フッ素樹脂(テフロン™)について

フッ素樹脂とは、フッ素原子を含むプラスチック原料の総称です。
PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)やPFA(パーフルオロアルコキシアルカン)をはじめとする9品種があり、
耐熱性、滑り性、非粘着性、耐薬品性、低摩擦性、絶縁性に優れた性質を同時に兼ね備えるプラスチックです。
その特性を生かし、食品・化学・半導体・液晶・理化学機器・輸送など多くの業界で幅広く活躍し、現代産業を支えています。
なお、一般的にフッ素樹脂のことを“テフロン™と”いいますが、“テフロン™”とはケマーズ社が製造するフッ素樹脂の商品名になります。

テフロン(Teflon)™とは

フッ素樹脂の原石の蛍石

テフロン™とはケマーズ社が製造するフッ素樹脂PTFE原料の商品名です。
のちに、テフロン™と呼ばれるPTFEは1938年に米国デュポン社のプランケット博士によって発見されました。

プランケット博士は新しい冷媒の研究課程で、四ふっ化エチレン(TFE)ガスを実験用の圧力容器に保存していました。ある日、蓋を開けたところガスは出てこず、容器を切断して調べた結果、内壁から白い粉が出てきました。のちに、この白い粉がPTFEとなります。この時の実験ノートは現在でもデュポン社に保存されています。

第二次世界大戦中は軍用製品をとして利用されていましたが、1945年にデュポン社はPTFEをテフロン(Teflon)™として商標登録し、1946年からは民生用としても販売を開始しました。これにより多くの産業への利用が可能となり現代産業の発展を支えています。
2015年ケマーズ社がデュポン社からの分社・独立し、テフロン™ (Teflon™)の商標もケマーズ社に移管されました。
なお、当社は50年以上にわたるフッ素樹脂製品製造の実績が評価され、2017年7月にケマーズ社とフッ素樹脂粘着テープ(Chukohテープ)についてテフロン™ (Teflon™)商標使用許諾契約を締結しています。

テフロン(Teflon)™マーク

Teflon™およびテフロン™はケマーズ社のトレードマークです。中興化成工業株式会社はライセンスに基づき使用しています。


フッ素樹脂の種類と名称について

フッ素樹脂にはPTFEやPFAをはじめとする9つの品種があります。下記の表は略称と日本語名称になります。

略称名称(日本語名称)
PTFEポリテトラフルオロエチレン(四ふっ化エチレン樹脂)
PFAパーフルオロアルコキシアルカン(四ふっ化エチレンパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂)
FEPパーフルオロエチレンプロペンコポリマー(四ふっ化エチレンー六ふっ化プロピレン共重合樹脂)
ETFEエチレンーテトラフルオロエチレンコポリマー(四ふっ化エチレンーエチレン共重合樹脂)
PVDFポリビニリデンフルオライド(ふっ化ビニリデン樹脂)
PCTFEポリクロロトリフルオロエチレン(三ふっ化塩化エチレン樹脂)
ECTFEエチレンークロロトリフルオロエチレンコポリマー(三ふっ化塩化エチレンーエチレン共重合樹脂)
TFE/PDDテトラフルオロエチレンーパーフルオロジオキソールコポリマー(四ふっ化エチレン・パーフルオロジオキシソール共重合樹脂)
PVFポリビニルフルオライド(ふっ化ビニル樹脂)

なかでも最も多く使用されている樹脂がPTFEです。世間一般的に“テフロン™”と呼ばれているフッ素樹脂の多くは、このPTFEをさします。


フッ素樹脂の特性について

フッ素樹脂には主に6つの特性があります。
耐熱性、耐寒性、非粘着性、滑り性、耐薬品性、絶縁性、耐候性です。
1つのプラスチック樹脂が多くの特性をもつことは珍しいため、フッ素樹脂は“最後の砦の樹脂”といわれています。

■耐熱性(熱に強い)

