(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材の表面に均一に塗膜を塗布した積層体の塗膜と基材間の密着強度を評価する方法であって、
塗膜の端面に刃を押し当てた後に塗膜の表面と平行に刃を移動させて塗膜を基材から剥離し、塗膜と基材間の剥離荷重値を測定する第一の工程と、
塗膜の端面に刃を押し当てた後に塗膜の表面と平行に刃を移動させて塗膜の表面を切削し、塗膜の切削荷重値を測定する第二の工程と、
第二の工程における前記切削荷重値と塗膜表面から切削面までの深さの一次関数の傾きと、第一の工程で基材から剥離された塗膜の膜厚との積から、塗膜の厚さ方向の切り裂きと試験片の変形に要する荷重値を求める第三の工程と、
第一の工程における前記剥離荷重値から、第三の工程における前記荷重値を差し引くことで、塗膜と基材間の密着荷重値を求める第四の工程とを含む
ことを特徴とする積層体の密着強度評価方法。
【請求項２】
前記刃が押し当てられる積層体の端面と、積層体の裏面とで形成される角度θ１が２０°以上７０°以下の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の密着強度評価方法。
【請求項３】
塗膜上方から見た平面において、前記刃を押し当てる端面と前記刃がなす角度θ２が３５°以上７０°以下の範囲内であることであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の密着強度評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材の表面に均一に塗膜を塗布した積層体の、塗膜と基材間の密着強度評価方法および密着強度評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
塗膜と基材間の密着強度を評価する方法として、クロスカット法（ＪＩＳ  Ｋ５６００−５−６）やピール試験法（ＪＩＳ  Ｋ６８５４−１）が知られている。クロスカット法は、碁盤目状の切り込みを形成した塗膜の表面にテープを貼り、このテープを引き剥した際の塗膜の剥離状況によって塗膜と基材間の密着強度を評価する方法である。ピール試験法は、塗膜と基材を剥離し、剥離に必要な荷重値を塗膜と基材間の密着強度とする評価方法である。これらの方法は、塗膜と基材間の密着強度が強い場合には問題が生じる。具体的には、クロスカット法では塗膜が剥がれないという問題があり、ピール試験法では塗膜と基材の一方が破断することで、密着強度を評価できなくなる問題がある。
【０００３】
上記の問題を解決するために、塗膜に当てた刃を直線に移動させることで塗膜を剥離し、この際に刃に加わる荷重値から密着強度を得る方法が用いられる。この方法については、特開昭６１−１６９７４５（特許文献１）や特開２００５−２８３２１５（特許文献２）に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６１−１６９７４５
【特許文献２】特開２００５−２８３２１５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の方法では塗膜の幅が刃の幅よりも大きいため、刃の側面が塗膜の厚さ方向を切り裂くために必要な力が測定荷重値に含まれる。このため、塗膜の組成や塗膜の膜厚が異なる積層体の密着強度を比較することができない。また、特許文献２の方法では、剥離する塗膜の幅が刃の幅と等しくなるよう塗膜に切れ込み加工することで、刃の側面が塗膜を切り裂かないようにしているが、積層体によっては、そのような塗膜の加工が困難である場合もある。
【０００６】
また、特許文献１および特許文献２の方法では、剥離した試験片が反りや圧縮などの変形を起こすため、試験片の変形に必要な力が測定荷重値に含まれる。このため、塗膜の組成や塗膜の膜厚が異なる積層体の密着強度を比較することができない。
【０００７】
