JP3885436B2 - Method and apparatus for surface modification of fluororesin - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、プリンタや複写機等の画像形成装置に使用される定着装置において、圧力ロールの表面に被覆されるフッ素系樹脂チューブ等のフッ素系樹脂の表面改質方法及びその装置に関し、更には、離型性に優れる反面、親水性に乏しいフッ素系樹脂(その成形体をも含む)に対して、その表面を改質して親和性並びに接着性を持たせるフッ素系樹脂の表面改質方法及びその装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、上記フッ素系樹脂の表面改質方法としては、種々な技術が提案されている。例えば(1)金属ナトリウムとナフタリンのテトラヒドロフラン溶液を用いる手法、(2)グロー放電、プラズマ処理を用いる手法、(3)高周波スパッタエッチング方法、(4)ホウ酸類のガス雰囲気中でのレーザ照射方法、(5)被加工物に光吸収性物質を混練し、レーザ照射する手法などが報告されている。
【0003】
しかし、これらの手法は、危険が伴ったり、改質効果が乏しく、表面に物理的なダメージを与えたり、被加工物の範囲が限定される等の問題点を有していた。
【0004】
そこで、これらの問題点を解決し得る技術として、ここ数年の間に、次に示すように、紫外線パルスレーザにてフッ素系樹脂及び成形体の表面の改質を行なう技術が提案されてきている。
【0005】
すなわち、この紫外線パルスレーザにてフッ素系樹脂及び成形体の表面の改質を行なう方法としては、(6)特開平06-192452 号公報のように、ヒドラジンガス雰囲気を用いてフッ素基の置換を行なう方法、(7)特開平07-207049 号公報のように、フッ素系界面活性剤と紫外線吸収化合物を利用する改質方法、(8)特開平06-228343 号公報のように、高純度(100MΩ・cm以上)の水を用いて、その透過率の良さを利用した改質方法などが提案されてきている。
【0006】
更に説明すると、上記(6)特開平06-192452 号公報に係るフッ素系高分子成形品表面の表面改質方法は、フッ素系高分子成形品にヒドラジン類の存在下に波長250nm以下の紫外レーザ光を照射し、該高分子成形品の表面を親水化させるように構成したものである。
【0007】
また、上記(7)特開平07-207049 号公報に係るフッ素樹脂成形体表面の改質法は、フッ素樹脂成形体表面に、紫外線吸収性化合物およびフッ素系界面活性剤の存在下において、紫外レーザ光を照射するように構成したものである。
【0008】
さらに、上記(8)特開平06-228343 号公報に係るフッ素樹脂の表面改質方法は、フッ素樹脂を高純度の水に接触させ、前記フッ素樹脂と前記水との接触面の所望の部分に紫外線を照射して前記フッ素樹脂の所望の部分を親水化するように構成したものである。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらのフッ素系樹脂の表面改質方法の場合には、次のような問題点を有している。(6)の方法では、ヒドラジン類のガスや有機酸無水を用いる化学処理を伴うため、作業衛生上問題があるだけでなく、人体に悪影響を及ぼす危険性が大きいという問題点がある。また、フッ素系樹脂の表面改質の効果も低い。また、(7)の方法では、フッ素系樹脂の表面改質の効果は得られるものの、紫外線吸収性化合物およびフッ素系界面活性剤の2種類の溶液が必要となり、塗布、噴霧工程等の処理工程が増え、作業効率が悪くなるという問題点がある。また、界面活性剤の高濃度使用では作業衛生上問題がある。さらに、(8)の方法においては、高純度の水を生成するのに高価で大型の純水処理装置を必要とするだけでなく、純度が下がらない環境を長時間維持することが非常に困難であり、コストが大幅に高くなるばかりか、溶剤を用いた場合より改質効果が低いという問題点がある。また、ArF EXL(エキシマレーザ)を用いることでガス寿命が短いため、作業効率が悪いという問題点をも有している。
【0010】
そこで、この発明は、上記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、低濃度で安全なアミン系溶剤を含む溶液を紫外線吸収体として用い、被加工物に対して均一でかつ効率的な表面改質加工を行なうことが可能なフッ素系樹脂の表面改質方法及びその装置を提供することにある。
【0011】
また、他の目的とするところは、紫外線レーザエネルギの繰り返し数を制御することによって、効率的に所望の改質具合を得ることが可能なフッ素系樹脂の表面改質方法及びその装置を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、請求項1に記載された発明は、フッ素を末端基に含むフッ素系樹脂の表面を改質するフッ素系樹脂の表面改質方法において、前記フッ素系樹脂の表面にアミン系溶剤を含む溶液が存在する状態で、当該フッ素系樹脂の表面に紫外レーザ光を照射するとともに、前記アミン系溶剤を含む溶液が、環状非芳香族アミン系溶剤であるピリジンの純水を用いたピリジン水溶液であることを特徴とするフッ素系樹脂の表面改質方法である。
【0013】
ここで、上記フッ素を末端基に含むフッ素系樹脂とは、当該フッ素系樹脂そのもの、及びその成形体(含フッ素有機高分子化合物からなる成形体)の双方を含むものであり、当該フッ素を末端基に含むフッ素系樹脂としては、例えば、四フッ化エチレン(PTFE)、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体(FEP)、四フッ化エチレン・パーフルオロアルコキシエチレン共重合体(PFA)、四フッ化エチレン・エチレン共重合体(ETFE)などが挙げられる。なお、これらの具体的形態は特に限定されるものではない。
【0015】
