(57)【要約】【課題】ナノメータレベルの微小粒径の充填剤がポリマー材料中に添加されたポリマー／充填剤複合材料において、その充填剤の分散状況の評価を迅速かつ容易に行うことのできる微粒子分散状況の評価方法を提供する。【解決手段】ポリマー／充填剤複合材料からなる被測定サンプル１０中をアセトフェノンがセンサー用シート１１に設けられる高圧電極１２Ａとセンサー用シート１１表面との界面に達することに基づいてセンサー用シート１１の伝導電流を増加させるまでの時間を測定するようにしたので、ポリマー／充填剤複合材料に含まれる無機充填剤の添加量、分散状態が適正であるか否かの評価を迅速かつ容易に行うことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリマー材料に微小粒径の充填剤を分散させたポリマー／充填剤複合材料に拡散性を有する物質を付着させて、前記物質が前記ポリマー／充填剤複合材料中を拡散する時間に基づいて前記充填剤の分散状況を評価することを特徴とする微粒子分散状況の評価方法。
【請求項２】
前記充填剤の分散状況の評価は、シート状に形成された被測定試料の一方の面に塗布あるいは滴下等によって付着させた前記物質が、前記被測定試料の他方の面に達するまでの時間を測定することにより行う請求項１に記載の微粒子分散状況の評価方法。
【請求項３】
前記シート状に形成された被測定試料の前記他方の面に電極を設け、前記物質が前記電極に付着することに基づいて前記電極を介して流れる電流が変化するまでの時間を測定する請求項２に記載の微粒子分散状況の評価方法。
【請求項４】
前記物質は、前記ポリマー／充填剤複合材料中に対して拡散性を有する導電性物質であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の微粒子分散状況の評価方法。
【請求項５】
前記物質は、アセトフェノンであることを特徴とする請求項４に記載の微粒子分散状況の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微粒子分散状況の評価方法に関し、特に、微粒子としてナノメータレベルの充填剤をポリマー材料中に添加した複合材料に対する微粒子分散状況の評価方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ポリマー材料の機械的特性や電気的特性などを向上する方法として、ポリマー材料中に無機充填剤等の充填剤を添加することが有効であるが、充填剤添加による特性向上は、ポリマー材料中における充填剤の分散状況に依存する場合が多い。このため、充填剤を添加したポリマー材料では、ポリマー／充填剤複合材料中での充填剤分散状況の把握が重要である。
【０００３】
充填剤の粒径が数マイクロメータ以上である場合は、光学顕微鏡観察等により充填剤分散状況を評価することが可能である。また、硬質ガラスの平滑面に接触させた状態で試料を成形し、当該測定面の表面粗さを評価することで、試料中の充填剤分散性を評価する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、充填剤の粒径がナノメータレベルのオーダーになると、光学顕微鏡観察や表面粗さ評価では、その分散状況を評価することができない。
【０００４】
ナノメータレベルの充填剤の分散状況を評価する方法として、電子顕微鏡により観察する方法（例えば、非特許文献１参照。）が知られている。
【特許文献１】特開平８−１９３８２２号公報
【非特許文献１】電気学会論文誌Ａ、１２６巻１１号、ｐｐ．１０７８−１０８３、２００６年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、電子顕微鏡を用いてナノメータレベルの充填剤の分散状況を評価する方法による観察は、被測定サンプルの前処理が必要であり、測定までに時間を要するだけでなく、電子顕微鏡を操作することのできる技術者でなければ評価ができないという問題がある。
【０００６】
従って、本発明の目的は、ナノメータレベルの微小粒径の充填剤がポリマー材料中に添加されたポリマー／充填剤複合材料において、その充填剤の分散状況の評価を迅速かつ容易に行うことのできる微粒子分散状況の評価方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記目的を達成するため、ポリマー材料に微小粒径の充填剤を分散させたポリマー／充填剤複合材料に拡散性を有する物質を付着させて、前記物質が前記ポリマー／充填剤複合材料中を拡散する時間に基づいて前記充填剤の分散状況を評価することを特徴とする微粒子分散状況の評価方法を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ナノメータレベルの微小粒径の充填剤がポリマー材料中に添加されたポリマー／充填剤複合材料において、その充填剤の分散状況の評価を迅速かつ容易に行うことができる。
