(57)【要約】【課題】  本発明が解決しようとする課題は、発光色素としてポルフィン系色素を、バインダーとしてフッ素系ポリマーを用いた感圧塗料の発光強度が最適化された実用性の高い塗料組成比率を提示することにある。【解決手段】    本発明は、ポルフィン系色素を含みフッ素系ポリマーをバインダーとした感圧塗料の最適色素濃度として、そのポリマー中の色素濃度に対する発光強度特性において、ピーク値を示す近傍領域の色素濃度を特定するものである。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポルフィリン系感圧色素を含みフッ素系ポリマーをバインダーとした感圧塗料であって、そのポリマー中の色素濃度に対する発光強度特性において、そのピーク値を示す近傍領域の色素濃度とした感圧塗料。
【請求項２】
感圧色素としてPtTFPPを、フッ素系ポリマーのバインダーとしてPoly-IBM-co-TFEMを採用した感圧塗料であって、その色素濃度が、ポリマー１Ｌに対して感圧色素の量が1.76×10-1mol近傍である感圧塗料。
【請求項３】
感圧色素としてPtOEPを、フッ素系ポリマーバインダーとしてPoly-IBM-co-TFEMを採用した感圧塗料であって、その色素濃度が、ポリマー１Ｌに対して感圧色素の量が1.65×10-2mol近傍である感圧塗料。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載された感圧塗料を風洞内に設置した模型表面に作用する静圧分布をリアルタイムに可視化するため、前記模型表面に塗布する塗料として用いる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高い圧力感度を持つ感圧塗料に関し、特に表面圧力場計測に適した感圧塗料に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、感圧塗料の光励起物質としてはPlatinumOctaethylporphyrin ( 略記：PtOEP)、Platinum Tetrakis (Pentafluorophenyl) porphyrin( 略記：PtTFPP) などの金属ポルフィリンや、Ru(bpy)32+、Ru(dpp)32+に代表されるルテニウム遷移金属錯体などの発光物質が感圧色素として使用されている。酸素消光特性を有するこれらの光励起物質に、その吸収スペクトルに相当する波長の励起光を照射すると、励起状態の物質分子は、基底状態に戻る際に励起光より長い波長のルミネセンスを発する。しかし、励起状態の物質分子の周辺に酸素分子が存在すると、励起分子は酸素にエネルギーを奪われ、ルミネセンスを発することなく基底状態に落ちる。即ち、ルミネセンスの強度（又は寿命）は、光励起物質の周辺の雰囲気の酸素濃度によって増減するという現象を示す。したがって、この光強度を測定すれば、雰囲気中の酸素濃度を測定することができる。もし、被測定体のまわりの気体中の酸素成分の割合が、地球大気のように一定に保たれているならば、酸素濃度の測定値を圧力に対応付けることが可能である。
【０００３】
また、微量酸素雰囲気における物体表面の圧力測定方法として、金属母材に形成された多孔性酸化皮膜に上記のような酸素消光特性を有する発光化合物を物体表面に電気化学的に吸着してなる酸素感応皮膜を設け、該物体の酸素感応皮膜が微量酸素雰囲気で発するルミネセンスの強度又は寿命を、光センサーで計測することによって該物体表面の圧力分布を測定することが知られている。該圧力測定方法は、高層大気環境等における微量酸素の検出及び物体表面の微小圧力分布測定にも利用できるだけでなく、低温風洞における低温窒素ガス雰囲気に一定の割合の微量の酸素を混入して微量酸素雰囲気を形成することによって、低温風洞における供試体表面の圧力分布測定方法に適用することができる。特許文献１は、表面の圧力測定およびマッピングのための酸素感応ルミネセンス膜コーティングとそれに基づく方法に焦点を当て、一般的に、静圧分布の地図を定量的に作り、かつ表面、特に空気力学的な表面計測のための新しい「リアルタイムの」流体可視化方法を提供している。ここに説明される方法およびコーティングは風洞および実際の飛行の双方でテスト可能であるとしている。
【０００４】
