プラズマとは ― 物質の第4の状態
物質の状態として一般によく知られているのは、固体、液体、気体の3つです。しかし、宇宙に存在する目に見える物質の99％がプラズマ状態であるにもかかわらず、物質の第4の状態とされるプラズマは、まだあまり知られていません。さらに、プラズマは人工的に生成でき、多様な用途に活用できることも、あまり知られていません。接着、塗装、印刷、コーティングなどの工程に先立つ材料洗浄や表面前処理において、プラズマは大きな可能性を持っています。そのため、自動車、エレクトロモビリティ、輸送、電子機器製造、包装技術、消費財、ライフサイエンス、テキスタイル、新エネルギーといった幅広い産業の製造工程で欠かせない技術となっています。
物質の状態は、温度と圧力によって変化します。温度が上昇すると原子結合は不安定になり、固体は液体に、液体は気体へと変化します。気体にさらにエネルギーが加わると、電子を放出して電離します。この電離した気体がプラズマであり、イオン、自由電子、励起分子、ラジカル、分子断片を含んでいます。プラズマは、宇宙のいたるところに存在しています。
太陽、ガス雲、恒星、銀河など、目に見える物質のほぼすべてはプラズマの状態です。自然界では、オーロラとしてプラズマを観察することができます。オーロラは、太陽風のプラズマによって励起された地球大気中の空気分子が、緑、青、赤、紫の光を放つ現象です。また、火花、雷、炎にもプラズマが存在します。プラズマは、円筒状または管状のチャンバー内で強力な気体放電を起こすことにより、実験室で人工的に生成することもできます。この放電によって高温が発生し、物質が蒸発するとともに、中性原子や分子が電離してイオンと自由電子が生成されます。
産業用途で活用される大気圧プラズマとは
プラズマトリートが開発したOpenair-Plasma®(オープンエアープラズマ) は、真空状態を必要とせず、通常大気圧下で使用できる大気圧プラズマ技術です。この技術により、従来の真空プラズマとは異なり、オープンな環境下での表面前処理が可能になり、生産ラインへの組込みも容易になりました。当社の大気圧プラズマ技術は、プラスチック、金属、ガラスなど多様な素材に対し、表面の洗浄や接着性の向上、表面改質など幅広い用途で活用されています。
プラズマの特性を示す代表的な指標は、電子温度と、紫外線・可視光領域で励起されたさまざまな種の発光です。熱の影響を受けやすいプラスチックを大気圧下で損傷させずに前処理するには、高い電子温度と低いイオン温度を利用することが重要です。
緩和状態にあるプラズマ*の発光現象 (光学発光) は、光学発光分光法 (OES) によって検出できます。可視光領域、特に紫外線領域において、プラズマ中で励起された種に特有の発光スペクトル帯を光ファイバーで評価用電子機器へ伝送し、専用ソフトウェアで処理します。プラズマトリートのシステムに搭載されているプロセスモニタリングコンポーネントは、この光学モニタリングの原理に基づいて動作します。これにより、プラズマプロセス全体を通じて均一な品質を維持できます。
*緩和：プラズマが基底状態に移行すること。この過程で、それまで供給されていた励起エネルギーが光として周囲に放出されます。
プラズマは、高く不安定なエネルギー状態にあり、高い電気伝導性を持つことが特徴です。化学的にも反応性が高く、固体表面だけでなく液体、微生物とも相互作用します。プラズマがプラスチック、ガラス、金属などの固体材料に接すると、表面エネルギーが変化し、例えば疎水性から親水性へと表面の性質が変わります。
そのため、接着性や濡れ性といった重要な表面特性を変化させることができます。これにより、まったく新しい材料や非極性材料、さらに環境に配慮した溶剤不使用 (VOCフリー) の塗料・接着剤を産業用途で使用することが可能になります。
現在では、従来の化学的な表面処理工程の多くをプラズマ処理に置き換えることができます。プラズマ技術を用いることで、溶剤 (VOC) やCO₂排出を伴わず、環境に配慮した表面前処理が可能になります。また、化学薬品、プライマー、接着促進剤を使用する必要がありません。
プラズマによって変化する表面特性
プラズマは、高く不安定なエネルギー状態にあり、高い電気伝導性を持つことが特徴です。化学的にも反応性が高く、固体表面、液体、微生物と相互作用します。プラスチックや金属などの固体材料にプラズマが作用すると、加えられたプラズマエネルギーによって表面エネルギーが変化し、濡れ性や接着性などの表面特性が変化します。
Openair-Plasma®による目的に応じた表面改質
金属・ガラスの超微細洗浄の例：プラズマが金属やガラスに作用すると、超微細洗浄が行われます。極めて繊細な表面からも不要な物質を効果的に除去できます。プラズマによる微細洗浄は、微小なパーティクルまで表面から取り除きます。ナノレベルの化学的・物理的反応により、高品質で精密に制御された表面を形成し、その後の加工に適した状態に整えることができます。接着、コーティング、ニス塗布、印刷などの前に表面を微細洗浄することで、最新の無溶剤／水性システムを使用できるようになります。化学プライマーやブラッシングなどの機械処理による追加の前処理を省くことができ、生産工程におけるVOC (揮発性有機化合物) の排出を回避できます。当社の大気圧プラズマ技術Openair-Plasma®による洗浄はドライプロセスであるため、処理後の乾燥工程を必要とせず、すぐに次工程へ進めることができます。これは産業工程において、処理時間の大幅な短縮につながる大きなメリットです。
プラスチックの表面活性化と濡れ性向上の例：プラズマによる前処理は、さまざまなプラスチックの表面特性を変化させることもできます。多くの非極性プラスチックでは、プラズマが作用することで、表面に酸素や窒素を含む官能基が形成されます。これにより表面エネルギーが大幅に高まり、いわゆる活性化が起こります。その結果、基材の濡れ性が大きく向上し、接着性の向上につながります。そのため、火炎処理や環境に有害な化学薬品を用いる従来の前処理を行わなくても、接着剤、塗料、ラッカーなどが前処理後の表面により良好に、かつ長期的に安定して密着します。
