JP2008174791A - Adhesive surface modification method for fluorine base synthetic resin, and article obtained thereby - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、耐食性タンクの内張材、回転ローラー表面、気密パッキン表面、各種粘着防止ロール、シート等のフッ素系合成樹脂の表面を、金属やセラミックス、他の高分子樹脂と接着するために表面粗化して接着性付与することを狙いに改善した表面改質方法及びその物品に関するものである。 The present invention provides a surface for bonding the surface of a fluorine-based synthetic resin such as a lining material of a corrosion-resistant tank, a surface of a rotating roller, an airtight packing surface, various anti-adhesion rolls, and a sheet to a metal, ceramics, or other polymer resin. The present invention relates to a surface modification method improved for the purpose of roughening and imparting adhesiveness, and an article thereof.
フッ素系合成樹脂としてポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体、ポリビニリデンフルオライド、ポリクロロトリフルオロエチレン、クロロトリフルオエチレン・エチレン共重合体等の合成樹脂が耐食性タンクの内張材、耐食性パイプ内面、耐食性部材表面、回転ローラー表面、気密パッキン表面、各種粘着防止ロール、各種粘着防止シートおよびフィルム等など数多く使用されている。 Polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene / ethylene copolymer, polyvinylidene fluoride, polychlorotrimethyl Synthetic resins such as fluoroethylene and chlorotrifluoroethylene / ethylene copolymer are corrosion resistant tank lining materials, corrosion resistant pipe inner surfaces, corrosion resistant member surfaces, rotating roller surfaces, airtight packing surfaces, various anti-adhesion rolls, various anti-adhesion sheets and films Etc. are used a lot.
しかしこれらのフッ素系合成樹脂単独では機械的強度や機能性の問題から金属やセラミックス、他の高分子樹脂と接着する必要があり、接着性の良い表面改質を行わなければ長期間にわたって複合部材として使用することが出来ない。 However, these fluorine-based synthetic resins alone need to be bonded to metals, ceramics, and other polymer resins due to problems of mechanical strength and functionality. Can not be used as.
現在多く使用されているフッ素系合成樹脂特にポリテトラフルオロエチレン樹脂(PTFE)では金属ナトリウム・アンモニウム塩処理が使用されている。この表面処理液は非常に酸化性が強く腐食が激しく且つ廃液処理が複雑であるため、公害防止面から使用禁止の動きが出ている。このためこれに代わる接着性付与技術が早期に求められている。 Metallic sodium / ammonium salt treatment is used for fluorine-based synthetic resins, particularly polytetrafluoroethylene resin (PTFE), which are currently widely used. Since this surface treatment liquid is very oxidative and intensely corroded and the waste liquid treatment is complicated, use of the surface treatment liquid is prohibited from the viewpoint of pollution prevention. For this reason, the adhesiveness provision technique which replaces this is calculated | required early.
現在、PTFE樹脂の金属ナトリウム・アンモニウム塩処理では、CF結合の一部がアンモニウム塩に置換され、また一部では酸素と結合してカルボニル基を形成してエポキシ樹脂接着材やウレタン樹脂接着材を用いて他の材料と接着が容易になっている。また金属ナトリウム・アンモニウム塩処理では脱フッ素化が起きてPTFE表面が激しく凹凸が形成される。これらは表面処理後の経時変化が少なく長期にわたって実用化されてきた。しかし公害問題から早期な代替え技術の開発が望まれている。 Currently, PTFE resin is treated with metallic sodium / ammonium salt, part of CF bond is replaced with ammonium salt, and part of it is bonded with oxygen to form carbonyl group to form epoxy resin adhesive or urethane resin adhesive. It is easy to bond with other materials. Further, in the metal sodium / ammonium salt treatment, defluorination occurs, and the PTFE surface is severely uneven. These have been put to practical use for a long time with little change over time after the surface treatment. However, early development of alternative technologies is desired due to pollution problems.
これらのことから各種のプラズマ処理による表面改質法の試みがあった。特開平2000-96233に記載されているようにフッ素系プラズマCVD法において、プラズマ生成方法や印加電圧、ガス組成などを工夫して、出来るだけ低温加工が可能なプラズマCVD装置を開発して、プラスチック表面への接着性付与する方法が提案され、さらにカメラ用オーリングや自動車用ワイパーゴムなどに利用することが提案されている。しかしながらこれらのプラズマCVD法は、導入したガスを高周波でプラズマ化させて、活性化したアルゴンまたは窒素元素を部品表面で化学的に反応し反応させる手法であるため、樹脂表面とDLC膜層との化学的結合力が弱く密着性に乏しいことがある。 For these reasons, there have been attempts to modify the surface by various plasma treatments. As described in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-96233, a plasma CVD apparatus capable of being processed at a low temperature as much as possible by developing a plasma generation method, applied voltage, gas composition, etc. A method for imparting adhesiveness to the surface has been proposed, and further, it has been proposed to be used for camera O-rings, automobile wiper rubbers, and the like. However, these plasma CVD methods are methods in which the introduced gas is turned into plasma at a high frequency, and activated argon or nitrogen element is chemically reacted and reacted on the component surface. Chemical bond strength is weak and adhesion may be poor.
本発明はシート状、フィルム状、ロール状物から凹凸のある複雑形状物に対して、PTFE樹脂表面を0.1μm以上の深さまで表面改質して、エポキシ接着材やウレタン接着材に安定した接着力を付与できるフッ素系合成樹脂の表面改質方法を提供するものである。 In the present invention, the surface of a PTFE resin is modified to a depth of 0.1 μm or more for a complex shape having irregularities from a sheet shape, a film shape, a roll shape, and a stable adhesion to an epoxy adhesive or a urethane adhesive. The present invention provides a surface modification method for a fluorine-based synthetic resin capable of imparting force.
従来の金属ナトリウム・アンモニウム塩処理では薬液層にPTFE樹脂表面を浸漬するだけであったが、本発明も真空チャンバー内に電極を貼り付けたフッ素系合成樹脂を曝すだけで表面改質可能であり、高価で複雑な装置を必要としないものである。また公害問題となる廃液を排出することなく、排ガスなどを吸着塔を通して排気するだけで問題ない。 In conventional metal sodium / ammonium salt treatment, the PTFE resin surface was simply immersed in the chemical solution layer, but the present invention can also be modified by exposing the fluorine-based synthetic resin with electrodes attached to the vacuum chamber. Expensive and complicated equipment is not required. Moreover, there is no problem if the exhaust gas is exhausted through the adsorption tower without discharging the waste liquid which is a pollution problem.
