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フィルム・シートの温度・湿度制御下での粘弾性測定
アイティー計測制御株式会社 井伊 忠興
はじめに 高分子材料の弾性率は、きわめて広い範囲にわたる。
共有結合で説明される 1011Paのオーダの値から エントロピー弾性（ゴム弾性、あえて 107～105Pa）で説明される値まで
２ｘ1011Pa ・・“ケブラー繊維”Kevlar 105Pa ・・粘着剤 PSA
をつぎに、古い私どもの報告から紹介 粘着研究会第 29 例会（H5.3.26）No3、高強度高分子材料に関する調査報告書（Ｓ62.3）第 2 章 2.7、 Macromolecules,20,347
まず、２ｘ1011Pa＝200GPaと高いほうですが・・・・・・ なぜか横軸は温度です。
こちらは、105Pa、つまり 106dyn/cm2 のほうです。クラシックな・・ むろん温度です。
1990 年～ 動的粘弾性測定装置 DVA200 シリーズを開発 （DVA；Dynamic Viscoelastic Analyzer の意）
願望・目標・必要条件 温調を高精度化し、冷却用液体窒素使用量は 2,3L に 簡単操作・簡潔構造の湿度コントロール機能をつける → 作業時間の大幅短縮 フィルム～厚いシートまで、 4 桁以上の弾性率が実測できる力学精度 → 測定結果の再現性向上
時代状況 パソコンの出現 → ユーザである材料屋・物性屋の意向を反映しやすくなった
本題に入ります
装置にかんする お話
材料（試料）に関する お話
1. 普通の弾性 （ Hooke の法則 F = kx ；力 は距離（もしくは変位）に比例する） 材料は あたえたエネルギー｛力 ｘ 距離（もしくは変位）｝ をためる →貯蔵弾性率； Strage Modulus, KeepElastic , real part
2. 普通の粘性 （ニュートンの法則； F=η・変形速度） → 弾性扱いもできる 材料は あたえたエネルギー｛力 ｘ 距離（もしくは変位）｝ を熱にかえて消費し、取り戻せない →損失弾性率； Loss Modulus, LossElastic , imaginary part
3. 弾性と粘性を コミ で扱うとても素直な方法* ・・・・動的（Dynamic ）測定データ のとき
E* ＝Eｒ＋iEi ＝Er [1+i tan（δ）] i：虚数単位 i2 =－1 （まあ、Ei = ωη）
○ tan（δ）が大きいとは 材料に粘性的要素が目立つということ
（* これは 電気、物理、化学、機械 などで振動や交流をあつかうときの ごく普通の方法）
ラップフィルムと複合フィルム 定番ラップフィルム
→ 脱塩素化 ポリエチレンをつかって
→ 脱塩素化と 耐熱性確保 ポリメチルペンテンの場合
複層化 → 脱塩素化と 耐熱性確保、ガスバリア性確保
厚さは変わらず、10μ
-150 -100 -50 0 50 100 150 200 250TEMPERATURE(℃)
6
7
8
9
10lo
g E[P
a]
DVA (3℃/min; 10Hz) [PVDC系ラップ]
2
1 log tan
δ
0
-1
-2
Er Ei tanδ
一連のデータの最初に、縦横の枠、記号の説明を
-150 -100 -50 0 50 100 150 200 250TEMPERATURE(℃)
6
7
8
9
10lo
g E[P
a]
DVA (5℃/min; 10Hz) [TPX]
-3
-2
-1
0
1
22
-3
log tan
δ
Er Ei tanδ
-150 -100 -50 0 50 100 150 200 250TEMPERATURE(℃)
6
7
8
9
10lo
g E[P
a]
DVA (5℃/min; 10Hz) [5層ラップ]
-2
-1
0
1
2
33
-2
log tan
δ
Er Ei tanδ
-150 -100 -50 0 50 100 150 200 250TEMPERATURE(℃)
6
7
8
9
10
log
Er[
Pa]
PVDC系ラップ 5層ラップ TPX(４０μfilm)
3 種の比較
-150 -100 -50 0 50 100 150 200 250TEMPERATURE(℃)
6
7
8
9
10
log
Er[
Pa]
HDPE/XD(12u) LDPE/SG.922MI.6 LLDPE(FCS40)
ＰＥ3 種
-150 -100 -50 0 50 100 150 200 250TEMPERATURE(℃)
6
7
8
9
1010
6
log
Ei[Pa]
5層ラップ (4)Nylon6(1軸延
構成要素との対比
-150 -100 -50 0 50 100 150 200 250TEMPERATURE(℃)
7
8
9
10
log
Er[
Pa]
5層ラップ (4)Nylon6(1軸延
-150 -100 -50 0 50 100 150 200 250TEMPERATURE(℃)
6
7
8
9
10
log
E[P
a]
-2
-1
0
1
2
33
-2
DVA (6℃/min; 10Hz) [OP(S)]
log tan
δ
Er Ei tanδ
湿度依存性の測定(第 1 期) 制御のようすを、横軸に時間をとって
5 10 15 20 25 30 35 40 4510
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Time(min)
7
8
9
1010
7
log
E[P
a]
Tem
p./
℃
DVAH( 2%RH/min; 10Hz) [PVA(OH 88%)]
50-2
