JP6849580B2 - Method of estimating the life of polymer materials - Google Patents
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Description
本発明は、高分子材料の寿命推定方法に関し、特にポリエステルからなる高分子材料の強度低下による寿命の推定方法に関する。 The present invention relates to a method for estimating the life of a polymer material, and more particularly to a method for estimating the life of a polymer material made of polyester due to a decrease in strength.
従来より、熱可塑性ポリエステルなどのポリエステルは、柔軟性および強靭性の両方を有することから、包装材、衣料用の繊維などに幅広く利用されている。また、ポリエステルは、太陽光パネルのフィルムや防食塗装など、屋外環境で長期間使用する製品の主材料としても広く利用されている。 Conventionally, polyesters such as thermoplastic polyesters have both flexibility and toughness, and are therefore widely used as packaging materials, fibers for clothing, and the like. Polyester is also widely used as a main material for products used for a long period of time in an outdoor environment, such as solar panel films and anticorrosion coatings.
特に、ポリエステルを主材料とする製品を屋外環境で使用する場合、紫外線や水による劣化で強度が低下することが知られている。そのため、実用上、ポリエステル材料の強度が耐用可能強度の値より低下するまでの寿命を把握することで、メンテナンスの効率化が図れる上、新規材料の開発においてもその寿命は評価の基準となると考えられる。 In particular, when a product containing polyester as a main material is used in an outdoor environment, it is known that the strength decreases due to deterioration due to ultraviolet rays and water. Therefore, in practice, by grasping the life until the strength of the polyester material falls below the value of the durable strength, maintenance efficiency can be improved and the life is considered to be a standard for evaluation even in the development of new materials. Be done.
従来から、ポリエステル材料の強度低下による寿命は、屋外に試料を設置し、試験期間の経過に応じて試料を回収して、回収された試料の引張試験を行うことにより測定されている。ポリエステル材料においては、その使用開始から比較的長期間が経過しなければ、強度低下を示す値としては評価することができない。そのため従来のポリエステル材料の寿命の測定法では、長期間にわたる試験期間が必要とされていた。 Conventionally, the life of a polyester material due to a decrease in strength has been measured by placing a sample outdoors, collecting the sample as the test period elapses, and performing a tensile test on the recovered sample. In the case of polyester materials, it cannot be evaluated as a value indicating a decrease in strength until a relatively long period of time has passed from the start of use. Therefore, the conventional method for measuring the life of a polyester material requires a long test period.
多くのポリエステル材料は、屋外環境での使用開始後しばらくは強度が下がらず、ある程度期間が経過して紫外線や水などによる分子量の低下が進んでからその強度が低下する。特に、引張試験による評価では、実際に材料の強度が低下するまでは劣化の進行状況を把握するのが困難であり、強度低下が生ずるまで継続して試験を行う必要があった。 The strength of many polyester materials does not decrease for a while after the start of use in an outdoor environment, and the strength decreases after a certain period of time elapses and the molecular weight decreases due to ultraviolet rays, water, or the like. In particular, in the evaluation by the tensile test, it is difficult to grasp the progress of deterioration until the strength of the material actually decreases, and it is necessary to continue the test until the strength decreases.
また、特に近年、紫外線吸収剤や光安定剤などの添加剤を含む耐候性の高い材料の開発が進んでおり、これらの材料における寿命の評価には数年から十数年の試験期間を要している。この寿命の評価に要する期間を短縮することは、製品開発や性能評価の効率化に向けて重要な課題である。 Further, especially in recent years, the development of highly weather-resistant materials containing additives such as ultraviolet absorbers and light stabilizers has been progressing, and it takes several years to more than ten years to evaluate the life of these materials. are doing. Reducing the period required for this life evaluation is an important issue for improving the efficiency of product development and performance evaluation.
そこで、従来から、試料の強度の経時変化を直接測定するのではなく、強度低下に繋がる劣化と関連する高分子の平均分子量の変化や分子構造の変化を評価することにより寿命を推定する方法が検討されている(非特許文献1参照。)。 Therefore, conventionally, instead of directly measuring the change in the strength of the sample with time, a method of estimating the life by evaluating the change in the average molecular weight and the change in the molecular structure of the polymer associated with the deterioration leading to the decrease in strength has been used. It is being studied (see Non-Patent Document 1).
このような分子量の変化に基づく寿命の推定方法では、Gel Permeation Chromatography(GPC)によりポリエステルの分子量が測定されるが、測定の再現性が低く、材料の経時的な変化の測定には適用が容易ではない。 In such a method of estimating the life based on the change in molecular weight, the molecular weight of polyester is measured by Gel Permeation Chromatography (GPC), but the reproducibility of the measurement is low and it is easy to apply to the measurement of the change over time of the material. is not it.
より詳細には、GPCによるポリエステルの分子量の測定では、溶媒としてトリフルオロ酢酸ナトリウムを約5〜10mmol/L添加したHFIP(1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロ−2−プロパノール)を用いる。また、この分子量の測定では、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)樹脂を標準試料として用い、RI(示差屈折)検出装置を用いるのが一般的である。 More specifically, in the measurement of the molecular weight of polyester by GPC, HFIP (1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol) to which sodium trifluoroacetate was added as a solvent at about 5 to 10 mmol / L. Is used. Further, in the measurement of this molecular weight, it is common to use a polymethyl methacrylate (PMMA) resin as a standard sample and use an RI (differential refractometer) detector.
しかしながら、このような条件での分子量の測定は、溶媒中に微量に含まれる水分などの影響を受けやすく、測定ごとに得られる分子量の値にずれが生じてしまう。そのため、新たに取得した分子量の測定結果と、過去に取得した分子量の測定結果とを突合して、寿命を推定することは困難である。 However, the measurement of the molecular weight under such conditions is easily affected by a small amount of water contained in the solvent, and the value of the molecular weight obtained for each measurement is deviated. Therefore, it is difficult to estimate the lifetime by collating the newly acquired measurement result of the molecular weight with the measurement result of the previously acquired molecular weight.
例えば、長期の屋外暴露試験で数か月ごとに試料を回収し、その回収試料の分子量データを逐次的に寿命推定に反映させたいとする。このような場合、新たな試料を回収した際に、その新たな試料のみをGPC測定にかけて既に取得しているデータと突合して寿命推定に反映させることは適当とはいえない。 For example, suppose a sample is collected every few months in a long-term outdoor exposure test, and the molecular weight data of the collected sample is sequentially reflected in the life estimation. In such a case, when a new sample is collected, it is not appropriate to collate only the new sample with the data already acquired by GPC measurement and reflect it in the life estimation.
GPC測定を行う場合には、既に測定済みの試料を含め、寿命推定に用いる全試料を一度にGPC測定にかける必要がある。したがって、測定の途中で溶媒の継ぎ足しは行わず、全試料を連続的に測定する。 When performing GPC measurement, it is necessary to perform GPC measurement on all the samples used for life estimation at once, including the samples that have already been measured. Therefore, the solvent is not added during the measurement, and all the samples are continuously measured.
このように、従来のGPC測定では、寿命の推定対象となる全試料を一連の測定で評価しなければならず、手間が掛かるほか、高価な溶媒であるHFIPを大量に使用することによる測定のランニングコストの増大も招く。したがって、GPC測定によらないポリエステルの寿命推定法を用いることが望ましい。 As described above, in the conventional GPC measurement, all the samples whose lifespan is to be estimated must be evaluated by a series of measurements, which is troublesome and requires a large amount of HFIP, which is an expensive solvent. It also leads to an increase in running costs. Therefore, it is desirable to use a polyester life estimation method that does not rely on GPC measurement.
従来のGPC測定に代わる方法として、高分子の分解により生じる官能基の増加を赤外分光(Infrared Spectroscopy:IR)測定により評価する方法が知られている。IR測定は、過去に取得したデータと新たに取得したデータとの統合が容易であり、測定のランニングコストも低いという特徴を有する。 As an alternative method to the conventional GPC measurement, a method of evaluating an increase in functional groups caused by decomposition of a polymer by infrared spectroscopy (IR) measurement is known. The IR measurement is characterized in that it is easy to integrate the data acquired in the past and the newly acquired data, and the running cost of the measurement is low.