本発明は上記の課題を解決しようとするものである。すなわち塗膜の組成や塗膜の膜厚が異なる積層体の塗膜と基材間の密着強度を定量的に評価する密着強度評価方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために請求項１の発明は、基材の表面に均一に塗膜を塗布した積層体の塗膜と基材間の密着強度を評価する方法であって、塗膜の端面に刃を押し当てた後に塗膜の表面と平行に刃を移動させて塗膜を基材から剥離し、塗膜と基材間の剥離荷重値を測定する第一の工程と、塗膜の端面に刃を押し当てた後に塗膜の表面と平行に刃を移動させて塗膜の表面を切削し、塗膜の切削荷重値を測定する第二の工程と、第二の工程における前記切削荷重値と塗膜表面から切削面までの深さの一次関数の傾きと、第一の工程で基材から剥離された塗膜の膜厚との積から、塗膜の厚さ方向の切り裂きと試験片の変形に要する荷重値を求める第三の工程と、第一の工程における前記剥離荷重値から、第三の工程における前記荷重値を差し引くことで、塗膜と基材間の密着荷重値を求める第四の工程とを含むことを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１に記載の密着強度評価方法において、前記刃が押し当てられる積層体の端面と、積層体の裏面とで形成される角度θ１が２０°以上７０°以下の範囲であることを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の密着強度評価方法において、塗膜上方から見た平面において、前記刃を押し当てる端面と前記刃がなす角度θ２が３５°以上７０°以下の範囲内であることであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の方法によれば、積層体の塗膜と基材間の密着強度を、塗膜の組成や塗膜の膜厚が異なる積層体においても定量的に評価することができる。
【００１３】
また、請求項２および請求項３に記載の本発明によれば、容易に積層体の塗膜と基材間の界面で剥離を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明にかかる積層体の模式断面図である。
【図２】本発明にかかる積層体の密着強度評価方法を説明するための模式上面図である。
【図３】本発明にかかる積層体の密着強度評価方法を説明するための模式側面図である。
【図４】積層体に対して本発明の第一の工程もしくは第二の工程を行った際に得られた、刃の移動距離に対する荷重値のグラフの一例である。
【図５】積層体に対して本発明の第一の工程もしくは第二の工程を行った後の積層体の模式図である。
【図６】積層体に対して本発明の第二の工程を行った際に得られた、塗膜の表面から剥離面までの深さに対する切削荷重値のグラフの一例である。
【図７】積層体に対して本発明の第一の工程を行った際に得られた、ピール試験結果に対する剥離荷重値のグラフである。
【図８】積層体に対して本発明の密着強度評価方法を行った際に得られた、ピール試験結果に対する密着荷重値のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明における積層体の密着強度評価方法の形態ついて、図１乃至図６を参照して説明する。
【００１６】
まず、本発明において評価の対象とする積層体について、図１に基づき説明する。
積層体１は、上層に塗膜１１を、下層に基材１２を備える構成を持つ。塗膜１１は成分・膜厚ともに均一な膜とする。基材１２の塗膜１１に接する面は平滑とする。積層体１の最上面を表面A、積層体１の最下面を裏面Ｃ、塗膜１１と基材１２の間の界面を界面Ｂとする。また、積層体１の面のうち、表面Ａと裏面Ｂを除く面を端面Ｄとする。
【００１７】
以下、本発明の密着強度評価方法について説明する。
本発明は、塗膜の端面Ｄに刃２１（図２参照）を押し当てた後に移動させて塗膜１１を基材１２から剥離し、塗膜１１と基材１２間の剥離荷重値を測定する第一の工程と、塗膜の端面Ｄに刃２１を押し当てた後に移動させて塗膜１１の表面Ａを切削し、塗膜１１の切削荷重値を測定する第二の工程とを備える。
【００１８】
以下、第一の工程について、図２及び図３に基づき説明する。
まず、図３に示すように、裏面Ｃをステージ２２に向けた積層体１を、接着剤などを用いてステージ２２上に固定する。次に、刃２１を、端面Ｄに、刃２１の先端が界面Ｂの近傍に触れるように押し当てる。この際、刃２１の幅方向（図３の紙面表裏方向）は、端面Ｄ上における界面Ｂの延在方向と平行になるようにする。その後、刃２１を、積層体１に対して相対的に、界面Ｂと平行に一直線に移動させ、基材１２から塗膜１１を剥離する。この場合、刃２１を界面Ｂと平行に矢印Ｘ１方向に移動させるか、ステージ２２を界面Ｂと平行に矢印Ｘ２方向に移動させる。この際、図３に示すように、刃２１に連結したロードセル等の水平荷重検出器２３によって、刃２１が移動し塗膜１１を基材１２から剥離している間に刃２１に加わるＸ２方向の荷重値を、時間あるいは刃２１の移動距離に対して記録する。
