空気プラズマ（電気放電）
重要ポイント
- 作動ガスは大気中の空気であるため、特殊ガスの供給設備やボンベは不要です。
- 開放された大気中で動作し、真空チャンバーが不要なため、連続生産ラインに適しています。
- システムは3種類あります。コロナ放電、大気圧プラズマ、プラズマジェットの各構成です。
- 活性化は時間とともに減衰します。すぐに接着またはコーティングしなければ、表面エネルギーの上昇分は失われます。
空気プラズマ（電気放電）
空気プラズマ（電気放電）は、大気圧下で行う表面前処理で、周囲の圧縮空気をプロセスガスとして電気的に電離し、接着、印刷、コーティングの直前にポリマー表面を酸化・活性化させます。真空、ボンベのガス、可燃性燃料は不要で、必要なのは清浄で乾燥した圧縮空気と電力だけです。そのため、既存の生産セルに組み込みやすい前処理の1つです。
メカニズム
処理ヘッド内の放電が空気の流れを電離し、酸素ラジカル、オゾン、励起窒素種、UVを生成します。これらをポリマー表面に向けると、最表層の数分子層で炭素と水素の結合が切れ、その位置に酸素を含む極性基がグラフトされます。表面エネルギーはただちに上昇し、接触角は低下して、接着剤、インク、コーティングは玉にならず、表面に濡れ広がるようになります。
同じ放電は、同時に、離型剤、スリップ剤、空気中の油分といった弱い境界層をアブレーションで除去します。これらがなければ、密着不良の主因になります。実際には、この洗浄効果は、化学的な活性化そのものと同じくらい重要なことが多く、この点はSabreenの「密着不良」に関する解説で取り上げています。
主なプロセスパラメータ
| パラメータ | 実務上の指針 |
|---|---|
| スタンドオフ距離 | 通常は5–20 mm。最も敏感な変数で、反応種は開放空気中ですぐに再結合する。 |
| 滞留時間／移動速度 | 一貫した照射量になるよう設定する。処理不足では接着せず、著しい過処理は表面層を劣化させて弱くする。 |
| 空気の品質 | 清浄、乾燥、オイルフリーであること。コンプレッサーの持ち越しにより、洗浄しようとしているまさにその表面に油が付着する。 |
| 部品の固定 | 出力そのものより、再現性のある提示が重要。スタンドオフが変動すると、部品内のdyne値もばらつく。 |
長所と限界
- インラインとロボットに対応。ヘッドはロボットアームやコンベアに容易に取り付けられ、成形された三次元部品を処理できます。
- 選択処理。活性化が必要なのは接着部だけなので、部品の残りの部分の未処理の外観と印刷適性が保たれます。
- 裸火なし。安全面や施設の事情で燃焼プロセスが認められない場合、空気プラズマ（電気放電）は、火炎プラズマの現実的な代替手段です。
- 直進性に限られる。凹部、アンダーカット、内面は影になります。このような形状には、低圧低温ガスプラズマが向いています。
- オゾンの発生。通常は局所排気が必要です。
- 処理効果の減衰。ポリマー鎖が向きを変えるため、表面エネルギーは数時間から数日で低下します。処理後は、速やかに接着してください。
結果の確認
処理レベルは、想定するのではなく、検証する必要があります。ASTM D2578に準拠した濡れ張力試験液を使えば、作業場で素早くdyne値を読み取れます。接触角測定は、プロセスの検証に用いる定量的な数値を与えます。必要なdyne値は、特定の接着剤やインクのシステムに対して実験的に確立し、その後モニタリングしてください。ノズルの摩耗、空気品質のずれ、治具のぶれはいずれも、時間とともに結果を動かします。
基材別の目安
空気プラズマは、ほぼすべての汎用ポリマーとエンジニアリングポリマーで表面エネルギーを高めますが、上昇幅と減衰の速さは、プロセス計画を変えるほど異なります。以下は目安であり、実際の部品で確認する必要があります。
| 基材 | 空気プラズマへの反応 | 減衰の挙動 |
|---|---|---|
| ポリプロピレン | 大きく上昇。最も強い反応の1つで、設備を導入する通常の理由 | 比較的速い。可能な限り数時間以内に接着する |
| ポリエチレン | 大きく上昇 | 速く、スリップ剤の移行でさらに加速する |
| ABS | すでに中程度の状態から、良好に上昇 | 中程度 |