このような用い方をされている感圧塗料のバインダーとして航空宇宙技術研究所ではフッ素系ポリマーであるPoly-IBM-co-TFEMを用いたものを以前から研究し、その特性が従来の感圧塗料、例えばバインダーにＧＰ１９７を用いたものと比較し、圧力感度の向上、温度の違いによる圧力感度変化の抑制に有効であること、そしてその温度依存抑制にはバインダー中に含まれるフッ素が有効に作用していることを示した。（非特許文献１参照）しかし、これまでの実験では用いる塗料の仕様は確立しておらず、適宜調合しながら使用している状況で曖昧であった。実用風洞へ適用する場合、精度のよい計測を行うために感圧塗料の発光強度をできるだけ強くする必要があり、バインダーの種類その配合量は感圧塗料の発光強度に大きく影響することが分かってきた。そのような中で発光強度を強くする塗料の調合法を確立することが強く求められている。
【特許文献１】特開平７−１２６６１号公報  平成７年１月１７日公開「表面上の酸素含有気体の圧力を測定する方法、表面上の酸素含有気体を可視化する方法および感圧組成」
【非特許文献１】藤敦彦,手塚宣和,亀田正治,天尾豊,浅井圭介,江上泰広,  "フッ素系ポリマーをバインダーとして用いた感圧塗料の特性評価",  第28回可視化情報シンポジウム,  工学院大学,  2000年7月,  講演論文集,ｐｐ.499−502.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、発光色素としてポルフィン系色素を、バインダーとしてフッ素系ポリマーを用いた感圧塗料の発光強度が最適化された実用性の高い塗料組成比率を提示することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者グループは、ポリマー中の色素濃度に対する発光強度特性を調査する中で、色素とフッ素系ポリマーとの組み合わせにおいて、一般に濃度が増す過程で発光強度は上昇傾向を示しつつある濃度でピーク値を示すした後、発光濃度が低下傾向を示すと共に、その近傍で溶解飽和状態となるとの知見を得た。
本発明はこの知見に基づくもので、ポルフィン系色素を含みフッ素系ポリマーをバインダーとした感圧塗料の最適色素濃度として、そのポリマー中の色素濃度に対する発光強度特性において、ピーク値を示す近傍領域の色素濃度を特定するものである。
具体的組成としては感圧色素としてPtTFPPを、フッ素系ポリマーのバインダーとしてPoly-IBM-co-TFEMを採用した感圧塗料であって、その色素濃度が、ピーク値を示すポリマー１Ｌに対して感圧塗料色素の量が1.76×10-1mol近傍である感圧塗料。
また、感圧色素としてPtOEPを、フッ素系ポリマーバインダーとしてPoly-IBM-co-TFEMを採用した感圧塗料であって、その色素濃度が、ピーク値を示すポリマー１Ｌに対して感圧塗料色素の量が1.65×10-2mol近傍である感圧塗料を提示する。
更に、本発明は風洞内に設置した模型表面に作用する静圧分布をリアルタイムに可視化するため、前記模型表面に塗布する感圧塗料として用いる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の感圧塗料は、ポルフィリン色素を含みフッ素系ポリマーをバインダーとした酸素濃度測定用の高機能感圧塗料であって、そのポリマー中の色素濃度に対する発光強度特性において、そのピーク値を中心として溶解色素が飽和したときの発光強度以上の発光強度を示す領域の色素濃度としたことにより、フッ素系ポリマーを使用したことによる圧力感度の温度依存抑制効果を確保した上で、感度の良い感圧特性を有した感圧塗料を安定して得ることができる。
具体的組成として感圧色素としてPtTFPPを、フッ素系ポリマーのバインダーとしてPoly-IBM-co-TFEMを採用した請求項２に記載の感圧塗料は、その色素濃度が、ピーク値を示すポリマー１Ｌに対して感圧塗料色素の量が1.76×10-1mol近傍の濃度に特定することにより、そして、感圧色素としてPtOEPを、フッ素系ポリマーバインダーとしてPoly-IBM-co-TFEMを採用した感圧塗料は、その色素濃度が、ピーク値を示すポリマー１Ｌに対して感圧塗料色素の量が1.65×10-2mol近傍の濃度に特定に特定することにより、圧力感度に優れ温度変化の影響が少ない特性の感圧塗料を得ることができる。
