PTFE: approfondimento sul materiale
Il PTFE deve la sua caratteristica fondamentale - l'eccellente resistenza chimica - ad una struttura costituita da catene lineari molto lunghe di atomi di carbonio completamente avvolte e "protette" da atomi di fluoro. il legame carbonio-fluoro è il più forte di tutta chimica organica, per cui tale schermatura risulta stabile contro attacchi chimici. In pratica il polimero è aggredibile soltanto da poche sostanze chimiche quali metalli alcalini fusi, fluoro elementare e sali che liberano fluoro durante la loro decomposizione.
La catena chimica del PTFE
La stessa forza di legame consente stabilità chimica anche nei confronti dell’eccitazione termica. Ne consegue che le sue caratteristiche permangono idonee all’uso in un range molto ampio di temperature: da valori criogenici a circa 260°C.
Altre caratteristiche che fanno del PTFE un eccellente materiale per applicazioni di tenuta sono:
La catena chimica del PTFE
La stessa forza di legame consente stabilità chimica anche nei confronti dell’eccitazione termica. Ne consegue che le sue caratteristiche permangono idonee all’uso in un range molto ampio di temperature: da valori criogenici a circa 260°C.
Altre caratteristiche che fanno del PTFE un eccellente materiale per applicazioni di tenuta sono:
- nessuna contaminazione dei fluidi confinati – rilevante per impieghi con fluidi di alta purezza, presenti in particolare nell’industria farmaceutica ed in quella delle vernici, e per usi alimentari
- ottime proprietà anti-adesive – rilevanti per evitare l’attaccamento delle guarnizioni alle flangie
- basso coefficiente di abrasione – rilevante per tenute dinamiche
- stabilità dimensionale – rilevante nella manipolazione e stoccaggio delle guarnizioni
- estrema resistenza all’infragilimento ed all’invecchiamento – rilevante per la conservazione dell’elasticità nel tempo
- nessuna tendenza a favorire la corrosione delle flange
Prodotti ed applicazioni
Le proprietà del PTFE rendono questo materiale il più idoneo per guarnizioni in presenza di agenti chimici aggressivi; in particolare quindi nell’industria chimica, ma anche nell’industria alimentare, farmaceutica ed in diversi settori delle altre industrie di processo. Fortunatamente infatti la maggior parte dei fluidi chimicamente aggressivi sono usati a temperature ben al di sotto del limite di impiego di 260°C raccomandato per il PTFE.
Le forme in cui il PTFE è utilizzato per guarnizioni di tenuta sono lastre, nastri, piattine e filati.
Dalle lastre si ottengono guarnizioni piane, tramite taglio, fustellatura o tranciatura. Le lastre sono in genere ottenute per stampaggio o per sfogliatura (skiving) di cilindri di PTFE sinterizzati. Tecnologie diverse sono impiegate per le lastre in PTFE ristrutturato ed in PTFE espanso. Normalmente le pressioni in gioco con sostanze chimicamente aggressive sono moderate, per cui le guarnizioni piane sono le tipologie più impiegate.
Guarnizione piana in PTFE in un impianto chimico
Le proprietà del PTFE rendono questo materiale il più idoneo per guarnizioni in presenza di agenti chimici aggressivi; in particolare quindi nell’industria chimica, ma anche nell’industria alimentare, farmaceutica ed in diversi settori delle altre industrie di processo. Fortunatamente infatti la maggior parte dei fluidi chimicamente aggressivi sono usati a temperature ben al di sotto del limite di impiego di 260°C raccomandato per il PTFE.
Le forme in cui il PTFE è utilizzato per guarnizioni di tenuta sono lastre, nastri, piattine e filati.
Dalle lastre si ottengono guarnizioni piane, tramite taglio, fustellatura o tranciatura. Le lastre sono in genere ottenute per stampaggio o per sfogliatura (skiving) di cilindri di PTFE sinterizzati. Tecnologie diverse sono impiegate per le lastre in PTFE ristrutturato ed in PTFE espanso. Normalmente le pressioni in gioco con sostanze chimicamente aggressive sono moderate, per cui le guarnizioni piane sono le tipologie più impiegate.
Guarnizione piana in PTFE in un impianto chimico
PTFE caricato
L’inconveniente maggiore del PTFE in forma di guarnizione piana è dato dalla tendenza a deformarsi plasticamente sotto compressione, anche a temperatura ambiente (cold flow). Ciò è dovuto all’assenza di legami chimici e di forze elettrostatiche tra le catene molecolari del polimero. La guarnizione tende quindi a schiacciarsi (creep), perdendo spessore e determinando un allentamento della tensione dei bulloni, il chè si traduce nella perdita di tenuta del giunto.
