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表面処理技術は、材料の特性を変化させ、母材とは異なる機械的、物理的、化学的特性を持つ表面層を形成する。
表面処理の目的は、耐食性や装飾性など、製品固有の機能要求を満たすことにある。プラズマ処理法と呼ばれる表面処理法は、インクや塗料、コーティング剤が付着する理想的なポリマー表面を作り出すために用いられる。
この記事では、プラズマ表面処理について、そのプロセスの動作、最適な使用方法、適用可能な場所について説明します。さらに読み進めて、深い知識を学んでください。
プラズマとは何か？
物質の第4の状態であるプラズマの基礎は、わかりやすい物理的な考え方である。物質にエネルギーを加えると、固体は液体になり、プラズマ液体は気体になる。エネルギーを加えると、気体分子は加熱されてイオン化し、正味のプラス電荷を帯びる。プラズマ分子が十分に電離すると、プラズマが発生し、ガス全体の電気的特性が変化する。
プラズマ表面処理とは？
プラズマ表面処理」という用語は、材料の表面エネルギーを変化または増大させ、コーティングを施したり、他の材料と結合させたりする能力を高めることができる処理を指す。
この処理は、接着剤や塗料の用途に合わせて調整され、密着性を促進するさまざまなコーティング材料に影響を与える。プラズマ処理を表面に施すと、接着、コーティング、印刷に理想的な、非常に薄くテンションの高いコーティング表面が得られる。親水性が高すぎたり、疎水性が高すぎたりして用途に適さない素材も、プラズマ処理を施すことができる。
プラズマ技術は、洗浄、コーティング、印刷、塗装、接着剤による接着などの表面処理工程に使用され、金属、ガラス、紙、プラスチック・ポリマーなどを扱う際の業界標準となることが多い。
プラズマ表面処理はなぜ使われるのか？
プラズマ表面処理は、主に表面の洗浄、密着性の向上、薄いコーティングの形成に使用される。
1.プラズマクリーニング
プラズマクリーナーは、真空チャンバー内で様々な材料から有機残渣を除去し、表面を整えます。有害な廃棄物を発生させることなく、接合やさらなる加工に理想的な原始的な表面を作り出します。さらに、このプロセスは、従来の洗浄方法よりも汚染の懸念を大幅に軽減することができます。
酸素プラズマ処理では、高エネルギー酸素種が不純物と相互作用して、主に水と二酸化炭素を生成し、洗浄機能を果たす。この洗浄プロセス中、有機汚染物質はプラズマ活性化イオンによって吹き飛ばされ、分解されるため、蒸発させてチャンバーから排出することができる。
2.表面の活性化
高分子材料の表面は、プラズマによる表面活性化によって接着や印刷のために準備されることが多い。ポリマーは分解され、エネルギー種が表面化学にさらされることでフリーラジカルが生成される。この手順では酸素が必要とされることが多いが、多くのプラズマ活性化は室温の空気で行うことができる。
3.プラズマコーティング
プラズマ表面処理は、材料表面の不純物を取り除き、加工に適した状態にします。プラズマコーティング法は、ナノスケールのポリマー層を対象物の表面に塗布する。得られるコーティングは色も匂いもなく、素材の感触や見た目に影響を与えないため、永久的なコーティングにつながる。
4.プラズマエッチング
プラズマエッチングは、ガス中のイオンを励起してプラズマを形成することにより、シリコン、プラスチック、その他の非金属材料を除去する。化学エッチング剤を使用しない場合、励起されたプラズマイオンが原子レベルで衝突することで材料が除去される。安定したエッチング・プロセスのためには、イオン密度、電子温度、プラズマ電位を制御する必要がある。
プラズマ表面処理の仕組み
プラズマ処理は、ガスが電気やマイクロ波などのエネルギー源にさらされることで発生する。ガスはイオン、ラジカル、自由電子、その他の分子断片の混合物に変化する。有機汚染の痕跡がすべて除去されるプロセスが、その後のプラズマ処理である。
プラズマノズル、ガス供給パイプライン、プラズマ発生装置は、プラズマ処理におけるプラズマ表面処理装置を構成する。被処理物の表面はプラズマで覆われる。プラズマが触れることで被処理物の表面が変化し、化学反応が起こる。
プラズマ表面処理の作業は、大気圧と低圧または真空に分けられる。
真空プラズマ処理
プラズマ治療には、真空チャンバーまたはエンクロージャーを使用することができる。電力というエネルギーが供給される前に、チャンバー内の空気が汲み出され、高真空の環境が作られる。その後、ガスを低圧でエンクロージャー内に流入させる。
プラズマ処理は基本的に低温処理であり、プラズマ熱に敏感な材料を効率的に処理することが可能であることを忘れてはならない。真空プラズマがプラズマ技術として使用されるのは、チャンバー内にガス分子がないため、プラズマ処理ガスがチャンバー内に注入された後、より効果的に拡散するためである。
一般的に、治療ガスがチャンバー内の他のガス分子と衝突して散乱し、経路を変更する可能性が少ないため、治療ガスはより効果的に拡散することができる。
