JP2016118425A - 有機材料の水分またはガス透過量の計測方法および計測方法に使用する容器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の圧電素子による水分またはガス透過量計測方法では、水分の透過性や水素、窒素、ヘリウム、アルゴンなどのガスの透過性を計測する方法として有機材料が実際に使用される形状に近い状態で透過性を計測することができると共に、安価で精度良く水分やガスの透過量を計測すること可能にする。【解決手段】圧電素子による水分またはガス透過量計測方法であって、２つの開口部を有する容器にそれぞれフランジが形成されると共に１つの開口部には周囲に鍔部が形成され、鍔部を有する開口部のフランジと、圧電素子の電極を貫通させた弾性封止体とを、圧電素子を容器内部に設置した状態で金属を素材とする巻締め封止を施し、もう一方の開口部のフランジと、開口部を密封するための板状の栓体とを硬化性樹脂組成物を硬化させて封止した容器を用いて、外部環境から硬化性樹脂組成物の硬化物を透過して容器に入った水分の計測方法。【選択図】図４

Description

本発明は、圧電素子による有機材料の水分またはガス透過量の計測方法および当該計測用の容器に関するものである。

特許文献１には、水晶振動子などの圧電素子を用いた重量測定方法の発明が記載されている。当該測定方法は精度良く測定できるが、圧電素子の再利用が難しく、一回あたりの測定で費用が高くなることが知られている。

ポリマー、エラストマーまたは硬化性樹脂組成物の硬化物などの有機材料において、湿度透過性を測定する方法として、ＪＩＳ Ａ１３２４ 「建築材料の透湿性測定方法」、ＪＩＳ Ｋ７２２５ 「硬質発泡プラスチック−水蒸気透過性の求め方」、ＪＩＳ Ｚ０２０８ 「防湿包装材料の透湿度試験方法（カップ法）」などが知られている。しかしながら、これらの試験方法は測定治具に取り付けることができる有機材料であれば湿度透過性を測定できるが、例えばシート状に加工できない場合の様に測定治具に取り付けられない有機材料は測定そのものができない。測定治具に取り付けることができない場合とは、例えばシート状に加工できない場合の様に、特定の形状の硬化物ができない場合や出来たとしても気泡が含まれるなどの欠陥がある硬化物である場合が挙げられる。その場合、有機材料が実際に使用される形状に近い状態で透湿性を測定することができない。

特開昭６３−２０００２８号公報

従来は、有機材料の水分またはガス透過量計測方法として、有機材料が実際に使用される形状に近い状態で透湿性を計測することが困難であった。

本発明者らは、上記目的を達成するべく鋭意検討した結果、本発明の圧電素子による水分またはガス透過量計測方法およびその容器を完成するに至った。

本発明の要旨を次に説明する。本発明の第一の実施態様は、圧電素子による水分透過量計測方法であって、２つの開口部を有する容器にそれぞれフランジが形成されると共に１つの開口部には周囲に鍔部が形成され、鍔部を有する開口部のフランジと、圧電素子の電極を貫通させた弾性封止体とを、圧電素子を容器内部に設置した状態で金属を素材とする巻締め封止を施し、もう一方の開口部のフランジと、開口部を密封するための板状の栓体とを硬化性樹脂組成物を硬化させて封止した容器を用いて、外部環境から硬化性樹脂組成物の硬化物を透過して容器に入った水分の計測方法である。

本発明の第二の実施態様は、圧電素子によるガス透過量計測方法であって、２つの開口部を有する容器にそれぞれフランジが形成されると共に１つの開口部には周囲に鍔部が形成され、鍔部を有する開口部のフランジと、圧電素子の電極を貫通させた弾性封止体とを、圧電素子を容器内部に設置した状態で金属を素材とする巻締め封止を施し、もう一方の開口部のフランジと、開口部を密封するための板状の栓体とを硬化性樹脂組成物を硬化させて封止した容器を用いて、外部環境から硬化性樹脂組成物の硬化物を透過して容器内に入ったガスの計測方法である。

本発明の第三の実施態様は、第二の実施態様に記載の前記ガスが水素、窒素、ヘリウムおよびアルゴンから少なくとも１種類選択される計測方法である。

本発明の第四の実施態様は、前記圧電素子が水晶振動子である第一から第三の実施態様のいずれかに記載の計測方法である。

本発明の第五の実施態様は、前記硬化性樹脂組成物が、接着剤、シール剤および封止剤から少なくとも１種類選択される第一から第四の実施態様のいずれかに記載の計測方法である。

