cuisine antiadhésifs (pour lesquels il ne doit pas y avoir de traces mesurables d'APFO dans le produit fini) que pour les emballages, vêtements et revêtements pour le sol.

En 2010, une étude scientifique a montré une corrélation entre la présence d'AFPO et de SFPO dans le sang et une élevation du taux de cholestérol[20].

Aspects environnementaux

Les effets indirects du PTFE est le fait qu'il peut produire des gaz à effet de serre dans l'atmosphère quand chauffé. En effet à 600 °C il y a production de PFB (polyfluorobutène) ainsi qu'à 650 °C de tétrafluorure de carbone (CF4) [réf.  nécessaire][21]. Ces dernières[Lesquelles ?] possèdent un lien covalent qui est polarisé, absorbant la lumière qui est réflectée du soleil (parmi 30 % de la lumière qui est reflétée, 15 % est absorbée par les gaz à effet de serre par les vibrations de cisaillement de la molécule).

Le problème du CF4 et du PFB est que ces molécules possèdent un temps de vie particulièrement élevé (par exemple 50 000 ans pour le CF4) et une puissance relative de réchauffement de la planète par kilo intégré pour 100 ans de 6 500[22]. Si on comparait à ce que contribue le CO2, il possèderait un temps de vie 1 000 fois plus long. Il faudra aussi noter que le taux de croissance annuelle augmente de 2 % pour le CF4 comparativement au CO2 qui est de l'ordre de 0, 4 %.

Problème : l'usage des chlorofluorocarbures (CFC) ayant été banni il y a quelques années, ceux-ci ont été remplacés par d'autres contribuants (par exemple CF4) non moins puissants en potentiel de réchauffement et possédant cette fois-ci un temps de résidence 500 fois plus long. Non seulement la dégradation à haute température du PTFE se fait ressentir dans le réchauffement de la planète, mais il se fait aussi ressentir dans les eaux souterraines, lacs, la mer et chez les animaux. En fait la plus haute concentration qui se fait ressentir parmi les PFC (composés perfluorés) est celle du PFOA.

Le PFOA fait partie des POP (polluants organiques persistants) par conséquent ne se décompose pas ou peu dans la nature. Le PFOA a été retrouvé au pôle chez les ours polaires, poissons, chez l'humain et dans l'ensemble des océans du monde[23]. Le PFOA est bioaccumulable et bioaugmentable.

Il y a peu de temps des études donnant la possibilité de la dégradation du PFOA sont en vigueur dans le monde. En fait les études montrent la dégradation du PFOA en présence de Fe (III) et sous lumière UV à 254 nm[24]. Ainsi des analyses chimiques liées à la production du PTFE seraient de plus en plus demandées dans le monde. Et par conséquent, le domaine de la chimie environnementale analytique serait en plein essor.

Aspects analytiques

Le PFOA provient de la décomposition du polytétrafluoroéthylène à 360 °C[25]. Ce composé est connu par sa toxicité accrue et son effet cancérigène chez l'homme et chez les animaux[26]. Il est préoccupant dans la mesure où il persiste dans l'environnement et s'accumule dans le corps humain[27]. Cependant, différentes méthodes d'analyses ont été mises au point pour déterminer et quantifier ces composés[Lesquels ?] dans différents milieux (eaux, sang, sérum, foie, plasma, sols, air, ustensiles de cuisine, etc.. ).

Analyse dans les eaux

Des analyses de PFOA et d'autres composés PFC[Lesquels ?] ont été effectuées dans le bassin du fleuve en Italie dans le courant de l'année 2006 pour déterminer les concentrations de PFOA déversé dans l'Adriatique. La méthode d'analyse utilisée dans ce cas-ci est la SPE (Solid Phase Extraction) et la LC/MS/MS (chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem) [28].

La SPE est une technique de préparation d'échantillon basée sur l'adsorption sélective des analyses sur une surface solide.

