ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）とは？

ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）はFmur4とも呼ばれ、現段階では世界で最も理想的な耐食性材料の一つであり、一般に「プラスチックの王様」として知られている。この材料は一般に、懸濁ポリテトラフルオロエチレンと分散ポリテトラフルオロエチレンの2種類に分けられる。

懸濁ポリテトラフルオロエチレン樹脂は一般に白色で、粒径は比較的大きく、特定の処理によってあらゆる種類の粒径の粉末を得ることができる。この樹脂は、成形において非常に理想的な効果を発揮し、円柱状のビレットによく焼結することができ、さらに様々な仕様のシールに加工することができます。

分散ポリテトラフルオロエチレンは、粉末分散と濃縮分散に分けられる。現在、市場に出回っている一般的なPTFE原料ベルトは、分散樹脂で押し出し成形されている。また、分散樹脂で加工された微多孔フィルム、繊維、パイプもハイエンド材料として国民経済の各産業で使用されている。例えば、フィルムは防水性と通気性の役割を果たすことができ、微細孔の直径はナノメートルレベルに達することができ、濾過と分離の分野で広く使用されている。ポリテトラフルオロエチレン繊維は、パッキング、フィルターフェルトベースの布などの製造に使用することができ、ポリテトラフルオロエチレンパイプは、腐食性液体の輸送と熱交換の分野で使用することができる。濃縮ディスパージョンは主に様々なコーティングに使用され、一般的に使用されているノンスティックポットはポリテトラフルオロエチレンディスパージョンをコーティングし、焼結して作られており、電子印刷業界で使用されるテフロン含浸ガラス繊維布もポリテトラフルオロエチレン濃縮ディスパージョンを使用しています。

ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）の構造的特徴は？

ポリテトラフルオロエチレンはテトラフルオロエチレンから重合したもので、その分子構造を図1に示す。

さらに、ポリテトラフルオロエチレンの化学構造は、ポリエチレンの水素原子をすべてフッ素原子に置き換えたものである。フッ素はすべての元素の中で最も活性で電気陰性な元素であるため、フッ素が水素に置き換わった後、製品の性能は明らかに変化します。主な理由は、Cmurl F結合とCmure H結合の違いです。

CmurF結合とCmurh H結合を比較すると、炭素原子の電気陰性度は水素原子の電気陰性度よりも明らかに高く、フッ素原子の電気陰性度は炭素原子の電気陰性度よりも高いため、Cmure F結合の極性はCmure H結合の極性と反対であり、Cmure F結合の極性の方がはるかに大きい。言い換えれば、Cmurf結合では、F原子はより多くの共有電子対を引き寄せるが、C-H結合の共有電子対は炭素原子に偏る。フッ素原子のプロトン半径も水素原子のそれよりも著しく大きく、Cmurf結合の長さはCmure H結合のそれよりも明らかに大きく、Cmure F結合の結合エネルギーもCmure H結合のそれよりも著しく高い。

客観的な観点から見ると、Cmurf結合は安定性に優れた結合の一種であり、結合エネルギーは460kJ/molまで高めることができ、主炭素結合の付着部は多くのフッ素原子団に囲まれているため、Cmure C結合は他の分子の影響を受けない。また、フッ素原子の全体積は比較的大きく、互いに反発し合い、高分子鎖は主にらせん状であり、主鎖に存在するフッ素原子は対称性が良いため、一般的に電気的に中和される。

2.ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）の性能特性は？

2.1 ポリテトラフルオロエチレンの化学的性質 ポリテトラフルオロエチレンは既知の有機化合物である。

最も不活性なポリマー素材を学ぶ。その特殊な分子構造により、ほとんどすべての強酸、強塩基、有機溶剤に耐えることができ、「アクア・レジア」ですら何もできず、高温でもこの性質を維持できるため、この素材は「プラスチックの王様」とも呼ばれている。

