フィルムのグラフト重合とゼータ電位・表面自由エネルギー解析
１．はじめにEB（電子線）照射は、物質にエネルギーを与えることで分子の共有結合状態を変化させることができるが、これを利用することで高分子表面特性を改質したり、新しい機能を付与したりすることができる。岩崎電気様の得意とするEBグラフト重合では、印刷適正、セパレータのぬれ性、イオン交換性、耐光性、抗菌性などの改善・改質などで活躍している。
グラフト重合とは、身近な例で例えると接ぎ木の様なものである。実が成らない木に果物の枝を接ぎ木することでその枝だけに果実が実る。同様に、高分子表面の共有結合を切ってラジカルを作り、その部分に官能基を有したモノマーを導入することで機能性を付与することができる。これがグラフト重合である。（引用元 岩崎電気様HP：https://www.iwasaki.co.jp/tech-rep/technical/166/）
２．グラフト重合による親水性付与
ETFEフィルムを基材にHEMA（２-ヒドロキシメチルメタアクリレート）を塗布し、パンチングメタルを介して電子線EBを照射した。パンチングメタルの穴あき部分のみがEB照射の効果を受けてラジカルを作り、その部分にのみHEMAがグラフト重合することで部分的に異なる特性を付与することができる。このフィルムに水を触れさせたところ規則正しく丸い水滴が残っており、パンチングメタルの穴あき部分にのみグラフト重合が生じ、撥水表面であったＥＴＦＥフィルムに親水性を付与できたことがわかる。
３．ゼータ電位測定と表面自由エネルギー成分解析
未処理のETFE表面とグラフト重合処理を施したETFE表面の固体のゼータ電位測定、及び表面自由エネルギー成分解析を実施し比較した。
固体のゼータ電位の測定結果を図２、図3に示す。ここでは試料条件としてＥＢ吸収線量を変えた場合の表面改質状態の違いを比較している。未処理ETFEのpHに対するゼータ電位の推移は、図２の青色プロットの様になる。これに対してグラフト重合処理が行われたフィルム表面は、付与された官能基の存在によってpHに対するゼータ電位の変化が抑えられ、水平に近いプロファイルにシフトするという一般的な傾向が見られた。またこれらの等電点に着目すると（図３）、EB吸収線量の違いによって等電点が徐々にpHの低い方に変化していることがわかる。
表面自由エネルギー成分計算の結果を表１、図4に示す。表１に示す通り、EB吸収線量が大きくなると共に水接触角は徐々に小さくなっていった。ジヨードメタンでも接触角測定を行ったが、EB吸収線量に対する接触角は水と同じ傾向が見られた。
表面自由エネルギー分散成分の変化は、25 kGyでの表面改質時点で分散成分は約13 mJ/m2の大きな変化となったが、その後の50 kGy、100kGyのEB吸収線量の増加では分散成分の変化はほぼ見られなかった。
一方、表面自由エネルギー極性成分は25 kGy、50 kGy、100 kGyとEB吸収線量が変化するとともにある程度の増加を確認することができた。表面自由エネルギーのTotal値は、未処理ETFEと100 kGyでは約34 mJ/m2の変化となり、表面自由エネルギーTotal値の大きな変化を確認できた。
表面改質の度合いの数値化を目的として2つの測定方法を比較しているが、ゼータ電位と表面自由エネルギー解析はそれぞれアプローチする視点が異なるものであり、数値化できる界面現象も厳密には異なるものである。表面を分析する上で大きな変化をもらたしている条件を見定めながら、変化量の小さくなる境界を見極めることで、製品の目的に応じたより効率的な処理条件の選定に活かすことができる。