JP5687550B2

JP5687550B2 - 表面改質用火炎噴射装置及び該火炎噴射装置を用いた表面改質方法

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Publication number: JP5687550B2
Application number: JP2011094599A
Authority: JP
Inventors: 坂本　清司; 清司坂本
Original assignee: 株式会社ヒートマシンサービス
Priority date: 2011-04-21
Filing date: 2011-04-21
Publication date: 2015-03-18
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Also published as: JP2012225593A

Description

本発明は、表面改質用火炎噴射装置及び該火炎噴射装置を用いた表面改質方法に関し、より詳細には、各種の物品の表面に加飾に先立ち、加飾すべき表面を改質するために火炎を噴射して化学的に改質する表面改質用火炎噴射装置及び該火炎噴射装置を用いた表面改質方法に関する。特に、表面改質用火炎噴射装置については、改質を安定かつ効果的に行うためのバーナ構造を主な特徴とする発明である。

従来、ケース等の製品として使用されるシリコーンゴムの成型品の表面の加飾手段として、予め着色したシリコーンゴムを成型する技術、或いはシリコーンケースを成型後、シリコーン液で印刷する技術が知られている。また、シリコーンゴムのゴム付着性、ノンスリップ性の程度を調整するために、表面に機能性コーティングを施したものが知られている。

ところで、シリコーンゴム、エラストマー、ポリオレフィン系材料等は、難接着性、難密着性を示すので、これらに塗料、インキ、接着剤等を塗布する場合は、前処理として、従来は、火炎処理、コロナ処理、プラズマ処理等によって、表面を改質し、接着性を向上させ、さらにプライマー等を使用する必要があった。

そして、熱可塑性エラストマー、オレフィン樹脂、シリコーンゴム、樹脂、セラミック、金属等の表面について、塗料、着色インキ等を塗布して加飾する前に、その表面を改質することは知られており、この表面改質の手段として、有機ケイ素化合物を燃焼用ガス及び空気の混合ガスの火炎とともに、表面に噴射する技術は知られている（特許文献１〜５参照）。

特許第３５５７１９４号公報特許第４０５０７８７号公報特開平４−０５９３４４特表２００１−５０５５２特許第４０３６４６２号公報

ところで、本発明者は、有機ケイ素化合物を燃料ガス及び空気の混合ガスの火炎とともに、表面を改質すべき加工物（以下単に、「加工物」という）の表面に噴射することで改質する技術を研究開発したが、表面の改質を、均一に安定して効率的に行うためには、火炎品質が安定していること、処理効率の良い火炎を得ること、有機ケイ素化合物を安定供給すること等が、重要であるという知見を得た。

本発明は、このような知見に基づいて、火炎品質を安定させ、処理効率の良い火炎得て、有機ケイ素化合物を安定供給することのできる表面改質のための表面改質用火炎噴射装置及び表面改質方法を実現することを課題とする。

本発明は上記課題を解決するために、空気供給系と、燃料ガス供給系と、有機ケイ素化合物供給系と、バーナと、を備え、加工物の表面に火炎を噴射して該表面を改質する表面改質用火炎噴射装置であって、バーナは、隔壁により、主バーナ室と副バーナ室に分割され、副バーナ室の前方には火炎点火検知両用プラグが設けられており、該火炎点火検知両用プラグは、主バーナ室及び副バーナ室に供給される空気と燃料ガスから成る燃焼用ガスに着火するものであり、主バーナ室には、着火後は、空気と燃料ガスから成る燃焼用ガスに有機ケイ素化合物が混合された燃焼用ガスが供給され、副バーナ室から噴射される燃焼用ガスと主バーナ室から噴射される有機ケイ素化合物が混合された燃焼用ガスが燃焼し、その火炎が加工物表面に噴射される構成であり、火炎点火検知両用プラグは、副バーナ室から噴射される燃焼用ガスの火炎を検知する構成であることを特徴とする表面改質用火炎噴射装置を提供する。

本発明は上記課題を解決するために、空気供給系と、燃料ガス供給系と、有機ケイ素化合物供給系と、バーナと、空気燃料ガスミキサと、燃焼用ガス有機ケイ素化合物ミキサと、を備え、加工物の表面に火炎を噴射して該表面を改質する表面改質用火炎噴射装置であって、バーナは、隔壁により、主バーナ室と副バーナ室に分割され、副バーナ室の前方には火炎点火検知両用プラグが設けられており、該火炎点火検知両用プラグは、主バーナ室及び副バーナ室に供給される空気と燃料ガスから成る燃焼用ガスに着火するものであり、空気燃料ガスミキサは、空気供給系から供給される空気と燃料ガス供給系から供給される燃料ガスを燃焼用ガスとして混合するものであり、該燃焼用ガスの一部は副バーナ室に供給され、残りは燃焼用ガス有機ケイ素化合物ミキサに供給される構成とされており、燃焼用ガス有機ケイ素化合物ミキサは、燃焼用ガスに有機ケイ素化合物を混合し、主バーナ室に供給するものであり、主バーナ室には、着火後は、燃焼用ガス有機ケイ素化合物ミキサから空気と燃料ガスから成る燃焼用ガスに有機ケイ素化合物が混合された燃焼用ガスが供給され、副バーナ室から噴射される燃焼用ガスと主バーナ室から噴射される有機ケイ素化合物が混合された燃焼用ガスが燃焼し、その火炎が加工物表面に噴射される構成であり、火炎点火検知両用プラグは、副バーナ室から噴射される燃焼用ガスの火炎を検知する構成であることを特徴とする表面改質用火炎噴射装置を提供する。

