JP2004198414A - Fractography method for crystalline polymer material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、球晶組織を有する結晶性高分子材料の破断面(破面という)の解析において、ソフトエッチングを施した破面の走査型電子顕微鏡(SEMと略す)による観察により、さらには破面断面の偏光顕微鏡及び/又はSEM観察も併用することにより、破面直下の球晶形態の調査を行う破面解析方法に関する。本発明によれば、破壊様式を従来の方法では判断できなかったものも判断できる。 The present invention provides a method for analyzing a fracture surface (referred to as a fracture surface) of a crystalline polymer material having a spherulite structure by observing a fracture surface subjected to soft etching by a scanning electron microscope (abbreviated as SEM). The present invention relates to a fracture surface analysis method for investigating a spherulite morphology immediately below a fracture surface by also using a polarizing microscope and / or SEM observation of a plane cross section. According to the present invention, it is possible to determine a failure mode that could not be determined by a conventional method.
破面解析は金属の分野を中心に破面模様の特徴から破壊機構あるいは破壊原因を推定するために広く用いられている方法である。高分子材料においても金属材料と同様に破壊機構によってさまざまな破面模様が示されることから、最近、同様の破面解析手法が高分子材料の分野にも取り入れられている。(例えば非特許文献1及び2参照。)。また、その他の樹脂メーカーあるいは分析機関から破面解析に関する技術資料が出されている。
これらの中で従来の破面解析では、破面をそのままの状態で肉眼、光学顕微鏡あるいは電子顕微鏡を用いた観察手法しか用いられていなかった。従って、これまでに破面直下の球晶の形態観察あるいは破面断面の観察を破面解析に応用した例はない。また、結晶性高分子材料の表面の結晶構造観察において、酸等により試料中の非晶質部分を取り除いて結晶性の部分を残すことを目的に、エッチングが応用され、エッチングされた表面に斜め上から金属蒸着を施し、真上から炭素を蒸着した後、それに基づきレプリカ薄膜を調製し、その透過型電子顕微鏡観察を行う技術が記載されているが、破面のエッチング方法として利用されている技術ではない。(例えば特許文献1参照。)
Fracture analysis is a widely used method for estimating the failure mechanism or the cause of failure from the features of the fracture pattern mainly in the field of metal. Similar to metal materials, various fracture surfaces are exhibited by fracture mechanisms in the same manner as metal materials. Therefore, similar fracture surface analysis methods have recently been adopted in the field of polymer materials. (See, for example, Non-Patent Documents 1 and 2.) In addition, other resin manufacturers or analytical institutions have issued technical data on fracture surface analysis.
Among these, in the conventional fracture surface analysis, only the observation method using the naked eye, an optical microscope, or an electron microscope while using the fracture surface as it is was used. Therefore, there has been no application of morphological observation of a spherulite immediately below a fracture surface or observation of a fracture surface cross section to fracture analysis. In addition, in observing the crystal structure of the surface of the crystalline polymer material, etching is applied in order to remove an amorphous portion in the sample with an acid or the like to leave a crystalline portion. A technique is described in which a metal is vapor-deposited from above, carbon is vapor-deposited from directly above, and a replica thin film is prepared based on the metal thin-film, and the transmission thin film is observed with a transmission electron microscope. Not a technology. (For example, see Patent Document 1)
従来の破面解析では破面をそのままの状態で観察し、その破面パターンを確認することで破壊様式を判断している。破面は破壊様式により異なった破面パターンを示すが、材料、グレードによっては破壊様式が異なっても酷似した破面パターンを示し、その判別が困難で、破壊様式を判断できない場合が多々ある。
そこで本発明は、このような問題に対し、従来の破面をそのまま観察する方法では破面パターンの判別が困難で破壊様式を決定できないような破面を判別可能にしたり、判別結果を確認するための新しい破面解析方法を提供することを目的とする。
In the conventional fracture surface analysis, the fracture surface is observed as it is, and the fracture pattern is determined by confirming the fracture surface pattern. The fracture surface shows a different fracture pattern depending on the fracture mode. However, even if the fracture mode differs depending on the material and grade, the fracture surface pattern is very similar, and it is difficult to determine the fracture pattern. In many cases, the fracture mode cannot be determined.
In view of the above, according to the present invention, it is possible to distinguish a fractured surface in which it is difficult to determine a fractured surface pattern by a conventional method of directly observing a fractured surface and to determine a fracture mode, or to confirm a discrimination result. The purpose is to provide a new fracture surface analysis method for the purpose.
本発明者らは、これまでに球晶が変形している断面や球晶が露出しているような破面の観察を経験している。そこで上述の問題点に対し、何らかの方法で破面を処理することによって破面直下の球晶の形態を観察できるのではないかと考えた。
例えば、ポリアセタールや芳香族ポリエステルは結晶性の高分子材料であり、通常の成形加工工程を経て結晶化した場合、球晶組織を有する。
本発明者らは、ポリアセタールが紫外線で劣化する材料であるため、ポリアセタールの破面を、短波長の紫外線を利用して、ソフトにエッチングを行った試料を用いて、あるいは、芳香族ポリエステルが塩基性溶液で劣化する材料であるため、芳香族ポリエステルの破面を、塩基性溶液を利用して、好ましくは紫外線照射した後塩基性溶液でソフトにエッチングを行った試料を用いて、SEMにより観察することにより、各種破面が示す特徴的な破面パターンを保持させながら破面側から破面直下の球晶の形態を顕在化、具現化させることができることを見い出した。
また、上記に加えて、破面断面の破面近傍の球晶形態を、偏光顕微鏡により観察したり、ソフトなエッチングを施した試料をSEMにより観察することにより、上記問題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
The present inventors have previously observed cross sections in which spherulites are deformed or fractured surfaces in which spherulites are exposed. In view of the above, it was considered that the morphology of the spherulite immediately below the fracture surface could be observed by treating the fracture surface by some method.