Da molti anni la tecnica più comune per limitare tale problema consiste nel mescolare al PTFE degli additivi (cariche) in grado di ostacolare lo scorrimento viscoso della guarnizione. Si ottengono così lastre dette in “PTFE caricato”. Tra le cariche più comuni vi sono: fibre di vetro, grani di silice, carbone, fiocchi di grafite, ossidi metallici, solfato di bario e microsfere di vetro.
E’ da tenere presente che qualsiasi tipo di carica presenta un’inerzia chimica inferiore al PTFE, e quindi riduce la resistenza chimica della guarnizione. Cariche in fibre di vetro o silice, per esempio, riducono la resistenza chimica agli alcali. Al contrario, il solfato di bario (barite) è una carica idonea per soluzioni alcaline anche forti, e resiste anche all’acido fluoridrico in soluzione acquosa (ma non nella forma anidra), ma resiste poco agli acidi forti: per esempio non è raccomandabile per acido solforico in concentrazione superiore al 75%.
L’inconveniente maggiore del PTFE in forma di guarnizione piana è dato dalla tendenza a deformarsi plasticamente sotto compressione, anche a temperatura ambiente (cold flow). Ciò è dovuto all’assenza di legami chimici e di forze elettrostatiche tra le catene molecolari del polimero. La guarnizione tende quindi a schiacciarsi (creep), perdendo spessore e determinando un allentamento della tensione dei bulloni, il chè si traduce nella perdita di tenuta del giunto.
Da molti anni la tecnica più comune per limitare tale problema consiste nel mescolare al PTFE degli additivi (cariche) in grado di ostacolare lo scorrimento viscoso della guarnizione. Si ottengono così lastre dette in “PTFE caricato”. Tra le cariche più comuni vi sono: fibre di vetro, grani di silice, carbone, fiocchi di grafite, ossidi metallici, solfato di bario e microsfere di vetro.
E’ da tenere presente che qualsiasi tipo di carica presenta un’inerzia chimica inferiore al PTFE, e quindi riduce la resistenza chimica della guarnizione. Cariche in fibre di vetro o silice, per esempio, riducono la resistenza chimica agli alcali. Al contrario, il solfato di bario (barite) è una carica idonea per soluzioni alcaline anche forti, e resiste anche all’acido fluoridrico in soluzione acquosa (ma non nella forma anidra), ma resiste poco agli acidi forti: per esempio non è raccomandabile per acido solforico in concentrazione superiore al 75%.
PTFE modificato
Prestazioni superiori sono ottenibili con PTFE cosiddetti “modificati”. La loro caratteristica sta in una variazione della struttura polimerica del PTFE: sulla catena lineare è come innestato il modificatore perfluoropropilviniletere (PPVE) in bassa concentrazione. Il risultato è una diminuzione del peso molecolare rispetto al PTFE tradizionale, tale da consentire una migliore compattazione delle particelle di PTFE, e conseguentemente minore porosità e minore permeabilità al fluido confinato
Microstruttura del PTFE modificato caricato con fibre di vetro
I vantaggi del PTFE modificato rispetto al vergine possono essere così riassunti:
- Minore scorrimento sotto carico
- Migliore ritorno elastico, specialmente alle alte temperature
- Migliore saldabilità
Prestazioni superiori sono ottenibili con PTFE cosiddetti “modificati”. La loro caratteristica sta in una variazione della struttura polimerica del PTFE: sulla catena lineare è come innestato il modificatore perfluoropropilviniletere (PPVE) in bassa concentrazione. Il risultato è una diminuzione del peso molecolare rispetto al PTFE tradizionale, tale da consentire una migliore compattazione delle particelle di PTFE, e conseguentemente minore porosità e minore permeabilità al fluido confinato
Microstruttura del PTFE modificato caricato con fibre di vetro
I vantaggi del PTFE modificato rispetto al vergine possono essere così riassunti:
- Minore scorrimento sotto carico
- Migliore ritorno elastico, specialmente alle alte temperature
- Migliore saldabilità
PTFE ristrutturato a simmetria biassiale
Il processo di sfogliatura delle lastre in PTFE impartisce a queste una direzionalità a livello microstrutturale, che determina differenze delle proprietà fisiche, quali ad esempio la resistenza a trazione, quando misurate nelle diverse orientazioni. Conseguenza visibile di ciò è l’ondulazione che spesso accompagna queste lastre sfogliate, e che talvolta è talmente pronunciata da ostacolarne la tranciatura in forme precise.
