PTFE（テフロン）加工：特性、製造方法、用途

ポリテトラフルオロエチレン（テフロン）は、最も重要な高性能エンジニアリングプラスチックの一つです。耐熱性や耐薬品性など、優れた特性の組み合わせで知られています。本稿では、PTFEの基本的な特性、加工方法、そして重要な用途について概説します。

PTFEプラスチックの紹介

ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、通称テフロンは、テトラフルオロエチレンを重合して作られる高分子化合物です。その構造式は[CF₂-CF₂]ₙです。PTFEは重要な化学材料であり、高温、腐食、経年劣化に対する優れた耐性を備えています。また、耐水性、非粘着性、自己潤滑性を持ち、優れた誘電特性と極めて低い摩擦係数を有しています。一般的にエンジニアリングプラスチックやコーティング剤として使用され、PTFE製のチューブ、ロッド、テープ、シート、フィルムなどの製品に加工できます。

PTFEの特性

機械的および物理的特性

PTFEは密度が比較的高く、2.14～2.20の範囲です。吸水性は低く、平衡吸水率は0.01%未満です。PTFEは靭性に優れていますが、弾力性はありません。大きな分子間の分子間引力は小さいため、引張強度は中程度で、硬度は低めです。長期間の応力下では変形しますが、破断時の伸びは大きいです。

温度はPTFEの応力-ひずみ挙動に大きな影響を与える。温度が上昇すると、弾性限界値Eは低下する。PTFEが外部力によって瞬間的に圧縮されると、圧縮変形は応力の増加とともに増大する。持続的な荷重下では、時間の経過とともにPTFEのひずみは増加し続け、その後安定する傾向がある。このひずみの増加はPTFEの冷間流動特性と呼ばれ、PTFE分子間の小さな分子間引力によって引き起こされる。

PTFEのクリープは、圧縮応力、温度、結晶化度によって変化する。温度が高いほどクリープは大きくなる。PTFEの結晶化度が55%から80%の間であれば、クリープ量は2%を超えない。結晶化度が55%未満または80%を超えると、クリープ量は急速に増加する。

PTFEの分子間引力は小さいため、表面分子と他の分子との引力も非常に小さい。したがって、PTFEは摩擦係数が非常に低く、優れた潤滑性を示す。分子間引力が小さいため、PTFEは硬度が低く、他の材料によって摩耗しやすい。しかし、相手材の表面粗さが適切であれば、PTFEの摩耗を大幅に低減できる。通常、表面の凹凸が0.1～0.4μmの場合、PTFEの摩耗は最小限に抑えられる。この現象の本質は、回転または滑りの際に、摩耗によって相手材の表面に薄いPTFE膜が形成され、2つの異なる材料間の摩擦がPTFE同士の摩擦に変わることである。PTFEは優れた自己潤滑性と極めて低い摩擦係数を持つため、摩耗量は非常に小さい。

異なる相手材に対するPTFEの相対摩耗量（炭素鋼の摩耗量を1とする）

熱特性

PTFEの熱安定性は、あらゆるエンジニアリングプラスチックの中でも極めて優れています。これは、PTFE高分子中の炭素-フッ素結合エネルギーが非常に高く、炭素-炭素鎖がフッ素原子に囲まれているため、酸素などの他の原子が攻撃しにくいからです。200℃で微量の分解生成物が現れ始めますが、200℃から融点までの分解速度は極めて遅く、分解量も非常に少ないです。200℃で1ヶ月加熱した後でも、分解量は2ppm未満であり、ほとんど無視できるレベルです。顕著な分解は400℃以上でのみ発生し、重量減少率は1時間あたり約0.01%です。

250℃では、PTFEの引張強度は約5MPaであり、これは室温での値の約1/5です。0℃以下では、温度が下がり続けるにつれて、PTFEの引張強度は増加し続け、伸びは減少し続けます。-75℃以下では、伸びは約3%の最小値に達し、-250℃までその値を維持します。したがって、PTFEは-250℃という極低温でも脆くならず、ある程度の柔軟性を維持します。

