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ポリテトラフルオロエチレン（PTFE ）はテトラフルオロエチレンの合成フッ素ポリマーであり、化学的に不活性であるため、多くの用途があります。[ 3 ] PTFEベースの組成物の一般的に知られているブランド名はケマーズ社のテフロンです。[ 4 ]これは、1938年にこの化合物を最初に発明したデュポン社からスピンオフした会社です。 [ 4 ]
ポリテトラフルオロエチレンは、炭素とフッ素のみからなる高分子ポリマーであるため、フッ素系固体です。PTFEは疎水性であり、フッ素の電気分極率が低いため、フッ素系物質はロンドン分散力が小さく、水や水を含む物質はPTFEを濡らしません。PTFEは、あらゆる固体の中で最も摩擦係数が低い物質の一つです。
ポリテトラフルオロエチレンは、フライパンなどの調理器具の焦げ付き防止コーティングとして使用されます。炭素-フッ素結合の強さなどから非反応性であるため、反応性や腐食性のある化学物質の容器や配管によく使用されます。潤滑剤として使用すると、PTFEは機械の摩擦、摩耗、エネルギー消費を低減します。また、外科手術における移植材料やカテーテルのコーティング材としても使用されます。
PTFEとその製造に使用される化学物質は、最もよく知られ、広く使用されているパーフルオロアルキル物質およびポリフルオロアルキル物質（PFAS）の一部であり、残留性有機汚染物質である。 [ 5 ] PTFEはフッ素ポリマー生産の半分以上を占め、次いでポリフッ化ビニリデン（PVDF）となっている。[ 5 ]
デュポンは数十年にわたりPTFEの製造にペルフルオロオクタン酸（PFOA、またはC8）を使用していたが、 PFOAへの曝露による生態毒性および健康への影響に関する訴訟により、後にその使用を中止した。[ 6 ] [ 7 ]デュポンのスピンオフ企業であるケマーズは現在、GenXと呼ばれる別のPFASと呼ばれる代替化学物質を使用してPTFEを製造している。GenXはPFOAに比べて環境中での残留性が低いように設計されているが、その影響は代替された化学物質と同等か、あるいはそれ以上に有害である可能性がある。[ 8 ] [ 9 ]
ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）は、1938年にロイ・J・プランケットがデュポン社のニュージャージー州ケムールズ・チャンバーズ工場で働いていた際に偶然発見されました。デュポン社の化学者チームは、テトラフルオロエチレンと呼ばれる新しい冷媒を作ろうとしていました。圧力容器内のガスは、容器の重量が「空」を示すレベルまで下がる前に流れが止まりました。化学者のジョン・J・ビールは、試験用シリンダーの重量差に気づき、ロイ・プランケットに報告しました。研究室の化学者たちは容器をのこぎりで切断し、容器の内側が奇妙なほど滑りやすいワックス状の白い物質で覆われていることを発見しました。分析の結果、それは重合したパーフルオロエチレンであり、容器の内側の鉄が高圧下で触媒として作用したことが判明しました。[ 10 ]キネティックケミカルズは1941年に新しいフッ素化プラスチック（既に知られているポリエチレンに類似）の特許を取得し、[ 11 ] 1945年にテフロンの商標を登録した。[ 12 ] [ 13 ]
初期の用途としては、マンハッタン計画において、テネシー州オークリッジにある巨大なK-25ウラン濃縮工場で、反応性の高い六フッ化ウランを貯蔵するパイプのバルブやシールをコーティングする材料として使用された。[ 14 ] [ 15 ] 1948年までに、ゼネラルモーターズと提携してキネティックケミカルズを設立したデュポンは、ウェストバージニア州パーカーズバーグで年間91万キログラム（2,000,000ポンド）以上のテフロンブランドのポリテトラフルオロエチレンを生産していた。[ 16 ]
1954年、コレット・グレゴワールは、夫でフランス人エンジニアのマルク・グレゴワールに、釣り道具に使っていた素材を彼女の調理用フライパンに試してみるよう勧めた。その後、彼は「テフロン」の「テフ」と「アルミニウム」の「アル」を組み合わせた「ティファール」というブランド名で、初のPTFEコーティングされた焦げ付き防止フライパンを開発した。 [ 17 ]米国では、科学器具にこの物質を使用していたマリオン・A・トロッツォロが、1961年に米国初のPTFEコーティングフライパン「ハッピーパン」を販売した。[ 18 ]それ以来、焦げ付き防止調理器具は一般的な家庭用品となり、現在では世界中の何百ものメーカーから販売されている。