例外として、溶融ナトリウムのような溶融アルカリ金属はポリテトラフルオロエチレンの表面を腐食し、炭素鎖周辺のフッ素を反応させることがある。工業的に一般的な方法は、窒素保護または酸素隔離の条件下で、ナフタリンナトリウム溶液を用いてポリテトラフルオロエチレンフィルムまたはプレートの表面を改質し、フィルムまたはプレートの表面のポリテトラフルオロエチレンを脱フッ素化または酸化させる方法である。

2.2 PTFEの熱特性

ポリテトラフルオロエチレンは高温でも十分な性能を発揮する。
使用温度は通常190℃～260℃である。対応する材料の融点温度は327 °C、対応する熱分解温度は420 °Cであり、これは既存のエンジニアリング・プラスチックの中では非常に高い使用温度である。ポリテトラフルオロエチレンは、420 °C未満ではほとんど熱分解しないが、420 °Cを超えると大きく分解し、1時間あたりの総質量損失は約0.01%である。分解するとフッ素化ホスゲン、パーフルオロイソブテンなどの毒性の高い物質が生成するため、ポリテトラフルオロエチレンの熱間加工では、ある種の危険因子の生成を防ぐために、400℃以上の加工温度を避ける必要がある。ポリテトラフルオロエチレンを280℃で72時間加熱し続けると、室温に戻した後の引張強度が約10%低下する。また、ポリテトラフルオロエチレンを260℃で長時間使用した後、室温に戻した場合、その引張強さは所定の値に保たれる。したがって、熱分解の面では、280℃で短時間使用し、260℃で連続使用することができる。また、熱変形の面では、比較的低荷重であれば260℃で長時間使用でき、高荷重になると熱変形が顕著になり、使用時間が大幅に短縮される。

2.3 耐放射線性

ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)は電子線照射により多くの分子劣化が起こる。高エネルギー放射線の作用により、Cmurc結合とCmurf結合が同時に切断され、その結果、分子量が低下し、PTFEの性能が低下する。真空中の不活性ガスの保護下では、PTFEの分解反応に加えて、PTFE分子間の放射線架橋反応も起こるためである。適切な照射温度と照射量を制御すれば、処理されたPTFE材料は半透明になり、材料の耐放射線性、耐高温性、耐低温性、空気透過性、液体透過性が大幅に改善される。

3.ポリテトラフルオロエチレンの改質に関する研究。

ポリテトラフルオロエチレンの分子間引力は非常に小さく、特殊ならせん状の分子鎖構造を持っているため表面エネルギーが非常に低く、ポリテトラフルオロエチレンは疎水性も非常に高い。
現在、一般的に使用されている表面改質技術には、表面改質と充填改質の2つがある。

3.1 ポリテトラフルオロエチレンの表面改質。

ポリテトラフルオロエチレンの表面改質法には3種類ある。第一は表面活性化技術で、放射線で連続的に脱フッ素化し、特定の条件下でフッ素化し、他の材料とグラフト化することができる。また、不活性ガスで処理することで、主結合の一部を切断し、多くのフリーラジカルを形成させ、被覆表面自由エネルギーを向上させ、最終的に濡れ性を最適化することもできる。さらに、PTFEをコロナ処理することで、接着可能な活性層を生成することもできる。

第二のタイプは化学的腐食修飾によるもので、この方法は表面活性を最適化することができ、アンモニア溶液、ペンタカルボニル鉄溶液など、選択する試薬は様々である。

具体的には、PTFEを特定のコロイド溶液に含浸させることで、コロイド粒子がPTFEの表面に析出し続け、濡れ性が改善され、最終的に表面活性が最適化されるため、他の材料と複合化する際に多くの障害が発生しなくなる。

3.2 ポリテトラフルオロエチレンの充填改質。

一般に、PTFE樹脂には無機、高分子など様々なフィラーが添加され、その性能を最適化することができる。また、従来品に比べ、充填品の耐圧性は約5～10倍、耐摩耗性は約1000倍、対応する線膨張係数は80%減少し、熱伝導率は約5倍に向上した。そのため、無給油潤滑シャフト、ピストンリングなど幅広い用途がある。PTFEベアリングのように、ガラス繊維や銅粉などを中心に様々な材料を充填することで、その諸特性を大幅に最適化している。また、ガイドベルトも非常に典型的な複合充填製品で、ガラス繊維、MoS2などが充填されている。現段階では、PTFE充填の探求のために、関連学者はより新しい応用分野を立ち上げ、設計されたあらゆる種類の製品を連続化することに傾倒している。

