JP3207675U - 基材の表面上を親水性とする作成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ処理をした時に、基材の表面に何らの影響を与えず、材料の両面上の汚れによる疎水性面を除去して表面上を親水性に改質する基材の作成装置を提供する。【解決手段】装置１００は、真空チャンバー１、真空チャンバー内の真空室内に、上下に離間されて設置された一対の電極４、試料台５、電極４に接続された交流電源６、排気用の真空ポンプ１０、ガス排出路１１及びグランドに真空チャンバーを設置するアース１２とから構成される。雰囲気ガス源及びその導入路が設けられるようにしてもよい。真空チャンバー１は、その側面である絶縁側壁２がガラス材などの絶縁材で構成され、その内部に真空室３が形成され、真空室３に保持された雰囲気ガスによって雰囲気が形成される。真空室３に形成される雰囲気は、低真空２０Ｐａ前後の真空度とされ、温度は、常温とされ、雰囲気ガスとして空気あるいは酸素ガス等の酸素を含んだガス、例えば空気が用いられる。【選択図】図２

Description

本考案は、基材の表面上を親水性とする作成装置に関する。

基材の表面上の付着した疎水性面を親水性に改質することがなされる。基材の表面上に油脂・接着剤・塗料を含めた汚れによって疎水性表面が付着される。親水性に改質するには水酸基やカルボキシル基などの親水基が重要な役割を担っていることが知られている。

特許文献１には、プラスチック表面を、アルゴンガス中でプラズマ処理を行った後に、アルゴン/酸素混合ガス中でプラズマ表面処理を行うという２段階処理によって、長い時間、親水性を保持できることが記載されている。

特許文献２には、酸素ガスを含む雰囲気中でプラズマ放電を行うことで、疎水性樹脂フイルム表面を親水化処理する方法が記載されている。

特許文献３には、コンタクトレンズの表面を親水性処理することが記載されている。

特許文献４には、電極の形状が、メッシュ形状、螺旋形状、スリット形状又は穴あき形状にされることが記載されている。被処理基材の改質や成膜など表面処理が必要な面と直接接触しないようカソード電極を配置し、かつカソード電極に−２ｋV〜−２０ｋVのパルス状のDC電圧を印加することが記載されている。

特許文献５には、真空チャンバ内で発生したガスイオンを照射することによって基材の表面をクリーニングするイオンボンバード装置が記載されている。

特許文献６には、交流電源によってフィラメントを加熱して電子を放出させることが記載されている。

非特許文献１には、金属材料表面を親水化する手法として、「水熱処理」「紫外線照射」「プラズマ照射」する手法がよく知られているが記載されている。これらの手法による親水化の原理は、金属材料表面に吸着して材料表面を疎水性にしている有機物質（ハイドロカーボン）を除去することにより、表面を親水性にするというものであることが記載されている。

特開２００３−３４２４００号公報 特開２００２−２２６６１６号公報 特許第４６８４７２５号公報 特開２０１２−３８７２３号公報 特開２０１４−１５２３５６号公報 特開５９−１９３２７号公報

名大工・材料・表界面RGホームページ ２０１６／０５／１８

サンプルを基材上に形成する作成方法において親水処理は頻繁に使用される。基材表面上は、ほとんどの場合、撥水性であるので、液を乗せると液は玉状になってしまう。この状態だと、サンプルは乾燥後、基材表面上にドーナッツ状にくっついた状態になり、以後の処理ができなくなる。このようなケースとして、SEMで赤血球を観察する場合がある。

SEMで赤血球を観察する場合などでは、サンプルを基材上に形成する場合、基材形状は、平板上であり、平板状であれば済む。物品の表面に印刷を施す場合などがある。物品が平板上ではなく、円筒状その他の複雑な形状を呈する場合には、平板の基材とは異なって、両面に渡っての処理が求められることになる。

特許文献１には、アルゴン/酸素混合ガス中でプラズマ表面処理を行うことが記載されているが、プラズマ表面処理されるのはプラスチックであって、材料表面に付着、すなわち吸着された疎水物質による汚れ処理について記載していない。

非特許文献１には、材料表面に吸着されて材料表面上を疎水性にしている有機物質（ハイドロカーボン）を除去することで、親水性にすることができることを記載しているが、基材両面上の汚れによる疎水性面を両面上に渡って親水性面に改質することについて記載していない。

特許文献２には、樹脂性フイルム表面自体を親水性に改質することが記載され、特許文献３には、コンタクトレンズの表面を親水性処理することが記載されているが、表面上の疎水性物質を除去することについては記載されていない。

特許文献４には、メッシュ金属で電極を形成するものであるが、カソード電極に−２ｋV〜−２０ｋVのパルス状のDC電圧を印加するものであり、基材両面上の汚れによる疎水性面を両面上に渡って親水性面に改質することについて記載していない。

