テフロン
背景
テフロンは、非常に有用なプラスチック材料であるポリテトラフルオロエチレン（PTFE）の登録商品名です。 PTFEは、フルオロポリマーとして知られるプラスチックのクラスの1つです。ポリマーは、粒子を繰り返し大きな分子のグループに結合する化学反応によって形成される化合物です。多くの一般的な合成繊維は、ポリエステルやナイロンなどのポリマーです。 PTFEはテトラフルオロエチレンの重合形態です。 PTFEには多くの独自の特性があり、多くの用途で価値があります。融点が非常に高く、低温でも安定しています。高温のフッ素ガスや特定の溶湯でしか溶けないため、耐食性に優れています。また、非常に滑らかで滑りやすいです。これにより、熱、摩耗、摩擦にさらされる機械部品のコーティング、腐食性化学物質に耐えなければならない実験装置、調理器具や器具のコーティングとして優れた材料になります。 PTFEは、布地、カーペット、壁装材に防汚性を付与するため、および屋外標識の耐候性として使用されます。 PTIZEは導電率が低いため、優れた電気絶縁体になります。多くのデータ通信ケーブルを絶縁するために使用され、半導体の製造に不可欠です。 PTFEは、血管移植などのさまざまな医療用途にも使用されています。 PTFEコーティングを施したグラスファイバー生地は、空港やスタジアムの屋根を保護するのに役立ちます。靴下を織るためにPTFEを繊維に組み込むこともできます。 PTFEの低摩擦により、靴下は非常に滑らかになり、水ぶくれから足を保護します。
歴史
PTFEは、1938年に、何か他のものを探している若い科学者によって偶然発見されました。ロイ・プランケットはE.I.の化学者でした。デュポンドゥヌムールアンドカンパニー（デュポン）。彼は1936年にオハイオ州立大学で博士号を取得し、1938年にテフロンに出くわしたとき、彼はまだ27歳でした。プランケットの地域は冷媒でした。 1930年代以前に冷媒として使用されていた多くの化学物質は、危険なほど爆発性でした。デュポンとゼネラルモーターズは、フレオンの一種である冷媒114と呼ばれる新しいタイプの不燃性冷媒を開発しました。冷媒114は、ゼネラルモーターズのフリジデール部門と独占的に提携しており、当時は他のメーカーに販売できませんでした。 。 Plunkettは、Frigidaireの特許管理を回避する別の形式の冷媒114を考案するよう努めました。冷媒114の技術名はテトラフルオロジクロロエタンでした。プランケットは、塩酸をテトラフルオロエチレン（TFE）と呼ばれる化合物と反応させて同様の冷媒を作ることを望んでいました。 TFE自体はほとんど知られていない物質であり、プランケットは彼の最初の仕事はこのガスを大量に作ることであると決定しました。化学者は、彼のすべての化学検査と毒物学的検査にも十分な量を確保するために、100ポンドのガスを製造したほうがよいと考えました。彼は、ヘアスプレーのような加圧スプレーに今日商業的に使用されている缶のように、バルブリリース付きの金属缶にガスを保管しました。 Plunkettは、TFEガスを冷却および液化するために、缶をドライアイス上に保持しました。彼の冷媒実験では、プランケットと彼の助手が缶から加熱されたチャンバーにTFEガスを放出する必要がありました。 1938年4月6日の朝、プランケットは缶からガスを取り出せないことに気づきました。プランケットと彼の助手の神秘に、ガスは一晩で白い薄片状の粉末に変化しました。 TFEは重合していました。
重合は、分子が結合して長いストリングになる化学プロセスです。最もよく知られているポリマーの1つはナイロンで、これもDuPontの研究者によって発見されました。高分子科学は1930年代にはまだ揺籃期にありました。 Plunkettは、TFEは重合できないと信じていましたが、それでもどういうわけか重合していました。彼は奇妙な白いフレークをデュポンの中央研究部門に送り、そこで化学者のチームが物事を分析しました。重合したTFEは不思議なことに不活性でした。他の化学薬品とは反応せず、電流に抵抗し、非常に滑らかで滑らかでした。プランケットは、TFEガスがどのように誤って重合したかを理解することができ、重合した物質、ポリテトラフルオロエチレン、またはPTFEの特許を取得しました。
PTFEは当初、製造に費用がかかり、その価値はPlunkettやDuPontの他の科学者には明らかではありませんでした。しかし、それは第二次世界大戦の原子爆弾の開発中に使用されるようになりました。爆弾を作るには、科学者が大量の腐食性で有毒な物質である六フッ化ウランを扱う必要がありました。デュポンは、六フッ化ウランの極端な腐食作用に耐えるPTFEコーティングされたガスケットとライナーを提供しました。デュポンはまた、戦争中に他の特定の爆弾のノーズコーンを作るためにPTFEを使用しました。デュポンは1944年に特許を取得した物質の商標名テフロンを登録し、戦後もより安価でより効果的な製造技術に取り組み続けました。デュポンは、1950年にウェストバージニア州パーカーズバーグにテフロンの最初の工場を建設しました。戦後、同社は機械加工された金属部品のコーティングとしてテフロンを販売しました。 1960年代に、デュポンはテフロンでコーティングされた調理器具の販売を開始しました。滑らかなテフロンコーティングは焦げた食べ物のべたつきにも抵抗するので、鍋の掃除は簡単でした。同社は他のさまざまな用途にもテフロンを販売しました。他の関連するフルオロポリマーは、その後数十年で開発および販売され、そのうちのいくつかはPTFEよりも処理が容易でした。デュポンは1985年にテフロンの別の変種であるテフロンAFを登録しました。これは特殊な溶剤に可溶です。