【００１９】
第一の工程において、水平荷重検出器２３によって記録された荷重値の一例を図４に示す。図４は、横軸に刃２１の移動距離を、縦軸に刃２１に加わったＸ２方向の荷重値（強度）を示している。荷重値は一定距離移動後に一定値を示し続ける。図４では、約０．３ｍｍ移動後から一定値を示し続けている。この一定値を示し続ける荷重値を、剥離荷重値Ｆ１とする。
【００２０】
第一の工程後の積層体１の形状を、図５に示す。図５のように、第一の工程の操作後には、塗膜１１が基材１２から剥離されることで試験片３１として捲れ上がり、試験面３２があらわになる。この試験面３２は、第一の工程では界面Ｂとなる。
第一の工程による剥離では、図５中の左右方向における刃２１の幅よりも塗膜１１の幅の方が大きいため、刃２１の側面部分が刃２１の幅の内側に位置する塗膜１１と外側に位置する塗膜１１との間を、塗膜１１の厚さ方向に切り裂く。切り裂かれた部分は、図５の切り裂き部分３３などになる。また、第一の工程による剥離の結果、試験片３１には反りや圧縮といった変形が生じている。
【００２１】
塗膜１１の切り裂きと試験片３１の変形に必要な力は、剥離荷重値Ｆ１に含まれる。塗膜１１と基材１２の密着強度を表す荷重値を密着荷重値Ｆ０、塗膜１１の切り裂きと試験片３１の変形に必要な荷重値をｆとすると、次式（１）が成り立つ。
Ｆ１＝Ｆ０＋ｆ      （１）
荷重値ｆは塗膜１１の膜厚や塗膜１１の組成によって変わるため、塗膜１１の膜厚や塗膜１１の組成が異なる積層体１の密着強度を比較する際に、剥離荷重値Ｆ１を用いることができない。
【００２２】
そこで、塗膜１１の切り裂きと試験片３１の変形に必要な荷重値ｆを第二の工程で求め、第一の工程で得た剥離荷重値Ｆ１から差し引くことで、塗膜１１と基材１２の密着荷重値Ｆ０を取り出す。
【００２３】
次に、第二の工程について、図２及び図３に基づき説明する。
まず、図２に示すように、裏面Ｃをステージ２２に向けた積層体１を、接着剤などを用いてステージ２２上に固定する。次に、刃２１を、端面Ｄに、刃２１の先端が界面Ｂより上層の塗膜１１側において端面Ｄに触れるように押し当てる。この際、刃２１の幅方向（図２の紙面表裏方向）は、端面Ｄ上における界面Ｂの延在方向と平行になるようにする。その後、刃２１を、積層体１に対して相対的に、界面Ｂと平行に一直線に移動させ、塗膜１１の表面Ａを切削する。この場合、刃２１を界面Ｂと平行に矢印Ｘ１方向に移動させるか、ステージ２２を界面Ｂと平行に矢印Ｘ２方向に移動させる。この際、図３に示すように、刃２１に連結したロードセル等の水平荷重検出器２３によって、刃２１が移動し塗膜１１の表面Ａを切削している間に刃２１に加わるＸ２方向の荷重値を、時間あるいは刃２１の移動距離に対して記録する。
上記の操作を、刃２１の先端を塗膜１１の端面Ｄに押し当てる位置の表面Ａからの深さを変えて、複数回行う。
【００２４】
第二の工程において水平荷重検出器２３によって記録された荷重値の一例は、第一の工程と同様に図４のような値を示す。一定距離移動後に一定値を示し続ける荷重値を、第二の工程の切削荷重値Ｆ２とする。
【００２５】
第二の工程の操作後の積層体１は、第一の工程の操作後と同じように、図５の形状となる。図５のように、第二の工程の操作後には、塗膜１１の上部が切削されることで試験片３１として捲れ上がり、試験面３２があらわとなる。試験面３２は、第二の工程では塗膜１１の断面となる。
第二の工程においても、第一の工程と同じように、刃２１の側面部分による塗膜１１の切り裂きと、試験片３１の反りや圧縮といった変形が生じている。
【００２６】
図６のように、第二の工程における表面Ａから試験面３２までの深さｄと、切削荷重値Ｆ２は一次関数の関係にある。図６では、横軸に深さｄを、縦軸に切削荷重値Ｆ２を示している。この一次関数の傾きをａ、切片をｂとすると、次の式（２）の関係が成り立つ。
Ｆ２＝ａ×ｄ＋ｂ      （２）
傾きａと深さｄの積ａ×ｄは、切削荷重値Ｆ２のうち深さｄに依存する荷重値を表す。切削荷重値Ｆ２に含まれる要因のうち、深さｄに依存する要因は、塗膜１１の切り裂きと試験片３１の変形に必要な荷重値である。すなわち、積ａ×ｄは、塗膜１１の切り裂きと試験片３１の変形に必要な荷重値を表す。