La LC/MS/MS sert à faire la séparation et la quantification des composés. L'avantage de cette méthode est qu'elle sert à faire le dosage simultané des substances de structures différentes. Elle est pourvue d'une grande sensibilité, spécificité accrue et particulièrement haute sélectivité, rapidité, amélioration du S/N (rapport signal/bruit), exactitude et précision inégalée, réduction de la limite de détection, mais coûteuse.

Les analyses ont été faites en collectant des échantillons d'eaux de différentes rivières sur une période allant de février à mars 2007. Ces analyses ont révélé des fortes concentrations de PFOA pour la rivière Tánara au courant de l'année 2007 soit 1270 ng/l et des concentrations variant de 60 à 337 ng/l pour le fleuve Pô au courant de l'année 2006 pour les différentes dates d'échantillonnages. La limite de détection pour les analyses de PFOA est de 100 pg/l. À partir de ces concentrations et du débit des rivières, la quantité de PFOA a été déterminée pour l'année 2006 soit une masse ∼ 0, 3 kg/heure de PFOA ou ∼ 2, 6 tonnes/année qui a été déposée dans la mer Adriatique (une partie de la mer Méditerranée) [29].

Analyse dans les tissus

Des analyses ont été faites pour la détermination des acides perfluorocarboxyliques (PFCA en anglais) en utilisant la chromatographie gaz-liquide (GLC en anglais) avec un détecteur à capture d'électron (ECD). Cette analyse a permis d'extraire efficacement le PFOA (perfluorooctanoic acid), le PFNA (perfluorononanoic acid) et le PFDA (perfluorodecanoic acid) dans le foie des rats méthylés avec le diazométhane puis scindé par GLC. Les concentrations obtenues de PFDA dans le foie de rat 24 heures après une dose administrée de 20 mg·kg-1 par poids du corps était de 113, 9 ± 11, 4 µg/g de foie[30].

Néanmoins, de nouvelles études sont en cours d'évaluation concernant la persistance du PFOA et ses envisageables effets sur la santé de l'environnement mais aussi la santé humaine.

Citations

Une blague tirée d'un sketch : «Selon la pub : rien n'adhère au Téflon ! Comment font-ils pour accrocher le Téflon aux poêles ?» [réf.  nécessaire]

La solution : Comme le Téflon ne colle pas naturellement au métal, les premières poêles antiadhésives étaient plutôt fragiles et il fallait utiliser des ustensiles spéciaux pour ne pas égratigner le revêtement. La technique s'est largement perfectionnée depuis. Les procédés de fabrication sont secrets mais quelques idées circulent : une des possibilités serait qu'on sable en premier lieu le fond de la poêle pour le rendre rugueux. Par la suite, on enduit la surface d'un apprêt spécial. Finalement, on applique le Téflon sur l'apprêt. Même si le Téflon ne se combine pas chimiquement au métal, il est tout de même envisageable de le faire adhérer mécaniquement, c'est-à-dire en faisant en sorte qu'il s'introduise et s'agrippe dans les petites fentes et crevasses à la surface de la poêle.

Une alternative : On dépose des polymères en plusieurs couches sur le métal. On débute par un polymère qui adhère bien au métal et qui ressemble vaguement au Téflon. La seconde couche est un autre polymère qui adhère au polymère de la couche précédente, mais qui ressemble plus au Téflon. On fait ces applications jusqu'à ce qu'on applique le Téflon.