Un limitatissimo numero di produttori hanno sviluppato processi alternativi per la produzione di lastre in PTFE, creando i cosiddetti “PTFE ristrutturati a simmetria biassiale”. Tali processi consistono essenzialmente in una serie di operazione che “stirano” il polimero in varie orientazioni. Ciò consente di ottenere un’isotropia perfetta delle proprietà delle lastre, ma anche di inglobare nella matrice polimerica una quantità di cariche superiore rispetto al limite consentito dal PTFE vergine o modificato, che si aggira attorno al 25%, aumentando quindi la resistenza al creep.
Le lastre in PTFE ristrutturato a simmetria biassiale della linea SIGMA, prodotta da Flexitallic, oltre ad essere perfettamente piatte in ogni loro punto, presentano una capacità di tenuta eccellente, che le rende particolarmente idonee per impieghi in cui si desidera la massima sicurezza di tenuta e l’abbattimento delle emissioni fuggitive di sostanze tossiche, inquinanti, infiammabili, o anche semplicemente costose.
Immagine ad altissimo ingrandimento (12.000 volte) della microstruttura a simmetria biassiale del PTFE ristrutturato a SIGMA
Il processo di sfogliatura delle lastre in PTFE impartisce a queste una direzionalità a livello microstrutturale, che determina differenze delle proprietà fisiche, quali ad esempio la resistenza a trazione, quando misurate nelle diverse orientazioni. Conseguenza visibile di ciò è l’ondulazione che spesso accompagna queste lastre sfogliate, e che talvolta è talmente pronunciata da ostacolarne la tranciatura in forme precise.
Un limitatissimo numero di produttori hanno sviluppato processi alternativi per la produzione di lastre in PTFE, creando i cosiddetti “PTFE ristrutturati a simmetria biassiale”. Tali processi consistono essenzialmente in una serie di operazione che “stirano” il polimero in varie orientazioni. Ciò consente di ottenere un’isotropia perfetta delle proprietà delle lastre, ma anche di inglobare nella matrice polimerica una quantità di cariche superiore rispetto al limite consentito dal PTFE vergine o modificato, che si aggira attorno al 25%, aumentando quindi la resistenza al creep.
Le lastre in PTFE ristrutturato a simmetria biassiale della linea SIGMA, prodotta da Flexitallic, oltre ad essere perfettamente piatte in ogni loro punto, presentano una capacità di tenuta eccellente, che le rende particolarmente idonee per impieghi in cui si desidera la massima sicurezza di tenuta e l’abbattimento delle emissioni fuggitive di sostanze tossiche, inquinanti, infiammabili, o anche semplicemente costose.
Immagine ad altissimo ingrandimento (12.000 volte) della microstruttura a simmetria biassiale del PTFE ristrutturato a SIGMA
Guarnizioni in PTFE per “flange leggere”
Nell’industria chimica molte flange (e tubature) sono smaltate in vetro, o realizzate in plastica o ceramica. Tali flange sono relativamente “leggere”, cioè deboli, e non possono tollerare alti carichi di serraggio senza ruotare, deformarsi, criccarsi o spaccarsi. Spesso poi, tali flange (specialmente quelle smaltate) tendono ad essere ondulate, per cui richiedono guarnizioni spesse e molto compressibili. Le guarnizioni in PTFE caricato sono invece tipicamente relativamente dure, e pertanto richiedono alti carichi per conformarsi alla finitura ed alle ondulazioni delle flange.
In questi casi si ricorre a diverse possibili soluzioni.
Una soluzione adottata già da molti anni consiste nell’utilizzo di guarnizioni a busta di PTFE. Si tratta di guarnizioni piane in cui un foglio di PTFE é avvolto attorno ad un inserto. La guaina di PTFE protegge l'inserto dall'aggressione chimica, mentre questo provvede alla compressibilità ed al ritorno elastico. L'insieme risulta sufficentemente soffice da non richiedere elevati carichi di serraggio. I tre tipi base di busta sono detti Slit, Machined e Folded e differiscono l'uno dall'altro per la forma dell'inguainatura. Comunemente l'inserto é ottenuto da lastre in fibra compressa, talvolta accoppiato a lamina metallica (ondulata o non) e a tessuto di fibre isolanti. Il principale problema di questo tipo di guarnizioni sta nel fatto che in presenza di sollecitazioni meccaniche la guaina di PTFE può rompersi, compromettendo la tenuta della guarnizione.