For example, polyacetal or aromatic polyester is a crystalline polymer material, and has a spherulite structure when crystallized through a normal molding process.
The present inventors have found that polyacetal is a material that is degraded by ultraviolet rays, so that the fracture surface of polyacetal can be etched using a sample that has been softly etched using short-wavelength ultraviolet rays, or an aromatic polyester can be used as a base. Since it is a material that degrades with a basic solution, the fracture surface of the aromatic polyester is observed by SEM using a basic solution, preferably using a sample that has been softly etched with a basic solution after being irradiated with ultraviolet rays. By doing so, it has been found that the morphology of spherulites immediately below the fracture surface can be revealed and embodied from the fracture surface side while maintaining the characteristic fracture surface patterns exhibited by the various fracture surfaces.
In addition, in addition to the above, the spherulite morphology in the vicinity of the fracture surface of the fracture surface cross section is observed by a polarizing microscope, and it is found that the above problem can be solved by observing a sample subjected to soft etching by SEM, The present invention has been completed.
即、本発明の第1は、球晶組織を有する結晶性高分子材料の破面解析方法において、走査型電子顕微鏡により、破面の観察(O)及び破面側からの破面直下の球晶の形態観察(A)を行うことを特徴とする破面解析方法を提供する。
本発明の第2は、さらに、破面断面の破面近傍(破面から100μmまでの深さ)の球晶の形態観察(B)を併用する本発明の第1に記載の破面解析方法を提供する。
本発明の第3は、球晶組織を有する結晶性高分子が、ポリアセタール、芳香族ポリエステル、ポリアリーレンサルファイド、ポリオレフィン、ポリアミド及びこれらの混合物である本発明の第1又は2に記載の破面解析方法を提供する。
本発明の第4は、(i)延性破面、(ii)疲労破面、(iii)脆性破面、(iv)クリープ破面、又はこれらの複合破面の判別に使用される本発明の第1〜3のいずれかに記載の破面解析方法を提供する。
本発明の第5は、形態観察(A)が、各種破壊様式の特徴的な破面パターンを保持させながら破面直下の球晶の形態を出現させるソフトなエッチング方法(S)を利用した破面側からの破面直下の球晶の形態観察(1)であることを特徴とする本発明の第1〜4のいずれかに記載の破面解析方法を提供する。
本発明の第6は、形態観察(B)が、偏光顕微鏡を利用した破面断面の破面近傍の球晶の形態観察(2)、及び/又は、上記ソフトなエッチング方法(S)を利用した破面断面の破面近傍の球晶の走査型電子顕微鏡による形態観察(3)である本発明の第1〜5のいずれかに記載の破面解析方法を提供する。
本発明の第7は、ソフトなエッチング方法(S)が、ポリアセタールの破面に紫外線を照射し、破面の特徴的な形状を損なうことなく破面をエッチングして、破面直下の球晶の形態を出現させるエッチング方法(S1)であることを特徴とする本発明の第5又は6に記載の破面解析方法を提供する。
本発明の第8は、紫外線の波長が300nm以下である本発明の第7に記載の破面解析方法を提供する。
本発明の第9は、エッチング方法(S1)が、ポリアセタールの破面に、金属を3〜12μmの厚さに1次蒸着させた破面を走査型電子顕微鏡で観察した後、紫外線を照射して該1次蒸着させた破面をエッチングして破面直下の球晶の形態を出現させる方法である本発明の第7又は8に記載破面解析方法を提供する。
本発明の第10は、ポリアセタール部分のエッチング深さが1〜20μmである本発明の第9に記載の破面解析方法を提供する。
本発明の第11は、破面に対する紫外線の照射条件が、8〜10mW/cm2で40〜70分である本発明の第7〜10のいずれかに記載の破面解析方法を提供する。
本発明の第12は、ソフトなエッチング方法(S)が、芳香族ポリエステルの破面を塩基性溶液を用いて破面の特徴的な形状を損なうことなく破面をエッチングして、破面直下の球晶の形態を出現させるエッチング方法(S4)であることを特徴とする本発明の第5又は6に記載の破面解析方法を提供する。
本発明の第13は、塩基性溶液が、水酸化ナトリウムのアルコール溶液である本発明の第12に記載の破面解析方法を提供する。
本発明の第14は、塩基性溶液が、濃度1〜10重量%のアルコール溶液であり、処理温度が5〜40℃、処理時間が、0.5〜5時間である本発明の第12又は13に記載の破面解析方法を提供する。
本発明の第15は、予め、芳香族ポリエステルの破面に紫外線照射した後、塩基性溶液で処理する本発明の第12〜14のいずれかに記載の破面解析方法を提供する。
本発明の第16は、成形品の破面に対する紫外線の照射条件が、8〜10mW/cm2で30〜90分である本発明の第12〜15のいずれかに記載の破面解析方法を提供する。
本発明の第17は、結晶性ポリエステル樹脂成形品の破面に、金属を1次蒸着させた破面を走査型電子顕微鏡で観察した後、紫外線を照射した上で、アルカリ溶液処理し、該1次蒸着させた破面をエッチングして破面直下の球晶の形態を出現させ、さらに金属を2次蒸着させて走査型電子顕微鏡用試料とする本発明の第12〜16のいずれかに記載の破面解析方法を提供する。
本発明の第18は、1次蒸着金属の厚さが3〜12nmで、2次蒸着金属の厚さが12〜16nmである本発明の第12〜17のいずれかに記載の破面解析方法を提供する。
本発明の第19は、芳香族ポリエステルのエッチング深さが1〜5μmである本発明の第12〜18のいずれかに記載の破面解析方法を提供する。
本発明の第20は、芳香族ポリエステルがポリブチレンテレフタレートである本発明の第12〜19のいずれかに記載の破面解析方法を提供する。
Immediately, a first aspect of the present invention is a method for analyzing a fracture surface of a crystalline polymer material having a spherulite structure, in which a fracture surface is observed (O) by a scanning electron microscope and a sphere immediately below the fracture surface from the fracture surface side. The present invention provides a fracture surface analysis method characterized by performing a morphological observation (A) of a crystal.
