JP5672992B2 - Hydrophilization method of plastic surface - Google Patents

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Description

本発明は、プラズマ処理を利用してプラスチック材料の表面を親水化するプラスチック表面の親水化方法に関する。   The present invention relates to a method for hydrophilizing a plastic surface, which uses a plasma treatment to hydrophilize the surface of a plastic material.

プラスチックのような高分子材料は、軽量であり、低コストで容易に加工できることから、身の回りの様々な製品の製造原料として利用されている。中でも、飲食品等を収容する容器や包装の多くはプラスチック製であるが、元来、プラスチックは疎水性材料であるので、そのままでは接着や印刷を施すことができない。このため、高分子材料の接着性や印刷性を向上させることを目的として、コロナ放電やプラズマを用いた表面処理が試みられている。   Polymer materials such as plastic are lightweight and can be easily processed at low cost, and are therefore used as raw materials for manufacturing various products around us. Among them, most containers and packaging for storing food and drink are made of plastic. However, since plastic is originally a hydrophobic material, it cannot be bonded or printed as it is. For this reason, surface treatment using corona discharge or plasma has been attempted for the purpose of improving the adhesion and printability of the polymer material.

例えば、下記特許文献1では、フッ素系樹脂表面の接着性等の低さを改善するために、プラズマエッチング、イオンビームエッチング、コロナ放電処理等の方法を用いてフッ素系樹脂の表面粗さを増大させた後に、親水性薄膜を形成することを提案し、シリコン系親水性薄膜を形成したことによってフッ素系樹脂表面の親水性が改善されることを記載する。また、下記特許文献2では、酸素ガスを用いて形成した高い電子密度のプラズマにプラスチックを曝すことによってプラスチックの表面の親水性を向上させる方法を記載する。   For example, in Patent Document 1 below, the surface roughness of the fluororesin is increased by using methods such as plasma etching, ion beam etching, and corona discharge treatment in order to improve the low adhesion of the fluororesin surface. Then, it is proposed to form a hydrophilic thin film, and it is described that the hydrophilicity of the fluororesin surface is improved by forming the silicon hydrophilic thin film. Patent Document 2 below describes a method for improving the hydrophilicity of a plastic surface by exposing the plastic to a high electron density plasma formed using oxygen gas.

特許第3274669号公報Japanese Patent No. 3274669 特開2003−342400号公報JP 2003-342400 A

上記特許文献1の方法では、付与された親水性を持続可能な期間は薄膜の表面接着性に依存すると考えられるが、この点については不明であり、親水性がどの程度維持可能であるかは定かでない。   In the method of Patent Document 1, it is considered that the imparted hydrophilicity is dependent on the surface adhesiveness of the thin film for a sustainable period, but this point is unclear and how much hydrophilicity can be maintained. Not sure.

上記特許文献2では、ポリエステル表面の向上した親水性が15日間維持されたことを記載するが、ポリプロピレンについては親水化されないことが記載されており、この方法は、ポリエステル素材に限定された方法である。従って、ポリエステル以外のプラスチックについて適用可能で、プラスチック素材表面の親水性を長期間持続可能な親水化方法について開発する必要がある。   In the above-mentioned Patent Document 2, it is described that the improved hydrophilicity of the polyester surface is maintained for 15 days, but it is described that polypropylene is not hydrophilized, and this method is a method limited to polyester materials. is there. Therefore, it is necessary to develop a hydrophilization method that can be applied to plastics other than polyester and can maintain the hydrophilicity of the plastic material surface for a long period of time.

本発明の課題は、上述の問題を解決し、スチレン樹脂やポリオレフィン等の汎用性プラスチック素材に適用可能で、表面に付与される親水性が長期間持続可能なプラスチック表面の親水化方法を提供することである。   The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a method for hydrophilizing a plastic surface that can be applied to general-purpose plastic materials such as styrene resin and polyolefin, and the hydrophilicity imparted to the surface is sustainable for a long period of time. That is.

上記課題を解決するために、本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、ガスプラズマを発生させる条件によって、プラスチック表面に付与される親水性の経時劣化を抑制可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。   In order to solve the above problems, the present inventors have conducted extensive research and found that hydrophilic deterioration over time imparted to the plastic surface can be suppressed depending on the conditions under which gas plasma is generated. The invention has been completed.

本発明の一態様によれば、プラスチック表面の親水化方法は、プラズマ発生位置との距離がイオン種の平均自由工程より小さくなる位置にプラスチックを配置し、希ガスを1.0×10 −2 Torr以下のガス圧で供給してプラズマを発生させてイオンをプラスチック表面に作用させる前処理と、親水基の導入原料となるガスを供給してプラズマを発生させてラジカルを選択的にプラスチック表面に作用させる親水化処理とを有することを要旨とする。 According to one aspect of the present invention, the method for hydrophilizing a plastic surface includes disposing a plastic at a position where the distance from the plasma generation position is smaller than the mean free path of the ion species, and supplying a rare gas at 1.0 × 10 −2. A pre-treatment for generating plasma by generating a plasma by supplying a gas pressure of less than Torr, and supplying a gas as a raw material for introducing hydrophilic groups to generate a plasma to selectively generate radicals on the plastic surface. It has a gist of having a hydrophilization treatment to act.

本発明によれば、疎水性プラスチックの表面改質を効率よく行い、プラスチック表面に付与される親水性の経時劣化を抑制して長期間の持続を可能とし、高品質な素材を製造することができるので、生体適合性を要する医療関連分野や、部品等の耐用年数を確保するために耐久性の高いプラスチック素材の親水化を必要とする様々な装置・器機分野において有用なプラスチック素材を提供できる。   According to the present invention, it is possible to efficiently modify the surface of a hydrophobic plastic, to suppress the deterioration with time of hydrophilicity imparted to the plastic surface and to maintain a long period of time, and to produce a high-quality material. Therefore, it is possible to provide useful plastic materials in medical-related fields that require biocompatibility, and in various equipment and instrument fields that require hydrophilicity of highly durable plastic materials to ensure the service life of parts, etc. .

本発明に係るプラスチック表面の親水化方法を実施可能なプラズマ発生装置の一実施形態を示す概略構成図。The schematic block diagram which shows one Embodiment of the plasma generator which can implement the hydrophilization method of the plastic surface which concerns on this invention. 本発明に係るプラスチック表面の親水化方法における親水化処理の効果を示すグラフ。The graph which shows the effect of the hydrophilization process in the hydrophilization method of the plastic surface which concerns on this invention. 本発明に係るプラスチック表面の親水化方法における前処理の効果を示すグラフ。The graph which shows the effect of the pre-processing in the hydrophilization method of the plastic surface which concerns on this invention. 本発明に係るプラスチック表面の親水化方法による表面の変化を示すスペクトル。The spectrum which shows the change of the surface by the hydrophilization method of the plastic surface which concerns on this invention. 本発明に係るプラスチック表面の親水化方法の前処理におけるガス圧の影響を示すグラフ。The graph which shows the influence of the gas pressure in the pre-processing of the hydrophilization method of the plastic surface which concerns on this invention. 本発明に係るプラスチック表面の親水化方法の前処理における被処理体位置の影響を示すグラフ。The graph which shows the influence of the to-be-processed object position in the pre-processing of the hydrophilization method of the plastic surface which concerns on this invention. 本発明に係るプラスチック表面の親水化方法の前処理におけるガスの種類による影響を示すグラフ。The graph which shows the influence by the kind of gas in the pre-processing of the hydrophilization method of the plastic surface which concerns on this invention.

