JP6143099B2

JP6143099B2 - ポリマー材料の表面処理方法

Info

Publication number: JP6143099B2
Application number: JP2013188306A
Authority: JP
Inventors: 中村　挙子; 挙子中村; 哲男土屋
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2013-09-11
Filing date: 2013-09-11
Publication date: 2017-06-07
Anticipated expiration: 2033-09-11
Also published as: JP2015054889A

Description

本発明は、ポリマー材料の表面処理方法に関し、特に、ポリマー材料の表面に硫黄官能基を化学結合させる方法に関する。

従来、硫黄含有化合物を用いてポリマー材料を表面改質する方法としては、基材表面上に光反応性材料として硫化ナトリウム、チオ硫酸ナトリウム等を塗布し、さらに紫外光照射処理を行う方法（特許文献１、２、３）、含硫黄化合物のプラズマ処理により表面改質を行う方法（非特許文献１）等が知られている。
しかしながら、これらの方法においては、塗布用光反応性材料として調整した水溶液を使用する必要があることから、紫外光照射処理の際にポリマー材料表面上に、硫黄を含む官能基以外に、酸素を含む官能基も同時に導入される可能性が高く、硫黄を含む官能基の導入率が低下する可能性がある。また、プラズマ処理法においては大型装置が必要である等の問題がある。

一方、硫黄含有化合物の光反応を利用した表面改質法として、発明者らはカーボン系材料表面の硫黄官能基化に関する手法を開発している（特許文献４〜６）が、当該手法が加熱や光照射に敏感なポリマー材料表面改質に応用可能かどうかは不明であった。

特表２００５−５１１８７５号公報特表２００５−５１１８７６号公報特表２００６−５１２４４１号公報特許第４７７９０９９号特開２００７−１３７７１５号公報特開２００９−０４６３１９号公報

H.Muguruma, I.Karube, M.Saito, Chem. Lett., 283-284(1996).

本発明は、こうした現場を鑑みてなされたものであって、従来この種の方法に用いられてきた光反応性材料の水溶液を使用することなく、或いはプラズマ処理のための大型装置を使用することなく、簡便に、かつ耐熱性及び／又は耐光性に劣るポリマー材料であっても加熱及び／又は光照射による基材劣化を起こすことなく、ポリマー材料表面上に、硫黄を含有する官能基（以下、「硫黄含有官能基」ということもある）のみを直接導入する方法を提供することを目的とするものである。
また、本発明は、導入された硫黄官能基を利用して、ポリマー表面に金属を固定する方法を提供することを目的とするものである。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、ポリマー材料表面に単体硫黄を有する状態で紫外光を照射すると、ポリマー材料表面上に、酸素を含まない硫黄含有官能基を化学的に結合させることができ、さらに、硫黄−金属の相互作用を利用して前記ポリマー表面に金属を固定させることができることを見いだし、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、以下の技術を提供するものである。
１）表面に単体硫黄を有するポリマー材料に紫外光を照射することにより、ポリマー材料の表面に硫黄を含有する官能基を化学結合させることを特徴とするポリマー材料の表面処理方法。
２）波長１５０〜４００ｎｍの紫外光を照射することを特徴とする１）に記載のポリマー材料の表面処理方法。
３）光量を０.１〜１００ｍＷ／ｃｍ²の範囲で照射することを特徴とする上記１)又は２)に記載のポリマー材料の表面処理方法。
４）上記１)〜３)のいずれかに記載の表面処理方法で得られたポリマー材料表面を金属溶液又は金属粒子分散液で処理することにより、前記ポリマー表面に金属を固定させることを特徴とする金属担持ポリマー材料の製造方法。

本発明によれば、ポリマー表面上の単体硫黄に紫外光照射をするだけの簡便な反応操作により、ポリマー材料表面上に硫黄官能基を導入することができるとともに、硫黄のみを含有する単体硫黄を使用するものであるため、ポリマー材料表面に直接硫黄含有官能基のみを導入することができるという優れた効果を有する。また、本発明においては、水溶液等を用いずに紫外線を用いて処理を行うものであるため、硫黄含有官能基化箇所のパターニングが可能となる。さらに、本発明によれば、簡便な操作により、導入した硫黄官能基に、硫黄−金属の相互作用を利用して金属を固定することができるという著しい効果がある。

表面処理前のポリマー材料のＸＰＳスペクトル実施例１で得られたポリマー材料のＸＰＳスペクトル実施例１で得られた硫黄官能基化ポリマー材料を、金属粒子溶液分散液に浸漬して得られたポリマー材料のＸＰＳスペクトル実施例１で得られた硫黄官能基化ポリマー材料を、金属粒子溶液分散液に浸漬して得られたポリマー材料のＳＥＭ写真実施例１で得られた硫黄官能基化ポリマー材料を、金属粒子溶液分散液に浸漬して得られたポリマー材料のＥＤＳマッピング

本発明のポリマー材料の表面処理方法は、表面に単体硫黄を有するポリマー材料に紫外光を照射することにより、ポリマー材料の表面に硫黄官能基を化学結合させることを特徴とするものである。

本発明の表面処理方法で処理されたポリマー材料は、その表面に硫黄を含む官能基が結合しているものであって、硫黄を含む官能基が結合したポリマー材料の表面は、下記の模式的な構造式で表すことができる。

硫黄を含む官能基としては、ＳＨ（メルカプト基）、ＳｎＳＨ（スルファン基）が例示
される。

本発明の方法で用いられるポリマー材料は、各種汎用性ポリマーおよび機能性ポリマーを使用することができ、ポリエチレン、ポリメチルメタクリレート、ＡＢＳ樹脂、ポリイミド等を使用できる。
ポリマー材料の形状としては制限はなく、板状、膜状、粉末状、ペレット状等広く使用することができる。

