フッ化物の特性
フッ化物の特性
目次
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1. PTFEとは？
PTFEはポリテトラフルオロエチレン（polytetrafluoroethylene）の略称です。炭素とフッ素を組み合わせた合成フッ素ポリマーの一種です。PTFEは、FEP（フッ素化エチレンプロピレン）やPFA（パーフルオロアルコキシ樹脂）などの他のフッ素ポリマーと同様に、類似した用途分野で使用されています。
フッ素ポリマーは、医療、製薬、化学、その他の産業機器向けのチューブを製造する主要な材料です。チューブの製造だけでなく、PTFEはコーティング材料としても理想的です。金属、繊維、その他の材料にPTFEコーティングを施すことで、製品の品質を向上させることができます。
2. PTFEとテフロンは同じものか？
はい、PTFEはテフロンです。プラスチックやポリマー、合成材料には多くの専門用語があり、どれが何を指すのか混乱しやすいものです。その気持ちはよくわかります。
PTFE は化学名称であり、この材料の本質を示す名称です。一方、テフロン（Teflon） は Chemours（ケマーズ）社 が所有するブランド名です。テフロンは1938年にデュポン（DuPont）社の化学者であるロイ・プランケット博士（Dr. Roy Plunkett） によって発見され、その後、デュポンから分社化したケマーズ社が管理することになりました。ケマーズ社は1945年にTeflonの商標を登録しました。現在も同社はTeflonブランドのもと、高性能なPTFE製品の開発を続けています。
3. PTFEはどのように製造されるのか？
PTFEは、TFE（テトラフルオロエチレン） を重合することで製造されます。その主成分は、フルオールスパー（蛍石）、クロロホルム、フッ化水素酸 です。
製造プロセスは、まずこれら3つの原料を合成し、TFEを生成することから始まります。この工程は「熱分解（パイロリシス）」と呼ばれ、オートクレーブ内で590～900℃ に加熱し、化学反応を起こさせてTFEを生成します。TFEは無色（透明）、無臭、無毒のガスですが、非常に可燃性が高く、爆発の危険性もあるため、輸送はほぼ不可能です。そのため、TFEの重合は通常、TFEの生成直後に現地で行われます。
PTFEを製造するには、重合前にTFEを冷却・蒸留して精製する必要があります。高純度TFEの重合には、開始剤（反応剤） と純水を使用します。PTFEメーカーはそれぞれ独自の方法で重合を行い、使用する開始剤も異なります。例えば、ピロ亜硫酸塩、ジ-tert-ブチルパーオキシド、コハク酸パーオキシド、過硫酸アンモニウム（APS）、アゾ系開始剤 などが一般的に使用されます。
重合プロセスには主に 分散重合 と 懸濁重合 の2つの方法があります。
・分散重合 では、PTFEペーストが生成され、それをさらに処理して微粉末 にすることができます。これは金属コーティングや繊維仕上げ に適しています。
・懸濁重合 では、PTFEペレット が作られ、それを成形や焼結などの工程を経てさまざまなPTFE製品 に加工することができます。
4. テフロンの特性
テフロンは、耐久性が高く、優れた物理特性を求められる分野で広く使用されています。例えば、医療、自動車、電子機器、軍事産業などが挙げられます。以下に、テフロンの主な特性をご紹介します。
| 項目 | 単位 | ASTM Test Method | PTFE (4F) | PFA | PCTFE (3F) | PVDF (2F) | FEP (4-6F) | PEEK | |
物理的特性 | 密度 | D792 | 2.14~2.2 | 2.12~2.17 | 2.1~22 | 1.75~2.17 | 2.12~2.17 | 1.31 | |
| 融点 | oC | 327 | 302~310 | 210~212 | 170 | 253~282 | 340 | ||
機械的特性 | 引張強度 | Kg/cm2 | D638 | 280~350 | 320 | 315~420 | 400~520 | 200~320 | 1142 |
| 伸び | % | D638 | 200~400 | 280~300 | 80~250 | 100~300 | 250~330 | 20 | |
