表面処理のご相談

PTFEとは?~テフロン™樹脂との違いも解説~

この記事では、樹脂コーティング材料としてよく使用されるPTFEについて詳しく解説します。
テフロン™樹脂、フッ素樹脂との関係性は︖同じもの︖
PTFEが注目されるゆえんとなる優れた特性と、その活用事例もひとつひとつご紹介します。

PTFEの概要

PTFEとは、フッ素樹脂のなかで最も多く生産される白色の結晶性樹脂で、熱可塑性プラスチックのひとつです。その独特の分子構造によりもたらされる耐熱性や電気特性などから、スーパーエンジニアリングプラスチックに分類されます。

PTFEパウダー
PTFEパウダー

PTFEは1938年に米国デュポン社の R.J. プランケット博士(1910-1994)がフレオンガスと関係したガスの研究中に発見。1944年にデュポン社により「TEFLON®」(テフロン®)と商標登録され市場に出されました。
つまりフッ素樹脂の種類のひとつとしてPTFEがあり、「Teflon®」(テフロン®)はその発見者の企業が登録した商標のことです。 PTFEは発見から半世紀以上経った今日でも半導体分野、化学工業分野、自動車航空宇宙分野をはじめ数多くの産業でなくてはならない材料です。

>フッ素樹脂についての詳しい内容はこちら

PTFEの分子構造と特徴

PTFEは、炭素原子(C)とフッ素原子(F)が結合したものが直鎖的につながった分子構造になっています。
炭素原子同士の結合部はフッ素原子で隙間なく覆われることで、フッ素原子によって保護されています。

PTFEの分子構造
PTFEの分子構造

Poly Tetra Fluoro Ethylene (ポリテトラフルオロエチレン)
別名:四フッ化エチレン、4F
融点327℃、連続使用温度260℃

ほかにもこんな特徴が挙げられます。

  • 分子内の原子の配列は緊密で対称的になっており、電荷の分極がとても小さい
  • 分子量が100万~数千万と非常に長い分子鎖でできている高分子

このような特徴的な分子構造により安定しているPTFEは、非粘着性、低摩擦性、耐熱性、耐薬品性、電気特性などの特性を発揮します。

分子結合のイメージと結合エネルギーの強さ
分子結合のイメージと結合エネルギーの強さ

C-F結合は、他の結合に比べてエネルギー的に大きい(C-F:116Kcal/mCl)

PTFEの分子構造による特徴一覧

PTFEの製造方法

PTFEの原料は蛍石と呼ばれるフッ化カルシウムが主成分の鉱石で、製造方法は蛍石に硫酸を反応させてフッ酸をつくるところから始まります。

PTFE製造方法
PTFE製造方法

PTFEの特徴別用途

非粘着性を応用した用途

PTFEの非粘着性を最も身近で利用しているものに、テフロン™加工やフッ素コートのフライパンがあります。PTFEの高い耐熱性と非粘着性により、ガスやIHで加熱調理ができ、食材がくっついたりこびりついたりすることがありません。
そしてPTFEの非粘着性はフライパンだけでなく、コンベアベルト、ホースや継ぎ手などの製品として医薬医療分野、化学工業分野、食品工業分野などさまざまな生産現場で利用されています。

>フッ素樹脂の非粘着性の解説はこちら

>フッ素樹脂コーティングの解説はこちら

低摩擦性を応用した用途

PTFEの静摩擦係数は0.04と固体の中で最も小さく、身近なところではアイロンの熱板部のコーティングとしても利用されています。
製造設備で潤滑性が必要な場合、一般的にはオイルやグリスを使いますが、汚染を嫌う食品加工機や、溶剤などを使用する撹拌機やポンプ、潤滑油が機能しない極低温環境での冷凍機やバルブなど、潤滑油が使用できない装置や機械の固体潤滑製品としてPTFEが使用されます。

耐薬品性を応用した用途

PTFEは一部の特殊な場合を除き、ほとんどすべての薬品や溶剤に侵されることがありません。またガス透過性も低く、薬品と接する容器やガスケット、バルブ、ポンプ部品などの製品としても利用されます。
PTFEは薬品に強いだけでなく、耐熱性、耐寒性、耐候性、非粘着性、低摩擦性などの機能を併せ持つため、金属を腐食から守る耐食材料としても優れた機能を発揮します。

>フッ素樹脂の耐薬品性の解説はこちら

>PTFEシートライニングの解説はこちら

PTFEの主な加工方法

成形方法と製品例

PTFEは熱可塑性プラスチックですが、溶融粘度が1010~1011ポイズと高いため、一般的な熱可塑性プラスチックのような溶融成形が難しい材料です。
成形には粉末冶金やセラミックスの成形に似た方法が用いられます。

PTFEの成形方法成形される製品吉田SKTの取扱製品例
圧縮成形プレートやシートやビレットなどTEFPASS® SHEET
アイソスタティック成形ビーカーやパイプなどM-PTFEパイプライナー
ラム押出成形丸棒など 
自動予備成形パッキンなど 
含侵コーティング法フッ素樹脂ガラスクロスシートマックスライナーベルト®
ペースト押出成形生テープ、フィルムなど 

