JP6706573B2

JP6706573B2 - 促進耐候性試験方法

Info

Publication number: JP6706573B2
Application number: JP2016239033A
Authority: JP
Inventors: 梓石井; 貴志三輪; 幸俊竹下; 孝澤田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; NTT Inc USA
Current assignee: NTT Inc; NTT Inc USA
Priority date: 2016-12-09
Filing date: 2016-12-09
Publication date: 2020-06-10
Anticipated expiration: 2036-12-09
Also published as: JP2018096734A

Description

本発明は、高分子材料の屋外環境における長期信頼性を評価する技術に関する。

高分子材料の耐候性を評価する促進耐候性試験の代表的な規格としては、プラスチックの試験法である「ＪＩＳＫ７３５０−１」〜「ＪＩＳＫ７３５０−４」、塗料の試験法である「ＪＩＳＫ５６００−７−７」、「ＪＩＳＫ５６００−７−８」がある。例えば、「ＪＩＳＫ５６００−７−７」は、キセノンランプを光源とする試験装置を用いて、サンプルに対して光を照射し（照射量３００ｎｍ〜４００ｎｍ間で６０Ｗ／ｍ^２）、乾燥期間（１０２分、ブラックパネル温度６３±２℃、相対湿度４０〜６０％）と水噴霧による濡れ期間（１８分）とを繰り返す試験法である。

飯田眞司、"促進耐候性試験（その３）"、塗料の研究、No.147 Mar. 2007 "促進暴露試験ハンドブック、〔Ｉ〕促進耐候性試験"、財団法人日本ウェザリングテストセンタ、平成21年4月1日

しかし、従来の促進耐候性試験では、実際の屋外環境における高分子材料の劣化を十分に再現できているとは言えず、試験結果の信頼性は屋外暴露試験に劣っている（非特許文献１）。特に、塩害地域で屋外暴露試験を行った際に生じる白亜化等の劣化現象を再現できていない。

高分子材料の劣化に及ぼす水分の影響は、加水分解のほか、水分による低分子量の添加物の抽出、水分による可塑化効果等が考えられ、水分を負荷した方が負荷なしの試験よりも変化が大きいことが知られている（非特許文献２）。

高分子材料の劣化現象の一つである白亜化は、材料表層の樹脂が劣化し、材料に含まれる顔料が粉状になって顕われる現象であり、材料の外観を大きく損なうものである。この白亜化の進行は主に紫外線及び水が影響しているとされるが、屋外暴露試験で白亜化が生じた試料を従来の促進耐候性試験で評価した場合、その白亜化を十分に再現できないという課題があった。

つまり、現在普及している促進耐候性試験は、単に常温の水を噴霧するのみであるため、実環境に比べて高分子材料の深部へ水分が浸透しておらず、実環境での白亜化が再現できていない。常温の水をスプレーした場合、濡れた際に試料表面の温度が低下し、次の二つの点で試料の吸水が妨げられる。一つは試料の温度が低下すること自体が高分子材料の吸水速度を低下させるという点である。もう一つは、スプレーにより試料表面の温度が試料裏面の温度（試料裏面の温度は槽内温度と同程度）よりも低くなることで、水の浸透とは逆方向の温度勾配が生じ、水分の侵入が妨げられるという点である。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、屋外環境における白亜化等の劣化現象をよく再現する試料（高分子材料）の評価方法及び装置を提供することを目的とする。

以上の課題を解決するため、請求項１に係る促進耐候性試験方法は、促進耐候性試験装置で行う高分子材料である試料の促進耐候性試験方法において、試料表面に対して、槽内温度と同温以上であり、かつ、前記試料のガラス転移点の温度未満である水を吹き掛ける噴霧ステップと、前記試料表面が試料裏面よりも高温となる温度勾配を前記試料に発生させる温度勾配発生ステップと、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、試料表面に水を吹き掛け、試料表面が試料裏面よりも高温となる温度勾配を試料に発生させるため、短時間で試料の深部にまで水分を侵入させて促進耐候性試験を実施することができ、屋内環境で生じる水が試料深部に浸透した状態で紫外線が照射されることによる白亜化等の劣化現象をよく再現できる。

請求項２に係る促進耐候性試験方法は、請求項１に記載の促進耐候性試験方法において、前記温度勾配発生ステップでは、冷却水又はペルチェ素子で前記試料裏面を冷却することにより前記温度勾配を発生させることを特徴とする。