本発明はPTFE樹脂表面に5〜20kVの高電圧をパルス状に印加してPTFE表面を0.1μm以上の深さまで表面改質して、CF結合の一部を窒素原子や酸素原子に置換して、経時変化の無い安定した接着性表面を提供するものである。 In the present invention, a high voltage of 5 to 20 kV is applied in a pulsed manner to the surface of the PTFE resin to modify the surface of the PTFE to a depth of 0.1 μm or more, and a part of the CF bond is substituted with nitrogen atoms or oxygen atoms. It provides a stable adhesive surface that does not change with time.
本発明はプラズマベースイオン注入法を用いて、フッ素系合成樹脂(基材)の周辺に外部アンテナによるRFプラズマあるいは自己バイアス電圧によるプラズマ生成を行い、これに対して数百V〜数十kVの負パルス電圧を印加して、アルゴンまたは窒素を含有するイオンを樹脂表面に注入することによりアルゴンまたは窒素の傾斜層を形成させ、さらに電圧制御しながらアルゴンまたは窒素と酸素を含有した極性基を樹脂表層に形成することによって、上記の課題の解決を実現し目的を達成するものである。 The present invention uses plasma-based ion implantation to generate RF plasma by an external antenna or a self-bias voltage around a fluorine-based synthetic resin (base material), which is several hundred volts to several tens of kV. A negative pulse voltage is applied, and an argon or nitrogen gradient layer is formed by injecting ions containing argon or nitrogen into the resin surface, and a polar group containing argon or nitrogen and oxygen is added to the resin while controlling the voltage. By forming on the surface layer, the above-mentioned problems are solved and the object is achieved.
フッ素系合成樹脂は多くは、他の高分子材料に比較して耐熱性があるが、脱フッ素化したフッ素ガスは腐食性があり且つ表層が脆くなるため、低温でアーク放電等が無く高電圧をパルス状でイオン注入処理する必要がある。 Many fluorine-based synthetic resins have heat resistance compared to other polymer materials, but defluorinated fluorine gas is corrosive and the surface layer becomes brittle, so there is no arc discharge at low temperatures and high voltage. Need to be ion-implanted in a pulsed manner.
具体的には真空チャンバー、真空排気系、ガス供給・処理系、高周波プラズマ源、負の高電圧パルス電源・高圧導入系と冷却系に構成された装置を用いてフッ素系合成樹脂の表面改質をする。フッ素系合成樹脂は絶縁物であるため、本基材に電圧を印加するための電極を表面改質しない反対側の背面あるいは処理しない中心部に配置して、高周波プラズマ源に電力を供給することによりガスプラズマを発生させ、被注入物(フッ素系合成樹脂)周辺に負の高圧パルス電圧を加えると、プラズマ中の電子は排斥され、被注入物の輪郭に沿って周りにイオンシースが形成される。このイオンシースは被注入物の輪郭に沿って覆われ、その後負の電圧をこのイオンシースに印加されるため、イオンのみがあらゆる方向から被注入物に引きつけ加速され、被注入物に狙いとする元素をイオン注入されるものである。 Specifically, surface modification of fluorine-based synthetic resin using equipment configured in a vacuum chamber, vacuum exhaust system, gas supply / treatment system, high-frequency plasma source, negative high-voltage pulse power supply / high-pressure introduction system and cooling system do. Since the fluorinated synthetic resin is an insulator, the electrode for applying a voltage to the base material is placed on the opposite back side where the surface is not modified or in the center where it is not treated to supply power to the high frequency plasma source. When a negative high voltage pulse voltage is applied around the injection target (fluorine-based synthetic resin) by generating a gas plasma, the electrons in the plasma are discharged, and an ion sheath is formed around the outline of the injection target. The The ion sheath is covered along the contour of the implant, and then a negative voltage is applied to the ion sheath, so that only ions are attracted and accelerated from all directions to the implant and aim at the implant. Elements are ion-implanted.
本発明のフッ素系合成樹脂からなる絶縁物では、処理表面に帯電してチャージアップ電荷による絶縁破壊する現象が現れることがある。本発明の高周波・高電圧の負パルス電圧を印加する方法では、パルスなのでパルス電圧がない時にはプラズマは基材に接近し、基材に帯電した電荷はプラズマ中に放出され、チャージアップは解消される。またパルスの周波数および印加時間等を形状毎に最適化して行うことで絶縁破壊を防止すると共に、チャージアップによる表面改質の不均一性、改質速度の低下を防ぐことが可能である。 In the insulator made of the fluorine-based synthetic resin of the present invention, a phenomenon may occur in which the treatment surface is charged and dielectric breakdown occurs due to charge-up charge. In the method of applying a high-frequency, high-voltage negative pulse voltage according to the present invention, since the pulse is a pulse, the plasma approaches the base material when there is no pulse voltage, the charge charged on the base material is released into the plasma, and the charge-up is eliminated. The Further, by optimizing the frequency and application time of the pulse for each shape, it is possible to prevent dielectric breakdown and to prevent surface modification non-uniformity due to charge-up and a decrease in the modification speed.
プラズマベースイオン注入法における接着特性に及ぼすパラメーターとしては、高周波プラズマ源の周波数、プラズマ増幅電圧、繰返し周波数、パルス数などがあり、さらに高圧誘引パルス電源側のパラメーターとしては印加電圧、カレント電流、繰返しパルス数、パルス幅、ディレータイムなどがあり、またプラズマ生成原料のガス流量、ガス圧力等は影響を及ぼす。これらをコントロールして被注入物の輪郭に沿ってイオンシースを形成し、イオンのみを被注入物であるフッ素系合成樹脂に対してイオンを注入することにより、接着性を改善したフッ素系合成樹脂表面処理方法とその表面改質物品を提供するものである。 The parameters affecting the adhesion characteristics in the plasma-based ion implantation method include the frequency of the high-frequency plasma source, the plasma amplification voltage, the repetition frequency, the number of pulses, and the parameters on the high-voltage induced pulse power supply side include the applied voltage, current current, and repetition. There are the number of pulses, pulse width, delay time, etc., and the gas flow rate, gas pressure, etc. of the plasma generation raw material have an effect. Fluorine-based synthetic resin with improved adhesion by controlling these to form an ion sheath along the contour of the object to be injected, and implanting only ions into the fluorine-based synthetic resin that is the object to be injected A surface treatment method and a surface modified article thereof are provided.