従来のIR測定では、ポリエステルの屋外環境での劣化の進行によってエステル結合が分解し、COOH基やOH基が増加することに着目した測定を行う。例えば、COOH基のC=Oの伸縮振動のピークおよび、COOH基やOH基のOH結合の伸縮振動におけるピークの変化が一般的に着目されている(非特許文献2参照。)。 In the conventional IR measurement, the measurement is performed focusing on the fact that the ester bond is decomposed and the COOH group and the OH group are increased due to the progress of deterioration of the polyester in the outdoor environment. For example, changes in the peak of the expansion and contraction vibration of C = O of the COOH group and the peak of the expansion and contraction vibration of the OH bond of the COOH group and the OH group are generally attracting attention (see Non-Patent Document 2).
しかし、従来のIR測定においてポリエステルの劣化の評価に用いられているCOOH基、OH基などの構造変化に対応するピークは、定量性に優れたピークとはいえず、測定結果からポリエステルの寿命の推定を行うことは困難であった。 However, the peak corresponding to the structural change such as COOH group and OH group used for evaluating the deterioration of polyester in the conventional IR measurement cannot be said to be a peak with excellent quantification, and the measurement result shows the life of polyester. It was difficult to make an estimate.
より詳細には、IR測定によりCOOH基の増加を評価する場合、COOH基のC=Oの伸縮振動による1690cm-1付近の吸収の増加を評価すればよい。しかし、COOH基のC=Oの伸縮振動による1690cm-1付近の吸収は、ポリエステルの繰り返し構造のエステル結合におけるC=Oの伸縮振動による1715cm-1付近の大きな吸収と重なってしまい検出が困難である。 More specifically, when evaluating the increase in COOH groups by IR measurement, it is sufficient to evaluate the increase in absorption in the vicinity of 1690 cm-1 due to the expansion and contraction vibration of C = O of the COOH groups. However, the absorption around 1690 cm -1 due to the expansion and contraction vibration of C = O of the COOH group overlaps with the large absorption around 1715 cm -1 due to the expansion and contraction vibration of C = O in the ester bond of the repeating structure of polyester, and it is difficult to detect. is there.
そのため、四フッ化硫黄ガスを用いてカルボキシル基を酸フッ化物(C(=O)F)へ変換するという試料の前処理が必要となる。四フッ化硫黄ガスを用いた試料の前処理によりCOOH基を酸フッ化物へ変換するので、C=Oの伸縮振動による吸収は、1715cm-1付近の大きな吸収と分離して、1841cm-1付近に検出することが可能となる(非特許文献2参照。)。 Therefore, it is necessary to pretreat the sample by converting the carboxyl group into acid fluoride (C (= O) F) using sulfur tetrafluoride gas. Since converting a COOH group into an acid fluoride by pretreatment of the samples with sulfur tetrafluoride gas, absorption by the stretching vibration of C = O separates the large absorption near 1715 cm -1, 1841Cm around -1 (See Non-Patent Document 2).
四フッ化硫黄ガスは扱いが容易でないことから、特殊な実験設備も必要となり、IR測定を行うことも困難となる。そのため、四フッ化硫黄ガスなどを用いた前処理作業を必要とせずに測定が可能なピークを用いてポリエステルの寿命を推定することが望まれる。 Since sulfur tetrafluoride gas is not easy to handle, special experimental equipment is required, and it becomes difficult to perform IR measurement. Therefore, it is desired to estimate the life of the polyester by using a peak that can be measured without the need for pretreatment work using sulfur tetrafluoride gas or the like.
例えば、COOH基やOH基のOH結合の伸縮振動のピークは、それぞれ3450−3500cm-1、3250−3300cm-1付近に検出され、試料の前処理を行うことなくIR測定を行うことができる(非特許文献2参照。)。 For example, the peak of the stretching vibration of the OH bond of COOH groups and OH groups, respectively 3450-3500Cm -1, detected around 3250-3300Cm -1, it is possible to perform an IR measurement without performing pre-treatment of the sample ( See Non-Patent Document 2).
しかしながら、これらのピークは、強度が弱く、OH結合の水素原子が水素結合をしている場合としていない場合でピークシフトが生じ、さらに、紫外線吸収剤や光安定剤などの添加剤由来のピークとも重なるなどの理由から、定量性に優れたピークとはいえない。そのため、3450−3500cm-1、3250−3300cm-1付近の吸光度の増加からポリエステル材料の劣化反応の進行を評価して寿命を推定することは困難である。 However, these peaks have weak intensity, and peak shift occurs depending on whether the hydrogen atom of the OH bond is hydrogen-bonded or not, and further, it is also a peak derived from an additive such as an ultraviolet absorber or a light stabilizer. It cannot be said that the peak has excellent quantitativeness because of overlapping. Therefore, it is difficult to estimate the life by evaluating the progress of the deterioration reaction of the polyester material from the increase in absorbance near 3450-3500 cm -1 and 3250-3300 cm -1.
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、より信頼性が高く、かつ効率的なポリエステルの寿命推定方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a more reliable and efficient method for estimating the life of polyester.
上述した課題を解決するために、本発明に係る高分子材料の寿命推定方法は、赤外分光測定によりポリエステルからなる高分子材料の芳香環の架橋構造に関する第1吸光度を得る第1ステップと、前記高分子材料を所定の試験期間にわたり屋外に暴露する暴露処理を実施する第2ステップと、前記暴露処理の後に、前記赤外分光測定により前記芳香環の架橋構造に関する第2吸光度を得る第3ステップと、前記第1吸光度と前記第2吸光度とに基づいて前記高分子材料の寿命を推定する第4ステップとを備えることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the method for estimating the life of a polymer material according to the present invention includes a first step of obtaining a first absorbance related to a crosslinked structure of an aromatic ring of a polymer material made of polyester by infrared spectroscopic measurement. A second step of performing an exposure treatment of exposing the polymer material to the outdoors for a predetermined test period, and a third step of obtaining a second absorbance relating to the crosslinked structure of the aromatic ring by the infrared spectroscopic measurement after the exposure treatment. It is characterized by comprising a step and a fourth step of estimating the life of the polymer material based on the first absorbance and the second absorbance.
本発明に係る高分子材料の寿命推定方法において、前記第1ステップでは、前記芳香環が架橋したC−C結合の吸収を前記第1吸光度として測定し、さらに前記芳香環のC−H結合の吸収を第3吸光度として測定し、前記第3ステップでは、前記芳香環が架橋したC−C結合の吸収を前記第2吸光度として測定し、さらに前記芳香環のC−H結合の吸収を第4吸光度として測定し、前記第4ステップでは、前記第3吸光度に対する前記第1吸光度の比と、前記第4吸光度に対する前記第2吸光度の比とに基づいて前記高分子材料の寿命を推定する。 In the method for estimating the life of a polymer material according to the present invention, in the first step, the absorption of the CC bond in which the aromatic ring is crosslinked is measured as the first absorbance, and the CH bond of the aromatic ring is further measured. The absorption was measured as the third absorbance, and in the third step, the absorption of the CC bond crosslinked by the aromatic ring was measured as the second absorbance, and the absorption of the CH bond of the aromatic ring was further measured as the fourth absorbance. measured as absorbance, in the fourth step, the ratio of the first absorbance to the third absorbance to estimate the life of the polymeric material on the basis of the ratio of the second absorbance to the fourth absorbance.
また、本発明に係る高分子材料の寿命推定方法において、前記高分子材料の機械的強度が初期値から予め定められたしきい値aまで減少したときの前記芳香環の架橋構造に関する吸光度の経時変化bを、b=0.2×(1−0.01×a)+1.2×10-5×Mn(0)(Mn(0)は、前記高分子材料の数平均分子量の初期値)を用いて決定する第5ステップをさらに備え、前記第4ステップは、前記第1吸光度から前記第2吸光度への経時変化と前記試験期間との関係から得られる近似曲線での前記経時変化bに対応する時間を前記高分子材料の寿命として推定してもよい。 Further, in the method for estimating the life of a polymer material according to the present invention, the time of absorption of the crosslinked structure of the aromatic ring when the mechanical strength of the polymer material decreases from the initial value to a predetermined threshold value a. The change b is b = 0.2 × (1-0.01 × a) + 1.2 × 10 -5 × Mn (0) (Mn (0) is an initial value of the number average molecular weight of the polymer material). The fourth step further comprises the time-dependent change b in the approximate curve obtained from the relationship between the time-dependent change from the first absorbance to the second absorbance and the test period. The corresponding time may be estimated as the lifetime of the polymeric material.
