(57)【要約】【課題】化学吸着、物理吸着を問わず分子の吸着エネルギーを簡単かつ正確に求めるための新規な吸着エネルギー測定方法を提供する。【解決手段】吸着エネルギーを求めたい分子を溶剤に溶解して溶液を調製し、かかる溶液を２枚の平行平板電極間に満たして、当該平行平板電極の表面に溶液中の分子を吸着させるとともに、上記分子を吸着させる前後の平行平板電極間の静電容量を、当該平行平板電極間の距離を２００μｍ以下に設定した状態で測定して、当該静電容量の変化から分子の吸着エネルギーを求める。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸着エネルギーを求めたい分子を溶剤に溶解して溶液を調製する第一工程、
調製した溶液を２枚の平行平板電極間に満たして、当該平行平板電極の表面に溶液中の分子を吸着させる第二工程、および
第二工程で分子を吸着させる前後の平行平板電極間の静電容量を、当該平行平板電極間の距離を２００μｍ以下に設定した状態で測定して、当該静電容量の変化から分子の吸着エネルギーを求める第三工程
を含むことを特徴とする吸着エネルギー測定方法。
【請求項２】
上記第三工程では、平行平板電極間の距離を５０μｍ以上に設定して静電容量を測定する請求項１に記載の吸着エネルギー測定方法。
【請求項３】
上記第三工程では、周波数１０ＭＨｚ以下の電圧を平行平板電極間に印加して静電容量を測定する請求項１または２に記載の吸着エネルギー測定方法。
【請求項４】
上記第三工程では、溶剤を除去した乾燥状態で静電容量を測定する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の吸着エネルギー測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、新規な吸着エネルギーの測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
潤滑油に配合される油性剤は金属表面に吸着して吸着膜を作ることで、境界潤滑状態にある金属間の直接接触を妨げて摩擦、摩耗を減少させる働きをする。
油性剤としては、例えば高級脂肪酸、高級アルコール、アミン、エステル、金属せっけん等の各種分子の中から金属表面に対して最適な吸着力を有するものが選択して使用される。
【０００３】
そのため油性剤として適した新規物質を開発したり、あるいは既知の油性剤の性能を評価したりするためにはその吸着エネルギーを把握することが肝要である。
従来、油性剤等の分子の吸着エネルギーを求めるためには下記の方法が採用されてきた。
ます吸着エネルギーを求めたい分子を溶剤に溶解して特定の濃度Ｃを有する溶液を調製する。
【０００４】
次いでこの溶液に、吸着対象としての金属片を浸漬したのち引き上げて単分子膜が形成されたか否かを判定する。すなわち分子が吸着して単分子膜が形成されると引き上げた金属片の表面は溶液をはじくのに対し、単分子膜が形成されていない場合には溶液に濡れることから、引き上げた金属片の表面の濡れの状態を目視によって確認することで、単分子膜の形成の有無を判定できる。
【０００５】
そこで上記の操作を、溶液の温度を少しずつ上昇させながら繰り返し実施して金属片が溶液に濡れ始める温度を臨界温度ＴＷとして求める。そして式(1)：
【０００６】
【数１】
2015137938.tif 000002
【０００７】
〔式中、Ｒは気体定数、Ｃは溶液の濃度、ＴＷは臨界温度を示す。〕
によってその分子の吸着エネルギーＵを求めることができる。
ところが上記の方法では、分子と固体（金属片）の吸着が可逆的に脱着を繰り返す物理吸着であることを前提として吸着エネルギーを求めており、不可逆的な化学吸着の吸着エネルギーを求めることはできない。
【０００８】