| ポリカーボネート | 良好に上昇。光学面では、高線量で曇りに注意 | 中程度 |
| TPEおよびTPV | 良好だが、油分や可塑剤がすぐに戻ってくる | 速い。接着の直前に処理する |
| PPSおよび高耐熱芳香族ポリマー | 中程度。すでに接着可能な場合が多く、処理により一貫性が向上する | 遅い |
| シリコーンおよびフッ素樹脂 | 限定的。これらには、一般に別の方法が必要 | 元に戻るのが非常に速い |
空気プラズマ処理のトラブルシューティング
| 症状 | 考えられる原因 | 対処 |
|---|---|---|
| 接着強度が部品ごとにばらつく | 治具の摩耗や部品の提示方法により、スタンドオフ距離が変動している | スタンドオフが最も敏感な変数です。出力を調整する前に、治具を修正します。反応種は開放空気中で数ミリメートルで再結合します。 |
| 試験片では処理が機能するが、部品では失敗する | 凹部やアンダーカットでの直進性による影の発生 | ヘッドが実際に届く面を把握します。影になる形状には、低圧低温ガスプラズマが向いています。 |
| dyne値は良好だが、密着は不良 | 汚染物が除去されず再活性化された、または弱い境界層が残っている | 汚染物を特定します。離型剤、可塑剤のブルーム、コンプレッサー油などです。ヘッドへの空気は、清浄・乾燥・オイルフリーである必要があります。 |
| 結果が数週間かけて徐々に低下する | ノズルの摩耗、または圧縮空気の品質のずれ | ノズルの状態と空気の乾燥度を予防保全の計画に含め、dyne値は抜き取り確認ではなく、推移を管理します。 |
| 表面が曇る、または目に見える損傷がある | 過処理。滞留が長すぎる、またはスタンドオフが近すぎる | 出力を下げる前に、滞留時間を短縮します。光学面や意匠面では、接着とあわせて外観も適格性評価します。 |
| 直後の接着は良好だが、次のシフトでは弱い | 処理から接着までの間の活性化の減衰 | プロセスの順序で、処理ヘッドを接着工程の近くに移します。バッチで処理するのではなく、インラインで処理して接着します。 |
ヘッドの生産セルへの組み込み
空気プラズマの導入が期待外れに終わる場合の大半は、プロセスの問題ではなく、組み込みの問題です。処理そのものは堅牢で、エンジニアリングが必要なのは、それを一定に保つことです。
- 処理は接着の直前に行います。活性化は数時間から数日で減衰するため、プラズマヘッドと接着剤の間にあるすべての工程が減衰の時間になります。ほぼすべての場合、処理済みの在庫を置くより、インラインの順序のほうが優れています。
- スタンドオフは機械的に固定します。ロボット経路、または部品を確実に位置決めした固定ヘッドのほうが、作業者が部品を提示する方式より、はるかに安定してスタンドオフを保てます。この1つの変数が、結果を支配します。
- 空気を仕様として定めます。清浄・乾燥・オイルフリーは、目標ではなく仕様です。コンプレッサーの油の持ち越しは、まさに洗浄しようとしている表面に汚染物を付着させ、プロセスに変更がないのに工場全体で密着不良が起きる、一般的な原因です。
- オゾンを排気します。通常は局所排気が必要です。工場の換気評価と照らして、要件を確認してください。
- 想定せず、モニタリングします。作業場でASTM D2578に準拠した濡れ張力試験液を用い、管理図で推移を追えば、ノズルの摩耗や空気品質のずれを、市場での不具合として現れるはるか前に発見できます。
- 処理が必要な部分だけを処理します。接着部だけを選択的に活性化すれば、部品の他の部分の外観と印刷適性が保たれ、同時にオゾンの発生量も減ります。
関連用語と参考情報
実際の生産での活用
The Sabreen Groupは、空気プラズマ（電気放電）とインラインの表面活性化について、独立した立場でエンジニアリング支援を提供しています。プロセスの仕様策定、材料の適格性評価、生産上のトラブルの解決など、お困りの際は当社のエンジニアリングサービスチームがお手伝いします。お客様の用途についてのご相談は、お問い合わせください。
よくあるご質問
空気プラズマ（電気放電）とは何ですか？
周囲の空気を作動ガスとして用い、高電圧の放電で励起して、反応性のあるプラズマ場を作るプラズマ処理です。特殊ガスや真空環境を必要とせず、表面特性を改質して密着性を高めます。