本発明においては、前記ポリマー材料表面に硫黄官能基を化学結合させるために、単体硫黄を用いる。すなわち、硫黄のみを含有するものを用いることにより、ポリマー材料表面に、酸素を含有する官能基を導入することなく、硫黄を含有する官能基のみを直接導入することができるものである。

本発明においては、紫外線照射に先だってポリマー材料の表面は単体硫黄を有する状態であればよく、その方法は特に限定されないが、ポリマー材料表面に硫黄単体を直接塗布する、或いは、硫黄単体を含有する溶液を塗布又は硫黄単体を含有する溶液に浸漬した後、乾燥する等の方法を採用してもよい。

本発明においては、単体硫黄の硫黄−硫黄結合開裂による硫黄ラジカルの発生が必要であることから、そのために紫外光照射を行うものであるが、用いる紫外線の波長は１５０ｎｍ〜４００ｎｍとするのが好適である。
光源としては公知のものが用いることができる。その例を挙げると、低圧水銀灯、高圧水銀灯、ＡｒＦまたはＫｒＦまたはＸｅＣｌエキシマレーザー、エキシマランプ、メタルハライドランプ、フラッシュランプ等である。このように、本発明は、広範囲の波長の光を利用できる。
また、照射される光量の好ましい範囲は、０.１〜１００ｍＷ／ｃｍ²の範囲である。
また、照射時間は、１分〜６時間程度とするのが望ましい。これらの条件は、前記範囲外の条件を使用することも可能である。前記は好ましい範囲であり、必ずしもこれに特に制限されるものではない。

また、本発明においては、水溶液等を用いずに紫外線を用いて処理を行うものであるため、マスクを用いる等の公知の方法を用いるパターン状に紫外線照射を行うことにより、硫黄含有官能基化箇所のパターニングが可能となる。

本発明の反応は、室温下で容易に進行する。これは、本発明の大きな特徴の一つでもある。しかし、加熱を否定するものではない。必要に応じて加熱することも可能である。

このようにして得られた硫黄官能基化ポリマー材料は、分析機器により、表面に硫黄官能基が化学結合しているかどうかを確認することができる。この確認には各種の分析機器を用いることができるが、ＸＰＳなどにより硫黄原子の存在を容易に確認することできる。

本発明の表面処理方法により、ポリマー材料表面に硫黄官能基を化学結合させることができるので、硫黄−金属の相互作用を利用して前記ポリマー材料の表面に金属を固定するができる。
硫黄官能基化ポリマー材料表面に金属を固定させるためには、別途調整した銅、パラジウム、金等を含有する溶液もしくは粒子分散液に硫黄官能基化ポリマー材料を浸漬させて固定させることができる。

このようにして得られる金属固定ポリマー材料は、分析機器により、表面に硫黄官能基および金属が固定されているかどうかを確認することができる。この確認には各種の分析機器を用いることができるが、ＸＰＳなどにより硫黄および金属原子の存在を確認することができ、ＳＥＭおよびＥＤＳ分析により金属の存在の確認および粒子形状、分布を観察することができる。

本発明により、ポリマー材料に硫黄官能基を化学結合させることができる結果、硫黄原子をポリマー材料表面に直接結合させることができるので、さらに金属を固定させることが可能であり、金属との異種接合に寄与することができる。
また、パターン状に紫外線が照射された硫黄含有官能基化ポリマー材料を用いて、金属を固定化することにより、所望の金属パターンの形成が可能となり、電極パターンの形成製造などに適用できる。

以下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
ポリマー材料（ポリエチレン、ポリメチルメタクリレート、ＡＢＳ樹脂、ポリイミド）を単体硫黄（１００ｍｇ）の二硫化炭素溶液（１０ｍｌ）に浸漬させた後に溶媒を除去し、該ポリマー材料に、キセノンエキシマランプを用いて室温で１５分間紫外線を照射した。照射した紫外光の波長は１７２ｎｍである。その後、ポリマー材料を溶媒で洗浄し、減圧下で乾燥を行った。

表面処理前のポリマー材料及び得られたポリマー材料のＸＰＳ測定を行ったところ、表面処理を施されたポリマー材料（図２）は、表面処理前のポリマー材料（図１）に由来する炭素、酸素、窒素のピークとともに、新たに硫黄に由来するピークが観測され、表面上に硫黄官能基が導入されたことが確認された。

（実施例２）
実施例１で得られた硫黄官能基化ポリマー材料を、金属粒子（銅、パラジウム、金）分散液に４時間浸漬した。その後、ポリマー材料を純水で洗浄し、減圧下で乾燥を行った。
反応後のポリマー材料のＸＰＳ測定を行ったところ、図３に示すとおり、硫黄とともに金属に由来するピークが観測された。
さらに、ＳＥＭ観察およびＥＤＳ分析を行った。図４は、ＳＥＭ写真であり、図５は、ＥＤＳマッピングである。
図４、５に示すとおり、ポリマー材料の表面上に金属粒子が固定されたことが確認された。

Claims

表面に単体硫黄を有するポリマー材料に紫外光を照射することにより、ポリマー材料の表面に硫黄を含有する官能基を化学結合させることを特徴とするポリマー材料の表面処理方法。
波長１５０〜４００ｎｍの紫外光を照射することを特徴とする請求項１に記載のポリマー材料の表面処理方法。
光量を０.１〜１００ｍＷ／ｃｍ²の範囲で照射することを特徴とする請求項１又は２に記載のポリマー材料の表面処理方法。
請求項１〜３のいずれかの１項に記載の表面処理方法で得られたポリマー材料表面を金属溶液又は金属粒子分散液で処理することにより、前記ポリマー表面に金属を固定させることを特徴とする金属担持ポリマー材料の製造方法。