【００２７】
積ａ×ｄにおいて、深さｄを塗膜１１の膜厚ｄ０に置き換えた積ａ×ｄ０は、第一の工程において塗膜１１の切り裂きと試験片３１の変形に必要な荷重値ｆを表すので、次式（３）が成り立つ。
ｆ＝ａ×ｄ０      （３）
式（１）および式（３）より、次式（４）が成り立つ。
Ｆ０＝Ｆ１−ａ×ｄ０      （４）
すなわち、第二の工程の結果から傾きａを求め、傾きａと塗膜１１の膜厚ｄ０の積ａ×ｄ０を求める第三の工程を行って、さらに、第一の工程の剥離荷重値Ｆ１から積ａ×ｄ０を差し引く第四の工程を行うことで、密着荷重値Ｆ０を求めることができる。
つまり、本実施形態の密着強度評価方法では、
基材１２の表面に均一に塗膜１１を塗布した積層体１の塗膜１１と基材１２間の密着強度を評価するのに当たり、
塗膜１１（積層体１）の端面Ｄに刃２１を押し当てた後に塗膜１１（積層体１）の表面Ａに沿って刃２１を移動させて塗膜１１を基材１２から剥離し、塗膜１１と基材１２間の剥離荷重値Ｆ１を測定する第一の工程と、
塗膜１１（積層体１）の端面Ｄに刃２１を押し当てた後に塗膜１１（積層体１）の表面Ａに沿って刃２１を移動させて塗膜１１（積層体１）の表面Ａを切削し、塗膜１１の切削荷重値Ｆ２を測定する第二の工程と、
第二の工程における前記切削荷重値Ｆ２と塗膜１１の表面Ａから切削面（試験面３２）までの深さｄの一次関数の傾きａと、塗膜１１の膜厚ｄ０との積ａ×ｄ０から、塗膜１１の厚さ方向の切り裂きと試験片３１の変形に要する荷重値を求める第三の工程と、
第一の工程における前記剥離荷重値Ｆ１から、第三の工程における前記荷重値ａ×ｄ０を差し引くことで、塗膜１１と基材１２間の密着荷重値Ｆ０を求める第四の工程とを行う。
【００２８】
本発明の密着強度評価方法によれば、塗膜１１の切り裂きと試験片３１の変形に必要な荷重値を除き、塗膜１１と基材１２の剥離に必要な密着荷重値Ｆ０のみを定量的に得ることができる。密着荷重値Ｆ０を用いることで、塗膜１１の膜厚や塗膜１１の組成が異なる積層体１どうしの密着強度を比較することが可能である。
【００２９】
第一の工程および第二の工程において端面Ｄに刃２１を押し当てる際には、以下の方法を用いることで簡単に端面Ｄに刃２１を押し当てることができる。
まず、刃２１を表面Ａに当てる。その後、刃２１をＸ２方向に、もしくはステージ２２をＸ１方向に移動させ、刃２１と積層体１を十分に離す。次に、刃２１を、第一の工程では塗膜１１の膜厚分だけ、第二の工程では塗膜１１の膜厚より小さい任意の深さだけＺ方向に移動させる。そして、刃２１をＸ１方向に、もしくはステージ２２をＸ２方向に移動させることで、刃２１を端面Ｄに押し当てることができる。
【００３０】
第一の工程および第二の工程において、試験面３２の光学顕微鏡による観察や、表面Ａから試験面３２までの深さの測定によって、第一の工程では試験面３２が界面Ｂと一致しているか、第二の工程では試験面３２が塗膜１１の断面となっているか確認する必要がある。
【００３１】
式（２）において傾きａを求める際に、表面Ａから試験面３２までの深さｄを用いるが、第二の工程における、表面Ａから、刃２１の先端を端面Ｄに押し当てる位置までの深さが、深さｄと一致しないことがある。このため、第二の工程後に段差測定などを行うことで、表面Ａから試験面３２までの深さｄを測定した方がよい。
【００３２】
ステージ２２上に固定する積層体１は、以下の形状にすることが望ましい。
【００３３】
積層体１の端面Ｄは、刃２１を押し当てる端面Ｄと裏面Ｃで形成される角度θ１が２０°以上７０°以下の範囲であることが好ましい。θ１を、９０°ではなく、２０°以上７０°以下の範囲とすることにより、塗膜１１を剥離させた際の界面Ｂでの剥離成功率を向上させることができる。特に、塗膜１１が厚い場合に、θ１を２０°以上７０°以下の範囲とすることにより、界面Ｂでの剥離成功率を向上させることができる。なお、θ１が０°〜２０°未満であると、積層体１の面積を大きくする必要があることや試験時間が長くなる点で不利であり、θ１が７０°超〜９０゜であると、界面Ｂ２の剥離に失敗しやすくなる点で不利である。
【００３４】
端面Ｄは、表面Ａの上方から見た平面において、刃２１を押し当てる端面Ｄと刃２１がなす角度θ２が３５°以上７０°以下の範囲内であることが好ましい。θ２を３５°以上７０°以下の範囲とすることにより、界面Ｂでの剥離成功率を向上させることができる。なお、θ２が０°〜３５°未満であると、界面Ｂでの剥離に失敗しやすくなる点で不利であり、θ２が７０°超〜９０゜であると、積層体１の面積を大きくする必要があることや試験時間が長くなる点で不利である。