PTFEの融点は380℃で、他のプラスチックに比べ優れた耐熱性があり、連続使用温度は260℃になります。高温環境下でも劣化しないため自動車の内部に使われる部品や食品製造工程で必要とされています。
※加工製品によって耐熱温度は変わります。製品をご利用の際はご確認ください。


■耐寒性(寒さに強い)

PTFEは-253℃という優れた耐寒性があり、フッ素樹脂製品に加工されても-100℃でも使用できる高い耐寒性を保ちます。
※加工製品によって耐寒温度は変わります。製品をご利用の際はご確認ください。


■非粘着性(くっつきにくい)

フッ素樹脂はほとんどの物質を固着させない特性があります。
離型性ともいわれ、仮にくっついたとしてもすぐに剥がせる性質があります。粘性の物質も滞留させないことから、食品製造工程や印刷機などの機械部品に採用されています。また非粘着性を生かして洗浄工程を軽減させるメリットもあります。


■滑り性

フッ素樹脂はあらゆる個体の中で最小の摩擦係数をもっています。摩擦係数が低いため摩擦抵抗がほとんどかかりません。滑ることで製品搬送の傷防止やスムーズに製造工程を進めたい場面で必要とされています。


■耐薬品性(薬品に強い)

フッ素樹脂はほとんどの薬液や溶剤におかされることはありません。強酸や強アルカリに触れても不純物を起こしにくい性質があるため、特に半導体製造装置に多く採用されています。薬液容器、配管、チューブ、ウエハーキャリアなど半導体製造装置にはフッ素樹脂製品が欠かせません。


■絶縁性(電気を通しにくい)

フッ素樹脂はプラスチックの中で最高レベルの電気絶縁性を持っています。プラスチックの中でも誘電率、誘電正接が最も小さく周波数や温度にも影響されにくいため、高周波数の用途で多く採用され大容量の高速通信社会に大きく貢献しています。
また、フッ素樹脂製の基板材や電線はフッ素樹脂がもつ耐熱・耐寒性の特性も相まってメンテナンスフリーの製品として重宝されています。


■耐候性(野外に強い)

フッ素樹脂は紫外線や可視光線、湿気などの影響をほとんど受けません。
多くのプラスチックは長年月、野外に置かれると劣化しますが、フッ素樹脂は大気中の酸素や化学物質による酸化による影響をほどんど受けないため、30年以上も劣化せずに強度を保ち続けることができます。フッ素樹脂は撥水性も兼ね備えているため主に建築分野において屋根材や壁材、シール材として採用されています。

当社が納入した建築用屋根膜材ChukohSky スワンナプーム国際空港(タイ)


分子構造からみるPTFEの特性について

フッ素樹脂の代表的な原料であるPTFEはその分子構造から様々な特性をもっています。下記はポリエチレン樹脂(PE)とフッ素樹脂(PTFE)の分子構造になります。

 組成式立体構造
ポリエチレン(PE)ポリエチレン(PE)ポリエチレン(PE)
フッ素樹脂(PTFE)フッ素樹脂(PTFE)フッ素樹脂(PTFE)

PEの分子構造は炭素(C)と水素原子(H)から成り立っています。PTFEは炭素(C)とフッ素原子(F)から成り立っています。C-Cの結合は同じですが、炭素と水素(C-H)と炭素とフッ素(C-F)の部分で異なっています。C-H結合とC-F結合を比べた時に C-F結合の方が結合エネルギーが高いため、C-F結合を壊すには大きなエネルギーが必要となります。大きなエネルギーが必要ということはそれだけ“劣化しにくい”というこ とになります。


特性1耐熱性/耐候性/耐薬品性

上記のように炭素とフッ素(C-F)の結合エネルギーが高いということは、“大きなエネルギーがかからない限り劣化しにくい”ということになります。またフッ素の原子は水素の原子に比べて大きいため、炭素結合(C-C)の周りをフッ素原子(F)でぎっしり蔽い結合距離も短くなっています。このような分子構造のため、PTFEは耐熱性、耐燃焼性(耐酸化性)、耐候性、耐薬品性の特性を有しています。