本発明の表面改質ガスは、アルゴン、水素、酸素、窒素及びアンモニア等から選択される少なくとも1種類を主成分としたガスを使用し、真空チャンバー内にガス導入を行い高周波電圧を印加してガスをプラズマ化することによって、アルゴンまたは窒素原子もしくは分子イオンを生成させ、これを加速してイオン注入するのが好ましい。 The surface modifying gas of the present invention uses a gas mainly composed of at least one selected from argon, hydrogen, oxygen, nitrogen, ammonia, etc., and introduces a gas into a vacuum chamber and applies a high-frequency voltage. It is preferable to generate argon, nitrogen atoms, or molecular ions by converting the gas into plasma and accelerate the ions to perform ion implantation.
表面改質ガスの選定方法としては、アルゴンまたは水素原子と窒素原子の割合によりプラズマ状態が異なり、さらにフッ素系合成樹脂表面のフッ素原子を何パーセント脱フッ素化させるかによって、ガス種とその混合割合を決定するのが好ましい。アルゴンガスと水素ガスは基本的にCF結合を切断するためのエネルギーに利用され、酸素や窒素、アンモニアガスは、カーボンとの結合に利用される。酸素は水酸基、カルボニル基、カルボキシル基の生成に、窒素やアンモニアはアミノ基、アンモニウムの生成に寄与することが判っており、それぞれの最適なガス系を選定するのが望ましい。特にアンモニアガスはプラズマ分解すると水素と窒素イオンが生成され、窒素ガス単体で使用するよりも活性な原子状イオンが得られる利点がある。しかしアンモニアガスが使用しにくい環境では窒素ガスを使用しても効果は得られる。 As the method for selecting the surface reforming gas, the plasma state varies depending on the ratio of argon or hydrogen atoms and nitrogen atoms, and the gas species and the mixing ratio depending on the percentage of fluorine atoms on the surface of the fluorine-based synthetic resin. Is preferably determined. Argon gas and hydrogen gas are basically used for energy for cutting the CF bond, and oxygen, nitrogen, and ammonia gas are used for bonding with carbon. It is known that oxygen contributes to the production of hydroxyl groups, carbonyl groups, and carboxyl groups, and nitrogen and ammonia contribute to the production of amino groups and ammonium, and it is desirable to select an optimum gas system for each. In particular, ammonia gas produces hydrogen and nitrogen ions when plasma decomposed, and has an advantage that more active atomic ions can be obtained than when nitrogen gas is used alone. However, in an environment where ammonia gas is difficult to use, the effect can be obtained even if nitrogen gas is used.
ガスプラズマを発生させる高周波電力として、周波数が0.2MHzから2.45GHzまでの範囲で、出力が10Wから20kWまでの範囲で、パルス幅1.0μsec以上であることが望ましい。その理由は周波数が0.2MHzより低い周波数では前記ガスのプラズマ分解が充分でなく表面改質速度が遅くなるからであり、また2.45GHzより大きいとプラズマ生成の安定性や装置コストの上昇を招くためである。高周波出力が10W以下ではプラズマ密度が低くイオン注入は出来ても表面改質が出来ないからであり、また20kW以上では電源容量が大きく装置コストの増加を招くためである。さらにパルス幅1.0μsec以下であると実質的なイオン注入時間が短くなり、また絶縁物の場合チャージアップしやすくなるためである。 As the high frequency power for generating gas plasma, it is desirable that the frequency is 0.2 MHz to 2.45 GHz, the output is 10 W to 20 kW, and the pulse width is 1.0 μsec or more. The reason is that if the frequency is lower than 0.2 MHz, the plasma decomposition of the gas is not sufficient and the surface modification rate becomes slow, and if it is higher than 2.45 GHz, the stability of plasma generation and the cost of the equipment increase. It is. This is because, when the high frequency output is 10 W or less, the plasma density is low and the surface modification cannot be performed even if ion implantation can be performed. Further, when the pulse width is 1.0 μsec or less, the substantial ion implantation time is shortened, and in the case of an insulator, it is easy to charge up.
さらに上記のプラズマ生成のみならず高周波パルス印加電源は非常に重要である。従来のプラズマ処理装置では3kV以下の直流電圧電源を用いて表面処理することが多く、一時的な親水性付与技術として利用された。しかし本発明の高周波パルス印加電圧としては、その周波数、パルス幅、印加電圧の最適化が必要である。 Furthermore, not only the above plasma generation but also a high frequency pulse application power source is very important. In conventional plasma processing apparatuses, surface treatment is often performed using a DC voltage power source of 3 kV or less, and it has been used as a technique for imparting hydrophilicity temporarily. However, the frequency, pulse width, and applied voltage must be optimized as the high frequency pulse applied voltage of the present invention.
その理由は周波数が100Hz以下であると一定時間内のイオン注入回数が減少することになりイオン注入効率が低下する。一方5000Hz以上であると高周波パルス電源の高性能化が必要となり装置コストの上昇を招く。パルス幅はイオン注入時のシース幅と大きく関係し、幅が狭いと複雑な形状に沿ってシースが形成され、均一にイオン注入されるが、幅が広いと狭い隙間にはシースが出来なくなりイオン注入量が減少する。このことからパルス幅が1.0μsec以下であると1回のパルスのイオン注入時間が短いことによりイオン注入効率が低下すると共にナノsecオーダーのパルス幅を形成するには高価な高周波電源が必要となり、装置コストがアップする。一方パルス幅が広く1000μsec以上であると成形品周辺に供給されるプラズマ密度が低下して、イオン注入効率が低下するばかりでなくパルス電源の高性能化が必要となり装置コストの上昇を招くことになる。 The reason is that if the frequency is 100 Hz or less, the number of ion implantations within a certain period of time decreases, and the ion implantation efficiency decreases. On the other hand, if the frequency is 5000 Hz or higher, it is necessary to improve the performance of the high-frequency pulse power supply, resulting in an increase in device cost. The pulse width is greatly related to the sheath width at the time of ion implantation. If the width is narrow, the sheath is formed along a complicated shape and is uniformly implanted, but if the width is wide, the sheath cannot be formed in the narrow gap. The injection volume is reduced. From this, if the pulse width is 1.0 μsec or less, the ion implantation time of one pulse is short, so that the ion implantation efficiency is lowered and an expensive high-frequency power source is required to form a nano-second order pulse width. Equipment cost increases. On the other hand, if the pulse width is wide and 1000 μsec or more, the plasma density supplied to the periphery of the molded product will be reduced, and not only the ion implantation efficiency will be reduced, but also high performance of the pulse power supply will be required, leading to an increase in equipment cost. Become.
