Polytetrafluoroethylene (PTFE), Perfluoroalkoxy alkane (PFA), and Fluorinated ethylene propylene (FEP)
Политетрафторэтилен (PTFE) перфторалкоксиалкан (PFA) и фторированный этилен-пропилен (FEP)

A few months ago, I watched a video about a superacid composed of antimony pentafluoride and anhydrous hydrogen fluoride (HF + SbF₅). The video claimed that this superacid could even dissolve wax candles! It was stored in a bottle made of a transparent polymer. Given the extreme chemical resistance required, I initially assumed the container was made of polytetrafluoroethylene (PTFE), a material well known for its high resistance to chemicals.

As its name suggests, polytetrafluoroethylene (PTFE) is a polymer of tetrafluoroethylene, (-CF₂-CF₂-)_n. Due to its excellent chemical resistance, mechanical strength, and electrical insulation properties, PTFE is widely used in chemical laboratories and industry.

However, PTFE products are typically white and opaque, whereas the container in the video was transparent, resembling polyethylene.

After several frustrating attempts to understand the video (and cursing my poor English), I finally realized that the bottle was made of perfluoroalkoxy alkane (PFA). This material is a copolymer of tetrafluoroethylene and perfluorinated ethers, C₂F₃OR, where R is a perfluorinated alkyl radical, the simplest being -CF₃.

PFA shares many properties with PTFE, but there are key differences. For instance, PFA has even higher chemical resistance than PTFE. However, PTFE is more scratch-resistant and less expensive.

Another significant difference lies in their processing methods. PFA, like polyethylene, polypropylene, and polystyrene, is a thermoplastic that can be molded in its molten state to form various products. Thermoplastics are characterized by their ability to transition into a fluid state upon heating without decomposition, which makes them much easier to process.

Formally, PTFE is also classified as a thermoplastic. However, unlike other thermoplastics, PTFE cannot be processed via conventional melt processing methods. This is because PTFE begins to decompose at temperatures far below its melting point and has an extremely high melt viscosity.

As a result, PTFE is processed using techniques more typical of thermosetting polymers - materials that undergo irreversible chemical transformations upon heating, preventing them from becoming fluid. Examples of thermosetting polymers include phenol-formaldehyde and epoxy resins.

Unlike true thermosets, PTFE pieces can be welded together when heated, but this process is complex. It requires a vacuum chamber and temperatures close to PTFE's decomposition threshold.

In my laboratory work, I frequently use PTFE products, but I had never encountered PFA items before and never expected to.

That would have remained the case, but a colleague of mine has a habit of collecting all kinds of laboratory-related items - glassware, reagents, and equipment. He rarely uses them in his work, yet he has amassed an impressive stockpile of chemistry-related things.

Recently, my colleague proudly announced that he had bought "transparent PTFE" and showed me a transparent tube. I had seen PTFE tubes many times before, but they were always white and opaque. However, this tube was completely colorless and transparent.

I immediately suspected that the tube was not made of PTFE but rather of PFA. My colleague decided to verify this experimentally. He cut a piece from a white PTFE tube and secured it in place. Next to it, he fixed a piece of the transparent tube, which was likely made of PFA. He then directed a burner flame at both samples while attempting to stretch them with tweezers.

The transparent tube softened and could be easily stretched - typical behavior for thermoplastic polymers, including PFA.

The white PTFE tube turned transparent when heated but remained difficult to stretch. When exposed to stronger heating, the end of the tube began to char, exhibiting behavior characteristic of PTFE.

Neither sample ignited in the flame.

This experiment confirmed that the transparent tube was not made of PTFE but rather of PFA or another similar perfluorinated polymer.

Later, I came across literature describing another polymer similar to PTFE and PFA that has gained widespread use - fluorinated ethylene propylene (FEP). This material is a copolymer of tetrafluoroethylene and hexafluoropropylene. Like PFA, FEP is transparent and colorless and can be melt-processed. However, it has lower chemical resistance compared to PTFE.

Photos/Video

Политетрафторэтилен (PTFE) перфторалкоксиалкан (PFA) и фторированный этилен-пропилен (FEP)

Несколько месяцев назад посмотрел видео, посвященное суперкислоте, состоящей из пентафторида сурьмы и безводного фтористого водорода (HF + SbF₅). Утверждается, что она растворяет даже восковые свечи! Суперкислота HF + SbF₅ хранилась в бутылочке из прозрачного полимера. Логично было бы предположить, что материал тары - политетрафторэтилен (фторопласт-4, тефлон, polytetrafluoroethylene, PTFE), который обладает высокой химической стойкостью, абсолютно необходимой в данном случае.