請求項３に係る促進耐候性試験方法は、請求項１に記載の促進耐候性試験方法において、前記温度勾配発生ステップでは、ヒートシンクで前記試料裏面を冷却することにより前記温度勾配を発生させることを特徴とする。

本発明によれば、屋外環境における白亜化等の劣化現象をよく再現する試料の評価方法及び装置を提供できる。

本実施の形態に係る促進耐候性試験装置の構成を示す図である。

本発明は、塩害地域を含む屋外環境における白亜化等の劣化現象をよく再現する高分子材料の試験方法及び装置に関するものである。本発明では、実環境に比べて高分子材料の深部へ水分が浸透しないことに着目する。

それゆえ、本発明では、試料表面に槽内温度と同温以上の水をスプレーするとともに、試料裏面（試料表面に対向する裏側の背面）を冷却水等で冷却し、その試料表面が試料裏面よりも高温になる温度勾配を試料の板厚方向に持たせることにより、実環境と同程度に短時間で効率よく試料の深部へ水分を浸透させ、屋外環境での劣化挙動をよく再現する。これにより、屋外環境における高分子材料（試料）の長期信頼性をより適切に評価することを可能とする。

〔従来の促進耐候性試験について〕
まず、従来の促進耐候性試験について述べる。

７ｃｍ×１５ｃｍの鋼材にポリウレタン樹脂塗料を厚さ５０μｍで塗布した試料を用いて、促進耐候性試験を行った。このポリウレタン樹脂塗料は、１．５年の屋外暴露試験で白亜化を生じたものである。

従来の促進耐候性試験（ＪＩＳＫ５６００−７−７）の試験条件に基づき、キセノン光源の照射量３００〜４００ｎｍで６０Ｗ／ｍ^２、槽内温度３８℃のもと、乾燥ステップ（１０２分、ブラックパネル温度６３±２℃、相対湿度４０〜６０％）と、常温水の噴霧による濡れステップ（１８分）とを繰り返し行う。

上記促進耐候性試験を２０００時間実施したが、試料に白亜化は生じなかった。試料である高分子材料の比熱は概ね１〜２Ｊ／ｇ・Ｋであり、水の比熱（４．２Ｊ／ｇ・Ｋ）よりも小さいことから、常温水を噴霧する濡れステップで試料表面は常温付近に低下する。一方で、試料裏面は、槽内温度３８℃に近い温度となっている。試料表面の温度が低いこと、及び試料の板厚方向に水分の侵入方向とは逆方向の温度勾配が生じていることにより、試料に水分が侵入しにくい状態になっていたと考えられる。

〔本発明の促進耐候性試験について〕
そこで、キセノン光源の照射量３００〜４００ｎｍで６０Ｗ／ｍ^２、槽内温度３８℃、ブラックパネル温度６３±２℃、相対湿度４０〜６０％で試験を４時間実施し、次に試料を試験装置から取り出して４時間５０℃の温水に浸けるという試験サイクルを２０００時間繰り返した。これにより、試料表面が白亜化し、試料に水分を浸透させた状態で紫外線を含んだ光を照射することで白亜化が生じることが分かった。

以下、本発明を実施する一実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は、本実施の形態に係る促進耐候性試験装置１００の構成を示す図である。本実施の形態に係る促進耐候性試験装置１００は、図１に例示するように、光源１１、水噴霧部１２、噴霧水温度調節部１３、槽内湿度調節部１４、槽内温度調節部１５、冷凍器１６及びブラックパネル１７を槽内に備えて構成される。その槽内において、高分子材料としての試料３００がブラックパネル１７に近接配置され、その試料３００の裏面に試料冷却体１８が配置される。

光源１１は、槽内の試料３００及びブラックパネル１７に紫外線を含む光を照射するために用いられる。水噴霧部１２は、試料３００の表面に水を吹き掛ける（スプレーする）ために用いられる。噴霧水温度調節部１３は、水噴霧部１２が吹き掛ける水の温度を加温するために用いられる。槽内湿度調節部１４は、槽内の湿度を調節するために用いられる。槽内温度調節部１５は、槽内の温度を調節するために用いられる。冷凍器１６は、槽内温度を低温にするために用いられる。ブラックパネル１７は、試料３００の表面温度を疑似観測するために用いられる。試料冷却体１８は、取り外し可能な試料ホルダの裏面に固定され、試料３００の裏面を冷却するために用いられる。試料冷却体１８は、例えば、冷却水、ペルチェ素子、ヒートシンクのうちいずれか１つ以上が用いられる。