特に好ましい負パルス電圧は、フッ素系合成樹脂表面の接着性付与の観点からは−7.0〜20kVが好ましい。−7.0kV以下であるとフッ素系合成樹脂基材へのイオン注入深さが浅く、カーボン元素と酸素及び窒素間の化合物傾斜構造化が得られず接着力の向上に寄与せず、また−20kV以上の高電圧になると基材と化合物傾斜構造化は進むが、高周波パルス電源が大型化して装置コストの大幅な上昇を招き、さらにフッ素系合成樹脂の場合には基材表面におけるチャージアップによる放電、発熱によるプラスチック成形品のひずみ発生が顕著になり20kV以上は好ましくない。 A particularly preferable negative pulse voltage is preferably −7.0 to 20 kV from the viewpoint of imparting adhesion to the surface of the fluorine-based synthetic resin. If it is −7.0 kV or less, the ion implantation depth into the fluorine-based synthetic resin base material is shallow, the compound gradient structure between the carbon element and oxygen and nitrogen cannot be obtained, and it does not contribute to the improvement of the adhesive force, and −20 kV At higher voltages, the substrate and compound gradient structure will advance, but the high-frequency pulse power supply will increase in size, leading to a significant increase in equipment costs. Further, the occurrence of distortion of the plastic molded product due to heat generation becomes remarkable, and 20 kV or more is not preferable.
フッ素系合成樹脂表面へのイオン注入時間は制約されるものではないが5〜60分であることが好ましい。より好ましくは生産性の観点から短時間処理であるが、フッ素系合成樹脂の高電圧イオン注入処理は表面劣化が激しくなり表面層が脆くなり、接着力を低下させることもあり、材料成分によってイオン注入条件を選定する必要がある。 The ion implantation time on the surface of the fluorine-based synthetic resin is not limited, but is preferably 5 to 60 minutes. More preferably, it is a short-time treatment from the viewpoint of productivity. However, the high-voltage ion implantation treatment of the fluorine-based synthetic resin causes the surface deterioration to become severe and the surface layer to become brittle, which may reduce the adhesive force. It is necessary to select injection conditions.
従来の質量分離によるイオン注入では、注入電流がmA以下で、高エネルギーの場合では数Aのオーダーである。そのため、1E17ions/cm2のイオン注入をするには数時間もかかってしまう。これに対してプラズマベースのイオン注入では、成形品に対して周囲から一度に電流が流入するため、数A〜数十Aの電流が流れ、それにより短時間でのアルゴンまたは窒素イオン注入処理が行える。且つ直流によるイオン注入でなくパルスによるイオン注入であるため、絶縁物に対してもチャージアップによる損傷は非常に少ない。 In conventional ion implantation by mass separation, the injection current is less than mA, and in the case of high energy, it is on the order of several A. Therefore, it takes several hours to implant 1E17ions / cm2. On the other hand, in plasma-based ion implantation, a current flows into the molded product from the surroundings at a time, so a current of several A to several tens of A flows, thereby enabling argon or nitrogen ion implantation processing in a short time. Yes. In addition, since the ion implantation is performed not by direct current but by pulse, damage to the insulator due to charge-up is very small.
本発明のアルゴンまたは窒素イオン注入法では表層の汚染層を充分突き破るだけのエネルギーでイオン注入されるため、アルゴンまたは窒素の傾斜構造を容易に形成することが可能であり、特にC-F間の結合を切断する高エネルギーでアルゴンまたは窒素イオン注入することにより表層部に生成したラジカルと活性窒素原子やチャンバー内に残留している活性酸素原子と反応することにより、フッ素系合成樹脂表面では深さ方向に0.1μ前後の反応層を容易に得ることが可能である。 In the argon or nitrogen ion implantation method of the present invention, ions are implanted with an energy sufficient to sufficiently penetrate the surface contamination layer, so that an inclined structure of argon or nitrogen can be easily formed. Depth on the surface of fluorine-based synthetic resin by reacting radicals generated in the surface layer by high-energy argon or nitrogen ion implantation that breaks the bond with active nitrogen atoms or active oxygen atoms remaining in the chamber. It is possible to easily obtain a reaction layer of about 0.1 μm in the direction.
本プロセスではイオン注入時のエネルギーを変化させることによりフッ素系合成樹脂表面の接着層の厚さを変化させることが可能であるため、フッ素系合成樹脂の種類によっては低エネルギーで樹脂の損傷を押さえながら表面改質することも可能である。特にビニリデン系の二重結合を持った重合物では低い10kV以下のエネルギーで表面改質することが、接着性を付与するプロセスとして最適であることが判った。 In this process, it is possible to change the thickness of the adhesive layer on the surface of the fluorinated synthetic resin by changing the energy at the time of ion implantation. Therefore, depending on the type of fluorinated synthetic resin, the resin damage can be suppressed with low energy. However, surface modification is also possible. In particular, for polymers having vinylidene double bonds, it was found that surface modification with a low energy of 10 kV or less is the optimum process for imparting adhesion.
本発明のフッ素系合成樹脂の表面改質手法では、その非処理物表面よりアルゴンまたは窒素が50nm以上イオン注入され、その表層部に微細な凹凸が形成され表面粗さが0.1μm以上と大きくなり、フッ素系合成樹脂の摩擦係数が0.1以上になることが判った。 In the surface modification method of the fluorine-based synthetic resin of the present invention, argon or nitrogen is ion-implanted by 50 nm or more from the surface of the non-treated material, and fine irregularities are formed on the surface layer portion, resulting in a surface roughness of 0.1 μm or more. It was found that the friction coefficient of the fluorine-based synthetic resin was 0.1 or more.