一般に、気体分子に電圧を付加すると、ある電圧において気体の絶縁が破壊され、高い運動エネルギーを持った電子の衝撃を受けた気体分子が解離して、電子、ラジカル、イオン、或いは励起電子等の化学種を含んだプラズマ状態を形成する。この中で、イオン種は、失速電子との再結合によって急速に消滅するが、ラジカル種は、これらに比べて寿命が長い。従って、高圧系でのプラズマ処理では、イオン種の平均自由工程が小さく、この内に被処理体を配置することが困難であるため、実質的にラジカル種による処理となるが、低圧系でのプラズマ処理では、被処理体の配置条件によって、イオン種の平均自由工程内におけるイオン種及びラジカル種の共存処理になる場合と、イオン種の平均自由工程外におけるラジカル種単独による処理になる場合とに分かれる。   In general, when a voltage is applied to a gas molecule, the insulation of the gas is broken at a certain voltage, and the gas molecule that has been bombarded with electrons with high kinetic energy dissociates, resulting in electrons, radicals, ions, or excited electrons. A plasma state containing chemical species is formed. Among them, ionic species rapidly disappear due to recombination with stalled electrons, but radical species have a longer life than these. Therefore, in plasma processing in a high-pressure system, the mean free path of ion species is small, and it is difficult to place an object to be processed in this, so that it is substantially a treatment with radical species. In the plasma treatment, depending on the arrangement conditions of the object to be processed, there are cases in which ion species and radical species coexist in the mean free process of ion species, and cases in which treatment is performed by radical species alone outside the mean free process of ion species. Divided into

本願発明者等は、プラスチック被処理体をプラズマ処理する際のプラズマ発生条件を様々に変化させてプラスチック表面の親水化処理を試みたところ、特定の条件において処理した場合にプラスチック表面に施された親水性を長期間持続させることが可能であり、それがプラズマの化学種に関係することを見出した。具体的には、本発明のプラスチック表面の親水化方法は、プラスチック被処理体にイオン種が作用可能な状態でプラズマを供給する前処理と、プラスチック被処理体にラジカル種が単独で作用可能な状態でプラズマを供給する親水化処理とを施すことを特徴とする。前処理では、プラズマ中のイオン種が被処理体に作用することが肝要であり、親水化処理では、被処理体にラジカル種が選択的に作用してイオン種は実質的に作用しないことが肝要である。   The inventors of the present application tried to hydrophilize the plastic surface by variously changing the plasma generation conditions when the plastic object was plasma treated. When the plastic surface was treated under specific conditions, it was applied to the plastic surface. It has been found that hydrophilicity can be sustained for a long period of time, which is related to the plasma species. Specifically, in the method for hydrophilizing a plastic surface according to the present invention, pretreatment for supplying plasma in a state where ionic species can act on a plastic object to be treated, and radical species can act on the plastic object to be treated alone. And a hydrophilic treatment for supplying plasma in a state. In the pretreatment, it is important that ion species in the plasma act on the object to be treated. In the hydrophilic treatment, radical species may selectively act on the object to be treated, and the ion species may not substantially act. It is essential.

本発明において前処理のイオン種がどの様に機能するかは定かでない点が多いが、イオン種の衝突によって、ラジカル種と反応し易い活性サイトが生成することで、後続の親水化(親水基の導入)が促進されることや、イオン種はラジカル種に比べて被処理体の深部までエネルギーを供給し易く、深部の空隙の充填や緻密化、或いは、後続の親水化処理においてラジカル種の被処理体深部への反応及び親水基導入を促進することなどが考えられる。   In the present invention, it is not certain how the pretreated ionic species function. However, the collision of the ionic species generates an active site that easily reacts with the radical species. And the ionic species are easier to supply energy to the deep part of the object to be processed than the radical species, and the radical species can be filled or densified in the deep part or in the subsequent hydrophilization treatment. It is conceivable to promote the reaction and the introduction of hydrophilic groups in the deep part of the object.

本発明のプラスチック表面の親水化方法について、図面を参照して、以下に詳細に説明する。   The method for hydrophilizing a plastic surface according to the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

(親水化処理方法を実施する装置)
本発明のプラスチック表面の親水化処理方法は、プラズマを発生可能な装置を用いて実施され、装置の作動条件を前処理及び親水化処理の各条件に設定可能であればよい。装置の一例として、例えば、図1のようなECRプラズマ発生装置等が挙げられる。図1のECRプラズマ発生装置1は、プラスチック製の被処理体Sを支持するための台3及びコイル5を備えるチャンバ7を有し、真空ポンプ(図示略)等を用いて排気口9から脱気することによってチャンバ7内は減圧され、ガス導入口11から供給するガス量を調節することによってチャンバ内圧を制御可能に構成されている。マイクロ波発生装置13によって発生されるマイクロ波は、方向性結合器15及びチューナー17によって波動方向及び周波数が調節され、導波管19を介してチャンバ上部の石英窓21からチャンバ7内に導入され、コイル5による磁場とマイクロ波とによる電子サイクロトロン共鳴(ECR)によって、コイル5内側にプラズマPが発生する。エネルギーを得たガス分子中の電子が原子と解離し、若しくは、ガス分子と衝突し、中性分子(又は原子)やイオン(荷電粒子)が生成する。
(Apparatus for carrying out the hydrophilic treatment method)
The method for hydrophilizing a plastic surface according to the present invention is carried out using an apparatus capable of generating plasma, and it is sufficient that the operating conditions of the apparatus can be set to the pretreatment and hydrophilization conditions. An example of the apparatus is an ECR plasma generator as shown in FIG. The ECR plasma generator 1 shown in FIG. 1 has a chamber 7 having a base 3 and a coil 5 for supporting a plastic workpiece S, and is removed from the exhaust port 9 using a vacuum pump (not shown). The inside of the chamber 7 is depressurized by gassing, and the internal pressure of the chamber can be controlled by adjusting the amount of gas supplied from the gas inlet 11. The direction and frequency of the microwave generated by the microwave generator 13 are adjusted by the directional coupler 15 and the tuner 17, and are introduced into the chamber 7 from the quartz window 21 at the upper part of the chamber via the waveguide 19. The plasma P is generated inside the coil 5 by electron cyclotron resonance (ECR) due to the magnetic field and microwave generated by the coil 5. The electrons in the gas molecules that have obtained energy dissociate from the atoms or collide with the gas molecules, and neutral molecules (or atoms) and ions (charged particles) are generated.

プラズマ中の分子又は原子の存在範囲は、平均自由工程として求めることができ、前述したように、プラズマ中のイオン種は、ラジカル種より平均自由工程が小さいので、プラズマの発生位置と被処理体との距離によって、被処理体に到達する化学種の割合が変化する。具体的には、プラズマ発生位置と被処理体との距離がイオン種の平均自由工程内であれば、ラジカル種及びイオン種が到達し、距離が伸びるに従ってイオン種の到達量は減少する。イオン種の平均自由工程外では、イオン種は到達せずラジカル種が到達する。平均自由工程は、下記式に従って求めることができ(式中、R:気体定数、T:温度、NA:アボガドロ数、σ:衝突断面積、p:圧力)、ガスの圧力が低下すれば、平均自由工程は増大するので、プラズマを発生させるガス圧によっても、被処理体に到達する化学種の制御は可能である。 The existence range of molecules or atoms in plasma can be obtained as an average free process. As described above, since the ion free species in plasma has a smaller average free process than radical species, the generation position of the plasma and the object to be processed The ratio of the chemical species that reaches the object to be processed changes depending on the distance between the Specifically, if the distance between the plasma generation position and the object to be processed is within the mean free path of the ion species, the radical species and the ion species reach, and the arrival amount of the ion species decreases as the distance increases. Outside the mean free path of ionic species, the ionic species do not reach and the radical species reach. The mean free path can be determined according to the following formula (where R: gas constant, T: temperature, N A : Avogadro number, σ: collision cross section, p: pressure), and if the gas pressure decreases, Since the mean free path increases, the chemical species reaching the object to be processed can also be controlled by the gas pressure for generating plasma.

平均自由工程λ=RT/(21/2×NA×σ×p)
従って、プラズマ発生位置(つまりコイル内側)と被処理体との距離をチャンバ7内の台3の位置の調節によって変更可能に構成したプラズマ発生装置や、チャンバ内のガス圧の調節によってイオン種の平均自由工程を変更可能に構成したプラズマ発生装置においては、本発明の親水化処理方法における前処理及び親水化処理の両方を好適に実施することができる。プラズマ発生位置と被処理体との距離の変更においては、前処理における距離は親水化処理における距離より短くなり、ガス圧の調節においては、前処理におけるガス圧は、親水化処理におけるガス圧より低く調節され、低いガス圧においてイオン種の到達可能距離が長くなる。
Mean free process λ = RT / (2 1/2 × N A × σ × p)
Therefore, a plasma generator configured such that the distance between the plasma generation position (that is, the inside of the coil) and the object to be processed can be changed by adjusting the position of the table 3 in the chamber 7, or the ion species can be adjusted by adjusting the gas pressure in the chamber. In the plasma generator configured to be able to change the mean free process, both the pretreatment and the hydrophilization treatment in the hydrophilization treatment method of the present invention can be suitably performed. In changing the distance between the plasma generation position and the object to be processed, the distance in the pretreatment is shorter than the distance in the hydrophilic treatment, and in adjusting the gas pressure, the gas pressure in the pretreatment is more than the gas pressure in the hydrophilic treatment. It is adjusted low, and the reachable distance of ion species becomes long at low gas pressure.