また、本発明に係る高分子材料の寿命推定方法において、前記暴露処理が実施される前記試験期間は、前記第1吸光度から前記第2吸光度への経時変化が前記経時変化bより小さい設定値に到達するまでの期間であってもよい。 Further, in the method for estimating the life of a polymer material according to the present invention, during the test period in which the exposure treatment is carried out, the change over time from the first absorbance to the second absorbance is set to a value smaller than the change over time b. It may be the period until it is reached.
また、本発明に係る高分子材料の寿命推定方法において、前記高分子材料の数平均分子量の初期値は、未劣化の前記高分子材料を1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロ−2−イソプロパノールと重クロロホルムとの混合液に溶解させ、アミンを添加してプロトン核磁気共鳴で測定することで末端基を定量して求めてもよい。 Further, in the method for estimating the life of a polymer material according to the present invention, the initial value of the number average molecular weight of the polymer material is 1,1,1,3,3,3-hexafluoro for the undegraded polymer material. The terminal group may be quantified and determined by dissolving it in a mixed solution of -2-isopropanol and deuterated chloroform, adding an amine, and measuring by proton nuclear magnetic resonance.
本発明によれば、ポリエステルの劣化過程において進行する架橋反応により生じる芳香環の架橋構造に関する吸光度を赤外分光測定で得て定量評価に用いるので、より信頼性が高く、かつ効率的なポリエステルの寿命推定を行うことができる。 According to the present invention, since the absorbance related to the crosslinked structure of the aromatic ring generated by the crosslinking reaction progressing in the deterioration process of the polyester is obtained by infrared spectroscopic measurement and used for quantitative evaluation, the polyester is more reliable and efficient. Life can be estimated.
以下、本発明の好適な実施の形態について、図1から図6を参照して詳細に説明する。各図について共通する構成要素には、同一の符号が付されている。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 6. The components that are common to each figure are designated by the same reference numerals.
[発明の概要]
本発明に係るポリエステルの強度低下による寿命推定方法は、ポリエステル材料の屋外暴露試験を比較的短期間で実施し、IR測定により芳香環の架橋構造の生成を評価することで、試料の前処理作業を行うことなく寿命の推定を行う。
[Outline of Invention]
In the method for estimating the life of a polyester by reducing the strength of the polyester according to the present invention, a sample pretreatment operation is performed by conducting an outdoor exposure test of the polyester material in a relatively short period of time and evaluating the formation of a crosslinked structure of an aromatic ring by IR measurement. Estimate the life without performing.
ポリエステルの紫外線による劣化では、一般的に、エステル結合における分子鎖切断反応が着目されるが、芳香環における架橋反応も進行することが報告されている(非特許文献3参照。)。 In the deterioration of polyester due to ultraviolet rays, the molecular chain cleavage reaction in the ester bond is generally focused on, but it has been reported that the cross-linking reaction in the aromatic ring also proceeds (see Non-Patent Document 3).
発明者らは、屋外暴露試験に供したポリエステルを分析し、進行している劣化反応の種類の特定を行った。エステル結合における分子鎖切断反応としては、i)エステル結合α位のメチレン基における光酸化反応、および、ii)エステル結合におけるNorrishII反応の2つが主に進行することが確認された。 The inventors analyzed the polyesters subjected to the outdoor exposure test to identify the type of deterioration reaction that was underway. It was confirmed that two main molecular chain cleavage reactions in the ester bond, i) a photooxidation reaction at the methylene group at the α-position of the ester bond and ii) a Norrish II reaction in the ester bond, proceeded.
例として、ポリエチレンテレフタレートでの上記i)、ii)の各劣化反応の反応式を示す。 As an example, the reaction formulas of the deterioration reactions of i) and ii) above with polyethylene terephthalate are shown.
また、発明者らは、屋外暴露試験に供したポリエステルを分析し、分子鎖切断反応ほど顕著ではないものの、架橋反応も進行していることを確認した。以下、ポリエチレンテレフタレートで生じると考えられる架橋反応の例を示す。 In addition, the inventors analyzed the polyester subjected to the outdoor exposure test and confirmed that the cross-linking reaction was also proceeding, although it was not as remarkable as the molecular chain breaking reaction. The following is an example of a cross-linking reaction that is considered to occur with polyethylene terephthalate.
一般的に、ポリエステルなどの高分子材料の強度低下には分子鎖切断反応の進行が大きく影響することが知られており、分子鎖切断反応と架橋反応では分子鎖切断の方が優位に進行する。これまでに、架橋反応の進行とポリエステルなどの高分子材料の強度低下との関係を評価している報告例はないが、発明者らは本明細書において、架橋反応の進行に着目し、ポリエステルの強度低下による寿命推定方法を検討した。 In general, it is known that the progress of the molecular chain breaking reaction has a great influence on the decrease in the strength of a polymer material such as polyester, and the molecular chain breaking proceeds predominantly in the molecular chain breaking reaction and the cross-linking reaction. .. To date, there have been no reports evaluating the relationship between the progress of the cross-linking reaction and the decrease in strength of polymer materials such as polyester, but in the present specification, the inventors have focused on the progress of the cross-linking reaction and made polyester. The method of estimating the lifespan due to the decrease in strength of the
[実施の形態]
上述したように、本発明では、ポリエステルの強度低下による架橋反応に着目してポリエステルの寿命を推定する。そのため、本実施の形態では寿命の推定対象であるポリエステル材料の芳香環が架橋したC−C結合の吸収を示す吸光度と芳香環のC−H結合の吸収を示す吸光度とをIR測定し、芳香環が架橋したC−C結合の吸光度に対する芳香環のC−H結合の吸光度の比によって評価する。また、ポリエステルの強度低下による架橋反応の進行は、求められた吸光度の比についての試験時間tにおける経時変化から求める。
[Embodiment]
As described above, in the present invention, the life of the polyester is estimated by paying attention to the cross-linking reaction due to the decrease in the strength of the polyester. Therefore, in the present embodiment, the absorbance indicating the absorption of the CC bond crosslinked by the aromatic ring of the polyester material, which is the target of estimation of the life, and the absorbance indicating the absorption of the CH bond of the aromatic ring are measured by IR, and the fragrance is measured. The evaluation is made by the ratio of the absorbance of the CH bond of the aromatic ring to the absorbance of the CC bond in which the ring is crosslinked. Further, the progress of the cross-linking reaction due to the decrease in the strength of the polyester is determined from the change over time in the test time t with respect to the obtained absorbance ratio.
より詳細には、IR測定を行い、試験時間tでの芳香環が架橋したビフェニル構造のC−C結合の伸縮振動に基づく波数x=1625cm-1の吸光度Ax(t)を測定する。波数x=1625cm-1の吸光度Ax(t)の増加は架橋構造の増加を示す。 More specifically, IR measurement is performed, and the absorbance A x (t) having a wave number x = 1625 cm -1 based on the expansion and contraction vibration of the CC bond of the biphenyl structure in which the aromatic ring is crosslinked is measured at the test time t. An increase in absorbance A x (t) with wavenumber x = 1625 cm -1 indicates an increase in crosslinked structure.
また、試験時間tでの芳香環のC−H結合の面内変角振動に基づく波数y=1015cm-1の吸光度Ay(t)をIR測定する。波数y=1015cm-1の吸光度は、ポリエステル材料の劣化前後でほぼ変化しない。そのため、このピーク強度を基準として1625cm-1のピーク強度を評価する。 Further, the absorbance A y (t) of the wave number y = 1015 cm -1 based on the in-plane angular vibration of the CH bond of the aromatic ring at the test time t is measured by IR. The absorbance at wave number y = 1015 cm -1 is almost unchanged before and after deterioration of the polyester material. Therefore, the peak intensity of 1625 cm -1 is evaluated based on this peak intensity.
具体的には、次の式(1)を用いてポリエステル材料における芳香環の架橋反応の進行を示す吸光度Ax(t)の経時変化ΔAx(t)を求める。 Specifically, the following formula (1) is used to determine the temporal change ΔA x (t) of the absorbance A x (t) indicating the progress of the cross-linking reaction of the aromatic ring in the polyester material.
ΔAx(t)={Ax(t)/Ay(t)−Ax(0)/Ay(0)} ・・・(1)
上式(1)において、x、yは互いに異なる所定の波数を示し、前述したように、本実施の形態ではx=1625、y=1015を用いるがこれに限られない。
ΔA x (t) = {A x (t) / A y (t) -A x (0) / A y (0)} ... (1)
In the above equation (1), x and y indicate predetermined wave numbers different from each other, and as described above, x = 1625 and y = 1015 are used in the present embodiment, but the present invention is not limited to this.