結合エネルギー[kJ/mol]結合距離〔nm〕
C-H結合(CH4の場合)412(CH4)0.110(CH4)
C-F結合(CF4の場合)484(CF4)0.138(CH3F)

特性2非粘着性/撥水・撥油性

PTFEの場合、C-F結合の分極率(電場の中に置かれた時の電子の動きやすさ)がC-H結合なみに小さいという特長があります。これは、フッ素原子の原子殻と電子の相互作用が強いことに起因するもので、他のハロゲン原子の場合と大きく異なる点です。“分極率が小さい”=分子の間に働く力が小さくなる(小さな分子間力)ため、表面の自由エネルギー(表面張力)がはたらき、物質がくっつきにくくなります。このような分子構造のため、PTFEは非粘着性、撥水・撥油性の特性を有しています。

材料の種類水に対する接触角[ 度]接着エネルギー[dyn/cm]
PTFE11443.1
シリコーン樹脂90 ~ 11047.8 ~ 72.7
PE8875.2

特性3絶縁性

PTFEのC-F結合は結合力が大きく電子を分子内に強く拘束しているため、PTFEは絶縁抵抗(体積抵抗、表面抵抗)が高く、電気を通しにくい特性を有しています。

体積抵抗率(Ω・cm)表面低効率(Ω)
フッ素樹脂(PTFE)>1018>1016
フッ素樹脂(PFA)>1018>1016

PTFEの成形法

PTFEは溶融粘度が1010~12Pa・secと非常に高いため、融点である380℃に加熱されても、流動性を示しません。(ドロドロに溶けない。) そのため汎用プラスチックなどに用いられるスクリュ押出成形法や射出成形法などの通常の成形手段は適していません。
PTFEは三つのタイプに大別され、それぞれ通常の成形手段とは異なる特殊な成形法で加工されます。

■モールディングパウダー

モールディングパウダーは大体100μm以下の粉体です。
樹脂を圧縮し押し固め、その後焼成する圧縮成形法に使用されることが多く、板や一体槽などPTFEの塊を作るときに使用します。
他にも、樹脂を圧縮してできた円柱を外側から切削することによりフィルムの製造も可能です。

■ファインパウダー

インパウダーは顆粒状ですが、圧力がかかると繊維化してしまいます。
そのため溶剤と混ぜ合わせ、押し出し加工するペースト押出成形法に用いられます。チューブやシールテープはこの方法により成型されます。

■ディスパージョン

ディスパージョンは乳化重合された水系分散体を界面活性剤で安定化させた物です。
クロス等をディスパージョンに漬ける含浸コーティング法で使用されます。乾燥後に焼成することが多く、当社ではガラスクロスにPTFEを含浸コーティングした、ファブリック製品や建築用屋根膜材ChukohSKY™で用いられています。

樹脂の種類加工方法該当製品
モールディングパウダー
(懸濁重合法由来の粉末形状)
圧縮成形法 / ラム押出成形法
ファインパウダー
(乳化重合法由来のペレット形状)
ペースト押出法 / 圧延成形法
ディスパージョン
(乳化重合法由来の乳化液状)
含浸コーティング法

PTFE以外のフッ素樹脂の成形法

PFAやETFEなどPTFE以外のフッ素樹脂は溶融粘度が約103~4Pa・secのため、一般的な熱可塑性樹脂で行われる成形手段を適用することができます。ただし、溶融状態のふっ素樹脂は接触する金属を腐食させるため、耐食性の金属材料を使用する必要があります。
当社ではPFAチューブやPFA射出成形品も製造しております。


当社では、フッ素樹脂をより身近に感じていただくために、広告シリーズ『ふっ素のふふふ』を展開しております。誰かに伝えたくなるような、フッ素樹脂に関する「ふふふ」な情報が盛り沢山です。ぜひ、ご覧ください!



【参照】
日本弗素樹脂工業会ふっ素樹脂ハンドブック
・ふっ素樹脂なんでもQ&A


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