バーナの前壁には、燃焼用ガスを噴射する複数の噴射孔が形成されており、バーナの前壁の周囲には前方に突出する保炎壁が設けられており、保炎壁は、該保炎壁で囲まれる開口が前方に向けて徐々に絞り込まれるように傾斜して形成されている構成とすることが好ましい。

空気供給系は、空気供給管を有し、該空気供給管の途中に、エアドライヤ及びマスフローコントローラが設けられており、エアドライヤは、エアコンプレッサから送られてきた空気中に含まれる水分を低減する装置であり、マスフローコントローラは、空気流量を計測し供給流量を制御する装置である構成とすることが好ましい。

本発明は上記課題を解決するために、上記表面改質用火炎噴射装置を使用した加工物の表面の表面改質方法であって、バーナを、その前壁が加工物の表面から２〜５ｃｍに近づけて該表面に沿うように相対的に移動させて、火炎中の処理活性の高い火炎反応帯を加工物の表面に当てることを特徴とする加工物表面の表面改質方法を提供する。

上記加工物表面の表面改質方法において、加工物の材質はシリコーンゴムであり、表面改質用火炎噴射装置によりシリコーンゴムの表面を改質することにより、該表面に水酸基を生成しウレタン塗料の密着性を向上させることに適用してもよい。

本発明に係る表面改質用火炎噴射装置及び該火炎噴射装置を用いた表面改質方法によれば、火炎品質を安定し、処理効率の良い火炎を得て、有機ケイ素化合物を安定供給することにより、加工物の表面の改質を、均一に安定して効率的に行うことが可能となる。

具体的には次のとおりである。
（１）親水性、接着性向上効果
ナノレベルの二酸化ケイ素粒子が加工物の表面に付着され、親水性（濡れ性）が向上する。
（２）難接着材の密着性向上
難接着材表面の表面エネルギーが向上し、さらに表面の濡れ性が向上することにより、密着性が向上する。
（３）帯電防止効果
加工物の表面に極性基と水酸基を多く含む酸化ケイ素を付与することで、帯電防止効果が生じ、特にプラスチックの場合には実用上の効果が大きい。

本発明の表面改質用火炎噴射装置の実施例の全体的な構成を示すブロック図である。（ａ）は、本発明の表面改質用火炎噴射装置のバーナの構成を説明する図であり、（ｂ）、（ｃ）は火炎検知プラグの原理的な構成を説明する図である。本発明の表面改質用火炎噴射装置の実施例を説明する図であり、（ａ）はベンチュリミキサを説明する図であり、（ｂ）は表面改質用火炎噴射装置の正面図であり、（ｃ）は（ｂ）のC−C断面図であり、（ｄ）は（ｃ）の一部拡大図である。（ａ）は本発明の表面改質用火炎噴射装置のバーナから噴射される火炎を説明する図であり、（ｂ）本発明の表面改質用火炎噴射装置のバーナにより加工物に火炎を当てる状態を示す図である。本発明の前提とする改善前の表面改質用火炎噴射装置の基本的な構成を示すブロック図である。本発明の表面改質用火炎噴射装置のバーナから噴射される火炎の構成と効果を説明する表である。

本発明に係る表面改質用火炎噴射装置及び該火炎噴射装置を用いた表面改質方法を実施するための形態を実施例に基づき図面を参照して、以下説明する。

本発明に係る表面改質用火炎噴射装置は、バーナに、空気と、燃料ガスと、有機ケイ素化合物と混合したガスを供給し、バーナから有機ケイ素化合物を燃料ガス及び空気の混合ガスの火炎とともに、加工物の表面に噴射し、改質する装置である。

なお、本発明に係る表面改質用火炎噴射装置及び該火炎噴射装置を用いた表面改質方法により改質の対象とする加工物は、シリコーンゴム、樹脂（例．熱可塑性エラストマー、オレフィン樹脂等）、複合材料、セラミックス、ガラス、金属等である。

そして、本発明の表面改質用火炎噴射装置及び該火炎噴射装置を用いた表面改質方法を用いて加工物の表面を改質すると、親水性（濡れ性）が向上したり、スリップ性を調整でき、また、これらの加工物の表面に、コーティング剤、塗料（例えば、ウレタン塗料等）を塗布したり、インキで印刷したりする加飾に先立ち、本発明の表面改質用火炎噴射装置及び該火炎噴射装置を用いた表面改質方法を用いて加工物の表面を改質すると塗料等の密着性、接着性が向上する。また、接着剤、粘着剤、成型時の加熱した流動性のある樹脂なども加工物表面との密着性が向上する。

（火炎噴射装置の基本的構成）
図５は、本発明の表面改質のための火炎噴射装置の前提となる火炎噴射装置の基本的な構成を説明する図である。この基本的な構成を有する火炎噴射装置１０１は、主に、空気供給系１０２と、燃料ガス供給系１０３と、有機ケイ素化合物供給系１０４と、バーナ１０６と、を備えている。

空気供給系１０２は、空気供給源におけるエアコンプレッサ１１０からマスフローコントローラ（流量調節弁）１１１を途中に備えた空気供給管１１２を通して空気燃料ガスミキサに供給する。

燃料ガス供給系１０３は、燃料ガスをその供給源（ＬＰＧ―プロパン、ＤＭＥなどの貯蔵タンク、都市ガス供給配管等）１１５から、プロテクトリレー一体型開閉弁１１６、マスフローコントローラ１１７を途中に備えた燃料供給配管１１８を通してベンチュリミキサ１２０に供給する。

ベンチュリミキサ１２０は、上流側に空気燃料ガスミキサ１２１が設けられており、下流側に燃焼用ガス有機ケイ素化合物ミキサ１２２が設けられている。空気と燃料ガスは、空気燃料ガスミキサ１２１において混合され、燃焼用ガス有機ケイ素化合物ミキサ１２２に供給される。

