FEP – Eigenschaften und Verwendung des Fluorkunststoffs

Schläuche, Schlauchverbinder und mehr: Fluorkunststoffe in Chemietechnik und Alltag

In den letzten Jahrzehnten haben Fluorkunststoffe dank ihrer einzigartigen Eigenschaften und vielseitigen Anwendungen eine immer größere Bedeutung in verschiedensten Industriebereichen erlangt. Einer dieser bemerkenswerten Fluorkunststoffe ist Fluorethylenpropylen (FEP), der auch unter Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymer oder Perfluor(ethylen-propylen) bekannt ist, und für den daher ebenfalls das Kurzzeichen PFEP verwendet wird.

Verglichen mit seinem „Verwandten“, dem kurz zuvor entwickelten Polytetrafluorethylen (PTFE), weist dieses Polymer in der Industrie und im Alltag sicherlich einen geringeren Bekanntheitsgrad auf, doch auch dieser Hochleistungskunststoff zeichnet sich durch eine Reihe herausragender Eigenschaften aus. Worum handelt es sich dabei nun genau und wo liegen seine Vorzüge im Vergleich zu anderen fluorierten Kunststoffen?

Thermoplastische und elastomere Fluorkunststoffe

Der Begriff Fluorkunststoffe bzw. Fluorpolymere beschreibt ganz allgemein Polymere mit Kohlenstoff-Fluor-Bindungen (-C-F). Einteilen lassen sie sich in die beiden Hauptgruppen Fluorelastomere und Thermoplastische Fluorpolymere.

Gummielastische Elastomere besitzen Eigenschaften ähnlich denen von Kautschuk. Zur Gruppe der Fluorelastomere gehören Fluorkautschuke (FKM bzw. FPM) und Perfluorkautschuke (FFKM), die unter anderem zu weichen Gummischläuchen, O-Ringen und Flachdichtungen verarbeitet werden. Fluorkautschuke weisen neben einer hohen Abriebfestigkeit und Elastizität auch eine hervorragende Temperatur-, Witterungs- und Ozonbeständigkeit auf. Die Beständigkeit gegenüber Chemikalien und Temperatureinflüssen wird von FFKM-Kautschuken sogar noch übertroffen.

Thermoplaste lassen sich im Allgemeinen durch Erhitzen verformen und behalten – im Gegensatz zu Elastomeren – nach Abkühlen ihre Form bei. Sie können daher mit den für Kunststoffe üblichen Spritzgieß- und Extrusionsverfahren verarbeitet werden. Durch den gezielten Einbau von beispielsweise Chloratomen oder Ether-Gruppen besteht die Möglichkeit, die Eigenschaften des Thermoplastischen Fluorkunststoffs genau einzustellen.

Ist das Polymer nur aus einer Monomerart aufgebaut, spricht man von einem Homopolymer. Hierzu gehört das als Pfannenbeschichtung allseits bekannte Fluorpolymer Polytetrafluorethylen (PTFE) sowie die verwandten Kunststoffe Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Polychlortrifluorethylen (PCTFE), welches Mitte der 1930er Jahre als erster Fluorkunststoff entwickelt wurde.

Gegenüber dem thermoplastischen Polyolefin Polyethylen (PE), dem weltweit am meisten verwendete Massenkunststoff, ist bei PVDF jede zweite Methylengruppe durch eine -CF₂-Gruppe ersetzt. Aufgrund dieser teilweisen Substitution der Wasserstoffatome handelt es sich bei PVDF um eine polyfluorierte Alkylsubstanz. Bei PTFE hingegen sind die Wasserstoffatome vollständig durch Fluoratome ersetzt, es gilt daher als perfluorierte Alkylsubstanz. Die Gruppe der Per- und Polyfluoralkyl-Substanzen wird unter der Abkürzung PFAS zusammengefasst.

Strukturformel von PTFE (Polytetrafluorethylen)

Kunststoffe aus zwei unterschiedlichen Monomeren nennt man Co-Polymere. Hierzu zählen Polyethylentetrafluorethylen (ETFE), Polyethylen-Chlortrifluorethylen (ECTFE), Poly[tetrafluorethylen-perfluor(alkoxyvinylether)], einfachheitshalber als Perfluoralkoxy (PFA) abgekürzt, und Fluorethylenpropylen (FEP).

FEP, PFA und PTFE

PFA und FEP sind vollständig fluorierte Polymere. Im Gegensatz zu PTFE setzen sie sich neben Tetrafluorethylen noch aus einem weiteren Monomer zusammen: PFA aus Perfluoralkoxyvinylethern, wie etwa Perfluorvinylpropylether, FEP aus Hexafluorpropylen. Formal wird also gegenüber PTFE eines der Fluoratome gegen eine vollfluorierte Ethergruppe (PFA) bzw. eine Trifluormethylgruppe -CF₃ (FEP) ausgetauscht.

