高分子材料の歴史をたどる：パート10

しばらく前、私は重元素を合成するプロセスについて話し合っていた物理学者によるオンラインプレゼンテーションを見ていました。これらは、ウランより重い周期表の元素です。周期表の下部の行に表示されるものの多くは、最初の核兵器の開発とテストの研究中に「自然に」作成されました。しかし、原子番号が大きくなると、これらの元素を生成するのが難しくなります。収量は非常に低くなり、時にはほんの一握りの原子になり、これらは急速に崩壊し、正確に何が作られたのかを理解するのが非常に困難になります。

この種の研究の目的と実際的な価値は、プロジェクトに資金を提供する人々にとって必ずしも明白ではないため、この物理学者が宇宙計画に例えることによって彼の話の終わりに向けて行ったそれを正当化する必要があります。彼は、NASAの主要人物の一人が、月に行くことはよく使われたお金の例ではないように見えるかもしれませんが、そのようなベンチャーに着手していなければ、テフロンを発明することはなかったであろうという議論を語りました。もちろん、そのアイデアは、大きな技術的事業は、主要な目的をサポートするために必要であるため、途中で補助的な利益を生み出すというものです。

もちろん、テフロンはポリ（テトラフルオロエチレン）またはPTFEとして知られている材料の商品名です。非常に珍しい一連のプロパティがあり、その一部は一般の人々によく知られています。 PTFEは、他のさまざまなフルオロポリマーも生み出しました。しかし、NASAの公式の主張と同じように、それは間違っています。 PTFEは、偶然にも1938年に発見されました。これは、ロケットを大気圏外に送り出して地球を周回することを考え始める約20年前、そして人類を月面に着陸させる30年以上前のことです。

PTFEの発見の歴史は、ポリエチレンのそれと似ているように見えます。ポリエチレンとPTFEの化学的性質を見ると、いくつかの類似点がわかります。ポリエチレン鎖は、水素原子がこれらの炭素原子から伸びるすべての場所に存在する炭素骨格です。 PTFEでは、すべての水素原子がフッ素原子に置き換えられているため、材料の名前が付けられています。エチレンと同様に、テトラフルオロエチレンは室温でガスです。 EricFawcettとReginaldGibsonは、エチレンガスを非常に高圧にした実験中に、誤ってエチレンガスからポリエチレンを重合させました。 PTFEの発見も同様の道をたどりましたが、この場合、材料の作成者は新しいポリマーを作成しようとしたのではなく、単に新しく発見された冷媒を作成しようとしていました。

PTFEの発見で有名なロイ・プランケットは、オハイオ州から博士号を取得した直後にデュポンに雇われた化学者でした。彼はマンチェスター大学で学部の仕事をしており、少なくともその時間の一部はルームメイトがポール・フローリーでした。フローリーは、ウォーレスカロザースがナイロン材料の重合に関連する化学反応を理解するのを助け、1974年のノーベル化学賞を受賞したポリマーの画期的な基礎研究を続けました。

フローリーが理論レベルで材料を探求している間、プランケットはデュポンでの実践的な取り組みの世界で彼のキャリア全体を過ごしました。彼の最初のプロジェクトは、冷媒の新しい化学物質の調査でした。これらは塩素化フルオロカーボンの形をとり、それ以来、環境への悪影響のポスターチャイルドとなったのとまったく同じCFCです。 CFCが登場する前は、冷媒はアンモニアや二酸化硫黄などの化学物質に基づいていたことを忘れがちです。これらの化学物質は、食品業界の労働者や、家で冷蔵できる幸運な人々を頻繁に毒殺していました。

プランケットは約100ポンドのテトラフルオロエチレンを合成し、新しい冷媒を作るための塩素処理の準備として、ガスを非常に低い温度で小さなボンベに貯蔵していました。ある日、プランケットの助手であるシリンダーの1つをセットアップしているときに、ジャック・リーボックはシリンダーのバルブを開いたときにガスが出てこないことを発見しました。しかし、シリンダーはガスで満たされたシリンダーと同じ重量でした。 PlunkettとRebokがシリンダーからバルブのネジを外すと、いくつかの顕著な特性を持つ少量の白いワックス状の物質が見つかりました。この材料は非常に高い融点を示し、化学的に不活性であり、摩擦係数が非常に低かった。シリンダーを切り開くと、より多くの新しい物質が生成されました。分析の結果、圧力下でテトラフルオロエチレンが重合してPTFEになっていることがわかりました。