有機ケイ素化合物供給系１０４は、液状の有機ケイ素化合物をその貯蔵部である貯蔵タンク１２５から適宜ベーパライザ１２６に供給し、ベーパライザ１２６において、気液平衡を利用して、加熱手段１２７で加熱し又は自然蒸発により蒸発させてガス化し、有機ケイ素化合物のガスを発生し、マスフローコントローラ１２８を途中に備えた空気供給管１１２’（キャリアーガスである空気を導入する導入管）からの空気とともに、有機ケイ素化合物供給管１２９を通して燃焼用ガス有機ケイ素化合物ミキサ１２２に供給する。なお、１３０は、貯蔵タンク１２５の液面センサであり、１３１は、ベーパライザ１２６の液面センサである。

この燃焼用ガス有機ケイ素化合物ミキサ１２２において、燃焼用ガスと有機ケイ素化合物を混合して有機ケイ素化合物含有燃焼用ガスとし、このガスを改質ガス供給管１３５を通してバーナ１０６に供給する。

バーナ１０６には、燃焼用ガスの点火と火炎１４０を検知するための、火炎点火検知両用プラグ１３７が、バーナ１０６の前方にバーナ１０６に向けて突出するように設けられている。点火用電源１３６からの電流により火炎点火検知両用プラグ１３７で点火されて、バーナ１０６の噴射孔１３８から噴射される燃焼用ガスに着火されて、加工物表面１３９に表面に火炎１４０を噴射することができる。

また、火炎点火検知両用プラグ１３７は、火炎が存在する際に、点火用電源１３６から火炎を介して火炎点火検知両用プラグ１３７からバーナ１０６に流れ、アース１４１に流れ込む電流を、検知電流検出器１４２で検出する。

このような有機ケイ素化合物含有火炎が加工物表面１３９に表面に噴射されると、有機ケイ素化合物について、火炎内で生成される二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）のナノレベルの微粒子が加工物の表面に付着される。

そして、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２等）の表面に水酸基（ＯＨ）がある。特に、水酸基は親水性であることから、加工物表面に親水性を付与する等の改質を行うことができる。また、火炎中のOHラジカルの作用により、加工物表面を酸化し、樹脂であれば、水酸基（ＯＨ）、カルボキシル基（ＣＯＯＨ）が生成し、また、金属、セラミックなどであれば、表面に付着している有機物を除去でき、このことも表面の親水性付与の要因となっている。

（本発明における改善のポイント）
ところで、本発明者らは、表面改質用火炎噴射装置及び表面改質方法の開発を通して、上記有機ケイ素化合物含有火炎（通常、当業者では「ケイ酸化炎」とも呼ばれているので以下その用語を使用する）による表面処理が、より安定して行い、加工物表面に、改質効果、密着性効果を十分付与するためには、次のことが必要であという知見を得た。

（１）火炎品質の安定
火炎品質を安定させるポイントは次のとおりである。
ア．燃焼用ガス中の空気と燃料ガスの量の比率正確に制御することが必要である。

イ．ガスの品質を一定の保持することが必要であり、特に、空気（通常は圧縮エアー）の品質（含有水分量等）は、改質効果がバラツク要因となる。空気の品質が不安定な要因は、エアコンプレッサや空気供給管内の湿気等である。

ウ．バーナ形状
バーナには、火炎を常時検知するための、火炎検知プラグを搭載しているが、この火炎検知プラグは、ケイ酸化炎中では、火炎により生成する酸化ケイ素が付着し堆積して絶縁体となり易く、適切に検知できなくなり誤動作（火炎があっても火炎がないと検知する）を起こし、長時間の使用ができない。従来は、２時間に一度位の頻度で酸化ケイ素が付着して火炎検知プラグの清掃（例えば、ブラッシング等）又は取り替え等が必要であった。この点を改善する必要がある。

また、従来は、火炎検知プラグを搭載していないバーナも多く使用されており、そのようなバーナでは、バーナで工作物を走査して処理を行っている最中は火炎検知をすることなく、走査していないときに、バーナを赤外線火炎検知装置の前を通過させて火炎検知するようにしている。このような従来の構成では、火炎検知を火炎処理の最中にリアルタイムに行うことができないので、リアルタイムの検知が必要であった。

（２）処理効率の良い火炎
火炎を用いる表面処理では、火炎中の処理活性の高い部分（火炎反応帯）を、表面に当てなければならない。また、火炎は高温なので表面が変形しないよう瞬時に処理する必要がある。そのためには、ワークまたはバーナをすばやく動かす必要があるが、火炎は揺らぐので、揺らぎづらい腰のある火炎が求められる。

（３）有機ケイ素化合物の安定供給
安定な有機ケイ素化合物を用い、気化量、キャリアー空気中の濃度等が安定している必要がある。

（本発明の構成）
以上の知見に基づいて想到した本発明の特徴的な構成について、以下の実施例で説明する。図１は、本発明に係る表面改質用火炎噴射装置及び該火炎噴射装置を用いた表面改質方法についての全体構成説明する図である。

本発明の表面改質用火炎噴射装置１は、上記基本的構成として説明した表面改質用火炎噴射装置１０１とほぼ同じ構成であるが、本発明の表面改質用火炎噴射装置１は、後記するが、バーナ構造、火炎検知プラグの取り付け配置、バーナへの燃焼用ガス及び有機ケイ素化合物含有燃焼用ガスの供給手段等において、新規な構成を備えている。表面改質用火炎噴射装置１は、主に、空気供給系２と、燃料ガス供給系３と、有機ケイ素化合物供給系４と、バーナ５と、を備えている。