原材料
PTFEは、化合物テトラフルオロエチレン（TFE）から重合されます。 
焦げ付き防止パンは、さまざまな焦げ付き防止層で構成されています。 TFEは蛍石、フッ化水素酸、クロロホルムから合成されます。これらの成分は、高熱下で組み合わされます。これは、ピロロシスとして知られる作用です。 TFEは無色、無臭、無毒のガスですが、非常に可燃性があります。低温・低圧で液体として保存されます。可燃性TFEの輸送が難しいため、PTFEメーカーも自社でTFEを製造しています。重合プロセスでは、開始剤としてごく少量の他の化学物質を使用します。過硫酸アンモニウムまたは過硫酸ジコハク酸を含む、さまざまな開始剤を使用することができます。重合プロセスの他の必須成分は水です。
製造
プロセス
PTFEは、最終製品に求められる特定の特性に応じて、さまざまな方法で製造できます。プロセスの多くの詳細は、メーカーの専有秘密です。 PTFEの製造には主に2つの方法があります。 1つは懸濁重合です。この方法では、TFEが水中で重合され、PTFEの粒子が生成されます。穀物はさらに成形可能なペレットに加工することができます。分散法では、得られるPTFEは乳白色のペーストであり、微粉末に加工することができます。ペーストと粉末の両方がコーティング用途で使用されます。
TFEの作成
- 1 PTFEのメーカーは、TFEの合成から始めます。 TFE、蛍石、フッ化水素酸、およびクロロホルムの3つの成分は、1094-1652°F（590-900°C）に加熱された化学反応チャンバー内で組み合わされます。次に、得られたガスを冷却し、蒸留して不純物をすべて除去します。
テフロンコンはさまざまな調理器具に使用されています。
懸濁重合
- 2反応チャンバーは、精製水と、ポリマーの形成を開始する化学物質である反応剤または開始剤で満たされています。液体TFEは反応チャンバーにパイプで送られます。 TFEが開始剤と接触すると、TFEは重合を開始します。得られたPTFEは、水面に浮かぶ固体粒子を形成します。これが起こっている間、反応チャンバーは機械的に振られます。チャンバー内の化学反応により熱が放出されるため、チャンバーの外側を覆うジャケット内の冷水または別の冷却剤の循環によってチャンバーが冷却されます。チャンバー内の特定の重量に達すると、コントロールはTFEの供給を自動的に遮断します。水はチャンバーから排出され、すりおろしたココナッツのように見える糸状のPTFEの混乱が残ります。
- 3次に、PTFEを乾燥させ、ミルに供給します。ミルは回転刃でPTFEを粉砕し、小麦粉の粘稠度のある材料を製造します。この微粉末は成形が困難です。 「流れが悪い」ため、自動装置では簡単に処理できません。ふるいにかけられていない小麦粉のように、それはしこりとエアポケットの両方を持っているかもしれません。そのため、製造業者は、凝集と呼ばれるプロセスによって、この微粉末をより大きな顆粒に変換します。これはいくつかの方法で行うことができます。 1つの方法は、PTFE粉末をアセトンなどの溶剤と混合し、回転ドラムでタンブルすることです。 PTFE粒子は互いにくっつき、小さなペレットを形成します。次に、ペレットをオーブンで乾燥させます。
- 4 PTFEペレットは、さまざまな技術を使用して部品に成形できます。ただし、PTFEは、PTFEの固体シリンダーであるいわゆるビレットに事前成形されたバルクで販売される場合があります。ビレットの高さは5フィート（1.5 m）です。これらは、さらに成形するために、シートまたは小さなブロックにカットすることができます。ビレットを形成するために、PTFEペレットが円筒形のステンレス鋼の型に注がれます。金型は、加重ラムを備えた大きなキャビネットのような油圧プレスにロードされます。ラムは金型に落下し、PTFEに力を加えます。一定時間後、型をプレスから取り外し、PTFEを型から外します。それを休ませてから、焼結と呼ばれる最終ステップのためにオーブンに入れます。
- 5成形されたPTFEは、焼結オーブン内で数時間加熱され、徐々に約680°F（360°C）の温度に達します。これはPTFEの融点を上回っています。 PTFE粒子が合体し、材料がゲル状になります。その後、PTFEは徐々に冷却されます。完成したビレットは顧客に出荷でき、顧客はさらに処理するためにスライスまたは削ります。
分散重合
