Дългата и странна история на тефлона - неразрушимият продукт с широко приложение

От 1938г. до 2025г.

В съвременния свят тефлонът е навсякъде около нас - от кухненските съдове, през дрехите ни, до медицинските устройства, спасяващи животи. Този забележителен материал, известен със своята способност да отблъсква вода и мазнини, всъщност е един от най-универсалните синтетични материали, създавани някога.

Акценти

Тефлонът, чието техническо наименование е политетрафлуороетилен (PTFE), е революционен флуорополимер, който променя множество индустрии благодарение на своите уникални свойства. Изключително издръжлив и устойчив на корозия, той намира приложение в най-разнообразни области - от всекидневната употреба в незалепващи тигани и водоустойчиви дрехи до високотехнологични медицински импланти и промишлено оборудване.

С годишни продажби от около 3 милиарда долара и прогнозиран ръст до 4 милиарда до 2027 г., тефлонът продължава да бъде един от най-важните синтетични материали в съвременната индустрия. Неговата история е забележителен разказ за това как едно случайно откритие в лабораторията може да доведе до трансформация в начина, по който живеем, готвим и произвеждаме стоки, въпреки че в последните години нарастват притесненията относно екологичното въздействие на химикалите, използвани в неговото производство.
В тази статия ще проследим удивителното пътешествие на тефлона - от неговото случайно откритие през военните му приложения до съвременните предизвикателства и дебати около неговата употреба.

Как е бил открит тефлонът?

На 6 април 1938 г. група химици в DuPont се събират около част от последния експеримент: обикновен метален цилиндър. Предполага се, че съдържа тетрафлуороетилен, безцветен газ без мирис. Но когато отварят вентила, не излиза никакъв газ. Нещо не е наред. Известно време са озадачени. Цилиндърът тежи повече, отколкото би трябвало, ако е празен, но наистина не изглежда да има нещо вътре. Накрая някой осъзнава, че трябва да разрежат цилиндъра, за да видят какво става. Откриват, че вътрешността на метала е неочаквано покрита с хлъзгав бял прах.

Но вместо да изхвърлят привидно дефектния цилиндър, Плънкет решава да проведе някои тестове. Открива, че газът спонтанно се е "полимеризирал" в загадъчен материал, който не се разпада при високи температури. Материалът също така не реагира или не се разтваря в нито един от силно корозивните химикали, които Плънкет изпробва върху него, включително киселини, достатъчно силни да разядат костите ви. Техническото име на това супер вещество е доста дълго: политетрафлуороетилен или PTFE. Но вероятно го познавате с друго име: Тефлон.

Всъщност, истинската история на откритието на тефлона започва с иновация в хладилната индустрия години по-рано

Историята на произхода на тефлона започва около десетилетие преди откриването му. В края на 20-те години на миналия век, хладилната индустрия била в затруднено положение след поредица от смъртоносни инциденти, при които опасни газове, използвани като охладители, експлодирали по драматичен начин или изтекли в нищо неподозиращи домове.

Заглавия като "Газ от машина за лед убива 15 души в Чикаго; Течове в хладилни инсталации в домовете се смятат за причина за мистериозни смъртни случаи" се появяват в New York Times. Проблемът бил, че химикалите, използвани за извличане на топлина от вътрешността на хладилника и охлаждането му, били или силно токсични, или запалими, или и двете.

Рекламите на първите хладилници, използващи серен диоксид като охладител, ги рекламират като "самоалармиращи се", защото силната миризма би предупредила домашните потребители за теч, преди да стане твърде опасно.

Производителите на хладилници, базирани на въглероден диоксид, се хвалели, че техните системи нямат миризма и не експлодират.

"Ако рекламирате вашия хладилен агент като такъв без експлозии", казва Марк МакЛинден, химически инженер в Националния институт за стандарти и технологии, "може би това е индикация, че е имало проблем с някои от другите конкуренти." Въпреки че въглеродният диоксид бил по-безопасен, той не е особено ефективен за домашно приложение, защото се нуждае от много по-високи налягания за работа, което повишава разходите и увеличава вероятността от течове.

Има нужда от технологична промяна

Под натиска на общественото мнение, производителите на хладилници трябвало да направят промяна. В General Motors, ръководителят на изследванията Чарлз "Бос Кет" Кетъринг разговаря с главния инженер на Frigidaire и след това се обажда на Томас Мидгли, който е прочут в компанията с идеята за добавянето на олово в бензина за спиране на детонацията в двигателя.