A second aspect of the present invention is the fracture surface analysis method according to the first aspect of the present invention, which further employs a morphology observation (B) of a spherulite near a fracture surface (depth from the fracture surface to 100 μm) of the fracture surface cross section. I will provide a.
A third aspect of the present invention is the fracture surface analysis according to the first or second aspect of the present invention, wherein the crystalline polymer having a spherulite structure is polyacetal, aromatic polyester, polyarylene sulfide, polyolefin, polyamide, or a mixture thereof. Provide a method.
A fourth aspect of the present invention is (i) a ductile fracture surface, (ii) a fatigue fracture surface, (iii) a brittle fracture surface, (iv) a creep fracture surface, or a composite fracture surface of the present invention used for discrimination. A fracture surface analysis method according to any one of the first to third aspects is provided.
A fifth aspect of the present invention is that the morphological observation (A) uses a soft etching method (S) in which a spherulite morphology just below the fracture surface appears while maintaining a characteristic fracture surface pattern of various fracture modes. The present invention provides the fracture surface analysis method according to any one of the first to fourth aspects of the present invention, which is a morphological observation (1) of a spherulite immediately below the fracture surface from the surface side.
A sixth aspect of the present invention is that the morphological observation (B) uses a polarizing microscope to observe the morphology of a spherulite near the fracture surface of the fracture surface cross section (2) and / or uses the soft etching method (S) described above. The method for analyzing a fracture surface according to any one of the first to fifth aspects of the present invention, which is a morphological observation (3) of a spherulite in the vicinity of the fracture surface of the fracture surface cross section by a scanning electron microscope.
A seventh aspect of the present invention is that the soft etching method (S) irradiates the fractured surface of the polyacetal with ultraviolet rays and etches the fractured surface without impairing the characteristic shape of the fractured surface. The present invention provides the fracture surface analysis method according to the fifth or sixth aspect of the present invention, which is an etching method (S1) that makes the form appear.
An eighth aspect of the present invention provides the fracture surface analysis method according to the seventh aspect, wherein the wavelength of the ultraviolet light is 300 nm or less.
A ninth aspect of the present invention is that the etching method (S1) uses a scanning electron microscope to observe a fractured surface of a polyacetal that has been subjected to primary vapor deposition of a metal to a thickness of 3 to 12 μm, and then irradiates ultraviolet rays. The present invention provides the fracture surface analysis method according to the seventh or eighth aspect of the present invention, which is a method of etching the primary vapor-deposited fracture surface to reveal a spherulite form immediately below the fracture surface.
A tenth aspect of the present invention provides the fracture surface analysis method according to the ninth aspect of the present invention, wherein the etching depth of the polyacetal portion is 1 to 20 µm.
An eleventh aspect of the present invention provides the fracture surface analysis method according to any one of the seventh to tenth aspects of the present invention, wherein irradiation conditions of the fracture surface with ultraviolet light are 8 to 10 mW / cm 2 for 40 to 70 minutes.
A twelfth aspect of the present invention is that the soft etching method (S) etches the fractured surface of the aromatic polyester using a basic solution without damaging the characteristic shape of the fractured surface, and directly under the fractured surface. The present invention provides the fracture surface analysis method according to the fifth or sixth aspect of the present invention, which is an etching method (S4) for producing a spherulite morphology.
A thirteenth aspect of the present invention provides the fracture surface analysis method according to the twelfth aspect, wherein the basic solution is an alcoholic solution of sodium hydroxide.
A fourteenth aspect of the present invention is the twelfth or twelfth aspect of the present invention, wherein the basic solution is an alcohol solution having a concentration of 1 to 10% by weight, and the treatment temperature is 5 to 40 ° C. and the treatment time is 0.5 to 5 hours. 13. A fracture surface analysis method according to item 13.
According to a fifteenth aspect of the present invention, there is provided the fracture surface analysis method according to any one of the twelfth to fourteenth aspects of the present invention, wherein the fracture surface of the aromatic polyester is irradiated with ultraviolet light in advance and then treated with a basic solution.
In a sixteenth aspect of the present invention, there is provided the fracture surface analysis method according to any one of the twelfth to fifteenth aspects of the present invention, wherein the condition for irradiating the fracture surface of the molded article with ultraviolet light is 8 to 10 mW / cm 2 for 30 to 90 minutes. provide.