【０００９】
ポリマー材料に充填剤を添加すると、ポリマー／充填剤複合材料中における物質の物質拡散係数が小さくなる。この物質拡散係数の変化は、充填剤の大きさやその分散状況にも依存する。このような物質拡散係数の評価手法として、フーリエ赤外分光光度計（ＦＴ−ＩＲ）を用いて評価する手法があるものの、評価に時間を要するなどの問題がある。
【００１０】
本発明は、ある種の導電性物質が電気伝導性に影響を及ぼすことを利用し、ポリマー材料中を拡散した導電性物質によって電気伝導性が変化するまでの時間を測定する。このことにより、微粒子である充填剤のポリマー／充填剤複合材料中における分散状況を迅速かつ容易に評価することができる。
【００１１】
ある種の導電性物質として、例えばアセトフェノンを用いることができる。アセトフェノンは、それ自身が導電性物質であることから、ポリマー材料中に混在するとポリマーの電気伝導電流が増加する。また、ポリマーの電気伝導性の測定において、高圧電極にアセトフェノンを塗布又は滴下すると、電極とポリマーとの界面における電荷注入を促進し、電気伝導電流が増加する。本発明は、このようなアセトフェノンの電気伝導電流増加作用を応用したものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る微粒子分散状況測定装置の全体図である。
以下の説明においては、微粒子分散状況測定装置を単に「測定装置」という。
【００１３】
この測定装置１は、微粒子分散状況の測定対象である被測定サンプル１０と、被測定サンプル１０に接触して電気伝導電流の測定を行うためのセンサー用シート１１と、センサー用シート１１に形成されて被測定サンプル１０との間に設けられる高圧電極１２Ａと、センサー用シート１１に形成されて被測定サンプル１０が設けられる側とは反対側の面に設けられるガード電極１２Ｂおよび電流測定電極１２Ｃと、電流測定電極１２Ｃに接続される電流計１３と、電源線１４を介して高圧電極１２Ａおよびガード電極１２Ｂに接続される電源装置１５とを有する。
【００１４】
被測定サンプル１０は、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）に平均粒径５０ｎｍの無機充填剤として酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を添加し、均一に分散させることによってシート状に形成されており、本実施形態における厚さは０．１ｍｍである。
【００１５】
センサー用シート１１は、低密度ポリエチレンでシート状に形成されており、本実施形態における厚さは０．１ｍｍである。なお、センサー用シート１１は、シート状に成形可能なポリオレフィン材料や熱可塑性樹脂等の他の材料で形成することも可能である。
【００１６】
高圧電極１２Ａ、ガード電極１２Ｂ、および電流測定電極１２Ｃは、蒸着法によってＡｕを薄膜状に成膜することにより形成されている。
【００１７】
電源装置１５は、電気伝導電流の測定に必要な高圧直流電圧を印加する。本実施形態では、直流２ｋＶを印加することが可能な構成を有する。
【００１８】
図２は、本発明の第１の実施の形態に係るセンサー用シートを示し、（ａ）は上面を示す図、（ｂ）は下面を示す図である。
【００１９】
センサー用シート１１は、図２（ａ）に示すように、正方形状のシート形状を有しており、被測定サンプル１０と接触する側となる上面１１Ａの中央に円形状の高圧電極１２Ａを有する。本実施形態において、高圧電極１２Ａの外径ｄ１は４０ｍｍで形成されている。
【００２０】
また、センサー用シート１１は、図２（ｂ）に示すように、被測定サンプル１０と接触する側とは反対側の下面１１Ｂの中央に円形状の電流測定電極１２Ｃを有し、電流測定電極１２Ｃとの間にギャップ１２Ｄを有して円環状のガード電極１２Ｂが同心円状に設けられている。本実施形態において、電流測定電極１２Ｃの外径ｄ２は２６ｍｍ、ギャップ１２Ｄの幅Ｗ１は６ｍｍ、ガード電極１２Ｂの円環部分の幅Ｗ２は８ｍｍであり、ガード電極１２Ｂの外径と高圧電極１２Ａの外径とが同一径となるように形成されている。なお、本実施形態では、好ましい電極形状として円形状の電極形状としているが、測定に支障がなければ、例えば矩形状等の他の電極形状であっても良い。
【００２１】