切削加工方法

成形されたPTFEは通常の工作機械で加工することができます。
PTFEの丸棒やビレットから加工される製品は、半導体分野や化学工業分野などの純粋性や耐熱性や耐薬品性を必要とする分野で多く使用されています。
PTFEは熱膨張や弾性のため、金属のように高い寸法精度で加工することはできません。
また切削加工時は、熱伝導率が小さい、熱膨張計数が大きい、20℃付近で大きな体積変化が生じることや残留歪に注意する必要があります。
さらに、加工温度が260℃を超える場合はしっかりと換気をすることや衣服等に付着した切削くずによるポリマー煙熱に注意が必要です。

切削加工品
切削加工品

ライニング方法

PTFEでのライニングはパイプライナーを配管内に併設するルーズライニングと、あらかじめPTFEシートの片面を接着しやすいよう加工したシートを接着するシートライニングなどがあります。
PTFEを接着剤で接着するためには、表面を化学的にエッチングする方法や、ガラスファブリックやカーボンファブリックをラミネートしたシートを使用する方法があります。
耐薬品性やガス透過性に優れるPTFEシートやパイプで金属基材と薬品を隔離することで、高い耐食性を得ることができます。

ライニング加工品
ライニング加工品

>M-PTFEパイプライナー製品情報はこちら

>フッ素樹脂シート製品情報はこちら

>フッ素樹脂シートライニングの種類や方法の解説はこちら

コーティング方法

PTFEのコーティングで最も有名なものとしてフライパンのテフロン™加工があります。
「テフロン™」はデュポン社、現ケマーズ社の商標です。
PTFEは接する相手とくっつきにくい性質があるため、モノにコーティングするためには特殊な方法が用いられます。
また、高い溶融粘度でピンホールができやすく厚膜に加工することも難しいため、非粘着性、低摩擦性を活用した用途が主なものになります。

PTFEコーティングによる非粘着性の活用は、輸送搬送装置の滑り性向上や樹脂やゴム成形の離型目的、食品の付着防止、塗装治具の清掃性向上やOA機器の部品など多岐にわたります。
また、優れた低摩擦性(固体潤滑性)でプランジャーや搬送装置、OA機器部品など、汚染を嫌いオイル潤滑できない用途で利用されています。

コーティング加工品
コーティング加工品

フッ素樹脂PTFEの特性表

特性 単位 JIS試験法 ISO試験法 ASTM試験法 PTFE
物理的 融点 K6935 12086 D4591 327
Tg K7121 3146 D3418  
密度 g/cm3 K7112 1183 D792 2.13-2.20
機械的 引張強さ MPa K7161 K7162 527 D638 20 – 35
伸び 同上 200-400
圧縮強さ MPa(10%変形) K7181 604 D695 10-15
アイゾット衝撃強さ J/m K7110 180 D256A 150-160
ロックウェル硬さ (Rスケール) K7202 2939 D785 R 20
ショアー硬さ (Dスケール) K7215 2089 D2240 D50-55
曲げ弾性率 GPa K7171 178 D790 0.53-0.58
引張弾性率 GPa K7162 527 D638 0.40-0.60
動摩擦係数 (0.69MPa,10MP a、3.8m K6935   D1894 0.1
磨耗係数 10MPa、3.8m /S、1018S        
熱的 熱伝導率 W/m・K A1412 8902 C177 0.25
比熱 103J/Kg・K K7123 11357 E1269 1
線膨張係数 10-5/℃ K7197 11359 D696 10
ボールプレッシャー温度 参照1 180
熱変形温度 1.81MPa K7191 75 D648 55
0.45MPa 120
最高使用温度(連続) K7226 2578 260
電気的 体積抵抗率 Ω・ cm(50%RH,23℃) K6911 C2139 IEC60093 D257 >1018
絶縁耐力(短時間) MV/m 3.2mm厚 K6911 C2110 IEC60243 D149 19
比誘電率 (60Hz) K6911 C2138 IEC60250 D150 2.1
(103Hz) 2.1
(106Hz) 2.1
誘電正接 (60Hz) K6911 C2138 IEC60250 D150 0.0002
(103Hz) 0.0002
(106Hz) 0.0002
耐アーク性 sec C3125 IEC61621 D495 >300
耐久性その他 吸水性 %(24H) K7209 62 D570 0.01
燃焼性 3.2mm厚 K7140 1210 UL-94 V-0
限界酸素指数 K6935 K7201 4589 D2863 >95
直射日光の影響   なし
耐薬品性   K7114 175 D543 超優秀
アルカリ 超優秀
有機溶剤 超優秀

備考
超優秀:ほとんどの薬品、溶剤に過酷な条件下でも侵されない。
優秀:一部の薬品、溶剤には特定の条件下では使用を留意する必要がある。
秀:使用する薬品、溶剤、使用条件を詳細に検討する必要がある。
良:一部の薬品、溶剤に溶ける。

参照1:電気用品に用いられる熱可塑性プラスチックのボールプレッシャーの登録制度に関する報告書準拠