次に、本実施の形態では、寿命の推定対象であるポリエステル材料の機械的強度が初期値のa%となるときの吸光度の経時変化ΔAxの値b(芳香環の架橋構造に関する吸光度の経時変化b)を決定する。ΔAx=bとなる時間がポリエステル材料の寿命を示す値となる。 Next, in the present embodiment, the change with time of absorbance when the mechanical strength of the polyester material whose life is estimated becomes a% of the initial value ΔA x value b (time of absorbance with respect to the crosslinked structure of the aromatic ring). Change b) is determined. The time at which ΔA x = b is a value indicating the life of the polyester material.
より詳細には、値bは、次の式(2)に基づいて決定される。
b=0.2×(1−0.01×a)+1.2×10-5×Mn(0) ・・・(2)
上式(2)において、Mnは数平均分子量を示す。Mn(0)は、未劣化試料の末端基量を核磁気共鳴装置(NMR)を用いて定量して求めればよい。
More specifically, the value b is determined based on the following equation (2).
b = 0.2 × (1-0.01 × a) + 1.2 × 10 -5 × Mn (0) ・ ・ ・ (2)
In the above formula (2), Mn represents a number average molecular weight. Mn (0) may be determined by quantifying the amount of terminal groups of the undegraded sample using a nuclear magnetic resonance apparatus (NMR).
ここで、上記式(2)の導出過程を説明する。 Here, the derivation process of the above equation (2) will be described.
前述したように、引張強度が初期値のa%未満となったポリエステルの試料における吸光度の経時変化ΔAx(t)={Ax(t)/Ay(t)−Ax(0)/Ay(0)}は、値bとなる。 As described above, the change with time of absorbance in the polyester sample whose tensile strength is less than a% of the initial value ΔA x (t) = {A x (t) / A y (t) −A x (0) / A y (0)} has a value b.
これに対して発明者らは、ポリエステル材料の劣化試料におけるIR測定により、吸光度の経時変化ΔAxは試験期間の経過に伴い一定の割合で増加し、ΔAx=k1×t(k1は定数)で近似できることを確認した。このことは、吸光度の経時変化ΔAxの増加要因である架橋反応が、試験期間中において一定の速度で進行することによると考えられる。 On the other hand, the inventors measured the IR measurement of the deteriorated sample of the polyester material, and found that the change with time ΔA x of the absorbance increased at a constant rate with the lapse of the test period, and ΔA x = k 1 × t (k 1 is It was confirmed that it can be approximated by (constant). It is considered that this is because the cross-linking reaction, which is a factor of increasing the change with time ΔA x of the absorbance, proceeds at a constant rate during the test period.
また、ポリエステル材料の機械的な強度σ(t)は試験期間の開始からしばらくの間は低下しないが、試験時間tcを経過してから強度が低下する。これより、機械的な強度σ(t)は次の式(3)で近似される。
σ(t)=σ(0)−k2×(t−tc) ・・・(3)
上式(3)においてk2は定数を示す。
Further, the mechanical strength σ (t) of the polyester material does not decrease for a while from the start of the test period, but the strength decreases after the test time t c has elapsed. From this, the mechanical strength σ (t) is approximated by the following equation (3).
σ (t) = σ (0) −k 2 × (t−t c ) ・ ・ ・ (3)
In the above equation (3), k 2 indicates a constant.
上式(3)より、機械的な強度の値が初期値σ(0)のa%となる試験時間taは、次式(4)を解いて、さらに式(5)で表される。
σ(ta)=a÷100×σ(0)=σ(0)−k2×(ta−tc) ・・・(4)
ta=(1−a÷100)÷k2×σ(0)+tc ・・・(5)
From the above equation (3), a% become test time t a mechanical value the initial value of the strength sigma (0) is, by solving the following equation (4), further represented by the formula (5).
σ (t a ) = a ÷ 100 × σ (0) = σ (0) −k 2 × (t a −t c ) ・ ・ ・ (4)
t a = (1-a ÷ 100) ÷ k 2 × σ (0) + t c ··· (5)
上式(5)をΔAx=k1×tに代入すると、値bは式(6)で表される。
b=ΔAx(ta)=k1×{(1−a÷100)÷k2×σ(0)+tc}
=k1×(1−a÷100)÷k2×σ(0)+ΔAx(tc) ・・・(6)
Substituting the above equation (5) into ΔA x = k 1 × t, the value b is expressed by the equation (6).
b = ΔA x (t a) = k 1 × {(1-a ÷ 100) ÷ k 2 × σ (0) + t c}
= K 1 x (1-a ÷ 100) ÷ k 2 x σ (0) + ΔA x (t c ) ・ ・ ・ (6)
上式(6)において、k1,k2,σ(0)は定数であり、k3に置換すると次式(7)が得られる。
b=k3×(1−a÷100)+ΔAx(tc) ・・・(7)
In the above equation (6), k 1 , k 2 , and σ (0) are constants, and when replaced with k 3 , the following equation (7) is obtained.
b = k 3 × (1-a ÷ 100) + ΔA x (t c ) ・ ・ ・ (7)
さらに、吸光度の経時変化ΔAx(tc)は、Mn(0)、定数k4を用いて、次式(8)で近似できることが確認された。
ΔAx(tc)=k4×Mn(0) ・・・(8)
Furthermore, it was confirmed that the change with time ΔA x (t c ) of the absorbance can be approximated by the following equation (8) using Mn (0) and the constant k 4.
ΔA x (t c ) = k 4 x Mn (0) ・ ・ ・ (8)
上式(8)を式(7)に代入すると次式(9)が得られる。
b=ΔAx(ta)=k3×(1−a÷100)+k4×Mn(0) ・・・(9)
Substituting the above equation (8) into the equation (7) gives the following equation (9).
b = ΔA x (t a) =
上式(9)を用いて、横軸を(1−a÷100)、縦軸をΔAx(ta)として次の表1に示す測定データをプロットした。さらに、測定データから数平均分子量ごとの近似式を求めた。 Using the above equation (9), the horizontal axis (1-a ÷ 100), the vertical axis plotting the measurement data indicating a .DELTA.A x (t a) in the following Table 1. Furthermore, an approximate expression for each number average molecular weight was obtained from the measurement data.
図1は、表1の測定データのプロットと、数平均分子量ごとの近似式を示す図である。
図1において、「三角」の点は、数平均分子量(Mn)が15000のポリエステル材料の測定データを示し、「ひし形」の点は、数平均分子量(Mn)が20000のポリエステル材料の測定データを示し、「四角」で示す点は、数平均分子量(Mn)が40000のポリエステル材料における測定データを示している。
FIG. 1 is a diagram showing a plot of the measurement data in Table 1 and an approximate expression for each number average molecular weight.
In FIG. 1, "triangular" points indicate measurement data of a polyester material having a number average molecular weight (Mn) of 15,000, and "diamond" points indicate measurement data of a polyester material having a number average molecular weight (Mn) of 20000. The points shown and indicated by "squares" indicate the measurement data in the polyester material having a number average molecular weight (Mn) of 40,000.
また、図1に示す、各数平均分子量における近似曲線式の平均から、k3=0.20、k4=1.2×10-5がそれぞれ求まり、b=0.2×(1−0.01×a)+1.2×10-5×Mn(0)でよく近似できることが確認できた。 Further, k 3 = 0.20 and k 4 = 1.2 × 10 -5 are obtained from the average of the approximate curve equations for each number average molecular weight shown in FIG. 1, and b = 0.2 × (1-0). It was confirmed that a good approximation can be made with 0.01 × a) + 1.2 × 10 -5 × Mn (0).
次に、本実施の形態に係るポリエステルの強度低下による寿命推定方法を図2のフローチャートを用いて説明する。
まず、前提として引張試験の最大応力が初期値のa%未満をポリエステルの材料の寿命として定義する。なお、a(しきい値)の値は材料の用途に応じて決定すればよい。
Next, the method of estimating the life due to the decrease in the strength of the polyester according to the present embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.
First, as a premise, the life of the polyester material is defined as the maximum stress of the tensile test is less than a% of the initial value. The value of a (threshold value) may be determined according to the use of the material.