PTFEは非常に広い使用温度範囲を持ち、-250℃か​​ら260℃まで連続使用できます。

電気特性

PTFEは、優れた誘電特性を持つ非常に非極性な材料です。その際立った特徴は、0℃以上では、誘電特性が周波数や温度によって変化せず、湿度や腐食性ガスの影響を受けないことです。

PTFEの体積抵抗率は10¹⁷Ω・cm以上、表面抵抗率は10¹⁶Ω以上であり、これはすべてのエンジニアリングプラスチックの中で最も高い値です。PTFEは吸水性がないため、長時間水に浸漬しても体積抵抗率に顕著な低下は見られません。相対湿度100%の空気中でも、表面抵抗率は変化しません。

PTFEは優れた耐アーク性を有しています。高電圧表面放電が発生しても、炭化や残留導電性物質による短絡は発生しません。代わりに、低分子量のフッ素系炭化水素に分解して揮発するため、良好な電気絶縁性と耐アーク性を維持します。

耐薬品性

PTFEは極めて優れた化学的安定性を有しています。これは、PTFE分子において、化学的に攻撃されやすい炭素鎖の主鎖が、強固に結合したフッ素原子の層によってしっかりと囲まれているためです。このため、ポリマーの主鎖は、あらゆる化学物質による侵食に対してほぼ耐性があります。濃塩酸、フッ化水素酸、硫酸、硝酸、塩素、三酸化硫黄、水酸化ナトリウム、有機酸など、腐食性が高く酸化力の強い多くの化学物質も、PTFEにはほとんど影響を与えません。溶融アルカリ金属のみがPTFE分子からフッ素原子を除去してフッ化物を形成し、表面を濃い茶色に変色させます。

化学薬品への浸漬後のPTFEの特性変化

その他の特性

大気環境下では、PTFE分子には感光性基がなく、オゾンと反応しないため、大気劣化に対する耐性が非常に優れています。長期間大気に曝されても、表面は変化しません。PTFEを製品に加工する際に、老化防止剤や安定剤を添加する必要はありません。

PTFEの難燃性も非常に優れており、酸素指数は95%にも達します。難燃剤を一切使用しなくても、UL94 V-0レベルの難燃性を実現できます。

非粘着性もPTFEの重要な特性の一つです。PTFEの表面自由エネルギーはわずか0.019 N/mと非常に低く、既知の固体材料の中で最も低い値です。そのため、ほとんどすべての固体材料はその表面に付着することができません。表面張力が0.02 N/m以下の液体（エーテル、ヘキサン、石油エーテルなど）のみが、PTFEを完全に濡らすことができます。

PTFEを部品に加工する方法

PTFEの主な成形方法には、圧縮成形、押出成形、CNC加工などがある。

圧縮成形

自由焼結法では、PTFE粉末を金型に均一に充填し、室温で10～100MPaの圧力下でプレス機を用いて予備成形した後、加熱炉に入れます。加熱炉の温度は一定の速度で360～380℃まで上昇し、焼結します。予備成形全体が均一に焼結された後、炉の温度を制御された速度で室温まで下げ、最終製品を得ます。この方法は焼結中に焼結材料に制約を加えないため、自由焼結法と呼ばれています。自由焼結の保持時間は一般的に数分から数十分で、空隙が完全に除去されることが基準となります。空隙の量は製品の密度を測定することで確認できます。密度が高いほど空隙含有量は少なくなります。圧力と温度が高いほど密度は高くなります。

焼結時の加熱速度は、一般的に毎時25～60℃に制御されます。プリフォームが大きいほど、加熱速度は遅くする必要があります。焼結時間は、製品が透明または半透明になる時点によって決まり、製品サイズによって異なります。一般的に、製品の厚さが1mmの場合、焼結時間は5～8分です。冷却速度は、製品の結晶性および物理的・機械的特性に直接影響します。小型製品の場合、冷却速度は毎時50～150℃に制御できます。大型製品の場合、冷却速度は毎時50℃を超えないようにしてください。