また、請求項2に記載された発明は、フッ素を末端基に含むフッ素系樹脂の表面を改質するフッ素系樹脂の表面改質方法において、前記フッ素系樹脂の表面にアミン系溶剤を含む溶液が存在する状態で、当該フッ素系樹脂の表面に紫外パルスレーザ光を照射することで、当該フッ素系樹脂の改質を行うとともに、前記紫外パルスレーザ光の照射回数を制御することで、フッ素系樹脂の所望の改質状態を得るとともに、前記アミン系溶剤を含む溶液が、環状非芳香族アミン系溶剤であるピリジンの純水を用いたピリジン水溶液であることを特徴とするフッ素系樹脂の表面改質方法である。
【0016】
さらに、請求項3に記載された発明は、フッ素を末端基に含むフッ素系樹脂の表面を改質するフッ素系樹脂の表面改質方法において、前記フッ素系樹脂の表面にアミン系溶剤を含む溶液の薄膜を均一に形成した状態で、当該フッ素系樹脂の表面に紫外レーザ光を照射するとともに、前記アミン系溶剤を含む溶液が、環状非芳香族アミン系溶剤であるピリジンの純水を用いたピリジン水溶液であることを特徴とするフッ素系樹脂の表面改質方法である。
【0017】
前記アミン系溶剤を含む溶液としては、トリメチルアミン((CH3 )3 N)、トリエチルアミン((CH5 )3 N)等の鎖状脂肪族アミン、又はアニリン(C6 H5 NH2 )、ナフチルアミン(C10H7 NH2 )等の環状芳香族アミンの水溶液、アセトニトリル溶液、あるいはエタノール溶液を挙げることができる。
【0018】
また、同じ系列であるピペリジン(C5 NH6 )、エチレイイミン(C2 H5 N)や鎖状アミンのトリエチルアミン((CH5 )3 N)、ヘキシルアミン(C6 H13NH2 )は、鼠経口LD50のデータ値を示す図8から明らかなように、毒性が高い。
【0019】
そこで、この発明では、アミン系溶剤の中でも、反応性が良く、安全性が高い環状アミンの非芳香族系列であるピリジン(C5 H5 N)を溶かした水溶液を用いるのが望ましい。
【0020】
さらに、請求項4に記載された発明は、フッ素を末端基に含むフッ素系樹脂の表面を改質するフッ素系樹脂の表面改質装置において、前記フッ素系樹脂の表面にアミン系溶剤を含む溶液の薄膜を形成する薄膜形成手段と、前記フッ素系樹脂の表面に紫外レーザ光を照射する紫外レーザ光照射手段を備え、前記アミン系溶剤を含む溶液が、環状非芳香族アミン系溶剤であるピリジンの純水を用いたピリジン水溶液であることを特徴とするフッ素系樹脂の表面改質装置である。
【0021】
又、請求項5に記載された発明は、前記薄膜形成手段は、アミン系溶剤を含む溶液が塗布されたフッ素系樹脂の表面に、紫外線透過部材を押圧し、当該紫外線透過部材の押圧力を制御することによって、前記アミン系溶剤を含む溶液の薄膜を均一に形成することを特徴とする請求項4に記載のフッ素系樹脂の表面改質装置である。
【0024】
請求項6に記載された発明は、前記ピリジン水溶液に用いられるピリジンの純度は、99.9%以上の鹿1級程度であることを特徴とする請求項5又は6記載のフッ素系樹脂の表面改質装置である。
【0025】
請求項7に記載された発明は、前記ピリジン水溶液に用いられる水の純度は、0.2μS(ジーメンス)/cm以上であって、ピリジン水溶液の濃度は、2%以下であることを特徴とする請求項4又は5記載のフッ素系樹脂の表面改質装置である。
【0026】
さらに、請求項8に記載された発明は、前記紫外レーザ光照射手段が、KrFエキシマレーザ光を照射することを特徴とする請求項4又は5記載のフッ素系樹脂の表面改質装置である。
【0029】
又更に、請求項9に記載された発明は、前記ピリジン水溶液に用いられるピリジンの純度は、99.9%以上の鹿1級程度であることを特徴とする請求項1又は3記載のフッ素系樹脂の表面改質方法である。
【0030】
ここで、上記ピリジン水溶液に用いられる純水としては、例えば、蒸留水が用いられ、当該ピリジン水溶液に用いられる水の純度は、例えば、0.2μS(ジーメンス)/cm以上のものが用いられ、ピリジン水溶液の濃度としては、例えば、2%以下という極低濃度に設定される。
また、請求項16に記載された発明は、前記請求項1乃至15のいずれかに記載のフッ素系樹脂の表面改質方法により表面を改質されたことを特徴とするフッ素系樹脂である。
さらに、請求項17に記載された発明は、シリコーンゴムと接着されたことを特徴とする請求項16に記載のフッ素系樹脂である。
【0031】
【作用】
この発明は、基本的に、フッ素系樹脂の表面にアミン系溶剤を含む溶液が存在する状態で、当該フッ素系樹脂の表面に紫外レーザ光を照射するものである。
【0032】
また、この発明においては、加工ステージ上にアミン系溶剤を含む溶液を介してフッ素系樹脂又はその成形体からなる加工部材を載置し、紫外線透過部材の押圧力を制御することで、アミン系溶剤を含む溶液の薄膜に形成し、レーザ照射によってフッ素系樹脂又はその成形体表面を改質するものである。紫外線透過部材の押圧力及び薄膜形成手段により改質に用いる溶液を均一な薄膜厚に形成し、紫外レーザ繰り返し数制御により、照射部の改質具合を所望した状態に効率よく生成する。さらに、改質に用いられる溶液は、低濃度のアミン系溶剤を用いた触媒であり、安全に改質加工を行うことができる。
【0033】
さらに、この発明においては、アミン系溶剤を含む溶液として、溶媒を純水(蒸留水)としたときの低濃度ピリジン水溶液のみを使用することによって、より安全かつ高い効率で所望の改質具合を得ることができることを、本発明者は見出した。
【0034】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【0035】
図2はこの発明の一実施の形態に係るフッ素系樹脂の表面改質方法を適用したフッ素系樹脂の表面改質装置を示す概略構成図である。
【0036】