本発明の第六の実施態様は、前記硬化性樹脂組成物が、光硬化性、熱硬化性、嫌気硬化性および湿気硬化性から少なくとも１種類選択される硬化性を有する硬化性樹脂組成物を用いた第一から第五の実施態様のいずれかに記載の計測方法である。

本発明の第七の実施態様は、板状の栓体が無機材料または硬化性樹脂組成物の硬化物である第一から第六の実施態様のいずれかに記載の計測方法である。

本発明の第八の実施態様は、２つの開口部を有する容器にそれぞれフランジが形成されると共に１つの開口部には周囲に鍔部が形成され、鍔部を有する開口部のフランジと、圧電素子の電極を貫通させた弾性封止体とを、圧電素子を容器内部に設置した状態で金属を素材とする巻締め封止を施し、もう一方の開口部のフランジと、開口部を密封するための板状の栓体とを硬化性樹脂組成物を硬化させて封止した圧電素子による水分またはガス透過量計測方法用の容器である。

本発明の第九の実施態様は、前記圧電素子が水晶振動子である第八の実施態様に記載の圧電素子による水分またはガス透過量計測方法用の容器である。

本発明の第十の実施態様は、前記硬化性樹脂組成物が、接着剤、シール剤および封止剤から少なくとも１種類選択される第八または第九の実施態様のいずれかに記載の圧電素子による水分またはガス透過量計測方法用の容器である。

本発明の第十一の実施態様は、前記硬化性樹脂組成物が、光硬化性、熱硬化性、嫌気硬化性および湿気硬化性から少なくとも１種類選択される硬化性を有する硬化性樹脂組成物を用いた第八または第九の実施態様のいずれかに記載の圧電素子による水分またはガス透過量計測方法用の容器である。

本発明の第十二の実施態様は、板状の栓体が無機材料または硬化性樹脂組成物の硬化物である第八または第九の実施態様のいずれかに記載の圧電素子による水分またはガス透過量計測方法用の容器である。

本発明の圧電素子による水分またはガス透過量計測方法では、水分の透過性や水素、窒素、ヘリウム、アルゴンなどのガスの透過性を計測する方法として有機材料が実際に使用される形状に近い状態で透過性を計測することができると共に、安価で精度良く水分やガスの透過量を計測することを可能にする。

図１は本発明で使用することができる容器１の外観である。 図２は図１に記載の容器１の断面図である。 図３は容器において、鍔部２を有する開口部３と反対の開口部３に、硬化性樹脂組成物４により板状の栓体５を接着した断面図である。 図４は、図３の容器に圧電素子６の電極７を貫通させた弾性封止体８を圧電素子を容器内部に設置した状態で金属を素材とする巻締め封止体９で封止した断面図である。 図５は、水晶発振器の電気回路に関する一例である。

本発明の詳細を次に説明する。本発明で使用することができる容器としては、２つの開口部を有する容器にそれぞれフランジが形成されると共に１つの開口部には周囲に鍔部が形成されている容器が挙げられる。ここで、フランジ面は略平面であれば良い。容器の構造や形状の具体例としては図１の様な形状が挙げられるが、特定の構造に限定されない。容器の材質としては価格の面から無機材料であるガラスであることが好ましく、ヘッドスペースバイアル瓶を途中から切断した形状が好ましい。

本発明で使用することができる圧電素子としては、封止前の圧電素子が使用できる。特に水晶振動子であることが好ましく、その構造や価格面からリードタイプ（電極が外部に伸びているタイプ）の水晶振動子であることが最も好ましい。

本発明で使用することができる弾性封止体としては、フランジを密封する機能と圧電素子の電極を支持する機能をもてば良い。商品としてはセプタムなどが挙げられ、弾性封止体の材質としてはゴム、エラストマーなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。特に水分を透過しにくいブチルゴムが好ましい。さらに、当該弾性封止体をフランジに押しつけるために、金属を素材とする巻締め封止体などでフランジに密接した状態で開口部に固定される。商品としてはアルミクリンプなどが挙げられ、具体的な素材としてはアルミニウムなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。

本発明で使用することができる硬化性樹脂組成物としては、後述の板状の栓体を固定することができれば良い。硬化性樹脂組成物の種類としては、エポキシ樹脂、（メタ）アクリル樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。硬化性樹脂組成物の硬化性としては、光硬化性、熱硬化性、嫌気硬化性、湿気硬化性などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。硬化性樹脂組成物には充填剤やスペーサーを入れても良く、スペーサーを入れることでフランジと板状の栓体を固定する場合に特定の間隔を開けることができる。硬化性樹脂組成物の用途としては、接着、シール、封止などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。

