ポリテトラフルオロエチレン

• 概要
• 特徴
• 構造式
• 種類・代表グレード
• 成形加工
• 代表的な物性値又は機械的性質
• 耐薬品性
• 成形条件
• 製法
• 詳細な利用用途
• 関連材料との比較
• 法規制・認証
• 代表的なメーカー
• 注意点・劣化モード
• 推奨確認試験
• 関連キーワード

概要

PTFEは、炭素-炭素主鎖に結合するすべての水素原子がフッ素原子に置換された構造を持つ、結晶性の高いフッ素樹脂である。C-F結合はプラスチックの中でも最も強い部類の化学結合であり、この結合の強さと、フッ素原子が炭素主鎖を密に覆う「フッ素シース構造」により、あらゆる樹脂の中で最高水準の耐薬品性・耐熱性・非粘着性・低摩擦性を示す材料として位置づけられている。一般に、強酸・強アルカリ・有機溶剤のほとんどに対して常温では実質的に侵されないとされるが、溶融アルカリ金属や特定のフッ素系薬剤など一部例外があるため、実使用では個別の薬品・濃度・温度条件の確認が必要である。

一方で、PTFEは分子間の絡み合いが少なく溶融粘度が極めて高いため、一般の熱可塑性樹脂のような射出成形・押出成形が原則としてできない、という加工上の大きな特徴を持つ。代表的な成形法は、金属粉末冶金に近い「圧縮成形＋焼成（シンタリング）」、または「ペースト押出成形」であり、この加工プロセスの特殊性が、PTFE製品の価格・供給形態・設計自由度に大きく影響している。近年は、変性PTFE（Modified PTFE）や微粉末グレードにより、成形性・機械的物性のバランスを改善したグレードも供給されている。

用途は、化学プラントの配管・ライニング・パッキン類、フライパン等調理器具の非粘着コーティング、半導体製造装置のシール材・治具、電線被覆、軸受・摺動部品、医療用カテーテルなど極めて広範囲に及ぶ。設計にあたっては、コールドフロー（低荷重下でのクリープ変形）、機械的強度が他のエンプラに比べて低いこと、放射線への弱さなど、PTFE特有の弱点を理解した上でグレード選定・設計を行うことが重要である。

特徴

構造式

代表的な構造単位は -(CF₂-CF₂)_n– であり、モノマーであるテトラフルオロエチレン（TFE、CF₂=CF₂）がラジカル重合することで生成する単独重合体である。炭素主鎖の周囲をフッ素原子が密に取り囲む「フッ素シース構造」が、C-F結合の高い結合エネルギーとあいまって、PTFEの高い化学的安定性・非粘着性の起源となっている。

変性・共重合グレードとしては、微量のパーフルオロアルキルビニルエーテル等を共重合させた「変性PTFE（Modified PTFE）」があり、結晶性をやや下げることで気孔率低減・機械的物性の改善を図ったグレードが供給されている。なお、テトラフルオロエチレンを主鎖としつつ側鎖構造・共重合成分を変えた溶融加工可能なフッ素樹脂として、PFA（テトラフルオロエチレン－パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、FEP（テトラフルオロエチレン－ヘキサフルオロプロピレン共重合体）などが存在するが、これらはPTFEとは異なる独立した材料として扱う（該当ページ：フッ素樹脂関連ページ（サイトトップより検索））。

種類・代表グレード

※ 上表の充填材含有率は代表的な目安であり、メーカー・グレードにより異なる。実使用にあたっては、必ず個別グレードのデータシートで含有率・物性値を確認すること。

成形加工

代表的な物性値又は機械的性質

※ 上表は代表的な公開資料・技術文献に基づく目安値であり、メーカー・グレード・試験規格・試験片厚さ・成形条件により変動する。設計に用いる際は、必ず採用予定グレードのメーカー公表値を確認すること。アイゾット衝撃強さ・HDTのように「破壊せず」等の定性的な結果しか得られない項目は、数値として扱わず備考欄で説明している。

耐薬品性

PTFEの耐薬品性は、樹脂全般の中で最高水準にあるとされるが、これはC-F結合の強さとフッ素シース構造による化学的不活性に由来するものであり、SP値の近さだけで説明できるものではない。評価は一般的な条件下での目安であり、高温・高圧・特殊薬剤条件では個別の浸漬試験による確認が推奨される。

