コロナ放電処理（電気放電）

コロナ放電処理（電気放電）

重要ポイント

• コロナ放電は、電極と接地面の間の小さな隙間で周囲の空気を電離し、低温プラズマを形成します。
• 一般的な入力は、先端が鋭い、またはロール状の電極に印加する10～30 kVの交流です。
• 表面エネルギーを高め、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステルのフィルム上でインクや接着剤が濡れ広がるようにします。
• 洗浄能力はほぼありません。汚染物は処理によってではなく、処理の前に除去する必要があります。

コロナ放電処理（電気放電）

コロナ放電処理は、プラスチックのフィルム、シート、ウェブを、大気圧下の空気中で、高電圧・高周波の放電の中に通すことで、表面エネルギーを高める処理です。高速で、1平方メートルあたりのコストが安く、ラインに直接組み込めるため、押出コーティング、軟包装、ラベル用紙、フィルム印刷といった連続ウェブのコンバーティングでは、主流の前処理となっています。

コロナ処理装置の構造

ウェブは、高電圧電極と接地されたローラーの間の狭い隙間を通過します。2つの面の一方には、誘電体の被覆があります。隙間に高周波の高電圧（通常は10～30 kHzで10～20 kV前後）を印加すると、空気が電離し、この処理の名前の由来である、目に見える紫色の放電が生じます。

この放電で生成した反応性の酸素種がポリマー表面を酸化し、炭化水素の主鎖にヒドロキシル基、カルボニル基、カルボキシル基をグラフトします。未処理ではほぼ印刷できないポリエチレンやポリプロピレンのフィルムでも、1回の通過で、30 dyne/cm前後から40～46 dyne/cmに、日常的に上昇します。

線量とその管理

コロナ処理は、単位面積あたり、単位時間あたりの供給電力であるワット密度（通常はW·min/m²で表す）で定量化されます。

ワット密度 = 出力（W）÷ [ ウェブ幅（m）× ライン速度（m/min）× 処理面数 ]

ワット密度を一定に保つことが、ライン速度が変わってもdyne値を一定に保つ方法です。100 m/minで正しく設定した処理装置は、出力を比例して上げなければ、200 m/minでは処理不足になります。

特有の問題

• 処理効果の減衰。コロナ処理したフィルムは、ポリマー鎖が向きを変え、低分子量の酸化物が移行するため、数日から数週間で表面エネルギーを失います。スリップ剤やアンチブロッキング剤は、この低下を加速させます。ロール原反は、数か月後ではなく、検証済みのウィンドウ内に印刷またはラミネートしてください。
• 裏面処理。放電が薄い、または幅の狭いウェブの裏側に回り込んで裏面を処理し、巻き取ったロールでブロッキングを起こすことがあります。ローラーの被覆と隙間の設定を適切にして、これを抑えます。
• ピンホールとマイクロ穿孔。薄いフィルムでワット密度が過大になると、フィルムに穴があいたり、過酸化された弱い境界層ができて凝集破壊を起こしたりします。処理は多ければ良いわけではありません。
• オゾン。連続的に発生します。排気と分解処理が必要です。
• 形状。この処理は二次元のウェブに適しています。成形された三次元の部品には、代わりに火炎プラズマ、大気圧プラズマ、または低温ガスプラズマが向いています。

測定

dynペンとASTM D2578に準拠した濡れ張力試験液は、依然として現場での標準的な確認方法です。均一性を確認するため、1点ではなく、ウェブ幅全体にわたって適用します。端から中央にかけてのばらつきは、よくある見落としやすい不具合です。検証作業では、接触角の測定が定量的な表面エネルギーの数値を与えます。この手法は、「プラスチックの接着問題を解決する科学」で解説しています。

実務でのワット密度の目標

ワット密度は制御変数ですが、重要なのは、特定の基材でそれが生み出すdyne値です。以下はウェブコンバーティングでよく見られる範囲です。スリップ剤やアンチブロッキング剤のパッケージによって要件が大きく変わるため、仕様ではなく、試験の出発点として扱ってください。

要件は、一般的なdyne目標値ではなく、実際に使うインク、接着剤、コーティングから設定します。業界がよく42 dyne/cmと言うから42 dyne/cmとする仕様は、誰も試験していない仕様です。

コロナ処理ラインのトラブルシューティング

前処理の中でのコロナ処理の位置づけ

関連用語と参考情報

• コロナ放電処理サービス
• ポリマー表面前処理の全方式
• ポリエチレンの加飾に向けた先進技術
• 低表面エネルギーポリマーへのインクジェット印刷と密着性

実際の生産での活用

The Sabreen Groupは、コロナ処理の最適化とウェブ前処理のトラブルシューティングについて、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