特許文献５には、基材の表面をクリーニングするイオンボンバード装置が記載されているが、直流電源が使用され、アノード電流又は電圧を設定して使用しており、材料の両面上の汚れによる疎水物質を除去して表面上を親水性に改質することを記載していない。

特許文献６には、交流電源を用いて、電子を放出することが記載されているが、直流電源によって負電圧を印加し、イオンボンバードを行っており、材料の両面上の汚れによる疎水物質を除去して表面上を親水性に改質することを記載していない。

本考案は、かかる点に鑑みプラズマ処理をした時に、基材の表面に何らの影響を与えず、原形表面形態を維持し、材料の両面上の汚れによる疎水物質を除去して表面上を親水性に改質することを目的とする。

疎水性とは撥水性とも呼び、水を乗せた際に水滴が表面張力によって玉状になって弾き易くなった状態をいう。一方、親水性とは、水を乗せた際に水滴がなじんで広がり易い状態をいう。

親水化処理の方法は、非特許文献１にも記載されているが、界面活性剤法、シリコン酸化膜・酸化チタン・ガラスコーテイング法、紫外線照射法、イオン・ボンバード（Ion Bonbard）法が知られている。この手法による親水化の原理は、金属材料表面に吸着して材料表面を疎水性にしている油脂類、有機物質（ハイドロカーボン）を除去することにより、表面を親水性にするというものであることが報告されている。本考案は、この手法を採用したプラズマ処理によって構成される。プラズマ処理は、高圧電源を用いて、電極と呼ばれるロッドから出るプラズマビームで材料表面の分子を解離、励起させることにより素材自体を官能状態にさせて表面改質を行う技術としてよく知られている。官能状態にある時は、表面の分子自体が官能状態にあるので、OやHを取り込みやすい状態になるといわれている。

本考案は、具体的には、
プラズマ原料ガスを真空チャンバーに導入し、真空チャンバー内で、プラズマイオンを形成し、表面上に疎水性汚れの付着した基材の表面上を処理して親水性に改質する、表面上が親水性とされた基材の作成装置において、
基材が、絶縁材を介して開口が１．０ｍｍ以上の金属メッシュで支持され、
プラズマ原料ガス源に酸素ガスあるいは酸素ガスを含んだガスが用いられ、
プラズマ発生源に、４５０−５５０Vの低電圧及び０(０を含まず)〜５０ｍＡの低電圧で低電流の交流電源が備えられて、
プラズマイオン雰囲気を形成する真空チャンバーが形成されるものであって、
双方向性の基材が、その上下表面を、双方向性のプラズマイオン雰囲気中に露出するようにして、前記真空チャンバー内に配置され、酸素イオンが、基材の上下面上に付着した、油類あるいは有機物質からなる疎水性汚れに対する化学反応作用で疎水性汚れを除去し、表面上を親水性に改質すること
を特徴とする表面上が親水性とされた基材の作成装置を提供する。

本考案によれば、基材の上下表面を該プラズマイオン雰囲気中に露出させ、基材に対して双方向からプラズマイオンを作用させて、基材の上下面上に付着した疎水性汚れを除去し、表面上を親水性に改質することを特徴とする表面上が親水性とされた基材の作成方法
が提案され、また基材の表面上の全体が均一な親水性であることを特徴とする基材が提案される。

このように、プラズマ処理をした時に、基材の表面に何らの影響を与えず、材料の両面上の汚れによる疎水物質を除去して処理前原形表面形態を維持し、表面上を親水性に改質することが出来る。

本考案の原理を説明する図。 本考案の実施例である金属系基材の作成装置１００の概略を示す側面断面図。 図１の試料台の拡大された上視図。

以下、本考案の実施例について図面に基づいて説明する。

図１は、本考案の原理を説明する図である。図１（a）は、酸素イオンのプラズマイオン（ガスイオン）が飛びかう状況を示す図であり、図２（ｂ）は、ネジの周囲に付着した疎水性汚れを除去し、表面上が親水性に改質されることを示す図である。

図１（a）において、真空チャンバー１内に、一対の電極（Erectrode）４，５を有し、プラズマ原料ガスに酸素ガスあるいは酸素ガスを含んだガスを用い、プラズマ発生源に、引用文献２に示されるような被処理材である基材表面自体の改質や表面上への成膜に採用される数ｋV電圧に比して低電圧の交流電源を用い、真空チャンバー内にプラズマイオン雰囲気を形成し、基材２０の上下表面をプラズマイオン雰囲気中に露出させ、基材２０に対して双方向から酸素イオンのプラズマイオンを作用させて、基材２０の上下面上に付着した疎水性汚れを除去し、表面上を親水性に改質することがなされる。この例の場合、基材２０として、ネジが用いられた。低電圧の交流電源を用いることで、基材２０に対する局部的浸食が防止される。図１に関して、以下、ネジ２０と称する。

