JP2022105392A - 積層体及びふっ素樹脂成形品 - Google Patents

Abstract

【課題】断熱性及び耐熱性に優れる積層体、及び、ふっ素樹脂成型品を提供すること。【解決手段】実施形態によると、積層体が提供される。積層体は、ポリテトラフルオロエチレンを含み且つ充実構造を有する第１層と、ポリテトラフルオロエチレンを含み且つ多孔質構造を有する第２層と、第１層及び第２層の間に介在すると共に、溶融系ふっ素樹脂を含む第３層とを備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、積層体及びふっ素樹脂成形品に関する。

ふっ素樹脂成形品は、半導体製造装置、自動車電装部品、ＯＡ（オフィスオートメーション）機器、家電製品、医療機器及び食品製造装置など、様々な分野で使用されている。

例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのふっ素樹脂からなるふっ素樹脂一体槽が知られている。ふっ素樹脂一体槽は、例えばアイソスタティック成形法で作製されている。アイソスタティック成形法の一例として、特許文献１には、ポリテトラフルオロエチレン粉末を１５００ｋｇ／ｃｍ²～１００００ｋｇ／ｃｍ²の高圧条件で等圧圧縮成形した後、この成形体を焼成することが記載されている。

槽として一体であること（継ぎ目が無いこと）が要求されない場合には、平板状のＰＴＦＥシートを底付きの角筒形状に溶接した溶接槽が使用されることもある。これら槽は、例えば、槽の内部に注がれる液体の温度が変化しないように維持しなければならない場合がある。また、例えば、半導体製造装置内においてＰＴＦＥチューブが用いられている。ＰＴＦＥチューブ内には種々の薬液が通過するため、薬液の液性が変化しないようにＰＴＦＥチューブには断熱性が要求されることがある。

特開平６－１８２７９１号公報 特開平７－００１６３０号公報

上述のように、ふっ素樹脂成形品には断熱性が要求される場合がある。この場合、例えば、ＰＴＦＥシートに対して、当該ＰＴＦＥシートの表面及び裏面のうち薬液等が接しない側の面に、多孔質構造を有するふっ素樹脂シート（多孔質シート）を積層させることが行われている。しかしながら、ふっ素樹脂の非接着性が高いことに加えて、場合によってはＰＴＦＥシートが高温環境に晒されることがある。例えば、上述のような半導体製造装置内において、ＰＴＦＥチューブに対して多孔質シートを巻きつけた場合、多孔質シートが高温に晒されることで変形して、ＰＴＦＥチューブと多孔質シートとの間に隙間を生じたり、多孔質シートが離脱したりする可能性がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされ、断熱性及び耐熱性に優れる積層体、及び、ふっ素樹脂成形品を提供することを目的とする。

本発明の第１側面によると、積層体が提供される。積層体は、ポリテトラフルオロエチレンを含み且つ充実構造を有する第１層と、ポリテトラフルオロエチレンを含み且つ多孔質構造を有する第２層と、第１層及び第２層との間に介在すると共に、溶融系ふっ素樹脂を含む第３層とを備える。

本発明の第２側面によると、第１側面に係る積層体を備えるふっ素樹脂成形品が提供される。

本発明によると、断熱性及び耐熱性に優れる積層体、及び、ふっ素樹脂成形品を提供することが可能になる。

実施形態に係る積層体の一例を概略的に示す断面図。 実施形態に係るふっ素樹脂成形品の一例を概略的に示す断面斜視図。 実施形態に係るふっ素樹脂成形品の他の例を概略的に示す斜視図。 図３に係るふっ素樹脂成形品のIV－IV線に沿った断面図。

以下、実施の形態について適宜図面を参照して説明する。なお、実施の形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は実施の形態の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術とを参酌して、適宜設計変更することができる。