- 6分散法によるPTFEの重合により、微粉末またはペースト状の物質が生成されます。これは、コーティングや仕上げにさらに役立ちます。 TFEは、開始化学物質とともに水で満たされた反応器に導入されます。懸濁プロセスのように激しく振る代わりに、反応チャンバーは穏やかにかき混ぜられるだけです。 PTFEは小さなビーズになります。水の一部は、ろ過するか、PTFEビーズを沈殿させる化学物質を加えることによって除去されます。その結果、PTFE分散液と呼ばれる乳白色の物質が生成されます。特に布地の仕上げなどの用途で、液体として使用できます。または、金属をコーティングするために使用される微粉末に乾燥させることもできます。
焦げ付き防止調理器具
- 7 PTFEの最も一般的で目に見える用途の1つは、焦げ付き防止の鍋やフライパンのコーティングです。鍋はアルミニウムまたはアルミニウム合金でできている必要があります。パンの表面は、PTFEを受け入れるために特別に準備する必要があります。まず、鍋を洗剤で洗い、水ですすいで、すべてのグリースを取り除きます。次に、エッチングと呼ばれるプロセスで、鍋を塩酸の温浴に浸します。エッチングは金属の表面を粗くします。次に、鍋を水ですすぎ、硝酸に再度浸します。最後に、脱イオン水で再度洗浄し、完全に乾燥させます。
- 8これで、パンはPTFE分散液でコーティングする準備が整いました。液体コーティングは、スプレーまたはロールオンすることができます。コーティングは通常、いくつかの層で適用され、プライマーで始まる場合があります。プライマーの正確な構成は、メーカーが保持する独自の秘密です。プライマーを塗布した後、通常は対流式オーブンで鍋を数分間乾燥させます。次に、次の2つの層が、間に乾燥期間なしで適用されます。すべてのコーティングが適用された後、鍋はオーブンで乾燥され、次に焼結されます。焼結は、ビレットの仕上げにも使用されるゆっくりとした加熱です。したがって、通常、オーブンには2つのゾーンがあります。最初のゾーンでは、鍋はコーティング内の水を蒸発させる温度までゆっくりと加熱されます。水が蒸発した後、鍋はより高温のゾーンに移動し、約800°F（425°C）で約5分間鍋を焼結します。これにより、PTFEがゲル化します。次に、鍋を冷まします。冷却後、最終的な組み立て手順、梱包、出荷の準備が整います。
品質管理
品質管理措置は、主要なPTFE製造施設と、コーティングなどのさらなる処理ステップが行われる工場の両方で行われます。一次製造施設では、標準的な工業手順に従って、原料の純度、温度の精度などを決定します。最終製品は、標準への適合性についてテストされます。分散PTFEの場合、これは分散の粘度と比重がテストされることを意味します。他のテストも実行される場合があります。テフロンは商標製品であるため、テフロンPTFEで製造された部品または製品にブランド名を使用することを希望するメーカーは、デュポンが定めた品質管理ガイドラインに従う必要があります。たとえば、焦げ付き防止調理器具メーカーの場合、調理器具メーカーはデュポンの品質認証プログラムに準拠しています。このプログラムでは、PTFEコーティングの厚さとベーキング温度を監視し、シフトごとに数回接着テストを実行する必要があります。
副産物/廃棄物
PTFE自体は無毒ですが、その製造により有毒な副産物が生成されます。これらには、フッ化水素酸と二酸化炭素が含まれます。 PTFEの加熱中、または焼結後に冷却するときにガスにさらされないように、作業領域は適切に換気する必要があります。医師は、PTFE製造のガス状副産物を吸入した労働者が苦しんでいるポリマーヒュームフィーバーと呼ばれる特定の病気を記録しています。また、PTFE部品を工具で固定する場合は、作業者をPTFE粉塵の吸入から保護する必要があります。
製造工程で発生する廃棄物の一部は再利用できます。 PTFEは最初は製造に非常に費用がかかるため、製造業者はスクラップ材料の使用方法を見つけるインセンティブが高かった。製造工程で発生する廃棄物やがれきは、洗浄して微粉末にすることができます。この粉末は、成形に使用したり、特定の潤滑剤、オイル、インクへの添加剤として使用したりできます。
使用済みのPTFE部品は、高温で燃焼すると塩化水素やその他の有毒物質が放出されるため、焼却せずに埋め立て地に埋める必要があります。 2001年に発表されたある研究では、PTFEも環境中で植物に有毒な1つの物質に分解すると主張しています。これはトリフルオロアセテート、またはTFAです。環境中のTFAの現在のレベルは低いですが、物質は長期間持続します。したがって、TFA汚染はおそらく将来の懸念事項です。
詳細情報
本
Ebnesajjad、Sina。 フルオロプラスチック。 ニューヨーク州ノーウィッチ：プラスチックデザインライブラリ、2000年。
定期刊行物
フリーデル、ロバート、アラン・ピロン。 「偶然の発明者。」 発見 （1996年10月）：58。
ゴーマン、J。「焦げ付き防止コーティングで立ち往生している環境」。 サイエンスニュース （2001年7月21日）：36。
アンジェラ ウッドワード
製造プロセス