プラズマ原料ガスに空気を用いることが出来る。空気を用いた場合、プラズマイオンの主役は窒素イオンであるが、同時に酸素がイオン化され、活性化した酸素イオンが油脂類、有機物質を分解する。

ネジ２０は、多孔性の支持部材２１によって支持され、上下表面をこのプラズマイオン雰囲気中に露出させる。プラズマイオンは、多数形成された孔２２をすり抜けて双方向に飛び交う。多孔性の支持部材でなくても、ネジ２０をプラズマイオン雰囲気中に露出させる手段であればよい。

図１（ｂ）において、基材であるネジ２０をプラズマイオン雰囲気中に露出させ、ネジ２０の上下表面に対して双方向から、すなわちネジ２０の周囲面に対して多方向から酸素イオンのプラズマイオンを作用させる。直流電源の場合、プラズマイオンは、陽極から陰極に向けて引き寄せられるのみで、一方的な流れとなり、流れに向けられた一方側の表面に付着した疎水性の汚れが除去される。本例の場合、ネジ２０の上下面上に付着した疎水性の汚れである油脂類、有機物質（ハイドロカーボン）が酸素イオンのプラズマイオンの作用によって除去され、上下表面上が親水性に改質される。付着している疎水物質をプラズマイオンの酸素イオンの化学反応作用で取り除く。プラズマイオンの衝撃で取り除く。

これによって、油脂類、有機物質によるグリッドメッシュやコロジオン支持膜、カーボン支持膜など、水をはじき易い疎水物質が付着されたネジ２０の周囲表面上を水となじむ親水性にすることが出来る。

以上のように、プラズマ発生源に、被処理材である基材の改質や成膜に採用される電圧あるいは電流による処理ネネルギー比して低処理ネネルギーを発する交流電源を用いて、真空チャンバー内に、双方向性のプラズマイオンになる雰囲気を形成し、基材の上下表面を該プラズマイオン雰囲気中に露出させ、基材に対して双方向からプラズマイオンによる化学反応させて、基材の上下面上に付着した疎水性汚れを除去し、表面上を親水性に改質する。

図２は、本考案の実施例である表面上が親水性とされた基材の作成方法を実施する表面上が親水性とされた基材の作成装置１００（以下、装置１００という）の概略を示す。

装置１００は、真空チャンバー１、真空チャンバー内の真空室内に、上下に離間されて設置された一対の電極４、試料台５、電極４に接続された交流電源６、排気用の真空ポンプ１０、ガス排出路１１及びグランドに真空チャンバーを設置するアース１２とから構成される。雰囲気ガス源及びその導入路が設けられるようにしてもよい。

真空チャンバー１は、その側面である絶縁側壁２がガラス材などの絶縁材で構成され、その内部に真空室３が形成され、真空室３に保持された雰囲気ガスによって雰囲気が形成される。真空室３に形成される雰囲気は、低真空２０Pa前後の真空度とされ、温度は、常温とされ、雰囲気ガスとして空気あるいは酸素ガス等の酸素を含んだガス、例えば空気が用いられる。プラズマ雰囲気形成にアルゴンガスが用いられてもよい。窒素などの不活性ガスが用いられてもよい。これらのガスを導入する方式にしてもよい。常温以上の温度であってもよい。

電源６に、AC４５０〜５５０Vの交流電源が用いられる。４５０〜５５０Vの交流電源は、引用文献２に示されるような被処理材である基材自体の改質や成膜に採用される数ｋV電圧に比して低電圧の交流電源である。電流は、０（０を含まず）〜５０ｍA、望ましくは５〜３０ｍAが用いられ、本実施例の場合、１５ｍA前後に設定された。

直流電源あるいはRF電源は用いられない。

下方の試料台５は、試料である基材２０を載置する。

上方の電極４は、絶縁材１４を介して真空室３内に設置され、試料台５は、絶縁材で形成された絶縁支持台７で支持され、真空室３内に浮かせて設置され、フローテイング形態とされる。電極４と試料台５との間隔は、１５ｍｍ以上とされ、絶縁材７の高さは、１０ｍｍ前後とされる。

試料台５には、例えば開口１．０ｍｍ以上の金属メッシュが用いられる。以下、金属メッシュ５と称する。金属メッシュ５は、多孔性の支持部材２１の一種であり、金属系とすることで、プラスチックのようなプラズマ雰囲気ガスによって加工されることが避けられる。金属メッシュ５を用いることで、１）プラズマ照射した時のアウトガスが少ない、２）細く丈夫なワイヤを使用することが出来る、３）開口面積を広くすることが出来る、などのメリットが得られる。

