フッ素樹脂

2013.01.15

概要

材料名フッ素樹脂
略記号Fluororesin、Fluoroplastics
英語名Fluororesin、Fluoroplastics、Fluoropolymer
分類熱可塑性樹脂、スーパーエンジニアリングプラスチック、フッ素系樹脂
代表材料PTFE、PFA、FEP、ETFE、PVDF、PCTFE、ECTFE
主な特徴耐薬品性、耐熱性、耐候性、低摩擦性、非粘着性、電気絶縁性
主な用途薬液配管、ライニング、シール材、摺動部材、電線被覆、半導体装置部品、非粘着コーティング

フッ素樹脂とは、分子中にフッ素原子を持つ樹脂の総称である。 既存フッ素樹脂ページでも、四フッ化エチレン樹脂であるポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、三フッ化塩化エチレン樹脂（PCTFE）、六フッ化エチレンプロピレン樹脂（FEP）などが多く使用される材料として整理されている。

フッ素樹脂は、C-F結合の強さとフッ素原子による分子鎖保護により、一般的なプラスチックの中でも特に高い耐薬品性、耐熱性、耐候性、非粘着性、低摩擦性を示す。 一方で、材料によって成形加工性、機械的強度、耐クリープ性、価格が大きく異なる。

PTFEは耐薬品性と耐熱性に極めて優れるが、通常の溶融成形は困難である。 PFAやFEPは溶融成形可能なフッ素樹脂であり、チューブ、ライニング、射出成形品に使用される。

特徴

  • 分子中にフッ素原子を持つ樹脂の総称である
  • PTFE、PFA、FEP、ETFE、PVDF、PCTFEなど多くの種類がある
  • C-F結合が強く、化学的に極めて安定である
  • 酸、アルカリ、有機溶剤に対して高い耐性を示す
  • 耐熱性が高い材料が多い
  • 耐候性に優れ、紫外線や屋外環境で劣化しにくい
  • 表面エネルギーが低く、非粘着性、撥水性、撥油性を示す
  • 摩擦係数が低く、摺動材料として使用される
  • 電気絶縁性、低誘電率に優れる材料が多い
  • 難燃性が高い
  • 吸水率が極めて低い
  • 接着、塗装、印刷が難しい
  • 機械的強度や耐クリープ性は種類により差が大きい
  • 一般樹脂より高価である
長所
  • 耐薬品性が極めて高い
  • 耐熱性が高い
  • 耐候性に優れる
  • 低摩擦性を持つ
  • 非粘着性に優れる
  • 撥水性、撥油性が高い
  • 電気絶縁性に優れる
  • 難燃性が高い
  • 吸水率が低い
  • 半導体、化学、食品、医療、電気電子分野で使用できる
短所
  • 価格が高い
  • 接着、塗装、印刷が難しい
  • 表面処理なしでは密着性が低い
  • 材料によって成形加工性に制約がある
  • PTFEは通常の射出成形が困難である
  • 純PTFEはクリープしやすい
  • 純PTFEは耐摩耗性が十分でない場合がある
  • 比重が高い材料が多い
  • 高温分解時には有害ガスに注意が必要である
  • 種類ごとに特性差が大きく、選定を誤ると過剰品質または性能不足になりやすい
成形加工

フッ素樹脂の加工性は種類により大きく異なる。 PTFEは溶融粘度が極めて高いため、粉末を圧縮成形し焼結する方法が中心である。 一方、PFA、FEP、ETFE、PVDF、PCTFEなどは溶融成形が可能であり、射出成形、押出成形、チューブ成形、フィルム成形に対応できる。

加工方法適性主な対象材料・製品例
圧縮成形・焼結◎PTFE板材、丸棒、ブロック、切削素材
ラム押出◎PTFEロッド、チューブ、パイプ
ペースト押出◎PTFEシールテープ、薄肉チューブ、電線被覆
射出成形○PFA、FEP、ETFE、PVDF、PCTFEの成形部品
押出成形○PFAチューブ、FEPチューブ、ETFEフィルム、PVDFシート
ブロー成形△PVDF、ETFE、PFAの特殊容器
フィルム成形○ETFEフィルム、FEPフィルム、PFAフィルム
分散液コーティング◎PTFE非粘着コーティング、ガラスクロス含浸材
切削加工◎PTFE、PCTFE、PVDF、PFAのガスケット、シール、治具