高周波パルス電圧やパルス幅、周波数、印荷時間、処理温度等を種々変化させて評価した結果、被処理物表面から、より深くアルゴンまたは窒素原子が注入されていることが接着性向上に寄与することを見出した。実験の結果少なくとも50nm以上イオン注入されていることが好ましく、これより浅いと接着性への寄与率が低下することが判った。この理由は、脱フッ素化によるラジカルとの反応層の厚さが表層より数十原子層では空気中の酸素や水分により経時変化を起こし長期間の接着性付与効果を維持することが出来ず、数百原子層は必要であるためと考えている。 As a result of evaluating various changes in the high-frequency pulse voltage, pulse width, frequency, loading time, processing temperature, etc., the deeper injection of argon or nitrogen atoms from the surface of the object to be processed contributes to improved adhesion. I found out. As a result of experiments, it is preferable that ions are implanted at least 50 nm or more, and it has been found that if it is shallower than this, the contribution rate to the adhesiveness is lowered. The reason for this is that when the thickness of the reaction layer with radicals due to defluorination is several tens of atomic layers from the surface layer, it cannot be maintained over a long period of time due to oxygen and moisture in the air, and the long-term adhesion imparting effect cannot be maintained. This is because several hundred atomic layers are necessary.
本発明のフッ素系合成樹脂の表面改質法では、樹脂成形品裏面に負電圧印加電極を取付け、これと高電圧のフィードスルーと接続する。高周波(RF)電力はフィードスルーとチャンバーの間に加え、電子をその間の電界変化によって往復運動させ、気体分子と衝突を繰返すことによりアルゴン、窒素、アンモニア等ガス分子を電離させ高密度のプラズマを形成する。プラズマ中にはイオン、ラジカル、電子が共存するので、高圧パルス電圧を印加すると、プラズマ中のイオンをフッ素系合成樹脂に注入することができ、高圧パルス電圧を印加されないと自己バイアス(通常数十ボルト)によるイオンを表面に反応させ、この時ラジカル重合により窒素あるいは酸素元素が結合し反応物を形成することが出来る。 In the surface modification method for a fluorine-based synthetic resin of the present invention, a negative voltage application electrode is attached to the back surface of the resin molded product, and this is connected to a high voltage feedthrough. Radio frequency (RF) power is applied between the feedthrough and the chamber, electrons are reciprocated by the electric field change between them, and gas molecules such as argon, nitrogen, and ammonia are ionized by repeating collisions with gas molecules to generate a high-density plasma. Form. Since ions, radicals, and electrons coexist in the plasma, if a high voltage pulse voltage is applied, the ions in the plasma can be injected into the fluorine-based synthetic resin. Bolt) ions are allowed to react with the surface, and at this time, nitrogen or oxygen elements are bonded by radical polymerization to form a reaction product.
フッ素系合成樹脂表面の反応物は、使用するガス種、ガス圧、印加電圧等によって異なるが、樹脂基材が大きく劣化せず緻密な微細凹凸の形成が容易で他材料との接着力向上に役立つ形態になることが好ましい。プラズマベースイオン注入装置では少なくとも3ステップのプロセスで表面改質するのが好ましく、基板表面のクリーニング後に、高電圧でイオン注入してC-F結合の切断を行う。その後窒素あるいはアンモニアガスを導入して低い電圧を印加しながら極性基を生成する反応を促進するのが好ましい。このように中エネルギースパッタ処理、高エネルギーイオン注入、低エネルギー極性基生成の3ステップがフッ素系合成樹脂の表面改質に有利であることが判った。 The reactants on the surface of the fluorinated synthetic resin vary depending on the gas type, gas pressure, applied voltage, etc. used, but the resin base material does not deteriorate greatly, and it is easy to form fine fine irregularities and improve the adhesion to other materials. It is preferable to have a useful form. In the plasma-based ion implantation apparatus, the surface is preferably modified by a process of at least three steps. After cleaning the substrate surface, ion implantation is performed at a high voltage to cut the C—F bond. Thereafter, nitrogen or ammonia gas is introduced to promote the reaction for generating polar groups while applying a low voltage. Thus, it was found that the three steps of medium energy sputtering treatment, high energy ion implantation, and low energy polar group generation are advantageous for surface modification of the fluorine-based synthetic resin.
以下、本発明の実施の形態を説明する。
まず、本発明のフッ素系合成樹脂基材への表面改質方法に用いるプラズマベースイオン注入装置の概略構成を図1に基づいて説明する。この装置は、フッ素系合成樹脂シート1をセットする架台2を内蔵する真空チャンバー3を具えている。セット架台は負電圧印加のための電極を兼ねている。真空チャンバー3は、排気装置4により内部を所定の真空度に保持することができる。この装置は、所定のガスを、導入口5を通して導入され、アルゴンや窒素系ガスプラズマを形成させ、また必要に応じて接着性を向上させるため特殊元素をイオン注入するための有機金属ガス導入源6も設けられている。
Embodiments of the present invention will be described below.