図において、11はkrF(波長:248nm)のエキシマレーザ光を発生するレーザ発生装置であり、このレーザ発生装置11から出射されたkrFのエキシマレーザ光LBは、ミラー12、13、14によって反射され、加工ステージ22上に載置された被加工物としてのフッ素系樹脂成形物に照射される。その際、上記ミラー12とミラー13の間には、レーザ発生装置11から出射されたkrFのエキシマレーザ光LBを絞る作用をする絞り15と、エキシマレーザ光LBの照射状態を開閉するシャッター16付きのマクク17とが配設されている。また、上記ミラー14と加工ステージ22との間には、上記レーザ発生装置11から出射されたkrFのエキシマレーザ光LBを結像するレンズ18が配設されており、このレンズ18は、焦点用駆動装置19によって上下方向であるZ1軸方向に沿って駆動されるようになっている。さらに、上記加工ステージ22は、加工ステージ駆動装置24により、垂直軸の回りをθ1方向に、水平軸の回りをθ2方向に、θ2方向と直交する水平軸の回りをθ3方向に、及び水平面内のX軸方向とY軸方向に沿って、駆動可能となっている。また、上記加工ステージ22の加工位置と異なる位置の上方には、当該加工ステージ22上の加工状態をモニタするモニタ装置25が配設されている。このモニタ装置25は、加工ステージ22上の被加工物を計測する計測カメラ26と、当該計測カメラ26の焦点を駆動するための焦点用駆動装置27と、前記計測カメラ26で計測された被加工物の加工状態をレーザ発生装置11にフィードバックするフィードバック制御盤28とを備えている。また、上記フィードバック制御盤28は、レーザ発生装置11を制御するレーザ発生制御盤29に接続されている。
【0037】
なお、ミラーは、装置構成によって3枚に限らず適宜用いればよく、又、ミラーを用いずに構成してもよい。また、シャッター16が不要であればなくてもよい。
【0038】
また、上記加工ステージ22上には、図3及び図4に示すように、繊維状体21を介して、被加工部材であるフッ素系樹脂成形体20の表面がレンズ18側に向くようにフッ素系樹脂成形体20が載置されている。このフッ素系樹脂成形体20としては、例えば、フッ素系樹脂からなるフィルム状の成形体が用いられるが、当該フッ素系樹脂成形体20の形状は、フィルム状に限定されるものではなく、他の任意の形状であっても良いことは勿論である。繊維状体21は、通気性の良い繊維質の部材である。具体例としては、厚さ100μm程度の均一な厚さの通気性のよい紙を使用することができる。加工ステージ22には、その表面に開口する1ないし複数の通気孔31が設けられており、内部の空間を介して真空ポンプ23に連通している。この真空ポンプ23を動作させて吸引すると、加工ステージ22の内部の空間が負圧となり、通気孔31を介して繊維状体21が吸着される。さらに、繊維状体21が通気性のよい部材であることから、被加工部材20は繊維状体21を介して吸引され、当該被加工部材20を加工ステージ22に繊維状体21を介して吸着固定することができるようになっている。
【0039】
ところで、この実施の形態1では、フッ素系樹脂の表面にアミン系溶剤を含む溶液の薄膜を形成する薄膜形成手段と、前記フッ素系樹脂の表面に紫外レーザ光を照射する紫外レーザ光照射手段を備えるように構成されている。また、上記薄膜形成手段は、アミン系溶剤を含む溶液が塗布されたフッ素系樹脂の表面に、紫外線透過部材を押圧し、当該紫外線透過部材の押圧力を制御することによって、前記アミン系溶剤を含む溶液の薄膜を均一に形成するように構成されている。さらに、上記紫外レーザ光照射手段としては、KrFエキシマレーザ光を照射するものが用いられる。
【0040】
すなわち、この実施の形態1では、図1に示すように、加工ステージ22上に被加工部材としてフッ素系樹脂成形体20が載置されている。このフッ素系樹脂成形体20としては、例えば、図5に示すように、四フッ化エチレン・パーフルオロアルコキシエチレン共重合体(PFA)からなるフィルム状のフッ素系樹脂成形体20が用いられる。また、上記フッ素系樹脂成形体20の表面には、低濃度のアミン系溶剤を含む溶液30が塗布されている。このアミン系溶剤を含む溶液30としては、例えば、トリメチルアミンのアセトニトリル溶液が用いられる。さらに、上記アミン系溶剤を含む溶液30が塗布されたフッ素系樹脂成形体20の表面には、石英板等からなる紫外線透過部材31が押圧されている。この紫外線透過部材31は、一定の厚さ(例えば、3mm)で、表裏両面が平面で互いに平行となるように精度良く形成されている。
【0041】
また、上記紫外線透過部材31は、膜厚制御装置32によって上下方向に沿って、しかも、加工ステージ22及びフッ素系樹脂成形体20の表面に対して平行となるように制御可能となっている。そして、上記紫外線透過部材31は、膜厚制御装置32によって上下方向等に沿って微少量ずつ移動させることにより、紫外線透過部材31の下面とフッ素系樹脂成形体20の表面との間隙Gを制御し、フッ素系樹脂成形体20の表面にアミン系溶剤を含む溶液30の薄膜を均一に形成するように構成されている。このアミン系溶剤を含む溶液30の薄膜は、薄い方がフッ素系樹脂成形体20の改質効果が高いことが、本発明者らの実験によって確認されており、当該アミン系溶剤を含む溶液30の膜厚は、例えば、数十μmに設定される。
【0042】
以上の構成において、この実施の形態に係るフッ素系樹脂の表面改質装置では、次のようにして、低濃度で安全なアミン系溶剤を含む溶液を紫外線吸収体として用い、被加工物に対して均一でかつ効率的な表面改質加工を行なうことが可能となっている。
【0043】
すなわち、この実施の形態では、レーザ発生装置11から出射されたkrFのエキシマレーザ光LBは、図2に示すように、投影マスク17を通して集光レンズ18によって被加工物20上に収束される。発振されるレーザ光LBは、波長248nmの紫外線であるため、加工ステージ22上の被加工物20に載置されている紫外線透過部材31を透過し、図1に示すように、均一な薄膜の紫外線を吸収する溶液30を介して被加工物20に照射される。照射された被加工物であるフッ素系樹脂成形体20表面では光化学反応により、溶液が基質と呼ばれるラジカルを発生することで、図5に示すように、フッ素系樹脂成形体20表面のフッ素結合を切り離し、CH基を効率よく置換させることができる。照射されるレーザ光LBのエネルギ密度は、わずかなアブレーション反応(フッ素系樹脂の分子鎖を切断して分離する反応)が発生する程度の弱いエネルギ密度(<90mj/cm2 )を用いて、レーザ光LB照射の繰り返し回数を制御することにより、所望の改質具合を効率的に得ることができる。
【0044】