自由焼結と比較して、熱間圧縮成形法では、予備成形後の焼結中に第2の金型で二次加圧を行う必要がある。二次加圧は、予備成形体が融点まで冷却される前にできるだけ早く行うべきである。予備成形体の加圧方向の膨張率は約25%、垂直方向の膨張率は6%～10%である。したがって、第2の金型は第1の金型よりもわずかに大きく設計する必要がある。

二次プレス成形は冷却しながら加圧を行うため、自由焼結よりも冷却速度が速い。この成形法で得られる製品は結晶性が低く、曲げ疲労強度と靭性は優れているが、残留応力は高くなる。そのため、一般的に120～125℃での後処理が必要となる。

熱間圧縮成形によって製造される製品の性能は、主に二次圧力に依存します。二次圧力が高いほど性能は向上しますが、過度に高い圧力はバリの増加や材料損失の原因となります。一般的には10～20MPaに制御されます。

押出成形

PTFE押出成形は、一般的な熱可塑性樹脂の押出成形とは異なります。機械のバレルは加熱されません。スクリューは原料の搬送と押し出しのみを行います。材料は、二重ねじ、一定ピッチ、一定深さの単軸スクリュー押出機のヘッドを通過し、焼結および冷却用の金型に入ります。背圧装置による背圧を利用して、PTFEは肉厚のチューブ、ロッド、その他の特殊な形状に成形されます。

テフロンコーティング／PTFEコーティング

PTFEは、スプレー塗布によってコーティングやライニングを形成することができます。スプレー塗布工程は主に、基材処理、スプレー塗布、焼結から構成されます。主な基材材料は、鋼、鋳鉄、アルミニウム、アルミニウム合金、セラミック、ガラスです。銅および銅合金はスプレー塗布が難しく、錫、亜鉛、鉛はスプレー塗布できません。均一なスプレー塗布と強固なコーティングを確保するため、基材上のすべての直角部分は面取りする必要があり、面取り半径は3～10mmが推奨されます。スプレー塗布前に、基材表面の脱脂と粗面化も行う必要があります。脱脂は、380℃の高温脱脂または高圧蒸気スプレーで行うことができます。粗面化は一般的にサンドブラストで行います。

PTFE CNC 機械加工

ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）は、強度、硬度、熱伝導率が低く、熱膨張係数が高いという特性を持つ。PTFEをCNC加工する際には、材料特性、加工条件、品質要件に応じて、適切な工具を選定し、適切な切削条件を設定し、適切な加工代を考慮し、十分な冷却（通常は圧縮空気冷却）を行う必要がある。こうすることで、高い加工品質と精度を実現できる。

PTFE CNC 旋削加工

PTFEをCNC旋削加工する場合、外径寸法、内外面の真円度、内外面のテーパー変化は比較的大きく不規則です。そのため、旋削加工においては、切削抵抗を低減し、被削材の弾性変形を防ぐために、荒加工時には大きなすくい角を使用する必要があります。仕上げ加工時には、工具の放熱性を向上させ、切削温度を低減するために、小さなすくい角を使用できます。

PTFE CNC穴あけ加工

CNC加工でPTFEに穴あけ加工を行う際の最大の課題は、切りくずをいかに迅速に除去するかということです。通常、以下の対策が講じられます。

• 切りくずの排出を容易にするために、らせん角が小さく、切りくず溝のあるドリルを使用してください。
• ドリルの回転速度をできる限り下げてください。穴あけ効率を確保しつつ送り速度を低く設定し、複数回の引き抜き動作を行うことで切りくずを適時に除去し、表面品質と加工精度を向上させてください。