バーナ５は、図２（ａ）に示すように、全体としては、長細いほぼ矩形の筺体の形状をしており、前壁６には、複数の噴射孔７が形成されている。そして、バーナ５内には前後方向（火炎を噴射する方向）に向けて伸びる隔壁８が設けられており、この隔壁８により、バーナ５が、主バーナ室１１と副バーナ室１２に分割されている。

なお、１０は整流板（「邪魔板」とも言う）であり、全面に多数の小さな貫通孔が形成されており、バーナ５内に導入された燃焼ガスを多数の貫通孔から前方に送流し、バーナ５内で一方向に偏向して流れることなく、均等に複数の噴射孔７から噴射されるように整流する機能を有する。

副バーナ室１２は、主バーナ室１１に較べると小さな空間を有している。例えば、バーナ５の横幅全体を１５０ｍｍとした場合、主バーナ室１１の横幅は１３０ｍｍ、副バーナ室１２は２０ｍｍ程度である。

副バーナ室１２の前方には、火炎点火検知両用プラグ１５が設けられている。この火炎点火検知両用プラグ１５は、燃焼用ガスを点火するとともに、火炎に触れると、火炎の導電現象により電流が流れ、この電流を検知電流検出器１４で検知することで、火炎の存在を検出するものである。火炎を検知する手段としては、原理的にはいくつかの態様がある。

その１つの態様は、より簡単な構成であり、図２（ｂ）に示すように、火炎５６を挟むように上下一対（バーナの幅方向に水平に一対でもよい）の電極１６、１６を突設し、この一対の電極１６、１６の間に火炎５６が存在すると、火炎の導電現象（火炎が導電体となって電流を流す作用）により、電流（交流）が流れるので、これを検知電流検出器１７で検出する構成である。

また他の態様としては、図２（ｃ）に示すように、火炎５６の側方から、二つの大きさの異なる電極（陰極：陽極の火炎接触面積の比を４：１以上）２１、２２を、共に火炎に向かうように、しかも、陰極２１を火炎反応帯５７と外炎５９の境界近傍に、陽極２２を外炎に接触するように、互いに間隔をおいて離して設置し、交流電源２３を印加し、電極２１、２２間に流れる電流を検知電流検出器２４で検出する構成である。この構成では、火炎の有る場合は半波整流された直流電流が流れ、無い場合には電流が流れない、という火炎の整流現象が生じる。

本実施例では、火炎点火検知両用プラグ１５は、図３（ｂ）、（ｄ）に示すように、火炎点火検知両用プラグ１５は、その支持部１９が副バーナ室１２の上部前方に設けられている。支持部１９で支持された火炎点火検知両用プラグ１５が金属製のバーナ５の前面に向けて対向するように配置されている。火炎点火検知両用プラグ１５は点火用電源１８に接続され、バーナ５はアースされている。

そのため、火炎点火検知両用プラグ１５に、点火用電源１８によって電圧を印加することで火炎点火検知両用プラグ１５とバーナ前面との間にスパークし、これによって、燃焼ガスに点火可能である。そして、火炎が存在すると、火炎点火検知両用プラグ１５とバーナ前面との間に電流が流れ、アース２０まで電流が流れ込む。この電流を検知電流検出器１４で検出することで、火炎の存在を検知することが可能となる。

空気供給系２は、空気供給源におけるエアコンプレッサ３０からエアドライヤ（空気乾燥器）３１及びマスフローコントローラ３２を途中に備えた空気供給管３３を通して空気燃料ガスミキサ３４に供給する。エアドライヤ３１は、エアコンプレッサ３０から送られてくる空気を加熱することにより、空気中に含まれる水分を低減する装置である。

本発明の表面改質用火炎噴射装置１では、空気供給系２にエアドライヤ３１を設けることで、空気の含有水分を低減し、空気の品質を一定に保持することができるので、改質のバラツキとなる要因を除去でき、安定した改質を行うことが可能となる。

マスフローコントローラ３２は、空気流量を計測し供給流量を精密に制御する装置であり、周知のマスフローコントローラを使用すればよいが、ここでは概要を説明すると、センサ部と、センサ部から出力された流量信号を外部からの流量設定信号との比較しその開度が高速、高分解能で制御される電磁弁とから成る。

このセンサ部としては、熱式質量流量計を使用する。熱式質量流量計は、ガスが持つ熱拡散作用を用いて流量測定するものであり、ガスの圧縮度合いにより伝播する熱量が変化するためセンサそのものが質量流量に比例した出力特性を持つことを利用する装置である。熱式質量流量計の種類としては、キャピラリ式、熱線流量計、熱線式等がある。これらの熱式質量流量計自体は周知技術であるから、特に全ての種類について説明はしないが、キャピラリ式について、一例として説明する。

キャピラリ式は、毛細管にヒーターを兼ねた抵抗体を上流側、下流側の２ヶ所にそれぞれ巻きつけてあり、この抵抗体に電流を流すと発熱し、空気が流れていない場合は２つの抵抗体は同じ温度でバランスする。この状態で空気を流すと上流側と下流側の温度バランスが変化し温度差が生じる。この温度差が空気の質量流量に対して関数関係にあり、上流側と下流側の抵抗値の変化を電気信号として取り出し増幅、補正して質量流量計として機能するものである。

流量計として、フロートを利用した面積式流量計を使用した場合、夏、冬等による空気の温度に応じて、空気の比重が異なり、精密な流量計測が出来ない。本発明では、上記マスフローコントローラを使用して質量流量を計測していることから温度、圧力の影響をほとんど受けず安定した計測制御を可能にする。