"Стигнахме до заключението", казва Кетъринг на Мидгли, "че хладилната индустрия се нуждае от нов хладилен агент, ако въобще искат развитие в някаква посока."

Това, от което се нуждае Кетъринг, е хладилен агент, който работи при разумни температури и налягания, като същевременно е евтин за производство, некорозивен към обичайните материали, нетоксичен и не е силно запалим. Мидгли, в търсенето си на тази молекула "точно като трябва", се обръща към горния десен ъгъл на периодичната таблица. Той знае, че тези елементи обикновено образуват съединения, които могат да охлаждат домашните хладилници до идеалната температура. Бързо се насочва към флуора.
Сам по себе си, флуорът изглежда малко вероятен избор. Киселинната форма на флуора, наречена флуороводородна киселина, е известна като особено неприятна. Ако попадне в тялото ви, тя не само може да разтвори костите ви, но също така агресивно се свързва с калция в кръвта ви до степен, че спира сърцето ви. Но когато флуорът се свърже с въглероден атом, за да образува съединение, той претърпява пълна промяна в характера си.
"Ключовото нещо за флуора е, че връзката въглерод-флуор е най-силната връзка в химията", казва МакЛинден. "Така че когато поставите флуор в молекула, трудно е да го отделите, и това го прави по същество стабилен. Стабилен, нереактивен, това върви ръка за ръка с ниската токсичност."

Така се ражда фреонът

В рамките на три дни след получаване на задачата от Кетъринг, Мидгли попада на потенциален победител, който щял да се използва широко до 80-те години: хлорофлуоровъглерод или CFC, който сега наричаме фреон. Като се има предвид влиянието върху човешкото здраве и околната среда на оловото в автомобилния бензин и изтъняването на озоновия слой поради CFC, МакЛинден казва, че Мидгли е "кралят на непредвидените последствия."
Но щели да минат десетилетия преди опасностите от CFC за околната среда да бъдат открити от учените.

Междувременно той изглежда като чудотворен хладилен агент в сравнение с токсичните и запалими алтернативи, налични през 30-те години. По време на демонстрация на новооткрития си Фреон, Мидгли вдишва дълбоко от газа и издишва, загасяйки свещ, за да докаже драматично липсата му на токсичност и запалимост.

Разработването на привидно безопасен хладилен агент води до експлозия от потребителски приложения - хладилни кутии, автомобилни климатици, термопомпи и други.

Истинската предистория на тефлона - случайно откритие в процеса на търсенето на нов хладилен агент

Frigidaire, тогава подразделение на General Motors, поддържа собственост върху Фреона, а други производители на хладилници искали да се включат в играта. Те се обръщат към DuPont за създаване на нови хладилни агенти с предимствата на фреона - и задачата отива при екипа на Плънкет. Скоро те се насочват, както Мидгли, в търсене на съединения, базирани на флуор. Това търсене води до съдбовния, дефектен цилиндър с тетрафлуороетилен, газова молекула с два въглеродни атома, заобиколени от четири флуорни. Полимеризацията на газа свързва тези малки молекули в дълга верига и се втвърдява във флуорополимера PTFE.

Веществото, което по-късно е наречено тефлон, първоначално е оставено настрана и учените се връщат към търсенето си на нови хладилни агенти. По това време изследователите не могат да си представят печеливша употреба за такова скъпо за производство вещество. Всичко това се променя само няколко години по-късно с влизането на Съединените щати във Втората световна война и стремежа на проекта "Манхатън" за развитие атомни оръжия. Както зрителите на хитовия филм "Опенхаймер" от 2023 г. си спомнят, едно от най-критичните начинания в създаването на първата атомна бомба в света е рафинирането на достатъчно уран и плутоний, афористично представено със сцени на учени в Лос Аламос, които бавно и драматично пълнят стъклена купа с топчета, за да представят напредъка към експлозивността.

Какво да правим с тефлона?

Но отговорът на въпроса "какво да се прави с тефлона?" и последващото му пътуване от лабораторията на DuPont до нашите кухни, гардероби и тела не дошъл за една нощ.