-1
0
11
-2
log tan
δ
Hum
i./%RH
SET=30℃Er Ei tanδ
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100HUMIDITY(%RH)
7
8
9
1010
7
log
E[P
a]
-2
-1
0
11
-2
log tan
δ
SET=30℃
DVAH( 2%RH/min; 10Hz) [PVA(OH 88%)]
Er Ei tanδ
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100HUMIDITY(%RH)
9
1010
log
Er[
Pa]
nylon6/30ﾟC nylon6/50ﾟC nylon6/70ﾟC
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100HUMIDITY(%RH)
-2
-1
-2
log
tanδ
nylon6/30ﾟC nylon6/50ﾟC nylon6/70ﾟC
湿度依存性の測定(第 2 期) 水の蒸気圧
0℃ 610 Pa
30 4244
60 19934
90 70121
100 101325
30 40 50 60 70 80Time(min)
7
8
9
1010
7
log
E[P
a]
-3
-2
-1
00
-3
log tan
δ
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
Tem
p./
℃
DVAH(2℃/min; 10Hz) [PET12μ10%RH]
Hum
i./%RH
SET=10%RHEr Ei tanδ
30 35 40 45 50 55 6030
40
50
60
70
80
90
100
Time(min)
7
8
9
1010
7
log
E[P
a]
Tem
p./
℃
DVAH(2℃/min; 10Hz) [PET12μ90%RH]
65-3
-2
-1
00
-3
log tan
δ
Hum
i./%RH
SET=90%RHEr Ei tanδ
30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130TEMPERATURE(℃)
9
1010
9
log
Er[
Pa]
PET12μ90%RH PET12μ10%RH
30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130TEMPERATURE(℃)
-2
-1
log
tanδ
PET12μ90%RH PET12μ10%RH
30 40 50 60 700
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Time(min)
8
9
1010
8
log
E[P
a]
Tem
p./
℃DVAH( 2%RH/min; 10Hz) [PET12μ95℃]
80-2
-1
00
-2
log tan
δ
Hum
i./%RH
SET=95℃Er Ei tanδ
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100HUMIDITY(%RH)
9
2
3
4
5
9
log
E[P
a]
DVAH( 2%RH/min; 10Hz) [PET12μ95℃]
0
0.5
1
1.5
Elo
nga
tion(%
)
4
5
6
7
8
9
-1
2
3lo
g tanδ
SET=95℃
[elo
n. 1]
Er Ei tanδ
結晶性ポリマー(シート；厚さ 1～2mm)の測定 複数周波数下で
-150 -100 -50 0 50 100 150 200 250
DVA (10℃/min;multi-Hz) [シリコンゴム]
300
TEMPERATURE(℃)
4
5
6
7
8
9
1010
4
log
E[P
a]
-2
-1
0
1
22
-2
log tan
δ
Er tanδ
Freq(Hz)
100
10
1
-150 -100 -50 0 50 100
DVA (4℃/min;multi-Hz) [EVA-sheet]
150
TEMPERATURE(℃)
5
6
7
8
9
1010
5
log
E[P
a]
-2
-1
0
-2
log tan
δ
Er tanδ
Freq(Hz)
100
10
1
-150 -100 -50 0 50 100 150 200 250
DVA (4℃/min;multi-Hz) [PTFE]
300
TEMPERATURE(℃)
5
6
7
8
9
1010
5
log
E[P
a]
-2
-1
0
1
2
33
-2
log tan
δ
Er Ei tanδ
Freq(Hz)
100
10
1
さまざまな PET の データ の紹介
-150-100 -50 0 50 100 150 200 250 300TEMPERATURE(℃)
5
6
7
8
9
1010
5
log
E[P
a]
-3
-2
-1
0
1
22
-3
log tan
δ
DVA (5℃/min; 10Hz) [PET-bottle(dried)]
Er Ei tanδ
-150-100 -50 0 50 100 150 200 250 300TEMPERATURE(℃)
5
6
7
8
9
1010
5
log
E[P
a]
-3
-2
-1
0
1
22
-3
log tan
δ
DVA (6℃/min; 10Hz) [PET(急冷非晶）]
Er Ei tanδ
-150-100 -50 0 50 100 150 200 250 300TEMPERATURE(℃)