また、マスフローコントローラは、デジタル表示をするモニターがあり、流量を数値で表示できる。火炎を作る場合、流量設定も重要になる。デジタルで数量を設定することにより正確な量を設定でき、マスフローコントローラが自動的に制御するので、再現性のある的確な流量を流すことができ、火炎の品質を一定にすることができる。フロートを利用した面積式流量計を使用した場合の流量設定方法は、フロートの位置を目視でニードルを回し設定するため、見方、見る人などにより実流量がばらつくことがあり、火炎の品質を一定にすることが難しい。

燃料ガス供給系３は、燃料ガスをその供給源（例．貯蔵タンク、都市ガス供給配管等）２９から開閉弁３９及びマスフローコントローラ３６を途中に備えた燃料供給管３７を通してベンチュリミキサ３５に供給する。

ベンチュリミキサ３５は、図３（ａ）に示すように、上流側に空気燃料ガスミキサ３４が設けられており、下流側に燃焼用ガス有機ケイ素化合物ミキサ４６が設けられている。空気と燃料ガスは、空気燃料ガスミキサ３４において混合され燃焼用ガスとなる。この燃焼用ガスは、その一部は、副燃焼用ガス供給管３８を介して副バーナ室１２に供給され、残りは燃焼用ガスを燃焼用ガス有機ケイ素化合物ミキサ４６に供給される。

本発明の表面改質用火炎噴射装置１では、空気供給系２及び燃料ガス供給系３に、それぞれガスの温度に左右されずに精密な流量計測が可能なマスフローコントローラ３２、３６を設け、空気及び燃料ガスをそれぞれ精密に流量制御することができるので、空気と燃料ガスの流量を一定の比率に正確に保持できる。これにより、火炎品質を安定させることが可能となる。

有機ケイ素化合物供給系４において、液状の有機ケイ素化合物をその貯蔵部である貯蔵タンク４０から適宜ベーパライザ（気化器）４１に供給するとともに、エアドライヤ（空気乾燥器）３１からマスフローコントローラ４３を通り、量をコントロールした空気をベーパライザ（気化器）４１に供給する。ベーパライザ４１において、加熱手段４２で加熱し、気液平衡を利用して、蒸発させてガス化する。

そして、この有機ケイ素化合物のガスを、有機ケイ素化合物供給管４４を通して燃焼用ガス有機ケイ素化合物ミキサ４６に供給する。有機ケイ素化合物供給管４４の途中には、開閉バルブ４５が設けられており、有機ケイ素化合物の供給及び停止を制御可能とする。なお、４７は、液状の有機ケイ素化合物の貯蔵部である貯蔵タンクの液面センサであり、４８は、ベーパライザの液面センサである。

本発明の表面改質用火炎噴射装置１では、このベーパライザ４１において、液状の有機ケイ素化合物の温度を加熱器４１で一定に温度制御することで、有機ケイ素化合物の気化量を安定に保持するように構成した。

加えて、本発明では、有機ケイ素化合物供給系４にマスフローコントローラ４３を設けたので、有機ケイ素化合物のガスを所定の供給量にコントロールして、燃焼用ガス有機ケイ素化合物ミキサ４６に供給することができる。

これらベーパライザ４１における温度制御及びマスフローコントローラ４３による供給量のコントロールによって、燃焼用ガス中の空気（有機ケイ素化合物のキャリアー空気としても機能する）に対する濃度等を安定して供給することができる。

この燃焼用ガス有機ケイ素化合物ミキサ４６では、図３（ａ）に示すように、空気燃料ガスミキサ３４から送られてくる燃焼用ガスと有機ケイ素化合物を混合して有機ケイ素化合物含有燃焼用ガスとし、主燃焼ガス供給管５０を通してバーナ５の主バーナ室１１に供給する。

バーナ５には火炎点火検知両用プラグ１５が付設されており、この火炎点火検知両用プラグ１５は、点火用電源１８に接続されている。火炎点火検知両用プラグ１５によって、主バーナ室１１及び副バーナ室１２の噴射孔７から噴射される燃焼用ガスが着火されて、バーナ５の、加工物表面に火炎を噴射することができる。

上記火炎の着火、燃焼の過程は、より詳細には次のとおりである。着火に際しては、有機ケイ素化合物供給管４４の開閉バルブ４５を閉じておき、バーナの主バーナ室１１及び副バーナ室１２に燃焼用ガス（空気と燃焼ガスの混合物）のみを送給し、主バーナ室１１及び副バーナ室１２の噴射孔７から噴射させる。

そして、副バーナ室１２の前方に設けられた火炎点火検知両用プラグ１５にスパークを起こし、副バーナ室１２からの燃焼ガスを着火し、それがさらに主バーナ室からの燃焼ガスに燃え広がり、燃焼用ガスの燃焼による青白い火炎を形成する。

火炎が安定したところで、次に、有機ケイ素化合物供給管４４の開閉バルブ４５を開けると、燃焼用ガス有機ケイ素化合物ミキサ４６から主バーナ室１１にのみ有機ケイ素化合物が供給され、主バーナ室１１からの燃焼ガスの火炎中に有機ケイ素化合物が導入され燃焼反応によって薄赤色の濁った処理用の活性火炎となる。

このような有機ケイ素化合物含有火炎が加工物表面に噴射されると、有機ケイ素化合物について、火炎内で生成される二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）のナノレベルの微粒子が加工物の表面に付着される。具体的に、燃焼すると火炎においては次のとおりの火炎反応が生じる。

