東大、未処理のテフロンを接着しエタノールで剥がせる初の可逆性接着剤を開発――PFASを巡る検証が課題
2026年7月20日 13:09
東京大学の相田卓三教授らの研究チームが、これまで接着が極めて困難だったテフロン（PTFE）などのフッ素樹脂を、表面処理なしで強力に接着し、エタノール洗浄によって完全に剥がせる可逆性接着剤「CyclicFP-fmoc」を開発した。フッ素樹脂部品を損傷させずに分離・回収できる可能性がある一方、実用化には、この分子の環境中での挙動や毒性、PFAS（ペルフルオロアルキル化合物およびポリフルオロアルキル化合物）に関する規制上の位置付けを検証する必要がある。
■テフロン接着の長年の課題と新たな可逆性接着剤
「テフロン」の名称で知られるポリテトラフルオロエチレン（PTFE）は、その優れた非粘着性ゆえに、約80年間にわたりエンジニアを悩ませてきた。非粘着調理器具、航空宇宙用シール、燃料電池膜、外科用チューブなどに使われているが、ほとんどあらゆる物質をはじくため、接着剤で接合することが極めて難しい。
従来は、PTFEの表面をナトリウム・ナフタレン溶液に浸したり、プラズマを照射したりしてフッ素原子を除去し、一般的な接着剤が定着する粗い足掛かりを作る必要があった。得られる接着強度は限定的で、処理は不可逆だった。処理された表面を、元のフッ素樹脂の状態へ完全に戻すこともできなかった。
相田教授が率いる研究チームは、この課題に対する研究成果を米国化学会誌「Journal of the American Chemical Society（JACS）」に発表した。研究チームによると、「CyclicFP-fmoc」と呼ばれる白色の低分子結晶は、未処理のPTFEをはじめとする幅広いフッ素樹脂に、非共有結合だけで強く、かつ柔軟に接着する。接着が難しいPTFE表面において、市販のエポキシ系接着剤を上回る性能を示したという。
さらに、エタノールで洗浄すると接着が完全に解除され、接着剤と基材の双方を損傷のない元の状態で回収できる。この性質は、材料のリサイクルという観点で特に重要になる。
PTFEとその関連材料であるフッ素樹脂は、化学反応器の内張り、電解膜、高周波回路基板の基材、体内に埋め込む医療部品など、現代の製造業でも特に厳しい条件が求められる用途に使われている。しかし、世界で生産されるフッ素樹脂のうち、リサイクルされる割合は0.1％未満で、残りは高温焼却または埋め立て処分されている。CyclicFP-fmocの環境面での評価に問題がないことが確認されれば、熱や破壊的な化学処理を使わずに接着部品を分解し、接着剤と損傷のない基材の双方を再利用できる可能性がある。
■「フッ素でフッ素を接着する」分子メカニズム
この接着メカニズムは、従来とは反対のアプローチを取っている。一般的な接着剤は、液体が表面に広がる「濡れ」と表面の化学反応に依存するが、PTFEの表面エネルギーは20mN/m未満で、水の約72mN/mを大きく下回る。そのため、ほとんどの液体は表面に広がらず、玉状になってはじかれる。仮に表面を濡らすことができても、PTFEは一般的な接着剤の接着強度を支える主要な力である水素結合を形成できない。
従来の手法は、表面からフッ素原子を取り除いて接着の足掛かりを作る。これは有効ではあるものの、材料を恒久的に変化させる不可逆な処理だ。
これに対し、CyclicFP-fmocはフッ素を取り除くのではなく、フッ素を利用する。この分子は、多数のフッ素原子を含む大きな環状構造を持つフルオロクラウンエーテルリン酸化合物に、3つの環からなるフルオレニル（fmoc）基が結合した構造を持つ。PTFEの界面では、分子内のフッ素原子がPTFE表面のフッ素原子と強い「フッ素－フッ素（F－F）相互作用」を形成することが、固体核磁気共鳴（NMR）分光法によって確認された。この相互作用が基材への接着力を生み出す。