また、促進耐候性試験装置１００は、制御部１９及び試験条件入力部２０を更に備えて構成される。制御部１９は、光源１１の照射量、水噴霧部１２の水噴霧量、槽内湿度調節部１４による槽内湿度及び槽内温度調節部１５による槽内温度をそれぞれ遠隔制御する装置である。促進耐候性試験装置の既存制御部を用いてもよいし、ＣＰＵ及びメモリを備えた情報処理装置を新たに用いてもよい。試験条件入力部２０は、制御部１９の制御対象（１１，１２，１４，１５）で用いられる照射量等の設定値を制御部１９に入力する装置である。例えば、タッチパネル機能付き制御用モニタ等を用いる。

本実施の形態に係る促進耐候性試験装置１００は、既存の促進耐候性試験装置と類似するが、噴霧水温度調節部１３及び試料冷却体１８を備える点で異なる。噴霧水温度調節部１３及び試料冷却体１８は、いずれか一方のみを用いてもよいし、両方を用いてもよい。なお、噴霧水温度調節部１３及び試料冷却体１８は、特許請求の範囲における温度勾配発生部である。噴霧水温度調節部１３は、試料３００の表面に噴霧する水の温度を加温するために用いられ、試料冷却体１８は、試料３００の裏面を冷却するために用いられるので、温度勾配発生部は、試料表面が試料裏面よりも高温となる温度勾配を試料板厚方向に発生させる機能を持つ。

＜実施例＞
次に、本実施の形態で行う促進耐候性試験方法について説明する。

まず、試料３００を促進耐候性試験装置１００の槽内に設置する。促進耐候性試験装置１００の光源１１としては、例えば、キセノンアークランプ、紫外性蛍光ランプ、カーボンアークランプ、メタルハライドランプ等が好適である。本実施の形態では、キセノンランプの光源１１を用い、その照射量は３００〜４００ｎｍで６０Ｗ／ｍ^２とした。

次に、試験サイクルを定める。試験サイクルは、紫外線を含む光を照射しながら行う乾燥ステップ（乾燥期間）と、光を照射しないで行う濡れステップ（濡れ期間）とを交互に繰り返す試験サイクルとしてもよい。また、常に紫外線を含む光を照射しながら行う乾燥ステップと濡れステップとを交互に繰り返す試験サイクルとしてもよい。その他、紫外線を含む光を照射しながら行う乾燥ステップと濡れステップとに、光を照射しないで行う濡れステップ又は湿潤ステップを加えた３つのステップを繰り返す試験サイクルとしてもよい。これらに他のステップを組み合わせた試験サイクルとすることも容易に類推できる。本実施の形態では、常に紫外線を含む光を照射しながら行う乾燥ステップ（１０２分）と濡れステップ（１８分）との２つのステップを交互に繰り返す試験サイクルとする。

（具体例１）
具体例１では、水噴霧部１２と噴霧水温度調節部１３とを用いて槽内温度と同温以上の水を試料３００の表面に吹き掛ける場合について説明する。光源１１の照射量３００〜４００ｎｍで６０Ｗ／ｍ^２、槽内温度３８℃のもと、乾燥ステップ（１０２分、ブラックパネル温度６３±２℃、相対湿度４０〜６０％）と、５８℃の温水噴霧による濡れステップ（１８分）とを交互に繰り返す。この繰り返し試験を２０００時間実施すると、白亜化が再現できた。

この時、噴霧する水温は、試料表面が試料裏面よりも高温となるよう槽内温度よりも高い温度である。このとき、試料裏面にヒートシンクを設けて試料裏面を冷却してもよい。試料表面に噴霧する水温を槽内温度よりも高くしたことにより、試料表面と試料裏面とに温度勾配が生じ、これにより試料３００が吸水しやすくなり、試料３００に水分が浸透した状態で紫外線を含んだ光が照射され、試料の劣化が進行したと考えられる。

なお、試料である高分子材料のガラス転移点をＴ_Ｇ℃とすると、噴霧する温水の温度Ｔ_ＷはＴ_Ｇ未満とするのがよい。高分子材料の吸水は温度を上げるほど促進されるが、高分子材料はＴ_Ｇを超えると性質に変化があり、Ｔ_Ｇ以上で促進耐候性試験を実施すると実環境と異なる劣化を引き起こしてしまうためである。Ｔ_ＧはＤＳＣ（Differential Scanning Calorimetry；示差走査熱量測定）で測定するのが望ましく、試料と組成の類似する高分子材料の文献値を参考にしてもよい。本実施の形態では、ポリウレタン樹脂塗料のＴ_Ｇが７２℃であることをＤＳＣ測定により確認している。

