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フッ素樹脂

フッ素樹脂とは、フッ素原子を含むプラスチックのことを言う総称です。

フッ素樹脂開発の歴史は第2次世界大戦中まで遡ります。もとは軍需産業から生まれたものですが、それにとどまらず現在では、さまざまな場所で利用されています。

身近なフライパンなどの撥水・撥油コーティングや、自動車、着衣から産業分野まで幅広く利用されているこのフッ素樹脂についてお話しします。 
 
フッ素樹脂とは一般的にはテフロンと呼ばれる、フッ素原子を含んだプラスチックの総称を指します。耐熱性や耐薬品性に優れ、摩擦係数が小さいことで知られています。

テトラフルオチレンの重合体*であるポリテトラフルオロエチレン(PTFE)が代表的です。

ポリテトラフルオロチエン(PTFE)は1938年、アメリカデュポン社のブランケット博士により発明されたといわれ、第2次大戦中にはフッ素樹脂の特性を利用し、核兵器の製造工程の中でライニングやパッキンなどの素材として利用されました。
 
原材料として外観が七色に光る蛍石が使われています。

この蛍石と硫酸を反応させるとフッ化水素酸(フッ酸・HF)が発生します。このフッ化水素酸とクロロホルムを反応させた物質を熱分解することにより、フッ素樹脂の原料が出来上がります。
 

*重合体とは・・・単体の分子が重合(結合)して化合物になること。ポリマーともいう。(反対語:モノマー)
フッ素素材を形成する-CF2-の炭素とフッ素の電子が程よいバランスを持つと、フッ素素材はほぼ無極性となり、表面に接触する物質との相互作用が非常に小さくなります。そのため、水や油、汚れをはじくなど、汚れにくい性質(非粘着性・撥水性)や滑りやすい性質(滑り性)を持っています。

さらに、炭素とフッ素の原子核のそばに結合電子が強く引き付けられているため、外部の電場の影響による結合電子の不安定がなくなり、フッ素素材は電子の流れである電流が通りにくくなるため、絶縁性が高くなります。

さらに、高周波振動による双極子誘導も起こりにくいため、高周波が打ち消されることが起きにくくなる性質(電気特性)があります。
 
また、フッ素素材には高温に耐えられる性質(耐熱性)と、薬品に強い性質(耐薬品性)があります。

これはC-Fの結合がC-Hの結合よりも結合エネルギーが大きく、骨格を形成するC-C結合が、-CF2-によって形作られるため、-CH2-から成るC-Cの結合よりも回転しづらく、結合エネルギーが切れづらくなります。

そのため、フッ素素材は炭化水素系素材よりも熱に強くなり、さらに炭素原子と強く結びついたフッ素原子が炭素原子を守るため、耐薬品性が高くなります。
 
フッ素素材を形成するC-F結合とC-C結合の結合エネルギーは、物質を破壊する太陽光の紫外線エネルギーよりも大きいため、太陽光により切断されることはありません。

また、フッ素原子が炭素原子の周辺を隙間なく覆っているので、他の素材が紫外線を吸収して発生させるラジカルの攻撃も受けず、フッ素素材は太陽の下に長期間暴露されていても、初期と変わらぬ状態を保つことができる性質(耐候性)を持っています。
樹脂
 
PTFE
 
FEP
 
ETFE
 
PFA
 
PCTFE
 
PVDF
 
6ナイロン
 
ポリプロピレン
 
硬質
ポリ塩化ビニル

 
常用
温度

 
260
 
200
 
150
 
260
 
150
 
150
 
80120
 
100~
120

 
60
 
比重
 
2.17
 
2.15
 
1.73
 
2.15
 
2.13
 
1.76
 
1.13
 
0.90
 
1.35
 

引用:ゴム製品とテフロン(PTFE)製品のトータル情報サイト「パッキンランド」
https://www.packing.co.jp/

 

●ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)


 
フッ素樹脂の大半を占めるのがこのPTFEです。PTFEには、懸濁重合品と乳化重合品があり、懸濁重合品はモールディングパウダーと呼びます。

乳化重合品は粉末化したものをファインパウダー、界面活性剤を加えて濃縮したものはディスパージョンまたはエナメルと呼んでいます。

 

●ネオフロン(PFA)


 
PTFEと同等の性能を持つフッ素樹脂で、PTFEと同等の性能を有する溶融成形可能なフッ素樹脂です。

PFAはPTFEの加工性を改良する目的で開発され、射出成形や押出し成形などの溶融加工・成形ができます。

PFAはPTFEの場合に問題になる室温転移点がなく、PTFEに勝るとも劣らない機械的・化学的・電気的諸性能があり、高温時での弾性率・耐クリープ性などではPTFEより優れているという一面もあります。
 

●ネオフロン(FEP)



溶融成形が可能で、電線被覆、フィルム、チューブなどに広く使用されています。

FEPは連続使用温度が200℃程度でPTFEやPFAに比べ耐熱性に劣ります。しかしPTFEの場合は問題になる室温転移点がなく、PTFEと同様に優れた耐熱耐寒性・耐食性・低摩擦性・電気的の特性を持っています。