Разработката тефлон в проекта Манхатън

Според Гордън Фий, ядрен инженер и пенсиониран президент на Lockheed Martin Energy Systems, учени и инженери в правителствен обект в Оук Ридж, Тенеси, се заемат със задачата за рафиниране на урана. Те се спират на процес, наречен газова дифузия, който принуждава газ, наречен уранов хексафлуорид, да преминава през мили и мили тръби, съдържащи хиляди филтри, които отделяли експлозивния изотоп от останалото вещество.
Проблемът за учените в Оук Ридж и генерала, който ръководел проекта "Манхатън", Лесли Гроувс, е, че урановият хексафлуорид е силно корозивен. Газът разяжда уплътненията и клапанните пломби, които помагат за задържането и регулирането на потока на редкия и критичен материал.
Какво точно се случва след това не е напълно ясно, предвид секретността и разделението, присъщи на проекта "Манхатън" и свързаните документи. Но знаем, казва Фий, че много служители на DuPont работят в Оук Ридж, предимно в отделен завод, използван за рафиниране на плутоний.
Служителите на DuPont знаят, че Гроувс има мили тръби, които трябва да уплътни, казва Фий, който започва да работи в завода за газова дифузия в Оук Ридж през 1956 г.:"Виж, имаме този материал, мислим, че би направил добро корозионноустойчиво уплътнение."

От откриването му през 1938 г. до този момент, вероятно през 1942 г., политетрафлуоретиленът - който няма  да бъде официално регистриран като тефлон до след войната - се лута из DuPont като любопитен лабораторен продукт.
Почти неограничените ресурси на проекта "Манхатън" дават на DuPont първата му индустриална употреба за новия материал.

Учените и инженерите в Oak Ridge, като Fee, използват PTFE за защита на тръбите на съоръжението от корозивни газове, докато заводът не е затворен десетилетия по-късно. "Доколкото знам, никога не е бил обмислян заместител," казва Fee, "така че той има живот в проекта Манхатън, бихте могли да кажете, до 1985 г."
Според Plunkett, тези ресурси и търсенето на PTFE по време на войната дават на DuPont възможността да продължи да оценява новия материал и да намира други приложения за него. Първоначално тези приложения са предимно в индустрията и военните.

Нови приложения в индустрията

Например, Plunkett си спомня за производствен завод, който трябва да изпомпва високи концентрации на азотна киселина. Веднъж седмично, казал той, помпата се поврежда и трябва да бъде ремонтирана. Когато работниците опитват да използват Тефлон в помпата обаче, тя работи толкова добре в продължение на повече от шест месеца, че решават да я разглобят все пак, за да видят как се държи. Вътре откриват, че всичко все още е непокътнато.

Най-накрая в кухнята - незалепващите готварски съдове

Но тефлонът все още е далеч от домакинското приложение, с което е популярен днес. Докато, разбира се, изобретателите не откриват, че могат да го използват за направата на незалепващи готварски съдове. През 1952 г. Plunkett получава медала John Scott, в едно от първите публични признания на откритието му. Тази награда, давана на учени и изобретатели от град Филаделфия за подобряване на "комфорта, благосъстоянието и щастието на човечеството", е присъждана също на братята Райт, Томас Едисон, Мария Кюри и Никола Тесла. Но на церемонията за Plunkett всички си отиват вкъщи със специален подарък.

Няколко години по-късно, в началото на 60-те години, такива прибори стават достъпни за обикновените готвачи.

Happy Pan - първият масов тиган с тефлоново покритие

Изобретателят Marion Trozzolo създва първия тиган с тефлоново покритие, наречен Happy Pan, през 1957 г. и започва да го продава през 1961 г. За 25-ата годишнина на тигана, през 1986 г., Trozzolo подарява оригинален Happy Pan на Националния музей на американската история на Смитсониан.

Тефлонът е вече навсякъде

Оттогава тефлонът се е разпространява навсякъде. През 1969 г., Wilbert и Bob Gore използват форма на PTFE за създаване на водоустойчив, дишащ плат, който нарекли Gore-Tex и който сега е използван в дъждобрани и туристически обувки. Изобретателите също са поставили Тефлон в конци за зъби, тефлонова лента за водопроводни тръби и медицински устройства като изкуствени сърдечни клапи, наред с много други приложения.

Проблемът с "вечните химикали"

Разработването и широкото използване на тефлон също подтиква създаването на нов клас химикали, наречени пер- и полифлуороалкилни вещества, или PFAS. Те използват същите уникални свойства, които правят тефлона толкова удобен за толкова много цели. В най-простата си форма, молекулите на PFAS имат верига от въглеродни атоми, обградени от много силни връзки с флуор. Тази част от молекулата е хидрофобна и не се смесва с вода. Много PFAS също имат това, което химиците наричат "главна група", прикрепена към тази верига. Този сноп от атоми е хидрофилен, така че едната страна на молекулата наистина обича да се мокри. Тези химикали обикновено са силно издръжливи и отблъскват вода, мазнини и топлина.