First, a schematic configuration of a plasma-based ion implantation apparatus used in the surface modification method for a fluorine-based synthetic resin substrate of the present invention will be described with reference to FIG. This apparatus includes a
さらにこの装置は、各種形状のフッ素系合成樹脂シート1に高電圧の負電荷を印加する高電圧負パルス電源7と高周波(RF)電源8も具えている。高電圧負パルス電源7では、所定のエネルギーの負電荷を発生させ、高電圧用フィードスルー9を通じてフッ素系合成樹脂シート1に負電荷のパルスを印加する。このフィードスルーはセット架台とつながっており、セット架台は絶縁碍子10で、電気的に浮いた状態になっている。さらに高電圧パルスと高周波を重ね合わせる重畳装置11通じて高電圧用フィードスルー9から電力を供給して、供給ガスをプラズマ化させ成膜することが出来る。高電圧用フィードスルー9にはシールドカバー12が取り付けられフィードスルー9を防護している。
The apparatus further includes a high voltage negative
これらフッ素系合成樹脂に負電荷のパルスを印加すると、各種導入ガスによって生成したプラズマ中の原子状イオンあるいは分子イオンがフッ素系合成樹脂表面に引きつけられイオン注入される。電極形状に沿って負電荷のパルスを印加してイオンを注入するので、樹脂が平板でなく凹凸のある立体形状物でも電界が樹脂の形状に沿って発生し、この表面に対してほぼ直角にアルゴン、水素、酸素または窒素イオンが衝突する。 When a negative charge pulse is applied to these fluorine-based synthetic resins, atomic ions or molecular ions in plasma generated by various introduced gases are attracted to the surface of the fluorine-based synthetic resin and ion implantation is performed. Since ions are implanted by applying a negative charge pulse along the electrode shape, an electric field is generated along the shape of the resin, even if the resin is not a flat plate but an uneven solid shape, and is almost perpendicular to this surface. Argon, hydrogen, oxygen or nitrogen ions collide.
この時フッ素系合成樹脂中のフッ素は一部脱フッ素化して、残ったカーボンラジカルと酸素や窒素イオンと反応物を形成ことができる。さらに分子切断したフッ素系合成樹脂表面はミクロ的な激しい凹凸形状を形成して接着表面積を大きく増大させる。なお、同時にアルゴンや水素イオンもイオン注入されるが、これらはC-F結合の切断に有用であり、分子切断後には基材中のアルゴン、水素は拡散して脱ガスすると見られ、基材の物性をあまり左右されることはないと考えられている。
以下実施例に基づき説明する。
At this time, a part of the fluorine in the fluorine-based synthetic resin can be defluorinated to form a reaction product with the remaining carbon radical and oxygen or nitrogen ions. Further, the surface of the fluorine-based synthetic resin that has been molecularly cut forms a severe microscopic uneven shape and greatly increases the adhesion surface area. At the same time, argon and hydrogen ions are also ion-implanted, which are useful for cutting C—F bonds, and after molecular cutting, argon and hydrogen in the base material are considered to diffuse and degas. It is thought that the physical properties of the are not greatly affected.
This will be described below based on examples.
図1のようなプラズマベースイオン注入装置を用いて、図中に示すように平板電極にPTFE樹脂シート1を10枚に貼り付け、次の条件でプラズマを発生させ表面改質を行いPTFEの表面分析と接着性評価を行った。
Using a plasma-based ion implantation apparatus as shown in FIG. 1, ten
使用材料:PTFE樹脂シート 150×150×1mm
使用ガス種:アルゴン/水素/アンモニアガス
ガス混合比:第1ステップ アルゴン/水素=2/1
第2ステップ 水素/アンモニア=1/2
第3ステップ 酸素/アンモニア=1/2
イオン注入時圧力:0.5Pa〜1.0Pa
注入エネルギー:7keV、12keV、20keV
イオン注入時間:10分、30分
試料印加周波数:2000Hz
Material used: PTFE resin sheet 150 x 150 x 1 mm
Gas type used: Argon / hydrogen / ammonia gas mixture ratio: 1st step Argon / hydrogen = 2/1
Second step Hydrogen / ammonia = 1/2
Third Step Oxygen / Ammonia = 1/2
Pressure during ion implantation: 0.5 Pa to 1.0 Pa
Injection energy: 7keV, 12keV, 20keV
Ion implantation time: 10 minutes, 30 minutes Sample application frequency: 2000 Hz
前記の3条件の注入エネルギーと2条件の表面改質時間で処理を行った。第1ステップではアルゴン/水素ガスを用いて表面のクリーニングを行い、その後高エネルギーで水素/アンモニアガスをプラズマ分解して水素および窒素のイオン注入を行った。その後電圧を下げながら酸素/アンモニアガスを導入して、前記高エネルギーでCF結合が切断された箇所に、酸素やアンモニアガス(窒素)を導入して化学反応させた。導入した酸素は水酸基、カルボニル基、カルボキシル基の生成に、窒素やアンモニアはアミノ基、アンモニウムの生成に寄与することが判っており光電子分光分析で評価を行った。 The treatment was performed with the above three conditions of implantation energy and two conditions of surface modification time. In the first step, the surface was cleaned using argon / hydrogen gas, and then hydrogen / ammonia gas was plasma-decomposed with high energy to implant hydrogen and nitrogen ions. Thereafter, oxygen / ammonia gas was introduced while lowering the voltage, and oxygen and ammonia gas (nitrogen) were introduced into the portion where the CF bond was cut with the high energy to cause a chemical reaction. The introduced oxygen was found to contribute to the formation of hydroxyl groups, carbonyl groups, and carboxyl groups, and nitrogen and ammonia were found to contribute to the formation of amino groups and ammonium, and were evaluated by photoelectron spectroscopy.
図2に本実験条件で得られたPTFEの表面を光電子分光分析により各エネルギーで30分処理した表面の元素含有量を測定した結果を示す。未処理のPTFEはカーボン元素1ヶに対してフッ素元素2ヶであり、元素含有比率は1:2である。しかし表面には僅かな酸素が含まれていた。これに対してPTFEに高エネルギーでイオン注入したサンプルではいずれもフッ素含有量が10〜30まで減少して酸素と窒素元素が増加していることが判る。特に注入エネルギーが12kVの時に窒素含有量が最大であった。 FIG. 2 shows the results of measuring the element content of the surface of PTFE obtained under the present experimental conditions by photoelectron spectroscopy analysis for 30 minutes with each energy. Untreated PTFE has two fluorine elements per one carbon element, and the element content ratio is 1: 2. However, the surface contained a small amount of oxygen. On the other hand, it can be seen that in the samples implanted with high energy into PTFE, the fluorine content decreased to 10 to 30 and oxygen and nitrogen elements increased. In particular, the nitrogen content was maximum when the implantation energy was 12 kV.