以下に、図１および図２を参照しつつ、本発明の第１の実施の形態における測定装置による微粒子分散状況の測定について説明する。
【００２２】
まず、図１に示すように、シート状の被測定サンプル１０の下にセンサー用シート１１を配置し、センサー用シート１１の高圧電極１２Ａを被測定サンプル１０の下面に取り付ける。次に、高圧電極１２Ａと電源装置１５とを電源線１４を介して接続する。次に、センサー用シート１１に設けられるガード電極１２Ｂと電源装置１５とを電源線１４を介して接続し、電流測定電極１２Ｃに電流計１３を接続する。
【００２３】
次に、室温（３０℃）の温度条件下で電源装置１５を稼動させて高圧電極１２Ａに直流電圧２ｋＶを印加する。そして、電圧印加から５分経過した時点で、被測定サンプル１０の上面に導電性物質としてアセトフェノンを滴下し、センサー用シート１１を流れる伝導電流を１０秒毎に１８０分間測定する。アセトフェノンは導電性を有するとともにポリエチレン中で拡散する特性を有し、本実施形態でセンサー用シート１１に成膜された高圧電極１２Ａに浸透してシート界面に達する。
【００２４】
被測定サンプル１０中に拡散したアセトフェノンが高圧電極１２Ａに達し、さらに高圧電極１２Ａを浸透してセンサー用シート１１との界面に達すると、アセトフェノンが介在しない状態に比べて界面の仕事関数が小さくなる。そのため、高圧電極１２Ａからセンサー用シート１１への電子の注入が促進されてセンサー用シート１１を流れる伝導電流が増加する。この電流値を電流計１３で測定する。
【００２５】
本実施形態では、低密度ポリエチレンに平均粒径５０ｎｍの無機充填剤を均一に分散させたシートを被測定サンプル１０として用いた。被測定サンプル１０は、低密度ポリエチレンに無機充填剤を１重量部添加したサンプル１と、無機充填剤を５重量部添加したサンプル２と、無機充填剤の添加量は１重量部であるが試料内で充填剤が凝集し、分散不良が発生しているサンプル３と、比較用のサンプルとして無機充填剤を添加しないサンプル４とを用意した。
【００２６】
図３は、本発明の第１の実施の形態に係る測定装置による伝導電流の測定結果を示すグラフである。
【００２７】
図３に示すように、被測定サンプル１０に対してアセトフェノン滴下後から伝導電流が増加するまでの時間を測定したところ、無機充填剤を添加しないサンプル４に比べて、無機充填剤を５重量部添加したサンプル２の方が、伝導電流増加開始までの時間が大であることがわかる。これは、低密度ポリエチレンのサンプル中に分散している無機充填剤のサイズや分散状況により異なるが、サンプル中に分散した無機充填剤によってアセトフェノンの拡散が抑制されることによるものであり、無機充填剤の分散状態が良好であるほどアセトフェノンが拡散しにくくなる。
【００２８】
上記した各サンプルに対し、アセトフェノン滴下後の伝導電流増加開始までの時間を測定した結果を表１に示す。なお、表１中の比率は、無機充填剤を添加しないサンプル４においてアセトフェノン滴下後から伝導電流増加開始までの時間を基準としたときの変化量を示している。比率が１より小である場合には、アセトフェノン滴下後から伝導電流増加開始までの時間が無機充填剤を添加しないサンプル４よりも大であることを意味している。
【表１】
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【００２９】
表１に示すように、サンプル１、２、３、および４に対する測定結果によると、伝導電流増加開始までの時間は、無機充填剤の添加量が大になるにつれて増加していることがわかる。このことから、サンプルにアセトフェノンを滴下後、伝導電流増加開始までの時間を測定することにより、サンプル中の無機充填剤の添加量を評価することが可能である。
【００３０】
また、サンプル１とサンプル３の結果に示されるように、同じ重量部の無機充填剤添加量であっても、ポリエチレン中で分散不良が発生している場合は、分散状況が良好な場合と比べてアセトフェノン滴下後から伝導電流増加開始までの時間が短くなることから、無機充填剤の分散不良が発生しているかどうかを判定することができる。
【００３１】
また、上記したサンプル１、２、３、および４について、サンプル中のアセトフェノン拡散係数をＦＴ−ＩＲによって評価した結果を表２に示す。
【表２】
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【００３２】
表２に示すように、ＦＴ−ＩＲによるアセトフェノン拡散係数の評価結果についても、無機充填剤を添加しないサンプル４を基準とした変化量としての比率について、表１と同様の傾向を示すことがわかる。