その際、加工ステージ22は、モニタ装置25の計測カメラ26の位置において、被加工部材20の加工面がレーザ光LBに対し垂直となるように、加工ステージ駆動装置24を回転方向θ1、θ2、θ3に駆動し、調整する。なお、計測カメラ26のピントは、焦点用駆動装置27によって調整される。その後、加工ステージ22と加工部材20の加工面との高さを計測する。加工ステージ駆動装置24をY方向に駆動して加工部材20を加工位置に移動し、レーザ光LBによる加工を実施する。エキシマレーザ光LBのビームを振ることによって、被加工部材20の表面にマスク17の開口形状に応じた形状の加工が行なわれる。加工部材20に対する改質の程度は、レーザ光の強度や照射時間によって制御可能であり、レーザ発生制御盤29は設定された値に応じてレーザ光LBの発生を制御する。
【0045】
このように、上記実施の形態では、図1に示すように、フッ素系樹脂成形体20の表面にアミン系溶剤を含む溶液30が存在する状態で、当該フッ素系樹脂成形体20の表面に紫外レーザ光LBを照射するものである。
【0046】
また、上記実施の形態では、加工ステージ22上にアミン系溶剤を含む溶液30を介してフッ素系樹脂成形体からなる被加工部材20を載置し、紫外線透過部材31の押圧力を制御することで、アミン系溶剤を含む溶液30の薄膜に形成し、レーザ光LBの照射によってフッ素系樹脂成形体20の表面を改質するものである。紫外線透過部材31の押圧力及び薄膜制御装置32により改質に用いる溶液を均一な薄膜厚に形成し、紫外レーザ繰り返し数制御により、照射部の改質具合を所望した状態に効率よく生成する。さらに、改質に用いられる溶液30は、低濃度のアミン系溶剤を用いた触媒であり、安全に改質加工を行うことができる。
【0047】
実施例1
フッ素樹脂例えばPFA(テトラフルオロエチレン/パーフルオルアルキルビニルエーテル共重合体)フィルム20に、トリメチルアミン4%濃度のアセトニトリル溶液を用いて、KrF(波長:248nm)エキシマレーザ光LB(エネルギ密度:75mj/cm2 )を、100Hzで20秒間だけパルス数2000shots照射すると、照射部の純水接触角測定値は60°程度を示し、新水性に改質されたことが確認された。また、同材料にて、溶液30としてトリメチルアミン2%濃度のアセトニトリル溶液を用いた場合は、エネルギ密度:75mj/cm2 、パルス数3000shotsで水との接触角が60°前後に改質された。
【0048】
図6はエキシマレーザ光LBの照射回数が一定で、トリメチルアミンの濃度を変化させた場合に、純水接触角の測定値がどのように変化するかを確認する実験の結果を示すものである。この図6から明らかなように、トリメチルアミンの濃度が2%以上であれば、純水接触角の測定値を60°程度に改質することができ、トリメチルアミンの濃度には依存しないことがわかる。
【0049】
このように、数%の低濃度のアミン溶剤の溶液で十分な改質が起こり、親和性を得ることができ、安全に改質加工ができた。
【0050】
実施例2
一般にぬれ状態を測定するには、日本工業規格K6768フィルムのぬれ指数試験方法が規定されている。溶液条件は、実施例1と同様にし、レーザ繰り返し数のみを変化させて、日本工業規格K6768フィルムのぬれ指数と純水接触角測定値とを測定し、改質程度を評価した。その結果、日本工業規格K6768フィルムのぬれ指数と純水接触角測定値は、図7に示すように、略直線状の対応関係があることがわかった。このように、ぬれ指数と接触角の関係は比例関係にあり、レーザ照射条件の1つを制御することで、所望の改質具体を効率的に実現化できることを見出せた。
【0051】
実施例3
フッ素樹脂例えばPFA(テトラフルオロエチレン/パーフルオルアルキルビニルエーテル共重合体)フィルム20に、ピリジン1%濃度の水溶液を用いて、KrF(波長:248nm)エキシマレーザ光LB(エネルギ密度:75mj/cm2 )を、100Hzで30秒間だけパルス数3000shots照射すると、照射部の純水接触角測定値は50°程度を示し、新水性に大幅に改質されたことが確認された。
【0052】
実施例4
同材料に対して、ピリジン2%濃度の水溶液を用いた場合は、KrF(波長:248nm)エキシマレーザ光LBのエネルギ密度を、25mj/cm2 と低くし、パルス数も1000shotsに減少させた場合でも、照射部の純水接触角を55°前後に改質することができた。このように、低濃度の溶液と低繰り返し数で効率よく改質状態を発生させ、十分な親和性を得ることができる改質加工を見出した。
【0053】
実施例5
実施例2に示すように、レーザ繰返し数のみを変化させて所望の改質状態を得る方法では、レーザの発振繰返し数が大きいほど改質度合いが高くなる傾向がある。溶液条件を実施例4と同様にし、パルス数を変化させてぬれ指数評価(JIS K6768)を行ったところ、図9に示すように、低パルス数(1000shots)で加工した場合においても、十分な改質具合(52dyn/cm以上)が得られた。
【0054】
実施例6
照射パルス数を変化させた状態で表面改質したフッ素樹脂(PFA)の接着性を評価した。低濃度(2%濃度以下)ピリジン水溶液を紫外線吸収材料として用い、レーザエネルギ密度を75mj/cm2 以下とし、フッ素樹脂(PFA)の表面を改質した。この改質したフッ素樹脂(PFA)に接着剤を(東レ社製・シリコン)を塗布し、シリコンーゴムとの接着性(引張り強度試験)を評価した。また、比較のため、トリエチルアミンのアセトニトリル溶液を用いて同様の評価を行った。その結果は、図10に示すように、低パルス数(1000shots程度))でも最大荷重4N以上の十分な接着強度を得ることができた。このように、ピリジン水溶液を用いることによって、高い親水性は勿論のこと、高い親油性、並びに十分な接着強度を有する程度に、フッ素系の樹脂を改質できることがわかった。
【0055】
分析例
さらに、本発明者は、上記の如くピリジン水溶液を用いてフッ素系樹脂を改質した場合に、実際にフッ素樹脂の表面がどの程度改質されているか、つまり、フッ素樹脂の表面に存在したフッ素(F)が、どの程度他の元素に置換されたかを確認する分析を行った。
【0056】
分析に使用したサンプルは、改質前のPFAシートと、改質後のPFAシートである。なお、PFAシート表面の改質は、エキシマレーザ光LB(エネルギ密度25mj/cm2 )を、30Hzで100秒間だけパルス数3000shots照射し、ピリジン1%濃度の水溶液を用いて行った。