有機ケイ素（Ｓｉ−ＣＲ）＋酸素（空気）＋ＬＰＧ（液化石油ガス）
→ＳｉＯ_２＋Ｈ_２Ｏ（水蒸気）＋ＣＯ_２（二酸化炭素）
なお、実際は、火炎中の火炎反応帯では、ＳｉＯ_２、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２以外にも、Ｓｉ、ＳｉＯ、ＯＨ、・ＯＨ（水酸ラジカル）、Ｏ_２、Ｈ_２、ＣＯ等が存在する。

そして、ＳｉＯ_２（二酸化ケイ素）が水分と反応して、ＳｉＯ_２の周囲に水酸基（−ＯＨ）が多数生成され、これらが加工物の表面に付与される。このような水酸基は親水性であるから、周囲に水酸基（−ＯＨ）の形成されたＳｉＯ_２が加工物の表面に付与されると、加工物表面は、親水性を帯びることとなる。

また、加工物が有機物の場合、火炎の酸化力により、表面に水酸基やカルボキシル基カルボニル基が生成する。これらの極性基の生成も、表面の親水性、密着性の向上に寄与している。また、表面上のナノレベルの活性酸化ケイ素（水酸基を有する酸化ケイ素）の存在は、加工物表面に微細なでこぼこ、凹凸表面を付与し、これによる毛細管現象等の物理的効果も生じ、親水性に寄与している。

密着性向上に関しては、圧倒的な濡れ性が関与している。極性の高い（塗料、接着剤、インキなど）塗布剤が、極性の高くなった表面に、ナノレベルで濡れることにより、表面との反応が十分可能になり、より多くの官能基が反応し、強く密着すると考えられる。

また、金属の場合は、表面の微細な隙間に塗布剤が入り込み、アンカー効果が発生し
密着を向上させているとも考えられる。また、金属用の塗布剤には、シランカップリング剤のような、密着付与剤が入っていることが多く、この密着付与剤の効果を表面に集中させることにより密着を向上させているとも考えられる。

以上により、コーティング剤、塗料、インキ、接着剤等を付着し易くなる。さらに、加工物の表面に極性基と水酸基を多く含む二酸化ケイ素を付与することで、特に、加工物がプラスチックの場合、帯電防止効果が生じる。

本発明の表面改質用火炎噴射装置１の最も特徴的な構成は、火炎点火検知両用プラグ１５を、副バーナ室１２から噴射される有機ケイ素化合物を含有しない火炎を検知する位置に配置し、有機ケイ素化合物を含有しない火炎を検知するようにした点である。

このような構成とすることで、火炎点火検知両用プラグ１５は、酸化ケイ素を含まない火炎に当たるので、酸化ケイ素が付着して絶縁体となることはない。従って、火炎点火検知両用プラグ１５は、火炎があっても火炎がないと検知するような誤動作を起こすことは防止できる。

また、本発明の表面改質用火炎噴射装置１では、図３（ｂ）〜（ｄ）に示すように、バーナ５の前壁６の前面９の周縁に保炎壁（リテンション壁）５５が前方に向けて２〜５ｍｍ程度突出するようにボルト等でバーナ５の前壁９の前面に固定して設けられている。この保炎壁５５は、バーナ５の前壁６の前面の周縁から前方に向けて、徐々にすぼむ、即ち、保炎壁５５は、その開口面積が徐々に小さくなるように、断面視で傾斜するように傾斜角度θが付けられて形成されている。

このような保炎壁５５を前壁６の前面９の周縁から突出するように設ける構成とすることで、噴射孔７から噴射された燃焼用ガスが着火された火炎５６を、前方に向けて絞りこんで、集中火炎として加工物の表面に向けて噴射する。この保炎壁５５の前方に向けて絞り込むための傾斜角度θを適切な角度に形成することで、火炎５６の集中度合いを調整して、火炎５６による加熱効率を高め、加工物の表面の改質を効果的行うことが可能となる。

火炎を用いる表面処理において、処理効率を良くするためには、火炎における処理活性の高い部分（これを「火炎反応帯」という）を表面に当てる必要がある。本発明の表面改質用火炎噴射装置１のバーナ５から噴射した火炎５６の構成を、図４（ａ）に示す。

この火炎５６は、本発明の機能、効果を説明するために、通常の火炎における内炎と外炎の区分とは異なり、便宜的に、内炎５７、火炎反応帯５８及び外炎５９から成るものとして説明する。図６は、火炎の構成と効果を説明する表であり、内炎、火炎反応帯及び外炎のそれぞれの特徴、効果等を示す。

火炎反応帯５８は、バーナ５の噴射孔７から１〜５ｃｍ程度の範囲の火炎の中心部である。この火炎反応帯５８は、有機ケイ素化合物から発生した５〜３０ｎｍ程度のナノレベルの微細な二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、二酸化ケイ素の周囲に生成された水酸基（−ＯＨ）、水酸ラジカル（・ＯＨ）等が多く存在し、処理活性が高く、加工物表面の親水性（濡れ性）、接着性について、改質効果が大きい。

一方、火炎の外炎５９（火炎の表層の炎）は、空気と触れており、いわゆる酸化炎（一酸化炭素・水素・炭素などが完全燃焼している部分）となっているので、処理活性は低減している。また、外炎５９では二酸化ケイ素も凝集し、５０ｎｍ以上と粒径が大きくなっている。内炎５７は、噴射孔７から噴射した直後の部分であり、処理活性は、火炎反応帯５８に比較して少ない。

そこで、本発明の表面改質方法は、表面改質用火炎噴射装置１を使用して加工物６０の表面に噴射する際には、図４（ｂ）に示すように、バーナ５を、加工物６０の表面から２〜５ｃｍ程度離して、加工物６０の表面に沿って平行に、相対的に移動する（バーナ５又は加工物６０を移動する）。