プラズマはどのように生成されますか？
アーク、コロナ、または誘電体バリア放電による強い電界が、電極間またはノズル付近の周囲の空気を電離します。電離した空気は、表面を酸化・活性化する種を含む低温の反応性プラズマになります。
空気プラズマは何に使えますか？
コーティング、塗装、接着の前に、油分、残渣、有機汚染物を除去する表面洗浄。インク、接着剤、コーティングの密着性を高めるため、表面エネルギーを上げる表面活性化。そして、機械的なかみ合いのために表面を軽く粗くするマイクロエッチングです。
処理は、どのくらいの深さまで及びますか？
深くはありません。改質は表層的で、通常、表面の最上部の数ナノメートルから数マイクロメートルにとどまります。接着は界面の現象なので、密着には十分ですが、効果がもろいことを意味します。
処理した表面エネルギーが低下するのはなぜですか？
ポリマー鎖が動けるため、酸化された官能基が表面から離れる向きに変わり、低分子量の添加剤が表面に戻ってくるためです。効果は時間に敏感であるため、処理後は、速やかに部品を接着またはコーティングする必要があります。
空気プラズマ処理で、最も重要な変数は何ですか？
圧倒的にスタンドオフ距離です。作用する反応種は、開放空気中では数ミリメートルで再結合するため、数ミリメートルのばらつきでも、届く線量が大きく変わります。したがって、治具の再現性は、出力そのものより重要です。部品ごとに結果がばらつく場合は、プロセス設定を調整する前に、提示方法を修正してください。
処理後、どのくらいの時間内に部品を接着する必要がありますか？
できるだけ早く行ってください。活性化は、ポリマー鎖が向きを変え、低分子量の添加剤が表面に戻るため、数時間から数日で減衰し、その速度は、ポリオレフィンや、油分や可塑剤を含むエラストマーで最も速くなります。処理済みの在庫を置かず、プラズマヘッドを接着またはコーティングの工程の直前に配置してください。
空気プラズマは、凹部やアンダーカットの内側も処理できますか？
できません。直進型のプロセスであり、影になった面はほとんど、またはまったく処理されません。これは、平らな試験片では機能したプロセスが、実際の成形品では失敗する最も一般的な理由です。ヘッドが実際に届く面を把握してください。複雑な内部形状には、面に向けて照射するのではなくチャンバー全体を満たす、低圧低温ガスプラズマが向いています。
無料お見積もりのご依頼
スコット・サブリーン（Scott Sabreen）— 社長兼チーフエンジニア、30年以上の経験。お客様のアプリケーションと SABREEN のソリューションについて、無料・無償でご相談いただけます。最も難しい課題をぜひお寄せください。
電話: +1 972-820-6777
よくあるご質問
電気式エアプラズマ処理とは何ですか。
電気式エアプラズマはコロナ放電によるスポット処理で、ブローンエアプラズマ、強制空気コロナ、ブローンアークとも呼ばれます。ヘッドには高電圧トランスに接続された二本のフック電極が近接して配置され、50〜60 Hzという比較的低い周波数でおよそ7〜12 kVのアークを発生させます。強制空気が生じたコロナ放電を部品へ運びます。接地は不要です。
電気式エアプラズマは電気式コロナ放電とどう違いますか。
どちらもコロナ放電ですが、エアプラズマははるかに低い周波数——古典的なコロナ放電の20〜25 kHzに対し50〜60 Hz——で動作し、接地も誘電体バリアも必要としません。面処理ではなくスポット処理であるため、面全体の処理よりも狙った箇所の処理に適します。
電気式エアプラズマは表面を洗浄しますか。
洗浄能力はほぼありません。処理前に部品上にあった汚染は処理後もそのまま残るため、離型剤、油、取扱い時の付着物がある部品は事前の洗浄が必要です。
コロナスポット処理はフレーム処理より保存期間が長いのですか。
いいえ、ポリオレフィンでは逆です。学術研究によれば、フレームプラズマのほうがポリオレフィン上での処理後保存期間は長く、これは処理深さが相対的に浅いことに起因するとされています。コロナスポット処理のほうが長持ちするという通念は、この分野で最も根強い俗説の一つです。
オゾンは発生しますか。
はい。放電によってオゾンが生成するため、処理ステーション周りの排気・換気設計で考慮する必要があります。
