フッ素樹脂とは？種類・特性・用途をPTFE・PFAの違いから解説

フッ素樹脂は、工業で広く扱われている素材です。耐薬品性・耐熱耐寒性・表面平滑性・耐摩耗性など優れた性質があるため、さまざまな分野で活用されています。

導入事例

また、フッ素系コーティング剤であるフロロサーフは、フッ素樹脂との共通点を持ちながら、いくつかの違いもある製品で、多くの方から注目を集めています。

この記事では、フッ素樹脂の特徴やフロロサーフとの違い、フッ素樹脂の種類について解説するため、フッ素樹脂の導入を検討されている方はぜひ参考にしてください。

この記事はフッ素樹脂という素材そのもの（定義・種類・特性）の解説です。フッ素樹脂を製品に加工する方法（フッ素樹脂加工と常温フッ素コーティングの違い・メリットデメリット）は下記で解説しています。
フッ素樹脂加工とフッ素コーティングの違い・メリットデメリットはこちら

フッ素樹脂とは、蛍石（ほたるいし）を原料としてフッ素を取り出し樹脂化したもので、化学薬品への耐久性や電気絶縁性が高く、高温でも安定しており、不燃性である特徴があります。

フッ素樹脂にはいくつかの種類がありますが、その中で最も有名なのがポリテトラフルオロエチレン（PTFE）です。

PTFEはアメリカ合衆国で第二次世界大戦中に開発され、戦後に工業製品化した経緯があります。現在ではフライパンやアイロンの焦げつき防止コーティングなどに利用されています。

また、フッ素樹脂の成分を一部置換して新しい材料として開発されるなど、より便利で使いやすい材料となるように研究・活用がなされています。

一般的に高価な材料であり、加工するのが難しいという欠点もありますが、特定の用途に対して重要な材料であることには間違いありません。

フッ素樹脂のフッ素は「蛍石（ほたるいし）」と呼ばれる鉱石が原料です。

天然の蛍石は含まれている不純物によって緑や紫、ピンクなどの色合いを持ちます。また、ブラックライトを当てると光るという特徴があります。

主成分はフッ化カルシウム（CaF2）であり、鉄などの金属製錬用の材料として欠かせないものです。

フッ素樹脂にはいくつか種類があり、作り方も異なりますが、今回は蛍石からフッ素樹脂の一種であるPTFEを作る方法について説明します。

まずは、蛍石に硫酸を加えてフッ化水素（HF）を作ります。フッ化水素にクロロホルム（CHCl3）を加えて熱分解することでフッ素樹脂になる一つ手前の材料、テトラフルオロエチレン（C2F4）になります。

テトラフルオロエチレンを化学反応によって重合させてフッ素樹脂ができあがります。

「テフロン」はフッ素樹脂の一種であり、米国ケマーズ社（旧デュポン社）の登録商標です。そのため、テフロンという名称で製造・販売しているのは同社のみです。テフロンの発見は1938年の偶然の出来事でした。炭素とフッ素を用いた冷媒（フロン）の研究中に、ガスボンベ内に偶然できた白い物質が発端です。発見当初はコストの高さから普及しませんでしたが、高い化学的安定性が評価され、耐薬品用パッキンに採用されたことをきっかけに、あらゆる産業へ普及しました。

非粘着性

撥水性・撥油性

低摩擦性

耐薬品性

耐熱性・耐寒性

電気絶縁性

耐候性

出典: 一般社団法人日本弗素樹脂工業会「ふっ素樹脂の特性」

加工の難しさと高コスト：摩擦が少なく滑りやすい（低摩擦性）という利点が、裏を返せば「掴みにくく削りにくい」という加工の難しさにつながっています。この加工の難易度の高さが、材料としての価格が高くなる主な原因です

日用品から工業、医療まで幅広く使われているフッ素樹脂ですが、いくつか欠点もあります。

・剛性が低い
剛性とは、外部から加わる曲げやねじりの力に対して歪まない性質です。フッ素は、曲げやねじりの力に弱く、他の素材と比較すると強度が下がる傾向があります。柔軟性が求められるシーンでは利点となりますが、剛性を求めるシーンでは欠点といえるでしょう。

・一部の溶剤に弱い
フッ素は耐熱性や耐薬品に優れた特徴を持ちますが、一部の溶剤に対しては化学反応が起こる可能性があります。例えば、金属水素化合物やアンモニア、アセトン、溶解状態のアルカリ金属などです。化学反応を起こす溶剤と一緒に用いないよう注意が必要です。

・燃焼すると有害ガスが発生する
フッ素樹脂は、高温で燃焼するとき、二酸化炭素や一酸化炭素のほか、フッ化水素やその他の有害ガスが発生します。有毒ガスを吸うと、頭痛やめまい、吐き気などが起きることがあるため、火災リスクが高い場所での使用は避けられています。