A seventeenth aspect of the present invention is that a fractured surface of a crystalline polyester resin molded product is subjected to primary vapor deposition of a metal, and the fractured surface is observed with a scanning electron microscope. Either of the twelfth to sixteenth aspects of the present invention, in which the primary vapor-deposited fracture surface is etched to reveal a spherulite morphology immediately below the fracture surface, and a metal is further vapor-deposited to form a sample for a scanning electron microscope. The present invention provides a fracture surface analysis method as described above.
The eighteenth aspect of the present invention is the fracture surface analysis method according to any one of the twelfth to seventeenth aspects of the present invention, wherein the thickness of the primary metal is 3 to 12 nm and the thickness of the secondary metal is 12 to 16 nm. I will provide a.
A nineteenth aspect of the present invention provides the fracture surface analysis method according to any one of the twelfth to eighteenth aspects of the present invention, wherein the etching depth of the aromatic polyester is 1 to 5 μm.
A twentieth aspect of the present invention provides the fracture surface analysis method according to any one of the twelfth to nineteenth aspects of the present invention, wherein the aromatic polyester is polybutylene terephthalate.
本発明によれば、結晶性樹脂成形品の破面の特徴的な模様を保持させながら、破面直下の球晶の形態を出現させることができることから、それぞれの破壊様式によって示される特徴的な破面パターンの発現機構を明確にさせることや、破壊様式をより的確に判断することが出来る。 According to the present invention, while maintaining the characteristic pattern of the fracture surface of the crystalline resin molded article, the morphology of spherulites immediately below the fracture surface can be made to appear, and therefore, the characteristic characteristic indicated by each fracture mode It is possible to clarify the mechanism of expression of the fracture surface pattern and to judge the fracture mode more accurately.
本発明で使用される球晶組織を有する結晶性高分子としては、ポリアセタール;ポリブチレンテレフタレートやポリエチレンテレフタレートなどの芳香族ジカルボン酸−脂肪族ジオールポリエステル(本発明では芳香族ポリエステルという。);ポリフェニレンサルファイドなどのポリアリーレンサルファイド;ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン;ナイロン6、ナイロン66、ナイロン610、ナイロン46、ナイロン11、ナイロン12などのポリアミド等が挙げられ、これらは混合使用されてもよい。 Examples of the crystalline polymer having a spherulite structure used in the present invention include polyacetal; aromatic dicarboxylic acid-aliphatic diol polyester such as polybutylene terephthalate and polyethylene terephthalate (referred to as aromatic polyester in the present invention); polyphenylene sulfide. And polyolefins such as polyethylene and polypropylene; polyamides such as nylon 6, nylon 66, nylon 610, nylon 46, nylon 11, nylon 12, and the like, and these may be used in combination.
ポリアセタール
本発明で使用されるポリアセタールの種類は、特に限定されず、ホモポリマーであってもコポリマーであってもよく、コポリマーはランダムでもブロックでもよく、コモノマーの種類、含有量にも制限はなく、ポリアセタールの分子量、結晶化度、融点等にも特に制限はない。
コモノマーとしては、環状エーテル及び/又は環状ホルマールが使用され、具体的には、1,3−ジオキソラン、ジエチレングリコールホルマール、1,4−ブタンジオールホルマール、1,3−ジオキサン、エチレンオキサイド、プロピレンオキシド、エピクロルヒドリン等が挙げられ、1,3−ジオキソラン、ジエチレングリコールホルマール、1,4−ブタンジオールホルマール、1,3−ジオキサン、エチレンオキシド等が好ましい。
更に、環状エステル、例えばβ−プロピオラクトン、及びビニル化合物、例えばスチレン等も使用される。また、共重合体が分岐状、又は架橋分子構造を形成するためのコモノマーとしてアルキレン−ジグリシジルエーテル又はジホルマールの如き2個以上の重合性環状エーテル基又は環状ホルマール基を有する化合物を用いることも出来る。例えば、ブタンジオールジメチリデングリセリルエーテル、ブタンジオールジグリシジルエーテル等が挙げられる。
コモノマーの量はトリオキサンに対して、0.1〜20モル%であり、好ましくは0.2〜10モル%である。
分子量としては、通常、数平均分子量が1万〜10万、好ましくは2万〜8万;分子量分布が4以下、好ましくは2〜3のものが挙げられる。
結晶化度としては、ポリマーの種類によって異なるが、通常、50〜90%、好ましくは60〜80%である。
上記の樹脂としては、各種の市販のものが使用できる。
Polyacetal The type of polyacetal used in the present invention is not particularly limited, it may be a homopolymer or a copolymer, the copolymer may be a random or block, the type of comonomer, there is no limitation on the content, There is no particular limitation on the molecular weight, crystallinity, melting point, etc. of the polyacetal.
As the comonomer, a cyclic ether and / or cyclic formal is used. Specifically, 1,3-dioxolan, diethylene glycol formal, 1,4-butanediol formal, 1,3-dioxane, ethylene oxide, propylene oxide, epichlorohydrin And the like, and 1,3-dioxolan, diethylene glycol formal, 1,4-butanediol formal, 1,3-dioxane, ethylene oxide and the like are preferable.
Further, cyclic esters such as β-propiolactone, and vinyl compounds such as styrene are also used. Further, a compound having two or more polymerizable cyclic ether groups or cyclic formal groups such as alkylene-diglycidyl ether or diformal can be used as a comonomer for forming a branched or crosslinked molecular structure in the copolymer. . For example, butanediol dimethylidene glyceryl ether, butanediol diglycidyl ether and the like can be mentioned.
The amount of the comonomer is 0.1 to 20 mol%, preferably 0.2 to 10 mol%, based on trioxane.