また浸漬→引き上げ→判定の操作を繰り返す必要があることから測定に時間と労力を有する上、目視による判定を含むことから測定者による誤差等を生じやすく結果がばらつきやすいという問題もある。
化学吸着、物理吸着を問わず分子の吸着エネルギーを簡単かつ正確に求めることができる測定方法は確立されていないのが現状である。
【０００９】
例えば特許文献１には、振動子上に一対の電極を設けた上に感応膜を被覆し、検出したい分子を当該感応膜に吸着させた際の振動子の振動数の変化、および電極間の抵抗または導電率の変化からその分子の濃度等を求めるセンサと、それを用いた物質検出方法が開示されている。
しかしかかるセンサおよび方法は、感応膜として二酸化チタン粒子の凝集体からなる多孔質膜を使用しているなど、ガス中のガス分子の検出に特化されている。そのため油性剤等として機能する分子の、溶液（潤滑剤の再現）中での金属表面への吸着の際の吸着エネルギーの測定に、上記のセンサと方法を適用することは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１１‐２０３００８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、化学吸着、物理吸着を問わず分子の吸着エネルギーを簡単かつ正確に求めるための新規な吸着エネルギー測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明は吸着エネルギーを求めたい分子を溶剤に溶解して溶液を調製する第一工程、
調製した溶液を２枚の平行平板電極間に満たして、当該平行平板電極の表面に溶液中の分子を吸着させる第二工程、および
第二工程で分子を吸着させる前後の平行平板電極間の静電容量を、当該平行平板電極間の距離を２００μｍ以下に設定した状態で測定して、当該静電容量の変化から分子の吸着エネルギーを求める第三工程
を含むことを特徴とする吸着エネルギー測定方法（請求項１）である。
【００１３】
上記第三工程では、平行平板電極間の距離を５０μｍ以上に設定して静電容量を測定するのが好ましい（請求項２）。
また上記第三工程では、周波数１０ＭＨｚ以下の電圧を平行平板電極間に印加して静電容量を測定するのが好ましい（請求項３）。
さらに上記第三工程では、溶剤を除去した乾燥状態で静電容量を測定するのが好ましい（請求項４）。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１記載の発明においては、吸着エネルギーを求めたい分子の溶液を２枚の平行平板電極間に満たして加熱等することで、当該平行平板電極の互いに対向する表面に、溶液中に含まれる分子を化学吸着もしくは物理吸着させて分子膜を形成すると、かかる表面の表面エネルギーが変化するとともに電気的特性も変化する。
そこでこの電気的特性の変化を、２枚の平行平板電極間の静電容量の変化として定量的に測定すると化学吸着、物理吸着を問わず分子の吸着エネルギーを簡単かつ正確に求めることが可能となる。
【００１５】
すなわち測定した静電容量Ｃから、下記式(2)(3)によって、目的とする分子の吸着エネルギーＥａを求めることができる。
【００１６】
【数２】
2015137938.tif 000003
【００１７】
〔式中、ｆは静電容量の測定時に平行平板電極間に印加する電圧の周波数[ＭＨｚ]、Ｃは静電容量[Ｆ]を示す。〕
【００１８】
【数３】
2015137938.tif 000004
【００１９】
〔式中、Ｖは静電容量Ｃの測定時に平行平板電極間に印加する電圧[Ｖ]、Ｚ(吸着)は分子を吸着させた状態での式(2)の結果、Ｚ(未吸着)は吸着させる前の式(2)の結果、ｔは測定時間[秒]、Ｓは平行平板電極の表面積[ｍｍ２]、ａは分子１モルの占める面積[ｍｍ２]を示す。〕
なお第三工程で、平行平板電極間の距離を２００μｍ以下に限定しているのは、当該距離が２００μｍを超える場合には、分子膜形成による静電容量Ｃの変化を検出できないためである。