【0057】
また、分析方法は、X線光電子分光法(以下、「XPS」という。)による分析である。このXPS法に使用した装置は、VG製 ESCALAB−220iである。
【0058】
試料の処理方法は、試料を適当な大きさに切り出し、XPS測定を行った。X線源は、単色化されたAlKαであり、分析領域は、約1mmφ、検出深さは、数nmである。
【0059】
分析結果は、次に示す通りである。
【0060】
図11は改質前、図12は改質後のPFAシートのXPSワイドスペクトルを示す。改質前のPFAシート表面からは、フッ素(F)が強く検出されているが、改質後では、フッ素(F)のピーク強度は激減し、改質前のシートからは検出されなかったO、Nが検出された。改質前後のPFAシート表面における各元素の組成比をまとめたものが、図13の表である。
【0061】
また、図14、図15に改質前後のC1S スペクトルの部分のみを拡大して示す。改質前のC1S ピークの結合エネルギーから、シート表面のCは、C−F2 、改質後のシート表面のCは、C−C、あるいはC−Hに結合したCであると考えられる。さらに、改質後のC1S ピークには、288eV付近に小さなショルダーが認められる。このショルダーの結合エネルギーより、C=O、あるいはCHFに結合したCも表面には存在すると考えられる。
【0062】
以上のように、フッ素樹脂の改質の前後で表面のCの化学状態、および表面の組成比は明らかに変化しており、改質の非常に高い効果が認められた。
【0063】
特に、改質後のPFAシートの表面からは、図13に示すように、改質前に69.2atm%も存在したフッ素(F)が、改質後には、0.3atm%しか存在せず、ほぼ完全に改質されていることがわかる。
【0064】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、この発明によれば、被加工物上に紫外吸収溶液(アミン系溶剤を含む溶液)で薄膜を形成し、その上に紫外線透過部材を載置し、押圧力を制御することで薄膜厚を均一に保ち、レーザ照射を行うことで安定した改質加工ができる。また、用いられる溶液は、低濃度であるため安全である。さらに、レーザ繰り返し数の制御により、所望する改質具合を効率的に具現化できる。
【0065】
さらに、この発明においては、アミン系溶剤を含む溶液として、溶媒を純水(蒸留水)としたときの低濃度ピリジン水溶液のみを使用することによって、より安全かつ高い効率で所望の改質具合(親水性、親油性)、及び接着強度を実現させることができる改質方法及びその装置を見出した。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1はこの発明の実施の形態に係るフッ素系樹脂の表面改質方法を適用したフッ素系樹脂の表面改質装置の要部を示す構成図である。
【図2】 図2はこの発明の実施の形態に係るフッ素系樹脂の表面改質装置を示す構成図である。
【図3】 図3は加工ステージを示す平面図である。
【図4】 図4は加工ステージを示す断面図である。
【図5】 図5はPFAの分子構造を示す化学式である。
【図6】 図6は実験結果を示すグラフである。
【図7】 図7は実験結果を示すグラフである。
【図8】 図8はアミンの毒性データを示すグラフである。
【図9】 図9は実験結果を示すグラフである。
【図10】 図10は実験結果を示すグラフである。
【図11】 図11は分析結果を示すグラフである。
【図12】 図12は分析結果を示すグラフである。
【図13】 図13は分析結果を示す図表である。
【図14】 図14は分析結果を示すグラフである。
【図15】 図15は分析結果を示すグラフである。
【符号説明】 11:レーザ発生装置、20:フッ素系樹脂成形体、30:アミン系溶剤を含む溶液、31:紫外線透過部材、32:膜厚制御装置。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a surface modification method and apparatus for a fluororesin such as a fluororesin tube coated on the surface of a pressure roll in a fixing device used in an image forming apparatus such as a printer or a copying machine. Fluorine resin surface modification method for improving affinity and adhesiveness of fluorine resin (including molded products) with poor hydrophilicity, while having excellent releasability And an apparatus for the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, various techniques have been proposed as a surface modification method for the fluororesin. For example, (1) a method using a tetrahydrofuran solution of metallic sodium and naphthalene, (2) a method using glow discharge and plasma treatment, (3) a high-frequency sputter etching method, (4) a laser irradiation method in a gas atmosphere of boric acids, (5) A technique in which a light-absorbing substance is kneaded into a workpiece and laser irradiation is reported.