このような表面改質方法を採用することで、バーナ５から、ナノレベルの微細な二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、二酸化ケイ素の周囲に生成された水酸基（−ＯＨ）、水酸ラジカル（・ＯＨ）等が多く存在し、処理活性が高い火炎反応帯５８を加工物６０に当てることができるので、周囲に水酸基（−ＯＨ）の生成されたナノレベルの微細な二酸化ケイ素を加工物６０の表面に付着させ、高い処理効率で加工物６０の表面を改質することが可能となる。

また、火炎は高温なので加工物６０の表面が変形しないように、すばやく動かして、瞬時に処理する必要がある。しかしながら、火炎、特に先端側は揺らいで変形しやすく、また、急速に移動させると揺らぎやすい。

しかしながら、本発明に係る表面改質方法は、上記のとおり、火炎反応帯５８を加工物６０に当てることで、火炎を揺らぎの少ない状態（腰のある火炎の状態）で、しかも加工物６０の表面に対する火炎が当たる面積をより多くすることができるので、比較的高速（例えば、５００ｍｍ〜１０００ｍｍ／秒）でバーナ５を移動しても、安定した、効率的な改質処理をスピーディーに行うことが可能となる。従って、生産性も向上する。

（適用例）
本発明の表面改質用火炎噴射装置及び該火炎噴射装置を用いた表面改質方法を用いて加工物６０を改質する例として、シリコーンゴムの表面を改質について説明する。有機ケイ素化合物として、例えば、シロキサン化合物を使用する。

なお、アルキシラン化合物、アルコキシラン化合物、シラザン化合物等の有機ケイ素化合物を利用することも考えられるが、これらは、加水分解して含有水分量が不安定となるが、シロキサン化合物は、このように加水分解して含有水分量が不安定は生じないのでより好ましい。

表面改質用火炎噴射装置及び表面改質方法を用いて材質がシリコーンゴムから成る加工物の表面を改質すると、有機ケイ素化合物によって火炎中に生成される二酸化ケイ素がシリコーンゴムの表面にナノレベルで付着され、二酸化ケイ素の表面に生じた水酸基によって、コーティング剤、塗料、インキ、接着剤等の液体に対する接触角を小さくし、濡れ性、密着性を高めることが可能となる。

ところで、前記したとおり、携帯情報端末のケース等の材質として使用されるシリコーンゴムは、その表面にウレタン塗料は付着しにくい。しかしながら、処理により親水性が向上した表面に対して塗料がよく濡れる。

たとえば、シリコーンゴム表面に反応性の水酸基がたくさん存在したとしても、塗料との濡れが悪い場合、反応点が少なくなり、トータルの結合力が弱くなる。上記のとおり、よく濡れることにより、表面の反応性の水酸基を十分に有効に反応することができ、トータルの結合力が強くできる（要するに、反応しやすい距離に十分接近する）。

その結果、例えば、ポリオール（例．ＯＨ⁻−アクリル樹脂−ＯＨ⁻）等を有するウレタン塗料の場合は、シリコーンゴムの表面に形成される水酸基と反応して、両者が強力に結合する。そのために、従来、シリコーンゴムの表面には付着性が悪いとされていたウレタン塗料を塗布して加飾することが可能となる。

なお、ウレタン塗料は、シリコーンゴム製加工物の使用用途に合う特性を有する塗膜を形成するものすなわち実用耐性（柔軟性、耐傷つき性など）を有するものが好ましい。

以上、本発明に係る表面改質用火炎噴射装置及び該火炎噴射装置を用いた表面改質方法を実施するための形態を実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的事項の範囲内でいろいろな実施例があることは言うまでもない。

本発明に係る表面改質用火炎噴射装置及び該火炎噴射装置を用いた表面改質方法は上記のような構成であるから、シリコーンゴム、樹脂（例．熱可塑性エラストマー、オレフィン樹脂等）、複合材料、セラミックス、ガラス、金属等の表面の親水性（濡れ性の改善）、密着性、接着性の向上、スリップ性の調整等の表面改質に適用可能であり、コーティング剤、塗料、インキ、接着剤の塗布、密着性、接着性の向上に資するものとなる。

具体的使用例は次のとおりである。
（１）新しい製法
ガラス瓶の塗装、金属、メッキへのクリヤーコーティング

（２）製造工程の簡略化（前処理等の削減）
・ＰＰ（ポリプロピレン）へのシリコーンシーリング剤の接着
・ＰＰへのプライマーレス塗装
・特殊金属（スーパーダイマ、ガルバリウム）の塗装
（３）粉体塗装、無機塗装その他
・ＰＰへの塗装、両面テープ
・シリコーンゴムへの塗装、両面テープ
・ガラスへの特殊コーティング（親水、撥水付与）