| 圧縮強度 | Kg/cm2 | D695 | 120 | -- | 320~520 | 600 | 150 | ||
| 衝撃強度 | Kg*cm/cm | D256 | 16.3 | 損傷なし | 13.6~14.7 | 19.6~21.8 | 損傷なし | 損傷なし | |
| 硬度 | ロックウェル硬度 | D785 | R25 | -- | R75~95 | R100~115 | R25 | R126 | |
| 硬度 | ショア硬度 | D1706 | D55 | D60 | D90 | D55 | D85 | ||
| 静摩擦係数 | -- | 0.05 | -- | 0.25 | D80 | -- | |||
| 動摩擦係数 | -- | 0.1 | 0.2 | 0.37 | 0.1 | 0.3 | 0.4 | ||
| 熱特性 | 熱伝導率 | 104cal/cm.sec. oC | C117 | 5.9 | 6.2 | 4.7~5.3 | 0.39 | 6 | |
| 線膨張係数 | 106/oC | D696 | 9.9(23~66oC) | 12(21~100oC | 4.5~7.0 | 3 | 8.3~10.5(-17~71oC) | ||
| 使用温度 | oC | 260 | 260 | 150~180 | 8.5 | 200 | 300 | ||
| 電気特性 | 体積抵抗率 | .cm | D257 | >1018 | >1018 | 12*1018 | 150 | >1018 | |
| 表面抵抗率 | D257 | >1016 | >1016 | -- | 20*1014 | >1016 | >1013 | ||
| 絶縁抵抗 | 1/8" thick Kv/mm | D149 | 16~4 | 20~24 | 20~24 | -- | 20~24 | 24 | |
| 耐久性 | 耐薬品性 | D543 | 優れている | 優れている | 良好 | 良好 | 優れている | 良好 | |
| 難燃性 | % | D635 | 不燃性 | 不燃性 | 不燃性 | 自己消火性 | 不燃性 | 耐炎性 | |
| 透過性 | % | D570 | <0.01 | 0.03 | 0 | 0.04 | <0.01 | 0.1 | |
注: PEEK はフッ素ポリマーではありませんが、高圧・高温環境下での比較目的として記載されています。
4.1. 耐熱性および耐薬品性
まず、テフロンは耐熱性があります。正確に言うと、他のプラスチック素材と比較して高温に耐えることができます。融点は約 327 ℃ であるため、熱によってテフロンが損傷することはほとんどありません。次に、テフロンは化学的に不活性です。ほとんどの化学物質と反応しないため、化学、石油化学、製薬業界など、腐食性の化学物質を日常的に扱う設備に適しています。
4.2. 低摩擦係数
4.3 耐摩耗性・耐候性および電気絶縁性
PTFE は熱や化学物質に耐えるだけではありません。摩擦がほとんどなく、耐摩耗性・耐候性に優れ、電気絶縁性も良好です。優れた耐摩耗性と耐候性により、過酷な作業環境でも長期間にわたり高い性能を維持できます。圧力や外力にも耐えられるため、屋外環境での設備保護材として適しています。低い電気伝導性は、半導体メーカーにとって理想的です。では、一般的な用途にはどのようなものがあるでしょうか？
5. 用途
これらの特性を考慮すると、テフロンの用途はほぼ無限と言えます。多くの人は調理器具を思い浮かべるかもしれませんが、PTFE の用途はそれだけに留まりません。次に、あまり知られていない PTFE 関連製品について説明します。
5.1. 潤滑剤
PTFE は、低摩擦が求められる場面で乾燥潤滑剤として使用されており、調理器具のコーティングもその一例です。PTFE は表面間の摩擦を効果的に低減し、腐食性物質に対する追加の保護層を提供します。WD-40 スプレーには PTFE が含まれており、チェーンの潤滑に使用されます。薄い膜を形成することで、汚れや油を防ぎます。
5.2. 配管・チューブ