Notes et références

  1. Claude K. W. Friedli, Chimie générale pour ingénieur, Presses polytechniques et universitaires romandes, 2005 (ISBN 2880744288) , p.  471 [lire en ligne sur Google livres]
  2. Masse molaire calculée selon Atomic weights of the elements 2007 sur www. chem. qmul. ac. uk
  3. Entrée du numéro CAS «9002-84-0» dans la base de données de produits chimiques GESTIS de la BGIA (organisme allemand responsable de la sécurité et de la santé au travail) (allemand, anglais), accès le 8 février 2009 (JavaScript indispensable)
  4. (en) J. G. Speight, Norbert Adolph Lange, Lange's handbook of chemistry, McGraw-Hill, 2005, 16e éd. , 1623 p. (ISBN 0071432205) , p.  2.807 et 2.748 
  5. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc, 2009, 90e éd. , Relié, 2804 p. (ISBN 978-1-420-09084-0)  
  6. Selon Monnet : conférence CPT avril-mai 1974. Disponible dans : Jean Bost, Matières plastiques : chimie-applications, Technique & Documentation Lavoisier, Paris, 1980 (ISBN 285206068X)
  7. IARC Working Group on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans, «Évaluations Globales de la Cancérogénicité pour l'Homme, Groupe 3 : Inclassables quant à leur cancérogénicité pour l'Homme» sur http ://monographs. iarc. fr, CIRC, 16 janvier 2009. Consulté le 22 août 2009
  8. «Teflon» dans la base de données de produits chimiques Reptox de la CSST (organisme québécois responsable de la sécurité et de la santé au travail), consulté le 25 avril 2009
  9. Son excellente tenue thermique et chimique est due à la grande stabilité de la liaison C-F (liaison de forte énergie : 485 kJ/mol).
  10. Heat deflection temperature en anglais.
  11. Le PTFE possède la valeur de masse volumique la plus élevée des matières plastiques.
  12. Son module d'élasticité est supérieur à celui du PTFE.
  13. (en) Can Teflon make you sick?, Medical News Today
  14. Dale Blumenthal, «Is That Newfangled Cookware Safe?». Consulté le 20 mai 2006
  15. Griffith, F. D. ; Stephens, S. S. ; Tayfun, F. O. Exposure of Japanese quail and parakeets to the pyrolysis products of fry pans coated with Teflon and common cooking oils. American Industrial Hygiene Association Journal (1973), 34 (4), pp. 176-178.
  16. About Teflon®. Consulté le 20 mai 2006
  17. Perfluorooctanoic Acid Human Health Risk Assessment Review Panel. Consulté le 20 mai 2005.
  18. (en) Andrew Eder, DuPont gets more time to test PFOA, The News Journal, Environmental Working Group, publié le 10 février 2009. Consulté le 1 octobre 2009
  19. Étude de l'école de santé publique Johns Hopkins Bloomberg, publiée par Environmental science and technology.
  20. Les poêles anti-adhésives faciliteraient-elles le cholestérol ?, sur le site de Futura-Sciences
  21. Canaries in the kitchen. Environmental Working Group [online]. Available at : http ://ewg. org/reports/toxicteflon/es. php. Accessed March 15, 2006
  22. Baird, 1995 et Bunce, 1994, Vanloon et Duffy, 2000, Environnement Canada, 1997
  23. N. Yamshita, K. Kannan, S. Taniyasu, Y. Horii, G. Petrick, T. Gamo, Marine Pollution Bulletin, 51, (2005) 658–668
  24. H. Hori, A Yamamoto, K. Koike, S. Kutsuna, I. Osaka, R. Arakawa, Chemosphere, 71, 2008, 206-313
  25. Canaries in the kitchen :Teflon toxicosis. Environmental Working Group [on line]. Published May 14, 2003. Available at : http ://ewg. org/reports/toxicteflon/es. php. Accessed March 08, 2008
  26. Dupont's Teflon Cover. Environmental Working Group [on line]. Published Mar 22, 2006. Available at : http ://environmentalchemistry. com/yogi/environmental/200603tefloncoverup-pg3. html. Accessed March 08, 2008
  27. Environnement Canada. Plan d'action pour l'évaluation et la gestion de risque des acides perfluorocarboxyliques (APFC) et de leurs précurseurs [en ligne]. Publié en juin 2006. disponible sur le site http ://www. ec. gc. ca/nopp/DOCS/rpt/PFCA/fr/actionPlan. cfm, consulté l5 janvier 2008
  28. R. Loos et al, Chemosphere, 71, 2008, 306-313
  29. R. Loos et al, Chemosphere, 71, 2008, 306-313, available [on line] at http ://www. sciencedirect. com. Accessed March 08, 2008
  30. N. Kudo, N. Bandai, Y. Kawashima, Toxicologie Letters, 99, 12 novembre

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Liens externes

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