これらの感圧塗料を風洞内模型表面の圧力測定に使用したとき、塗料の発光が強いためＳ／Ｎがよくなり、計測精度が向上できる。また、発光強度が強いのでカメラの露光時間が短くでき、計測時間を短縮することができる。更に、塗料組成と発光強度の関係がわかっているので、無駄に色素を使うことがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
開発した感圧塗料は、フッ素系ポリマーとしてPoly-IBM-co-TFEMを、ポルフィリン系感圧色素としてPtTFPPまたはPtOEPを、そしてトルエンやシンナー等の有機溶媒とを組み合わせて構成されており、実用大型風洞に適用できるように塗料の色素濃度が最適化されている。フッ素系ポリマーを用いることにより、圧力感度の向上とその温度依存性の軽減が実現できると共に、ポリマー中の色素濃度に対する発光強度特性を調査する中で今回得た、色素とフッ素系ポリマーとの組み合わせにおいて、一般に濃度が増す過程で発光強度は上昇傾向を示しつつある濃度でピーク値を示すした後、発光濃度が低下傾向を示すと共に、その近傍で溶解飽和状態となるとの知見に基づき、本発明の感圧塗料は、そのポリマー中の色素濃度に対する発光強度特性において、そのピーク値を示す値を特定し発光強度が最適化された実用性の高い塗料組成比率を提示することに想到したものである。勿論最適値はピーク値であるが正規分布的特性であることから実際的にはその近傍が使用でき、目安としてそのピーク値を中心として溶解色素が飽和したときの発光強度程度以上の発光強度を示す領域の色素濃度が採用できるであろう。
【０００９】
フッ素系ポリマーをバインダーとしたポルフィリン系色素を含んだ感圧塗料を基板に塗布してサンプルとし、図１に示した較正装置を用いて感圧塗料の特性を得た。装置は、圧力、温度をコントロールできる真空チャンバー、励起光源、ＣＣＤカメラから構成され、真空チャンバー内の圧力とサンプル基板が載置される加熱板は圧力コントローラと温度コントローラによって制御される。また、カメラ、光源の稼働はコンピュータで制御できるようになっている。サンプル基板を圧力と温度をコントロールできる真空チャンバーの中に置き、石英硝子の窓を介して励起用の光をサンプル基板に照射し、感圧塗料の発光強度の変化をＣＣＤカメラで撮影してサンプル基板が受ける圧力に対応するデータ（発光画像）を取得した。ここで冷却型のＣＣＤカメラを用いたのは暗電流が少なく画像Ｓ／Ｎ比がよいためである。励起光ヘッドの前面には励起フィルタ、ＣＣＤカメラの前面には発光フィルタが取り付けられており、感圧色素の発光のみ計測できるようになっている。試験結果に示す感圧、感温特性、発光強度のデータは発光画像の平均値を用いるようにした。
【実施例１】
【００１０】
感圧色素としてPtTFPP：Platinum Tetrakis(Pentafluorophenyl) porphyrin を、フッ素系ポリマーのバインダーとしてPoly-IBM-co-TFEM：Poly(isobutylmethacrylate-co-trifluoroethylmethacrylate)を採用した感圧塗料について、発光強度のポリマーに対するその色素濃度依存性をテストし、その最適値を特定した。
配合比PtTFPP：2.5mg、Poly-IBM-co-TFEM：0.125g、溶媒としてのトルエン：5mlを基準（色素濃度は2.2×10-2mol/L）とし、その基準の２、４、６、８、10、12、14、16、18、20、1/100、1/40、1/20、3/40、1/10、1/4、1/2、3/4倍濃度の感圧塗料を調合しスプレーを用いて基板に塗布してサンプルを作製した。チャンバ内圧力は100ｋＰa、サンプル温度は293Ｋに設定した。２０倍濃度を超えると、色素が溶け残った。この濃度が溶解飽和値である。
測定結果は図２にグラフで示したとおりである。ポリマー１Ｌ（リットル）に対して感圧塗料色素の量が1.76×10-1molでピーク値を示し、この濃度は基準の８倍に当たる。この組み合わせの感圧塗料の最適濃度がこの値であることが分かった。因みに一番右側のプロット点が基準の２０倍濃度4.4×10-1mol/Ｌである。
【００１１】
次に感圧色素としてPtTFPPを、フッ素系ポリマーのバインダーとしてPoly-IBM-co-TFEMを採用した感圧塗料について、1.1×10-3mol/Ｌ，2.2×10-3mol/Ｌ，1.1×10-2mol/Ｌ，2.2×10-2mol/Ｌ，4.4×10-2mol/Ｌ，8.8×10-2mol/Ｌの６種類の濃度を異にするサンプルを作って圧力感度特性と温度感度特性とを測定した結果を示す。