接着層の内部では、別の2種類の力が凝集力と柔軟性をもたらす。分子内のウレタン部位間に形成される水素結合が内部ネットワークを構築するほか、芳香族フルオレニル環の間で働く「π－πスタッキング相互作用」が延性を与える。これはDNAの塩基対が積み重なる際にも働く非共有結合性の相互作用であり、接着層が破断する代わりに変形してエネルギーを吸収することを可能にする。
一般的な低分子接着剤には、高分子接着剤が応力を吸収する際に利用する分子鎖の絡み合いがないため、延性を持たせることが難しい。CyclicFP-fmocは、基材を表面処理することなく、高い強度と延性を併せ持つ、材料科学でいう「強靭な接着」を低分子系で実現した。
■未処理のPTFEで市販エポキシを上回る性能
実験では、溶融させたCyclicFP-fmocを2枚の未処理PTFE板の間に挟み、室温で10分間冷却した。接触面積がわずか7平方センチメートルの接合部で、8kgの重りを支えることができた。
重ね合わせせん断引張試験では、1.3±0.1MPaの接着強度を記録した。産業用接着で広く用いられる市販のエポキシ系、アクリル系、シリコーン系接着剤は、十分に接着可能な表面でも最大0.1～0.7MPaだった。CyclicFP-fmocは、接着が特に難しいPTFE表面において、この範囲の上限の2倍近い強度を示した。
相田教授はメールで、「接着強度と延性に加え、簡単に洗い流せる性質を併せ持っている。これは接着剤のリサイクルと、接着された物体の再利用に必要な特性だ」と述べた。
一方、2025年12月に発表された別の研究では、アミンとアミドの双極子－双極子相互作用を利用したフッ素を含まない共重合体により、PTFE上で4.91MPaという、より高い最大強度が達成されている。ただし、この手法には可逆性がない。
両者が解決しようとしている工学上の問題は異なる。フッ素を含まない共重合体の研究は恒久的な接着強度を追求するのに対し、相田教授らの研究は、分解や基材の回収が重要となる産業に向けて可逆的な接着を実現するものだ。
■エタノールで剥離し、接着剤と基材を回収
エタノールによる可逆性は、単に実験室での作業を容易にするだけではない。エタノールは、CyclicFP-fmocとPTFE表面を結び付ける非共有結合と、接着層の内部を保持する非共有結合の双方を崩す。この際、分子は加水分解や断片化を起こさず、副生成物も生じない。元のモノマーのまま回収され、再利用できる。
洗浄後に回収した接着剤を再び使用しても、複数回の再利用サイクルを通じて約1.2±0.1MPaの接着強度を維持し、強度はほとんど低下しなかった。基材のPTFEも、脱フッ素化、表面の粗化、劣化を起こさず、元の表面化学特性を保持した。
相田教授は、エタノールが手指消毒剤の主成分であることから、特殊な試薬を用いなくても、実用的な環境で接着を解除できる可能性があると述べた。また、非共有結合を切ることで、強度を失うことなく元のモノマーを得られる点は、硬化反応が不可逆な高分子接着剤では実現できないとしている。
これは、製造時には高性能部品を接合しながら、使用後にはきれいに分離できるようにするという、フッ素樹脂製造における難題の一つに対応するものだ。現在のフッ素樹脂リサイクルでは、PTFEを高温で熱分解してテトラフルオロエチレンモノマーを回収するか、低品位用途向けに粗く機械粉砕する手法が用いられている。いずれも基材を機能する状態のまま保存できない。CyclicFP-fmocによるエタノール洗浄法は、それを可能にする初の手法だという。
■既存の分子基盤を接着剤へ応用
CyclicFP-fmocは、相田教授の研究チームが別の用途で研究してきた化学プラットフォームを基にしている。同研究室が2024年にJACSで発表した論文では、同じフルオロクラウンエーテルリン酸化合物の骨格を持つ「CyclicFP-X」を、細胞内へ素早く移行する薬物送達材料として使用した。この用途では、フッ素系化合物が水の水素結合ネットワークを乱す性質を利用していた。今回の接着剤は、同じ中核的な分子構造を全く異なる機能へ転用したものだ。
