[論文レビュー] PTFE treatment by remote atmospheric Ar/O2 plasmas: a simple reaction scheme model proposal

E. Carbone, M. W. G. M. Verhoeven+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2013

Surface Modification and Superhydrophobicity被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、リモート大気圧Ar/O2プラズマによって誘発されるポリテトラフルオロエチレン（PTFE）表面改質を説明する単純な反応機構を提案する。水接触角（WCA）およびXPS分析を用いて、純粋なArプラズマは親水性を増加させることを示し、O2を添加することで表面粗さの変化に起因して疎水性が増加することを明らかにした。化学結合の変化ではなく、表面粗さの変化が主因であるため、フラーロポリマーにおけるプラズマ誘発表面工学のモデルが提示される。

ABSTRACT

Polytetrafluoroethylene (PTFE) samples were treated by a remote atmospheric pressure microwave plasma torch and analyzed by water contact angle (WCA) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). In the case of pure argon plasma a decrease of WCA is observed meanwhile an increase of hydrophobicity was observed when some oxygen was added to the discharge. The WCA results are correlated to XPS of reference samples and the change of WCA are attributed to changes in roughness of the samples. A simple kinetics scheme for the chemistry on the PTFE surface is proposed to explain the results.

研究の動機と目的

• リモート大気圧Ar/O2プラズマ処理がPTFE表面に与える影響を理解すること。
• Arプラズマ処理では親水性（WCA低下）が観察される一方で、O2含有プラズマ処理では疎水性が増加するという相反する観察を解明すること。
• プラズマ露出後のPTFE表面に観察された変化を説明する単純な反応機構モデルを構築すること。
• WCAの変化をXPSおよび形態解析を用いて、表面化学および表面形態の両者と関連付けること。

提案手法

• Ar/O2ガス混合気を用いたリモート大気圧マイクロ波プラズマターチを用いてPTFE試料を処理する。
• 表面エネルギーおよび親水性の変化を評価するため、水接触角（WCA）を測定する。
• 表面化学組成および結合状態を分析するため、X線光電子分光法（XPS）を用いる。
• WCAの傾向とXPSデータを照合し、表面特性に及ぼす化学的要因と形態的要因の寄与を区別する。
• 観察されたWCAおよびXPSの傾向に基づいて、表面挙動を説明するためのキネティクス反応機構を提案する。
• 表面粗さがWCA変化の主因であると評価する。化学的変化ではなく、物理的エッチングおよび粗さの変化が主役である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アルゴンプラズマに酸素を添加すると、水接触角（WCA）で測定されたPTFE表面の親水性はどのように変化するか？
• RQ2 表面粗さと化学的修飾のどちらが、プラズマ処理されたPTFEの疎水性または親水性の特性を決定づけるか？
• RQ3 なぜ純粋なアルゴンプラズマ処理ではWCAが低下（親水性増加）するのに対し、O2含有プラズマ処理では疎水性が増加するのか？
• RQ4 リモートプラズマ露出後のPTFEに観察された表面変化を引き起こす背後にある反応機構は何か？
• RQ5 複雑な化学反応を仮定せず、実験的傾向（WCAおよび表面化学）を単純なキネティクスモデルで説明できるか？

主な発見

• 純粋なアルゴンプラズマ処理により水接触角（WCA）が低下し、表面エネルギーが上昇し、親水性が増加することが示された。
• Arプラズマに酸素を添加することで、WCA値の上昇が観察され、疎水性が増加した。
• XPS分析により、プラズマ処理後のPTFE表面に顕著な化学的変化は認められず、WCAの変化は新しい化学結合の形成に起因しないことが示唆された。
• 観察されたWCAの変化は、主に表面粗さの変化に起因しているとされ、化学組成の変化とは無関係である。
• 物理的エッチングおよび粗さの進化を重視する単純なキネティクス反応機構が、表面挙動を説明するために提案された。
• 本研究では、表面の化学結合ではなく、表面形態が、プラズマ処理されたPTFEにおける親水性変化の主因であると結論づけた。