[0003]
However, these techniques have problems such as danger, poor reforming effect, physical damage to the surface, and limited range of workpieces.
[0004]
Therefore, as a technique that can solve these problems, a technique for modifying the surface of the fluororesin and the molded body with an ultraviolet pulse laser has been proposed in the past few years as shown below. Yes.
[0005]
That is, as a method of modifying the surface of the fluororesin and the molded body with this ultraviolet pulse laser, (6) as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 06-192452, substitution of fluorine groups is performed using a hydrazine gas atmosphere. (7) A reforming method using a fluorosurfactant and an ultraviolet absorbing compound as disclosed in JP-A-07-207049, (8) High purity (as disclosed in JP-A-06-228343) There have been proposed reforming methods using water of 100 MΩ · cm or more and utilizing the good transmittance.
[0006]
More specifically, (6) the surface modification method for the surface of a fluorinated polymer molded article according to Japanese Patent Application Laid-Open No. 06-192452 is directed to an ultraviolet laser having a wavelength of 250 nm or less in the presence of hydrazines in the fluorinated polymer molded article. It is configured to irradiate light to make the surface of the polymer molded article hydrophilic.
[0007]
In addition, (7) the method of modifying the surface of a fluororesin molded body according to Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-207049 is the same as that of the ultraviolet laser in the presence of an ultraviolet absorbing compound and a fluorosurfactant on the surface of the fluororesin molded body. It is configured to irradiate light.
[0008]
Further, in the above (8) surface modification method of fluororesin according to Japanese Patent Laid-Open No. 06-228343, the fluororesin is brought into contact with high-purity water, and a desired portion of the contact surface between the fluororesin and the water is formed. A desired part of the fluororesin is made hydrophilic by irradiation with ultraviolet rays.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, these surface modification methods for fluororesins have the following problems. The method (6) involves a chemical treatment using a hydrazine gas or an organic acid anhydride, and thus has a problem of not only occupational hygiene but also a large risk of adversely affecting the human body. In addition, the effect of surface modification of the fluororesin is low. Further, in the method (7), although the effect of surface modification of the fluorine-based resin can be obtained, two kinds of solutions of an ultraviolet absorbing compound and a fluorine-based surfactant are required, and processing steps such as coating and spraying steps are required. Increases the work efficiency. Moreover, there is a problem in occupational hygiene when the surfactant is used at a high concentration. Furthermore, in the method (8), not only does an expensive and large-sized pure water treatment device be required to produce high-purity water, but it is also very difficult to maintain an environment in which the purity does not decrease for a long time. In addition, the cost is significantly increased, and the reforming effect is lower than when a solvent is used. In addition, since ArF EXL (excimer laser) is used, the gas life is short, so that there is a problem that work efficiency is poor.
[0010]
Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and its object is to use a solution containing a low concentration and safe amine solvent as an ultraviolet absorber, and to process It is an object of the present invention to provide a surface modification method and apparatus for a fluororesin capable of performing uniform and efficient surface modification processing on an object.
[0011]
Another object of the present invention is to provide a fluorine resin surface modification method and apparatus capable of efficiently obtaining a desired modification condition by controlling the number of repetitions of ultraviolet laser energy. There is.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the invention described in
[0013]
Here, the fluorine-based resin containing fluorine as a terminal group includes both the fluorine-based resin itself and a molded body thereof (molded body made of a fluorine-containing organic polymer compound). Examples of the fluorine resin contained in the group include tetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer (FEP), and tetrafluoroethylene / perfluoroalkoxyethylene copolymer (PFA). And tetrafluoroethylene / ethylene copolymer (ETFE). These specific forms are not particularly limited.
[0015]
Moreover, the invention described in
[0016]
Furthermore, the invention described in claim 3 is a fluorine resin surface modification method for modifying the surface of a fluorine resin containing fluorine as a terminal group, and a solution containing an amine solvent on the surface of the fluorine resin. Irradiate the surface of the fluororesin with ultraviolet laser light in a state in which a thin film is uniformly formedIn addition, the solution containing the amine solvent is a pyridine aqueous solution using pure water of pyridine which is a cyclic non-aromatic amine solvent.This is a surface modification method for a fluororesin.
[0017]
Solution containing the amine solventas, Trimethylamine ((CHThree)ThreeN), triethylamine ((CHFive)ThreeN) chain aliphatic amines, or aniline (C6HFiveNH2), Naphthylamine (CTenH7NH2) And other cyclic aromatic amine aqueous solutions, acetonitrile solutions, or ethanol solutionsCan mention.
[0018]
In addition, piperidine (CFiveNH6), Ethileimine (C2HFiveN) or triethylamine ((CHFive)ThreeN), hexylamine (C6H13NH2) Is highly toxic as is apparent from FIG. 8 showing the data values of sputum oral LD50.
[0019]
Therefore,In this inventionAmong the amine-based solvents, pyridine (C) is a non-aromatic series of cyclic amines that have good reactivity and high safety.FiveHFiveIt is desirable to use an aqueous solution in which N) is dissolved.
