Historia de los polímeros: el teflón

Hace algún tiempo estaba viendo la presentación en línea de un físico que discutía el proceso de síntesis de elementos pesados. Estos son los elementos de la tabla periódica más pesados que el uranio. Muchos de los que aparecen en la fila de la parte inferior de una tabla periódica fueron creados “naturalmente” durante la investigación para desarrollar y probar las primeras armas atómicas.

Pero a medida que se aumenta el número atómico, se hace más difícil producir estos elementos. Los rendimientos se vuelven muy bajos, a veces solo un puñado de átomos, y estos se descomponen con rapidez, lo que dificulta averiguar qué se ha hecho exactamente.

El propósito y el valor práctico de este tipo de investigación no siempre resultan evidentes para quienes financian proyectos, por lo que es necesario justificarlos; así lo hizo este físico al final de su charla, al establecer una analogía con el programa espacial.

El mito del teflón y la carrera espacial

Relató el argumento de una persona clave de la NASA, según el cual, aunque pueda parecer que ir a la Luna no era un ejemplo de dinero bien gastado, si no hubiéramos emprendido tal empresa, nunca habríamos inventado el teflón. La idea, por supuesto, es que las grandes empresas tecnológicas produzcan beneficios secundarios a lo largo del camino porque son necesarios para apoyar el objetivo principal.

Descubrimiento del PTFE y su historia

Teflón es el nombre comercial para un material conocido como politetrafluoroetileno o PTFE. Tiene un conjunto inusual de propiedades, algunas de ellas familiares para el público en general. El PTFE también dio lugar a una amplia gama de otros fluoropolímeros. Pero por muy bien que suene el argumento del funcionario de la NASA, no es correcto.

El PTFE se descubrió, accidentalmente, en 1938, casi dos décadas antes de que empezáramos a pensar en enviar cohetes fuera de nuestra atmósfera para orbitar la Tierra, y más de treinta años antes de que un ser humano tocara la superficie de la Luna.

Similitudes químicas entre PTFE y polietileno

La historia del descubrimiento del PTFE parece similar a la del polietileno. Si nos fijamos en la química del polietileno y el PTFE, se pueden ver algunas similitudes. Una macromolécula de polietileno consta de una cadena principal de átomos de carbono con átomos de hidrógeno en todas las localidades que se extienden desde los átomos de carbón.

En el PTFE, todos los átomos de hidrógeno han sido reemplazados por átomos de flúor, de ahí el nombre del material. Al igual que el etileno, el tetrafluoroetileno es un gas a temperatura ambiente. Eric Fawcett y Reginald Gibson habían polimerizado accidentalmente polietileno a partir de gas etileno durante unos experimentos en los que el gas etileno se encontraba a una presión muy alta.

Origen del PTFE: Roy Plunkett y DuPont

El descubrimiento del PTFE siguió un camino similar; sin embargo, en este caso el creador del material no estaba tratando de crear un nuevo polímero, sino simplemente de hacer un refrigerante recién descubierto.

Roy Plunkett, el hombre al que se le atribuye el descubrimiento del PTFE, era un químico contratado por DuPont casi inmediatamente después de recibir su doctorado de la Universidad Estatal de Ohio. Había hecho su trabajo de pregrado en el Manchester College, donde Paul Flory fue su compañero de cuarto durante parte del tiempo.

Flory, como recordarán, ayudó a Wallace Carothers a comprender la reacción química asociada con la polimerización de materiales de nailon, y continuó una investigación fundamental e innovadora en polímeros, por la que fue galardonado con el Premio Nobel de Química en 1974.

Mientras Flory exploraba materiales a escala teórica, Plunkett pasó toda su carrera en el mundo de los esfuerzos prácticos en DuPont. Su primer proyecto fue una investigación de nuevas químicas para refrigerantes, que tomaron la forma de fluorocarbonos clorados, los mismos CFC que desde entonces se han convertido en el ejemplo de los impactos ambientales negativos.

Historia de los refrigerantes antes de los CFC

Es fácil olvidar que antes de la llegada de los CFC, los refrigerantes se basaban en productos químicos como el amoniaco y el dióxido de azufre, que con frecuencia envenenaban a los trabajadores de la industria alimentaria, así como a las personas que tenían la oportunidad de disponer de refrigeración en sus hogares.

Plunkett había sintetizado alrededor de 100 libras de tetrafluoroetileno y había almacenado el gas en pequeños cilindros a temperaturas muy bajas en preparación para la cloración con el fin de fabricar los nuevos refrigerantes. Un día, mientras instalaba uno de los cilindros, el asistente de Plunkett, Jack Rebok, descubrió que cuando abría la válvula del cilindro no salía gas. Sin embargo, el cilindro tenía el mismo peso que un cilindro lleno de gas.

Cuando Plunkett y Rebok desenroscaron la válvula del cilindro, encontraron una pequeña cantidad de una sustancia blanca y cerosa con algunas propiedades notables. El material exhibía un punto de fusión muy alto, era químicamente inerte y tenía un coeficiente de fricción extremadamente bajo. Cortar el cilindro abierto produjo una mayor cantidad de la nueva sustancia. El análisis mostró que, bajo presión, el tetrafluoroetileno se había polimerizado a PTFE.