Un’altra soluzione è rappresentata dall’impiego di guarnizioni piane in PTFE caricato con microsfere di vetro (per esempio Flexitallic SIGMA 500): trattandosi di sfere vuote e di spessore sottile, sotto il carico di serraggio possono deformarsi e rompersi, consentendo così una maggiore compressibilità della guarnizione. La compressibilità tuttavia è limitata (attorno al 35 ÷ 40% secondo ASTM per spessori di 1,5 mm) e la presenza della carica non consente l’impiego in presenza di alcali forti.
Microstruttura di PTFE caricato con microsfere di vetro
La soluzione ottimale, che cioè non riduce la resistenza chimica della guarnizione e realizza massima compressibilità, consiste nell’utilizzare aria come se fosse una carica all’interno della matrice polimerica della guarnizione. Già da decine di anni sono disponibili PTFE cosiddetti “espansi”: queste lastre devono le loro proprietà ad una struttura cellulare che conferisce alla guarnizione, accanto ad una buona capacità di conservazione dello stato di compressione, anche un’elevatissima conformabilità. Il PTFE espanso tuttavia, essendo molto poroso, presenta una efficienza di tenuta non eccellente, in particolare quando il carico di serraggio è molto basso, situazione che, come si è detto, si riscontra in diverse “applicazioni chimiche”. Inoltre la lastre di PTFE espanso sono molto flessibili, il che può rendere problematico l’inserimento di guarnizioni di grandi dimensioni.
Microstruttura di PTFE espanso.
La società Flexitallic ha quindi recentemente sviluppato un nuovo tipo di materiale chiamato “PTFE ristrutturato micro-poroso”: qui la porosità del PTFE è controllata tramite un processo del tutto innovativo in modo tale che le sue dimensioni siano minime. Il risultato è una lastra altamente compressibile, ma con eccellente capacità di tenuta anche a bassi carichi di serraggio, rigidità sufficiente per un comodo maneggiamento, e con una resistenza chimica universale, in quanto priva di cariche. Tale materiale da luogo a due versioni di lastra: lastra omogeneo in PTFE ristrutturato micro-poroso (stile SIGMA 600), oppure lastra a sandwitch costituita da uno strato di PTFE ristrutturato normale, rivestito su entrambe le facce da strati di PTFE ristrutturato micro-poroso (stile SIGMA 588). La prima versione consente la massima compressibilità, la seconda la massima capacità di tenuta, a scapito di una piccola riduzione della compressibilità. La tabella illustra queste proprietà.
Sezione di una guarnizione SIGMA 588: si nota il core in PTFE rigido, rivestito sulle due superfici da strati di PTFE ristrutturato micro-poroso
Nell’industria chimica molte flange (e tubature) sono smaltate in vetro, o realizzate in plastica o ceramica. Tali flange sono relativamente “leggere”, cioè deboli, e non possono tollerare alti carichi di serraggio senza ruotare, deformarsi, criccarsi o spaccarsi. Spesso poi, tali flange (specialmente quelle smaltate) tendono ad essere ondulate, per cui richiedono guarnizioni spesse e molto compressibili. Le guarnizioni in PTFE caricato sono invece tipicamente relativamente dure, e pertanto richiedono alti carichi per conformarsi alla finitura ed alle ondulazioni delle flange.
In questi casi si ricorre a diverse possibili soluzioni.
Una soluzione adottata già da molti anni consiste nell’utilizzo di guarnizioni a busta di PTFE. Si tratta di guarnizioni piane in cui un foglio di PTFE é avvolto attorno ad un inserto. La guaina di PTFE protegge l'inserto dall'aggressione chimica, mentre questo provvede alla compressibilità ed al ritorno elastico. L'insieme risulta sufficentemente soffice da non richiedere elevati carichi di serraggio. I tre tipi base di busta sono detti Slit, Machined e Folded e differiscono l'uno dall'altro per la forma dell'inguainatura. Comunemente l'inserto é ottenuto da lastre in fibra compressa, talvolta accoppiato a lamina metallica (ondulata o non) e a tessuto di fibre isolanti. Il principale problema di questo tipo di guarnizioni sta nel fatto che in presenza di sollecitazioni meccaniche la guaina di PTFE può rompersi, compromettendo la tenuta della guarnizione.