【００２０】
また第三工程において平行平板電極間の距離を、上記の範囲でも５０μｍ以上に設定すると、静電容量Ｃをより正確に精度よく測定できる。
同様に第三工程において平行平板電極間に印加する電圧の周波数ｆを１０ＭＨｚ以下に設定すると、静電容量Ｃをより正確に精度よく測定できる。
さらに第三工程において溶剤を除去した乾燥状態にすると、静電容量Ｃをより正確に精度よく測定できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】平行平板電極間の距離ｄと、分子の吸着による静電容量Ｃの変化量ΔＣとの関係を示すグラフである。
【図２】平行平板電極間の距離ｄと、静電容量Ｃの理論値と測定値とのずれδＣとの関係を示すグラフである。
【図３】平行平板電極間に印加する電圧の周波数ｆと、静電容量Ｃとの関係を示すグラフである。
【図４】静電容量Ｃの測定結果の再現性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の吸着エネルギー測定方法は、
吸着エネルギーＥａを求めたい分子を溶剤に溶解して溶液を調製する第一工程、
調製した溶液を２枚の平行平板電極間に満たして、当該平行平板電極の表面に溶液中の分子を吸着させる第二工程、および
第二工程で分子を吸着させる前後の平行平板電極間の静電容量Ｃを、当該平行平板電極間の距離ｄを２００μｍ以下に設定した状態で測定して、当該静電容量Ｃの変化から分子の吸着エネルギーＥａを求める第三工程
を含んでいる。
【００２３】
上記各工程を含む本発明の測定方法は、先に説明したように潤滑油の油性剤として機能する高級脂肪酸、高級アルコール、アミン、エステル、金属せっけん等の各種分子など、種々の分子の吸着エネルギーＥａの測定に適用することができる。
（第一工程）
第一工程で分子を溶解して溶液を調製するための溶剤としては、吸着エネルギーＥａを求めたい分子の溶解性に優れた種々の溶剤が使用可能である。
【００２４】
特に分子が油性剤である場合には、潤滑油中での油性剤の吸着挙動を再現することや、吸着時の加熱によって気化しにくいこと等を考慮して分子量がある程度大きい上、第三工程で静電容量Ｃの測定に先立って容易に乾燥除去するために分子量が一定であることが好ましい。
かかる条件を満足する溶剤としては、これに限定されないが例えばヘキサデカン等の炭素数８以上、２０以下のアルカン類などが挙げられる。またアルコール、アセトンなどの揮発性の高い溶剤も使用可能である。
【００２５】
溶液の濃度は任意に設定できる。ただし静電容量Ｃをより正確に精度よく測定することを考慮すると、平行平板電極の表面により多くの分子を吸着させるために、例えば室温での分子の最大溶解濃度に設定するのが好ましい。
（第二工程）
２枚の平行平板電極としては、吸着対象である特定表面に対する分子の吸着挙動を再現するために、少なくとも互いに対向する表面が上記特定表面と同じ、または近時の材料からなるものを用いるのが好ましい。
【００２６】
平行平板電極の全体を上記吸着対象と同じまたは近時の材料で形成してもよいし、分子を吸着させる表面に上記材料からなるコーティングを形成したものを平行平板電極として用いてもよい。
例えば分子が油性剤であり、軸受鋼等の鋼材に対する吸着エネルギーＥａを求める場合には、平行平板電極として、少なくともその表面が鉄系の材料からなるものを用いるのが好ましい。
【００２７】
第二工程では、調製した溶液を平行平板電極間に満たした状態で、例えば加熱等して、溶液中の分子を平行平板電極の表面に吸着させる。
この際、溶液を良好に保持するため２枚の平行平板電極は互いに対向する表面を水平に保持した状態とするのが好ましい。
加熱の温度は任意に設定できる。例えば分子が油性剤である場合には、潤滑油中での油性剤の吸着挙動を再現するために、加熱の温度を当該潤滑油の想定される使用温度付近に設定するのが好ましい。