ポリテトラフルオロエチレンの4つの主な応用分野。

2018年、中国におけるPTFEの総消費量は約7万トンである。PTFEは耐熱性に優れ、使用温度範囲が比較的広く、電気特性に優れ、温度が一定である。
ゲージ材は比類のない耐薬品腐食性を持ち、難燃性も非常に理想的であるため、電子、電気、石油化学、航空宇宙などの四角い分野を含む多くの分野で応用されている。

石油化学産業はPTFEの最も重要な消費分野である。PTFEはその優れた性能から、装置や配管継手などの準備に使用される。同時に、建設、軽工業、その他の分野でのPTFE需要も大幅に増加している。

4.1 ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）の用途に関するデータ

防錆に関する調査によると、米国で腐食により廃棄される設備は、毎年鉄鋼生産量の約40%に上り、その損失総額は約$750億米ドルに上る。わが国の腐食による経済損失も徐々に増加し、現在では150億元に達している。明らかに、腐食による損失は現在非常に顕著な問題であり、我々はこれを非常に重視しなければならない。

ゴムや金属などの素材は耐食性に乏しく、過酷な環境条件下では長期間使用できないため、その損失は非常に大きい。PTFE素材は耐食性に優れているため、石油、繊維、その他の産業で広く使用されている。中でも代表的なものは、排気管、蒸気管、高低圧管、バルブなどである。特に、低温や固着防止など、従来の材料では対応できない過酷な環境条件下では、PTFEの優位性が発揮される。

PTFEのもう一つの重要な用途は、シール材としての役割である。シールはあらゆる機器の付属品であり、機器に比べれば重要度は低いが、シール効果は機器の使用効果全体に非常に大きな影響を与える。代表的なものは、熱交換器、大口径容器、ガラス反応釜シールなどである。また、PTFEフィルムと複合することで、耐溶剤性を大幅に最適化し、耐誘電性をある程度向上させることができ、価格も比較的緩やかであるため、密封要求が厳しい多くの場面に非常に適している。同時に、耐高温・耐低温性にも優れており、現段階ではアスベストガスケットの中核的な代替材料となっている。また、炭素繊維で補強すれば、強度はより高いレベルに向上し、耐疲労性も非常に良好で、熱膨張係数も使用基準を満たす。このような性能は他の素材とは比べ物にならない。

4.2 ポリテトラフルオロエチレンの低摩擦性能の荷重への応用

装置の一部では潤滑油を添加できないため、潤滑グリースは溶剤で完全に溶解してしまうため、医薬品や繊維製品など多くの分野の製品で注意が必要です。充填PTFEは、一般的な固体材料に比べ摩擦係数が比較的低いため、あらゆる部品に無給油で使用できる優れた材料として徐々に進化してきた。化学装置のベアリング、ピストンリング、鋼製屋根トラスの支持スライダー、橋の回転など、幅広い用途がある。

4.3 ポリテトラフルオロエチレンの電子・電気分野への応用。

ポリテトラフルオロエチレンの誘電率は比較的小さいので、マイクロモーターに使用するエナメル線の調製に使用できる。また、フッ素樹脂フィルムはあらゆるガスに対して一定の選択透過性を持つため、この特性を利用して酸素センサーを作製することができる。さらに、特定の条件下でフッ素樹脂の電荷がポロイダル偏倚する特性と組み合わせることで、スピーカや機器部品などに使用することができる。