SP値（溶解度パラメータ）

PTFEの溶解度パラメータ（δ）は、一般に約12～13 MPa^1/2程度とされる（文献により幅がある）。ただし、PTFEはSP値の近い溶剤に対しても、結晶化度の高さと表面の低エネルギー性により実質的に溶解・膨潤しない特異な材料であり、SP値差のみで耐薬品性を判断することはできない点に留意されたい。

溶解性の目安

SP値から見た耐溶剤性

上表のとおりSP値差だけを見ると必ずしも大きくない組み合わせもあるが、PTFEは結晶化度・分子構造上の特殊性により、SP値差の目安表通りの挙動を示さない例外的な材料である。耐薬品性の最終判断は、必ず実薬品による浸漬試験・応力下での確認試験によって行うこと。

成形条件（代表的な圧縮成形・焼成条件の目安）

成形条件はメーカー・グレード・製品肉厚・成形機仕様によって大きく異なるため、上表はあくまで一般的な目安である。実生産条件は各社の技術資料・成形指針に基づき個別に設定すること。

製法

PTFEの原料であるテトラフルオロエチレン（TFE）モノマーは、フロン系原料（クロロジフルオロメタン等）の熱分解によって合成される。TFEは爆発性を有するため、製造・貯蔵・重合工程は厳重な安全管理のもとで行われる。

重合は水を分散媒としたラジカル重合が一般的であり、代表的には次の2方式に大別される。

• 懸濁重合法：撹拌により粒状の重合体（グラニュラーレジン）を得る方式。モールディングパウダー（圧縮成形用）の原料となる。
• 乳化重合法：乳化剤を用いてコロイド状の微細粒子を分散重合させる方式。ファインパウダー（ペースト押出用）やディスパージョン（コーティング用）の原料となる。

代表的な重合反応式（模式）は次のとおりである。

n CF₂=CF₂（TFEモノマー）　→［開始剤、水系媒体、温度：常温～80℃程度］→　-(CF₂-CF₂)_n-（PTFE）

重合後、乾燥・凝集・分級を経てグレード化された樹脂粉末は、金属粉末冶金に近い工程で成形される。すなわち、常温付近で圧縮成形（プリフォーム）またはペースト押出成形により所望形状に賦形した後、融点（327℃）を上回る360～380℃程度まで加熱する「焼成（シンタリング）」工程を経て、粒子同士を融着・一体化させる。焼成後は徐冷し、必要に応じて切削・スカイブ（薄膜剥離加工）・研磨等の二次加工を行い、板、丸棒、シート、チューブ、ライニング材などの最終製品形状に仕上げる。

ガラス繊維、カーボン、ブロンズ等の充填材を配合する場合は、重合体粉末と充填材をドライブレンドまたは特殊な混合工程で均一分散させた後、同様の圧縮成形・焼成工程を経る。充填材の分散均一性が、最終製品の機械的物性・摺動特性のばらつきに直結するため、混合工程の管理が重要となる。

詳細な利用用途

関連材料との比較

法規制・認証

代表的なメーカー

注意点・劣化モード

推奨確認試験

• 実薬品浸漬試験（想定薬品・濃度・温度・接触時間を明記した条件での確認）
• 持続荷重下でのクリープ試験（コールドフロー評価、想定荷重・温度・時間を設定）
• 摩耗試験・摩擦係数測定（相手材・荷重・速度・温度条件を明記）
• 寸法変化測定（吸水・温度変化に対する寸法安定性の確認）
• 難燃性試験（UL94、想定試験片厚さでの確認）
• 放射線滅菌適用時の耐久試験（想定線量での機械的物性変化の確認）
• 実成形試験・実部品での耐久試験（焼成条件・二次加工条件を含めた最終製品での確認）

実使用では、グレード、温度、濃度、荷重、応力、湿度、時間、試験片形状、成形（焼成）条件を必ず確認した上で採否を判断すること。

関連キーワード

• フッ素樹脂
• PFA（パーフルオロアルコキシ樹脂）
• FEP（テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体）
• ETFE（エチレン-テトラフルオロエチレン共重合体）
• PVDF（ポリフッ化ビニリデン）
• SP値（溶解度パラメータ）
• スーパーエンプラ
• コールドフロー（クリープ変形）
• テトラフルオロエチレン（TFE）
• 四フッ化エチレン樹脂