【００３３】
［第１の実施の形態の効果］
上記した第１の実施の形態によると、ポリマー／充填剤複合材料からなる被測定サンプル１０中をアセトフェノンがセンサー用シート１１に設けられる高圧電極１２Ａとセンサー用シート１１表面との界面に達することに基づいてセンサー用シート１１の伝導電流を増加させるまでの時間を測定するようにしたので、ポリマー／充填剤複合材料に含まれる無機充填剤の添加量、分散状態が適正であるか否かの評価を迅速かつ容易に行うことができる。
【００３４】
ナノメータレベルの充填剤をポリマー材料に添加したポリマー／充填剤複合材料を工業的に生産する場合、生産品の品質チェックとして、無機充填剤の分散状況評価は重要な項目である。しかしながら、無機充填剤の分散状態の評価が不可能、あるいは評価可能であっても評価に時間を要する等の問題があった。本実施形態によれば、煩雑な評価手順を経ることなく、測定装置１の操作に特段の習熟性を要することなしにポリマー／充填剤複合材料中の無機充填剤の分散状況を適切に評価することができる。
【００３５】
なお、第１の実施の形態では、高圧電極１２Ａとセンサー用シート１１表面との界面における仕事関数の変化に基づく伝導電流増加開始までの変化を測定したが、例えば、被測定サンプル１０中にアセトフェノンが拡散することによる表面抵抗の低下に基づく電流変化が生じるまでの時間を測定するものであっても良い。
【００３６】
また、被測定サンプル１０に添加される無機充填剤についても、上記したＭｇＯ以外に、例えば酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、あるいは炭素（Ｃ）等を用いることが可能である。
【００３７】
［第２の実施の形態］
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る測定装置の全体図である。なお、第１の実施の形態と同様の構成および機能を有する部分については同一の符号を付している。
【００３８】
この測定装置１は、第１の実施の形態で説明した被測定サンプル１０の片面に高圧電極１２Ａと電流測定電極１２Ｃとを取り付け、電源線１４を介して高圧電極１２Ａおよび電流測定電極１２Ｃと電源装置１５とを接続した構成を有し、電源装置１５と電流測定電極１２Ｃとの間の電源線１４に電流計１３が接続されている。
【００３９】
この測定装置１によると、被測定サンプル１０の非電極形成面にアセトフェノンを滴下することにより、被測定サンプル１０中にアセトフェノンが拡散する。導電性物質であるアセトフェノンが被測定サンプル１０の電極形成面に達すると、被測定サンプル１０の電極形成面の表面抵抗が下がり、そのことによって高圧電極１２Ａと電流測定電極１２Ｃとの間を流れる電流値が増加する。この電流値が変化するまでの時間を測定することで、被測定サンプル１０中の無機充填剤の分散状況を知ることができる。
【００４０】
［第２の実施の形態の効果］
上記した第２の実施の形態によると、アセトフェノンの拡散によって被測定サンプル１０の表面抵抗が変化するまでの時間を測定する構成でも、ポリマー／充填剤複合材料に含まれる無機充填剤の添加量、分散状態が適正であるか否かの評価を簡易に、かつ安価に行うことができる。
【００４１】
[他の実施の形態]
本発明は、上記各実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。
【００４２】
また、発明の主旨を逸脱しない範囲内において上記各実施の形態の構成要素を任意に組み合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態に係る微粒子分散状況測定装置の全体図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態に係るセンサー用シートを示し、（ａ）は上面を示す図、（ｂ）は下面を示す図である。
【図３】図３は、本発明の第１の実施の形態に係る測定装置による伝導電流の測定結果を示すグラフである。
【図４】図４は、本発明の第２の実施の形態に係る測定装置の全体図である。
【符号の説明】
【００４４】
１…測定装置、１０…被測定サンプル、１１…センサー用シート、１１Ａ…上面、１１Ｂ…下面、１２Ａ…高圧電極、１２Ｂ…ガード電極、１２Ｃ…電流測定電極、１２Ｄ…ギャップ、１３…電流計、１４…電源線、１５…電源装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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