Examples of the molecular weight include those having a number average molecular weight of 10,000 to 100,000, preferably 20,000 to 80,000; and a molecular weight distribution of 4 or less, preferably 2 to 3.
The degree of crystallinity varies depending on the type of polymer, but is usually 50 to 90%, preferably 60 to 80%.
Various commercially available resins can be used as the above resin.
芳香族ポリエステル
本発明で使用される結晶性の芳香族ポリエステルの種類は、特に限定されず、ホモポリマーであってもコポリマーであってもよく、コポリマーはランダムでもブロックでもよく、コモノマーの種類、含有量にも制限はなく、芳香族ポリエステルの分子量、結晶化度、融点等にも特に制限はない。
芳香族ポリエステルとしては、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリエチレンナフタレートなどのアルキレン芳香族ジカルボキシレートなどが挙げられる。
芳香族ポリエステルとしては、例えば、芳香族ジカルボン酸成分(テレフタル酸やイソフタル酸やナフタレンジカルボン酸など)及びアルキレングリコールのうち、少なくとも一方の成分が他のジカルボン酸(コモノマー)や他のジオール(コモノマー)で置換したコポリエステルなどであってもよい。
これらの芳香族ポリエステルは単独で又は二種以上組み合わせて使用できる。
ジオール成分(コモノマー成分)としては、炭素数2〜12程度のアルキレングリコール、例えば、エチレングリコール、トリメチレングリコール、プロピレングリコール、テトラメチレングリコール、ヘキサメチレングリコール、オクタンジオール、デカメチレングリコール、ネオペンチルグリコール、1,3−オクタンジオールなどの炭素数2〜10程度の脂肪族グリコールが挙げられる。
これらのジオール成分は単独で又は二種以上組み合わせて使用してもよい。
芳香族ポリエステルとしては、成形加工が可能で、固化時に球晶が形成されるものであれば、融点や分子量などは特に限定されない。
上記の樹脂としては、各種の市販のものが使用できる。
Aromatic polyester The type of the crystalline aromatic polyester used in the present invention is not particularly limited, and may be a homopolymer or a copolymer, the copolymer may be random or a block, and the type and content of the comonomer. The amount is not limited, and the molecular weight, crystallinity, melting point and the like of the aromatic polyester are not particularly limited.
Examples of the aromatic polyester include alkylene aromatic dicarboxylates such as polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate (PBT), and polyethylene naphthalate.
Examples of the aromatic polyester include, for example, an aromatic dicarboxylic acid component (such as terephthalic acid, isophthalic acid, or naphthalenedicarboxylic acid) and an alkylene glycol in which at least one component is another dicarboxylic acid (comonomer) or another diol (comonomer). And the like.
These aromatic polyesters can be used alone or in combination of two or more.
Examples of the diol component (comonomer component) include alkylene glycols having about 2 to 12 carbon atoms, for example, ethylene glycol, trimethylene glycol, propylene glycol, tetramethylene glycol, hexamethylene glycol, octanediol, decamethylene glycol, neopentyl glycol, Examples thereof include aliphatic glycols having about 2 to 10 carbon atoms, such as 1,3-octanediol.
These diol components may be used alone or in combination of two or more.
The melting point and molecular weight of the aromatic polyester are not particularly limited as long as they can be molded and form spherulites upon solidification.
Various commercially available resins can be used as the above resin.
ポリオレフィン
ポリオレフィンとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ−4−メチルペンテン−1、これらのコポリマーなどが挙げられる。これらの中で立体規則性のあるものは、アイソタクティックでもシンジオタクティックでもよい。また重合触媒としては、チグラー・ナッタ触媒のようなマルチサイト型のもので重合されたものでも、カミンスキー触媒のようなメタロセン触媒やフェノキシイミン錯体触媒のようなシングルサイト型のもので重合されたものでも構わない。
上記の樹脂としては、各種の市販のものが使用できる。
Polyolefin Examples of the polyolefin include polyethylene, polypropylene, poly-4-methylpentene-1, and a copolymer thereof. Among them, those having stereoregularity may be isotactic or syndiotactic. In addition, polymerization catalysts were polymerized by multi-site type catalysts such as Ziegler-Natta catalysts, or polymerized by single-site type catalysts such as metallocene catalysts such as Kaminsky catalyst or phenoxyimine complex catalysts. It doesn't matter.
Various commercially available resins can be used as the above resin.
ポリアリーレンサルファイド
ポリアリーレンサルファイドとしては、ポリフェニレンサルファイド等が挙げられる。ポリフェニレンサルファイドとしては、p−フェニレンサルファイド基を主たる繰返し単位とするものであり、直鎖型、分岐型、架橋型、又はこれらの混合物であっても、m−フェニレンサルファイド基等の繰返し単位との共重合体であってもよい。上記の樹脂としては、各種の市販のものが使用できる。
Polyarylene sulfide Examples of the polyarylene sulfide include polyphenylene sulfide. As polyphenylene sulfide, a p-phenylene sulfide group is used as a main repeating unit, and a linear type, a branched type, a cross-linked type, or a mixture thereof, with a repeating unit such as an m-phenylene sulfide group. It may be a copolymer. Various commercially available resins can be used as the above resin.
ポリアミド
ポリアミドとしては、ナイロン6、ナイロン66、ナイロン610、ナイロン46、ナイロン11、ナイロン12、ナイロン6Tのような芳香族ポリアミド等のポリアミドが挙げられる。上記の樹脂としては、各種の市販のものが使用できる。
Polyamide Examples of the polyamide include polyamides such as aromatic polyamides such as nylon 6, nylon 66, nylon 610, nylon 46, nylon 11, nylon 12, and nylon 6T. Various commercially available resins can be used as the above resin.