Strukturformel von FEP (Fluorethylenpropylen)

PTFE wird formal zu den Thermoplasten gezählt, allerdings lässt es sich aufgrund der sehr hohen Schmelzviskosität nur schwer thermoplastisch verarbeiten und weist auch ansonsten viele duroplastische Merkmale auf. Seine Entdeckung geht auf einen Zufall zurück: Auf der Suche nach einem Kühlmittel stieß der US-amerikanische Chemiker Dr. Roy J. Plunkett (1910 – 1994), damals beim Chemiekonzern DuPont tätig, auf Tetrafluorethen. Er bewahrte das farblose Gas in gekühlten, unter Druck stehenden Zylindern auf, wobei es zur Polymerisation kam.

Kurz nach der Entdeckung von PTFE wurde das Ziel ausgegeben, ein weiteres Fluorpolymer mit vorteilhafteren thermischen Verarbeitungseigenschaften wie Spritzguss- oder Extrusionsfähigkeit zu entwickeln. Mitte des letzten Jahrhunderts fand dann FEP Eingang in DuPonts Portfolio perfluorierter Fluorkohlenwasserstoff-Polymere. Es wird heute von zahlreichen Herstellern weltweit produziert und zu Kunststoffschläuchen, Ummantelungen für O-Ringe und Kunststofffolien verarbeitet.

Der teilkristalline Thermoplast ist hinsichtlich seiner chemischen Eigenschaften PTFE am ähnlichsten, hinsichtlich seiner physikalischen Eigenschaften ähnelt es mehr PFA. All diesen Fluorkunststoffen sind eine hohe thermische und chemische Beständigkeit, geringe Reibungskoeffizienten und hervorragende Antihafteigenschaften gemein. Im Vergleich zu PTFE weist FEP jedoch eine höhere Transparenz und Flexibilität auf.

Diese Eigenschaften machen Fluorethylenpropylen insbesondere für Anwendungen interessant, bei denen optische Klarheit und Biegsamkeit erforderlich sind, wie zum Beispiel bei der Herstellung von Schläuchen und Folien für die Lebensmittel- und Pharmaindustrie. Gegenüber PFA ist FEP wiederum kostengünstiger und einfacher zu verarbeiten. Mit -200 °C bis +205 °C als Temperaturbereich sind FEP-Kunststoffprodukte sowohl für Tief- wie auch Hochtemperaturanwendungen geeignet.

Für welche Produkte und Anwendungen wird FEP verwendet?

FEP wird sowohl für seine chemischen Eigenschaften als auch für seine optische Klarheit und Flexibilität geschätzt. Seine Anwendungsbereiche erstrecken sich von Lebensmittelverpackungen, chemisch beständigen Stahltank-Auskleidungen, Isolierungen, Dichtungen und Halbzeugen bis hin zur Luft- und Raumfahrtindustrie.

Schläuche aus FEP

In der Fluidtechnik kommt Fluorethylenpropylen als Ausgangsmaterial für FEP-Schläuche zum Einsatz. Aufgrund der hohen Temperaturbeständigkeit und chemischen Beständigkeit werden diese häufig in industriellen Anwendungen eingesetzt, in denen aggressive Chemikalien oder hohe Temperaturen vorliegen.

Schläuche aus FEP sind zwar nicht elastisch wie Gummischläuche und können daher nicht mittels Schlauchtüllen adaptiert werden, verglichen mit anderen harten Kunststoffschläuchen sind sie aber sehr flexibel und biegsam. Dank ihrer Kompatibilität mit FDA-Richtlinien, ihrer Sterilisierbarkeit und ihrer geringen Wasseraufnahme werden FEP-Schläuche auch in der Pharmaindustrie, der Medizintechnik und der lebensmittelverarbeitenden Industrie eingesetzt.