5
6
7
8
9
1010
5
log
E[P
a]
-3
-2
-1
0
1
22
-3
log tan
δ
DVA (6℃/min; 10Hz) [A-PET]
Er Ei tanδ ここで、急冷 PET シート を A-PET と 記載。 ！！ A-PET の定義しりません。
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Time(min)
6
7
8
9
1010
6
log
E[P
a]
-3
-2
-1
0
11
-3
log tan
δ
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
TEM
PERA
TU
RE(℃
)
DVA (PROG. TEMP.; 10Hz) [A-PET]
Er Ei tanδ
0 10 20 30 40 50 60Time(min)
6
7
8
9
1010
6
log
E[P
a]
-3
-2
-1
0
11
-3
log tan
δ
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
TEM
PERA
TU
RE(℃
)
DVA (PROG. TEMP.; 10Hz) [A-PET]
Er Ei tanδ
-150 -100 -50 0 50 100 150TEMPERATURE(℃)
5
6
7
8
9
1010
5
log
E[P
a]
-3
-2
-1
0
1
22
-3
log tan
δ
DVA (5℃/min;multi-Hz) [AA-pet]
Er Ei tanδ
Freq(Hz)
100
10
1
ここで、 再結晶化しない PET シートを 仮に AA-PET と記載。
-150 -100 -50 0 50 100 150 200TEMPERATURE(℃)
5
6
7
8
9
1010
5
log
E[P
a]
-2
-1
0
1
2
33
-2
log tan
δ
DVA (5℃/min;multi-Hz) [PVC(エスビロン）]
Er Ei tanδ
Freq(Hz)
100
10
1
これは 塩ビシートです。 比較のため お見せします。
-150 -100 -50 0 50 100 150 200TEMPERATURE(℃)
6
7
8
9
1010
6
log
Er[
Pa]
AA-pet PVC(エスビロン）
両者の軟化温度（Tg）はわりあい似ています。
-150 -100 -50 0 50 100 150 200TEMPERATURE(℃)
-3
-2
-1
0
11
-3
log
tanδ
AA-pet PVC(エスビロン）
まとめ 動的粘弾性測定装置DVA-200 シリーズでの測定結果を紹介 1. ラップフィルムと複合フィルム Wrap FiveLayer Multi 2. 湿度依存性の測定 (初期および最近の取り組み) Nafion Pet Nylon PVA Humidity HIHT 3. 結晶性ポリマー(シート；厚さ 1～2mm)複数周波数下での測定 （4. 非晶性ポリマー 周波数分散測定 1 例） Crystalline MASTER PTFE TPX Silicone EVA ご参考になることがあれば幸甚です。 なお、このようなグラフを通じて
横軸について
試料温調の高精度化・冷却用液体窒素は 2,3Ｌに低減
湿度コントロール機能も付加
縦軸について
薄いフィルム・厚いシートともに、4 桁以上の弾性率が測定できる力学精度を確保
測定の迅速さ・測定結果の質、今後なすべきことなどについて
皆様のご批判・ご意見を・・・
非結晶性ポリマーの周波数分散測定 試料：PSA（測定所要時間 160 分）
-4 -2 0 2 4 6 8
MASTER CURVE (Tr=25℃) [アクリル系粘着剤例]
10
log(freq.(Hz))
3
4
5
6
7
8
99
3
log
G[P
a]
Gr Gi
-50 0 50 100
DVA (SHIFT FACTOR / log Gr) [アクリル系粘着剤例]
150
TEMPERATURE(℃)
-4
-2
0
2
4
6
8
10
log(
AT
)
-150-100 -50 0 50 100 150 200 250TEMPERATURE(℃)
5
6
7
8
9
1010
5
log
E[P
a]
DVA (5℃/min;multi-Hz) [TPX]
-2
-1
0
1
2
33
-2
log tan
δ
Er Ei tanδ
Freq(Hz)
100
10
1
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Time(min)
5
6
7
8
9
1010
5
log
E[P
a]DVA (5℃/min;multi-Hz) [TPX]
-2
-1
00
-2
log tan
δ
250
200
150
-200
-150
-100
-50
0
50
100
TEM
PERA
TU
RE(℃
)
Er Ei tanδ
ついでながら、昇温速度の違いの比較（同じ PTFE、10Hz で）
-150 -100 -50 0 50 100 150 200TEMPERATURE(℃)
8
9
1010
log
Er[
Pa]
PTFE(10ﾟC/min) PTFE(5ﾟC/min) PTFE(2.5ﾟC/min)
-150 -100 -50 0 50 100 150 200TEMPERATURE(℃)
-2
-1
00
-2
log
tanδ
PTFE(10ﾟC/min) PTFE(5ﾟC/min) PTFE(2.5ﾟC/min)