El rol del PTFE en la Segunda Guerra Mundial

Plunkett nunca tuvo la oportunidad de desarrollar PTFE en el producto comercial que finalmente se convirtió en teflón (esta familia de fluoropolímeros se escindió de DuPont en 2013 en Chemours Company). La comercialización se retrasó hasta 1945 debido al alto costo de fabricación del polímero y al hecho de que su combinación de propiedades lo convertía en un material esencial para las labores militares de la Segunda Guerra Mundial. Específicamente, el PTFE resolvió un problema apremiante asociado con la purificación del uranio fisionable.

Producción de hexafluoruro de uranio y resistencia química del PTFE

El proceso de conversión de uranio implica la producción de hexafluoruro de uranio (UF₆), que es muy corrosivo y presentaba importantes problemas de manipulación en los Laboratorios Nacionales de Los Álamos y Oak Ridge, donde se trabajaba en el enriquecimiento de uranio como parte del desarrollo de las primeras armas atómicas. El PTFE tenía la resistencia química necesaria para prevenir la corrosión por el UF₆.

Las patentes se presentaron para PTFE en 1941. En ese momento, Plunkett había sido promovido a una división diferente de DuPont, que producía el aditivo de gasolina tetraetilo de plomo. Esto muestra una relación interesante entre DuPont y General Motors durante este periodo y produjo una interesante intersección entre la carrera de Plunkett y la del químico Thomas Midgley.

Midgley era un químico que comenzó a trabajar en General Motors en 1916 y en 1921 descubrió que agregar tetraetilo de plomo a la gasolina evitaba el golpeteo en los motores de combustión interna.

En 1923 GM creó General Motors Chemical Company para supervisar la producción de tetraetilo de plomo por DuPont. A finales de la década de 1920, Frigidaire era una división de General Motors. La división de investigación de GM vio la necesidad de desarrollar un refrigerante que fuera una alternativa no inflamable y no tóxica a los tradicionales, como el amoniaco, el dióxido de azufre y el propano.

Identificaron los haluros de alquilo como los materiales ideales, ya que estos compuestos eran volátiles y químicamente inertes. Midgley formó parte del equipo que sintetizó el primer CFC, diclorodifluorometano, ahora conocido como Freón 12. Este era el compuesto que Plunkett estaba en proceso de hacer cuando descubrió el PTFE.

Su participación con el CFC continuaría cuando más adelante en su carrera fue asignado para dirigir la producción de freón en DuPont.

El PTFE proporcionó la plataforma para el desarrollo de una amplia variedad de fluoropolímeros que son más manejables que el PTFE puro y generalmente se pueden procesar por fusión. Algunos de estos materiales, como el etileno propileno fluorado (FEP) y el perfluoroalcoxi (PFA), se moldean en condiciones muy exigentes.

Los copolímeros con contenidos de flúor más bajos, como el etileno-tetrafluoroetileno (ETFE) y el etileno-clorotrifluoroetileno (ECTFE) se pueden procesar a temperaturas algo más bajas, y el fluoruro de polivinilideno (PVDF) se puede moldear a temperaturas relativamente suaves debido a su punto de fusión de aproximadamente 160 °C (320 °F).

Algunos de estos materiales son elastómeros, mientras que otros son materiales semirrígidos relativamente blandos, que a menudo están llenos de mineral o carbono. Todos estos materiales se benefician en diversos grados de la presencia del flúor, que contribuye a la resistencia química, la resistencia a la combustión y el bajo coeficiente de fricción.

Muchos de estos materiales también proporcionan excelentes propiedades de aislamiento eléctrico y se utilizan ampliamente en aplicaciones eléctricas y electrónicas. El PTFE también se usa como relleno en muchos otros polímeros para impartir un coeficiente de fricción más bajo y propiedades de desgaste mejoradas.

La propiedad por la que el PTFE es más conocido, su carácter antiadherente, solo se explotó comercialmente a mediados de la década de 1950, cuando se aplicó por primera vez a los utensilios de cocina de metal. Hasta el día de hoy, el PTFE es el único material conocido al que no pueden adherirse las patas de un gecko y es objeto de más patentes que cualquier otro producto que DuPont haya desarrollado.

Si bien Plunkett nunca estuvo involucrado en la comercialización del polímero, su nombre aparece en la mayoría de estas patentes y sigue siendo la persona más conocida asociada con PTFE.Recibió reconocimiento por su descubrimiento fortuito durante muchos años.

Teniendo en cuenta lo que sabemos hoy, la historia puede no ver con buenos ojos su posterior participación en la gasolina con plomo y los refrigerantes CFC, pero es innegable que la creación de PTFE y sus polímeros derivados ha tenido un impacto significativo y beneficioso para el estado de nuestras tecnologías modernas.

En la próxima entrega centraremos nuestra atención en el desarrollo continuo de la familia de termoplásticos de ingeniería con un análisis de otro material muy influyente, el policarbonato.