本発明で使用することができる板状の栓体としては、容器の鍔部がない開口部に固定できれば良く、無機材料または有機材料であれば使用することができる。無機材料としてはガラスなどが挙げられ、有機材料としてはエラストマー、ゴム、プラスチック、前記硬化性樹脂組成物の硬化物などが使用できるが、これらに限定されるものではない。

図１（図２）の容器に対して、硬化性樹脂組成物を用いて図３の様に板状の栓体を加熱等の硬化方法で接着する。その後、圧電素子の電極を貫通させた弾性封止体を、圧電素子を容器内部に設置した状態で金属を素材とする巻締め封止を施して封止をし、図４の様な圧電素子による計測方法に用いられる容器を作成する。圧電素子の電極に周波数カウンターの端子を接続し、初期の周波数を測定する。その後、当該容器を高温高湿環境や水素、窒素、ヘリウム、アルゴンなどのガスが充満した環境に放置した後、取り出して再度周波数を測定する。硬化物を透過して容器内に侵入した水分やガスの量と初期からの周波数のずれ（ΔＨｚ）が比例関係にある。この場合は、透過した水分やガスの相対的な関係が分かる。一方、容器内に透過した水分やガスの量について検量線を引くことで、その周波数のずれから換算して絶対的な透過量を計測することができる。

次に実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。

［容器作成方法］
鍔部が付いた口径φ１１ｍｍの開口部を有し、高さ７０ｍｍで容量２０ｍｌのヘッドスペースバイアル瓶を使用する。これを精密切断装置であるライカマイクロシステムズ株式会社製のゼーゲミクロトーム１６００型で底部から３５ｍｍの位置を円筒方向に切断した。この切断した開口部をフランジとして使用した。当該鍔部が無いフランジ面に自動塗布装置でフランジの形状に合わせて硬化性樹脂組成物をビード状に塗布し、平滑なガラス板と当該鍔部が無いフランジ面を取り付け、固定した状態でスポット型の紫外線照射装置で積算光量３０００ｍＪ／ｃｍ^２により硬化性樹脂組成物を硬化させた。口径φ１１ｍｍの開口部に水晶振動子の端子を貫通させたセプタムをアルミクリンプで巻締めした。セプタムには水蒸気を通さないブチルゴム性のものを使用した。これらの作業は２５℃雰囲気下で行った。

［測定方法］
前記容器作成方法で作成した容器に付いている電極を、図５の回路を有する装置である水晶発振器に接続して水晶振動子を発振させて、株式会社エー・アンド・デイ製の周波数カウンター ＡＤ−５１８４により「初期の周波数」を計測した。その後、特定の環境下の環境試験器に保管し、一定時間後に同じ水晶発振器と周波数カウンターにより「放置後の周波数」を計測した。これらの結果から、「周波数のずれ」（ΔＨｚ）＝「放置後の周波数」−「初期の周波数」により計算して硬化物を通過した水分量による周波数のずれを計測した。

前記容器作成方法において、硬化性樹脂組成物を光硬化型エポキシ樹脂である株式会社スリーボンド製のＴｈｒｅｅＢｏｎｄ３１１４と、光硬化型シリコーン樹脂である株式会社スリーボンド製のＴｈｒｅｅＢｏｎｄ３１６３について作成し、外部環境として４０℃×９５％ＲＨ、６０℃×９５％ＲＨ、８５℃×８５％ＲＨの３条件で行った。（ｎ＝３）光硬化型エポキシ樹脂は３日後と１０日後に計測を行い、光硬化型シリコーン樹脂については１日後に計測を行った。それぞれの条件で、周波数のずれを計測した結果を表１と表２にまとめた。

光硬化型エポキシ樹脂はエポキシ樹脂から構成されているため、水分の透過性は低い。しかしながら、表１の様に環境温度が４０℃、６０℃、８５℃と高くなるのと比例して、ΔＨｚが高くなっている。また、３日後よりも１０日後の方がΔＨｚが高くなっている。このことから、ΔＨｚと水分の透過量には明確に相対的な関係があると言える。