[0020]
further,Claim 4The invention described in 1) is a fluorine resin surface modification apparatus for modifying the surface of a fluorine resin containing fluorine as a terminal group, and forms a thin film of a solution containing an amine solvent on the surface of the fluorine resin. A thin film forming means; and an ultraviolet laser light irradiation means for irradiating the surface of the fluororesin with ultraviolet laser lightThe solution containing the amine solvent is a pyridine aqueous solution using pure water of pyridine which is a cyclic non-aromatic amine solvent.This is a surface modification device for a fluororesin.
[0021]
or,Claim 5In the invention described in the above, the thin film forming means presses the ultraviolet transmitting member against the surface of the fluorine resin coated with the solution containing the amine solvent, and controls the pressing force of the ultraviolet transmitting member. Uniformly forming a thin film of a solution containing the amine solventClaim 4This is a surface modification device for fluororesin.
[0024]
Claim 67. The fluororesin surface modification apparatus according to
[0025]
Claim 7The invention described in the above item is characterized in that the purity of water used in the aqueous pyridine solution is 0.2 μS (Siemens) / cm or more, and the concentration of the aqueous pyridine solution is 2% or less.Claim 4 or 5It is a surface modification apparatus of the described fluorine resin.
[0026]
further,Claim 8The invention described in 1 is characterized in that the ultraviolet laser beam irradiation means irradiates a KrF excimer laser beam.Claim 4 or 5It is a surface modification apparatus of the described fluorine resin.
[0029]
Furthermore,Claim 94. The surface modification method for a fluororesin according to
[0030]
Here, as the pure water used in the pyridine aqueous solution, for example, distilled water is used, and the purity of water used in the pyridine aqueous solution is, for example, 0.2 μS (Siemens) / cm or more. As the concentration of the pyridine aqueous solution,For exampleIt is set to an extremely low concentration of 2% or less.
The invention described in
Furthermore, the invention described in
[0031]
[Action]
The present invention basically irradiates the surface of a fluorine resin with ultraviolet laser light in a state where a solution containing an amine solvent is present on the surface of the fluorine resin.
[0032]
Further, in the present invention, a processing member made of a fluororesin or a molded body thereof is placed on a processing stage via a solution containing an amine solvent, and the pressing force of the ultraviolet transmitting member is controlled, so that the amine system It is formed into a thin film of a solution containing a solvent, and the surface of the fluororesin or its molded body is modified by laser irradiation. The solution used for the modification is formed to have a uniform thin film thickness by the pressing force of the ultraviolet transmitting member and the thin film forming means, and the degree of modification of the irradiated portion is efficiently generated in a desired state by controlling the number of repetitions of the ultraviolet laser. Furthermore, the solution used for reforming is a catalyst using a low concentration amine solvent, and can be safely reformed.
[0033]
Furthermore, in the present invention, by using only a low-concentration pyridine aqueous solution when the solvent is pure water (distilled water) as a solution containing an amine-based solvent, a desired degree of modification can be achieved more safely and efficiently. The inventor has found that it can be obtained.
[0034]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0035]
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a surface modification device for a fluorine resin to which a surface modification method for a fluorine resin according to an embodiment of the present invention is applied.
[0036]
In the figure,
[0037]
Note that the number of mirrors is not limited to three depending on the device configuration, and may be used as appropriate, or may be configured without using a mirror. Further, the
[0038]
Further, as shown in FIG. 3 and FIG. 4, the fluorine is formed on the
[0039]
By the way, in the first embodiment, a thin film forming means for forming a thin film of a solution containing an amine solvent on the surface of the fluorine resin, and an ultraviolet laser light irradiation means for irradiating the surface of the fluorine resin with ultraviolet laser light. It is comprised so that it may be provided. The thin film forming means presses the ultraviolet transmitting member against the surface of the fluorine resin coated with a solution containing an amine solvent, and controls the pressing force of the ultraviolet transmitting member, thereby reducing the amine solvent. The thin film of the solution containing is comprised so that it may form uniformly. Further, as the ultraviolet laser light irradiation means, one that irradiates KrF excimer laser light is used.
[0040]
That is, in the first embodiment, as shown in FIG. 1, the fluororesin molded
[0041]
The
[0042]
In the above-described configuration, in the fluorine resin surface modifying apparatus according to this embodiment, a solution containing a low concentration and safe amine solvent is used as an ultraviolet absorber as follows. And uniform and efficient surface modification.
[0043]
That is, in this embodiment, the krF excimer laser beam LB emitted from the
[0044]
At that time, the
[0045]
Thus, in the above-described embodiment, as shown in FIG. 1, the surface of the fluororesin molded
[0046]
Moreover, in the said embodiment, the to-
[0047]
Example 1
A fluororesin, for example, a PFA (tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer)
[0048]
FIG. 6 shows the results of an experiment for confirming how the measured value of the pure water contact angle changes when the number of times of excimer laser beam LB irradiation is constant and the concentration of trimethylamine is changed. As can be seen from FIG. 6, when the concentration of trimethylamine is 2% or more, the measured value of the pure water contact angle can be modified to about 60 ° and does not depend on the concentration of trimethylamine.
[0049]
Thus, sufficient modification occurred with a solution of amine solvent having a low concentration of several percent, affinity could be obtained, and modification processing could be performed safely.
[0050]
Example 2
In general, a wetness index test method for Japanese Industrial Standard K6768 film is specified for measuring the wet state. The solution conditions were the same as in Example 1, and only the number of laser repetitions was changed to measure the wetting index and the measured pure water contact angle of the Japanese Industrial Standard K6768 film to evaluate the degree of modification. As a result, it was found that the wetting index and the measured value of pure water contact angle of the Japanese Industrial Standard K6768 film have a substantially linear correspondence as shown in FIG. Thus, the relationship between the wetting index and the contact angle is proportional, and it has been found that the desired modification can be efficiently realized by controlling one of the laser irradiation conditions.