構造式

フッ素樹脂

フッ素樹脂は、炭素主鎖または側鎖にフッ素原子を含む高分子である。 代表的なPTFEは、−CF2−CF2−の繰り返し構造を持ち、炭素主鎖がフッ素原子に覆われている。

C-F結合は非常に強く、分子全体が化学的に安定である。 そのため、フッ素樹脂は耐薬品性、耐熱性、耐候性、非粘着性、低摩擦性、電気絶縁性を示す。 ただし、フッ素含有量や共重合成分により、耐熱性、成形性、機械強度、透明性、耐薬品性は変化する。

種類

PTFE
名称ポリテトラフルオロエチレン
略記号PTFE
構造−CF2−CF2−
特徴最高レベルの耐薬品性、耐熱性、低摩擦性を持つ
主な用途シール材、ガスケット、ライニング、摺動部材、非粘着コーティング
特徴
  • フッ素樹脂の代表材料である
  • 耐薬品性が極めて高い
  • 連続使用温度は約260℃である
  • 通常の溶融成形は困難である
  • 低摩擦、非粘着用途に適する
PFA
名称パーフルオロアルコキシアルカン
略記号PFA
構造TFEとパーフルオロアルキルビニルエーテルの共重合体
特徴PTFEに近い耐薬品性を持ちながら溶融成形できる
主な用途半導体薬液配管、チューブ、ライニング、射出成形部品
特徴
  • 溶融成形可能である
  • 耐薬品性が非常に高い
  • 高温薬液用途に適する
  • 半導体関連で多用される
FEP
名称四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体
略記号FEP
構造TFEとHFPの共重合体
特徴透明性、溶融成形性、耐薬品性に優れる
主な用途チューブ、フィルム、電線被覆、ライニング
特徴
  • 溶融成形が可能である
  • PTFEより耐熱性は低い
  • 透明性がある
  • 電線被覆やチューブ用途に適する
ETFE
名称エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体
略記号ETFE
構造エチレンとTFEの共重合体
特徴機械強度、耐衝撃性、透明性、成形性に優れる
主な用途建築用フィルム、電線被覆、ライニング、チューブ
特徴
  • フッ素樹脂の中では機械強度が高い
  • 耐衝撃性に優れる
  • 透明フィルム用途に適する
  • 耐熱性はPTFEやPFAより低い
PVDF
名称ポリフッ化ビニリデン
略記号PVDF
構造−CH2−CF2−
特徴機械強度、成形性、耐薬品性、耐候性のバランスが良い
主な用途薬液配管、ポンプ部品、フィルター、電池バインダー、建材塗料
特徴
  • 溶融成形が容易である
  • 機械的強度が高い
  • 耐薬品性と耐候性のバランスが良い
  • 強アルカリや一部溶剤では注意が必要である
PCTFE
名称ポリクロロトリフルオロエチレン
略記号PCTFE
構造−CF2−CFCl−
特徴低透過性、寸法安定性、耐薬品性に優れる
主な用途バルブ、シール、低温部品、薬品容器、バリア材料
特徴
  • ガスバリア性が高い
  • 寸法安定性が良い
  • 低温特性に優れる
  • 透明性を持つグレードもある
ECTFE
名称エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体
略記号ECTFE
構造エチレンとCTFEの共重合体
特徴耐薬品性、耐摩耗性、成形性、バリア性のバランスが良い
主な用途ライニング、タンク、配管、フィルム、電線被覆
特徴
  • 溶融成形が可能である
  • 耐薬品性と機械強度のバランスが良い
  • ライニング用途に適する
  • 強酸、強アルカリ、溶剤用途で使われる

代表的な物性値又は機械的性質

項目単位PTFEPFAFEPETFEPVDFPCTFE
密度g/cm³2.13〜2.202.12〜2.172.12〜2.171.70〜1.751.75〜1.802.10〜2.15
融点℃約327約300〜310約260〜270約250〜270約170〜175約210〜215
連続使用温度℃約260約260約200約150〜170約130〜150約120〜150
引張強さMPa20〜3525〜3520〜3040〜5535〜5530〜45
伸び%200〜400250〜350250〜350200〜40020〜10050〜150
曲げ弾性率MPa400〜700600〜700500〜7001000〜17001500〜25001200〜2000
摩擦係数なし非常に低い低い低い低い中程度中程度
吸水率%ほぼ0ほぼ0ほぼ0ほぼ0低い低い
耐薬品性なし極めて高い極めて高い非常に高い高い高い高い
成形性なし低い良い良い良い良い良い