【００２８】
また吸着の時間も任意に設定できる。ただし静電容量Ｃをより正確に精度よく測定することを考慮すると、平行平板電極の表面に十分な厚みを有する分子膜を形成するために、吸着の時間は１時間以上、特に５時間以上に設定するのが好ましい。また吸着エネルギー測定の効率化を図ることを考慮すると、吸着の時間は１２時間以下、特に１０時間以下に設定するのが好ましい。
【００２９】
上記加熱により、平行平板電極の表面への分子の吸着を促進するとともに、吸着させた分子の配向性を向上できる。
（第三工程）
第三工程では、第二工程で分子を吸着させる前後の平行平板電極間の静電容量Ｃを、当該平行平板電極間の距離ｄを２００μｍ以下に設定した状態で測定する。距離ｄが上記の範囲を超える場合には、平行平板電極間の空気の影響で、分子膜形成による静電容量Ｃの変化を検出できないためである。
【００３０】
これに対し距離ｄを上記の範囲とすることで、分子膜形成による静電容量Ｃの変化を検出することが可能となる。
なお平行平板電極間の距離ｄは、上記の範囲でも５０μｍ以上に設定するのが好ましい。距離ｄがこの範囲未満では、読み取り誤差やごくわずかな平行平板電極の傾斜等の影響よって、静電容量Ｃを正確に精度よく測定できないおそれがある。
【００３１】
これに対し距離ｄを上記の範囲とすることで、かかる読み取り誤差や傾斜等の影響を排除して、静電容量Ｃをより正確に精度よく測定できる。
また分子を吸着させる前と後で平行平板電極間の距離ｄを同じにして静電容量Ｃを測定するのが、当然ながら静電容量Ｃの変化を正確に測定する上で好ましい。ただし距離ｄと静電容量Ｃとの関係が明確である場合は、分子を吸着させる前と後で距離ｄを変化させてもよい。
【００３２】
また平行平板電極間に印加する電圧の周波数ｆは１０ＭＨｚ以下に設定するのが好ましい。周波数ｆがこの範囲を超える電圧を印加した場合には、回路のコイル成分の影響によって、静電容量Ｃを正確に精度よく測定できないおそれがある。
これに対し印加電圧の周波数ｆを上記の範囲とすることで、かかるコイル成分の影響を排除して静電容量Ｃをより正確に精度よく測定できる。上記１０ＭＨｚ以下の全周波数域で測定が可能である。
【００３３】
また溶剤の影響を排除して静電容量Ｃをより正確に精度よく測定するためには、溶液を除去するとともに溶剤を乾燥除去した乾燥状態として、当該静電容量Ｃを測定するのが好ましい。
また、特に第二工程での吸着時に加熱した場合は、形成した分子膜への空気中の水分等の吸着を防止して、当該吸着成分の影響を排除しながら静電容量Ｃを測定するために、平行平板電極を、溶液の除去から静電容量Ｃの測定までの間、吸着時と同程度の温度に加熱し続けるのが好ましい。
【００３４】
測定後の平行平板電極は、表面に吸着させた分子膜を除去すれば何度でも測定に使用できるため経済的である。
上記の各工程を経る本発明の吸着エネルギー測定方法によれば、平行平板電極に接続した、例えばＬＣＲメータ等の機器によって測定した静電容量Ｃから吸着エネルギーＥａを求めることができる。そのため、測定者による誤差等を生じることなく常に正確な吸着エネルギーＥａを求めることができる。また従来法のように測定を繰り返す必要がなく、短時間で効率よく吸着エネルギーＥａを求めることができる。
【実施例】
【００３５】
〈平行平板電極間の距離検討Ｉ〉
（第一工程）
分子のサンプルとしてのステアリン酸を、溶剤としてのヘキサデカンに溶解して溶液を調製した。濃度は室温でのステアリン酸の最大溶解濃度に設定した。
（平行平板電極）
平行平板電極としては、互いに対向する表面が鉄系材料からなるアジレント・テクノロジー(株)製の誘電体測定用電極（φ＝３８ｍｍ）を用意した。
【００３６】
（第二工程）