(前処理)
前処理においては、プラズマ発生位置と被処理体との距離がイオン種の平均自由工程より小さくなる位置に被処理体を配置してプラズマを発生させ、イオン種を被処理体に作用させる。プラズマ中のイオン種は、ラジカル種に比べて寿命が短いので、失速電子との再結合によって急速に消滅し、平均自由工程が小さいが、被処理体をイオン種の平均自由工程内に配置すれば、前処理の効果が得られる。従って、プラズマを発生させるガス圧に関わらず、イオン種の平均自由工程内に被処理体を配置可能である限り、前処理を施すことは可能である。但し、実用的には、ガス圧を低下させて平均自由工程を増加させると、プラズマが拡散してイオン種の到達を調整し易く、条件設定が行い易い。従って、前処理において低いガス圧を適用すると、処理条件を適切に調節してイオン種を良好に被処理体に作用させることが容易である。このような点から、好ましくは1.0×10-2Torr以下、より好ましくは5.0×10-3Torr以下のガス圧に設定すると好適である。前処理においてプラズマ発生に使用するガスは、被処理体に対して不活性なガスが好適であり、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノン等の希ガスが好ましく、これらの希ガスを単独又は2種以上を組み合わせて用いても良い。中でもアルゴン及びヘリウムが好ましく、アルゴンが最も有効であり、後続の親水化処理によって付与される親水性を長期間持続させる効果が高い。前処理に供給されるガスは、上述の不活性なガス以外のガスを含んでも良いが、希ガスの割合が低下するとそのイオン種の作用が低下するので、希ガスの割合(全ガス流量比)は、好ましくは75%以上、より好ましくは90%以上であると良い。
(Preprocessing)
In the pretreatment, the object to be processed is disposed at a position where the distance between the plasma generation position and the object to be processed is smaller than the average free process of the ion species to generate plasma, and the ion species are applied to the object to be processed. Since ion species in plasma have a shorter lifetime than radical species, they disappear rapidly due to recombination with stalled electrons, and the mean free path is small, but the object to be processed is placed within the mean free process of the ion species. In this case, the effect of pretreatment can be obtained. Therefore, regardless of the gas pressure for generating plasma, pretreatment can be performed as long as the object to be processed can be arranged in the mean free process of ion species. However, practically, when the gas pressure is reduced and the mean free path is increased, the plasma diffuses and it is easy to adjust the arrival of the ion species and the conditions are easily set. Therefore, when a low gas pressure is applied in the pretreatment, it is easy to appropriately adjust the treatment conditions and cause the ionic species to act well on the workpiece. From such a point, it is preferable to set the gas pressure to 1.0 × 10 −2 Torr or less, more preferably 5.0 × 10 −3 Torr or less. The gas used for plasma generation in the pretreatment is preferably a gas that is inert to the object to be processed, and is preferably a rare gas such as argon, helium, neon, krypton, or xenon. You may use combining a seed | species or more. Among these, argon and helium are preferable, and argon is the most effective, and has a high effect of maintaining the hydrophilicity imparted by the subsequent hydrophilization treatment for a long period of time. The gas supplied to the pretreatment may contain a gas other than the inert gas described above, but when the ratio of the rare gas decreases, the action of the ionic species decreases, so the ratio of the rare gas (total gas flow ratio) ) Is preferably 75% or more, more preferably 90% or more.

前処理においては、イオン種だけでなくラジカル種も被処理体に作用し、被処理体表面ではイオン種の物理的作用とラジカル種の化学的作用が競合する。イオン種の物理的作用によって、巨視的には被処理体表面積を増加し、微視的には高分子鎖の破断や表面水素の解離等を生じて活性サイトを増加し、ラジカルとの反応を容易にする。アルゴンイオンは、ラジカル種や酸素由来の化学種に比べて重いので、プラズマ発生部位より下方に配置する被処理体はアルゴンイオンの作用を受け易い。   In the pretreatment, not only ionic species but also radical species act on the object to be treated, and the physical action of the ionic species and the chemical action of the radical species compete on the surface of the object to be treated. Due to the physical action of ionic species, the surface area of the object to be treated is increased macroscopically, and microscopically, polymer sites are broken and surface hydrogen is dissociated to increase the active sites and react with radicals. make it easier. Since argon ions are heavier than radical species or oxygen-derived chemical species, the object to be processed disposed below the plasma generation site is susceptible to the action of argon ions.

チャンバに供給されるガスが、酸素や窒素等の親水化作用を有するガスを含んでいると、酸素ラジカル等による化学的作用により親水基の導入反応も同時に進行し得る。しかし、実際には親水基の導入効率は低く、その原因は定かではないが、イオン種とラジカル種とが競合する状態では、ラジカル種によって被処理体表面に導入された官能基が、イオン種によって脱離したり、活性化・分解したりすると考えられる。   If the gas supplied to the chamber contains a gas having a hydrophilizing action such as oxygen or nitrogen, a hydrophilic group introduction reaction can proceed simultaneously due to a chemical action by oxygen radicals or the like. However, the introduction efficiency of the hydrophilic group is actually low and the cause is not clear. However, in a state where the ionic species and the radical species compete with each other, the functional group introduced to the surface of the object by the radical species becomes an ionic species. It is thought that it is detached or activated / decomposed.

前処理は、被処理体表面を活性化させる処理であるので、他のエネルギー供給手段を併用しても良く、例えば、紫外線等の放射線照射を前処理中に施してもよい。   Since the pretreatment is a treatment for activating the surface of the object to be treated, other energy supply means may be used in combination. For example, irradiation with ultraviolet rays or the like may be performed during the pretreatment.

(親水化処理)
プラスチック表面の親水化は、親水基の導入が無くても可能であり、希ガスプラズマによる処理では、表面の粗面化によって親水性が高まる。しかし、この効果のみでは十分ではなく、プラスチック表面の水に対する接触角が20度程度以下に低下するような親水化には親水基の導入が必要である。このためには、親水化作用を有するガスが用いられ、チャンバに親水化作用を有するガスを供給してプラズマを発生させる。親水化作用を有するガスは、親水基の由来となる原料ガスを含有し、原料ガスから生成するラジカル種がプラスチック被処理体の表面に衝突して化学反応により親水基が導入される。親水基の原料となる原料ガスとしては、酸素、窒素、二酸化炭素等が挙げられるが、導入される親水基が付与する親水性の高さの点において、特に酸素が好ましく、水酸基、カルボニル基等が導入される。チャンバに供給するガスは、原料ガス単独である必要はなく、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノン等の希ガスを含む混合ガスであっても良く、この場合、原料ガスの割合が高い方が処理効率は高い。従って、原料ガス/希ガスの混合ガスを用いて好適に親水化するには、原料ガスの割合が、好ましくは20%程度以上(全ガス流量比)、より好ましくは50%程度以上であるとよい。親水化処理は、ガス圧が高い方が進行し易い傾向があり、この傾向は、混合ガスを用いた場合により顕著になる。このような傾向が生じる理由は、ガス圧が高いと被処理体に入射するラジカルの選択性が高くなり、ラジカル種による化学的作用、つまり、親水基導入を受け易いことによると考えられる。従って、親水化処理におけるガス圧は、ラジカル種を被処理体に好適に作用させるために、好ましくは0.01Torr程度以上、より好ましくは0.1Torr程度以上に調節するとよく、大気圧でのプラズマ処理による親水化処理は有用である。低圧における親水化処理は、イオンが到達し得る領域外に被処理体を配置することによって可能であるが、処理効率の点からガス圧が高い方が良い。
(Hydrophilic treatment)
Hydrophilization of the plastic surface is possible without introducing hydrophilic groups, and in the treatment with rare gas plasma, the hydrophilicity is increased by roughening the surface. However, this effect alone is not sufficient, and the introduction of a hydrophilic group is necessary for hydrophilization such that the contact angle of water on the plastic surface is lowered to about 20 degrees or less. For this purpose, a gas having a hydrophilizing action is used, and a plasma having a hydrophilizing action is supplied to the chamber to generate plasma. The gas having a hydrophilizing action contains a raw material gas from which a hydrophilic group is derived, and a radical species generated from the raw material gas collides with the surface of the plastic workpiece and a hydrophilic group is introduced by a chemical reaction. Examples of the raw material gas used as a raw material for the hydrophilic group include oxygen, nitrogen, carbon dioxide, etc., but oxygen is particularly preferable in terms of the high hydrophilicity imparted by the introduced hydrophilic group, and a hydroxyl group, a carbonyl group, and the like. Is introduced. The gas supplied to the chamber does not need to be a source gas alone, and may be a mixed gas containing a rare gas such as argon, helium, neon, krypton, xenon, etc. Processing efficiency is high. Therefore, in order to suitably hydrophilize using a mixed gas of source gas / rare gas, the ratio of the source gas is preferably about 20% or more (total gas flow ratio), more preferably about 50% or more. Good. Hydrophilization treatment tends to proceed more easily when the gas pressure is higher, and this tendency becomes more prominent when a mixed gas is used. The reason for this tendency is considered to be that when the gas pressure is high, the selectivity of radicals incident on the object to be processed is high, and chemical action by radical species, that is, easy introduction of a hydrophilic group. Therefore, the gas pressure in the hydrophilization treatment is preferably adjusted to about 0.01 Torr or more, more preferably about 0.1 Torr or more in order to allow radical species to act on the object to be treated. Hydrophilization treatment by treatment is useful. Hydrophilic treatment at low pressure is possible by arranging the object to be processed outside the region where ions can reach, but higher gas pressure is better in terms of processing efficiency.

