PTFEの秘密：高度な熱分析の洞察

はじめに

ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）は、フライパンやその他の調理器具のこびりつき防止コーティングとして日常的に使用されていることでよく知られている。PTFEは非常に反応性が低く、高い耐薬品性を持つ。このような特性から、PTFEは医療用途だけでなく、例えば腐食性・反応性の化学薬品用の容器や配管などの産業用途にも使用されている。また、摺動が必要なベアリング、ブッシュ、ギアなどの部品もPTFEで作られている。

PTFE材料の熱物性評価は、様々な熱分析および熱物性試験技術を用いて実現された。測定は-170℃から700℃の間で実施された（方法による）。熱膨張と密度の変化は、プッシュロッド熱膨張測定（DIL、ASTM E831、DIN 51045などに基づく）によって測定した。動的粘弾性測定（DMA）は、粘弾性特性（貯蔵弾性率および損失弾性率）の解析に使用した。熱拡散率は、ASTM E1461、DIN EN821などに基づくレーザー灰法（LFA）で測定した。熱拡散率データを比熱および密度と組み合わせることで、ポリマーの熱伝導率を計算することができる。分解挙動は、ASTM E1131、ASTM D3850、DIN 51006、ISO 11357、DIN 51004、DIN 51007などに基づく同時熱分析（STA）を用いて調べた。発生したガスは、質量分析計（QMS）とフーリエ変換赤外分光法（FT-IR）で分析した。

PTFEは、全温度範囲でいくつかの転移を示す。19℃以下では、よく秩序化された三斜晶相が得られ、19℃から30℃の間では、PTFEは部分的に秩序化された六方晶相を形成する。30℃以上、融点（328℃）までは、擬六方晶の非常に無秩序な相を示す。さらに-115℃と131℃では、アモルファス相に起因する相転移が見られる[1]。一部の文献（[3]、[4]など）では、131℃での相転移をガラス転移と表現している。

ポリテトラフルオロエチレン＝PTFE

テフロン
1938年にロイ・プランケットが発見
分子式_CnF2n+2
分子量：100.02 g/mol
密度：2.2 g/cm³
融点：327

*Teflon®はE.I. DuPont de Nemours and Companyの登録商標である。

本研究で分析したPTFEは、ElringKlinger Kunststofftechnik GmbH, Heidenheimから供給された。

テスト結果

A) 粘弾性特性

図1は、決定された機械的特性E´、E´´およびtanδを示している。131℃における貯蔵弾性率のステップは、アモルファス相のガラス転移に起因する。固体-固体相転移は20℃から40℃の間に2回見られる。E´曲線のもう1つのステップは115℃で観察され、これはアモルファス相の固体-固体相転移によるものである[1]。

PTFE材料の貯蔵弾性率、損失弾性率、tanδを-150℃から150℃の温度範囲で示す。 — 1) PTFE材料の1Hzにおける貯蔵弾性率E´（黒）、損失弾性率E´´（赤）、tanδ（青）（DMA 242）

図2に、複数周波数（1、2、5、10Hz）の測定結果の3Dプロットを示す。ある温度において、tanδは周波数とともに増加していることがわかる。

周波数1、2、5、10Hzにおける貯蔵弾性率（E'）とtanδの3次元プロット。 — 2) 周波数1, 2, 5, 10 Hzにおける貯蔵弾性率E´とtanδの3次元プロット (DMA 242)

B) 熱膨張、密度変化

PTFEは-170℃から20℃の間で一定の膨張率で膨張する（図3）。室温では、固体-固体相転移による熱膨張のジャンプが検出された。相転移を超えると、熱膨張率はわずかに増加しながら連続的に増加する。

PTFEの熱膨張と熱膨張率を示すグラフ。 — 3）PTFEの熱膨張率（実線、黒）と膨張率（点線、青）（DIL 402 C）

PTFEの体積膨張と密度変化を図4に示す。固体-固体相転移は1%以上の体積変化に相当する。

150℃から150℃までの温度範囲におけるPTFEの体積膨張、密度変化、および膨張率を示すグラフ。 — 4) PTFE（DIL 402 C）の体積膨張（緑色の曲線）、密度変化（赤色の曲線）、および膨張率（青色の曲線）

C)熱物性

熱拡散率、密度変化、比熱

PTFEの熱拡散率、比熱、密度変化を図5に示す。これはフォノン伝導の固体物理から予想される。室温での固体-固体相転移は明瞭に識別できるが、-131℃と115℃での他の転移は見えない。

温度を変化させたときのPTFEの熱拡散率、比熱、密度の変化をグラフ化したもの。 — 5) PTFEの熱拡散率、比熱、密度変化(LFA 457 `MicroFlash^®` 、 STA 449 `F1` `Jupiter^®`およびDIL 402 C)

熱伝導率

図6に熱拡散率、比熱、密度から計算した熱伝導率を示す。低温域では、熱伝導率はほぼ一定である（0.32^Wm-1K-1）。10°Cから40°Cの相転移の間、熱伝導率は10%以上低下し、信号が再び上昇した後の高温でも、熱伝導率は相転移前の領域と比較して著しく低い。

D) 熱分解、ガス分析

温度による質量変化と質量分析計のシグナルを図7と8に示す。PTFEは、587℃で熱分解が始まるまで質量減少を示さなかった。質量分析計は、質量番号31、50、69、81、100、131、150、181、200、219、243のイオン電流強度の変化を検出した。これらの質量数は、PTFEの一般的なフラグメントを示している。ポリテトラフルオロエチレンは完全に分解し、不活性ガス雰囲気中に残留質量は残らない。