（第１実施形態）
第１実施形態に係る積層体について、図面を参照しながら説明する。

図１は、積層体の一例を概略的に示す断面図である。積層体１０は、充実構造を有する第１層１と、多孔質構造を有する第２層２と、第１層１及び第２層２の間に介在する第３層３とを備える。溶融系ふっ素樹脂を含む第３層３は、第１層１と第２層２とを互いに接着又は溶着している。第２層２は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のノード及びフィブリルから構成される網目構造を有している。第２層は、網目構造の隙間として存在する無数の通気孔２ａを含んでいる。図１では、通気孔２ａが独立気孔である場合を示しているが、通気孔２ａは主に連通気孔として存在している。通気孔２ａは、独立気孔を含んでいてもよい。

積層体１０は、例えば、シート形状若しくはフィルム形状を有するか、又は平板状でありうる。積層体１０の厚さは特に限定されないが、例えば２ｍｍ～２５ｍｍの範囲内にありうる。

積層体１０は、単なるシート、フィルム及び平板などであってもよく、後述するふっ素樹脂成形品の少なくとも一部を構成していてもよい。ふっ素樹脂成形品の一例として、図２に示すふっ素樹脂チューブ、並びに、図３及び図４に示すふっ素樹脂槽を挙げることができる。

積層体１０を構成する第１層～第３層の全てはふっ素樹脂を含むため、積層体１０は、ふっ素樹脂が備える種々の特性、即ち、耐薬品性、難燃性、耐候性、低摩擦性及び非接着性などを備えている。第１層のような充実構造を有するＰＴＦＥ含有シート単体は、種々の用途で使用されているが、充実構造であるが故の問題点として、例えば、断熱性能が不足すること、及び、単位体積当たりの質量が大きいことなどが挙げられる。実施形態に係る積層体１０は、第１層に加えて、多孔質構造を有する第２層を備えるため、第２層に起因した断熱効果が得られる上、多孔質構造部分は単位体積当たりの質量が小さいという利点がある。

しかしながら、多孔質構造を有する第２層は、製造時に残留した応力を含んでいる場合があるため、上述のように、高温環境で応力が解放されて当該層が変形することがある。

実施形態に係る積層体においては、充実構造を有する第１層と、多孔質構造を有する第２層との間に溶融系ふっ素樹脂を含む第３層を備える。第３層は、第１層及び第２層を接着させているため、仮に多孔質構造を有する第２層が変形したとしても、充実構造の第１層はこの変形に追従する。そのため、第１層と第２層との間に隙間等が生じにくくなり、第２層の多孔質構造に由来する優れた断熱性能を維持することができる。

以下、第１層～第３層のそれぞれについて具体的に説明する。

第１層は、ポリテトラフルオロエチレンを含み且つ充実構造を有する。第１層は、ポリテトラフルオロエチレンのみからなっていてもよい。第１層はＰＴＦＥ以外のふっ素樹脂を含んでいてもよい。第１層は、撥液性材料、親水性材料、導電性材料、着色材料、帯電防止材料及び抗菌性材料からなる群より選択される少なくとも１種の添加剤を含んでいてもよい。第１層の比重は、例えば２．１３～２．２の範囲内にある。

第１層の厚さは、積層体の用途に応じて変更することが可能であるが、例えば１ｍｍ～２０ｍｍの範囲内にある。

積層体の厚さに占める第１層の厚さの割合は、例えば、１０％～９５％の範囲内にあり、好ましくは４０％～７０％の範囲内にある。この割合が過度に小さいと、例えば、積層体として十分な剛性が得られない可能性がある。この割合が過度に大きいと、十分な断熱効果が得られない可能性がある。当該割合は、５５％～９５％の範囲内にあってもよく、５５％～７０％の範囲内にあってもよい。当該割合が５５％～７０％の範囲内にある場合、積層体において、高い剛性と十分な断熱性能とを両立することができる。

第１層は、例えば、以下の方法で製造されたシートであり得る。まず、ＰＴＦＥ樹脂からなるファインパウダー又はモールディングパウダーを用意し、これに助剤を混合して混合物を得る。混合物を金型に充填し、加圧成型することにより予備成形品を得る。これをロッド状に押し出した後、圧延し、次いで、助剤を取り除いて未焼成のＰＴＦＥシートを得る。未焼成のＰＴＦＥシートを焼成した後、延伸することで、充実構造を有するＰＴＦＥシートを得ることができる。

