表面エネルギー

表面エネルギー

要点

• 表面エネルギーは、液体が濡れ広がるか玉状になるかを決めます。印刷や接着の成否を予測する上で、最も有用な単一の指標です。
• 液体の表面張力は固体より低くなければならず、実用上のマージンはおよそ7～10 dyne/cmです。
• ポリオレフィンは約29～31 dyne/cmで、ほぼすべてのインクや接着剤を下回るため、前処理が必要です。
• 処理効果は減衰します。表面エネルギーは一時的な状態であり、部品の恒久的な特性ではありません。

表面エネルギー

表面エネルギーとは、固体表面の分子が内部の分子に比べて持つ余剰エネルギーで、プラスチックでは、インク、接着剤、コーティングが表面上で濡れ広がるか、玉状にはじかれるかを決定します。慣例としてダイン毎センチメートル（dyne/cm）で表され、数値上はミリニュートン毎メートルに等しくなります。

固体内部の分子は四方を囲まれており、あらゆる方向で引力が満たされています。表面の分子はそうではないため、満たされていない結合能力を持っています。この満たされていない能力こそ液体が相互作用できる部分であり、それがわずかしかない表面、すなわち低エネルギー表面は、液体がとどまる足掛かりを与えません。

濡れを支配する法則

液体が固体を濡らすには、液体の表面張力が固体の表面エネルギーより低くなければなりません。高い場合、液体は接触面積を最小にして玉状になります。実際には、単なる等しさではなく、余裕（マージン）が必要です。

目標表面エネルギー ≈ 液体の表面張力 + 7～10 dyne/cm

この単純な関係で、プラスチックにおける密着不良の大半が説明できます。約35 dyne/cmの水性インクを、29 dyne/cmの未処理のポリプロピレンに塗布しても濡れず、乾燥時間、圧力、インクの配合変更をいくら行っても、この算術は変わりません。まず表面を引き上げる必要があります。

ポリマー別の代表値

表面エネルギーの引き上げ

工業的な前処理は、いずれも同じ基本的な経路で機能します。上から数分子層を酸化し、非極性の炭化水素主鎖に、極性のある酸素含有基をグラフト（導入）することです。方式の違いは原理ではなく、形状、コスト、耐久性にあります。

• コロナ放電：フィルムやウェブを高速かつ1平方メートルあたり低コストで処理する標準的な方法です。
• 火炎プラズマ：耐えられるだけの熱容量を持つ、成形品や曲面部品に適しています。
• 大気圧プラズマ：選択的な処理が可能で、ロボットに搭載でき、熱負荷が低く、三次元部品向けです。
• 低温ガスプラズマ：影になる形状にも届くバッチ式の真空プロセスで、最も持続性の高い結果が得られ、表面の化学的性質を調整することもできます。
• Pyrosil：既存の表面を活性化するのではなく、反応性のケイ酸塩層を堆積させるため、使用可能な期間が大幅に長くなります。

測定方法

1点ではなく、部品全体またはウェブ幅全体にわたって測定してください。端から中央にかけてのばらつきはよくあり、見逃しやすく、無作為に見える不具合の原因となることが多くあります。

処理が長続きしない理由

引き上げられた表面エネルギーは一時的な状態です。2つの機構がそれを元に戻す方向に働き、どちらも処理が終わった瞬間から進行します。

• 分子鎖の再配向。グラフトされた極性基は可動性のあるポリマー鎖に結合しており、鎖が回転して極性基をエネルギー的により安定な表面下に埋め込みます。温度が高いとこれが加速されます。
• 添加剤の移行。スリップ剤、アンチブロッキング剤、可塑剤、残留する離型剤が表面に移行し、処理層を覆います。ポリオレフィンフィルムでは通常こちらの影響の方が大きく、処理装置側に何も変更がなくても、配合の変更で使用可能な期間が短くなることがあるのはこのためです。

実務上の帰結として、処理から接着までの間隔には、上限を明記して工程仕様に含める必要があります。時間が経過した処理済みの材料は、良好と想定せず、使用前に再測定してください。

関連用語と参考情報

• プラズマ表面処理はどのくらい持続しますか？
• ASTM D3359 テープ試験
• 接触角
• ポリマー表面前処理の全方式
• プラスチックの密着問題を解決する科学
• 密着不良
• 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

実運用での活用

The Sabreen Groupは、表面エネルギーの測定、前処理の選定、密着性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、材料の適格性確認、生産上の問題のトラブルシューティングなど、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、ぜひお問い合わせください。

よくある質問

印刷や接着の前に、プラスチックにはどの程度の表面エネルギーが必要ですか？

液体の表面張力を約7～10 dyne/cm上回る値です。ほとんどのインクや接着剤では、ポリオレフィンで38～44 dyne/cm、PETフィルムで46～52が必要ですが、その数値は一般的な目標値ではなく、実際の化学系を用いた試験から得るべきです。実際のインクで誰も試験していない業界標準の数値を挙げた仕様書は、失敗を待っている仕様書です。

他のプラスチックは前処理が不要なのに、ポリオレフィンは必要なのはなぜですか？

ポリプロピレンとポリエチレンは約29～31 dyne/cmで、事実上すべての一般的なインクや接着剤を下回るため、濡れがまったく起こらないからです。ポリカーボネート、ABS、PETは35～46の範囲から始まり、多くの液体を上回るか近い値のため、成形したままで印刷や接着ができることが多くあります。ポリオレフィンを不活性で安価にしている化学的性質は、印刷できなくしている性質と同じものです。

ダインペンの読み取りは、生産管理に十分な信頼性がありますか？

簡易確認であれば十分ですが、根拠を示す必要がある場面では十分ではありません。ペンのインクは乾燥して劣化し、判定も主観的です。ASTM D2578に基づく濡れ張力試験液が標準的な生産用の方法で、接触角ゴニオメトリーは、バリデーションや顧客との紛争の決着に必要な定量値を与えます。いずれを使う場合も、1点ではなく幅全体にわたって測定してください。

ダイン値が適正なのに密着が不良になるのはなぜですか？

ほとんどの場合、汚染が原因です。前処理は表面にあるものを何でも活性化するため、離型剤、スリップ剤のブルーム、コンプレッサー油の層がポリマーの代わりに活性化され、ダインペンはその活性化された汚染物質を問題なく読み取ります。処理レベルを上げても効果はありません。汚染物質の発生源をたどってください。処理ステーションではなく、上流の工程であることが多くあります。

表面処理はどのくらい持続しますか？

ポリマー、添加剤の組成、保管条件によって、数時間から数週間です。ポリマー鎖が再配向してグラフトされた極性基を埋め込み、スリップ剤、可塑剤、離型剤が表面に移行してそれらを覆います。エラストマーや可塑化グレードは最も早く減衰します。処理から接着までの最大間隔を実験的に確立して工程仕様に含め、時間が経過した材料は、まだ良好と想定せず再測定してください。

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