次に、試験時間tでのポリエステルの波数λcm-1における振動の吸光度の初期値Aλ(0)をIRで測定する(ステップS1)。なお、λは、予め設定された波数であり、本実施の形態ではx=1625、y=1015を用いる。IR測定によって得られた測定値をAλ(t)として、上述した式(1)を用い、所定の波数λ=xにおけるピーク強度を評価する。 Next, the initial value A λ (0) of the absorbance of vibration at the wave number λ cm -1 of the polyester at the test time t is measured by IR (step S1). Note that λ is a preset wave number, and x = 1625 and y = 1015 are used in this embodiment. The peak intensity at a predetermined wave number λ = x is evaluated using the above-mentioned equation (1), where the measured value obtained by the IR measurement is A λ (t).
次に、ポリエステル材料の屋外暴露試験を実施する(ステップS2)。より詳細には、ΔAx(t)=c(c<b)となるまで屋外暴露試験を実施し、任意の試験期間Tで試料を回収する。値cについては、c≧(b×0.1)を用いればよい。 Next, an outdoor exposure test of the polyester material is carried out (step S2). More specifically, an outdoor exposure test is performed until ΔA x (t) = c (c <b), and the sample is collected for an arbitrary test period T. For the value c, c ≧ (b × 0.1) may be used.
なお、屋外暴露試験は、季節変動による影響を反映させるため、最低1年の期間にわたって実施する。また、寿命推定の精度を上げるために、試験期間Tにわたって複数回の試料の回収を行う。 The outdoor exposure test will be conducted for a period of at least one year to reflect the effects of seasonal fluctuations. Further, in order to improve the accuracy of life estimation, the sample is collected a plurality of times over the test period T.
次に、回収されたポリエステル材料の試料についてIR測定を行い、上述した式(1)を用いて吸光度の経時変化ΔAxを求める(ステップS3)。 Next, IR measurement is performed on the recovered polyester material sample, and the change with time ΔA x of the absorbance is obtained using the above formula (1) (step S3).
次に、吸光度の経時変化の近似式よりポリエステル材料の推定寿命を算出する(ステップS4)。図3Aは、吸光度の経時変化ΔAxと試験期間tとの関係を示す図である。なお、図3Aは、x=1625の例を示している。 Next, the estimated life of the polyester material is calculated from an approximate expression of the change in absorbance over time (step S4). FIG. 3A is a diagram showing the relationship between the change with time ΔA x of absorbance and the test period t. Note that FIG. 3A shows an example of x = 1625.
図3Aに示す各点に基づいて、吸光度の経時変化をΔAx=ktで近似して、定数kを算出する。吸光度の経時変化が値b(ΔAx=b)となる時間、すなわち推定寿命tは、t=b/kで算出される。 Based on each point shown in FIG. 3A, the change with time of absorbance is approximated by ΔA x = kt to calculate the constant k. The time during which the change in absorbance with time becomes a value b (ΔA x = b), that is, the estimated lifetime t is calculated by t = b / k.
図3Bは、図3Aに示す吸光度の経時変化の近似によって算出された推定寿命を説明する図である。図3Bに示すように、吸光度の経時変化の近似曲線における、ΔAx=bに対応する時間tが、推定対象のポリエステル材料における強度低下による推定寿命の値となる。 FIG. 3B is a diagram illustrating an estimated lifetime calculated by approximating the change in absorbance with time shown in FIG. 3A. As shown in FIG. 3B, the time t corresponding to ΔA x = b in the approximate curve of the change over time of the absorbance is the value of the estimated life due to the decrease in strength of the polyester material to be estimated.
[実施例]
次に、上述したポリエステルの強度低下による寿命推定方法について以下の実施例によって詳細に説明する。
(測定方法)
フーリエ変換赤外分光(Fourier Transform Infrared Spectroscopy:FT−IR)測定:
PerkinElmer社のFT−IR分析装置(FrontierGold(登録商標))を用いて、1回反射ダイヤモンドATR(Attenuated Total Reflection)プレートによる反射ATR法で測定した。
[Example]
Next, the above-mentioned method of estimating the life due to the decrease in the strength of the polyester will be described in detail by the following examples.
(Measuring method)
Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) measurement:
It was measured by the reflection ATR method using a single reflection diamond ATR (Attenuated Total Reflection) plate using an FT-IR analyzer (Fournier Gold (registered trademark)) manufactured by PerkinElmer.
NMR測定:
Varian社の核磁気共鳴装置Oxfordを用いて、1H−NMR(プロトン核磁気共鳴)(300MHz)スペクトルを測定した。ケミカルシフトδはppm単位で表し、Me4Siのピークを0ppmとした。試料を1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロ−2−イソプロパノール(HFIP)−d2(0.75g)に溶解させたのちに、重水素化クロロホルム(CDCl3,Me4Si 0.03%(v/v)含有)(0.68g)、イソプロピルアミン(1.5mg)を順次加えて、50℃で測定した。
NMR measurement:
A 1 H-NMR (proton nuclear magnetic resonance) (300 MHz) spectrum was measured using a Varian nuclear magnetic resonance apparatus Oxford. The chemical shift δ was expressed in ppm, and the peak of Me 4 Si was 0 ppm. The sample was dissolved in 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-isopropanol (HFIP) -d2 (0.75 g) and then deuterated chloroform (CDCl3, Me 4 Si 0.03). % (V / v) content) (0.68 g) and isopropylamine (1.5 mg) were sequentially added and measured at 50 ° C.
数平均分子量(Mn)は、NMR測定による測定結果に基づいて、次式(10)、(11)を用いて算出した。
Mn=(組成式量)×{1/((分子鎖末端基量[mol%])×1/2)}×100 ・・・(10)
(分子鎖末端基量[mol%])=(芳香族カルボン酸量[mol%])+(水酸基量[mol%]) ・・・(11)
The number average molecular weight (Mn) was calculated using the following equations (10) and (11) based on the measurement results by NMR measurement.
Mn = (composition formula amount) x {1 / ((molecular chain terminal group amount [mol%]) x 1/2)} x 100 ... (10)
(Molecular chain terminal group amount [mol%]) = (Aromatic carboxylic acid amount [mol%]) + (Hydroxy group amount [mol%]) ... (11)
(引張試験)
島津製作所製オートグラフAG−Xを用い、23±2℃、50%RHの環境下で引張試験を実施した。JIS K6251の6号形試験片を用い、チャック間距離50mm、標線間距離20mm、引張速度5mm/minにおける最大応力と破断伸びを計測し、試験片8〜10枚の測定結果の平均値および標準偏差を算出した。
(Tensile test)
A tensile test was carried out in an environment of 23 ± 2 ° C. and 50% RH using an Autograph AG-X manufactured by Shimadzu Corporation. Using JIS K6251 No. 6 test piece, measure the maximum stress and breaking elongation at a chuck distance of 50 mm, a marked line distance of 20 mm, and a tensile speed of 5 mm / min. The standard deviation was calculated.
(比較例)
まず、2種類の熱可塑性ポリエステル試料を用いた比較例について説明する。試料P−1は、PET(Polyethylene terephthalate)フィルムであり、酸化防止剤や光安定剤などが添加されていない試料である。試料P−2についてもPETフィルムであるが、試料P−2は酸化防止剤や光安定剤などが添加された試料である。試料P−1、P−2の屋外暴露試験を実施し、試験期間の経過に応じてIR測定を行い、寿命推定に必要な屋外暴露試験の期間について評価した。
(Comparison example)
First, a comparative example using two types of thermoplastic polyester samples will be described. Sample P-1 is a PET (polyethylene terephthalate) film, and is a sample to which an antioxidant, a light stabilizer, or the like is not added. Sample P-2 is also a PET film, but Sample P-2 is a sample to which an antioxidant, a light stabilizer, or the like is added. An outdoor exposure test of samples P-1 and P-2 was carried out, IR measurement was performed according to the elapse of the test period, and the period of the outdoor exposure test required for life estimation was evaluated.
一般的に、ポリエステルの劣化では、その進行に伴いOH基やCOOH基が増加する。これらに関するピークのうち、前処理を行わずに測定可能なピークは、OH基のOH結合の伸縮振動による3465cm-1、およびCOOH基のOH結合の伸縮振動による3260cm-1の吸収であることから、3465cm-1および3260cm-1ついての評価を行った。 Generally, in the deterioration of polyester, OH groups and COOH groups increase as it progresses. Of these peaks, the peaks that can be measured without pretreatment are the absorption of 3465 cm -1 due to the expansion and contraction vibration of the OH bond of the OH group and 3260 cm -1 due to the expansion and contraction vibration of the OH bond of the COOH group. , 3465 cm -1 and 3260 cm -1 were evaluated.