基材２０には、金属系基材ばかりでなく、樹脂系基材、ガラス系基材が用いられる。
基材２０は、金属メッシュ５上に載置され、上下面が雰囲気中に露出する形態とされる。よって、基材２０が、図１に示されたネジ形態、あるいは円筒状形態の場合ばかりでなく、平板形態の場合であっても、他の複雑な形態の場合にあっても、金属メッシュ５の上に載置された時に、上下面を雰囲気中に露出させる。

基材２０を金属メッシュ５に乗せて設置し、表面上の疎水性物質を雰囲気中に露出させて、プラズマ発生源に交流電源を用い、上下方向からプラズマイオンを作用させ、当該雰囲気中で上下面上に付着された疎水性物質を除去し、表面上を親水性表面に改質する。

このような構成において、大気圧プラズマによる表面処理がなされる。基材２０には、上述したように、板状、円筒状、球状あるいは他の複雑形態の金属系基材、樹脂系基材が含まれる。基材の上下面あるいは上下面を含んだ全面に汚れによる疎水性表面が形成された基材２０が処理対象となる。

本例の場合、試料台に、開口１．０ｍｍ以上の金属メッシュ５が用いられた本実施例の装置１００は、基材２０をセットして装置に設けたスタートボタンを押すと真空ポンプ１０によって予備排気から放電まで自動的に進行し、表面処理が終了すると自動的にストップする。

全面上に形成された疎水性表面が露出するようにして、基材２０に、全面方向からプラズマイオンを作用させ、全面上に付着された疎水物質を除去して、全表面上を親水性に改質することがなされる。基材２０の上下の両面全面上に親水性表面が露出した、すなわち疎水物質が除去され、処理前原形表面形態を維持し、親水性表面が基材２０の上下の両面に露出したことを特徴とする基材２０が作成される。

本実施例にあっては、基材２０は、金属メッシュ構成の試料台に乗って上下面を雰囲気中に露出する形態を採用しているが、基材２０の上下面を雰囲気中に露出する形態を形成する手段は、金属メッシュ構成に限定されない。例えば、電極４を円周上に多数配置し、その中央部に基材２０を側方から支持するように配設するようにしてもよい。

本実施例によれば、処理前原形表面形態を維持し、親水性表面が基材２０の上下の両面に露出したことを特徴とする基材が提案され、プラズマ原料ガスに酸素ガスあるいは酸素ガスを含んだガスを用い、プラズマ発生源に、被処理材である基材の改質や成膜に採用される電圧に比して低電圧、例えば４５０−５５０Vの交流電源を用い、真空チャンバー内にプラズマイオン雰囲気を形成し、基材の上下表面を該プラズマイオン雰囲気中に露出させ、基材に対して双方向からプラズマイオンを作用させて、基材の上下面上に付着した疎水性汚れを除去し、表面上を親水性に改質する表面上が親水性とされた基材の作成方法が提案される。

このようにすることで、プラズマ処理をした時に、基材の表面に何らの影響を与えず、材料の両面上の汚れによる疎水物質を除去して処理前原形表面形態を維持し、表面上を親水性に改質することが出来る。

１…真空チャンバー、２…絶縁側壁、３…真空室、４…電極、５…試料台（金属メッシュ、電極）、６…電極４に接続された交流電源、７…絶縁支持台、１０…排気用の真空ポンプ、１１…ガス排出路、２０…基材（試料）、１００…金属系基材の作成装置（装置）。

Claims (1)

1. プラズマ原料ガスを真空チャンバーに導入し、真空チャンバー内で、プラズマイオンを形成し、表面上に疎水性汚れの付着した基材の表面上を処理して親水性に改質する、表面上が親水性とされた基材の作成装置において、
   基材が、絶縁材を介して開口が１．０ｍｍ以上の金属メッシュで支持され、
   プラズマ原料ガス源に酸素ガスあるいは酸素ガスを含んだガスが用いられ、
   プラズマ発生源に、４５０−５５０Vの低電圧及び０(０を含まず)〜５０ｍＡの低電圧で低電流の交流電源が備えられて、
   プラズマイオン雰囲気を形成する真空チャンバーが形成されるものであって、
   双方向性の基材が、その上下表面を、双方向性のプラズマイオン雰囲気中に露出するようにして、前記真空チャンバー内に配置され、酸素イオンが、基材の上下面上に付着した、油類あるいは有機物質からなる疎水性汚れに対する化学反応作用で疎水性汚れを除去し、表面上を親水性に改質すること
   を特徴とする表面上が親水性とされた基材の作成装置。

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