테플론

폴리테트라플루오로에틸렌 (polytetrafluoroethylene)을 이르는 용어이다. 테트라플루오로에틸렌 단량체를 중합하여 얻는 고분자 재료이며, 이를 처음 상용화한 듀폰(Dupont)사의 상품명이 테플론이다. 뛰어난 내화학성, 내열성, 내마모성, 내오염성 등을 가지는 소재로써 주방용품과 의류의 코팅, 윤활유, 고온 고압 개스킷 등의 다양한 용도에 사용된다.

테플론 테입 ()

1960년대 테플론 코팅을 입힌 프라이팬의 광고 ()

목차

테플론은 1938년 미국 듀폰사의 로이 플런켓(Roy Plunkett)이 테트라플루오로에틸렌(TFE)을 원료로 하는 새로운 냉매를 연구하는 과정에서 우연히 발견되었다. 어느 날 실험을 위하여 TFE가 가득 찬 가스 용기 밸브를 열었으나 TFE 가스가 나오질 않았다. 밸브는 이상이 없는 것을 확인하고, 가스 용기를 해체했더니 하얀 고체상 물질이 담겨 있는 것을 발견하였다. 그 고체 물질이 TFE가 중합된 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE)이었다. 다른 고분자 제품과는 매우 다른 특성을 확인하였으나, 당시에는 용처를 찾지 못하였다. 1945년 테플론(teflon)이라는 제품명을 등록하였다. 초기에는 원자 폭탄을 개발하는 맨해튼 프로젝트에서 우라늄 농축 시설의 파이프와 밸브를 코팅하는 용도로써 사용하였다. 1954년 프랑스의 엔지니어 마르크 그레구아르(Marc Grégoire)가 음식물이 눌어붙는 것을 방지하는 용도로 테플론 코팅을 입힌 프라이팬을 개발하면서 그 상업적 가치를 인정받았다. 낚시가 취미였던 그레구아르는 낚싯줄이 엉키는 문제 해결을 위하여 테플론을 활용하였는데 이를 본 부인이 프라이팬에 사용하자는 아이디어를 준 것이다. 이때 출시된 제품이 테팔(Tefal)이며 테플론과 알루미늄의 합성어이다. 테팔의 대대적인 성공은 이 물질을 다른 용도로 확대하는 데 큰 역할을 하였다.

테플론은 테트라플루오로에틸렌의 자유라디칼 중합 반응으로 합성한다.

물에서 현탁 중합 또는 계면활성제 과플루오린화 옥테인산염(PFOS)를 사용한 유화 중합법을 이용한다.

테플론은 열가소성 플라스틱으로 상온에서 백색의 고체이며, 매우 높은 밀도를 가진다 (2,200 kg/m³). 높은 유리 전이 온도 (119 °C)와 용융 온도 (>300 °C)를 가지면서도 넓은 온도 범위에서 유연성을 가진다.¹⁾

탄소-플루오린 결합은 탄소가 가지는 결합 중 가장 강한 결합 중의 하나이다. (C-H = 413 kJ/mol, C-F = 485 kJ/mol) 탄소와 플루오린간 결합은 공유 결합이지만 두 원자간 전기음성도 차이가 커서 탄소는 양전하성을 플루오린은 음전하성을 가진다. 이로써 두 원자 사이에 추가로 강한 정전기적 인력이 형성된다. 이런 이유로 탄소와 플루오린 사이에 강력한 결합이 생성되며, 이는 테플론이 보이는 우수한 열 안정성과 내화학성의 이유이다. 매우 강한 반응성을 가지는 알칼리 금속 정도만 테플론과 화학 반응성을 가지며, 매우 고온에서 다른 금속이나 화합물과 반응성을 나타낸다.

테플론에서 탄소와 플루오린은 극성 결합을 하지만 규칙적인 구조 때문에 이들이 상쇄되어 비극성을 나타낸다. 여기에 더하여 플루오린은 가장 낮은 편극도를 가지는 원자다. 이는 매우 낮은 쌍극자 유발 효과가 발생하며, 이는 다른 물질과 인력이 매우 낮음을 의미한다. 또한, 테플론의 매우 조밀한 플루오린 배열 및 결정성은 다른 물질의 침투를 억제하는 능력을 최대화한다. 이런 성질은 테플론의 내마모성과 내마찰성으로 발현된다. 테플론은 매우 낮은 마찰 계수를 가진다. 거의 모든 표면에 대해서 점착성을 가지는 게코(Gecko) 도마뱀도 테플론으로 코팅된 표면을 오르지 못한다.²⁾

테플론의 가장 큰 특성은 높은 안정성이다. 거의 모든 용매에 녹지 않는다. 또한, 뛰어난 내열성, 내부식성, 내마찰성을 보유한 소재이다.

음식 조리 과정에서 조리 기구와 눌어붙는 것을 방지하기 위하여 테플론으로 코팅된 요리 기구가 널리 사용된다. 프랑스에서 처음 시판된 프라이팬 테팔 (Tefal)이 가장 대표적이다.

테플론은 절연 재료로서 가장 많은 양이 소비된다. 매우 우수한 절연 성질을 가지기 때문에 항공기, 컴퓨터 등의 가혹한 조건에서 가동되는 전선 및 연결 부품의 주요 재료이다.

높은 열 안정성, 화학 안정성, 우수한 기계적 강도, 낮은 마찰계수 등의 성질은 파이프의 이음새, 베어링, 기어, 개스킷 등의 산업 전 분야에 활용된다. 기존 나일론이나 아세탈 재료의 사용이 어려운 곳에 대체재로 활용한다. 낮은 분자량의 테플론은 윤활제로 쓰인다.

섬유 소재로 판매되는 고어텍스는 미세 구멍을 가지는 테플론 소재로써 기체 형태의 습기는 통과하지만, 물방울은 막는 역할을 하여 방수, 방한 제품에 널리 사용된다.

일반 용기에 보관이 어려운 고부식성 화합물의 보관에 테플론 소재는 탁월한 성능을 발휘한다.

테플론을 이용한 다양한 제품들 (출처: 대한화학회)

테플론은 200도 이상의 온도에서 분해가 시작된다. 그 과정에서 분해된 플루오린화 탄소 물질들이 배출되기도 한다. 260도 이상의 온도에서는 변형되거나, 350도 이상에서는 분해될 수 있어서 주의가 필요하다.

최근에는 테플론의 제조 과정에서 유화제로 사용하는 과플루오린화 옥테인산염 (PFOS)과 과플루오린화 옥테인산(PFOA)가 동물에 축적되어 독성을 나타내며 암을 유발하는 것으로 알려지고 있다. 98%의 미국인 체내에 극소량의 PFOA가 검출되는 것이 확인되면서 일부 제조업체에서는 PFOA와 관련 화합물을 사용하지 않는 공정으로 전환하였다.

플루오린계 화합물은 화학적 안정성 때문에 자연에서 쉽게 분해되지 않기 때문에 문제가 되기도 한다.

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