被処理体にイオン種を作用させる前処理においては、イオン種とラジカル種とが競合するので、前処理と親水化処理とを同時に施す可能性が期待される。しかし、イオン種による前処理の効果は、酸素ガスを単独で用いた場合には充分に得られず、処理後の親水性は経時劣化し易い。このため、供給ガスはアルゴン等の希ガスを含む必要があるが、酸素及びアルゴンの混合ガスを用いたプラズマによってイオン種を作用させると、ラジカル種によって導入される親水基がイオン種の作用によって脱離等を起こし、親水化は困難になる。このため、前処理及び親水化処理の同時実施は困難であり、イオン種が作用した後にはラジカル種が選択的に作用することが肝要である。   In the pretreatment in which the ionic species are allowed to act on the object to be treated, the ionic species and the radical species compete with each other, so that the possibility of performing the pretreatment and the hydrophilization treatment at the same time is expected. However, the effect of pretreatment with ionic species cannot be sufficiently obtained when oxygen gas is used alone, and the hydrophilicity after treatment tends to deteriorate with time. For this reason, the supply gas needs to contain a rare gas such as argon. However, when ion species are caused to act by plasma using a mixed gas of oxygen and argon, the hydrophilic group introduced by the radical species is caused by the action of the ion species. Desorption occurs, making it difficult to make it hydrophilic. For this reason, it is difficult to simultaneously perform the pretreatment and the hydrophilization treatment, and it is important that the radical species selectively act after the ionic species act.

従って、前処理とは分離した親水化処理が必要であり、前処理において親水化処理が同時進行するような条件(原料ガス由来ラジカルと希ガスイオンが競合する)の場合でも、この後に親水化処理単独(ラジカル種の選択的作用)の状態を確保する必要がある。   Therefore, a hydrophilization treatment that is separate from the pretreatment is required, and even under conditions where the hydrophilization treatment proceeds simultaneously in the pretreatment (radicals derived from source gas and rare gas ions compete) It is necessary to ensure the state of treatment alone (selective action of radical species).

ラジカル種は、反応性が高いが、被処理体に衝突した際に与えるエネルギーは比較的小さく、被処理体に対する作用は表面近辺に限られると考えられる。これに対し、イオン種は、ラジカル種に比べて重く、被処理体に衝突した際に与えるエネルギーが大きいので、被処理体深部にまでエネルギーが伝播すると考えられる。このことから、被処理体に付与された親水性が経時劣化する現象は、イオン種のみが作用し得る領域又は機能に関連すると思われ、例えば、イオン種の衝突によって被処理体の表面が粗面化すると共に深部の材料構造(空隙等)を変化させ、表面に導入された親水基が徐々に内部に潜り込み難くすることや、イオン種によって被処理体深部に供給されたエネルギーによって深部が活性化して、後続の親水化処理において深部に親水基が導入され易くなり、表面の親水基が内部に潜り込むのを抑制すること等が考えられる。   The radical species is highly reactive, but the energy given when it collides with the object to be processed is relatively small, and the action on the object to be processed is considered to be limited to the vicinity of the surface. On the other hand, the ion species is heavier than the radical species and gives a large amount of energy when it collides with the object to be treated. Therefore, it is considered that the energy propagates to the deep part of the object to be treated. From this, the phenomenon that the hydrophilicity imparted to the object to be treated deteriorates with time seems to be related to the region or function in which only the ion species can act. For example, the surface of the object to be treated is roughened by collision of the ion species. As the surface area is changed, the material structure (voids, etc.) in the deep part is changed to make it difficult for the hydrophilic group introduced into the surface to gradually enter the inside, and the deep part is activated by the energy supplied to the deep part of the object by the ion species. Thus, in the subsequent hydrophilization treatment, it is easy to introduce a hydrophilic group in the deep part, and it is considered that the hydrophilic group on the surface is suppressed from entering the inside.

ラジカル種の選択的作用による親水化処理は、単に親水基の導入だけでなく、前処理によって被処理体に供給されたエネルギーを消費して被処理体を安定な状態に戻す機能もあると考えられる。イオン種の作用によって被処理体に供給されたエネルギーは、被処理体深部や表面の有機基等を活性化するので、そのままでは、被処理体表面に親水基があっても残留エネルギーによる影響を受けて、表面の親水性が失われるとが考えられるが、ラジカル種の選択的作用によって残留エネルギーが消費されると、親水基の安定性が高まると思われる。   The hydrophilization treatment by the selective action of radical species is considered not only to introduce hydrophilic groups, but also to have the function of returning the object to be processed by consuming the energy supplied to the object by pretreatment. It is done. The energy supplied to the object to be processed by the action of the ionic species activates the deep part of the object to be processed and the organic groups on the surface. However, it is considered that the hydrophilicity of the surface is lost, but when the residual energy is consumed by the selective action of radical species, the stability of the hydrophilic group is considered to increase.

(実施形態及び応用)
上述から、本発明の親水化方法の一実施形態として以下のような手順が挙げられる。この実施形態においては、前処理に供給するガスとしてアルゴンガスが、親水基を導入する原料ガスとして酸素ガスが用いられる。
(Embodiments and applications)
From the above, the following procedure can be cited as an embodiment of the hydrophilization method of the present invention. In this embodiment, argon gas is used as the gas supplied to the pretreatment, and oxygen gas is used as the raw material gas for introducing the hydrophilic group.

チャンバ7内において、コイル5の約30cm下方に被処理体としてプラスチック基板を配置する。真空ポンプでチャンバ7内を排気しながら、チャンバ内圧が3×10-3Torr程度となるようにアルゴンガスを導入し、マイクロ波発振器15を作動させてプラズマを生成し、被処理体をばく露する(前処理)。この後に連続して、チャンバ内圧が0.1Torr程度となるように酸素、又は、アルゴン/酸素混合ガスを導入してプラズマを生成し、被処理体をばく露する(親水化処理)。 In the chamber 7, a plastic substrate is disposed as an object to be processed about 30 cm below the coil 5. While evacuating the chamber 7 with a vacuum pump, argon gas is introduced so that the chamber internal pressure becomes about 3 × 10 −3 Torr, the microwave oscillator 15 is activated to generate plasma, and the object to be processed is exposed. (Pre-processing) Subsequently, oxygen or an argon / oxygen mixed gas is introduced so that the chamber internal pressure becomes about 0.1 Torr, plasma is generated, and the object to be processed is exposed (hydrophilic treatment).

コイル内側で生じたプラズマは被処理体上方に局在する。イオン種はラジカル種に比べて寿命が短いため、低圧の前処理では被処理体に到達するが、内圧を高めた親水化処理では、被処理体への到達前に殆ど消失するので、ラジカル種のみが選択的に被処理体に作用する。前処理で生成した活性サイトに酸素ラジカルが選択的に作用して親水基が導入され、活性サイトは安定化する。これにより、親水性が付与されて長期間の持続が可能となる。親水化処理における雰囲気中の酸素濃度が高いほど、高い親水性を付与することが可能である。換言すれば、アルゴン/酸素混合ガスにおける酸素の濃度を調節することで、被処理体に付与する親水性を調節可能である。   Plasma generated inside the coil is localized above the object to be processed. Since ionic species have a shorter life than radical species, they reach the object to be treated by low-pressure pretreatment. Only selectively acts on the workpiece. Oxygen radicals act selectively on the active sites generated by the pretreatment to introduce hydrophilic groups, and the active sites are stabilized. Thereby, hydrophilicity is imparted and long-term sustainability is possible. The higher the oxygen concentration in the atmosphere in the hydrophilic treatment, the higher the hydrophilicity can be imparted. In other words, the hydrophilicity imparted to the object to be processed can be adjusted by adjusting the concentration of oxygen in the argon / oxygen mixed gas.