Un’altra soluzione è rappresentata dall’impiego di guarnizioni piane in PTFE caricato con microsfere di vetro (per esempio Flexitallic SIGMA 500): trattandosi di sfere vuote e di spessore sottile, sotto il carico di serraggio possono deformarsi e rompersi, consentendo così una maggiore compressibilità della guarnizione. La compressibilità tuttavia è limitata (attorno al 35 ÷ 40% secondo ASTM per spessori di 1,5 mm) e la presenza della carica non consente l’impiego in presenza di alcali forti.
Microstruttura di PTFE caricato con microsfere di vetro
La soluzione ottimale, che cioè non riduce la resistenza chimica della guarnizione e realizza massima compressibilità, consiste nell’utilizzare aria come se fosse una carica all’interno della matrice polimerica della guarnizione. Già da decine di anni sono disponibili PTFE cosiddetti “espansi”: queste lastre devono le loro proprietà ad una struttura cellulare che conferisce alla guarnizione, accanto ad una buona capacità di conservazione dello stato di compressione, anche un’elevatissima conformabilità. Il PTFE espanso tuttavia, essendo molto poroso, presenta una efficienza di tenuta non eccellente, in particolare quando il carico di serraggio è molto basso, situazione che, come si è detto, si riscontra in diverse “applicazioni chimiche”. Inoltre la lastre di PTFE espanso sono molto flessibili, il che può rendere problematico l’inserimento di guarnizioni di grandi dimensioni.
Microstruttura di PTFE espanso.
La società Flexitallic ha quindi recentemente sviluppato un nuovo tipo di materiale chiamato “PTFE ristrutturato micro-poroso”: qui la porosità del PTFE è controllata tramite un processo del tutto innovativo in modo tale che le sue dimensioni siano minime. Il risultato è una lastra altamente compressibile, ma con eccellente capacità di tenuta anche a bassi carichi di serraggio, rigidità sufficiente per un comodo maneggiamento, e con una resistenza chimica universale, in quanto priva di cariche. Tale materiale da luogo a due versioni di lastra: lastra omogeneo in PTFE ristrutturato micro-poroso (stile SIGMA 600), oppure lastra a sandwitch costituita da uno strato di PTFE ristrutturato normale, rivestito su entrambe le facce da strati di PTFE ristrutturato micro-poroso (stile SIGMA 588). La prima versione consente la massima compressibilità, la seconda la massima capacità di tenuta, a scapito di una piccola riduzione della compressibilità. La tabella illustra queste proprietà.
Sezione di una guarnizione SIGMA 588: si nota il core in PTFE rigido, rivestito sulle due superfici da strati di PTFE ristrutturato micro-poroso
Tavola 1:
trafilamento di liquido secondo ASTM F37B – confronto tra PTFE ristrutturato microporoso e PTFE espanso. La differenza è di ben 29 litri all’anno, messa in rilievo da un test dove il carico di serraggio è basso (6,9 Mpa), la fascia della guarnizione sottile (6 mm) e le flange sono liscie.
trafilamento di liquido secondo ASTM F37B – confronto tra PTFE ristrutturato microporoso e PTFE espanso. La differenza è di ben 29 litri all’anno, messa in rilievo da un test dove il carico di serraggio è basso (6,9 Mpa), la fascia della guarnizione sottile (6 mm) e le flange sono liscie.
| Materiale della guarnizione | Trafilamento | (ml/ora) |
| |
(ml/ora) | (litri) |
| PTFE ristrutturato microporoso | 1,8 | 15,8 |
| PTFE espanso | 5,1 | 44,7 |
spessore della guarnizione: 1,5 mm
pressione interna: 3,5 bar
fluido: iso-ottano
Tavola 2:
confronto tra PTFE ristrutturato microporoso con core rigido (SIGMA 588) e senza core (SIGMA 600)
confronto tra PTFE ristrutturato microporoso con core rigido (SIGMA 588) e senza core (SIGMA 600)
| SIGMA | 588 | SIGMA | 600 | ||||
| 1,5 | 3,0 | 1,5 | 3,0 | ||||
| compressibilità ASTM F36 (%) | 55 | 56 | 68 | 60 | |||
| trafilamento di liquido ASTM F37B (ml/ora) | 1,6 | 1,3 | 1,8 | 2,0 |