グランサム財団は2026年1月、相田教授の超分子材料プラットフォームの商業化を支援する目的で、同研究チームに約60万ドル（約9720万円、1ドル＝162円換算）の研究資金を提供した。この助成はCyclicFP-fmocに関する論文の発表より前に行われ、より広範な技術群を対象としている。それでも、主要な環境研究助成団体の少なくとも一つが、この技術基盤に商業化の可能性があると評価していることを示す。
■専門家が指摘する環境・規制上の未解決課題
この研究に関与していない外部の研究者らは、技術的な成果を評価する一方、重大な未解決の懸念を指摘している。
多相系とソフトマターを研究するメリーランド大学の機械工学者アルバン・ソーレ氏は、強度、延性、エタノールによる除去性を兼ね備えた接着剤の特性を「かなり異例だ」と評価した。一方、ソーレ氏とバイオエンジニアのフィリップ・メサースミス氏は、製造現場へ導入する前に、この分子の環境中での挙動と影響を調査することが不可欠だと強調した。
懸念は分子構造に起因する。CyclicFP-fmocは高度にフッ素化されたフルオロクラウンエーテルリン酸化合物であり、世界各地で「永遠の化学物質」と呼ばれ、規制対象となっているPFASと構造上の類似性を持つ。
PFASに共通する炭素－フッ素結合は、有機化学において最も強い結合の一つである。この性質がPTFEを化学的に不活性かつ工業的に有用な材料にする一方、PFASに分類される分子が環境中で分解されにくく、生体内に蓄積する要因にもなる。
CyclicFP-fmocが規制上のPFASの定義に該当するかどうかは、公には明らかにされていない。PFASの定義は管轄地域によって異なり、現在も変化している。発表された論文も、この問題を扱っていない。
米国環境保護庁（EPA）は2024年4月、PFASに関する国家一次飲料水規則を公布し、2026年5月にはその改正を提案した。欧州連合（EU）のREACH規則でも、広範なPFAS規制が検討されている。製造業で商業的価値を持つ分子であっても、PFAS分類を巡る問題が解消されなければ、産業導入に先立って厳しい規制上の審査を受ける可能性がある。
著者らは、CyclicFP-fmocの環境中での挙動や毒性に関するデータを公表していない。そうしたデータが得られるまでは、この技術は直ちに導入可能な工学的解決策ではなく、材料科学上の研究成果という段階にとどまる。
■テフロンが約80年間にわたり接着困難だった理由
今回の成果の重要性を理解するには、PTFEの接着方法が長年確立されなかった理由を知る必要がある。PTFEは1938年、デュポンのロイ・プランケット氏によって偶然発見され、1945年にテフロンとして商品化された。
PTFEの特徴は、その化学構造に直接由来する。炭素骨格がフッ素原子によって完全に覆われ、滑らかで密度が高く、電気陰性度の高い外殻を形成している。この構造が、ほとんどすべての分子をはじく。
炭素－フッ素結合の結合エネルギーは約544kJ/molで、有機化学において最も高い部類に入る。PTFEは連続使用で260度まで安定しており、室温でPTFEを溶かす既知の溶媒はない。ほかの物質がどの程度濡れて付着しやすいかを示す表面エネルギーは20mN/m未満で、一般的な高分子の中で最も低い。水の表面エネルギーは、その約4倍だ。
こうした特性により、PTFEは水素燃料電池や水電解装置の膜、マイクロ波周波数帯の回路基板、高濃度のフッ化水素酸を扱う容器の内張り、航空宇宙用燃料システムのシールなど、ほかの材料では十分な性能を得られない用途に欠かせない。一方で、PTFEの組み立てや修理を難しくしてきた。従来は、接着しやすさと引き換えに材料の化学的完全性を損なう表面処理で対応するしかなかった。
■フッ素樹脂製造への影響と実用化への道のり
独立した研究によってCyclicFP-fmocの環境特性に問題がないことが確認されれば、フッ素樹脂に依存する産業に大きな影響を及ぼす可能性がある。