Zepelというブランド名は、布地に塗布した際の防汚性と耐水性を宣伝するために使用されました。[ 19 ]
1990年代には、酸素のない環境下でPTFEが融点以上で放射線架橋できることが発見されました。 [ 20 ]電子ビーム処理は放射線処理の一例です。架橋されたPTFEは、高温での機械的特性が向上し、放射線安定性も向上します。これは、長年にわたり、PTFEをリサイクルするために常温常圧下での照射が使用されてきたため、重要な発見でした。[ 21 ]この放射線誘起鎖切断により、PTFEはより容易に粉砕され、再利用されます。
PTFEはテトラフルオロエチレンのフリーラジカル重合によって製造される。[ 23 ]正味の反応式は以下のとおりである。
テトラフルオロエチレンはテトラフルオロメタン（CF₄ ）と炭素に爆発的に分解する可能性があるため、この危険な副反応を引き起こす可能性のあるホットスポットを防ぐために、重合には特別な装置が必要です。このプロセスは通常、過硫酸カリウムや過硫酸アンモニウムなどの過硫酸塩で開始され、過硫酸塩はホモリシスを起こして硫酸ラジカルを生成します。
得られたポリマーは硫酸エステル基で末端が修飾されており、これを加水分解するとOH末端基が得られる。[ 24 ]
粒状PTFEは懸濁重合によって製造され、PTFEは主に撹拌によって水性媒体中に懸濁され、界面活性剤の使用も比較的よく行われる。PTFEは乳化重合によっても合成され、界面活性剤はPTFEを水性媒体中に保持する主な手段である。[ 25 ]過去には、界面活性剤としてペルフルオロオクタン酸（PFOA）やペルフルオロオクタンスルホン酸（PFOS）が使用されてきた。最近では、ペルフルオロ3,6ジオキサオクタン酸（PFO2OA）やFRD-903（GenX）が代替品として使用されている。[ 26 ]
PTFEは熱可塑性ポリマーであり、室温では白色固体で、密度は約2200 kg/m 3、融点は600 K (327 °C; 620 °F)です。[ 27 ] 5 K (-268.2 °C; -450.7 °F)までの低温でも高い強度、靭性、自己潤滑性を維持し、 194 K (-79.15 °C; -110.5 °F)以上の温度では優れた柔軟性を維持します。[ 28 ] PTFEは、すべてのフッ素系炭化水素と同様に、炭素-フッ素結合の集合効果によってその特性を得ています。これらの炭素-フッ素結合に影響を与えることが知られている唯一の化学物質は、高温ではアルカリ金属などの反応性の高い金属、アルミニウムやマグネシウムなどの金属、および二フッ化キセノンやフッ化コバルト(III)などのフッ素化剤です。[ 29 ] 650～700 °C (1,200～1,290 °F)を超える温度では、 PTFE は脱重合を起こします。[ 30 ]しかし、約260 °C (500 °F)から350 °C (662 °F)で分解が始まり、400 °C (752 °F)を超える温度で熱分解が起こります。[ 31 ]
プラスチックの摩擦係数は通常、研磨された鋼に対して測定されます。 [ 36 ] PTFEの摩擦係数は0.05～0.10です。[ 27 ] PTFEはファンデルワールス力に抵抗するため、ヤモリがくっつかないことが知られている唯一の表面です。[ 37 ]さらに、PTFEは、この材料で塗装された表面を昆虫が登るのを防ぐために使用できます。たとえば、PTFEはアリがアリの巣から登り出るのを防ぐために使用されます。PTFEには、他の材料との接着を可能にするために表面を変化させる表面処理があります。
化学的および熱的特性から、PTFEは医薬品や化学処理などの腐食性化学物質に対する耐性が求められる産業においてガスケット材料としてよく使用されます。[ 38 ]しかし、1990年代までは[ 20 ] 、PTFEは化学的に不活性であるため、エラストマーのように架橋することは知られていませんでした。そのため、「記憶」がなく、クリープの影響を受けます。クリープの傾向があるため、このようなシールの長期性能は、クリープがゼロまたはほぼゼロのエラストマーよりも劣ります。重要な用途では、ベルビルワッシャーを使用してPTFEガスケットに継続的な力を加えることで、ガスケットの寿命全体にわたって性能の低下を最小限に抑えることがよく行われます。[ 39 ]
PTFEは紫外線（UV）透過性ポリマーです。しかし、エキシマレーザービームにさらされると、不均一な光熱効果により著しく劣化し[ 40 ]、人体に有害となる可能性があります。