（具体例２）
具体例２では、試料冷却体１８を用いて試料３００の裏面を冷却する場合について説明する。試料裏面の冷却は、冷却水又はペルチェ素子のうち１つ以上を用いて行う。具体例２では、ペルチェ素子で試料裏面を冷却した。光源１１の照射量３００〜４００ｎｍで６０Ｗ／ｍ^２、槽内温度３８℃のもと、乾燥ステップ（１０２分、ブラックパネル温度６３±２℃、相対湿度４０〜６０％）と濡れステップ（１８分、常温水噴霧、試料裏面をペルチェ素子で８℃に冷却）とを交互に繰り返す。この繰り返し試験を２０００時間実施すると、屋外暴露試験で観られた白亜化が再現できた。これは、試料裏面を冷却することにより、試料表面と試料裏面とに温度勾配を生じ、これにより試料３００が吸水しやすくなり、試料３００に水分が浸透した状態で紫外線を含んだ光が照射され、試料の劣化が進行したと考えられる。

（具体例３）
具体例３では、水噴霧部１２及び噴霧水温度調節部１３と、試料冷却体１８との両方を用いて、試料３００の表面に温水を噴霧し、かつ、その裏面を冷却する場合について説明する。試料裏面の冷却は、冷却水又はペルチェ素子のうち１つ以上を用いて行う。具体例３では、ペルチェ素子で試料裏面を冷却した。

ここで、槽内温度をＴ_Ｃ℃、噴霧温水温度をＴ_Ｗ℃、ペルチェ素子温度をＴ_Ｐ℃とする。Ｔ_Ｗ、Ｔ_Ｐは、Ｔ_Ｇ＞Ｔ_Ｗ＞Ｔ_Ｃ＞Ｔ_Ｐが好適である。光源１１の照射量３００〜４００ｎｍで６０Ｗ／ｍ^２、槽内温度３８℃のもと、乾燥ステップ（１０２分、ブラックパネル温度６３±２℃、相対湿度４０〜６０％）と濡れステップ（１８分、５８℃の温水噴霧、試料裏面をペルチェ素子でＴ_Ｐ℃に冷却）とを交互に繰り返す。Ｔ_Ｐ＝２８，１８，８で実施したところ、屋外暴露試験で観られた白亜化が再現できた。裏面冷却温度と白亜化の再現に要した試験時間を表１に示す。

表１より、試料表面の温度を高めるとともに試料裏面を冷却したことにより、試料３００の表面と裏面との温度勾配が大きくなり、白亜化の再現にかかる時間を短縮できることを把握できる。

本実施の形態によれば、試料３００の表面に水を吹き掛け、その表面が裏面よりも高温となる温度勾配を板厚方向に発生させるので、短時間で効率よく試料３００に吸水させることができる。これにより、短時間で試料３００の深部にまで水分を侵入させて促進耐候性試験を実施できるので、屋外環境で生じる水が試料深部に浸透した状態で紫外線が照射されることによる白亜化等の劣化現象をよく再現できる。その結果、塩害地域を含む屋外地域における高分子材料の長期信頼性をより適切に評価可能となる。

１００…促進耐候性試験装置
１１…光源
１２…水噴霧部
１３…噴霧水温度調節部（温度勾配発生部）
１４…槽内湿度調節部
１５…槽内温度調節部
１６…冷凍器
１７…ブラックパネル
１８…試料冷却体（温度勾配発生部）
１９…制御部
２０…試験条件入力部

Claims

促進耐候性試験装置で行う高分子材料である試料の促進耐候性試験方法において、
試料表面に対して、槽内温度と同温以上であり、かつ、前記試料のガラス転移点の温度未満である水を吹き掛ける噴霧ステップと、
前記試料表面が試料裏面よりも高温となる温度勾配を前記試料に発生させる温度勾配発生ステップと、
を含むことを特徴とする促進耐候性試験方法。
前記温度勾配発生ステップでは、
冷却水又はペルチェ素子で前記試料裏面を冷却することにより前記温度勾配を発生させることを特徴とする請求項１に記載の促進耐候性試験方法。
前記温度勾配発生ステップでは、
ヒートシンクで前記試料裏面を冷却することにより前記温度勾配を発生させることを特徴とする請求項１に記載の促進耐候性試験方法。