物質の第4の状態について

私たちは日常生活の中で、固体、液体、気体という通常の3つの物質の状態に遭遇します。しかし、いわゆる物質の第4の状態であるプラズマについては、私たちの宇宙の目に見える物質の99%がプラズマでできているにもかかわらず、ほとんど知られていません。さらにあまり知られていないのは、プラズマを人工的に作り出すことができ、さまざまな用途があるという事実です。接合、塗装、印刷、コーティングなどの下流工程での材料洗浄と表面前処理の分野におけるこの万能の存在が持つ可能性は大きく、自動車工学、eモビリティ、輸送、電子機器製造、包装技術、消費財、生命科学、繊維、新型エネルギーなど、多くの産業とその工程で不可欠なものとなっています。

 

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プラズマとは一体何なのか? 表面のプラズマ プラズマの特性

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プラズマとは一体何なのか?

物質の状態とは、温度と圧力に依存する物質の質的状態のことです。原子結合は温度が上がると不安定になります。物質は第一の状態から第二の状態へ、そして第三の状態へと移行することができます。つまり、固体が液体になり、液体が気体になります。気体がより多くのエネルギーを受けると、電子を放出してイオン化します。プラズマは、イオン、自由電子、励起分子、ラジカル、分子断片を含む電離ガスです。プラズマは宇宙のどこにでも存在します。

太陽、ガス雲、恒星、銀河など、目に見える物質はほとんどすべてプラズマでできています。自然界では、太陽風のプラズマに励起された地球大気の分子が緑、青、赤、紫に輝くオーロラという形でプラズマを観測することができます。プラズマは火花、稲妻、炎の中にも存在します。また、円筒形または管状のチャンバー内で強力なガス放電を行うことで、実験室で人工的に生成することも可能です。これらの放電は高温を引き起こし、あらゆる物質を蒸発させ、中性の原子や分子をイオン化してイオンと自由電子を作り出します。

表面上のプラズマ:無数の新しい特性

プラズマは、特に電気伝導率が高いという特徴がある、高くて不安定なエネルギー準位を持つ物質です。化学的には、プラズマは非常に反応性が高く、表面、液体、微生物と相互作用する可能性があります。プラスチック、ガラス、金属などの固体素材と接触すると、例えば疎水性から親水性へと、表面エネルギーが変化します。そのため、表面の接着性や濡れ性など、重要な表面特性が変化します。それにより、全く新しい材料 (無極性材料も含む)、環境に優しい溶剤不使用 (揮発性有機化合物不使用) 塗料や接着剤を、工業用として使用することができます。今日では、化学的表面処理プロセスの多くが、プラズマ処理に入れ替えることができます。プラズマ技術を使えば、溶剤 (揮発性有機化合物) やCO2を排出することなく、環境にやさしい方法で表面を前処理することができます。プラズマ技術を使用する場合、化学薬品、プライマー、接着促進剤は必要ありません。

プラズマの特性評価

プラズマの特性評価を行う際に特に重要となる測定変数としては、電子温度と、エネルギーを与えることで励起状態になっている種類の紫外線・可視光域における発光が挙げられます。

プラスチックは温度による影響を非常に受けやすいのですが、ダメージを与えることなく大気圧下で前処理を施すには、電子温度が高く、イオン温度が低いプラズマが必要となります。

発光分析装置(OES)を利用すれば、プラズマの緩和*による発光現象(光学発光)を検出することができます。可視光域、および特に紫外線域における種固有の輝線スペクトルは、光ファイバーを通じて評価電子機器に送信され、専用ソフトウェアで解析されます。プラズマトリートシステムのプロセスモニタリングコンポーネントは、光学モニタリングの原理に基づいて作動します。これにより、プラズマプロセス全体の品質を一定に保つことができるのです。

* 緩和:基底状態へのプラズマの遷移。このプロセスでは、エネルギーが与えられ励起状態にある電子がもとの準位に戻るときに光を大気中に放射します。

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プラズマが表面と出会うとき、新たな特性が出現する

プラズマは、高くて不安定なエネルギー準位の物質であり、特に電気伝導性が高いことが特徴です。化学的には、プラズマは非常に反応性が高く、表面、液体、微生物と相互作用する可能性があります。プラズマがプラスチックや金属などの固体材料と接触すると、印加されたプラズマエネルギーが表面エネルギーなどのこれらの表面の重要な特性を変化させます。

 

この表面改質は、的を絞った方法で使用することができます:

金属やガラスの超微細洗浄の例: プラズマが金属やガラスに当たると、超微細洗浄が行われます。非常に敏感な表面でも、望ましくない物質を完全に取り除くことができます。プラズマによってきめ細かく洗浄することにより、処理された基材から微細なダスト粒子まで除去できます。ナノレベルの化学物理反応を利用すれば、精密な設計を施した表面を高品質で生成することができます。これはさらなる加工のための最良の前提条件となります。接合、コーティング、ニス塗り、印刷の前に表面をきめ細かく洗浄することで、最新の無溶剤または水性システムの使用が可能になります。化学的なプライマーやブラッシングなどの機械的な処理による追加の前処理は、完全に省くことができます。つまり、生産時にVOC(揮発性有機化合物)の排出を避けることができます。大気圧プラズマによる洗浄もドライプロセスです。工業プロセスでは、すべての材料を即座に処理できるという大きな利点があります。その結果、膨大な時間を節約できます。

 

表面が活性化され、プラスチックの濡れ性が向上する例: プラズマによる前処理では、プラズマがさまざまなプラスチックと接触すると、材料表面の特性を変えます:酸素・窒素含有基は、プラズマとの接触によって、ほとんどが無極性のプラスチックの表面に導入されます。これは表面エネルギーを著しく増大させ、いわゆる活性化が起こります。これにより、基材の濡れ性が大幅に改善され、ひいては接着の向上につながります。そのため、接着剤、塗料、ラッカーは、火炎処理や環境に有害な化学薬品を使用するなどの従来の前処理を行うことなく、前処理された表面にはるかによく、より耐久性よく付着します。

この表面改質には興味深い用途があります:

プラズマクリーニング

プラズマによる超微細洗浄は、基材に付着した微細な埃の粒子を除去することができます。ナノレベルの化学物理反応により、さらなる加工に最適な、正確に定義された表面が形成されます。

表面活性化

さまざまなプラスチックをプラズマで前処理することで、表面特性を変えることもできます。プラズマと接触すると、ほとんどが無極性のプラスチックは酸素・窒素含有基を獲得します。

プラズマコーティング

プラズマ技術のもうひとつの応用分野は、表面への極薄コーティングの製造です。有機ケイ素化合物をプリカーサーとしてプラズマに添加し、材料表面に堆積させます。

工業用プラズマ前処理

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高電圧プロセス

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