前処理及び親水化処理の効果の程度は、処理によって被処理体に供給されるエネルギーに依存するので、処理時間が長いほど効果は増大する。プラズマの発生状態は、プラズマ発生装置の構造設計等によって異なるので、一定のプラズマ発生条件において実際に被処理体に付与される親水性のデータに基づいて、被処理体の配置及びガスの供給条件(ガス圧、混合ガスの場合の濃度割合)等を適宜変更することによって処理条件を適正化し、必要とされる親水性に応じて処理時間を設定することができる。   Since the degree of the effect of the pretreatment and the hydrophilization treatment depends on the energy supplied to the object to be treated by the treatment, the effect increases as the treatment time increases. Since the plasma generation state varies depending on the structure design of the plasma generator, etc., the arrangement of the target object and the gas supply conditions based on the hydrophilicity data actually given to the target object under certain plasma generation conditions By appropriately changing (gas pressure, concentration ratio in the case of mixed gas) and the like, the processing conditions can be optimized, and the processing time can be set according to the required hydrophilicity.

チャンバ7内の台3が可動式である場合、台3の移動によって前処理と親水化処理との切り替えが可能である。この場合、例えば、供給ガスとして、アルゴンと酸素との混合ガスを用い、チャンバ内圧を3×10-3Torr程度の低圧に維持してアルゴンイオンが達成可能な領域内に被処理体を配置してプラズマを発生させることで前処理が施され、この後、台3をコイル5から遠ざけて被処理体をイオンが達成可能な領域の外へ移動することによって、酸素ラジカルが作用して親水化処理が施される。 When the table 3 in the chamber 7 is movable, the pretreatment and the hydrophilic treatment can be switched by moving the table 3. In this case, for example, a mixed gas of argon and oxygen is used as the supply gas, and the object to be processed is arranged in a region where argon ions can be achieved while maintaining the chamber internal pressure at a low pressure of about 3 × 10 −3 Torr. Then, pretreatment is performed by generating plasma, and thereafter, the base 3 is moved away from the coil 5 and the object to be processed is moved out of the region where ions can be achieved. Processing is performed.

上述した本発明のプラスチック表面の親水化方法は、ポリオレフィン主鎖のような安定な分子結合に親水基を導入できるので、様々なプラスチック素材に適用でき、例えば、ナイロン−6、ナイロン−66、ナイロン−11、ナイロン−12、ナイロン−610、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリフッ化ビニリデン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリα−メチルスチレン、ポリカーボネート、ポリメタクリロニトリル、ポリアクリル酸、ポリメチルメタクリレート、ポリアクリロニトリル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリエチルメタクリレート、ポリ酢酸ビニル、ポリn−ブチルメタクリレート、ポリ乳酸、ポリアミド、スチレン−アクリロニトリル共重合体、等が挙げられる。   The above-described method for hydrophilizing a plastic surface according to the present invention can introduce a hydrophilic group into a stable molecular bond such as a polyolefin main chain, and thus can be applied to various plastic materials such as nylon-6, nylon-66, nylon, and the like. -11, nylon-12, nylon-610, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyvinylidene fluoride, polyether ether ketone, poly α-methylstyrene, polycarbonate, polymethacrylonitrile, polyacrylic acid, polymethyl methacrylate, polyacrylonitrile Polyethylene, polypropylene, polystyrene, polyvinyl chloride, polyethyl methacrylate, polyvinyl acetate, poly n-butyl methacrylate, polylactic acid, polyamide, styrene-acrylonitrile copolymer, etc. It is below.

以下、実施例を参照して、本発明について詳細に説明する。尚、以下の記載において、ガスの組成割合を示す百分率は、プラズマ中の全ガス流量比によって表示する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. In the following description, the percentage indicating the gas composition ratio is expressed by the total gas flow ratio in the plasma.

<親水化処理及びその効果>
被処理体として、直径25mmのポリスチレン基板を用意し、エタノールで2分間超音波洗浄し、風乾した。これを、図1に示すようなECRプラズマ発生装置(マイクロ波発振周波数:2.45GHz)のチャンバ7内に入れて、コイル5の約30cm下方の台3上に設置した。真空ポンプでチャンバ7内を排気しながら、アルゴンガスを流量15sccmでチャンバに供給してチャンバ内圧3×10-3Torrに維持し、コイル電流30Aの条件でプラズマを発生させて、基板を1分間プラズマ処理した。
<Hydrophilic treatment and its effect>
A polystyrene substrate having a diameter of 25 mm was prepared as an object to be processed, and was ultrasonically cleaned with ethanol for 2 minutes and air-dried. This was placed in a chamber 7 of an ECR plasma generator (microwave oscillation frequency: 2.45 GHz) as shown in FIG. 1 and placed on a table 3 about 30 cm below the coil 5. While evacuating the chamber 7 with a vacuum pump, argon gas is supplied to the chamber at a flow rate of 15 sccm to maintain the chamber internal pressure at 3 × 10 −3 Torr, plasma is generated under the condition of a coil current of 30 A, and the substrate is left for 1 minute. Plasma treatment was performed.

また、上述の操作においてアルゴンガスの流量を変化させてチャンバ内圧を変更させたこと以外は同様にして、ガス圧の異なるプラズマ処理を施したポリスチレン基板を得た。   Further, a polystyrene substrate subjected to plasma treatment with different gas pressures was obtained in the same manner except that the chamber internal pressure was changed by changing the flow rate of argon gas in the above operation.

更に、上述の操作においてチャンバに供給するガスをアルゴンガスからアルゴン/酸素混合ガスに変更して、ガス組成の異なるプラズマ処理を施したポリスチレン基板、及び、異なるガス圧のプラズマ処理を施したポリスチレン基板を得た。   Further, the polystyrene substrate subjected to plasma treatment with different gas composition by changing the gas supplied to the chamber in the above operation from argon gas to argon / oxygen mixed gas, and the polystyrene substrate subjected to plasma treatment with different gas pressure Got.

上述で得たポリスチレン基板の各々について、表面の親水性を評価するために、基板の任意の箇所にシリンジで純水2mlを滴下し、接触角計を用いて接触角を測定した。測定は、水滴の滴下を2箇所に行って各水滴について2箇所で行い、4つの値の平均値を算出した。又、参考のために、未処理のポリスチレン基板についても接触角を測定した。結果を図2のグラフに示す。一般に、接触角が低くなるほど親水性が増加するとみなされる。   In order to evaluate the hydrophilicity of the surface of each of the polystyrene substrates obtained as described above, 2 ml of pure water was dropped onto an arbitrary portion of the substrate with a syringe, and the contact angle was measured using a contact angle meter. The measurement was performed by dropping water droplets at two locations, and at each of the two water droplets at two locations, and calculating an average value of the four values. For reference, the contact angle was also measured for an untreated polystyrene substrate. The results are shown in the graph of FIG. In general, it is considered that the hydrophilicity increases as the contact angle decreases.

元来、疎水性のポリスチレン基板表面の接触角は高いが、図2によれば、プラズマ処理することによって基板表面の水に対する接触角が低下し、親水性が付与されることがわかる。さらに、供給ガス(アルゴン/酸素)中の酸素の割合およびチャンバ内のガス圧を変化させると、プラズマ処理直後の基板表面の接触角は変化し、ガス中の酸素の割合及びチャンバ内圧がそれぞれ増加するほど親水化効果が増大することがわかる。これは、プラズマ中で生じる酸素由来のイオン種又は活性種(ラジカル)が親水性付与に大きく寄与していることを示唆している。   Originally, the contact angle of the hydrophobic polystyrene substrate surface is high, but according to FIG. 2, it can be seen that the plasma treatment reduces the contact angle of the substrate surface with water and imparts hydrophilicity. Furthermore, when the oxygen ratio in the supply gas (argon / oxygen) and the gas pressure in the chamber are changed, the contact angle of the substrate surface immediately after the plasma treatment changes, and the oxygen ratio in the gas and the chamber internal pressure increase, respectively. It can be seen that the more hydrophilic the effect is. This suggests that oxygen-derived ion species or active species (radicals) generated in the plasma greatly contribute to imparting hydrophilicity.

