ポリテトラフルオロエチレン (PTFE) は、ほぼすべての主要産業で広く使用されている非常に一般的な材料です。この超潤滑性の多用途フッ素ポリマーは、航空宇宙産業や自動車産業 (ケーブルの絶縁カバーとして) から楽器のメンテナンス (可動部に使用する金管楽器や木管楽器のバルブ オイルに含まれています) まで、あらゆる分野で使用されています。おそらく最も有名な用途は、鍋やフライパンの焦げ付き防止の表面として使用されることです。PTFE は成形部品に成形できます。フレキシブルパイプジョイント、バルブボディ、電気絶縁体、ベアリング、ギアとして使用されます。そしてチューブとして押出成形されます。
PTFE は、極めて優れた耐薬品性と化学的不活性に加え、軽量でありながら強力な特性を備えているため、医療機器の製造および使用において非常に有利です。摩擦係数が非常に低いため (これは、表面が著しく滑りやすいことを数学的に表したものです)、PTFEチューブ純度を維持する必要があり、手術中に体内に安全に通過させる必要がある刺激の強い化学薬品や医療器具を移送するために使用できます。PTFE チューブは非常に潤滑性があり、弾力性があり、薄いため、ステント、バルーン、アテローム切除術、または血管形成術などのツールが引っ掛かりや障害物の脅威なしに自由にスライドする必要があるガイディング カテーテル ID (内径) に最適です。この物質には何も付着しないため、細菌やその他の感染因子がチューブに付着して院内感染を引き起こす能力を妨げる可能性もあります。
PTFE のこれらの驚くべき特性はすべて、PTFE がほぼ常に他のものと結合していることを意味します。コーティング、シーリングガスケット、または Pebax ジャケットやプラスチック接続フェルールを備えたチューブとして使用されている場合は、別の素材に接着する必要がある可能性が高くなります。すでに述べたことに気づいたかもしれませんが、PTFE には何も付着しません。この材料が医療機器企業にとって非常に魅力的な特性となっているため、製品の開発および生産中に製造上の問題が発生する傾向があります。コーティング、エラストマー、その他のデバイスコンポーネントを PTFE に接着させることは非常に困難であり、厳密なプロセス制御が必要です。
では、メーカーはどのようにしてこの広く使用されている接着不可能な材料を接着可能にするのでしょうか?そして、それが適切に処理または準備されていて、実際に接着またはコーティングする準備ができていることをどのようにして知るのでしょうか?
PTFE の化学エッチングの重要性
なぜ化学エッチングが必要なのかを説明するには、PTFE の接着性の欠如の原因を理解する必要があります。PTFE は非常に安定した化学結合で構成されているため、たとえ短時間であっても他のものと結合することが困難になります。
PTFE は化学的に不活性、つまり表面が空気中の化学分子や他の材料の表面の化学分子と接触しないことを意味するため、ケーブルに取り付けるにはその表面を化学的に修飾する必要があります。適用される金属またはチューブ。
すべての接着は化学プロセスであり、表面の上部 1 ～ 5 分子層が、その表面に適用される表面の上部 1 ～ 5 分子層に存在する化学物質と相互作用します。したがって、うまく接着するには、PTFE の表面を化学的に不活性にするのではなく、化学的に反応させる必要があります。材料科学では、反応性が高く、他の分子と結合しようとする表面を「高エネルギー表面」と呼びます。したがって、PTFE は、そのベースライン状態である「低エネルギー」状態から「高エネルギー」の接合可能な品質にする必要があります。
これを行うには真空プラズマ処理などのいくつかの方法があり、サンディング、研磨、または PVC またはポリオレフィン用に設計されたプライマーを使用することによって、PTFE に接着可能な表面を実現できると言う人もいます。ただし、最も一般的で科学的に証明されている方法は、化学エッチングと呼ばれるプロセスです。
エッチングは PTFE (すべてのフッ素ポリマーを構成する) の炭素 - フッ素結合の一部を破壊し、事実上、エッチング領域の化学的特性を変化させ、不活性な表面から活性で他の物質と化学的に相互作用できる表面に変化させます。 。結果として得られる表面は潤滑性は低くなりますが、接着、成型、または他の材料との接着が可能な表面となり、また印刷や彫刻も可能になります。