PTFE の加工は、融点が327 °C (621 °F)と分解温度よりも高いため、困難で費用がかかる場合があります。溶融状態でも、PTFE は非常に高い溶融粘度のため流動しません。[ 41 ] [ 42 ]パーフルオロ (プロピルビニルエーテル) やヘキサフルオロプロピレン(HFP)などのコモノマーを少量添加することで、粘度と融点を下げることができます。これにより、本来は完全に直線状である PTFE 鎖が分岐し、結晶性が低下します。[ 43 ]
PTFE部品の中には、圧縮成形の一種である冷間成形で作られるものもあります。[ 44 ]この方法では、微粉末状のPTFEを高圧（10～100 MPa）で金型に押し込みます。[ 44 ]数分から数日かかる沈降期間の後、金型を360～380 ℃（680～716 °F）に加熱し、[ 44 ]微粒子が融合（焼結）して単一の塊になります。[ 45 ]
PTFEの最も一般的な用途は、生産量の約50%を占める航空宇宙およびコンピュータ用途の配線の絶縁（接続線、同軸ケーブルなど）です。[46]この用途では、 PTFEが優れた誘電特性、特に低い群速度分散[ 48 ] : 574 、特に高周波無線周波数において[ 48 ] : 574 、コネクタアセンブリやケーブル、マイクロ波周波数で使用されるプリント基板の優れた絶縁体として適しているという事実を利用しています。高い融点と相まって、PTFEは、低コスト用途で一般的に使用される、より弱く、分散が大きく、融点が低いポリエチレンの高性能代替材料として選ばれています。
産業用途では、摩擦係数が低いため、PTFEは滑り軸受、歯車、スライドプレート、シール、ガスケット、ブッシング[ 49 ]、および部品の摺動を伴うその他の用途に使用され、アセタールやナイロンよりも優れた性能を発揮します。[ 48 ]： 573
PTFEフィルムは、炭素繊維複合材やガラス繊維複合材の製造にも広く使用されており、特に航空宇宙産業で用いられています。PTFEフィルムは、製造中の炭素繊維またはガラス繊維部品間のバリアとして使用され、ブリーザーやバッグ材では、脱気（積層された材料の層間の空気を真空除去する工程）時や、通常はオートクレーブ内で複合材を硬化させる際に、接着部をカプセル化するために使用されます。ここでフィルムとして使用されるPTFEは、炭素繊維グラファイトまたはガラス繊維の層がビスマレイミド樹脂でプレプレグされているため粘着性のある製造中の部品に、非製造材料が付着するのを防ぎます。テフロン、エアウィーブブリーザー、バッグ自体などの非製造材料は、積層中に放置するとFOD（異物混入/損傷）とみなされます。
ゴアテックスは、微細な孔を持つフッ素樹脂膜を組み込んだ素材である、膨張PTFE（ePTFE）のブランド名です。米国ミネアポリスにあるヒューバート・H・ハンフリー・メトロドームの屋根は、PTFEコーティングの大規模な使用例の一つです。白い二重構造のPTFEコーティングされたグラスファイバー製ドームの建設には、 20エーカー（81,000平方メートル）もの素材が使用されました。
PTFEは極めて低い反応性と高い耐熱性を持つため、ホースアセンブリ、伸縮継手、工業用配管のライナーとしてよく使用され、特に酸、アルカリ、その他の化学物質を使用する用途で広く用いられています。また、摩擦抵抗が少ないため、高粘度液体の流れを改善し、ブレーキホースなどの用途にも適しています。
PTFE建築膜は、織りガラス繊維ベースクロスにPTFEをコーティングすることによって作られ、引張構造に使用される最も強く耐久性のある材料の1つを形成します。[ 50 ] PTFE張力膜を採用した注目すべき構造物には、ロンドンのO2アリーナ、南アフリカのモーゼス・マビダ・スタジアム、スペインのメトロポリターノ・スタジアム、オーストラリアのシドニー・フットボール・スタジアムの屋根などがあります。[ 51 ]
PTFEは、楽器用潤滑油、中でもバルブオイルによく使用されている。
PTFEはギターやベースのナット材の製造にも使用されています。PTFE含浸プラスチックは「自己潤滑性」として販売されています。これにより、弦がナットの溝をよりスムーズに滑り、チューニングの不安定さの原因となる「スティクション」と呼ばれる弦の固着を防ぎます。例えば、GraphTech Guitar Labsの製品には、PTFE含浸素材で作られたナット、サドル、ストリングツリーなどがあります。これらは、ビブラートシステムを搭載したギターに特に有効です。ビブラートシステムによって弦がナットとサドルを前後に引っ張られる際、PTFEが提供する低い摩擦係数が有利に働き、弦が元のチューニングに戻る際に摩擦がゼロに戻ります。