一般に、プラズマ処理においては、基板に対してイオン種による物理的作用(表面への衝突)とラジカル種による化学的作用(表面との化学反応)が競合するが、本装置による操作において、圧力が高くなるにつれてプラズマが基板上方のコイル間に局在する。従って、処理時のガス圧力を高めると、プラズマ−基板間の距離が長くなり、ライフタイムが短いイオン種は基板到達前に消失し易くなるのに対し、ラジカル種は、基板に到達して基板表面との作用及び改質に寄与することになる。従って、図2に見られる高圧側における親水性付与効果の向上は、ラジカル種が選択的に表面と反応することによってもたらされると考えられ、ガス圧0.1Torrにおける接触角が供給ガスの酸素割合と相関性を示すことは、親水化が酸素由来ラジカルによる作用であることを示唆する。又、ガス圧が低い場合の接触角は、アルゴン(つまり酸素以外のガス)の有無によって明確に異なる。つまり、酸素によって導入される親水基がアルゴンイオンによって除去されると理解される。このことから、イオン種は、基板表面を活性化して有機基を解離又は脱離する作用を有し、ラジカル種によって導入された親水基を脱離すると考えられ、酸素より重いアルゴンのイオン種が存在すると、基板に導入された親水基の脱離が著しくなると考えられる。   In general, in plasma treatment, physical action by ion species (collision on the surface) and chemical action by radical species (chemical reaction with the surface) compete with the substrate. As it rises, plasma is localized between the coils above the substrate. Therefore, increasing the gas pressure during processing increases the distance between the plasma and the substrate, and ion species having a short lifetime tend to disappear before reaching the substrate, whereas radical species reach the substrate and reach the substrate. It will contribute to the action and modification with the surface. Therefore, it is considered that the hydrophilicity imparting effect on the high pressure side seen in FIG. 2 is brought about by the selective reaction of radical species with the surface, and the contact angle at a gas pressure of 0.1 Torr is the oxygen ratio of the supply gas. That the hydrophilization is an action by oxygen-derived radicals. Further, the contact angle when the gas pressure is low clearly varies depending on the presence or absence of argon (that is, a gas other than oxygen). That is, it is understood that the hydrophilic group introduced by oxygen is removed by argon ions. From this, it is considered that the ionic species have the action of activating the substrate surface to dissociate or desorb the organic groups, and desorb the hydrophilic groups introduced by the radical species. When it exists, it is thought that the detachment | desorption of the hydrophilic group introduce | transduced into the board | substrate becomes remarkable.

従って、親水化処理による親水性付与効果を好適に得るには、ラジカル種が被処理体に作用し易い高いガス圧において、親水基の原料ガス濃度が高い状態で行うことが好ましいことが解る。   Therefore, it can be seen that, in order to suitably obtain the hydrophilicity imparting effect by the hydrophilization treatment, it is preferable to carry out in a state where the raw material gas concentration of the hydrophilic group is high at a high gas pressure at which radical species easily act on the object to be treated.

アルゴンガスを用いた大気圧プラズマ(大気由来の少量の酸素を含む)によってポリスチレン基板を処理した場合、処理時間2秒間の短い処理によって表面の接触角が約12℃に減少し、高い親水性が得られることを確認している。この処理基板は前処理を施していないので、接触角は6日後には50度まで上昇したが、前処理と組み合わせて実施することによって高い親水性を長期間持続可能となることは、後述の実験結果から明らかである。   When a polystyrene substrate is treated by atmospheric pressure plasma (containing a small amount of oxygen derived from the atmosphere) using argon gas, the contact angle of the surface is reduced to about 12 ° C. by a short treatment of 2 seconds, and high hydrophilicity is obtained. It is confirmed that it can be obtained. Since this treated substrate has not been pretreated, the contact angle increased to 50 degrees after 6 days, but it is possible to maintain high hydrophilicity for a long period of time by combining with the pretreatment. It is clear from the experimental results.

<前処理及びその効果>
(試料の調製)
25mm×25mmのポリスチレン基板を用意し、エタノールで2分間超音波洗浄し、風乾した。これを、ECRプラズマ発生装置(マイクロ波発振周波数:2.45GHz)のチャンバ内に入れて、コイル5の約30cm下方の台3上に設置した。真空ポンプでチャンバ7内を排気しながら、アルゴンガスを流量15sccmでチャンバに供給して、チャンバ内圧3×10-3Torrに維持して、コイル電流28Aの条件でプラズマを発生させ、基板を1分間プラズマ処理した(前処理)。この後、親水化処理として、供給ガスの流量を、アルゴン100sccm、酸素300sccmに変更してアルゴン/酸素混合ガス(酸素含有割合75%)とし、チャンバ内圧を0.1Torrに維持して、コイル電流30Aの条件でプラズマを発生させ、基板を3分間プラズマ処理して(本処理)、試料1のポリスチレン基板を得た。
<Pretreatment and its effects>
(Sample preparation)
A 25 mm × 25 mm polystyrene substrate was prepared, ultrasonically washed with ethanol for 2 minutes, and air-dried. This was put in a chamber of an ECR plasma generator (microwave oscillation frequency: 2.45 GHz) and placed on a table 3 about 30 cm below the coil 5. While evacuating the inside of the chamber 7 with a vacuum pump, argon gas is supplied to the chamber at a flow rate of 15 sccm, and the chamber internal pressure is maintained at 3 × 10 −3 Torr to generate plasma under the condition of the coil current 28A. Plasma treatment was performed for a minute (pretreatment). Thereafter, as a hydrophilization treatment, the flow rate of the supply gas is changed to argon 100 sccm and oxygen 300 sccm to obtain an argon / oxygen mixed gas (oxygen content ratio 75%), the chamber internal pressure is maintained at 0.1 Torr, the coil current Plasma was generated under the condition of 30 A, and the substrate was plasma treated for 3 minutes (main treatment) to obtain a polystyrene substrate of Sample 1.

また、前処理を行わず、本処理の時間を4分間に変更したこと以外は上述の試料1と同様の操作を行って、試料2のポリスチレン基板を得た。   Moreover, the polystyrene substrate of the sample 2 was obtained by performing the same operation as the above-mentioned sample 1 except not performing pre-processing and changing the time of this process to 4 minutes.

(接触角の測定)
試料1,2及び未処理のポリスチレン基板の各々について、前述と同様に表面の水に対する接触角を測定した。更に、これらの基板を保存して、表面の接触角の経時変化を調べた。結果を表3のグラフに示す。
(Measurement of contact angle)
For each of Samples 1 and 2 and the untreated polystyrene substrate, the surface contact angle with water was measured in the same manner as described above. Furthermore, these substrates were stored, and changes with time in the contact angle of the surface were examined. The results are shown in the graph of Table 3.

尚、低分子化合物による接触角への影響の有無を確認するために、試料2の手順に従って処理を施した3片のポリスチレン基板を用意し、接触角の測定前に純水洗浄(基板を純水に浸して1分間洗浄し風乾)又はエタノール洗浄(エタノールに浸して1分間超音波洗浄し風乾)を施したものと、洗浄を行わないものとを比較した。この結果、基板の接触角(平均)は、洗浄しないものでは20度、純水洗浄後では20.7度、エタノール洗浄後では19.05度となり、洗浄による変化は実質的に見られなかった。従って、基板の親水性の経時変化は、分解による低分子化合物の喪失によるものではないことが明らかである。   In order to confirm whether or not the low-molecular compound has an effect on the contact angle, a three-piece polystyrene substrate treated according to the procedure of Sample 2 is prepared and washed with pure water before the contact angle is measured. A comparison was made between what was immersed in water and washed for 1 minute and then air-dried) or ethanol washed (soaked in ethanol and ultrasonically washed and air-dried for 1 minute) and one that was not washed. As a result, the contact angle (average) of the substrate was 20 degrees when not cleaned, 20.7 degrees after cleaning with pure water, and 19.05 degrees after cleaning with ethanol, and there was virtually no change due to cleaning. . Therefore, it is clear that the change in hydrophilicity of the substrate over time is not due to the loss of low molecular weight compounds due to decomposition.

(試料の評価)
図3によれば、未処理基板では接触角の大きな経時変化はみられず、その表面性状はほぼ一定である。一方、プラズマ処理を実施した試料1及び2の基板では、プラズマ処理後の時間経過による接触角の上昇がみられる。しかし、試料1と試料2とでは、プラズマ照射時間は共通であるものの、接触角の上昇程度が大きく異なり、前処理を実施した試料1では接触角の上昇が抑制されている。特に、プラズマ処理から82日経過後も約27度と低い接触角を保つことから、前処理を施した基板では、付与された親水性の経時劣化が抑制されることが明らかである。
(Sample evaluation)
According to FIG. 3, the untreated substrate does not show a large change in contact angle with time, and its surface properties are almost constant. On the other hand, in the substrates of Samples 1 and 2 that have been subjected to the plasma treatment, the contact angle increases with the passage of time after the plasma treatment. However, the sample 1 and the sample 2 have the same plasma irradiation time, but the degree of increase in the contact angle is greatly different. In the sample 1 subjected to the pretreatment, the increase in the contact angle is suppressed. In particular, since a contact angle as low as about 27 degrees is maintained even after 82 days from the plasma treatment, it is clear that the pretreated substrate suppresses deterioration of the imparted hydrophilicity with time.