Как следует из названия, политетрафторэтилен (PTFE) представляет собой полимер тетрафторэтилена, (-CF₂-CF₂-)_n. Благодаря высокой химической стойкости, прочности и хорошим электроизоляционным свойствам политетрафторэтилен широко используется в химических лабораториях и в промышленности.

Однако, изделия из политетрафторэтилена обычно белые и непрозрачные, а данный материал был прозрачным, словно полиэтилен.

Проклиная плохое знание английского, после нескольких попыток я таки смог понять из видео, что бутылочка состояла из перфторалкоксиалкана (perfluoroalkoxy alkane, PFA). Данный материал представляет собой сополимер тетрафторэтилена и перфторированных эфиров C₂F₃OR, где R - перфторированный алкильный радикал, в простейшем случае: -CF₃.

Перфторалкоксиалкан (PFA) аналогичен по свойствам политетрафторэтилену PTFE, однако есть и отличия. Начнем с того, что PFA обладает более высокой химической стойкостью, чем PTFE. Зато PTFE является более устойчивым к царапинам и более дешевым.

Есть и другое важное отличие между данными двумя полимерами. PFA можно обрабатывать формованием в расплавленном состоянии, чтобы получать из полимера различные изделия. Подобным образом ведут себя полиэтилен, полипропилен, полистирол и другие термопластические полимеры (thermoplastic). Для данного класса полимеров характерен обратимый переход в текучее состояние при нагревании (без разложения или изменения свойств), что является большим практическим преимуществом. Расплавленную массу проще и удобнее обрабатывать, чем твердый полимер.

Формально PTFE также относится к термопластическим полимерам. Однако, изготовление изделий из PTFE обработкой в жидком состоянии не практикуется. Этим PTFE отличается от других термопластических полимеров, таких как полиэтилен. Аналогично полиэтилену, PTFE плавится при нагревании, однако, он начинает разлагаться задолго до перехода в расплавленное состояние. К тому же расплав PTFE обладает высокой вязкостью.

Следовательно, для обработки PTFE приходится использовать менее удобные методы, характерные для термореактивных полимеров. Данные полимеры при нагревании претерпевают необратимые химические превращения, в результате они не переходят в текучее состояние. Например, так ведут себя фенолформальдегидные и эпоксидные смолы.

В отличии от термореактивных полимеров, сварка кусков PTFE при нагревании возможна. Однако, процесс этот сложный: требуется вакуумная камера и температуры, близкие к температуре разложения PTFE.

Работая в лаборатории, мне приходилось часто сталкиваться с изделиями из PTFE. Зато изделия из PFA я никогда не видел, и не рассчитывал, что мне когда-то доведется иметь с ними дело.

Так бы и было, однако, коллега занимается коллекционированием всего, что связано с химической лабораторией: посуды, реактивов, оборудования. В работе все это он использует редко, зато накопил большие залежи нужных химикам вещей.

Недавно он похвастался, что купил "прозрачный PTFE", показывая прозрачную трубку. Мне много раз приходилось видеть трубки из PTFE: все они были белыми и непрозрачными. Однако, эта трубка была бесцветной и прозрачной. Я предположил, что материал трубки был не PTFE, а PFA - коллега сразу же решил это проверить. Он отрезал кусок белой PTFE трубки, закрепил. Рядом закрепил прозрачный отрезок трубки из вероятного PFA. По очереди направил на трубки пламя горелки, одновременно пытаясь растянуть их пинцетом.

Прозрачная трубка размякла и легко удлинялась. Так ведут себя термопластические полимеры, в частности - PFA.

Белая трубка из PTFE при нагревании стала прозрачной, но она почти не вытягивалась пинцетом. При более сильном нагревании конец трубки стал обугливаться: материал вел себя как PTFE.

Оба образца не загорелись в пламени.

Значит, прозрачная трубка была сделана не из PTFE, а из PFA или другого аналогичного перфторированного полимера.

Позже я нашел в литературе, что распространение получил еще один полимер, похожий на PTFE и PFA. Он называется FEP (fluorinated ethylene propylene) и является сополимером тетрафторэтилена и гексафторпропилена. Данный полимер прозрачен и бесцветен, менее химически стоек, чем PTFE, зато аналогично PFA его формуют в расплавленном состоянии.

Download the Video (82 Mb, .avi )

[ Polymers, Monomers, Natural Polymers, Plastics, Natural products ] [ Hydrofluoric Acid, Fluorine, Fluorides ]

Experiments with Polymers and Monomers - Discussion on the forum
Hydrofluoric Acid, Fluorine, Fluorides - Discussion on the forum
[Submit a Comment / Error Message - Отправить Комментарий / Сообщение об ошибке]