Téflon & Cie

De son vrai nom polytétrafluoroéthylène (PTFE ) ou, encore mieux, poly(difluorométhylène), le téflon est une marque déposée en 1945 passée dans le langage courant. C’est un chimiste de 27 ans de Kinetic Chemicals, filiale de DuPont de Nemours et General Motors, Roy Plunkett, travaillant sur la mise au point d’un nouveau réfrigérant, qui découvrit par hasard ce matériau. Il avait constaté qu’un cylindre ayant contenu du tétrafluoroéthylène (cf. Fluor) sous pression avait, à vide, un poids supérieur à celui indiqué pour la tare. C’est en sciant le cylindre qu’il constata la présence d’un matériau d’apparence cireuse qui résistait à une température de 260 °C et révélait des propriétés antiadhésives exceptionnelles.

Le tétrafluoroéthylène est préparé à partir du chloroforme (cf. Chloroforme) selon les réactions suivantes :
CHCl₃ + 2 HF ———> CHClF₂ + 2 HCl
2 CHClF₂ ———> CF2=CF₂ + 2 HCl

Dans le procédé DuPont, le tétrafluoroéthylène est ensuite polymérisé en émulsion en présence d’un tensioactif, le perflurooctanaoate d’ammonium, produit qui fut reconnu en 2005 comme cancérigène par l’agence américaine de l’environnement (EPA), déclenchant une forte controverse sur la présence de ce composé dans les produits finals. En fait, la teneur maximale d’acide perfluorooctanoïque (PFOA) dans les produits manufacturés à base de téflon serait de l’ordre de 1,5 à 4,5 ppb (parties par milliard), mais il est surtout présent dans les effluents aqueux de ce procédé et DuPont de Nemours devrait cesser d’employer cet émulsifiant en 2015.

Le point de fusion est de 327 °C et contrairement aux thermoplastiques classiques (polyéthylène, polypropylène, PVC qui peuvent être injectés), sa mise en œuvre est difficile et particulière, son façonnage nécessitant d’avoir recours aux procédés de frittage et d’extrusion. En 1960, DuPont de Nemours commercialise le Teflon FEP, copolymère de tétrafluoroéthylène et de tétrafluoropropylène qui peut être modelé à l’état fondu.

Les PTFE sont linéaires avec ou sans chaînes latérales. Par exemple le Teflon 62 présente des chaînes latérales -O-C₃F₇. Ces ramifications ont pour effet de diminuer la cristallinité et par conséquent de l’anisotropie des propriétés mécaniques. En 1970, Du Pont de Nemours commercialise le Tefzel®, copolymère modifié d’éthylène et de tétrafluoroéthylène (ETFE) qui présente une meilleure résistance à la rupture en traction. En 1972, Du Pont de Nemours commercialise le Teflon PFA, copolymère de tétrafluoroéthylène et d’éther de vinyle perfluoré, doté d’excellentes qualités de mise en œuvre et de caractéristiques équivalentes à celles du PTFE.

– Il existe encore d’autres types de résines fluorocarbonées comme :
– Le polyfluorovinylidène [-CH₂-CF₂-]_n (PVDF) offrant une grande facilité de mise en forme mécanique,
– Le copolymère éthylène-chlorotrifluoroéthylène (ECTFE), destiné à l’isolation des câbles, ainsi que différents composites comportant par exemple des fibres de verre améliorant les propriétés mécaniques. On estime la production mondiale à environ 60 mt/an, le PTFE représentant plus des trois-quarts de la consommation des fluoropolymères.

Le PTFE est un matériau tendre, facilement déformable, semi-cristallin, opaque, blanc. Il présente des propriétés mécaniques de type élastomère ainsi qu’une remarquable résistance à la plupart des produits chimiques et reste stable à température élevée (jusqu’à 327 °C). L’effet d’agrégation des liaisons C–F lui confère également un coefficient de frottement extrêmement faible et d’excellentes propriétés diélectriques. Le PTFE est non toxique à basse température, mais sa décomposition au-delà de 350 °C engendre de l’acide fluorhydrique, particulièrement toxique.