第２層は、ポリテトラフルオロエチレンを含み且つ多孔質構造を有する。第２層は、ポリテトラフルオロエチレンのみからなっていてもよい。第２層はＰＴＦＥ以外のふっ素樹脂を含んでいてもよい。第２層は、撥液性材料、親水性材料、導電性材料、着色材料、帯電防止材料及び抗菌性材料からなる群より選択される少なくとも１種の添加剤を含んでいてもよい。

第２層の比重は、例えば０．１０～２．０の範囲内にあり、好ましくは０．６０～１．２０の範囲内にある。第２層の比重がこの範囲内にあると、優れた断熱効果を奏する。

第２層の厚さは、例えば１００μｍ～５ｍｍの範囲内にあり、好ましくは５００μｍ～５ｍｍの範囲内にある。

積層体の厚さに占める第２層の厚さの割合は、例えば、５％～９０％の範囲内にあり、好ましくは３０％～６０％の範囲内にある。この割合が過度に小さいと、積層体としての優れた断熱効果を得られない可能性がある。この割合が過度に大きいと、例えば、積層体として十分な剛性が得られない可能性がある。

多孔質構造を有する第２層は、例えば、以下の方法で製造されるシートでありうる。まず、ＰＴＦＥ樹脂を含んだファインパウダーを用意し、この粉末１００質量部に対して、助剤としての炭化水素油を、例えば２０～３０質量部混合する。ファインパウダーとしては、例えば、平均粒子径が２５０μｍ～８００μｍのものを使用することができる。ここでは、平均粒子径とは、レーザー回折散乱法に基づいて測定された粒度分布において、粒子数の積算値５０％に相当する粒子径であるＤ５０を意味する。

この混合物を均一になるように攪拌した後、ペースト押し出しして、例えばロッド状に予備成形を行う。得られた予備成形物を、例えば、金属製の圧延ロールを用いて圧延する。次いで、助剤を取り除いて未焼成のＰＴＦＥテープを得る。未焼成のＰＴＦＥテープの厚みは、例えば５０μｍ～６００μｍの範囲内にある。なお、本願明細書において、「未焼成」とは、ＰＴＦＥ樹脂の融点以上の温度環境下での焼成が未実施であることを意味する。

未焼成のＰＴＦＥテープを、融点未満の温度環境下で、先だって圧延した方向、即ち機械方向（ＭＤ方向）に１．５倍～３０倍の延伸倍率で一軸延伸して、未焼成のＰＴＦＥシートを得る。一軸延伸の際の温度は、例えば５０℃～３２０℃の範囲内である。このような融点未満の温度での延伸により、ノードとノードとの間にフィブリルが引き出される。その結果、上記ＰＴＦＥテープ内に網目構造が形成されて、多孔質化された、未焼結状態のＰＴＦＥシートを得ることができる。得られるＰＴＦＥシートの厚みは、例えば５０μｍ～５００μｍの範囲内にある。

続いて、ＰＴＦＥの融点以上の温度での焼成を行うことにより、多孔質構造を有する第２層に相当するＰＴＦＥシートを得ることができる。融点以上の温度での焼成は、例えば３５０℃～４２０℃の環境下で、０．１秒～６００秒に亘り行う。

第３層は、溶融系ふっ素樹脂を含む。溶融系ふっ素樹脂とは、例えば、メルトフローレートが２ｇ／１０ｍｉｎ～４０ｇ／１０ｍｉｎの範囲内にある、溶融流動性を有するふっ素樹脂である。溶融系ふっ素樹脂は、例えば、ペルフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）、エチレン－テトラフルオロエチレンコポリマ（ＥＴＦＥ）、パーフルオロエチレンプロペンコポリマ（ＦＥＰ）及びポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）からなる群より選ばれる少なくとも１種でありうる。耐熱性に優れる観点から、溶融系ふっ素樹脂はＰＦＡであることが好ましい。