前述のとおり、テフロンコーティングは腐食性の高い流体を扱う施設の配管・チューブシステムに使用されます。バルブ、ポンプ、ティー、継手、および配管システムのすべての接続部の内面に施されたテフロンコーティングは、流体漏れのリスクを防ぐために非常に重要です。腐食性流体の漏れは、設備や作業員にとって危険を伴います。
5.3. 繊維・テキスタイル
まだ触れていない利点の 1 つに撥水性があります。テフロンは水を弾き、繊維にも容易にコーティングできます。アウトドア衣料ブランドはこの技術を利用して、撥水性のある衣服や靴の生地を設計しています。有名で最も成功した防水生地の 1 つである「Gore-Tex」は、PTFE から派生しています。Gore-Tex は ePTFE（膨張 PTFE）と呼ばれる特許取得済みの生地で、防水性と通気性の両方に優れています。
5.4. 弾薬
フッ素ポリマーは、炭素–フッ素結合を持つフッ素系高分子材料です。最もよく知られているフッ素ポリマーはポリテトラフルオロエチレン（PTFE）です。フッ素ポリマーは優れた耐熱性、耐薬品性、電気絶縁性を持ち、さらに非粘着性および低摩擦特性も備えています。
PTFE はすべての化学物質に対して耐性を持つわけではなく、高温下ではアンモニアや塩素ガスに若干の影響を受けることがあります。フッ素ポリマーの中でも、PTFE は最も低い摩擦係数を持ち、独自の自己潤滑特性を提供します。
使用温度は最大 260 ℃ です。PTFE は、デュポン社のスピンオフ企業である Chemours によって販売される Teflon™ というブランド名で広く知られています。
5.5. 航空・宇宙分野
PTFE は優れた電気絶縁性を持ち、航空機や宇宙船にも適用されています。航空機には多数の精密電子機器が搭載されており、これらを接続するために数百万フィートのケーブルと配線が使用されます。そのため、電気部品を長期的に保護するために、優れた誘電特性を持つ絶縁材が必要となります。
6. PTFE は安全か、それとも有害か？
PTFE は調理器具や製薬業界で広く使用されています。PTFE 自体は体内に直接入ることはありませんが、食品や医薬品と密接に接触するため、安全性が懸念されることがあります。幸いなことに、PTFE 単体では健康に悪影響を及ぼしません。しかし、300 ℃ を超える温度で加熱されると、PTFE は分解を始め、ポリマーフュームを放出します。
このガスを長時間吸入すると、胸の不快感、頭痛、発熱などの症状を引き起こす可能性があります。そのため、ノンスティックパンを予熱しすぎたり、強火で使用しないことが推奨されます。260 ℃ 以上で加熱するとコーティングが分解を始めるため、安全のため低〜中温で使用するのが最適です。
7. まとめ
PTFE およびその他のフッ素ポリマーは、多くの分野で有用です。いくつかの制限や潜在的リスクがあるものの、その利点は欠点を上回ります。適切に使用すれば、これらの材料の欠点を回避することが可能です。Bueno Technology はフッ素ポリマーの専門メーカーであり、ポンプ、バルブ、パイプ/チューブ継手を製造しています。製品についての詳細情報が必要な場合は、お問い合わせください。
フッ素樹脂の種類と耐薬品性の比較：
| カテゴリ（名称） | 分子構造 （分子あたりのフッ素） | 融点と使用温度 | 耐薬品性 |
| PTFE |
| m.p. 327oC W.TEMP(MAX) 260oC | 優れた化学的安定性を持つ。 |
| ETFE |
| m.p. 270oC W.TEMP(MAX) 150oC | PTFEと同様の耐薬品性を持つが、硝酸など特定の化学薬品にによって容易に腐食される。 |
| ECTFE |
| m.p. 240oC W.TEMP(MAX) 150oC | 高結晶性の高分子材料であり、優れた透過特性を持つ。 |
| PFA |
| m.p. 302~310oC W.TEMP(MAX) 260oC | PTFEと同様の耐薬品性を持ち、機械的特性や衛生特性に優れる。 |
| FEP |  | m.p. 253~282oC W.TEMP(MAX) 160oC | PTFEと同様の耐薬品性を持つが、使用温度はやや低い。 |
| PVDF |
| m.p. 170oC W.TEMP(MAX) 130~150oC | 発煙硫酸、高温硫酸、または100℃以上の苛性ソーダにより容易に溶解する。 |