PTFEは、微粒子化および分極化された形態を含む一部のエアゾール潤滑スプレーに使用されています。その特徴は、極めて低い摩擦係数、疎水性（錆を抑制する）、および塗布後に形成される乾燥膜であり、研磨ペーストを形成する可能性のある粒子の付着を防ぐことができます。[ 52 ]ブランドには、GT85、Tri-Flow、WD-40 Specialistなどがあります。[ 53 ] [ 54 ] [ 55 ]
PTFEは疎水性で耐熱性もかなり高いため、焦げ付き防止加工のフライパンやその他の調理器具のコーティング材として最もよく知られています。
その他のニッチな用途としては、以下のようなものがあります。
PTFEは低温では安定していますが、約260 ℃（500 °F）で劣化し始め、 350 ℃（662 °F）以上で分解し、400 ℃（752 °F）以上で熱分解が起こります。[ 31 ]主な分解生成物は、テトラフルオロエチレン（TFE）やジフルオロカルベンラジカル（RCF2）などのフルオロカーボンガスと昇華物です。[ 31 ]
1955年に実施された動物実験では、これらの生成物が250 ℃（482 °F）以下の温度で健康に重大な影響を与える量で生成される可能性は低いと結論付けられました。[ 73 ]これらの温度を超えると、分解副生成物は鳥類にとって致命的になる可能性があり、[ 74 ] : #6人間にインフルエンザのような症状（ポリマーヒューム熱）を引き起こす可能性がありますが、[74 ] : #5人間の場合、新鮮な空気に移ると1～2日以内にこれらの症状は消えます。[ 75 ]
ヒトにおけるポリマーヒューム熱の症例のほとんどは、PTFEで汚染されたタバコの喫煙が原因であるが[ 75 ] 、 PTFE部品の近くで溶接を行った人にも症例が発生している[ 75 ] 。PTFEコーティングされた調理器具は、通常の使用では危険な温度に達する可能性は低い。肉は通常204～232 ℃（399～450 °F）で揚げられ、ほとんどの食用油（精製サフラワー油とアボカド油を除く）は260 ℃（500 °F）に達する前に発煙し始める。デュポンのハスケル研究所が1973年に行った研究では、280 ℃（536 °F）に加熱されたPTFE調理器具から発生する煙に4時間さらされるとインコにとって致命的であることが判明したが、これは熱分解バターから発生する煙が鳥にとって致命的となるのに必要な260 ℃（500 °F）よりも高い温度であった。 [ 76 ]
かつては焦げ付き防止コーティングの調理器具などのPTFE製品の製造に使用されていた化学物質であるペルフルオロオクタン酸（PFOA）は、これに曝露した人に発がん性がある可能性がある（生態毒性を参照）。[ 77 ] PFOAが懸念されるレベルのPFOAは、この化学物質が使用されている工場で働いている人やその近くに住んでいる人、およびスキーワックスや防汚加工の布地など、PFOAを含む製品に定期的に曝露されている人の血液から検出されている。しかし、焦げ付き防止調理器具は、PFOAが製造工程で燃焼除去され、完成品には存在しないため、主な曝露源ではないことが判明した。[ 75 ]しかし、2007年の研究では、焦げ付き防止調理器具の製造工程でPFOAが完全に除去されるわけではないことが示された。[ 78 ]焦げ付き防止コーティングの調理器具は2013年以降PFOAを使用して製造されておらず、[ 79 ]米国ではPFOAはもはや製造されていない。[ 77 ]
PTFEは2016年にリビングビルディングチャレンジ（LBC）レッドリストに追加されました。レッドリストは、リビングビルディングチャレンジ（LBC）の基準を満たそうとする建設において、人間の健康と環境に深刻なリスクをもたらす建築業界で広く使用されている物質を禁止しています。[ 80 ]
PTFEの熱分解により、トリフルオロ酢酸（TFA）とTFAに分解する化合物（ヘキサフルオロプロペンなど）が大量に生成されるほか、より長い鎖（C 3 –C 14）のパーフルオロアルキルカルボン酸（PFCA）が少量生成される。[ 75 ]トリフルオロ酢酸は環境中で非常にゆっくりと分解するが、その全体的な生態学的リスクについては依然として議論されている。[ 81 ] [ 82 ]長鎖（C 9 –C 21 ）PFCAは、残留性有機汚染物質に関するストックホルム条約の下で排除対象として指定されている。[ 83 ] [ 84 ]