第３層の厚さは、例えば、１０μｍ～５００μｍの範囲内にあり、好ましくは２５μｍ～１００μｍの範囲内にある。

実施形態に係る積層体は、例えば、以下の方法で作製することができる。まず、上述の方法で作製した充実構造を有するＰＴＦＥシート上に、溶融系ふっ素樹脂からなるシートを積層し、更に当該シート上に、上述の方法で作製した多孔質構造を有するＰＴＦＥシートを積層する。次いで、この三層構造の積層品を熱融着プレスに供することで、溶融系ふっ素樹脂が溶融して、実施形態に係る積層体を得ることができる。熱融着プレスの方法は特に限定されるものではないが、例えば、ロールラミネータを用いて実施することができる。

ロールラミネータの際の温度は、例えば３６０℃～４２０℃の範囲内とし、線圧を２０Ｎ／ｃｍ～６０Ｎ／ｃｍの範囲内とし、且つ、ロールスピードを１ｍ／ｍｉｎ～４ｍ／ｍｉｎの範囲内とする。このような条件でラミネートを行うことにより、多孔質構造を有する第２層の気孔を潰すことなしに、第１層及び第２層を、第３層を介して溶着させることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態に係るふっ素樹脂成形品は、第１実施形態に係る積層体を備える。つまり、ふっ素樹脂成形品の少なくとも一部は、第１実施形態に係る積層体で構成されている。図２は、第２実施形態に係るふっ素樹脂成形品の一例であるふっ素樹脂チューブ２０の断面斜視図である。ふっ素樹脂チューブ２０の少なくとも一部は、第１実施形態にて説明した積層体１０で構成されている。

具体的には、ふっ素樹脂チューブ２０は、充実構造を有する第１層１と、多孔質構造を有する第２層２と、第１層１及び第２層２の間に介在する第３層３とを備える。第１層１、第２層２及び第３層３は、いずれも環状円柱形状を有している。これら三層が積層されてなるふっ素樹脂チューブ２０も環状円柱形状を有している。第１層１の外周面は第３層３と接しており、第２層２の内周面も第３層３と接している。第３層３は、第１層１と第２層２とを互いに接着又は溶着している。

ふっ素樹脂チューブ２０の総厚は、例えば２ｍｍ～１５ｍｍの範囲内にある。第１層の厚さは、例えば１．５ｍｍ～１０ｍｍの範囲内にある。第２層の厚さは、例えば５００μｍ～５ｍｍの範囲内にある。第３層の厚さは、例えば１０μｍ～５００μｍの範囲内にある。

ふっ素樹脂チューブ２０は、例えば、以下の方法で製造することができる。まず、ＰＴＦＥ粉末をチューブ状に圧縮後、焼成し、チューブ状の成形体を得る。得られたチューブ状の成形体外周面に、溶融系ふっ素樹脂としてＰＦＡフィルムを巻き付ける。さらにフィルム上に多孔質構造を有するＰＴＦＥシートを巻き付けて、これらをまとめて加熱する。こうしてふっ素樹脂チューブ２０を得ることができる。なお、第１実施形態にて説明したように、溶融系ふっ素樹脂としてはＰＦＡ以外のものを使用してもよい。

続いて、第２実施形態に係るふっ素樹脂成形品の他の例を、図３及び図４を参照しながら説明する。図３及び図４には、ふっ素樹脂溶接槽３０を示す。ふっ素樹脂溶接槽３０は例えば、容器構造を有し得る。具体的には、底板としての平板部と枠状の壁部とを有する容器構造を挙げることができる。ふっ素樹脂溶接槽３０は、矩形底板４と、底板４の主面方向と交差する方向に延出した枠状の壁部５ａ～５ｄとを備える角槽（例えば、箱型形状の単槽）である。底板４及び枠状の壁部５ａ～５ｄのうちの少なくとも一部は、第１実施形態に係る積層体で構成されている。図４では一例として、壁部５ａ～５ｄの全体が第１実施形態に係る積層体で構成されている場合を示している。