・製造コストが高い
フッ素樹脂の種類にもよりますが、シリコン樹脂やポリウレタン樹脂などよりも製造コストが高くなりがちです。適した使用シーンが異なるため他の樹脂で代用したほうがコストダウンになるとは言い切れませんが、不良率によっては利益を圧迫する可能性があります。

フッ素樹脂に含まれる主な素材は、PTFEやPFA、FEPなど合計8種類にわけられます。
フッ素樹脂には元素の組み合わせによって多くの種類がありますが、構造は完全フッ素化樹脂と部分フッ素化樹脂の2つに分けられます。

完全フッ素化樹脂（パーフルオロ）は、有機フッ素化合物で炭化水素の水素を全てフッ素に置き換えた構造のものです。

• PTFE（ポリテトラフルオロエチレン）
• PFA（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルコキシエチレン共重合体）
• 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）

などが完全フッ素化樹脂です。 部分フッ素化樹脂は部分的に水素または塩素がフッ素に置換されているか、炭化水素モノマーと重合反応させてポリマー合成したものを指します。

• PVDF（ポリビニデンフルオライド）
• PCTFE（ポリクロロトリフルオロエチレン）
• ETFE（エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体）
• ECTFE（エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体）
• PVF（ポリフッ化ビニル）

などが部分フッ素化樹脂の例として挙げられます。

フッ素樹脂の各素材は種類によって分子構造が異なり、分子構造に応じた固有の特長・性質を持つため、フッ素樹脂を扱う場合は、各素材の理解が必要です。
製品にもよりますが一般的に完全フッ素化樹脂は非粘着性や耐食性などのフッ素が持つ特性が強い一方で、コストが高く耐久性も比較的低くなるとされます。
部分フッ素化樹脂はフッ素が持つ特性はパーフルオフロと比較するとやや低下する傾向はあるものの、元素の組み合わせによっては耐久性が高くなったり、完全フッ素化樹脂にはない特長が付与されるというメリットもあります。

以下では8種類のフッ素樹脂に関して、名称や特徴、代表的な用途例を解説するため、ぜひ参考にしてください。

PTFEの化学名は、ポリテトラフルオロエチレン（Poly tetra fluoro ethylene）です。
高い耐熱性・非粘着性・耐薬品性を持つPTFEは、フッ素樹脂の中で最も多く使用されており、全需要の約60％を占めます。

また、PTFEには懸濁重合品と乳化重合品の2種類があるため、注意が必要です。
懸濁重合品はシートやパイプの圧縮成形に使用され、乳化重合品は、電線被覆などの押出用原料や、コーティング用の材料に使用されます。

PTFEについては、後ほど詳しく言及いたします。
フッ素樹脂の中でも広く使われるPTFEとは？

PFAの化学名は、パーフルオロアルコキシアルカン（Perfluoro alkoxy alkane）です。
PFAはPTFEの加工性をより高めるために開発されました。

そのため、PTFEと同様の耐熱性・非粘着性・耐薬品性があり、さらに溶接加工や成型加工も容易な点もPFAの特徴です。

また、PFAは通常品と高純度品の2種類にわけられ、通常品はガスケットや電線被覆材、耐食ライニングなどに、高純度品は半導体部品や液晶部品に用いられます。

FEPの化学名は、パーフルオロエチレンプロペンコポリマー（Perfuluoro ethylene propylene copolymer）です。
FEPも、PFA同様、PTFEの加工性を高めるために開発されました。

PTFEと比較して耐熱性に劣りますが、PTFEにある室温転移点がFEPにはない点が、FEPの長所となっています。

FEPの主な用途例は、電線被覆材や配管材料をはじめ、変圧器の絶縁フィルムやお菓子の焼き型、パッキンなどにも使用されます。

ETFEの化学名は、エチレン・テトラフルオロエチレンコポリマー（Ethylene-tetrafluoroethylene）です。
FTFEは、テトラフルオロエチレンとエチレン共重合体から作られます。

ETFEの特徴は力学的に強靭で、電気絶縁性・耐放射線性も兼ね備えている点です。

ETFEは、FEP同様に電線被覆材やコーティング、チューブなどに使用されることが多く、耐食用の膜厚が厚い性質を活かして、化学タンクの素材にも使用されています。

PCTFEの化学名は、ポリクロロトフリフルオロエチレン（Polychlorotrifluoroethylene）です。
PCTFEは、トリクロロトリフルオロエタンをメタノール中で脱塩素化することで、合成が可能です。

PCTFEの特徴に、透明性・耐薬品性・耐衝撃性・耐食性・耐放射線性の高さが挙げられます。
また、PCTFEは水蒸気やガスに対する透過性が低いことも特徴です。

そのため、PCTFEは、ベアリングなどの機械部品やのぞき窓などを中心に、医薬品用の包装フィルムや、腐食性が強い薬液のパイプにも使用されます。

ECTFEの化学名は、クロロトリフルオロエチレン・エチレン共重合体（Chlorotrifluoroethylene ethylene copolymer）です。
ECTFEは、エチレンとクロロトリフルオロエチレンの重合技術によって得られます。