寿命の推定を行うには、次式(12)、(13)を時間tの関数で表す必要がある。
ΔA3465(t)={A3465(t)/A1015(t)−A3465(0)/A1015(0)} ・・・(12)
ΔA3260(t)={A3260(t)/A1015(t)−A3260(0)/A1015(0)} ・・・(13)
In order to estimate the life, it is necessary to express the following equations (12) and (13) as a function of time t.
ΔA 3465 (t) = {A 3465 (t) / A 1015 (t) -A 3465 (0) / A 1015 (0)} ・ ・ ・ (12)
ΔA 3260 (t) = {A 3260 (t) / A 1015 (t) −A 3260 (0) / A 1015 (0)} ・ ・ ・ (13)
図4Aは、ΔA3465(t)と試験期間tとの関係を表す図である。図4Bは、ΔA3260(t)と試験期間tとの関係を表す図である。
図4Aおよび図4Bにおいて、「バツ」で示す点は、試料P−1の値を示し、「丸」で示す点は、試料P−2の値を示している。
FIG. 4A is a diagram showing the relationship between ΔA 3465 (t) and the test period t. FIG. 4B is a diagram showing the relationship between ΔA 3260 (t) and the test period t.
In FIGS. 4A and 4B, the points indicated by “X” indicate the values of sample P-1, and the points indicated by “circles” indicate the values of sample P-2.
図4Aおよび図4Bに示すように、ΔA3465(t)およびΔA3260(t)の値はいずれも試験期間tの経過に伴って増加した。なお、3465cm-1や3260cm-1の吸収は、前述したように、強度が弱いこと、OH結合の水素原子が水素結合をしている場合としていない場合でピークシフトが生ずること、および紫外線吸収剤や光安定剤などの添加剤由来のピークとも重なること、などの理由から定量性には優れないと考えられていた。しかし、3465cm-1や3260cm-1においても試験期間tの経過に伴う増加傾向が確認された。 As shown in FIGS. 4A and 4B, the values of ΔA 3465 (t) and ΔA 3260 (t) both increased with the lapse of the test period t. As mentioned above, the absorption of 3465 cm -1 and 3260 cm -1 has a weak strength, a peak shift occurs when the hydrogen atom of the OH bond is hydrogen-bonded and when it is not, and the ultraviolet absorber. It was thought that the quantification was not excellent because it overlapped with the peak derived from additives such as and light stabilizers. However, even at 3465 cm -1 and 3260 cm -1 , an increasing tendency was confirmed with the passage of the test period t.
しかしながら、3465cm-1や3260cm-1におけるΔA3465(t)とΔA3260(t)の値の増加の割合は劣化初期で大きく、試料P−1では屋外暴露3ヶ月、試料P−2では屋外暴露6ヶ月あたりを境にグラフの傾きが変わった。 However, the rate of increase in the values of ΔA 3465 (t) and ΔA 3260 (t) at 3465 cm -1 and 3260 cm -1 is large in the early stage of deterioration, and the sample P-1 is exposed to the outdoors for 3 months and the sample P-2 is exposed to the outdoors. The slope of the graph changed after about 6 months.
ΔA3465(t)およびΔA3260(t)を時間tの関数で近似するには、ΔA3465(t)やΔA3260(t)のデータを、劣化初期の期間にわたって複数の点で取得し、さらに、それ以後の試験期間において複数の点で取得すればよい。なお、劣化初期の期間とは、試料P−1では屋外暴露3ヶ月以内、試料P−2では屋外暴露6ヶ月以内をいう。 To approximate ΔA 3465 (t) and ΔA 3260 (t) as a function of time t, the data for ΔA 3465 (t) and ΔA 3260 (t) are obtained at multiple points over the initial degradation period and further. , It suffices to obtain a plurality of points in the subsequent test period. The initial period of deterioration means that the sample P-1 is exposed to the outdoors within 3 months and the sample P-2 is exposed to the outdoors within 6 months.
また、試料P−1では屋外暴露12ヶ月までのΔA3465(t)やΔA3260(t)のデータを取得し、試料P−2では18ヶ月までのΔA3465(t)やΔA3260(t)のデータを取得する必要がある。 In addition, for sample P-1, data of ΔA 3465 (t) and ΔA 3260 (t) up to 12 months of outdoor exposure were acquired, and for sample P-2, ΔA 3465 (t) and ΔA 3260 (t) up to 18 months were acquired. Need to get the data of.
ここで、屋外暴露試験に供した試料P−1および試料P−2を引張試験で評価した。試料P−1および試料P−2の引張強度が初期値の90%未満に低下したのは、試料P−1では12ヶ月以降、試料P−2では24ヶ月以降であった。 Here, Sample P-1 and Sample P-2 subjected to the outdoor exposure test were evaluated by a tensile test. The tensile strength of sample P-1 and sample P-2 decreased to less than 90% of the initial value after 12 months for sample P-1 and after 24 months for sample P-2.
したがって、ΔA3465(t)やΔA3260(t)を時間tの関数で表して寿命を推定する場合、実際に試料P−1、P−2の引張強度が低下するまで屋外暴露試験を実施するのと同程度の屋外暴露試験期間が必要となり、試験期間の短縮があまり見込めないことが分かった。 Therefore, when estimating the lifetime by expressing ΔA 3465 (t) or ΔA 3260 (t) as a function of time t, the outdoor exposure test is carried out until the tensile strength of the samples P-1 and P-2 actually decreases. It was found that an outdoor exposure test period similar to that of the above was required, and the test period could not be shortened very much.
試料P−1では屋外暴露3ヶ月、試料P−2では屋外暴露6ヶ月あたりをそれぞれ境にしてグラフの傾きが変わった要因として、発明者らは、次の化学式で示すような、エーテル結合の光分解反応が影響していると考察した。エーテル構造は、ポリエステルの製造時に副生する構造であり、分子の全繰り返し単位に対して数モル%含まれるものである(非特許文献4参照。)。 As a factor of the change in the slope of the graph at the boundary of 3 months of outdoor exposure for sample P-1 and 6 months of outdoor exposure for sample P-2, the inventors of the present invention have an ether bond as shown in the following chemical formula. It was considered that the photolysis reaction had an effect. The ether structure is a structure produced as a by-product during the production of polyester, and is contained in an amount of several mol% with respect to all repeating units of the molecule (see Non-Patent Document 4).
上記のようなエーテル構造は、ポリエステルの製造時に僅かに副生する分子構造である。このことから、エーテル構造の光分解反応は一般的には着目されておらず、これまでに、この分解反応の進行によってポリエステルのIRスペクトルの変化が生ずるとの報告例はない。しかしながら、エーテル構造が分解すると、COOH基やOH基が増加することから、発明者らはこの劣化反応の進行も3465cm-1や3260cm-1の増加に影響していると考えた。 The ether structure as described above is a molecular structure that is slightly by-produced during the production of polyester. For this reason, the photodecomposition reaction of the ether structure has not been generally paid attention to, and there has been no report so far that the progress of this decomposition reaction causes a change in the IR spectrum of polyester. However, when the ether structure is decomposed, COOH groups and OH groups increase, so the inventors thought that the progress of this deterioration reaction also affected the increase of 3465 cm -1 and 3260 cm -1.
そこで発明者らは、劣化試料のIR測定の結果とNMR測定で評価したエーテル結合の分解量との比較を行った。この比較結果によると、IR測定でΔA3465(t)やΔA3260(t)の増加量が多かった期間、すなわちグラフの傾きが大きくなった期間と、NMR測定でエーテル結合の分解量が多かった期間とがよく一致していることが分かった。 Therefore, the inventors compared the result of IR measurement of the deteriorated sample with the amount of decomposition of the ether bond evaluated by NMR measurement. According to this comparison result, the period in which the amount of increase in ΔA 3465 (t) and ΔA 3260 (t) was large in the IR measurement, that is, the period in which the slope of the graph became large, and the amount of decomposition of the ether bond in the NMR measurement were large. It turned out that the period was in good agreement.