上記平行平板電極の互いに対向する表面を水平に保持した状態で、当該平行平板電極間に先の溶液を満たし、５０℃に設定した恒温槽中で８時間加熱して、当該溶液中のステアリン酸を平行平板電極の表面に吸着させた。
（第三工程）
平行平板電極間の溶液を除去し、さらに溶剤を乾燥除去して乾燥状態としたのち、平行平板電極間の距離ｄを１００μｍから１０００μｍまで増加させながら、印可電圧の周波数ｆを５ＭＨｚに設定して静電容量Ｃを測定した。
【００３７】
平行平板電極の温度は、溶液の除去から静電容量Ｃの測定までの間５０℃に維持した。
そしてそれぞれの測定結果と、ステアリン酸を吸着させる前の未吸着状態の同じ距離ｄでの静電容量Ｃの測定値との差を、当該静電容量Ｃの変化量ΔＣとして、各距離ｄごとに算出した。結果を図１に示す。
（評価）
図１より、距離ｄが２００μｍを超える場合にはステアリン酸を吸着させる前後での静電容量Ｃの変化量ΔＣがほぼ０に近くなってしまっていることから、平行平板電極間の空気の影響で、分子膜形成による静電容量Ｃの変化を検出できないことが判った。
【００３８】
これに対し距離ｄを２００μｍ以下とすることで上記空気の影響を排除し、ステアリン酸を吸着させる前後での静電容量Ｃの変化量ΔＣを大きくとって、分子膜形成による静電容量Ｃの変化を良好に検出できることが判った。
〈平行平板電極間の距離検討II〉
上記検討Ｉと同様にして互いに対向する未吸着状態の平行平板電極間の距離ｄを３００μｍから１０μｍまで減少させながら、印可電圧の周波数ｆを５ＭＨｚに設定して静電容量Ｃを測定した。
【００３９】
平行平板電極の温度は５０℃に維持した。
そしてそれぞれの測定結果と、空気中の静電容量Ｃの理論値との差を測定値のずれδＣとして、各距離ｄごとに算出した。結果を図２に示す。
図２より、距離ｄが５０μｍ未満では理論値とのずれδＣのばらつきが大きいことから、読み取り誤差やごくわずかな平行平板電極の傾斜等の影響によって静電容量Ｃを正確に精度よく測定できない傾向があることが判った。
【００４０】
これに対し距離ｄを５０μｍ以上とすると理論値とのずれδＣをほぼ０にでき、上記読み取り誤差や傾斜等の影響を排除して静電容量Ｃをできるだけ正確に精度よく測定できることが判った。
〈印加電圧の周波数検討〉
上記検討Ｉと同様にして互いに対向する未吸着状態の平行平板電極間の距離ｄを１００μｍに設定して、印可電圧の周波数ｆを１００ｋＨｚから３０ＭＨｚまで増加させながら静電容量Ｃを測定した。
【００４１】
平行平板電極の温度は５０℃に維持した。
そしてそれぞれの測定結果を図３に示した。なお図３中の太線は、空気中の静電容量Ｃの理論値を示している。
図３より、印加電圧の周波数が１０ＭＨｚを超える場合には理論値とのずれが大きいことから、回路のコイル成分の影響によって、静電容量Ｃを正確に精度よく測定できない傾向があることが判った。
【００４２】
これに対し周波数を１０ＭＨｚ以下とすることで理論値とのずれをほぼ０にでき、上記コイル成分の影響を排除して静電容量Ｃをできるだけ正確に精度よく測定できることが判った。
〈測定結果の再現性検討〉
上記検討Ｉと同様にして互いに対向する表面にステアリン酸を吸着させた平行平板電極間の距離ｄを１００μｍに設定し、印可電圧の周波数ｆを５ＭＨｚに設定して静電容量Ｃを測定した。
【００４３】
かかるステアリン酸の吸着から静電容量Ｃの測定までの各工程を２回実施した（吸着１、吸着２）。測定結果を、ステアリン酸を吸着させる前の状態の同じ距離ｄでの静電容量Ｃの測定結果（未吸着）と併せて図４に示す。
図４より、本発明によればステアリン酸等の分子の静電容量Ｃを再現性良く測定でき、吸着エネルギーＥａを精度よく求められることが判った。
【図１】
2015137938.tif 000005
【図２】
2015137938.tif 000006
【図３】
2015137938.tif 000007
【図４】
2015137938.tif 000008