樹脂添加剤
上記樹脂には、安定剤、結晶化促進剤(核剤)、離型剤、導電性付与剤等を添加してもよい。
安定剤として、例えば各種のヒンダードフェノール系酸化防止剤等が用いられる。例えば、2,6−ジ−t−ブチル−4−メチルフェノール、トリエチレングリコール−ビス〔3−(3−t−ブチル−5−メチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート〕、1,6−へキサンジオール−ビス−〔3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート〕、テトラキス〔3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート〕メタン、N,N’−ヘキサメチレンビス(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシヒドロシナマミド)、2−t−ブチル−6−(3’−t−ブチル−5’−メチル−2’−ヒドロキシベンジル)−4−メチルフェニルアクリレート、3,9−ビス〔2−{(3−t−ブチル−4−ヒドロキシ−5−メチルフェニル)プロピオニルオキシ}−1,1’−ジメチルエチル〕−2,4,8,10−テトラオキサスピロ[5,5]−ウンデカン等が例示される。
Resin additive A stabilizer, a crystallization accelerator (nucleating agent), a release agent, a conductivity imparting agent, and the like may be added to the resin.
As the stabilizer, for example, various hindered phenolic antioxidants and the like are used. For example, 2,6-di-t-butyl-4-methylphenol, triethylene glycol-bis [3- (3-t-butyl-5-methyl-4-hydroxyphenyl) propionate], 1,6-hexane Diol-bis- [3- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate], tetrakis [3- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate] methane, N, N'-hexamethylenebis (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyhydrocinnamide), 2-tert-butyl-6- (3'-tert-butyl-5'-methyl-2 ' -Hydroxybenzyl) -4-methylphenyl acrylate, 3,9-bis [2-{(3-t-butyl-4-hydroxy-5-methylphenyl) propionyloxy} -1,1'-dimethyl Chill] -2,4,8,10-spiro [5,5] - undecane, and the like.
充填剤
上記結晶性高分子には、有機もしくは無機充填剤、ガラス繊維、炭素繊維、金属繊維、ウィスカー、カーボンナノチューブ、カーボンナノ粒子等を添加してもよい。
ガラス繊維等の強化材の充填量は、結晶性高分子100重量部に対して、50重量部以下、好ましくは1〜30重量部である。
Filler An organic or inorganic filler, glass fiber, carbon fiber, metal fiber, whisker, carbon nanotube, carbon nanoparticle, or the like may be added to the crystalline polymer.
The filling amount of the reinforcing material such as glass fiber is 50 parts by weight or less, preferably 1 to 30 parts by weight, based on 100 parts by weight of the crystalline polymer.
成形品
上記結晶性高分子の成形方法としては、射出成形、中空成形、押出成形、ブロー成形、発泡成形等が挙げられる。
成形品の用途は、特に制限はなく、電気・電子部品、自動車・輸送機器、一般・精密機械、建築資材、医療部品、その他が挙げられる。
Molded articles Examples of the method for molding the crystalline polymer include injection molding, hollow molding, extrusion molding, blow molding, and foam molding.
The use of the molded article is not particularly limited, and includes electric / electronic parts, automobile / transportation equipment, general / precision machinery, building materials, medical parts, and others.
ソフトなエッチング方法(S)
従来の一般的なエッチング方法では、表面を均一に粗面化するので、本発明で解析上必要とする破面近傍の球晶形態を破壊してしまう。このため、破面近傍の球晶形態を破壊しないソフトなエッチング方法が必要である。
ソフトなエッチング方法(S)としては、高分子材料の種類により異なり、特定波長の紫外線による方法(S1)、加水分解による方法(S2)、酸による方法(S3)、塩基による方法(S4)、溶剤による方法(S5)、オゾンのような酸化性ガスによる方法(S6)、ヒドラジンのような還元性ガスによる方法(S7)、放電による方法(S8)、電子線照射による方法(S9)、プラズマ照射による方法(S10)、他の粒子線照射による方法(S11)、X線もしくはγ線による方法(S12)等、及びこれらの二種以上の組合わせが挙げられる。
Soft etching method (S)
In the conventional general etching method, since the surface is uniformly roughened, the spherulite morphology near the fracture surface required for analysis in the present invention is destroyed. Therefore, a soft etching method that does not destroy the spherulite morphology near the fracture surface is required.
The soft etching method (S) differs depending on the type of the polymer material, and includes a method using ultraviolet light of a specific wavelength (S1), a method using hydrolysis (S2), a method using an acid (S3), a method using a base (S4), A method using a solvent (S5), a method using an oxidizing gas such as ozone (S6), a method using a reducing gas such as hydrazine (S7), a method using discharge (S8), a method using electron beam irradiation (S9), plasma Examples include a method by irradiation (S10), a method by other particle beam irradiation (S11), a method by X-ray or γ-ray (S12), and a combination of two or more of these.