FEPはフィルムなどの薄い成形品の場合では、無色で透明性がありますが、厚みが出ると半透明になります。
 

●ネオフロン(ETFE)


 
ETFEは電線被覆材、チューブ、コーティング、ライニング、フィルムなどに用いられる機械的強度に最も優れており、融点270℃の溶融加工・成形が可能な樹脂です。

PTFE・PFA・FEPより耐熱・耐薬品性にやや劣りますが、電気絶縁性・耐放射線性・耐薬品性・低温特性なども合わせ諸特性のバランスの良い樹脂です。
 

●ネオフロン(EFEP)


 
EPEFは汎用樹脂(ポリアミドなど)汎用樹脂との接着性があり、成形性に優れた低融点フッ素樹脂です。透明性・成型加工性に優れ自動車用燃料チューブなどに使用されています。
 

●ネオフロン(PCTFE)


 
PCTFEは機械的特性(硬度)と、水蒸気バリア性を有する樹脂で、特に半導体の分野で使用されています。常温の機械的特性や低温の寸法安定性・耐衝撃性に優れ、耐食性も良い樹脂で、透明性が求められる箇所にも使用されます。

ただし、機械的特性は温度によって大きく左右されます。耐薬品性は、PTFEに比べてやや劣りますが、他の樹脂に比べれば非常に優れています。また、紫外線による劣化に強く、耐候性、耐放射線性に優れています。

さらに、あらゆる樹脂の中で最も小さな水蒸気透過性を示し、多くのガスの透過性も非常に小さいという特性があります。
フッ素樹脂と比較した他の樹脂の特性と欠点についてご説明いたします。


●シリコン樹脂


 
特に耐熱性に優れています(200~650℃)。その他、耐候性・耐寒性・電気絶縁性・耐水性などに優れていますが、密着性にやや劣ります。
 

●アクリル樹脂


 
透明度が高く、硬く対汚染性が優れています。その他、耐候性。・耐油性・耐薬品性・電気的性能にも優れ安価ですが、耐久性に劣ります。
 

●テフロン


 
耐久性・耐油・耐薬品性と電気的性能もすぐれています。表面の粘着が少なく物理性能・撥水性能に優れていますが、樹脂コストが他とかけはなれて高い点があります。
使用安全温度を超える高温になると、他の樹脂と同じように有害物質に変化しますのでその際に発生する分解ガスは大変危険です。

フッ素樹脂を焼却すると有毒なガスが発生します。焼却はしないようにします。それぞれの樹脂の最高使用温度を超えての使用は絶対にしてはいけません。

それぞれの樹脂の最高使用温度を超えて加工等を行う場合は、フッ素系の分解ガスが生じます。分解ガスの吸引は大変危険なため、換気を充分に行い、必要に応じて保護具を着用しましょう。

●フライパン


 
フッ素樹脂の用途・製品の代名詞ともいえるのがフライパンです。便利なフッ素加工のフライパンですが、鉄製のフライパンに比べると軽く扱いやすいものの、長持ちの視点から見ると鉄製には劣ります。

特性がなくなってきたら(くっつきやすくなったり・コゲやすくなったりしたら)寿命と考えたほうが良いでしょう。

強火で熱し続けると、耐熱温度を超える場合があります。火加減の注意が必要です
また、傷つけないことも大切です。小さな傷から腐食が始まります。 傷がつかないようにシリコン樹脂や木などのヘラを使うと良いと言われています。(金属製のフライ返しも避けた方が良いです)

スポンジも柔らかいものを使い、力任せではなく小さい円を描くようにやさしく洗うと良いでしょう。

急激な温度変化は劣化を早めます。熱したフライパンに水をかけることは避け、冷ましてから洗うようにするなど急激な温度変化は避けるようにしましょう

研磨剤などが入ったクレンザーやアルカリ性洗剤は劣化を早める原因となります。中性洗剤を使用することが望ましいです。
 
 

●フッ素塗料


 
すぐれた耐候性を活かし、外壁用の塗料に用いられています。塗り替え頻度も少なくて済む優れた塗料です。
 

●フッ素樹脂ライニング


 
ライニング加工処理といわれる、フッ素樹脂シートを他素材で作られた配管やタンク、ボトルの内面に貼り付ける加工方法が用いられています。
 

●コーティングスプレー



身近なフッ素コーティングです。防水スプレーや撥水スプレーに用いられています。
その他、フッ素の特性を活かして、フィルム・シート(板)・金属接着剤などに利用されています。
 
フッ素樹脂の最大特徴はその耐薬品性にあります。

PTFEは、さまざまな薬品(酸・アルカリ、有機薬品)に対して安定していて、侵食されたり変形したりすることがありません。生産現場では耐薬品パッキン(特に六価クロム系)部品などに使用されるなど、重要な役割を果たしています。

特に次の特性(水との表面張力の差が大きいため、水を良くはじく。油との表面張力の差があるため、油をはじく)を最大限に活かしたフライパンのフッ素加工や、自動車のボディやガラス、傘やアウトドアウエアの撥水処理はよく知られています。 

このように生活に身近なものから、工業製品まで幅広く使用されているフッ素樹脂。探してみると、意外なほど身近に存在しているかもしれません。