JP7646680B2 - プラズマコーティングによって表面の接着特性を変えるための方法 - Google Patents
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Description
多くの工業用途において、材料の表面特性を変える必要がある場合がある。表面が有する1つの具体的な特性は、別の表面に接着する際の強度である。他方の表面は、同じ材料で作られていてもよく、または、別の材料で作られていてもよい。グルー用途などのいくつかの用途においては、2つの表面の間の接着を増大させる必要がある場合がある。他の用途においては、たとえばくっつきを回避したりまたは水もしくは油性物質を排出したりするために、2つの表面の間の接着を低減する必要がある場合がある。
・廃棄物量が多く、その結果として、環境に大きなストレスをかける
・コーティングの均質性および等角性が常に望み通りとなるわけではない
・1マイクロメートル以上の厚いコーティングが望ましくない場合がある
最近数十年間に盛んになったコーティング技術は、プラズマコーティングである。これによれば、基板の表面にコーティングを形成するための前駆体を、少なくとも部分的に、プラズマ状態とし、このプラズマ化した前駆体に、基板の表面をさらす。その結果、前駆体は、基板との間に強い接合を形成および/または物質分子同士の間に架橋を形成し得て、これによってできたコーティングは、薄いながらも耐久性が非常に高く、均質で、等角性を有するものとなり得る。前駆体が重合性モノマーである場合には、基板の表面上で直接、重合が生じ得る。
本発明は、請求項1に記載の、コーティングによって基板の表面の接着特性を変えるための方法に関する。プラズマガスとして不活性ガスを使用すれば、温度が上昇したとしても、プラズマガスと機器との、プラズマガスの分子間での、反応が起こらないことが本質的に保証される。また、実際のところ、反応が起こらないことによって、プラズマ温度を低く保つことができるようである(たとえば50℃未満、好ましくは室温周辺)。プラズマが低温であることによって、多様な材料から作られる基板の処理が可能となる。さらに、これによって、形成されるコーティングおよびその接着特性をより良好に制御することが可能となる。理論に拘束されるものではないが、本発明者らは、プラズマガス中に反応性ガスが存在しないことにより、基板の表面におけるプラズマガスとの化学反応が全くまたはほとんど生じず、したがって接着特性をより良好に制御できるのではないかと考える。また、プラズマガスが窒素(N2)である場合、または主にN2からなる場合には、本発明の実施形態におけるプラズマに印加される低い電力の結果として、得られるコーティング中に窒素がほとんどまたは全く組み込まれないと考えられる。この点は、プラズマガスとしてのたとえばO2、NH3、またはCH4の使用とは著しい対照をなしており、後者はいずれも反応性ガスとみなされ、いずれもプラズマガスのコーティング中により多くの痕跡を残すと考えられるため、接着特性の制御不能が導かれ得る。
・酸素に富むプラズマ環境において、より好ましくは空気もしくはCO2もしくはその他の酸素含有種を使用して、
・プラズマガスイオン化工程a)中に使用する電力よりも高い電力において、および/または
・化学的前駆体を添加せずに、行なう。
・酸素の非存在下において、N2、Ar、もしくはHe(もしくはこれらの混合物)などの不活性プラズマガスを使用して、
・プラズマガスイオン化工程a)中に使用する電力よりも低いプラズマ電力で、および/または
・化学的前駆体を添加せずに、行なう。
本発明は、コーティングによって基板の表面の接着特性を変えるための方法であって、
a)低温および大気圧においてプラズマガスをイオン化することによってプラズマを発生させる工程と、
b)当該プラズマ中に前駆体を導入する工程と、
c)当該前駆体を備える当該プラズマに基板の表面をさらすことによって当該表面上にコーティングを形成する工程とを含み、
当該プラズマガスは本質的に不活性ガスのみからなり、当該コーティングは表面の接着特性を変える、方法に関する。