壁部５ａ～５ｄのそれぞれは、第１層１、第２層２及び第３層３からなる積層体で構成されている。壁部５ａ～５ｄのそれぞれにおいて、充実構造を有する第１層１は、ふっ素樹脂溶接槽３０の内壁側に位置している。一方、壁部５ａ～５ｄのそれぞれにおいて、多孔質構造を有する第２層２は、ふっ素樹脂溶接槽３０の外壁側に位置している。ふっ素樹脂溶接槽３０の内壁は、枠状に設けられた壁部５ａ～５ｄが有する４つの第１層１からなる。そして、枠状の内壁が底板４と溶接されることにより容器構造をなしている。また、それぞれの壁部が備える第１層１の外壁側に、溶融系ふっ素樹脂を含む第３層を介して多孔質構造を有する第２層が積層されている。即ち、図４に示す通り、壁部５ｄは、第１層１、第３層３及び第２層２の順で内壁側から外壁側へ向かって積層された積層体である。他の壁部５ａ～５ｃも同様の構造を有している。底板４が、溶融系ふっ素樹脂を含む第３層を介して多孔質構造を有する第２層をこの順で更に備えていてもよい。

壁部５ａ～５ｄのそれぞれが多孔質構造を有する第２層２を備えているため、ふっ素樹脂溶接槽３０の断熱性能は高い。それ故、例えば、壁部５ａ～５ｄが充実構造を有するＰＴＦＥのみからなる場合と比較して、槽の内部に注いだ液体の温度を変化しにくくすることができる。

ふっ素樹脂溶接槽３０を構成する各部位にて、その厚さは５ｍｍ以上であることが望ましい。各部位が十分な厚みを有することで、溶接槽としての機械的強度を高めることができる。図３及び図４に示すふっ素樹脂溶接槽３０においては、底板４の厚さが５ｍｍ以上であるとともに、枠状の壁部の厚さがそれぞれ５ｍｍ以上であることが望ましい。一方、ふっ素樹脂溶接槽３０を構成する各部位における総厚みは、例えば、２０ｍｍ以下であり得る。総厚みが２０ｍｍ以下であると、重量及びコストの増加を抑えられる。

各壁部が備える第１層の厚さは、３ｍｍ～２０ｍｍの範囲内にあることが望ましい。第１層の厚さがこの範囲内にあることで、反り、膨らみ等の変形を抑制する効果を奏する。また、各壁部が備える第２層の厚さは、１ｍｍ～１０ｍｍの範囲内にあることが望ましい。第２層の厚さがこの範囲内にあることで、優れた断熱効果が得られる。

実施形態に係るふっ素樹脂溶接槽は、例えば、第１実施形態に係る積層体を複数用意した後、槽構造をなすように、これら積層体を互いに溶接することで得られる。

図３及び図４では単槽を例にして説明したが、これに限られず、二重槽、単槽内を複数の空間に分割したもの、丸槽、三角槽及び多角形状の槽等に適用することができる。

なお、本願発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は可能な限り適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。更に、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適当な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

１…第１層、２…第２層、３…第３層、４…底板、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ…壁部、１０…積層体、２０…ふっ素樹脂チューブ、３０…ふっ素樹脂溶接槽。

Claims (5)

1. ポリテトラフルオロエチレンを含み且つ充実構造を有する第１層と、
   ポリテトラフルオロエチレンを含み且つ多孔質構造を有する第２層と、
   前記第１層及び前記第２層の間に介在すると共に、溶融系ふっ素樹脂を含む第３層とを備える積層体。
2. 前記第１層の比重は２．１３～２．２の範囲内にある請求項１に記載の積層体。
3. 前記第２層の比重は０．１０～２．０の範囲内にある請求項１又は２に記載の積層体。
4. 前記溶融系ふっ素樹脂はペルフルオロアルコキシアルカンである請求項１～３の何れか１項に記載の積層体。
5. 請求項１～４の何れか１項に記載の積層体を備えるふっ素樹脂成形品。

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