ECTFEの特徴は、優れた電気特性・耐放射線性・耐化学薬品性と、高温環境下でも機械的強度を損なわない点です。

また、ECTFEは、薬品タンクやパイプ、バリア性が必要な部品のコーティングに応用ができます。
しかし、現在の日本では、ECTFEはほとんど使用されていません。

PVDFの化学名は、ポリビニリデンフルオライド（Polyvinylidene fluoride）です。
PVDFは、ビニリデン単量体を重合化することで得られます。

PVDFの特徴は、機械的な強靭さや耐化学薬品性を持ち、紫外線の放射にも耐性がある点です。

PVDFは溶融加工や成形も可能なため、ポンプやバルブ、絶縁剤や、自動車用の部品・化学工業用のパイプにも使用されます。

PVFの化学名は、ポリビニリデンフルオライド（Poly Vinylidene Fluoride）です。
PVFは、フッ化ビニルを重合することで得られます。

PVFの特徴は機械的強度や耐候性の高さが挙げられ、ほかのフッ素樹脂にみられる耐熱性や耐薬品性も備えています。

また、太陽電池用のバックシートは、PVFの主な用途例と言えるでしょう。
特にシート状のPVFは、金属や木材、プラスチックに貼ることで、屋内外の建材や屋根の表面材にも使用できます。

主なフッ素樹脂の種類を表にまとめました。

代表的なフッ素樹脂であるPTFE・PFA・FEP・ETFEは、耐熱性・透明性・成形性などが異なるため、使用温度や製品形状、必要な特性に応じて選び分けます。

低摩擦性や耐熱性を重視する場合はPTFE、同等の耐熱性を保ちながら溶融成形したい場合はPFAが候補です。透明なフィルムやチューブにはPFA・FEP・ETFEが用いられ、200℃程度の耐熱性が必要な場合はFEP、機械的強度や成形性を重視する場合はETFEが適しています。

ただし、使用温度や外観、コストはグレード・厚み・加工方法によって異なります。選定時はメーカーの仕様書や見積もりも確認しましょう。

PTFEコーティングの特性・工程はこちら

フッ素樹脂の特性は多く、化学・半導体や、自動車・工業、食品、医療、土木など幅広い分野で活用されています。

・調理器具への使用
表面に食材がくっつきにくくなり、耐久性が上がるため

・金属やプラスチックへの使用
耐薬品性・耐摩耗性・耐久性・低摩擦性があるため

・電線やケーブル、コンデンサーへの使用
絶縁性を持たせるため

・医療器具への使用
薬品と化学反応を起こしにくく、表面を滑らかにして体内に挿入しやすくなるため

・屋外の建築物や海洋構造物への使用
耐候性・不燃性・自浄性があるため

今後も、航空・宇宙産業や再生可能エネルギー、3D印刷技術など最先端技術への活用が期待されています。

PTFE（ポリテトラフルオロエチレン）はフッ素樹脂全体の半数以上の需要を占める、熱可塑性プラスチックのひとつです。

元々は、アメリカのデュポン社のR.J. プランケット博士がフロンガス関係の研究をしていたところ、フロンの重合反応によって発見されました。
1944年にデュポン社によって商標登録された際の「TEFLON®」（テフロン®）という名称が広く認知されていますが、テフロン®＝PTFEです。

第二次世界大戦中には軍用として用いられ、戦後工業化されフライパンなどの調理器具やコーティング材・離型剤などの日用品にも使用されるようになりました。

先ほどもご紹介したように、PTFEは耐熱性・非粘着性・耐薬品性などに優れています。
それは分子構造によるものが大きく、PTFEは炭素と水素が結合しているのですが緊密でシンメトリーという独自な原子配列と高分子量によって電気的に安定しているのが特長です。

炭素との結びつきの強さは水素・酸素・塩素などと比較しても非常に強固で、熱や紫外線など外部からの影響を受けにくいのです。この特性が耐熱性・耐薬品性・耐候性の高さとして現れています。
また、高周波の影響を受けにくいことから電気特性にも優れており、絶縁材としても使用されます。

また、フッ素樹脂は分子同士が引き合う力が弱く表面張力は低め。水や油のように分子同士が引き合う力が強く、表面張力が高い水や油を弾きます。（＝撥水性・撥油性）

フッ素樹脂は化学的に安定した構造を持ち、優れた性質を発揮する素材です。
耐熱性・耐薬品性・電気絶縁性・非粘着性などの性質があるため、フッ素樹脂はさまざまな産業で使用されています。

また、フッ素系のコーティング剤であるフロロサーフは、フッ素樹脂と共通の性質を持つ製品です。
フロロサーフは施工に特別なスキルや設備が不要のため、簡単に導入できます。

フッ素樹脂やフロロサーフの利用に興味がある方は、それぞれの特徴と違いを正確に把握したうえで、自社サービス・商品に適した素材を導入してください。

フッ素コーティング剤（フロロサーフ）の製品詳細はこちら