FEP-Schläuche werden vorrangig als Laborschläuche, Verbundschläuche, elektrisch leitfähige Pneumatikschläuche und Schrumpfschläuche verwendet:

• FEP-Chemieschläuche für das Labor können bei einem Betriebsdruck von 8 bar bis 20 bar und in einem Temperaturbereich zwischen -170 °C bis +200 °C eingesetzt werden. Sie sind bei +121 °C autoklavierbar und mittels Heißluft bei +160 °C sterilisierbar.
• FEP-Verbundschläuche stellen einen Materialmix von FEP mit Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) oder Polyvinylchlorid (PVC) dar. Die Innenseele (Inliner) ist dabei jeweils aus inertem FEP gefertigt, wodurch eine Extraktion von Fremdstoffen aus dem Schlauchmaterial ausgeschlossen ist. Das macht es geeignet für besonders hochwertige pharmazeutische Produkte oder Kosmetika. Diese Pharma-Verbundschläuche sind FDA- bzw. BfR-konform und hochflexibel, weswegen sie mit kleinsten Radien ohne Knickstellen verlegt werden können.
• Antistatische Saug- und Druckschläuche aus FEP können auch als ausgefeilte Verbundschläuche aufgefasst werden: Die absolut glatte Innenseele besteht aus FEP, der Außenmantel aus Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM). Zusätzlich sind ein Haftgummi als Zwischenschicht, geflochtene Textileinlagen mit gekreuzten Kupferlitzen und eine Wendel aus Edelstahl eingearbeitet. Diese Komposition macht die Antistatikschläuche abriebfest, druckbeständig, schwer entflammbar und elektrisch ableitfähig.
• Schrumpfschläuche aus FEP schützen empfindliche Bauteile vor chemisch aggressiven Medien, zudem sind sie elektrisch isolierend. Angeboten werden sie in Durchmessern von 0,79 bis 25,40 mm vor Schrumpfung mit einer Schrumpfrate 1,3:1.
   

FEP-Folien

Aufgrund ihrer optischen Klarheit, Flexibilität und Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen und UV-Belastung eignen sich FEP-Folien ideal für die Herstellung von transparenten Schutzfolien sowie Verpackungsmaterialien für Lebensmittel und elektronische Bauteile. Sie sind zudem warm verformbar und verschweißbar und daher für die Heißversiegelung bestens geeignet. Erhältlich sind verschiedene Abmessungen in den Stärken 0,025 mm bis 0,25 mm.

FEP-ummantelte O-Ringe

FEP wird als Ummantelung für O-Ringe und andere Spezialdichtungen verwendet, um ihre chemische Beständigkeit und Haltbarkeit zu verbessern. Der gummielastische Kern verleiht dem O-Ring die notwendige Elastizität, während der FEP-Mantel Schutz gegen aggressive Chemikalien bietet. FEP wird dabei oft mit den ähnlich hochtemperaturbeständigen Werkstoffen Silikon und Fluorkautschuk kombiniert. FEP-ummantelte O-Ringe vereinen so die Elastizität von Synthesekautschuken mit der chemischen Beständigkeit harter Fluorkunststoffe.

FEP-ummantelte Silikon-O-Ringe sind Dichtringe, bei denen der O-Ring-Kern aus Silikonkautschuk (VMQ) der Shore-Härte A 70° und die Außenhülle aus transparentem FEP besteht, welches den Kern nahtlos umschließt. Diese Spezialdichtungen mit kommen in der Lebensmittelindustrie und Pharmaindustrie im Temperaturbereich von -60 °C bis +200 °C als Pharmadichtungen zum Einsatz.

Ebenfalls für die Pharmaindustrie und die Lebensmitteltechnik werden FEP-ummantelte O-Ringe mit einem Kern aus Fluorkautschuk (FPM bzw. FKM) angeboten. Sie erfüllen die Vorgaben gemäß FDA, USP Class VI, EG 1935/2004, EU 10/2011 und 3-A Sanitary Standard.

Weitere FEP-Produkte

FEP findet weiterhin in einer Vielzahl anderer Bereiche Verwendung. Wird im Labor mit aggressiven Chemikalien hantiert, kommen oft Laborbehälter wie Tropfflaschen, Enghals- und Weithalsflaschen, Erlenmeyerkolben sowie Scheidetrichter aus FEP zum Einsatz.

FEP wird auch in der Beschichtungsindustrie eingesetzt, um Oberflächen mit einer dünnen Schutzschicht zu überziehen. Diese gewährleistet verbesserte Gleiteigenschaften und eine erhöhte chemische Beständigkeit, etwa bei der Auskleidung von Stahlbehältern.

Darüber hinaus wird FEP in der medizinischen Industrie für die Herstellung von Kathetern, Stents und anderen medizinischen Geräten verwendet, die eine hohe Biokompatibilität und Chemikalienbeständigkeit erfordern. Und in der Chemieindustrie werden aus FEP gefertigte Halbzeuge und Platten auf vielfältige Weise zum Korrosionsschutz von Anlagenbauteilen wie Ventilen, Wärmetauschern oder Rohrleitungen eingesetzt.

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