(I)特定波長の紫外線による方法(UVエッチング処理ともいう。)
以下、ポリアセタールを例に、UVエッチング処理を説明する。
破損した成形品の破面のエッチング処理は、破面に、好ましくは波長300nm以下の紫外線を照射して行われる(UVエッチング処理ともいう。)。この場合、破面の特徴的な形状を損なうことなく、破面をエッチングすることが必要である。具体的には、破面のパターンを保持しながら破面直下の球晶の形態を出現させるように照射する。波長が300nmより長すぎると、ポリアセタールのエッチングが行われ難くなる場合がある。
UVエッチング処理は、成形品の破面そのものに対して行ってもよいが、同じサンプルを用いてエッチング前後の変化を観察する場合は、金属を1次蒸着させた破面をSEMで観察した後、紫外線を照射して該1次蒸着させた破面をエッチングして破面直下の球晶の形態を出現させ、さらに金属を2次蒸着させてエッチング後の破面観察のためのSEM用試料とする。
(I) A method using ultraviolet light of a specific wavelength (also referred to as UV etching treatment)
Hereinafter, the UV etching process will be described using polyacetal as an example.
The etching of the broken surface of the damaged molded product is performed by irradiating the broken surface with ultraviolet rays having a wavelength of preferably 300 nm or less (also referred to as a UV etching process). In this case, it is necessary to etch the fractured surface without damaging the characteristic shape of the fractured surface. Specifically, irradiation is performed so that a spherulite form immediately below the fracture surface appears while maintaining the pattern of the fracture surface. If the wavelength is longer than 300 nm, the polyacetal may not be easily etched.
The UV etching treatment may be performed on the fractured surface of the molded article itself. However, when observing the change before and after etching using the same sample, after observing the fractured surface on which the metal is primarily deposited by SEM, SEM sample for observing the fracture surface after etching by irradiating ultraviolet rays and etching the primary vapor-deposited fracture surface to form a spherulite just below the fracture surface and further depositing metal secondarily And
蒸着させる金属の種類としては、通常SEM用試料作製に用いられるものであり、具体的には、金、白金、パラジウム、これらの混合物などが挙げられる。1次蒸着金属と2次蒸着金属とは同じでも、異なっていてもよい。
1次蒸着させる金属の厚みは、好ましくは3〜12nm、さらに好ましくは8〜10nmである。1次蒸着させる金属の厚みが上記範囲より厚すぎると、紫外線照射によるエッチング処理が困難となり、上記範囲より薄すぎると1次蒸着させた試料のSEMによる観察時に帯電して、観察ができなくなったり、さらには試料が電子線でダメージを受ける。
2次蒸着させる金属の厚みは、SEMにより観察できる範囲内であれば、任意に決定できる。ただし、処理時間が長くなると、破面が金属イオンにより破壊されてしまうおそれがあるので、余り厚くすることはできず、好ましくは12〜16nmである。
2次蒸着させる金属の厚みが16nmより厚すぎると、球晶の形態が観察しにくくなる。
洗浄する溶剤としては、成形品の破面を溶解しないものであり、高分子材料の種類によって異なるが、アセトン、メタノール、ヘキサン、フロン類などが挙げられる。
The kind of metal to be deposited is usually used for preparing a sample for SEM, and specific examples thereof include gold, platinum, palladium, and a mixture thereof. The primary metal and the secondary metal may be the same or different.
The thickness of the metal to be first-deposited is preferably 3 to 12 nm, more preferably 8 to 10 nm. If the thickness of the primary deposited metal is too thicker than the above range, it becomes difficult to perform etching treatment by ultraviolet irradiation. If the thickness is smaller than the above range, the sample deposited by the primary deposition is charged when observed by SEM, and the observation becomes impossible. In addition, the sample is damaged by the electron beam.
The thickness of the metal to be secondarily deposited can be arbitrarily determined as long as it is within a range observable by SEM. However, if the treatment time is long, the fracture surface may be destroyed by metal ions, so that the thickness cannot be made too large, and is preferably 12 to 16 nm.
If the thickness of the metal to be secondarily deposited is too thick, the morphology of spherulites is difficult to observe.
The solvent to be washed is one that does not dissolve the fractured surface of the molded article and varies depending on the type of the polymer material, and examples thereof include acetone, methanol, hexane, and fluorocarbons.
エッチング処理により、ポリアセタールの非晶部分が球晶部分よりも、優先的に削除される。
破面のエッチング深さは、1〜30μm、好ましくは10〜20μmである。
エッチング深さが上記範囲より浅すぎると、破面の直下に球晶層が存在するのかどうかが判らず、上記範囲より深すぎると、破面のパターンが失われやすくなる。
1次蒸着後の試料に、上記紫外線を使用してエッチングを行うため、成形品の破面に対する紫外線の照射条件は、蒸着させる金属の種類や厚みにもよるが、5〜20mW/cm2、好ましくは8〜10mW/cm2で、照射時間は30〜90分、好ましくは40〜70分である。
破面に対する紫外線の照射量が上記範囲未満では、十分なエッチングが行われず、上記範囲超ではエッチングが進みすぎて球晶部分も変化しすぎて、破面を解析するための所望のパターンが得られない。
紫外線を照射するための光源としては、特に制限はなく、中圧もしくは低圧水銀灯等の金属原子の共鳴線を利用したランプ、ヨーソランプ等のハロゲンランプ等が挙げられる。
紫外線を使用することにより、表面の温度が上昇しすぎることなく、マイルドにエッチングされるので、破面の特徴的な形状を損なうことなく破面をエッチングして、破面直下の球晶の形態を出現させることが可能である。一方、ポリアセタールでは、コロナ放電やプラズマなどによりエッチングすると、表面が融解したりして、破面の特徴的な形状が損なわれやすいので、樹脂材料毎に、適切なエッチング方法を選択することが重要である。
By the etching treatment, the amorphous portion of the polyacetal is preferentially removed over the spherulite portion.
The etching depth of the fracture surface is 1 to 30 μm, preferably 10 to 20 μm.