燃料電池や水電解装置のメーカーは、フッ素樹脂膜を構造部品や電極アセンブリに接着する。医療機器メーカーは、体内に埋め込む機器でPTFE部品を接合する。電子機器メーカーは、ほかの部品と接合する必要がある高周波回路基板にPTFE基材を使用する。現在、こうした用途では、表面処理したPTFEを一般的な接着剤で恒久的に接着するか、接着接合ではなく機械的な固定を利用している。
表面処理なしでエポキシ系接着剤を上回り、かつ剥離可能な接着剤が実用化されれば、こうした産業で組み立てと分解の工程を再設計できる可能性がある。保証修理では、フッ素樹脂製のアセンブリ全体を交換せず、接着を解除して部品を交換し、再び接着できるようになる。製品寿命の終了時には、高価なフッ素樹脂部品を損傷させずに回収できる。接着済みアセンブリの製造検査でも、接着を制御して解除し、接合界面を確認できる可能性がある。
ただし、この分子は現時点では研究室レベルの概念実証にすぎず、商業製品は発表されていない。JACSでの論文発表から産業導入に至るまでには、合成のスケールアップ、プロセスエンジニアリング、規制審査、環境特性の評価が必要になる。その道のりは月単位ではなく、年単位になるとみられる。
■注目ポイントQ&A
●なぜテフロンは接着がこれほど難しいのですか？
テフロン（PTFE）の表面エネルギーは20mN/m未満で、一般的な固体の中でも特に低いため、ほとんどの接着剤が表面を十分に濡らすことができません。接着剤がPTFEに接触しても、一般的な接着系の強度を支える主要な力である水素結合を形成できません。従来は表面からフッ素原子を化学的に取り除き、反応性のある足掛かりを作っていましたが、この処理は表面の化学構造を恒久的に変え、接着した部品を元のフッ素樹脂として回収することを難しくします。
●新開発の「CyclicFP-fmoc」は従来のPTFE用接着剤と何が違うのですか？
主な違いは2点あります。第1に、PTFE表面を改質せず、もともと存在するフッ素原子とのフッ素－フッ素相互作用を利用して接着する点です。第2に、エタノールで洗浄すると接着が完全に解除され、接着剤を再利用可能な元のモノマーとして回収するとともに、損傷のないPTFE基材も回収できる点です。従来のPTFE接着法は表面改質を必要とし、接着剤だけをきれいに除去することも困難です。
●この分子のフッ素化学は、PFASに関する懸念につながりませんか？
これは、発表された研究が扱っていない中心的な未解決課題です。CyclicFP-fmocは高度にフッ素化された低分子であり、規制が強化されつつあるPFASと構造上の類似性を持っています。米国EPA、EUのREACH規則、そのほかの管轄地域で用いられるPFASの定義に該当するかどうかは、公には明らかにされていません。製造現場へ導入する前に、環境中での挙動と毒性に関する独立した研究が必要です。そうした研究結果が得られるまで、この問題への結論は出ていません。
●この技術はフッ素樹脂のリサイクルにどのように役立ちますか？
役立つ可能性があり、長期的には特に重要な用途になり得ます。現在、世界のフッ素樹脂のリサイクル率は0.1％未満です。既存の熱的・化学的な回収法は多くのエネルギーを必要とし、材料を機能する状態のまま保存できません。CyclicFP-fmocを使えば、製品寿命の終了時に、熱や破壊的な化学処理を用いずに接着されたフッ素樹脂部品を分解し、接着剤と損傷のない基材の双方を再利用できる可能性があります。ただし、実際のリサイクルシステムに応用できるかどうかは、量産化、コスト、PFASを巡る環境評価の結果に左右されます。
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元記事: Teflon Gets Its First Reversible Adhesive, Beating Epoxy on Untreated Surface