また、発明者らは、NMR測定でエーテル結合の分解量を定量評価することで、エーテル結合の光分解の反応速度は、屋外暴露開始からの試験期間tにおける材料表面の単位体積あたりのエーテル構造量をC(t)[mol%]とすると、dC(t)/dt=−kC(t)(kは反応速度定数を示す)で近似できることを確認した。 In addition, the inventors quantitatively evaluated the amount of decomposition of the ether bond by NMR measurement, and found that the reaction rate of photodecomposition of the ether bond was the ether structure per unit volume of the material surface in the test period t from the start of outdoor exposure. Assuming that the amount is C (t) [mol%], it was confirmed that dC (t) / dt = -kC (t) (k indicates the reaction rate constant) can be approximated.
屋外暴露開始直後はCの値が大きいことから、単位時間当たりのエーテル構造の分解量も多い。一方で、試験期間tの経過に伴いエーテル構造量Cが減少すると、単位時間あたりのエーテル構造の分解量は小さくなる。このことから、劣化初期でΔA3465(t)やΔA3260(t)の増加量が多かったことには、エーテル構造の光分解反応が影響していたと考えられる。 Since the value of C is large immediately after the start of outdoor exposure, the amount of decomposition of the ether structure per unit time is also large. On the other hand, when the amount of ether structure C decreases with the lapse of the test period t, the amount of decomposition of the ether structure per unit time decreases. From this, it is considered that the photodecomposition reaction of the ether structure had an effect on the large increase in ΔA 3465 (t) and ΔA 3260 (t) in the early stage of deterioration.
次に、ポリエステル材料の屋外環境での劣化との関係では一般的には着目されておらず、定量事例がないと考えられる架橋反応について、IR測定で反応の進行度を評価し、そのデータからポリエステル材料の寿命を推定することを検討した。 Next, for the cross-linking reaction, which is not generally paid attention to in relation to the deterioration of the polyester material in the outdoor environment and there is no quantitative example, the progress of the reaction is evaluated by IR measurement, and from the data. We considered estimating the life of the polyester material.
屋外暴露試験に供したポリエステルで生じる主な劣化反応は、一般的に知られているように分子鎖切断反応であるが、発明者らは実験により芳香環における架橋反応も生じることを明らかにし、その反応の進行により1625cm-1の吸光度が増加することを確認した。 The main deterioration reaction that occurs in polyesters subjected to outdoor exposure tests is, as is generally known, a molecular chain cleavage reaction, but the inventors have clarified by experiments that a cross-linking reaction in an aromatic ring also occurs. It was confirmed that the absorbance of 1625 cm -1 increased as the reaction proceeded.
図5は、ΔA1625(t)と試験期間tとの関係を示す図である。図5において、横軸は試験期間tであり、縦軸はΔA1625(t)である。また、「バツ」で示す点は、試料P−1の値であり、「丸」で示す点は、試料P−2の値である。 FIG. 5 is a diagram showing the relationship between ΔA 1625 (t) and the test period t. In FIG. 5, the horizontal axis is the test period t, and the vertical axis is ΔA 1625 (t). Further, the points indicated by "X" are the values of the sample P-1, and the points indicated by "circles" are the values of the sample P-2.
また、図5に示すように、試料P−1については、ΔA1625(t)=0.0139×tで、試料P−2については、ΔA1625(t)=0.0057×tでよく近似できることが分かった。 Further, as shown in FIG. 5, for samples P-1, with ΔA 1625 (t) = 0.0139 × t, for samples P-2, well ΔA 1625 (t) = 0.0057 × t approximation I found that I could do it.
これにより、横軸を試験期間t、縦軸をΔA1625(t)としてプロットすれば、ΔA1625(t)=kt(kは定数)で近似でき、この近似式を得るには屋外暴露試験は寿命よりも短い期間で十分であることが分かった。 As a result, if the horizontal axis is plotted as the test period t and the vertical axis is ΔA 1625 (t), it can be approximated by ΔA 1625 (t) = kt (k is a constant). It was found that a period shorter than the life was sufficient.
(実験例)
次に、熱可塑性ポリエステルの試料P−3、P−4を用いた実験例について説明する。試料P−3および試料P−4は、PETフィルムであり、酸化防止剤や光安定剤などの添加があり、いずれも試料P−1や試料P−2より耐候性が高い試料である。
(Experimental example)
Next, an experimental example using the thermoplastic polyester samples P-3 and P-4 will be described. Sample P-3 and Sample P-4 are PET films to which an antioxidant, a light stabilizer, and the like are added, and both are samples having higher weather resistance than Sample P-1 and Sample P-2.
これら試料P−3および試料P−4のPETフィルムの寿命として、引張試験の強度が初期値のa%=70%未満であることを定義し、この寿命がΔA1625(t)=bに対応するとした。また、本実験例では、値bを決定するため、未劣化試料の末端基量をNMRより定量して数平均分子量(Mn)を求めた。試料P−3の数平均分子量(Mn)は25000、試料P−4の数平均分子量(Mn)は30000であった。 As the life of the PET film of the sample P-3 and the sample P-4, it is defined that the strength of the tensile test is less than a% = 70% of the initial value, and this life corresponds to ΔA 1625 (t) = b. Then. Further, in this experimental example, in order to determine the value b, the amount of terminal groups of the undegraded sample was quantified by NMR to obtain the number average molecular weight (Mn). The number average molecular weight (Mn) of sample P-3 was 25,000, and the number average molecular weight (Mn) of sample P-4 was 30,000.
各試料について求められた数平均分子量(Mn)を上述した式(2)に代入し、
b=0.2×(1−0.01×a)+1.2×10-5×Mn(0)・・・(2)
=0.2×(1−0.01×70)+1.2×10-5×Mn(0)・・・(2)’
試料P−3についてはb=0.36、試料P−4についてはb=0.42が算出された。
Substituting the number average molecular weight (Mn) obtained for each sample into the above equation (2),
b = 0.2 × (1-0.01 × a) + 1.2 × 10 -5 × Mn (0) ・ ・ ・ (2)
= 0.2 x (1-0.01 x 70) + 1.2 x 10 -5 x Mn (0) ... (2)'
For sample P-3, b = 0.36 was calculated, and for sample P-4, b = 0.42 was calculated.
次に、屋外暴露試験を実施した。屋外暴露試験は前述した式(ΔAx(t)=c(c<b))に基づいて、試料P−3についてはΔA1625の値がc=0.04、試料P−4についてはΔA1625の値がc=0.05を超えるまで実施した(なお、c≧(b×0.1)を用いてもよい)。また、屋外暴露試験は、季節変動による影響を反映するため、最低1年の期間にわたって実施した。また、寿命推定の精度を上げるため、半年に1回試料の回収を実施してIR測定を行った。 Next, an outdoor exposure test was conducted. The outdoor exposure test was based on the above formula (ΔA x (t) = c (c <b)), and the value of ΔA 1625 for sample P-3 was c = 0.04, and that for sample P-4 was ΔA 1625. It was carried out until the value of c = 0.05 (note that c ≧ (b × 0.1) may be used). In addition, the outdoor exposure test was conducted for a period of at least one year to reflect the effects of seasonal fluctuations. In addition, in order to improve the accuracy of life estimation, the sample was collected once every six months and IR measurement was performed.
図6は、ΔA1625と試験期間tとの関係を示す図である。図6において、横軸は試験期間t、縦軸はΔA1625を示し、「黒色の四角」の点は試料P−3の値を、「白抜き四角」の点は試料P−4の値を示している。 FIG. 6 is a diagram showing the relationship between ΔA 1625 and the test period t. In FIG. 6, the horizontal axis represents the test period t, the vertical axis represents ΔA 1625 , the “black square” point is the value of sample P-3, and the “white square” point is the value of sample P-4. Shown.
また、図6に示すように、試料P−3は、試験期間t=18ヶ月でΔA1625(t)=0.047>0.04となった。したがって、試料P−3については、18ヶ月までのデータを用いて、近似式、ΔA1625(t)=0.0025×tが得られた。 Further, as shown in FIG. 6, in the sample P-3, ΔA 1625 (t) = 0.047> 0.04 in the test period t = 18 months. Therefore, for sample P-3, an approximate expression, ΔA 1625 (t) = 0.0025 × t, was obtained using the data up to 18 months.