一般的に、研磨後のドリルのねじれ角は約10°～15°、逃げ角は9°～20°、先端角は60°～120°です。穴あけ速度は、加工する材料だけでなく、穴のサイズと深さにも関係します。手動ドリルでは900回転/分が最適で、固定式卓上ドリルでは、送り速度1.3mm/秒で2100回転/分が最適となります。

PTFE CNC フライス加工

PTFEをCNCフライス加工する場合、フライス工具のすくい角は金属フライス加工に使用するすくい角よりも大きくする必要があり、一般的には6°以上（6°～15°）である。逃げ角も金属フライス加工に使用するすくい角よりも大きくする必要がある。 金属のCNCフライス加工一般的に10°以上（15°～30°）です。フライス加工時の切削速度は180～300 mm/分、1回転あたりの送り量は0.05～0.13 mm/r、切削深さは約0.1 mm/sに制御する必要があります。送り速度が遅くなると表面粗さは減少します。生産においては、ワークピースの焼けを防ぐため、側面フライス加工が推奨されます。荒加工には、強度が高く製造が容易なストレート歯バックフライスを選定する必要があります。仕上げ加工には、強度は低いものの切りくずスペースが大きい破線バックフライスを選定する必要があります。

PTFE加工部品の応用例

5G通信

通信業界で一般的に使用されているFR4銅張積層板は、基板材料としてエポキシ樹脂を使用していますが、損失が大きく、高周波通信には適していません。

5Gでは、誘電率と誘電損失係数が低い高周波銅張積層板が求められます。PTFE樹脂は現在、最も誘電率の低いポリマー材料です。その誘電特性と誘電損失は、5G通信基地局の要件を満たしています。そのため、PTFEは5G、航空宇宙、軍事用途などの高周波通信分野で徐々に使用されるようになっています。PTFEから作られた銅張積層板は、高周波銅張積層板と呼ばれます。5G分野では、PTFEは半柔軟同軸ケーブル、RF同軸ケーブル、レーダーアンテナボードの製造にもよく使用されます。

水素エネルギー

水素エネルギー分野では、PTFEは主にアルカリ電解槽の封止材として、またPEM燃料電池や水電解におけるプロトン交換膜の補強材として使用されている。

アルカリ電解槽では、シールガスケットが主要部品として機能し、シール機能と絶縁機能の両方を提供します。漏れは、アルカリ電解槽の耐用年数と安全性に影響を与える重要な要因の1つです。シールガスケットの圧縮弾性とクリープ緩和は、ガスケットの性能を測定するための重要な指標です。国内のアルカリ電解槽用シール材は、アスベストゴムシート→布ダイヤフラムガスケット→PTFE充填ガスケットと、何度も改良されてきました。現在、中国で一般的に使用されている電解槽用シールガスケットは、主にPTFE充填ガスケットです。PTFEは、ガラス繊維、アルミナ、グラファイトなどの強化充填剤で充填および改質され、成形および焼結されてシールガスケットが形成されます。

医療

PTFEは摩擦係数が低いため、体内での長期使用時に摩耗しにくく、摩耗による合併症を軽減します。同時に、血液やその他の体液が表面に付着しにくく、血栓症のリスクを低減します。そのため、カテーテルやステントなど、さまざまな医療機器のコーティング材として広く用いられています。このコーティングにより、機器が体内で動く際の摩擦が軽減され、組織損傷のリスクを低減できます。

PTFEは柔らかく、成形しやすく、自然なインプラント結果が得られるため、形成外科に適しています。その効果は従来のシリコーンゴムよりも優れています。PTFEを使用することで、放射線不透過性、安定性、自然さといった良好な術後結果が得られます。最も一般的な用途は、鼻、顎骨、その他の軟部組織の再建のためのインプラントです。また、顔のしわ取り、唇の増大、損傷した軟部組織の修復、または支持材としても使用できます。

Getzshape CNC加工の公差と能力

Getzshapeは、高品質なカスタムCNC加工、板金加工、放電加工、ダイカストなどを提供しています。ステンレス鋼加工における当社のCNC加工能力は以下のとおりです。