ペルフルオロオクタン酸（PFOA、またはC8）は、PTFEの製造において乳化重合時の界面活性剤として使用されてきたが、いくつかの製造業者はその使用を完全に中止している。
PFOAは環境中に永久に残留します。[ 85 ] PFOAは、米国の一般人口の多くの人々の血液から低濃度およびppb未満の範囲で検出されており、化学工場の従業員や周辺集団ではその濃度がさらに高くなっています。PFOAとペルフルオロオクタンスルホン酸（PFOS）は、すべてのアメリカ人の血流中にppbの範囲で存在すると推定されていますが、これらの濃度は、米国でのPFOAとPFOSの生産終了と段階的廃止と一致する1999年から2014年の間に、PFOAで70%、PFOSで84%減少しました。[ 86 ]一般の人々は、C8廃棄物の大規模な海洋およびオハイオ川流域付近への投棄を通じてPFOAに曝露されています。[ 6 ] [ 87 ] [ 88 ] PFOAは、産業廃棄物、防汚カーペット、カーペット洗浄液、ハウスダスト、電子レンジ用ポップコーン袋、水、食品、PTFE調理器具から検出されています。
デュポン社との集団訴訟と地域社会との和解の結果、3人の疫学者が、ウェストバージニア州パーカーズバーグの住民を対象に調査を実施しました。この住民は、（旧デュポン）ケムールズ・ワシントン・ワークス化学工場の周辺に居住しており、一般人口よりも高いレベルのPFOAに曝露されていました。調査の結果、PFOA曝露と6つの健康転帰（腎臓がん、精巣がん、潰瘍性大腸炎、甲状腺疾患、高コレステロール血症、妊娠高血圧症）との間に関連性があることが判明しました。[ 89 ]
総じて、PTFE調理器具はPFOAへの曝露経路としては軽微であると考えられている。[ 90 ]
PFOA集団訴訟に関する訴訟の結果、デュポンは、テフロンブランドのPTFEなどのフッ素ポリマーの製造において、ペルフルオロオクタン酸の代替として、同様のフッ素化合物であるGenXの使用を開始しました。 [ 91 ] [ 92 ]しかし、EPAはGenXをPFOAよりも毒性が高いと分類しており[ 8 ]、「残念な代替品」であることが証明されています。[ 93 ] その影響は、代替しようとした化学物質の影響と同等か、それ以上に有害である可能性があります。 [ 93 ] [ 9 ]
これらの化学物質は、ノースカロライナ州フェイエットビルにあるデュポンのスピンオフ企業であるケマーズ社によって製造されています。[ 94 ]フェイエットビル工場は、ウェストバージニア州パーカーズバーグでの訴訟によりデュポンのPFOA製造が停止された後、デュポンがPFOAの製造を開始した場所です。EPAが企業にPFOA製造の自主的な段階的廃止を要請した際、フェイエットビル工場ではGenXが代わりに製造されました。2017年6月、ウィルミントン・スター・ニュース紙は、50万人の飲料水源であるケープフィアー川でGenXが検出されたという記事をスクープしました。 [ 95 ]汚染源は、1971年の設立以来デュポンが運営し、2015年からはデュポンのスピンオフ企業であるケマーズ社が管理していたフェイエットビル工場であることが判明しました。水道事業者は、これらの化学物質を飲料水からろ過できないと表明しました。
ノースカロライナ州環境品質局（NC DEQ）の記録[ 96 ]によると、デュポン社は1976年にナフィオンの製造を開始し、PFASをこの地域に放出し始めた。また、1980年以降、ビニルエーテルの製造の副産物としてGenXを含むPFASが放出され、ケープフィアー盆地が数十年にわたって汚染にさらされていた。ケープフィアー・リバー・ウォッチという小さな非営利団体は、NC DEQが迅速かつ強力な措置を取らなかったとして同局を提訴し、汚染者であるケマーズ社を浄水法および有害物質規制法違反で提訴した。その結果、2019年2月25日にケープフィアー・リバー・ウォッチ、NC DEQ、ケマーズ社の間で同意命令[ 97 ]が署名された。 [ 98 ]この命令により、ケムールズ社は廃水排出、大気排出、地下水排出を停止し、井戸利用者にサンプリングとろ過の選択肢を提供し、フェイエットビル工場から300種類以上の異なるPFAS化合物が放出されていることを証明するサンプリングを行うよう求められた。[ 99 ]
テフロンという商標名は、同様の組成を持つ他のポリマーにも使用されている。
これらは、低摩擦性や非反応性といったPTFEの有用な特性を保持しつつ、より容易に成形できる。例えば、FEPはPTFEよりも柔らかく、533 K（260 °C、500 °F）で溶融する。また、高い透明性と耐日光性も備えている。[ 100 ]