ポリテトラフルオロエチレンの屈折率は比較的低いため、光ファイバーの調製に使用できる。PTFEは一種の絶縁材料であり、応用範囲が広く、その中心的な用途は電線やケーブルの外層であるため、放送用電子機器に良い役割を果たすことができ、また、線路の接続にも理想的な役割を果たすことができる。高周波電界の条件下では、誘電損失が低いレベルに達し、プリント基板では、優れた誘電特性を持ち、他の化学物質の影響を受けにくい。同時に、絶縁フィルムはポリテトラフルオロエチレンの電気絶縁の主な応用形態でもあり、あらゆる種類のコンデンサの絶縁媒体に広く使用されている。さらに、PTFEフィルムは絶縁ケーブル、モーター、変圧器への適用性が高く、多くの重要な電子部品の主要材料でもある。

4.4 ポリテトラフルオロエチレンの医療への応用

現代の医療技術の絶え間ない発展に伴い、ポリマー製品への依存度はさらに高まっている。このような製品は正常な人体組織と接触するため、無毒性で環境に優しい特性が非常に重要である。
近年、高分子は医療における従来の材料の適用範囲を大きく狭めている。PTFEは一定の生物学的慣性を反映することができるため、標準化処理後の孔形成能力は非常に優れており、これを基礎として、生体拒絶につながらない装置を準備することができ、血液と深く接触し、血液に悪影響を与えない装置を開発することができる。膨張PTFE材料はもともと純粋不活性であり、生物適応性に大きなメリットがあり、機体拒絶反応を起こさず、多様な方法で滅菌することができ、多孔構造を覆い、親水性を持たず、血液は一般的に遮断されず、抗血栓効果を発揮することができ、この種の血管は細胞がスムーズに入ることができる。同時に、内膜は付着組織と一緒に形成されるので、滅菌操作が比較的簡単で、創傷縫合にある程度の利便性を提供し、ひび割れがなく、長期間使用しても収縮崩壊がない。

拡張PTFEは胃カメラ鉗子カテーテルの非常に重要な部分でもあり、その変形特性は非常に理想的であり、人体に使用する際に異物反応がなく、胃のサンプリングやポリープ切除などの多くの手術が行われ、手術の難易度を大幅に下げ、手術中の患者の苦痛を軽減する。また、この材料は心臓修復膜を作成し、横隔膜の欠損を良好に修復し、動脈狭窄の形成治療を標準化することができる。さらに、人工血管、血管、手術など、様々なKangfuソリューションをサポートすることができる。

4.5 ポリテトラフルオロエチレンの接着防止特性の応用。

PTFEは表面張力が低く、何にもくっつかない。
品質、高温と低温の耐性の特性を示すことができ、非粘着性鍋の抗粘着は非常に理想的な適用性を持っています。一番目は基材にPTFE部品を組み立てることで、二番目は熱収縮処理によって基材にPTFEコーティングを関連仕様に従って被覆することである。
現代の科学技術の急速な発展に伴い、PTFE材料にも無視できない3つの欠点が見られる：コールドフロー、困難な溶接性、困難な溶融。これらの問題は一歩ずつ解決されつつあり、光学、医療、その他の分野での応用が期待されている。

ポリテトラフルオロエチレンの中国での高温脱塵への応用は、初期段階で設定された粉塵除去指数は比較的低く、粉塵除去濃度は約400mg/Nm3であり、粉塵排出濃度が50mg/Nm3以下であり、PM2.5（直径2.5μm以下）を低減するという要件を満たしていない。そのため、粉塵公害防止業界にとって良い開発契約となった。耐用年数が長く、浄化効率の高いフィルター媒体の開発は、徐々に主な開発傾向となっている。一方、ほとんどの業界では、粉塵除去装置の主要部品に対する要求がより厳しくなっており、特に産業廃棄物焼却と発電の分野では、その比較的厳しい環境が材料に対する新たな要求を突きつけている。

同時に、世界各地の産業の絶え間ない発展に伴い、大気汚染は次第に無視できない世界的な問題に発展し、汚染物質の浄化は廃ガスの方向へと移行し続けている。微粉塵の処理では、電気集塵機と濾過袋による除塵の2種類が重要であるが、排ガスの処理方法は少ない。現在、国内外の廃ガス触媒分解技術の研究は画期的な進歩を遂げたが、現在の触媒担体は理想的なものではない。PTFE繊維によって調製された担体は、この問題を解決することが期待されている。