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低コストでプラズマ処理の表面改質能力を大幅向上 ~ヒーター加熱の効果でフッ素樹脂と異種材料の強力接着を実現~

 大阪大学は2017年8月25日,同大学大学院工学研究科 山村 和也教授,大久 保助教,同大学附属超精密科学研究センター 本田 幸司研究員,兵庫県立工業技術センター 芝原 正文研究員らの研究グループが,フッ素樹脂に対してヒーターで加熱しながら低電力のプラズマで処理することにより,低コストで高い接着性が得られることを明らかにしたと発表した.本研究は,独立行政法人 日本学術振興会の科学研究費助成事業(基盤研究C)の一環として行われ,成果は英国の科学誌Scientific Reportsにオンライン掲載された(注).

 フッ素樹脂(PTFE;ポリテトラフルオロエチレン)は,水や油を付着し難いという特徴を持つ反面,異種材料との接着は非常に難しく,現状では,金属ナトリウムを含む危険な薬剤で表面を改質して接着性を確保することが行われている.しかし,この方法では作業者への負担が大きく,環境への悪影響も懸念されるため,これに代わる新たな手法の開発が望まれていた.研究グループは,以前から,PTFEの接着性を向上させるためのプラズマ処理の研究を行い,小面積サンプルでゴムや金属との高い接着性を得る技術を開発していた.ところが,PTFEにプラズマ処理で高い接着性を付与するには,大きな電力でPTFEの表面温度を上昇させることが必要で,処理面積を拡大して生産性を向上させるには,設備費用のうち特に電源設備が高額になることが実用化の大きな障壁となっていた.

 本研究において,研究グループは,プラズマ処理と加熱機構を分離し,加熱の役割は電気ヒーター(ハロゲンヒーター)に担わせる方法を検討した.PTFEとイソブチレン-イソプレンゴム(IIR)の接着を,高電力プラズマ処理した場合(プラズマ密度;21.7W/cm2,表面温度;260℃),低電力プラズマ処理とヒーター加熱を組合せた場合(プラズマ密度;8.3W/cm2,表面温度;260℃),および低電力プラズマだけで処理した場合(プラズマ密度;8.3W/cm2,表面温度;95℃)の三つの条件で比較した.プラズマ処理は大気圧のHe雰囲気で行われた.接着力をT剥離試験で評価すると,初めの二つの表面温度の高い条件は,それぞれ2.2および2.3N/mmという高い接着強度を示し,ゴム部分が凝集破壊した.それに対し,低電力プラズマのみでは,弱い接着強度(0.12N/mm)しか得られなかった.表面解析により,高電力プラズマ処理と,低電力プラズマと電気ヒーター加熱の併用処理の何れの場合でも,PTFEの表面硬度が処理前より1.7倍以上増加していることが分かった.これは,高電力プラズマによる加熱であろうと,電気ヒーターよる加熱であろうと,プラズマ処理中に表面温度が高くなると,PTFE表面のWBL(Weak Boundary Layer)がエッチング除去され,そこに酸素を含む活性の高い官能基が生成することが,接着性向上の主要な要因となることを示している.

 本研究の成果でプラズマ処理能力の拡大に伴うプラズマ電源の大型化が抑えられ,既存のプラズマ処理装置を使い,これにヒーターを取り付けるだけで,熱プラズマ処理でPTFEの処理面積を拡大して高い接着性を与えることが可能になった.この熱アシストプラズマ処理技術の開発により,PTFEの接着性向上の実用化に大きく近づくことが出来たという.

注)Yuji Ohkubo, Kento Ishihara, Masafumi Shibahara, Asahiro Nagatani, Koji Honda, Katsuyoshi Endo & Kazuya Yamamura, "Drastic Improvement in adhesion property of polytetrafluoroethylene (PTFE) via heat-assisted plasma treatment using a heater", Scientific Reports. Vol.7, Article number: 9476 (2017), doi: 10.1038/s41598-017-09901-y; Published online: 25 August 2017