前処理では10-3Torrの低圧でアルゴンプラズマを発生させているので、プラズマは、親水化処理の場合より広くチャンバ内に拡散し、アルゴンイオン種の物理的作用が基板表面に及ぶ。これにより、巨視的には基板表面積の増加、微視的にはポリスチレン分子鎖の解裂等が生じて反応サイトが増加し、後続の親水化処理における酸素由来ラジカルの反応効率が向上すると考えられる。また、イオン種の作用による構造変化が、親水性を示す要素を固定化するために有利に働くと考えられる。 Since argon plasma is generated at a low pressure of 10 −3 Torr in the pretreatment, the plasma diffuses into the chamber more widely than in the hydrophilic treatment, and the physical action of argon ion species reaches the substrate surface. As a result, the surface area of the substrate increases macroscopically, and the reaction sites increase by microscopically cleaving polystyrene molecular chains, which may improve the reaction efficiency of oxygen-derived radicals in the subsequent hydrophilization treatment. . In addition, it is considered that the structural change due to the action of the ionic species works favorably for immobilizing the hydrophilic element.

<親水化における変化>
プラズマ処理による基板の表面状態の変化を調べるために、上述の試料1の基板及び未処理基板について、X線光電子分光(XPS)による分析を行った。分析において、ディテクタの検出角度は基板表面に対して45度に設定した。得られたスペクトルを図4に示す。
<Change in hydrophilization>
In order to investigate the change in the surface state of the substrate due to the plasma treatment, the substrate of the sample 1 and the untreated substrate were analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). In the analysis, the detection angle of the detector was set to 45 degrees with respect to the substrate surface. The obtained spectrum is shown in FIG.

図4によれば、ポリスチレンは炭素と水素のみからなる分子であり、そのスペクトルは285.0eVに現れるC−C結合またはC−H結合に帰属するピーク、291.5eVに現れるC=C結合由来のπ−πに帰属するピークのみからなる。これに対し、プラズマ処理後のスペクトルでは、285.0eVのピークがブロードになり、高エネルギー側に裾が広がっている。この領域は、酸素由来の官能基が結合した炭素由来のピークが生じることが一般的に知られている。結合した官能基を把握するため、スペクトルをガウス関数でフィッティングしたところ、C=C(284.4eV)、C−C/C−H(285.0eV)、C−O(286.6eV)、C=O(288.0eV)、O−C=O(289.1eV)、π−π(291.5eV)が合致した。これは、プラズマ処理によって酸素を含んだ官能基がポリスチレンに結合したことを示しており、これらが基板表面の親水性を決定していると考えられる。従って、接触角の測定時に見られる親水性の経時劣化の要因には、これらの表面官能基の経時変化が含まれると推察される。これを検証するため、プラズマ処理後の数日間におけるスペクトルを測定し、各官能基に帰属する部分のピーク全面積に対する面積比の経時変化を調べたところ、酸素を含む結合の中では、O−C=Oのみが時間経過と共に減少することがわかった。このことから、ポリスチレン表面の親水性には主にO−C=Oが関与し、その表面からの消失が親水性劣化要因の一つであると考えられる。また、前処理におけるアルゴンイオン種の物理的作用における表面構造の変化がO−C=Oの消失速度の遅延に関与し、親水性の劣化を抑制していると思われる。 According to FIG. 4, polystyrene is a molecule composed of only carbon and hydrogen, and its spectrum is derived from the C—C bond or the C—H bond appearing at 285.0 eV, the C═C bond appearing at 291.5 eV. It consists only of the peak attributed to π-π * . On the other hand, in the spectrum after the plasma treatment, the peak of 285.0 eV becomes broad and the skirt spreads to the high energy side. In this region, it is generally known that a peak derived from carbon to which a functional group derived from oxygen is bonded occurs. When the spectrum was fitted with a Gaussian function in order to grasp the bonded functional group, C = C (284.4 eV), C—C / C—H (285.0 eV), C—O (286.6 eV), C ═O (288.0 eV), O—C═O (289.1 eV), and π-π * (291.5 eV) matched. This indicates that the functional group containing oxygen was bonded to polystyrene by plasma treatment, and these are considered to determine the hydrophilicity of the substrate surface. Therefore, it is presumed that changes in the surface functional groups with time are included in the factors of hydrophilic deterioration with time observed when measuring the contact angle. In order to verify this, the spectrum for several days after the plasma treatment was measured, and the time-dependent change in the area ratio with respect to the peak total area of the portion attributed to each functional group was examined. Only C = O was found to decrease with time. From this, it is considered that O—C═O is mainly involved in the hydrophilicity of the polystyrene surface, and the disappearance from the surface is one of the hydrophilic deterioration factors. Moreover, it is considered that the change in the surface structure in the physical action of the argon ion species in the pretreatment is related to the delay of the disappearance rate of O—C═O, and suppresses the deterioration of hydrophilicity.

以下の手順に従って試料3〜7のポリスチレン基板を用意し、実施例1の試料1と共に下記の評価に用いた。   Polystyrene substrates of Samples 3 to 7 were prepared according to the following procedure, and used for the following evaluation together with Sample 1 of Example 1.

(試料3)
前処理におけるアルゴンガスの流量を増加してチャンバ内圧を1.5×10-2Torrに維持したこと以外は実施例1の試料1と同様の操作を行って、試料3のポリスチレン基板を得た。
(Sample 3)
A polystyrene substrate of Sample 3 was obtained by performing the same operation as Sample 1 of Example 1 except that the flow rate of argon gas in the pretreatment was increased and the chamber internal pressure was maintained at 1.5 × 10 −2 Torr. .

(試料4)
前処理におけるアルゴンガスの流量を増加してチャンバ内圧を1.5×10-1Torrに維持したこと以外は実施例1の試料1と同様の操作を行って、試料4のポリスチレン基板を得た。
(Sample 4)
A polystyrene substrate of Sample 4 was obtained by performing the same operation as Sample 1 of Example 1 except that the flow rate of argon gas in the pretreatment was increased and the chamber internal pressure was maintained at 1.5 × 10 −1 Torr. .

(試料5)
チャンバ内の台3の位置を100mm下方に下げたこと以外は実施例1の試料1と同様の操作を行って、試料4のポリスチレン基板を得た。
(Sample 5)
A polystyrene substrate of Sample 4 was obtained by performing the same operation as Sample 1 of Example 1 except that the position of the table 3 in the chamber was lowered 100 mm downward.

(試料6)
チャンバ内の台3の位置を100mm下方に下げ、前処理におけるアルゴンガスの流量を増加してチャンバ内圧を1.5×10-2Torrに維持したこと以外は実施例1の試料1と同様の操作を行って、試料6のポリスチレン基板を得た。
(Sample 6)
Similar to Sample 1 of Example 1 except that the position of the base 3 in the chamber was lowered 100 mm downward, the flow rate of argon gas in the pretreatment was increased, and the internal pressure of the chamber was maintained at 1.5 × 10 −2 Torr. The operation was performed to obtain a polystyrene substrate of Sample 6.

(試料7)
チャンバ内の台3の位置を100mm下方に下げ、前処理におけるアルゴンガスの流量を増加してチャンバ内圧を1.5×10-1Torrに維持したこと以外は実施例1の試料1と同様の操作を行って、試料7のポリスチレン基板を得た。
(Sample 7)
The same as Sample 1 of Example 1 except that the position of the table 3 in the chamber was lowered 100 mm downward, the flow rate of argon gas in the pretreatment was increased, and the chamber internal pressure was maintained at 1.5 × 10 −1 Torr. The operation was performed to obtain a polystyrene substrate of Sample 7.

(試料の評価)
試料3〜7のポリスチレン基板の各々について、実施例1の記載と同様にして表面の水に対する接触角を測定した。更に、これらの基板を保存して、表面の接触角の経時変化を調べた。試料3及び4の結果を試料1の結果と併せて図5のグラフに示し、試料5〜7の結果を図6のグラフに示す。
(Sample evaluation)
For each of the polystyrene substrates of Samples 3 to 7, the contact angle of the surface with water was measured in the same manner as described in Example 1. Furthermore, these substrates were stored, and changes with time in the contact angle of the surface were examined. The results of samples 3 and 4 are shown in the graph of FIG. 5 together with the results of sample 1, and the results of samples 5 to 7 are shown in the graph of FIG.

図5によれば、前処理におけるチャンバ内圧によって基板表面の親水性の持続性が異なりことが明らかであり、低いチャンバ内圧で前処理を施した時に基板に付与される親水性の持続性が高い。チャンバ内圧が低い状態ではプラズマ中のイオン種が基板に作用し易いので、図5の結果から、前処理においてプラズマ中のイオン種が基板に作用することが要点であると考えられる。この点は、基板位置を下げてプラズマから遠ざけた試料5〜7による図6の結果によって支持され、その理由は以下の通りである。   According to FIG. 5, it is clear that the hydrophilic durability of the substrate surface varies depending on the chamber internal pressure in the pretreatment, and the hydrophilic sustainability imparted to the substrate is high when the pretreatment is performed at a low chamber internal pressure. . Since the ion species in the plasma easily act on the substrate when the chamber internal pressure is low, it can be considered from the results of FIG. 5 that the ion species in the plasma acts on the substrate in the pretreatment. This point is supported by the results of FIG. 6 with samples 5-7 lowered the substrate position away from the plasma for the following reasons.