PTFE表面に含有している酸素や窒素元素は別途解析した結果、水酸基、カルボニル基、カルボキシル基およびアミノ基、アンモニウム塩が生成されているものと推定されこれらが接着力に大きく影響していると考えられる。これらの化合物は深さ方向にどの程度変化しているか二次イオン質量分析装置を用いて評価した。 As a result of separately analyzing oxygen and nitrogen elements contained on the surface of PTFE, it is estimated that hydroxyl groups, carbonyl groups, carboxyl groups and amino groups, and ammonium salts are generated, and these greatly affect the adhesive strength. Conceivable. To what extent these compounds are changing in the depth direction was evaluated using a secondary ion mass spectrometer.
図3はPTFE表面から深さ方向への窒素濃度分布で、窒素層は150nm付近まで含有していることが判った。この窒素の注入深さは7keVで80nm付近まで、12keVで120nm、20keVで140nmほどイオン注入されていることが判る。このように印加電圧が高い程窒素はPTFE材料中の深くまで入り込み傾斜構造を示していることが判る。 FIG. 3 shows the nitrogen concentration distribution in the depth direction from the PTFE surface, and it was found that the nitrogen layer contained up to about 150 nm. It can be seen that the nitrogen implantation depth is 7 keV up to about 80 nm, 12 keV is 120 nm, and 20 keV is 140 nm. Thus, it can be seen that the higher the applied voltage, the deeper the nitrogen enters the PTFE material, indicating an inclined structure.
さらに、PTFEへの注入エネルギーと処理時間の影響を調査するため、次の評価を行った。図4にPTFEの表面改質前後の電子顕微鏡観察結果を、また表面改質後の水の接触角とその表面粗さ測定結果ならびにPTFEの表面改質前後摩擦係数を測定した。さらにPTFEとゴム材料並びに金属材料との接着性を評価するため、1cm幅でエポキシ接着剤を用いて接着して、それぞれの接着強度を各3点ずつ測定した。 Furthermore, the following evaluation was performed in order to investigate the influence of the injection energy into PTFE and the treatment time. FIG. 4 shows the observation results of the electron microscope before and after the surface modification of PTFE, the contact angle of water after the surface modification, the measurement result of the surface roughness, and the friction coefficient before and after the surface modification of PTFE. Furthermore, in order to evaluate the adhesiveness between PTFE, a rubber material, and a metal material, they were bonded with an epoxy adhesive with a width of 1 cm, and the respective adhesive strengths were measured at three points.
図4の結果から判るように、未処理のPTFEは接触角が大きく、表面粗さは平滑でPTFEとゴムおよび金属とは殆ど接着しないことが判る。これに対して7kV 10分、30分、12kV 10分、30分よよび20kV 10分、30分表面改質したサンプルでは、電子顕微鏡で表面観察したモルホロジーは非常に凹凸のあることが判る。特に12kV処理では凹凸面が粗いことが判った。この表面における水の接触角は50〜60度まで低下し、これにより表面粗さは0.2〜0.4μmまで粗くなっている。この表面における鉄系材料とPTFEとの摩擦係数を測定した結果、数倍の摩擦係数になった。このようなPTFE表面に対するゴムおよび金属との接着性は3〜10kgf/cm2と非常に高く、従来の200倍以上の接着性が得られることが判った。
As can be seen from the results of FIG. 4, untreated PTFE has a large contact angle, a smooth surface roughness, and it is understood that PTFE, rubber and metal are hardly bonded. On the other hand, it is found that the morphology of the surface-modified sample with 7 kV 10 minutes, 30 minutes, 12 kV 10 minutes, 30 minutes and 20 kV 10 minutes, 30 minutes is very uneven. In particular, it was found that the uneven surface was rough in the 12 kV treatment. The contact angle of water on the surface is reduced to 50 to 60 degrees, and thus the surface roughness is roughened to 0.2 to 0.4 μm. As a result of measuring the friction coefficient between the iron-based material and PTFE on this surface, the friction coefficient was several times. The adhesion of rubber and metal to the PTFE surface was as high as 3 to 10 kgf /
また実験例には記載していないが、PFA樹脂に関しても同様の実験、評価を行った結果、10keVエネルギーで130nm付近まで窒素イオン注入が確認され、表面のモルホロジーも激しい凹凸が出きることが判った。このようにフッ素系樹脂の種類を問わずアルゴンまたは窒素のパルスイオン注入とそれに続く低エネルギー表面改質処理が接着性付与技術に不可欠であることが明らかになった。 Although not described in the experimental example, as a result of the same experiment and evaluation with respect to the PFA resin, it was confirmed that nitrogen ion implantation was confirmed up to about 130 nm with 10 keV energy, and the surface morphology was severely uneven. It was. Thus, it became clear that the pulsed ion implantation of argon or nitrogen and the subsequent low energy surface modification treatment are indispensable for the adhesion imparting technique regardless of the type of fluororesin.
以上、説明したように、本発明方法によれば、プラズマベースイオン注入・成膜法を用いて、耐食性タンクの内張材、回転ローラー表面、気密パッキン表面、各種粘着防止ロール、シート等のフッ素系合成樹脂の表面を、金属やセラミックス、他の高分子樹脂と接着するために表面粗化して接着性付与するため、アルゴンまたは窒素、アンモニアイオン注入を行い、さらに低エネルギーで表面改質層を形成することにより、フッ素系合成樹脂と他材料との優れた接着性物品及びその表面改質方法を提供できることが判った。 As described above, according to the method of the present invention, the plasma-based ion implantation / film formation method is used to fluorinate corrosion resistant tank lining material, rotating roller surface, airtight packing surface, various anti-adhesion rolls, sheets and the like. In order to roughen the surface of the synthetic resin to adhere to metals, ceramics, and other polymer resins to give adhesion, argon, nitrogen, or ammonia ion implantation is performed, and a surface modification layer is formed with low energy. It has been found that, by forming, an excellent adhesive article between the fluorine-based synthetic resin and another material and a surface modification method thereof can be provided.
また、本発明のフッ素系合成樹脂表面を優れた接着性表面に変化させる技術は、フッ素系合成樹脂に限らず、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチルビニルアセテート、シクロヘキリルポリオレフィン等のオレフィン系ポリマーに対しても有効であり、耐食性、耐熱性、撥水性、離型性、成形加工性等の特徴を生かしながら半導体部材分野、食品加工装置分野、医療機器および医療装置部材分野などの機能性向上など幅広い分野へ応用可能である。 In addition, the technology for changing the surface of the fluorine-based synthetic resin of the present invention to an excellent adhesive surface is not limited to fluorine-based synthetic resins, but for olefin-based polymers such as polyethylene, polypropylene, polyethylvinyl acetate, and cyclohexyl polyolefin. Is also effective, and has a wide range of fields such as improving the functionality in the fields of semiconductor materials, food processing equipment, medical equipment and medical equipment while taking advantage of features such as corrosion resistance, heat resistance, water repellency, mold release, and moldability It is applicable to.