本発明の密着強度評価装置としては、図３に示すように、積層方向を鉛直方向に向けて載置した積層体１の基材１２が固定されるステージ２２と、ステージ２２に対して水平及び鉛直方向に相対移動可能な刃２１と、塗膜１１（積層体１）の端面Ｄに刃２１を押し当てた後に塗膜１１（積層体１）の表面Ａに沿って刃２１を移動させて塗膜１１を基材１２から剥離するときと、塗膜１１（積層体１）の端面Ｄに刃２１を押し当てた後に塗膜１１（積層体１）の表面Ａに沿って刃２１を移動させて塗膜１１（積層体１）の表面Ａを切削するときの、刃２１にかかる水平方向の荷重をそれぞれ検出する水平荷重検出器２３を備えた装置を用いることができる。
【実施例】
【００３５】
以下に本発明の薄膜の密着強度評価方法の実施例を説明する。
【００３６】
積層体１として、透明なポリエチレンテレフタレートからなる厚さ２５０μｍの基材フィルムの一方の面に、膜厚２０〜３０μｍのウレタン樹脂を塗布した積層体を３種類用意した。３種類の積層体に塗布したウレタン樹脂はそれぞれ組成と膜厚が異なり、積層体ごとに基材フィルムとウレタン樹脂の密着強度は異なる。また、３種類の積層体には事前にピール試験を行った。
【００３７】
幅０．５ｍｍの刃２１と万能型ボンドテスター（デイジ社製：シリーズ４０００）を用いて、図２及び図３に示したような形で本発明の密着強度評価法を行った。ウレタン樹脂を塗膜１１、基材フィルムを基材１２とし、ガラス板を介してステージ２２上に固定した。この際、積層体はエポキシ接着剤を用いてガラス板に接着し、ガラス板をセロハンテープでステージ２２上に貼り付けた。また、積層体の大きさは幅５ｃｍ、長さ１ｃｍ程度とし、ガラス板に接着したあと、θ１が２０°以上７０°以下、θ２が３５°以上７０°以下となるようにカミソリ刃で加工を行った。各積層体について、同一の幅方向の辺に対して場所を変えて本発明の第一の工程および第二の工程を行った。第二の工程において深さｄの測定は、触針式の表面荒さ計で行った。
【００３８】
第一の工程で測定した結果を図７に示す。図７は横軸にピール試験の結果を、縦軸に第一の工程で得た剥離荷重値Ｆ１を示している。塗膜の組成や膜厚が異なるため、図７のように、ピール試験結果と剥離荷重値Ｆ１には相関が見られず、第一の工程のように塗膜を刃で剥離するだけでは密着強度を評価できないことが分かる。
【００３９】
第二の工程を行い傾きａを求め、式（４）から密着荷重値Ｆ０を求めた結果を図８に示す。図８は横軸にピール試験の結果を、縦軸に式（４）から求めら密着荷重値Ｆ０を示している。図８のように、密着荷重値Ｆ０はピール試験結果との間に相関があることがわかった。
【００４０】
また、塗膜が破断してしまうためピール試験では密着強度を評価できない積層体に対して本発明の密着強度評価方法を行ったところ、密着荷重値Ｆ０は０．４４Ｎとなった。
【００４１】
上記のように、塗膜の膜厚や塗膜の組成が異なるために、塗膜を刃で剥離するだけではピール試験との相関が取れず、積層体の塗膜と基材間の密着強度を定量的に評価することができなかった。しかし、本発明の密着強度評価方法を用いることで、塗膜の膜厚や塗膜の組成が異なる積層体について、ピール試験との相関が取れ、定量的に密着強度を評価することができた。また、ピール試験では塗膜が破断してしまう積層体についても、本発明の密着強度評価方法を用いることで、定量的に密着強度を得ることができた。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明の密着強度評価方法は、塗膜の膜厚や塗膜の組成が異なる積層体の塗膜と基材間の密着強度を定量的に評価する測定法として利用できる。
【符号の説明】
【００４３】
１……積層体
１１……塗膜
１２……基材
２１……刃
２２……ステージ
２３……水平荷重検出器
３１…試験片
３２…試験面
３３……切り裂き部分
Ａ……積層体の表面
Ｂ……塗膜と基材の間の界面
Ｃ……積層体の裏面
Ｄ……積層体の端面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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