エッチングは、一般的に使用される Tetra Etch と同様に、PTFE をナトリウム溶液に入れることによって実行されます。結果として生じる表面との化学反応により、フルオロポリマーの炭素-フッ素主鎖からフッ素分子が除去され、電子が不足した炭素原子が残ります。エッチングされたばかりの表面は非常に高いエネルギーを持っており、空気にさらされると酸素分子、水蒸気、水素が飛来してフッ素分子の代わりになり、電子が復元されます。この修復プロセスにより、接着を可能にする分子の反応性フィルムが表面に形成されます。
化学エッチングの優れた点の 1 つは、上部の数分子層だけを変更し、PTFE の残りの部分をその独自の特性をすべてそのまま残すことができることです。
化学エッチングプロセスの一貫性を検証する方法。
化学エッチングは最上位の数層の分子層にのみ影響を与えるため、PTFE の核となる特性は変わりません。ただし、チューブに茶色または黄褐色の色合いが付いている場合があります。色の変化は表面の接着性とは相関していないと思われるため、この変色を PTFE のエッチングの程度を示す実際の指標として使用しないでください。
エッチングによって目的の種類の表面が作成されたことを知るための最良の方法は、すべてのプロのエッチング技術者が使用する方法、つまり水接触角の測定を使用することです。この技術は、高度に精製された水を PTFE 上に滴下し、その滴がどのように動作するかを測定することによって行われます。小さな液滴は、PTFE よりもそれ自体に引き寄せられるため玉状になるか、PTFE に非常に引き寄せられるため「濡れて」表面に対して平らになります。一般的に言えば、化学エッチングが成功すればするほど、接触角は低くなります (液滴はより平らになります)。これは、表面の「濡れ性」のテストと呼ばれることがよくあります。これは、本質的に、表面が適切にエッチングされ、水滴が広がると、より多くの表面が濡れるためです。
画像その上は、エッチング前の PTFE チューブ上の水滴 (小さな黄色と青のリングの内側) を上から見た図です。ご覧のとおり、水滴の端はチューブの表面に対して 95 度の角度を成しています。チューブ。
上の画像は、エッチング後の PTFE チューブ上に堆積した同様の水滴を示しています。黄色と青色のリングが大きいため、滴がチューブの表面でさらに広がっていることがわかります。これは、ドロップ エッジがチューブの表面に対して低い接触角を形成していることを意味します。そして、これらの画像の両方が撮影された Surface Analyst デバイスでその角度を測定すると、はい、角度が 38 度であることがわかります。このチューブが確実に接合可能であることを確認するために必要な数値に関する所定の要件を満たしていれば、表面が十分にエッチングされたことが検証されたことになります。
水接触角テストを最も効果的に使用するには、表面科学者と協力して、エッチング後に到達する理想的な角度範囲を理解することが重要です。これにより、定量化可能な仕様に基づいて予測可能な接合プロセスを構築できます。なぜなら、特定の接触角を持つ表面を作成する必要があることがわかっていれば、そうすれば接着が成功することがわかるからです。
さらに、効率的なエッチングプロセスを確保するには、エッチングが行われる前に水の接触角を測定することが重要です。ベースラインの清浄度評価を取得すると、接触角要件を達成するために必要なエッチングのパラメーターを正確に知ることができます。
エッチを維持する
エッチングされた PTFE を適切に保管することは、接着プロセスを成功させるために不可欠です。保管と在庫は重要管理点 (CCP) です。これらの CCP は、プロセス全体のどこにでも存在し、材料の表面が良くも悪くも、そしておそらくは意図せずに変化する機会があります。化学的に洗浄されたばかりの表面は非常に反応性が高く、接触すると加工物が変化したり劣化したりする可能性があるため、エッチングされた PTFE にとって保管用 CCP は非常に重要です。
エッチング後の PTFE を保管する際のベスト プラクティスは、再封可能な場合は、到着したときのパッケージを使用することです。それが利用できない場合は、UV カットバッグが良い代替品になります。PTFE を空気や湿気からできるだけ遠ざけ、接着する前に必ず接触角を測定して、接着能力が維持されていることを確認してください。
PTFE は無数の用途を持つ優れた素材ですが、その利点を最大限に活用するには、ほとんどの場合、化学的にエッチングしてから接着する必要があります。これが十分に行われていることを確認するには、表面の化学変化に敏感なテストを使用する必要があります。製造プロセスを理解している材料専門家と提携して、エッチングを最適化し、ワークフローに確実性を組み込みます。
投稿日時: 2023 年 7 月 17 日