2021 Fiscal Year Research-status Report
Surface modification on flexible substrates for their electroless deposition
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19K05608
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| Research Institution | Osaka Research Institute of Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
玉井 聡行 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 森之宮センター, 研究フェロー (50416335)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
渡辺 充 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 森之宮センター, 主任研究員 (70416337)
懸橋 理枝 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 森之宮センター, 研究室長 (70294874)
小畠 淳平 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 和泉センター, 主任研究員 (00566424)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 紫外光照射 / プラズマ処理 / 高分子電解質多層膜 / 交互積層法 / ポリエチレンナフタレート / ポリエチレンテレフタレート |
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| Outline of Annual Research Achievements |
異種材料の複合化では、異成分間界面における物質間相互作用の最適化を通じた複合体の特性向上が期待される。ポリエチレンナフタレート(PEN)およびPETフィルム基材に対して、(1) 真空プラズマ処理もしくは紫外光照射（254 nm）による基材表面改質、(2) 交互積層による多層膜（表面修飾層）形成および膜表面への Pdナノ粒子触媒付与、(3) 無電解ニッケルめっきを経ることで、均一で密着性に優れた金属薄膜（めっき被膜）が形成され、フィルム基材／多層膜／金属薄膜の“積層構造体”が得られる。一方UV/O3処理による表面改質を経た場合、脆弱な改質層の生成により、金属薄膜の密着性は低く、“基材／多層膜界面”で剥離する。すなわち表面改質は、界面での相互作用発現に必要な一方で、不適切な条件では改質層の脆弱化に至る。
今年度は、改質過程と“表面改質層の特性”との関係、特に表面に生成する官能基について検討を行った。上記の通り高密着性の金属薄膜を形成可能なプラズマ処理もしくは254 nm光照射について、改質直後のPEN表面のゼータ電位および対水接触角の測定を行い、そのpH依存性を調べた。254 nm光照射では、明確なpH依存性が得られ、-CO2H 基由来の等電位点がpH 3.9-4.0 付近に存在することが示唆された。一方プラズマ処理では、pH依存性が比較的小さいことから、-CO2H 基に加えて-OH基の生成が示唆された。高分子の酸化分解反応で生じるこれらの官能基が、基材／多層膜界面での相互作用を発現させると考えている。また、UV/O3処理後に基材表面を1M NaOHで洗浄することで、脆弱な表面改質層の除去を試みた。しかし、ナノインデンターによる表面物性評価では、洗浄後は硬度の分布が不均一となることから、不完全な改質層除去による不均一な表面の形成が示唆された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
上記の通り今年度は主に、改質過程と“表面改質層の特性” との関係、特に表面に生成する官能基の状態解明に取り組んだ。そこで、表面改質による-CO2H 基、-OH基の生成がめっきの密着性向上に重要であること、および脆弱な改質層生成の抑制の必要性を明らかとしたことなどから、本研究は概ね計画通り進行していると判断した。また下記の今後の方向性が示された。
本研究の表面改質では、高分子鎖の酸化分解反応による官能基の生成、それに伴う親水化が進行する。光化学反応では、高分子鎖の“架橋反応”も同時に進行する（“分子量低下を伴う酸化分解反応”と“分子量増加を伴う架橋反応”は、高分子の機械的特性に対して相反する影響を与える）。酸化分解反応は密着性を向上させる効果を有し、架橋反応は改質層の機械的特性を向上させる。UV/O3処理では、酸素活性種による酸化分解反応が優先するため脆弱層が形成される。以上より、光照射ではその条件検討により、反応活性種の発生を制御することがめっきの密着性向上に有効と考えられる。
表面改質による、高分子の結晶化度など高次構造変化にも注目した。PETフィルムへ254 nm光を照射し、そのIRスペクトルから結晶化度を調べた。しかし、照射による結合開裂に起因する一次構造変化が優先して進行するためか、明確な結晶化度の変化は見出されなかった。結合開裂を伴なう本研究では、高次構造変化の評価は困難と判断される。
表面改質の手法として、種々のプラズマ処理装置、紫外光源の条件検討に取り組んだ。多層膜の積層条件および、Pdナノ粒子の触媒能向上についても引き続き取り組んだ。これらの検討も密着性向上に必要であると考えられる。
以上本年度は、表面改質層の特性解明が、基材／多層膜界面での密着性発現に重要であることを明らかとし、それらの研究成果に関して学会発、表論文投稿を行い、また解説論文１報が掲載された。
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| Strategy for Future Research Activity |
コロナ禍による行動制限の影響もあり、研究期間を1年延長した。上記の成果も踏まえ、無電解めっきによる積層構造体形成とそこでの界面・表面の構造制御に取り組む。昨年度に引き続き特に下記の２項目の検討を行うことで、“基材表面改質層／多層膜界面” のナノスケール構造制御を行い、それによる金属薄膜の密着性など積層構造体の特性向上を目指す。
フィルム基材および交互積層多層膜が形成する“界面の近傍層”における数百nm厚み部分の構造解明：
改質層の最表面の構造については概ね明らかとなってきた。一方で、“基材表面改質層／多層膜界面”での密着性に関しては、改質層・多層膜の内部構造も重要と考えている。改質層・多層膜最表面のナノスケールでの物理・化学的構造評価については、走査電子顕微鏡(SEM, FE-SEM)、原子間力顕微鏡(AFM)等による表面形状観測、およびX線光電子分光(XPS) による組成比分析などにより明らかとする。比較的分析深度（厚み）が大きいと考えられる、ナノインデンター(NI)による表面物性評価、全反射赤外(ATR-FT-IR)分光分析（購入機器）による化学構造分析等の結果も加えた、多角的な解析により”界面近傍層の構造”を明らかとする。昨年、所属先に共通機器として導入されたNIも活用することで、多層膜の最表面から内部に至る数百nm厚みの“界面の近傍層”に関する情報が得られると考えている。
紫外光照射条件（波長、雰囲気）の最適化：
紫外光照射による表面改質は、その簡便な操作や二次元パターン形成などの点で優位性を持つが、上記の通り酸化分解反応と架橋反応の精密な制御が望まれる。そのため光源（波長）に加えて、酸素濃度等、照射雰囲気の最適化により反応を制御することで、界面での相互作用発現、および基材表面の機械的特性の維持（脆弱化の抑制）を図る。
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| Causes of Carryover |
コロナ禍の影響もあり、予定していた海外での国際会議参加を断念したため。実験用の装置・機器に目立った経年劣化やトラブルがなく、想定していた部品交換等の必要がなかったため。また次年度は、消耗品類、小型機器の購入などに使用する予定である。
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Research Products
(6 results)
