フッ素樹脂の不思議？特徴、用途、構造から反応メカニズムまで解説

本記事では、水や油もよく弾く不思議な素材「フッ素樹脂」について詳しく解説します。フッ素樹脂はテフロン加工のフライパンで有名です。フッ素原子（F）と炭素原子（C）から成る分子でできています。今回は、特徴、種類、用途、構造、反応メカニズム、メーカーについての紹介を通じ、フッ素樹脂についての理解を深めます。

フッ素樹脂とは

フッ素樹脂とはフッ素原子（F）と炭素原子（C）から成る分子でできたプラスチックの総称です。世の中で最も早く工業化されたフッ素樹脂はPTFE（Polytetrafluoroethylene）です。

テフロン™として1938年にデュポンによって発明されました（参照元）。水や油の弾きがよく高い耐薬品性、耐熱性、耐摩擦性を示します。

参照：フッ素樹脂テフロン™について（中興化成工業株式会社株式会社）

フッ素樹脂の特徴

フッ素樹脂の特徴	説明
耐薬品性	化学構造上、フッ素原子が炭素原子を覆うので耐薬品性を発揮する
耐熱性	種類により150℃～300℃近い熱に耐えられる
耐摩擦性	フッ素樹脂のC-F結合が、一般的な樹脂のC-H結合より結合エネルギーが大きいことで表面が滑りやすく耐摩擦性に優れている

フッ素樹脂は表面に配列しているフッ素原子により高い耐薬品性、耐熱性、耐摩擦性を示します。なかでも最もフッ素樹脂を特徴付けているのは、他の物質と容易に吸着しない特性です。

この特性を利用したのがテフロン加工のフライパンです。テフロン加工を施されたフライパンで調理すると食材がフライパンにくっつきにくく、容易に洗い落とせます。

フッ素樹脂の種類

代表的なフッ素樹脂8種類とその特徴を表にまとめました。

フッ素樹脂名	特徴
PTFE（ポリテトラフルオロエチレン）	耐熱性、耐薬品性、非粘着性、潤滑性
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）	加工性、耐熱性、耐薬品性、電気絶縁性
FEP（テトラフルオロエチレンヘキサフルオロピルビレン共重合体）	加工性、耐薬品性、非粘着性、電気絶縁性
ETFE（テトラフルオロエチレンエチレン共重合体）	電気絶縁性、耐薬品性、低温特性、機械的強度、加工性
PCTFE（ポリクロロトリフルオロエチレン）	ガス透過性、耐薬品性、耐熱性、透明性、高流動性、非粘着性
ECTFE （クロロトリフルオロエチレンエチレン共重合体）	機械的強度、加工性、耐薬品性、耐熱性、耐候性
PVDF（ポリビニリデンフルオライド）	耐候性、耐薬品性、電気絶縁性、機械的強度、耐熱性
PVF（ポリビニルフルオライド）	耐候性、耐薬品性、耐熱性、染色性

フッ素樹脂の用途

フッ素樹脂は、日用品から精密機器まであらゆる用途に使用されています。

具体的には、調理器具のフライパンや鍋です。その他、半導体製造装置、精密機械、家電、OA機器などの電気電子機器、自動車、医薬品製造装置、撥水加工を施した防水衣類などに使われています。

フッ素樹脂の構造

フッ素樹脂は、炭化水素（-CH2-CH2-）の水素の部分がフッ素に置換した化学構造を有しています。テフロン™のブランド名で有名なPTFE（Polytetrafluoroethylene）は下図のような構造で示されます。

炭化水素（-CH2-CH2-）nに比べてPTFEの立体構造は、炭素に結合している水素とフッ素の物理的な大きさに違いがあります。また水素に比べてフッ素は、原子が大きいことからPTFEの炭素鎖がフッ素で覆われて隠れてしまいます。

この立体構造の特徴により、さまざまな化学物質の影響を受けにくくなります。その結果、分子鎖内部が酸やアルカリ、熱からの攻撃から守られ、高い耐薬品性、耐候性、耐熱性の要因となっています。

フッ素樹脂の反応メカニズム

フッ素樹脂が水や油を弾くメカニズムは他の物質と異なり、臨界表面張力が極端に低いことが挙げられます。

化学構造名	構造式	臨界表面張力(dyn/cm)
フッ化炭素	-CF3	6
	-CF2-CF2-	18.5
炭化水素（比較）	-CH3	20-24
	-CH2-CH2-	31

上表のように臨界表面張力が低いと他の物質が吸着しにくくなります。なぜなら表面張力が低いことで安定し、そのままの表面を維持している方がエネルギー的に有利だからです。この特性がテフロンに代表されるフッ素樹脂が水や油をはじく理由です。

ちなみに炭化水素やフッ化炭素が水を弾くメカニズムは「疎水相互作用」によります。フッ化炭素は、炭化水素と異なり「界面作用」により油も弾く表面状態になるのが大きな特徴です。

フッ素樹脂を製造しているメーカー

フッ素樹脂を製造している主な国内メーカーは、次のとおりです。様々な用途で、様々なグレードの製品が製造・販売されています。詳細は各社のウェブサイトをご参照下さい。

企業名	主な製品名
ダイキン工業株式会社	ポリフロン、ネオフロン
AGC株式会社	ルミフロン®、Fluon®、アフラス®

まとめ

フッ素樹脂はフッ素原子と炭素原子からなる分子でできているプラスチックの総称です。フッ素樹脂の表面に配列しているフッ素原子により、耐薬品性、耐熱性、耐摩擦、他の物質と容易に吸着しない特性を有します。

フッ素樹脂が水や油を弾くメカニズムは、臨界表面張力が低いことが要因です。臨界表面張力が低い特性を利用したのがテフロン加工のフライパンです。その他、フッ素樹脂は電気電子機器や撥水加工を施した防水衣類にも使用されます。

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