光硬化型シリコーン樹脂はポリジメチルシロキサンが主骨格の樹脂を使用しており、光硬化型エポキシ樹脂と比較して、光硬化型シリコーン樹脂の方が水分の透過性は高い。そのため、８５℃×８５％ＲＨにおいて１日後で急激に湿度が侵入しており、光硬化型エポキシ樹脂と光硬化型シリコーン樹脂の特性の違いが、光硬化型エポキシ樹脂より光硬化型シリコーン樹脂の方が透湿性が高いという相対的な関係で明確なったと言える。

ポリマー、エラストマーまたは硬化性樹脂組成物の硬化物などの有機材料において、湿度透過性を測定する方法としてＪＩＳ規格に沿ったものが一般的に使用されている。しかしながら、特定の形状を形成できない有機材料にとっては、測定する対象にもならなかった。本発明の水分またはガス透過量の計測方法により、その形状に制限されることなく水分またはガスの絶対的および相対的な透過量を計測できるため、様々な分野で使用することが可能である。

１：容器
２：鍔部
３：フランジが形成された開口部
４：硬化性樹脂組成物の硬化物
５：板状の栓体
６：圧電素子
７：電極
８：弾性封止体
９：巻締め封止体

Claims (12)

1. 圧電素子による水分透過量計測方法であって、
   ２つの開口部を有する容器にそれぞれフランジが形成されると共に１つの開口部には周囲に鍔部が形成され、
   鍔部を有する開口部のフランジと、圧電素子の電極を貫通させた弾性封止体とを、圧電素子を容器内部に設置した状態で金属を素材とする巻締め封止を施し、
   もう一方の開口部のフランジと、開口部を密封するための板状の栓体とを硬化性樹脂組成物を硬化させて封止した容器を用いて、
   外部環境から硬化性樹脂組成物の硬化物を透過して容器に入った水分の計測方法。
2. 圧電素子によるガス透過量計測方法であって、
   ２つの開口部を有する容器にそれぞれフランジが形成されると共に１つの開口部には周囲に鍔部が形成され、
   鍔部を有する開口部のフランジと、圧電素子の電極を貫通させた弾性封止体とを、圧電素子を容器内部に設置した状態で金属を素材とする巻締め封止を施し、
   もう一方の開口部のフランジと、開口部を密封するための板状の栓体とを硬化性樹脂組成物を硬化させて封止した容器を用いて、
   外部環境から硬化性樹脂組成物の硬化物を透過して容器内に入ったガスの計測方法。
3. 請求項２に記載の前記ガスが水素、窒素、ヘリウムおよびアルゴンから少なくとも１種類選択される計測方法。
4. 前記圧電素子が水晶振動子である請求項１〜３のいずれかに記載の計測方法。
5. 前記硬化性樹脂組成物が、接着剤、シール剤および封止剤から少なくとも１種類選択される請求項１〜４のいずれかに記載の計測方法。
6. 前記硬化性樹脂組成物が、光硬化性、熱硬化性、嫌気硬化性および湿気硬化性から少なくとも１種類選択される硬化性を有する硬化性樹脂組成物を用いた請求項１〜５のいずれかに記載の計測方法。
7. 板状の栓体が無機材料または硬化性樹脂組成物の硬化物である請求項１〜６のいずれかに記載の計測方法。
8. ２つの開口部を有する容器にそれぞれフランジが形成されると共に１つの開口部には周囲に鍔部が形成され、
   鍔部を有する開口部のフランジと、圧電素子の電極を貫通させた弾性封止体とを、圧電素子を容器内部に設置した状態で金属を素材とする巻締め封止を施し、
   もう一方の開口部のフランジと、開口部を密封するための板状の栓体とを硬化性樹脂組成物を硬化させて封止した圧電素子による水分またはガス透過量計測方法用の容器。
9. 前記圧電素子が水晶振動子である請求項８に記載の圧電素子による水分またはガス透過量計測方法用の容器。
10. 前記硬化性樹脂組成物が、接着剤、シール剤および封止剤から少なくとも１種類選択される請求項８また９のいずれかに記載の圧電素子による水分またはガス透過量計測方法用の容器。
11. 前記硬化性樹脂組成物が、光硬化性、熱硬化性、嫌気硬化性および湿気硬化性から少なくとも１種類選択される硬化性を有する硬化性樹脂組成物を用いた請求項８または９のいずれかに記載の圧電素子による水分またはガス透過量計測方法用の容器。
12. 板状の栓体が無機材料または硬化性樹脂組成物の硬化物である請求項８または９のいずれかに記載の圧電素子による水分またはガス透過量計測方法用の容器。