プランケットは、PTFEを最終的にテフロンになる商品に発展させる機会がありませんでした（このフルオロポリマーファミリーは、2013年にデュポンからケマーズ社にスピンオフされました）。ポリマーの製造コストが高いため、商品化は1945年まで延期されました。そして、その特性の組み合わせが、第二次世界大戦の軍事的努力にとって不可欠な材料となったという事実。具体的には、PTFEは核分裂性ウランの精製に関連する差し迫った問題を解決しました。ウラン変換プロセスでは、六フッ化ウラン（UF ₆ ）、これは非常に腐食性が高く、最初の核兵器の開発の一環としてウラン濃縮の作業が行われていたロスアラモスとオークリッジ国立研究所で重大な取り扱い上の問題を引き起こしていました。 PTFEには、UF ₆ による腐食を防ぐために必要な耐薬品性がありました。 。

1941年にPTFEの特許が出願されました。その時までに、プランケットは、ガソリン添加剤のテトラエチル鉛を製造するデュポンの別の部門に昇進していました。これは、この期間中のデュポンとゼネラルモーターズの興味深い関係を示しており、プランケットの経歴と化学者のトーマスミジリーの経歴の間に興味深い交差点を生み出しました。

Midgelyは、1916年にゼネラルモーターズで働き始めた化学者であり、1921年に、ガソリンにテトラエチル鉛を添加すると内燃機関のノッキングが防止されることを発見しました。 1923年、GMは、デュポンによるテトラエチル鉛の製造を監督するためにゼネラルモーターズケミカルカンパニーを設立しました。 1920年代後半、フリッジデールはゼネラルモーターズの一部門でした。 GMの研究部門は、アンモニア、二酸化硫黄、プロパンなどの既存製品に代わる、不燃性で毒性のない冷媒を開発する必要があると考えました。

これらの化合物は揮発性で化学的に不活性であるため、彼らはハロゲン化アルキルを理想的な材料として特定しました。 Midgelyは、最初のCFCであるジクロロジフルオロメタン（現在はFreon 12として知られている）を合成したチームの一員でした。PlunkettがPTFEを発見したとき、この化合物を製造中でした。彼のCFCとの関わりは、彼がキャリアの後半にデュポンでフレオンの直接制作に割り当てられたときも続きます。

PTFEの発見により、最終的には、複雑な射出成形、押出成形、ブロー成形を可能にする一連の溶融加工可能なフルオロポリマーが作成されました。 （写真：PerformancePlastics Ltd。）

PTFEは、純粋なPTFEよりも扱いやすく、一般に溶融加工が可能な多種多様なフルオロポリマーを開発するためのプラットフォームを提供しました。フッ素化エチレンプロピレン（FEP）やパーフルオロアルコキシ（PFA）など、これらの材料の一部は、非常に厳しい条件で成形されます。エチレン-テトラフルオロエチレン（ETFE）やエチレン-クロロトリフルオロエチレン（ECTFE）などのフッ素含有量の低いコポリマーは、やや低い温度で実行でき、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）は、融点が約160 <であるため、比較的穏やかな温度で成形できます。 sup> C（320 F）。

これらの材料のいくつかはエラストマーですが、他の材料は比較的柔らかい半剛性の材料であり、多くの場合、鉱物または炭素で満たされています。これらの材料はすべて、耐薬品性、耐燃焼性、および低摩擦係数に寄与するフッ素の存在からさまざまな程度の恩恵を受けます。これらの材料の多くは、優れた電気絶縁特性も提供し、電気および電子機器のアプリケーションで広く使用されています。 PTFEは、他の多くのポリマーのフィラーとしても使用され、摩擦係数が低く、摩耗特性が向上しています。

PTFEが最もよく知られている特性である非粘着性は、金属調理器具に最初に適用された1950年代半ばまで商業的に利用されていませんでした。今日まで、PTFEはヤモリの足が付着できない唯一の既知の材料であり、DuPontがこれまでに開発した他のどの製品よりも多くの特許の対象となっています。プランケットはポリマーの商品化に関与したことはありませんが、彼の名前はこれらの特許のほとんどに記載されており、PTFEに関連する最も有名な人物であり続けています。

彼は何年もの間、彼の偶然の発見が認められ続けました。今日私たちが知っていることを考えると、彼が後に有鉛ガソリンとCFC冷媒に関与したことについて歴史は好意的に見えないかもしれませんが、PTFEとその誘導体ポリマーの作成が私たちの現代技術の状態に大きな有益な影響を与えたことは否定できません。

次回の記事では、エンジニアリング熱可塑性プラスチックのファミリーの継続的な開発に注目し、もう1つの非常に影響力のある材料であるポリカーボネートについて説明します。

著者について：Michael Sepe アリゾナ州セドナを拠点とする独立した材料および加工コンサルタントであり、北米、ヨーロッパ、およびアジアにクライアントがいます。彼はプラスチック業界で45年以上の経験があり、材料の選択、製造可能性の設計、プロセスの最適化、トラブルシューティング、および故障分析でクライアントを支援しています。連絡先：（928）203-0408•[email protected]