[0051]
Example 3
A fluororesin, for example, a PFA (tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer)
[0052]
Example 4
When an aqueous solution of 2% pyridine is used for the same material, the energy density of KrF (wavelength: 248 nm) excimer laser beam LB is 25 mj / cm.2Even when the number of pulses was reduced to 1000 shots, the pure water contact angle of the irradiated part could be improved to around 55 °. As described above, the present inventors have found a reforming process capable of efficiently generating a reformed state with a low concentration solution and a low number of repetitions and obtaining sufficient affinity.
[0053]
Example 5
As shown in the second embodiment, in the method of obtaining a desired modified state by changing only the laser repetition number, the degree of modification tends to increase as the laser oscillation repetition number increases. When the solution conditions were the same as in Example 4 and the wetting index evaluation (JIS K6768) was performed by changing the number of pulses, as shown in FIG. 9, even when processed with a low number of pulses (1000 shots), sufficient The degree of modification (52 dyn / cm or more) was obtained.
[0054]
Example 6
The adhesiveness of the surface-modified fluororesin (PFA) was evaluated while changing the number of irradiation pulses. A low concentration (2% or less) pyridine aqueous solution is used as an ultraviolet absorbing material, and the laser energy density is 75 mj / cm.2The surface of fluororesin (PFA) was modified as follows. An adhesive (silicone manufactured by Toray Industries, Inc.) was applied to the modified fluororesin (PFA), and the adhesiveness (tensile strength test) with silicon rubber was evaluated. For comparison, the same evaluation was performed using an acetonitrile solution of triethylamine. As a result, as shown in FIG. 10, sufficient adhesive strength with a maximum load of 4 N or more could be obtained even with a low number of pulses (about 1000 shots). Thus, it has been found that by using an aqueous pyridine solution, the fluorine-based resin can be modified to such an extent that it has not only high hydrophilicity but also high lipophilicity and sufficient adhesive strength.
[0055]
Analysis example
Further, the present inventor found that when the fluororesin was modified using an aqueous pyridine solution as described above, how much the surface of the fluororesin was actually modified, that is, the fluorine present on the surface of the fluororesin. An analysis was performed to confirm how much (F) was replaced by other elements.
[0056]
The samples used for the analysis are a PFA sheet before modification and a PFA sheet after modification. The modification of the PFA sheet surface is performed by excimer laser beam LB (
[0057]
The analysis method is analysis by X-ray photoelectron spectroscopy (hereinafter referred to as “XPS”). The apparatus used for this XPS method is ESCALAB-220i manufactured by VG.
[0058]
As a sample processing method, the sample was cut into an appropriate size and subjected to XPS measurement. The X-ray source is monochromatic AlKα, the analysis region is about 1 mmφ, and the detection depth is several nm.
[0059]
The analysis results are as follows.
[0060]
FIG. 11 shows the XPS wide spectrum of the PFA sheet before modification, and FIG. 12 shows the modified PFA sheet. Fluorine (F) is strongly detected from the surface of the PFA sheet before modification, but after modification, the peak intensity of fluorine (F) is drastically reduced, and it was not detected from the sheet before modification. , N were detected. The table of FIG. 13 summarizes the composition ratio of each element on the surface of the PFA sheet before and after the modification.
[0061]
14 and 15 show C1 before and after reforming.SOnly the portion of the spectrum is shown enlarged. C1 before reformingSFrom the peak binding energy, C on the sheet surface is C-F.2The C on the modified sheet surface is considered to be C—C or C bonded to C—H. Furthermore, the modified C1SIn the peak, a small shoulder is recognized around 288 eV. From this shoulder binding energy, it is considered that C = O or C bonded to CHF also exists on the surface.
[0062]
As described above, the chemical state of the surface C and the composition ratio of the surface were clearly changed before and after the modification of the fluororesin, and a very high effect of the modification was recognized.
[0063]
In particular, from the surface of the modified PFA sheet, as shown in FIG. 13, fluorine (F), which was present at 69.2 atm% before the modification, is present at 0.3 atm% after the modification. It can be seen that the film is almost completely modified.
[0064]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the present invention, a thin film is formed on a workpiece with an ultraviolet absorbing solution (a solution containing an amine solvent), and an ultraviolet transmitting member is placed thereon, and a pressing force is applied. By controlling the thickness, the thickness of the thin film can be kept uniform, and by performing laser irradiation, stable reforming can be performed. The solution used is safe because it has a low concentration. Furthermore, a desired modification can be efficiently realized by controlling the number of laser repetitions.
[0065]
Furthermore, in the present invention, by using only a low-concentration pyridine aqueous solution when the solvent is pure water (distilled water) as a solution containing an amine solvent, a desired modification condition (safer and higher efficiency) The present inventors have found a modification method and apparatus capable of realizing hydrophilicity and lipophilicity) and adhesive strength.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing a main part of a surface modification apparatus for a fluorine resin to which a surface modification method for a fluorine resin according to an embodiment of the present invention is applied.
FIG. 2 is a block diagram showing a fluororesin surface modification apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a plan view showing a processing stage.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a processing stage.
FIG. 5 is a chemical formula showing the molecular structure of PFA.
FIG. 6 is a graph showing experimental results.
FIG. 7 is a graph showing experimental results.
FIG. 8 is a graph showing toxicity data for amines.
FIG. 9 is a graph showing experimental results.
FIG. 10 is a graph showing experimental results.
FIG. 11 is a graph showing the analysis results.
FIG. 12 is a graph showing the analysis results.
FIG. 13 is a chart showing analysis results.
FIG. 14 is a graph showing an analysis result.
FIG. 15 is a graph showing the analysis results.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11: Laser generator, 20: Fluorine-based resin molding, 30: Solution containing amine solvent, 31: Ultraviolet transmitting member, 32: Film thickness control device.
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