1 フッ素系合成樹脂シート
2 架台
3 真空チャンバー
4 排気装置
5 炭化水素ガス導入口
6 有機金属ガス導入口
7 高電圧負パルス電源
8 高周波(RF)電源
9 高電圧用フィードスルー
10 絶縁碍子
11 重畳装置
シールドカバー
1 Fluorine-based synthetic resin sheet
2 frame
3 Vacuum chamber
4 Exhaust device
5 Hydrocarbon gas inlet
6 Organometallic gas inlet
7 High voltage negative pulse power supply
8 RF power supply
9 Feedthrough for high voltage
10 Insulator
11 Superimposing device shield cover
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Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009263529A (en) * | 2008-04-25 | 2009-11-12 | Nippon Valqua Ind Ltd | Method for modifying surface of fluororesin-based molding |
WO2010131372A1 (en) * | 2009-05-15 | 2010-11-18 | 日本バルカー工業株式会社 | Process for surface modification of fluororesin moldings |
EP2546289A4 (en) * | 2010-08-04 | 2014-06-25 | Sumitomo Rubber Ind | PROCESS FOR PRODUCING MODIFIED SURFACE FLUORINATED RESIN FILM, PROCESS FOR PRODUCING RUBBER COMPOSITE, AND RUBBER ARTICLE FOR MEDICAL USE |
JP2015189206A (en) * | 2014-03-28 | 2015-11-02 | 大日本印刷株式会社 | Fluororesin laminated film |
WO2016063757A1 (en) * | 2014-10-21 | 2016-04-28 | 住友電工プリントサーキット株式会社 | Resin film, printed wiring board cover lay, printed wiring board substrate, and printed wiring board |
JPWO2016151747A1 (en) * | 2015-03-24 | 2017-12-14 | 三菱重工業株式会社 | Impeller cover, rotating machine, and method of manufacturing impeller cover |
JP2019108497A (en) * | 2017-12-19 | 2019-07-04 | 日本ゼオン株式会社 | Manufacturing method of heat conductive sheet |
CN114026027A (en) * | 2019-06-21 | 2022-02-08 | Dic株式会社 | Fluorine resin cover and method for producing the same |
CN117467929A (en) * | 2023-12-28 | 2024-01-30 | 核工业西南物理研究院 | Surface metallization treatment method for high polymer material |
-
2007
- 2007-01-18 JP JP2007008858A patent/JP2008174791A/en active Pending
Cited By (18)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009263529A (en) * | 2008-04-25 | 2009-11-12 | Nippon Valqua Ind Ltd | Method for modifying surface of fluororesin-based molding |
WO2010131372A1 (en) * | 2009-05-15 | 2010-11-18 | 日本バルカー工業株式会社 | Process for surface modification of fluororesin moldings |
EP2546289A4 (en) * | 2010-08-04 | 2014-06-25 | Sumitomo Rubber Ind | PROCESS FOR PRODUCING MODIFIED SURFACE FLUORINATED RESIN FILM, PROCESS FOR PRODUCING RUBBER COMPOSITE, AND RUBBER ARTICLE FOR MEDICAL USE |
US9162427B2 (en) | 2010-08-04 | 2015-10-20 | Sumitomo Rubber Industries, Ltd. | Method for manufacturing surface-modified fluororesin film, method for manufacturing rubber composite, and rubber product |
JP2015189206A (en) * | 2014-03-28 | 2015-11-02 | 大日本印刷株式会社 | Fluororesin laminated film |
US20170327630A1 (en) * | 2014-10-21 | 2017-11-16 | Sumitomo Electric Printed Circuits, Inc. | Resin film, coverlay for printed wiring board, substrate for printed wiring board, and printed wiring board |
JP2016079346A (en) * | 2014-10-21 | 2016-05-16 | 住友電工プリントサーキット株式会社 | Resin film, coverlay for printed wiring board, substrate for printed wiring board and printed wiring board |
CN107075156A (en) * | 2014-10-21 | 2017-08-18 | 住友电工印刷电路株式会社 | Resin film, printed substrate coating, printed substrate substrate and printed substrate |
WO2016063757A1 (en) * | 2014-10-21 | 2016-04-28 | 住友電工プリントサーキット株式会社 | Resin film, printed wiring board cover lay, printed wiring board substrate, and printed wiring board |
CN116606473A (en) * | 2014-10-21 | 2023-08-18 | 住友电工印刷电路株式会社 | Resin film, cover layer for printed wiring board, substrate for printed wiring board, and printed wiring board |
JPWO2016151747A1 (en) * | 2015-03-24 | 2017-12-14 | 三菱重工業株式会社 | Impeller cover, rotating machine, and method of manufacturing impeller cover |
US20180045211A1 (en) * | 2015-03-24 | 2018-02-15 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Impeller cover, rotary machine, and impeller cover manufacturing method |
US10683870B2 (en) | 2015-03-24 | 2020-06-16 | Mitsubishi Heavy Industries Engine & Turbocharger, Ltd. | Impeller cover, rotary machine, and impeller cover manufacturing method |
JP2019108497A (en) * | 2017-12-19 | 2019-07-04 | 日本ゼオン株式会社 | Manufacturing method of heat conductive sheet |
JP7172031B2 (en) | 2017-12-19 | 2022-11-16 | 日本ゼオン株式会社 | Method for manufacturing thermally conductive sheet |
CN114026027A (en) * | 2019-06-21 | 2022-02-08 | Dic株式会社 | Fluorine resin cover and method for producing the same |
CN117467929A (en) * | 2023-12-28 | 2024-01-30 | 核工业西南物理研究院 | Surface metallization treatment method for high polymer material |
CN117467929B (en) * | 2023-12-28 | 2024-03-26 | 核工业西南物理研究院 | A kind of surface metallization treatment method of polymer materials |
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