実施形態において、当該不活性ガスは貴ガス、好ましくはArまたはHeである。他の実施形態において、不活性ガスは非貴ガス、好ましくはN2である。さらに他の実施形態において、不活性ガスは、不活性ガスの(たとえば貴ガスおよび/または不活性の非貴ガスなどの)ガス混合物である(たとえば、He、Ar、および/またはN2のガス混合物)。
・基板の表面に共有結合。
(i)この機能性は、硬化性でありかつ「反応性」である接着剤またはトップコートとの硬化反応に参加できる反応性官能基であってよい。たとえば、エポキシ-アミングルーもしくはトップコートの場合における第1級アミンもしくはエポキシ、または、グルーもしくはトップコートとしてのPU樹脂の場合におけるヒドロキシルもしくはイソシアネートである。このような用途においては、塗工されたコーティングによって表面とグルーまたはトップコートとの接着が増大し、これを、さらに、基板を別の部品に付着させるために使用することができる。
明確な繰り返し単位を有する重合性類似体と比較して、プラズマ堆積膜は本質的に不均一である。これは、重合体主鎖中の主炭素鎖に加えて、その他の元素(導入した前駆体に由来)が組み込まれている可能性があることを意味する。
プラズマ堆積膜の膜成長段階において、成長中の膜自体の表面上に、ラジカル部位も発生する。こうしたラジカル部位は無作為に発生し、架橋の形成が導かれる。
十分に機能性であるプラズマ堆積膜は、この膜が架橋性であるために、分子量が大きい(従来の熱硬化性物質に匹敵)。プラズマプロセスの処理領域ではO2の存在を避ける必要があるということが留意されなければならない。著しい量のO2(100ppmを超える)が存在すると、ラジカル再結合反応が停止し得て、可塑性作用を有する低分子量の断片がプラズマ堆積膜中に存在するようになり得る。よって、最も好ましい実施形態においては、プラズマガスは、多くて0.01体積%のO2を備える。
プラズマ堆積膜の架橋性および高分子量のために、この膜の耐久性は、従来のプライマーと比較して大幅に向上している。概して、プラズマ堆積プロセスと接着剤またはトップコートの塗工との間の時間を最も短くて6か月まで延長できるかどうかを試験した。
プラズマ堆積プロセスの後、得られる膜は、これに続く乾燥工程を全く必要としない。また、これに続く硬化工程は、必要ではないが、膜の分子量の改善を導く可能性がある。
*汎用品(たとえば、PE、PP、PVC、PS、EPDM、ポリオレフィンなど)
*エンジニアリング熱可塑性物質(たとえば、PET、PBT、PMMA、PC、PES、ポリアミド、アラミド、アクリロニトリルスチレンアクリレート(ASA)、アクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)など)
*フッ素化ポリマー(たとえば、PTFE、PVDF、フッ素化エチレンプロピレン(FEP)など)
*生分解性ポリマー(たとえば、PLA、PCLなど)
*架橋ポリマー(たとえば、エポキシ-アミン、ポリウレタン、シリコーンなど)
*炭素繊維
*水溶性ポリマー(PEG、ポリビニルピロリドン(PVP)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリアクリル酸(PAA)、ポリアクリルアミド、ジビニルエーテル-無水マレイン酸(DIVEMA)、ポリオキサゾリン、ポリリン酸塩、ポリホスファゼンなど)
・天然材料:レーヨンまたはビスコース、多糖、キトサン、コラーゲン、タンパク質、キサンタンガム、ペクチン、デキストラン、カラギーナン、グアーガム、ヒアルロン酸(HA)、革など
・金属:金、銀、鉄、真鍮、鉛、鉄、銅、錫、ステンレス鋼、アルミニウム、亜鉛など(あらゆる可能な合金を含む)
・セラミックス:ガラス、シリコンウェハ、金属酸化物(たとえば、Al2O3、ZnOなど)、炭化物(たとえば、SiC、炭化チタンなど)、窒化物(たとえば、Si3N4など)
好ましい実施形態において、基板は、下記に記載されるもののうちの任意のもの、またはこれらの任意の組み合わせを備える。
ならびに、共押出ししたPA6およびPBT、共押出ししたPBTおよびPC、共押出ししたASAおよびPC、共押出ししたPCおよびABSなどの、上述されるものの組み合わせ
・ガラスおよび/またはエナメル、ガラス繊維、寸法未分類ガラス繊維などのセラミック材料