図４のＡが圧力感度特性であり、圧力感度の値は100ｋＰaの輝度値で正規化したものである。また、サンプル基板の温度は２０℃に設定した。このグラフから分かるように圧力感度特性は色素濃度に影響されないことが分かる。
図４のＢが温度感度特性であり、温度感度の値は０℃の輝度値で正規化したものである。また、サンプル基板の圧力は100ｋＰaに設定した。このグラフから分かるように温度感度特性も色素濃度に影響されないことが分かる。
【実施例２】
【００１２】
感圧色素としてPtOEP：Pt(2)Octaethylporphineを、フッ素系ポリマーのバインダーとしてPoly-IBM-co-TFEM：Poly(isobutylmethacrylate-co-trifluoroethylmethacrylate)を採用した感圧塗料について、発光強度のポリマーに対するその色素濃度依存性をテストし、その最適値を特定した。
配合比PtOEP：1.6mg、Poly-IBM-co-TFEM：0.125g、溶媒としてのトルエン：5mlを基準（色素濃度は2.2×10-2mol/L）とし、その基準の1/100、1/40、1/20、3/40、1/10、1/4、1/2、3/4倍濃度の感圧塗料を調合しスプレーを用いて基板に塗布してサンプルを作製した。チャンバ内圧力は100ｋＰa、サンプル温度は293Ｋに設定した。濃度が２倍を超えると、色素が溶け残った。この濃度が溶解飽和値である。
測定結果は図３にグラフで示したとおりである。ポリマー１Ｌ（リットル）に対して感圧塗料色素の量が1.65×10-2molでピーク値を示し、この濃度は基準の3/4倍に当たる。この組み合わせの感圧塗料の最適濃度がこの値であることが分かった。因みに一番右側のプロット点が基準の濃度2.2×10-1mol/Ｌである。
【００１３】
次に感圧色素としてPtOEPを、フッ素系ポリマーのバインダーとしてPoly-IBM-co-TFEMを採用した感圧塗料について、2.2×10-2mol/Ｌ，1.1×10-2mol/Ｌ，2.2×10-3mol/Ｌ，1.1×10-3mol/Ｌ，2.2×10-4mol/Ｌの５種類の濃度を異にするサンプルを作って圧力感度特性と温度感度特性とを測定した結果を示す。
図５のＡが圧力感度特性であり、圧力感度の値は100ｋＰaの輝度値で正規化したものである。また、サンプル基板の温度は２０℃に設定した。このグラフから分かるように圧力感度特性は色素濃度に影響されないことが分かる。
図５のＢが温度感度特性であり、温度感度の値は０℃の輝度値で正規化したものである。また、サンプル基板の圧力は100ｋＰaに設定した。このグラフから分かるように温度感度特性も色素濃度に影響されないことが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００１４】
以上の説明から分かるように、本発明の感圧塗料は試験体表面に塗布し、励起光を当てた状態でその発光画像を得るだけで温度干渉性を抑制した下で感度の良い圧力感度で測定ができるので、風洞内で試験体が受ける空力的な圧力分布測定をはじめとしてあらゆる被検体にかかる圧力分布測定には広く用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の発光強度が最適化された実用性の高い塗料組成比率を決定する較正装置を示す図である。
【図２】感圧色素としてPtTFPPを、フッ素系ポリマーのバインダーとしてPoly-IBM-co-TFEMを採用した感圧塗料について、発光強度のポリマーに対するその色素濃度依存性を示すグラフである。
【図３】感圧色素としてPtOEPを、フッ素系ポリマーのバインダーとしてPoly-IBM-co-TFEMを採用した感圧塗料について、発光強度のポリマーに対するその色素濃度依存性を示すグラフである。
【図４】色素としてPtTFPP、バインダーとしてPoly-IBM-co-TFEMを採用した感圧塗料について、濃度毎のその圧力感度特性と温度感度特性を比較するグラフである。
【図５】色素としてPtOEP、バインダーとしてPoly-IBM-co-TFEMを採用した感圧塗料について、濃度毎のその圧力感度特性と温度感度特性を比較するグラフである。
【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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