コロナ放電処理（電気放電）とは何ですか？

小さな空気の隙間に高電圧の電界を加え、周囲の空気を電離して、材料表面付近にブラシ状のかすかなプラズマを生じさせる表面処理です。生成した反応種が表面を酸化してエネルギーを高め、インク、接着剤、コーティングが濡れ広がるようにします。

コロナ処理には、どのくらいの電圧が使われますか？

先端が鋭い、またはロール状の電極に印加する、通常10～30 kVの交流です。強い電界が周囲の空気分子を電離し、表面を改質する反応性の酸素種とUV光子を生成します。

コロナ処理の効果が最も大きい材料は何ですか？

接着しにくい低表面エネルギーのポリマー、特にポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステルのフィルムです。これらの基材への印刷、ラミネート、コーティング、接着の前に広く使われています。

コロナ放電は、表面の洗浄もしてくれますか？

ほぼ洗浄しません。コロナには洗浄能力がほとんどないため、汚れ、グリース、油分、シリコーン、離型剤、スリップ剤は、処理の前に除去する必要があります。汚染物の上から処理しても、基材ではなく汚染物が活性化されるだけです。

コロナ処理の効果は、どのくらい持続しますか？

処理効果は経時劣化し、保管寿命は樹脂、その配合、保管環境によって異なります。低分子量の物質が表面に移行すると、効果が徐々に減るため、接着、コーティング、印刷は、できるだけ早く行ってください。

どのくらいのワット密度で運転すべきですか？

インク、接着剤、コーティングが実際に必要とするdyne値を保てる値です。数値は、一般的な業界の数字ではなく、実際の化学系での試験から決めてください。ポリオレフィンフィルムは、未処理の30 dyne/cm前後から、処理後は38～44 dyne/cmに上がるのが一般的です。PETやナイロンは、もともと高く、46～52が目標です。ライン速度が変わるときは、出力ではなくワット密度を一定に保ってください。

dyne値が目標どおりなのに、密着が不良になるのはなぜですか？

ほぼ確実に汚染が原因です。コロナには洗浄能力がほとんどないため、スリップ剤のブルーム、コンプレッサー油の持ち越し、離型剤、空気中のシリコーンなど、表面にあるものが何であれ活性化します。dynペンは、汚染物の表面エネルギーを平然と読み取ります。処理レベルを上げても効果はないので、発生源を特定して除去してください。

コロナ処理したロールを、印刷前に保管できますか？

検証済みのウィンドウ内であれば可能です。処理したフィルムは、ポリマー鎖が向きを変え、低分子量の物質が表面に戻るため、数日から数週間で表面エネルギーを失い、スリップ剤やアンチブロッキング剤はこの低下を加速させます。特定のフィルムと保管条件に対してウィンドウを確立して順守し、経時劣化したロールは、運転前に幅全体でdyne値を再測定してください。

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よくあるご質問

電気式コロナ放電処理とは何ですか。

古典的な電気式コロナ放電——誘電体バリア放電——は、高電圧電源に接続した発生器と電極、電位ゼロの対向電極、そしてバリアとして働く誘電体を用います。二点間に電位差を生じさせる高周波・高電圧放電であり、通常は35 kV超、20〜25 kHzで接地を必要とします。

コロナ放電は平面フィルムだけでなく三次元部品も処理できますか。

専用の電極構成により、平面、曲面、凹部、孤立部など多様な表面形状を処理できます。文献に残る一例は電気コネクタ向けのコロナ処理システムで、ピン電極とボール電極の組合せにより小径の三次元孔と平坦な外面を同時に処理するもので、米国特許US5051586(1991年)に記載されています。

大気圧プラズマはコロナ放電の安価な代替ですか。

一般にはそうではありません。コロナ放電のほうが広い面積や深い処理深さでは有効なことが多く、大気圧プラズマ装置の多くはむしろ高価です。選択は処理要件と形状に基づくべきで、相対的なコストの思い込みに基づくべきではありません。

コロナ放電の洗浄効果はどの程度ですか。

溶剤や洗剤による洗浄の後に残る目に見えない炭化水素残渣の除去には、相応に有効であることが確かめられています。そのため洗浄の代替ではなく、洗浄に続く工程として用いられることが多いものです。

コロナ放電でオゾンは発生しますか。

はい。電気放電の結果としてプラズマ領域でオゾンが生成するため、設備側で管理する必要があります。