耐薬品性

フッ素樹脂は、プラスチック材料の中でも最高水準の耐薬品性を持つ。 特にPTFE、PFA、FEPは酸、アルカリ、有機溶剤、酸化剤に対して極めて安定である。 ただし、溶融アルカリ金属、高温高圧のフッ素ガス、特殊な強反応性薬品では反応する場合がある。

薬品・溶剤耐性備考
水◎吸水率が極めて低く安定である
酸◎多くの強酸に安定である
アルカリ◎多くの強アルカリに安定である。ただし溶融アルカリ金属は除く
塩類◎塩類水溶液に安定である
アルコール◎エタノール、IPAなどに安定である
ケトン◎アセトン、MEKなどに安定である
エステル◎多くのエステルに安定である
芳香族溶剤◎トルエン、キシレンなどに安定である
塩素系溶剤◎多くの塩素系溶剤に安定である
酸化剤◎多くの酸化剤に安定である
溶融アルカリ金属×PTFEでも反応する特殊条件である
高温フッ素ガス×高温条件では反応する可能性がある

更に詳しくはプラスチックの耐薬品性一覧表を参照。

SP値（溶解度パラメータ）

フッ素樹脂は、一般的な有機溶剤に対して非常に溶解しにくい材料群である。 特にPTFEは結晶性が高く、C-F結合により分子鎖が強く保護されているため、SP値だけで溶解性を判断しにくい。

項目SP値（δ）[MPa1/2]備考
PTFE（ポリテトラフルオロエチレン）12.2極めて低極性であり、ほとんどの有機溶剤・酸・アルカリに対して非常に高い耐性を示す。
PTFE + GF 25%12.3ガラス繊維強化により寸法安定性が向上する。耐溶剤性はPTFEと同等レベルである。
PTFE + CF 15%12.4カーボン充填により導電性と耐摩耗性が向上する。溶剤耐性への影響は小さい。
PFA（パーフルオロアルコキシ樹脂）12.5PTFEに近い耐薬品性を有し、溶融成形可能である。半導体用途でも使用される。
FEP（フッ化エチレンプロピレン）12.7高い耐薬品性と透明性を有する。芳香族溶剤にも比較的安定である。
ETFE（エチレンテトラフルオロエチレン）13.3機械強度に優れる。ケトン系や高温溶剤では若干影響を受ける場合がある。
ECTFE（エチレンクロロトリフルオロエチレン）13.8耐透過性に優れ、酸・塩素系薬品にも高耐性を示す。
PVDF（ポリフッ化ビニリデン）17.2他の完全フッ素系より極性が高く、一部極性溶剤で膨潤する場合がある。
PVDF + GF 30%17.3高剛性タイプであり、耐薬品性と機械強度のバランスに優れる。
PVF（ポリフッ化ビニル）17.8耐候性・耐薬品性に優れるが、強極性溶剤には注意が必要である。
溶解性の目安
Δδ挙動
0〜2溶解しやすい
2〜5膨潤・軟化
5以上溶解しにくい
SP値から見た耐溶剤性
溶剤名SP値（δ）[MPa1/2]PTFEPFAFEPETFEECTFEPVDF
水47.9◎◎◎◎◎◎
メタノール29.7◎◎◎○○△
エタノール26.0◎◎◎○○△
IPA23.5◎◎◎○○○
アセトン20.3◎◎◎○○△
MEK19.0◎◎◎△△×
酢酸エチル18.6◎◎◎○○△
トルエン18.2◎◎◎○○△
キシレン18.0◎◎◎○○△
クロロホルム18.7◎◎◎△△×
NMP23.1◎◎◎△△×
DMF24.8◎◎◎△△×
DMSO26.7◎◎◎△△×
酢酸21.4◎◎◎○○○
塩酸41.0◎◎◎◎◎◎
硫酸35.0◎◎◎◎◎○
水酸化ナトリウム水溶液48.0◎◎◎◎◎○

　◎：非常に良好　○：概ね良好　△：注意が必要　×：不適

注意事項
  • フッ素樹脂は全体として非常に低いSP値を有し、耐溶剤性に極めて優れる材料群である。特にPTFE、PFA、FEPはほぼ全ての有機溶剤に対して高い耐性を示す。
  • 一方で、PVDFやPVFは比較的SP値が高く、NMP、DMF、DMSO、MEKなどの強極性溶剤や高温環境では膨潤・応力割れを生じる場合があるため注意が必要である。
  • ETFEおよびECTFEは機械強度に優れるが、高温下でのケトン系・ハロゲン系溶剤では長期暴露試験による確認が推奨される。
  • 実使用では、濃度、温度、応力状態、接触時間により耐性評価が変化するため、量産前の実液評価が重要である。