１表面改質用火炎噴射装置
２空気供給系
３燃料ガス供給系
４有機ケイ素化合物供給系
５バーナ
６バーナの前壁
７噴射孔
８隔壁
９バーナの前壁の前面
１０整流板
１１主バー室
１２副バーナ室
１４検知電流検出器
１５火炎点火検知両用プラグ
１６一対の電極
１７検知電流検出器
１８点火用電源
１９火炎点火検知両用プラグの支持部
２０アース
２１火炎検知プラグの陰極
２２火炎検知プラグの陽極
２３交流電源
２４検知電流検出器
２９燃料ガスの供給管
３０エアコンプレッサ
３１エアドライヤ（空気乾燥器）
３２空気用のマスフローコントローラ
３３、３３’ 空気供給管
３４空気燃料ガスミキサ
３５ベンチュリミキサ
３６燃料ガス用のマスフローコントローラ
３７燃料供給管
３８副燃焼用ガス供給管
３９開閉弁
４０液状の有機ケイ素化合物の貯蔵タンク
４１ベーパライザ（気化器）
４２ベーパライザの加熱器
４３有機ケイ素化合物用のマスフローコントローラ
４４有機ケイ素化合物供給管
４５有機ケイ素化合物供給管の開閉バルブ
４６燃焼用ガス有機ケイ素化合物ミキサ
４７液状の有機ケイ素化合物の貯蔵タンクの液面センサ
４８ベーパライザの液面センサ
５０主燃焼ガス供給管
５５保炎壁
５６火炎
５７内炎
５８火炎反応帯
５９外炎
６０加工物
１０１火炎噴射装置
１０２空気供給系
１０３燃料ガス供給系
１０４有機ケイ素化合物供給系
１０６バーナ
１１０エアコンプレッサ
１１１空気用のマスフローコントローラ
１１２、１１２’ 空気供給管
１１５燃料ガスの供給源
１１６燃料ガス用の開閉弁
１１７燃料ガス用のマスフローコントローラ
１１８燃料供給配管
１２０ベンチュリミキサ
１２１空気燃料ガスミキサ
１２２燃焼用ガス有機ケイ素化合物ミキサ
１２５液状有機ケイ素化合物の貯蔵タンク
１２６ベーパライザ
１２７ベーパライザにおける加熱手段
１２８有機ケイ素化合物用マスフローコントローラ
１２９有機ケイ素化合物供給管
１３０液状有機ケイ素化合物の貯蔵タンクの液面センサ
１３１ベーパライザの液面センサ
１３５改質ガス供給管
１３６点火用電源
１３７火炎点火検知両用プラグ
１３８噴射孔
１３９加工物表面
１４０火炎
１４１アース
１４２検知電流検出器

Claims

空気供給系と、燃料ガス供給系と、有機ケイ素化合物供給系と、バーナと、を備え、加工物の表面に火炎を噴射して該表面を改質する表面改質用火炎噴射装置であって、
バーナは、隔壁により、主バーナ室と副バーナ室に分割され、副バーナ室の前方には火炎点火検知両用プラグが設けられており、
該火炎点火検知両用プラグは、主バーナ室及び副バーナ室に供給される空気と燃料ガスから成る燃焼用ガスに着火するものであり、
主バーナ室には、着火後は、空気と燃料ガスから成る燃焼用ガスに有機ケイ素化合物が混合された燃焼用ガスが供給され、副バーナ室から噴射される燃焼用ガスと主バーナ室から噴射される有機ケイ素化合物が混合された燃焼用ガスが燃焼し、その火炎が加工物表面に噴射される構成であり、
火炎点火検知両用プラグは、副バーナ室から噴射される燃焼用ガスの火炎を検知する構成であることを特徴とする表面改質用火炎噴射装置。
空気供給系と、燃料ガス供給系と、有機ケイ素化合物供給系と、バーナと、空気燃料ガスミキサと、燃焼用ガス有機ケイ素化合物ミキサと、を備え、加工物の表面に火炎を噴射して該表面を改質する表面改質用火炎噴射装置であって、
バーナは、隔壁により、主バーナ室と副バーナ室に分割され、副バーナ室の前方には火炎点火検知両用プラグが設けられており、
該火炎点火検知両用プラグは、主バーナ室及び副バーナ室に供給される空気と燃料ガスから成る燃焼用ガスに着火するものであり、
空気燃料ガスミキサは、空気供給系から供給される空気と燃料ガス供給系から供給される燃料ガスを燃焼用ガスとして混合するものであり、該燃焼用ガスの一部は副バーナ室に供給され、残りは燃焼用ガス有機ケイ素化合物ミキサに供給される構成とされており、
燃焼用ガス有機ケイ素化合物ミキサは、燃焼用ガスに有機ケイ素化合物を混合し、主バーナ室に供給するものであり、
主バーナ室には、着火後は、燃焼用ガス有機ケイ素化合物ミキサから空気と燃料ガスから成る燃焼用ガスに有機ケイ素化合物が混合された燃焼用ガスが供給され、副バーナ室から噴射される燃焼用ガスと主バーナ室から噴射される有機ケイ素化合物が混合された燃焼用ガスが燃焼し、その火炎が加工物表面に噴射される構成であり、
火炎点火検知両用プラグは、副バーナ室から噴射される燃焼用ガスの火炎を検知する構成であることを特徴とする表面改質用火炎噴射装置。
バーナの前壁には、燃焼用ガスを噴射する複数の噴射孔が形成されており、バーナの前壁の周囲には前方に突出する保炎壁が設けられており、保炎壁は、該保炎壁で囲まれる開口が前方に向けて徐々に絞り込まれるように傾斜して形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の表面改質用火炎噴射装置。
空気供給系は、空気供給管を有し、該空気供給管の途中に、エアドライヤ及びマスフローコントローラが設けられており、エアドライヤは、エアコンプレッサから送られてきた空気中に含まれる水分を低減する装置であり、マスフローコントローラは、空気流量を計測し供給流量を制御する装置であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の表面改質用火炎噴射装置。
請求項１〜４のいずれかに記載の表面改質用火炎噴射装置を使用した加工物の表面の表面改質方法であって、バーナを、その前壁が加工物の表面から２〜５ｃｍに近づけて該表面に沿うように相対的に移動させて、火炎中の処理活性の高い火炎反応帯を加工物の表面に当てることを特徴とする加工物表面の表面改質方法。
加工物の材質はシリコーンゴムであり、表面改質用火炎噴射装置によりシリコーンゴムの表面を改質することにより、該表面に水酸基を生成しウレタン塗料の密着性を向上させることを特徴とする請求項５に記載の加工物表面の表面改質方法。