図5の結果と図6の結果との相異は、基板位置の変更によるものであり、これらを比較すると、基板をプラズマから遠ざけることで、基板表面の親水性の経時劣化がより顕著になり、チャンバ内圧に関わらず同様の結果となることが明らかである。1.0×10-3Torr、20℃におけるアルゴンイオンの平均自由工程を計算によって求めると約60mmとなるので、試料5〜7における100mmの基板位置の降下は、プラズマ中のアルゴンイオンが到達し得る範囲から基板を確実に排除することを意味する。従って、図6の結果は、アルゴンイオンが基板に作用しないものであり、図5と図6とにおける結果の相異は、前処理におけるアルゴンイオンの作用に起因することになる。つまり、試料1と試料5との相異は、アルゴンイオンの作用の有無に起因する。前処理における内圧が低い試料1と試料5とにおいて相異が顕著になるのは、低圧におけるイオン種の平均自由工程が長いためである。 The difference between the result of FIG. 5 and the result of FIG. 6 is due to the change of the substrate position. When these are compared, the deterioration of the hydrophilicity of the substrate surface over time becomes more noticeable by moving the substrate away from the plasma. It is clear that the same result is obtained regardless of the chamber internal pressure. Since the average free path of argon ions at 1.0 × 10 −3 Torr and 20 ° C. is calculated to be about 60 mm, the 100 mm substrate position drop in samples 5 to 7 is caused by the arrival of argon ions in the plasma. This means that the substrate is surely excluded from the range to be obtained. Therefore, the results of FIG. 6 are those in which argon ions do not act on the substrate, and the difference between the results in FIG. 5 and FIG. 6 is attributed to the effects of argon ions in the pretreatment. That is, the difference between sample 1 and sample 5 is due to the presence or absence of the action of argon ions. The difference between Sample 1 and Sample 5 having a low internal pressure in the pretreatment is because the mean free path of ionic species at low pressure is long.

前処理において供給するガスを、アルゴンから、ヘリウム、水素、窒素又は酸素に変更したこと以外は実施例1の試料1と同様の操作を行って、プラズマ処理を施したポリスチレン基板を用意した。   A polystyrene substrate subjected to plasma treatment was prepared by performing the same operation as Sample 1 of Example 1 except that the gas supplied in the pretreatment was changed from argon to helium, hydrogen, nitrogen, or oxygen.

得られたポリスチレン基板の各々について、前述と同様に表面の水に対する接触角を測定した。更に、これらの基板を保存して、表面の接触角の経時変化を調べた。これらの結果を試料1の結果と併せて図7のグラフに示す。   About each of the obtained polystyrene board | substrate, the contact angle with respect to the surface water was measured like the above-mentioned. Furthermore, these substrates were stored, and changes with time in the contact angle of the surface were examined. These results are shown in the graph of FIG.

図7によれば、基板表面の親水性の持続性は、前処理においてアルゴンガスを用いた場合に最も高く、次いでヘリウムガス、水素ガスを用いたものが高い。これはイオンの重さによって衝突時に供給されるエネルギーが異なるためと考えられる。酸素ガスを用いた場合は、直後の親水性は高いが、親水性の経時劣化はあまり抑制されず、窒素ガスを用いた場合も親水性の経時劣化はあまり抑制されない。このことから、被処理体に対する反応性が低いガスの方が、イオン種による前処理に適していると考えられる。   According to FIG. 7, the persistence of the hydrophilicity of the substrate surface is the highest when argon gas is used in the pretreatment, followed by helium gas and hydrogen gas. This is probably because the energy supplied at the time of collision differs depending on the weight of the ions. When oxygen gas is used, the hydrophilicity immediately after is high, but the deterioration with time of hydrophilicity is not suppressed so much, and even when nitrogen gas is used, the deterioration with time of hydrophilicity is not so suppressed. From this, it is considered that the gas having low reactivity with the object to be processed is more suitable for pretreatment with ionic species.

窒素ガスを用いた場合に親水化効果が他のガスに比べて小さいのは、前処理において競合する窒素由来ラジカルによって窒素含有基が導入されるために、後続の親水化処理において酸素含有基の導入が減少し、窒素含有基の親水性が酸素含有基より低いことによると考えられる。   When nitrogen gas is used, the hydrophilization effect is small compared to other gases because the nitrogen-containing groups are introduced by the nitrogen-derived radicals competing in the pre-treatment, so that the oxygen-containing groups in the subsequent hydrophilization treatment are reduced. It is thought that the introduction is reduced and the hydrophilicity of the nitrogen-containing group is lower than that of the oxygen-containing group.

疎水性プラスチックの表面改質を効率よく行って、表面に付与される親水性の持続性が改善されたプラスチックが提供されるので、生体適合性を要する医療関連分野や、耐久性の高いプラスチック素材の親水化を必要とする様々な装置・器機分野において有用なプラスチック素材を提供でき、部品等の耐用年数や機能性を改善するために有用である。   The surface modification of hydrophobic plastics is performed efficiently to provide plastics with improved hydrophilic sustainability on the surface. Therefore, medical-related fields that require biocompatibility and highly durable plastic materials. It is possible to provide a plastic material useful in various fields of equipment / instruments that require hydrophilization, and it is useful for improving the service life and functionality of parts and the like.

る。 The

1:ECRプラズマ発生装置、 3:台、 5:コイル、 7:チャンバ、
9:排気口、 11:ガス導入口、 13:マイクロ波発生装置、
15:方向性結合器15、 17:チューナー、 19:導波管19、
21:石英窓。
1: ECR plasma generator, 3: stand, 5: coil, 7: chamber,
9: Exhaust port, 11: Gas inlet port, 13: Microwave generator,
15: Directional coupler 15, 17: Tuner, 19: Waveguide 19,
21: Quartz window.

Claims (5)

プラズマ発生位置との距離がイオン種の平均自由工程より小さくなる位置にプラスチックを配置し、希ガスを1.0×10 −2 Torr以下のガス圧で供給してプラズマを発生させてイオンをプラスチック表面に作用させる前処理と、
親水基の導入原料となるガスを供給してプラズマを発生させてラジカルを選択的にプラスチック表面に作用させる親水化処理と
を有するプラスチック表面の親水化方法。
A plastic is placed at a position where the distance from the plasma generation position is smaller than the mean free path of the ion species, and a rare gas is supplied at a gas pressure of 1.0 × 10 −2 Torr or less to generate plasma, thereby generating ions. Pretreatment to act on the surface;
A method for hydrophilizing a plastic surface, comprising: supplying a gas as a raw material for introducing a hydrophilic group to generate plasma to selectively cause radicals to act on the plastic surface.
前記前処理において、プラスチック表面はイオンの作用によって活性化し、前記親水化処理において、プラスチック表面にイオンは実質的に作用しないことにより、ラジカルによってプラスチック表面に導入される親水基の安定性が高まる請求項1記載のプラスチック表面の親水化方法。 In the pretreatment, the plastic surface is activated by the action of ions, and in the hydrophilization treatment, ions do not substantially act on the plastic surface, so that the stability of hydrophilic groups introduced into the plastic surface by radicals is increased. Item 2. A method for hydrophilizing a plastic surface according to Item 1. 前記希ガスは、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン及びキセノンから選択される少なくとも1種を含み、前記親水化処理において供給されるガスは、酸素、窒素及び二酸化炭素から選択される少なくとも1種を含む請求項1又は2に記載のプラスチック表面の親水化方法。The rare gas includes at least one selected from argon, helium, neon, krypton, and xenon, and the gas supplied in the hydrophilization treatment includes at least one selected from oxygen, nitrogen, and carbon dioxide. The method for hydrophilizing a plastic surface according to claim 1 or 2. 前記親水化処理におけるガス圧は、0.01Torr以上である請求項1〜3の何れか一項に記載のプラスチック表面の親水化方法。The method for hydrophilizing a plastic surface according to any one of claims 1 to 3, wherein a gas pressure in the hydrophilization treatment is 0.01 Torr or more. 前記親水化処理におけるプラスチックとプラズマとの距離を、イオン種の平均自由工程より遠ざける請求項1〜4の何れか一項に記載のプラスチック表面の親水化方法。The method for hydrophilizing a plastic surface according to any one of claims 1 to 4, wherein the distance between the plastic and the plasma in the hydrophilization treatment is set farther from the mean free path of ionic species.
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