一方、試料P−4については、試験期間t=18ヶ月でΔA1625(t)=0.073>0.05となった。試料P−4についても18ヶ月までのデータを用いて、ΔA1625(t)=0.004×tの近似式が得られた。 On the other hand, for sample P-4, ΔA 1625 (t) = 0.073> 0.05 in the test period t = 18 months. For sample P-4, an approximate expression of ΔA 1625 (t) = 0.004 × t was obtained using the data up to 18 months.
上記の近似式から、試料P−3の寿命は、t=b/k=0.36/0.0025=144ヶ月と算出された。また、試料P−4の寿命は、t=b/k=0.42/0.004=105ヶ月と算出された。 From the above approximation formula, the life of the sample P-3 was calculated to be t = b / k = 0.36 / 0.0025 = 144 months. The life of sample P-4 was calculated to be t = b / k = 0.42 / 0.004 = 105 months.
また、屋外暴露試験を継続し、実際の引張強度が初期値の値から70%に低下するときの寿命を評価すると、試料P−3では144ヶ月、試料P−4では102ヶ月であり、上記の推定寿命の値は精度が高いことが分かった。また、式(2)(b=0.2×(1−0.01×a)+1.2×10-5×Mn(0))を用いて算出したbの値も妥当であったことが確認できた。 Further, when the outdoor exposure test was continued and the life when the actual tensile strength decreased from the initial value to 70% was evaluated, it was 144 months for the sample P-3 and 102 months for the sample P-4. It was found that the estimated life value of was highly accurate. In addition, the value of b calculated using the formula (2) (b = 0.2 × (1-0.01 × a) + 1.2 × 10 -5 × Mn (0)) was also valid. It could be confirmed.
寿命の推定に要した期間は、試料P−3、P−4ともに18ヶ月であり、引張強度が低下するまでに実際に要した期間に対して、試料P−3では1/8の期間、試料P−4では3/17の期間と、比較的短い期間で寿命が推定できた。 The period required for estimating the life was 18 months for both samples P-3 and P-4, which was 1/8 of the period actually required for the tensile strength to decrease. The life of sample P-4 could be estimated in a relatively short period of 3/17.
以上説明したように、本実施の形態に係るポリエステルの寿命推定方法は、ポリエステルの劣化過程において進行する架橋反応により生じる芳香環の架橋構造に関するポリエステルの吸光度を定量評価に用いる。そのため、より短期間の屋外暴露試験結果から、吸光度と材料強度との相関関係を求めることができ、より信頼性が高く、かつ効率的な寿命推定を行うことができる。 As described above, in the polyester life estimation method according to the present embodiment, the absorbance of the polyester related to the crosslinked structure of the aromatic ring generated by the crosslinking reaction progressing in the deterioration process of the polyester is used for quantitative evaluation. Therefore, the correlation between the absorbance and the material strength can be obtained from the results of the outdoor exposure test for a shorter period of time, and a more reliable and efficient life estimation can be performed.
また、本実施の形態に係るポリエステルの寿命推定方法は、従来から着目されていた分子鎖切断反応の進行によるCOOH基およびOH基に関わるピークを用いないことから、四フッ化硫黄などによる前処理作業を行わずにIR測定を実施することができる。 Further, since the polyester life estimation method according to the present embodiment does not use peaks related to COOH groups and OH groups due to the progress of the molecular chain cleavage reaction, which has been attracting attention in the past, pretreatment with sulfur tetrafluoride or the like is used. IR measurement can be performed without any work.
なお、説明した実施の形態では、寿命の推定対象がポリエステルである場合に、式(2)(b=0.2×(1−0.01×a)+1.2×10-5×Mn(0))を用いたが、共重合ポリエステルの場合にも、式(2)を用いて同様に寿命の推定を行うことができる。その場合には、定数k3、k4などについて異なる値を用いればよい。 In the embodiment described, when the life estimation target is polyester, the formula (2) (b = 0.2 × (1-0.01 × a) + 1.2 × 10 -5 × Mn ( Although 0)) was used, the life can be estimated in the same manner by using the formula (2) in the case of the copolymerized polyester. In that case, different values may be used for the constants k 3 and k 4.
Claims (4)
前記高分子材料を所定の試験期間にわたり屋外に暴露する暴露処理を実施する第2ステップと、
前記暴露処理の後に、前記赤外分光測定により前記芳香環の架橋構造に関する第2吸光度を得る第3ステップと、
前記第1吸光度と前記第2吸光度とに基づいて前記高分子材料の寿命を推定する第4ステップと、
を備え、
前記第1ステップでは、前記芳香環が架橋したC−C結合の吸収を前記第1吸光度として測定し、さらに前記芳香環のC−H結合の吸収を第3吸光度として測定し、
前記第3ステップでは、前記芳香環が架橋したC−C結合の吸収を前記第2吸光度として測定し、さらに前記芳香環のC−H結合の吸収を第4吸光度として測定し、
前記第4ステップでは、前記第3吸光度に対する前記第1吸光度の比と、前記第4吸光度に対する前記第2吸光度の比とに基づいて前記高分子材料の寿命を推定する
ことを特徴とする高分子材料の寿命推定方法。 The first step of obtaining the first absorbance related to the crosslinked structure of the aromatic ring of the polymer material made of polyester by infrared spectroscopy, and
A second step of performing an exposure treatment in which the polymer material is exposed to the outdoors for a predetermined test period, and
After the exposure treatment, the third step of obtaining the second absorbance related to the crosslinked structure of the aromatic ring by the infrared spectroscopic measurement, and
The fourth step of estimating the life of the polymer material based on the first absorbance and the second absorbance, and
Equipped with a,
In the first step, the absorption of the CC bond crosslinked with the aromatic ring is measured as the first absorbance, and the absorption of the CH bond of the aromatic ring is measured as the third absorbance.
In the third step, the absorption of the CC bond crosslinked with the aromatic ring is measured as the second absorbance, and the absorption of the CH bond of the aromatic ring is measured as the fourth absorbance.
Wherein in the fourth step, high, wherein the the ratio of the first absorbance to third absorbance, you estimate the lifetime of the said polymer material based on a ratio of the second absorbance to fourth absorbance Method for estimating the lifetime of molecular materials.
前記高分子材料の機械的強度が初期値から予め定められたしきい値aまで減少したときの前記芳香環の架橋構造に関する吸光度の経時変化bを、b=0.2×(1−0.01×a)+1.2×10-5×Mn(0)(Mn(0)は、前記高分子材料の数平均分子量の初期値)を用いて決定する第5ステップをさらに備え、
前記第4ステップは、前記第1吸光度から前記第2吸光度への経時変化と前記試験期間との関係から得られる近似曲線での前記経時変化bに対応する時間を前記高分子材料の寿命として推定する
ことを特徴とする高分子材料の寿命推定方法。 In the method for estimating the life of a polymer material according to claim 1,
The change b of the absorbance with respect to the crosslinked structure of the aromatic ring when the mechanical strength of the polymer material decreases from the initial value to a predetermined threshold value a is b = 0.2 × (1-0. A fifth step of determining using 01 × a) + 1.2 × 10 -5 × Mn (0) (Mn (0) is an initial value of the number average molecular weight of the polymer material) is further provided.
In the fourth step, the time corresponding to the time-dependent change b on the approximate curve obtained from the relationship between the time-dependent change from the first absorbance to the second absorbance and the test period is estimated as the lifetime of the polymer material. A method for estimating the life of a polymer material, which is characterized by the above.
前記暴露処理が実施される前記試験期間は、前記第1吸光度から前記第2吸光度への経時変化が前記経時変化bより小さい設定値に到達するまでの期間である
ことを特徴とする高分子材料の寿命推定方法。 In the method for estimating the life of a polymer material according to claim 2,
The test period in which the exposure treatment is carried out is a period until the time-dependent change from the first absorbance to the second absorbance reaches a set value smaller than the time-dependent change b. Life estimation method.
前記高分子材料の数平均分子量の初期値は、未劣化の前記高分子材料を1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロ−2−イソプロパノールと重クロロホルムとの混合液に溶解させ、アミンを添加してプロトン核磁気共鳴で測定することで末端基を定量して求めることを特徴とする高分子材料の寿命推定方法。 In the method for estimating the life of a polymer material according to claim 2,
The initial value of the number average molecular weight of the polymer material is determined by dissolving the undegraded polymer material in a mixed solution of 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-isopropanol and deuterated chloroform. A method for estimating the life of a polymer material, which comprises quantifying and obtaining terminal groups by adding amine and measuring by proton nuclear magnetic resonance.
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