※耐溶剤性評価は、各フッ素樹脂のSP値（δ）の中央値付近との差異を基準とした一般的な相溶性傾向に基づく目安である。実際の耐久性は結晶化度、添加剤、温度、応力状態などによって変動する。

実務上の注意
  • PTFE、PFA、FEPは一般的な有機溶剤にほぼ溶解しない
  • PVDFはフッ素樹脂の中では極性溶媒に影響されやすい
  • フッ素樹脂の溶解性はSP値だけでなく、結晶性、フッ素含有量、分子構造に強く依存する
  • 耐薬品性が必要な場合でも、充填材、顔料、添加剤の耐薬品性を確認する必要がある
  • 高温条件では膨潤や応力緩和が進む場合がある

製法

フッ素樹脂は、フッ素を含むモノマーを重合して製造される。 代表的なモノマーには、テトラフルオロエチレン（TFE）、ヘキサフルオロプロピレン（HFP）、ビニリデンフルオリド（VDF）、クロロトリフルオロエチレン（CTFE）などがある。

製法特徴主な対象材料
懸濁重合粒状粉末を得やすく、圧縮成形用に適するPTFE
乳化重合微粒子分散液を得やすく、コーティングやペースト押出に適するPTFE、FEP、PFA
溶液重合溶媒中で重合し、分子量や組成制御を行うPVDF、特殊フッ素樹脂
共重合成形性、柔軟性、透明性、耐薬品性を調整するPFA、FEP、ETFE、ECTFE
溶融成形用ペレット化射出・押出向けにペレット化するPFA、FEP、ETFE、PVDF、PCTFE
粉末成形・焼結粉末を圧縮し、加熱焼結して成形体を得るPTFE

詳細な利用用途

半導体・化学装置用途
  • 薬液配管
  • 薬液チューブ
  • バルブ
  • 継手
  • ウェハ搬送部品
  • 薬液槽ライニング
  • ポンプ部品
シール・摺動用途
  • ガスケット
  • パッキン
  • Oリングバックアップリング
  • 軸受
  • 摺動板
  • ピストンリング
  • シールテープ
電気・電子用途
  • 高周波ケーブル絶縁体
  • 同軸ケーブル
  • 電線被覆
  • コネクタ絶縁部品
  • プリント基板材料
  • 電子部品用絶縁材
コーティング用途
  • 非粘着コーティング
  • フライパン内面コーティング
  • 離型コーティング
  • 耐薬品コーティング
  • ロールコーティング
  • ガラスクロス含浸材
建築・フィルム用途
  • ETFE建築フィルム
  • 耐候フィルム
  • 温室フィルム
  • 膜構造材
  • 保護フィルム
医療・フィルター用途
  • ePTFEメンブレン
  • 人工血管
  • ベントフィルター
  • 薬液フィルター
  • 防水透湿膜
電池・エネルギー用途
  • PVDFバインダー
  • リチウムイオン電池電極バインダー
  • セパレーター関連材料
  • 耐薬品部材

関連材料との比較

比較材料フッ素樹脂との違い選定ポイント
PTFEフッ素樹脂の代表材料であり、最高レベルの耐薬品性と低摩擦性を持つ耐薬品性、非粘着性、低摩擦性を最重視する場合に選ぶ
PFAPTFEに近い耐薬品性を持ち、溶融成形が可能である複雑形状やチューブ成形が必要な場合に選ぶ
FEPPFAより耐熱性は低いが、透明性と成形性に優れる透明チューブ、フィルム、電線被覆に適する
ETFEフッ素樹脂の中では機械強度と耐衝撃性が高い建築フィルム、耐候フィルム、電線被覆に適する
PVDF機械強度と成形性に優れるが、PTFE/PFAより耐薬品性は劣る薬液配管、電池バインダー、構造部品に適する
PEEKPEEKは機械強度と耐摩耗性に優れるが、耐薬品性はフッ素樹脂が有利である高強度ならPEEK、耐薬品性ならフッ素樹脂
PPPPは安価で耐薬品性も良いが、耐熱性と耐溶剤性はフッ素樹脂が優れる一般薬液ならPP、高温・強溶剤ならフッ素樹脂
PVCPVCは安価で配管用途に多いが、耐熱性と耐溶剤性はフッ素樹脂が優れる低コスト配管ならPVC、高温・強薬品ならフッ素樹脂

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