Pyrosil 火炎プラズマ

PYROSIL処理は、被接着面の接着性を向上させるために用いられる燃焼化学気相成長（CCVD）プロセスです。PYROSILは常温常圧下で行われるグロー放電プラズマプロセスです。PYROSIL処理は、燃焼化学気相成長（Combustion Chemical Vapor Deposition：CCVD）により、基材表面に非晶質の二酸化ケイ素（SiO2）層を堆積させる表面改質技術です。SURA Instruments GmbH社が1980年代にこの装置とプロセスを開発し、接着剤による接着性を高める技術として初めて商業化に成功しました。火炎熱分解（フレームパイロリシス）により、基材上に高反応性かつ疎水性のシリコン酸化物の薄層（5～100nm）を形成することができます。その結果、堆積したSiO2粒子表面のSi-OH基の高密度化とナノスケールの表面粗さにより、明確な親水性表面が形成されます。ケイ素含有膜は、ポリマー、ガラス、セラミックス、金属など幅広い用途に利用されています。本プロセスでは、従来の火炎処理と同様に、処理対象の製品をケイ素含有プレカーサー材料（PYROSIL）を添加した層流ガス炎に通過させます。火炎と基材の接触時間が短いため、温度に敏感なプラスチック材料にも使用可能です。

燃焼化学気相成長（CCVD）は、大気開放環境下で基材上に薄膜コーティングを堆積させる化学プロセスです。CCVDプロセスでは、燃焼ガスにプレカーサー化合物が添加されます。炎はコーティング対象の表面のすぐ上を移動します。炎内の高いエネルギーによりプレカーサーは高反応性の中間体に変換され、基材と容易に反応し、強固に密着した堆積層を形成します。堆積層の微細構造および厚さは、基材または炎の移動速度、パス回数、基材温度、炎と基材の距離といったプロセスパラメータによって制御されます。二酸化ケイ素層が最も一般的に形成される層です。堆積直後の層は高反応性であり、ポリマーコーティングおよび接着のための接着促進層として機能します。

PYROSILと火炎処理の比較

PYROSILと従来の火炎プラズマ処理はプロセス上の類似点がありますが、火炎の化学組成および表面機能化のメカニズムは異なります。いずれの方式も、制御された条件下で炭化水素燃料を燃焼させることで基材表面を改質する火炎プラズマを発生させる、気相表面酸化プロセスです。予混合層流火炎は発熱反応を生じます。PYROSILの炎はピンクがかった色であるのに対し、従来の火炎処理の炎は青みがかった色をしています（写真1参照）。主な違いは、PYROSILがSiO2を生成するのに対し、火炎処理では生成しない点です。その結果、堆積したSiO2粒子表面のSi-OH基の高密度化により、明確な親水性表面が形成されます。両方式とも、類似の燃焼装置、リボンバーナー、およびプロセス設定・制御が用いられます。主要な3つのプロセス制御変数は、火炎の化学組成、基材と炎の距離、および処理の滞留時間です。処理は主反応発光帯（酸化帯）内で行う必要があります。

PYROSILにおいて、有機ケイ素化合物であるテトラメチルシラン（TMS）の燃焼およびSiO2生成の反応式の一例は以下の通りです。

Si(CH3)4 + 13 O2 + C3H8 — SiO2 + 10 H2O + 7 CO2

天然ガスによる火炎処理では、以下の反応式が燃焼反応を表します。

CH4 + 2O2 + 8N2 — CO2 + 2H2O + 8N2

いずれの燃焼反応も、副生成物としてCO2とH2O（水）を生成します。