Но същите тези свойства правят PFAS потенциално опасни. Тъй като връзката въглерод-флуор е толкова силна, PFAS не се разграждат лесно чрез естествени процеси, което води до понятитето "вечни химикали." Тяхната двойствена природа да обичат и отблъскват водата ги прави силно подвижни във влажни условия на околната среда, тъй като молекулата може лесно да бъде повлечена от движещата се вода и също толкова лесно да се отложи върху повърхностите, през които преминава водата.
А широкото използване на PFAS означава, че те са навсякъде, и веднъж попаднали в телата ни, химикалите могат да причинят проблеми.

Според Агенцията за опазване на околната среда, PFAS могат да намалят плодовитостта; да нарушат развитието на децата; да увеличат риска от рак на простатата, бъбреците и тестисите; да повлияят на имунната система; и да направят ваксините по-малко ефективни.

В отговор на това, Европейският съюз и някои американски щати се движат към забрана или ограничаване на продажбата и използването на PFAS, докато засегнатите общности се обръщат към съдебни дела за отстраняване на щетите. Често обаче тези регулации се фокусират само върху няколко от повече от 6,000 различни PFAS съединения и оставят на индустрията много пространство за маневриране.

Не всичко от това е задължително вярно за самия тефлон и други пластмаси, направени от флуорополимери. Тъй като веригата от въглерод и флуорни атоми в молекулярната структура на PTFE е наистина дълга, не е толкова лесно за телата ни да го абсорбират. Производителите казват, че това означава, че новите и предложените регулации за PFAS с по-къси вериги не трябва да включват полимерите като Тефлон, който според тях е "полимер с ниска опасност."

Rainer Lohmann, екологичен химик от Университета на Род Айлънд, казва, че "ако наистина погледнете целия жизнен цикъл от производството до края на живота, става съвсем различна история."
Производственият процес за флуорополимери като тефлон често изисква компаниите да използват други PFAS с къси вериги. Учените и служителите по обществено здраве също изучават повече за това как пластмасите, включително флуорополимерите, се разграждат на микрочастици и взаимодействат с човешките тела. PFAS с дълги вериги могат да се разградят до молекули с по-къси вериги за дълги периоди от време в среди като сметища, където попадат много потребителски продукти с тефлоново покритие. Въпреки тези нарастващи притеснения, "винаги има бизнес интерес да се придържаме към статуквото," казва Lohmann.
Това статукво означава годишни световни продажби на Тефлон на стойност около 3 милиарда долара. Очаква се тази сума да нарасне до повече от 4 милиарда долара до 2027 г.

Как продължава животът на Roy Plunkett

Roy Plunkett почива през 1994 г., преди притесненията за токсичността на PFAS да достигнат масовата публика и да станат част от ежедневните новинарски репортажи. През 1986 г. той казва, че "откритието на PTFE е било описвано по различни начини като пример за щастлива случайност, късметлийска случка или проблясък на гениалност." Той смята откритието, 48 години по-рано, за връхна точка в кариерата си. "Гордея се с участието си в това развитие," казал той, "гордея се с компанията, с която работих, гордея се с това, което се случи, и най-вече се гордея с ползата за човечеството от това оригинално изобретение."
Lohmann смята, че този дух на изобретателство и откритие трябва да се случи отново сега, тъй като все повече опасности на PFAS се откриват и регулациите започват да забраняват тяхната употреба.

Индустриите, които разчитат на флуорната химия, са преминавали през това и преди. През 80-те и 90-те години станало ясно, че химическият предшественик на тефлона, хлорофлуоровъглеродните хладилни агенти, представлявал сериозна заплаха за околната среда поради щетите, които причинявал на озоновия слой. Поредица от международни договори, включително Монреалският протокол, успешно забраняват веществата в световен мащаб. Дупката в озоновия слой вече не е спешна грижа.

В момента не съществуват заместители за многобройните и невероятно полезни приложения на PFAS, известно още като тефлон. Но  това не означава, че учените трябва да спрат да опитват, защото опасността не бива да се прикрива или омаловажава.