– Matériau technique par excellence et relativement coûteux, le téflon et ses avatars s’avèrent précieux dans les applications où ses propriétés spécifiques sont indispensables :
– Dans l’industrie, il est utilisé dans les roulements, les joints (également en Viton^®, copolymères contenant 66-70 % de fluor), l’isolation électrique à hautes températures, les revêtements et garnitures non adhésives pour les cuves, etc. Pour la petite histoire, il fut utilisé durant le projet Manhattan pour la robinetterie et les joints nécessaires pour l’enrichissement isotopique en uranium-235 par diffusion gazeuse de l’hexafluorure d’uranium (cf. Uranium),
– En électronique, particulièrement dans le domaine micro-onde, où le PTFE est utilisé comme substrat de permittivité relative voisine de 2,2. Il possède un angle de perte très faible et un fort point de claquage qui en fait aussi un isolant de choix dans les câbles HF haute-performance,
– Dans le domaine de l’énergie, de la catalyse acide avec les membranes ionomères en Nafion^®, copolymère FEP fonctionnalisé par des groupements acide sulfonique,
– Dans le domaine de la santé, c’est un produit extrêmement neutre pour l’organisme. Il est utilisé comme matériau d’implantation de choix en hémodialyse par exemple où la pose d’une prothèse vasculaire en PTFE peut s’avérer utile en cas d’impossibilité de création d’une fistule artério-veineuse native.

Mais deux domaines d’application dominent l’usage public : les ustensiles de cuisine et le textile.
En 1954, l’ingénieur français Marc Grégoire crée, à la demande de sa femme comme le raconte la petite histoire, la première poêle revêtue de téflon sous la marque Téfal^®. Comme le téflon n’adhère pas naturellement au métal, les premières poêles antiadhésives étaient plutôt fragiles et il fallait utiliser des ustensiles spéciaux pour ne pas endommager le revêtement.

La technique s’est grandement améliorée depuis, basée sur la préparation de la surface métallique. Si les secrets de fabrication sont toujours bien gardés, la surface d’aluminium (cf. Aluminium) est traitée mécaniquement (sablage) ou chimiquement (attaque acide) pour amener la rugosité nécessaire à l’accrochage du film de polymère.

Dans les années 1950, Bill Gore, chez DuPont de Nemours, soumet à ses supérieurs l’idée d’un usage du téflon dans l’habillement. Ce projet ne recevant pas l’aval de sa hiérarchie, il décide de se lancer seul dans la conception et la fabrication du produit. Les débuts sont difficiles jusqu’à ce qu’en 1969 son fils, Bob Gore, arrive à développer une matière laissant s’échapper la transpiration mais empêchant le passage de gouttes d’eau : le Gore-Tex. Le tissu est composé de nanopores d’un diamètre de 0,2 µ, soit 20 000 fois plus petit qu’une goutte d’eau, mais 2 000 fois plus grand qu’une molécule d’eau isolée. La vapeur d’eau issue de la transpiration n’a donc aucun mal à traverser le tissu.

On connaît là-encore la suite : l’utilisation de ce matériau, obtenu par étirement à chaud d’un film de téflon, touche toutes sortes de domaines, au départ fortement tributaires du projet Apollo pour la confection des combinaisons spatiales. Si les pompiers et sapeurs-pompiers du monde entier ont également bénéficié très tôt de cette application, les textiles techniques pour les activités sportives ont pris leur essor avec l’emploi de cette membrane dès les années 1980. Le site de Gore-Tex montre l’étendue des applications même si les brevets sont maintenant dans le domaine public.

Pensée du jour
« D’une bouteille de tétrafluoroéthylène à l’espace, quelle belle aventure pour le téflon ! »

Sources
– Fluor et produits fluorés à l’aube du XXIe siècle, L’Actualité Chimique 2006, 301-302
– http://fr.wikipedia.org/wiki/Polytétrafluoroéthylène
– http://fr.wikipedia.org/wiki/Téflon
– http://en.wikipedia.org/wiki/Teflon
– http://www.societechimiquedefrance.fr/extras/Donnees/mater/ptfe/texptfe.htm
– http://en.wikipedia.org/wiki/Viton
– http://en.wikipedia.org/wiki/Nafion
– http://en.wikipedia.org/wiki/Gore-Tex
– http://www.gore.com/en_xx/index.html
– Chimie et sports, EDP Sciences et L’Actualité chimiques Livres, 2010

Pour en savoir plus
– Fluor
– Chloroforme
– Uranium
– Aluminium