大気圧プラズマ処理
大気圧 "ジェットノズル "プラズマを使うのも、表面を処理する方法のひとつである。大気圧プラズマは大気圧で機能する。ロボットと併用したり、インラインプロセスで部品の局所的な処理に使用したりする場合に、最も価値があります。
プラズマ表面処理に使用される工具と装置
プラズマ治療には主に、チャンバーと真空エンクロージャーの2種類がある。プラズマ治療は低温で行われるため、この装置はチャンバー内に理想的な温度と高真空を作り出すプロセスを補助する。大気圧ジェットプラズマもプラズマ治療のための装置である。さまざまな技術のために、さまざまなプラズマ治療機が使用されている。
PPフィルムとUVコーティングを施したプラズマ洗浄機をプラズマ処理することで、水性接着剤を強固に接着させることができる。その素晴らしいプラズマ技術は表面張力も向上させながら、接着や結合の破壊を防ぎ、様々な表面の洗浄を容易にします。表面に付着したミネラルカスを効果的に除去し、表面の酸化を除去します。さらに、セラミックの洗浄やプラスチックやエラストマーの表面処理にも使用される。
組立、印刷、加飾業界の工業生産者は、火炎表面処理装置などのプラズマ装置によって提供される再現可能な接着プロセス制御から利益を得ています。プラズマ表面処理は、危険なプライマーや不十分な手作業による表面処理に取って代わることがよくあります。
プラズマ表面処理の長所と短所とは？
長所
プラズマチャンバーの長所は枚挙にいとまがない：
- 適切なガスや化学物質を選択することで、無限の化学変化を起こすことができる。
- プラズマプロセスは、他の表面処理方法よりも環境に優しい。
- 表面改質は、化学薬品の消費を最小限に抑え、化学薬品と水の経費を削減できるため、従来の湿式処理よりも経済的なメリットがある。
- さらに、この表面改質技術は、処理された材料を乾燥させるために使用する水とエネルギーが少なくて済む。
- インラインプラズマ処理装置は、複合材料、プラスチック、金属、ガラス表面の接着性を向上させます。
- プラズマ処理には、物質の原子構造を変化させるエネルギーがあるため、危険で有毒な化学物質を完全に照射できる可能性がある。
- プラズマはすでに、医療処置における高精度のメスとして採用されている。高温のプラズマは、医療において空洞の穴あけや傷口の殺菌・焼灼に使われる可能性がある。
- プラズマ表面処理は、他の表面処理に比べて低コストの処理である。
- 接着剤、シーラント、ワニス、塗料との接着は、プラズマ処理によって促進される。
短所
逆に、プラズマ治療には以下のような限界もある：
- プラズマの浸透深さを決定するのは困難なことである。
- 適応メカニズムの管理は難しい。
- プラズマ表面処理では、投資コストも問題になる。
- さまざまな材料に効果的なプラズマの投与量を見つけることは難しい。
プラズマ表面処理の産業応用
プラズマ表面処理はさまざまな産業用途で見られるが、そのいくつかを以下に紹介する：
1.包装業界
包装業界は、パッケージの堅固さと信頼性を確保するために、飲料やジャムボトルの接着とシールにプラズマ表面処理を使用しています。それは主にラミネーション接着剤とUV開封の問題を解決するのに役立ちます。
2.自動車産業
プラズマは自動車の接着面を処理し、接着の強化、遮音性、防湿・防塵性などの特性をもたらす一方、印刷前処理としてプラズマを使用することで、色落ちや塗装の剥落がないことを保証する。通常、プラズマ表面処理は自動車のブレーキパッド、オイルシール、バンパーなどに使用される。
3.医療業界
医療業界に組み込まれたプラズマ技術は、エキサイティングな応用がある。人間のインプラント材料は、比較可能性を満たすためにプラズマで表面処理される。さらに、医療用カテーテルの接合も強化される。この技術は医療機器の消毒にも役立つ。
4.プラスチック産業
プラスチックの表面は、印刷のための接着性を高めるためにプラズマ処理される。さらに、さまざまな対象物にプラズマ処理を施し、接着したときの固さを確保する。通常、プラズマ表面処理は玩具、飲料ボトルのキャップ、家電製品などに適用される。
5.ケーブル産業
電線やケーブルのマーキングもプラズマ処理の目的である。一般に、大気圧プラズマ処理は、水性インク、接着剤、コーティング剤の接着を促進し、顕著な耐汚れ性と耐摩耗性を提供する。しかし、インクジェットマーキングを使用することで、ケーブルマーカーの出力歩留まりが向上します。
6.繊維産業
プラズマ表面処理は繊維産業にも応用できる。主に繊維の洗浄に役立ち、印刷性、濡れ性、繊維の毛細管現象、染色性などの特性を向上させる。したがって、さまざまな医療用繊維の予備滅菌に加え、繊維のヤーン、フィラメント、ウェブのインク付着と染色が改善される。また、タンパク質繊維の親水性と吸収性も向上する。
結論
この記事が、プラズマ処理が表面仕上げと接合能力を高めるために、対象物にどのような利益をもたらすかをよりよく理解するのに役立つことを願っています。プラズマ表面処理の応用範囲は広く、さまざまな製造業で普及している。