・合金、より好ましくはスチール、低スズめっきスチール(low-tinned steel、LTS)などの金属材料
本発明において使用される前駆体は、好ましくは、有機前駆体である。接着の増大が望まれる場合には、前駆体は、好ましくは、ヒドロキシル官能基、アミン、第1級アミン、イソシアネート、および/もしくはエポキシ官能基のうちの任意のもの、またはこれらの任意の組み合わせを備える。好ましい一実施形態において、前駆体は、下記の表中に示される下記の物質のうちの任意のものを備える。
本発明を、強化材料、特にタイヤコードまたはタイヤコードファブリックを製造するために適用することができ、ここで、テキスタイルコードを提供し、当該テキスタイルコードを、大気プラズマと有機前駆体(好ましくは本発明に係るポリイソシアネートを備える)との組み合わせによって処理して、プラズマ処理により改変された当該コードの表面上にグラフト化し、その結果、マトリックスを備えるラテックス/ゴムに対する接着能力が増大し、このようにして処理したコードを、次いで、ラテックス/ゴムマトリックスと接触させる。
以下に記載される市販のコード材料を、本発明に従って処理した:ポリエステル(3340×2dtex)、アラミド(1670×2dtex)。
PA6基板と1成分(1K)PUグルーとの間の接着は、本発明に係る方法で、前駆体として(3-アミノプロピル)トリエトキシシラン(CAS 919-30-2)および/または4,4’-メチレンビス(フェニルイソシアネート)(CAS 101-68-8)を使用して当該基板を処理することによって、改善するようであった。ストレス試験から、破壊は凝集破壊、すなわち異なる成分中における破壊であって、基板とグルーとの間の接着によるものではないことが示された。
Claims (13)
- コーティングによって、第2の表面に対する、基板の表面の接着特性を変えるための方法であって、
a)大気圧においてプラズマガスをイオン化することによって、高くても50℃のプラズマ温度を有するプラズマを発生させる工程と、
b)前記プラズマのプラズマガス残光中に前駆体を導入する工程と、
c)前記前駆体を備える前記プラズマに前記基板の表面をさらすことによって前記表面上にコーティングを形成する工程と、
d)前記コーティングを備えた前記基板をラテックスを含む浸漬浴中に浸漬させる工程とを備え、
前記プラズマガスは本質的に不活性ガスのみからなり、
前記コーティングは前記表面の接着特性を変え、
前記基板はプラズマゾーン内にないおよび/またはプラズマゾーンを通過せず、前記プラズマゾーンはプラズマが誘導されるゾーンである、方法。 - 前記前駆体は、前記コーティングによって前記表面の接着を増大させるように選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記前駆体はエアロゾルとしてまたはガスとして導入される、請求項1~2のいずれか1項に記載の方法。
- 前記プラズマガスは不活性ガスを少なくとも99体積%備える、請求項1~3のいずれか1項に記載の方法。
- 前記プラズマガスはO2を多くて1体積%備える、請求項1~4のいずれか1項に記載の方法。
- 前記不活性ガスは貴ガスである、請求項1~5のいずれか1項に記載の方法。
- 前記不活性ガスは非貴ガスである、請求項1~5のいずれか1項に記載の方法。
- 前記プラズマ温度は、高くて50℃である、請求項1~7のいずれか1項に記載の方法。
- 前記プラズマガスは電極によってイオン化される、請求項1~8のいずれか1項に記載の方法。
- 前記基板は工程c中に動く、請求項1~9のいずれか1項に記載の方法。
- 前記基板は工程c中に静止している、請求項1~9のいずれか1項に記載の方法。
- 前記基板は、前記前駆体を備えるプラズマにさらされるよりも前に、プラズマ前処理工程に供される、請求項1~11のいずれか1項に記載の方法。
- 前記前駆体は、ヒドロキシル官能基、アミン、第1級アミン、イソシアネート、および/もしくはエポキシ官能基のうちの任意のもの、またはこれらの任意の組み合わせを備える、請求項1~12のいずれか1項に記載の方法。
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