If the etching depth is too shallower than the above range, it is not known whether a spherulite layer exists immediately below the fractured surface. If the etching depth is too deeper than the above range, the pattern of the fractured surface is easily lost.
Since the sample after the primary vapor deposition is etched using the above-mentioned ultraviolet light, the irradiation condition of the ultraviolet light to the fracture surface of the molded product depends on the kind and thickness of the metal to be vapor-deposited, but 5 to 20 mW / cm 2 , The irradiation time is preferably 8 to 10 mW / cm 2 , and the irradiation time is 30 to 90 minutes, preferably 40 to 70 minutes.
If the irradiation amount of ultraviolet rays to the fracture surface is less than the above range, sufficient etching is not performed, and if it exceeds the above range, the etching proceeds too much and the spherulite portion changes too much, and a desired pattern for analyzing the fracture surface is obtained. I can't.
The light source for irradiating the ultraviolet rays is not particularly limited, and examples thereof include a lamp using resonance lines of metal atoms such as a medium-pressure or low-pressure mercury lamp, and a halogen lamp such as an yoso lamp.
By using ultraviolet light, the surface is mildly etched without excessively increasing the surface temperature, so that the fracture surface is etched without losing the characteristic shape of the fracture surface, and the spherulites just below the fracture surface Can appear. On the other hand, in the case of polyacetal, when etched by corona discharge, plasma, etc., the surface is easily melted and the characteristic shape of the fracture surface is easily damaged, so it is important to select an appropriate etching method for each resin material It is.
(II)塩基によるエッチング処理(塩基性溶液によるエッチング処理ともいう。)
以下、芳香族ポリエステルを例に、塩基性溶液によるエッチング処理と、紫外線照射による前処理を行った後に塩基性溶液によりエッチング処理を行う方法について説明する。
(II) Etching with a base (also referred to as etching with a basic solution)
Hereinafter, a method of performing an etching treatment with a basic solution and a pretreatment by irradiating ultraviolet rays and then performing an etching treatment with a basic solution will be described using an aromatic polyester as an example.
(1)塩基性溶液によるエッチング処理
本発明では、芳香族ポリエステル成形品の破面を塩基性溶液で処理し、破面の特徴的な形状(破面パターン)を損なうことなく破面をエッチングして、破面直下の球晶の形態を出現させる。
塩基としては、リチウム、ナトリウム、カリウムなどのアルカリ金属又はカルシウム、マグネシウム、バリウムなどのアルカリ土類金属、それらの水酸化物、酸化物、炭酸塩、重炭酸塩などが挙げられ、好ましくは、金属、又はそれらの水酸化物である。
本発明で使用する塩基性溶液としては、アルカリ金属のアルコラート溶液、アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属の水酸化物(水酸化アルカリと略称する。)のアルコール溶液又は水酸化アルカリの水溶液などが挙げられる。
なお、水溶液を使用した場合は、ソフトなエッチング方法として加水分解による方法(S2)が同時に生じていると考えられ、その実施態様も含んでいる。
アルコールとしては、メタノール、エタノール、イソプロパノール、n−プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノールなどが挙げられ、好ましくはメタノール、エタノールまたはこれらの混合物である。また、アルコールは含水アルコールであってもよい。
塩基の濃度としては1〜10重量%、好ましくは5〜10重量%である。
塩基性溶液による処理温度は0〜100℃、好ましくは5〜40℃、通常常温であり、処理時間は、0.2〜10時間、好ましくは0.5〜5時間、さらに好ましくは3〜4時間である。処理圧力は大気圧でよいが、必要であれば真空下〜加圧下まで特に限定されない。
アルカリ濃度、温度および時間は上記範囲未満では破面の分解が不十分となり、上記範囲より過大であると分解が進みすぎて、破面の特徴的な形状が損なわれる。
(1) Etching treatment with basic solution In the present invention, the fracture surface of the aromatic polyester molded article is treated with a basic solution, and the fracture surface is etched without impairing the characteristic shape (fracture surface pattern) of the fracture surface. The spherulite just below the fracture surface appears.
Examples of the base include alkali metals such as lithium, sodium, and potassium or alkaline earth metals such as calcium, magnesium, and barium, and hydroxides, oxides, carbonates, and bicarbonates thereof. Or their hydroxides.
Examples of the basic solution used in the present invention include an alcoholate solution of an alkali metal, an alcohol solution of a hydroxide of an alkali metal or an alkaline earth metal (abbreviated as alkali hydroxide), and an aqueous solution of an alkali hydroxide. .
When an aqueous solution is used, it is considered that the method (S2) by hydrolysis is simultaneously occurring as a soft etching method, and the embodiment thereof is also included.
Examples of the alcohol include methanol, ethanol, isopropanol, n-propanol, butanol, pentanol, hexanol and the like, and preferably methanol, ethanol or a mixture thereof. Further, the alcohol may be a hydrated alcohol.
The concentration of the base is 1 to 10% by weight, preferably 5 to 10% by weight.
The treatment temperature with the basic solution is 0 to 100 ° C., preferably 5 to 40 ° C., usually room temperature, and the treatment time is 0.2 to 10 hours, preferably 0.5 to 5 hours, more preferably 3 to 4 hours. Time. The treatment pressure may be atmospheric pressure, but is not particularly limited from vacuum to pressurized if necessary.
If the alkali concentration, temperature and time are less than the above ranges, decomposition of the fractured surface becomes insufficient, and if it is more than the above range, the decomposition proceeds excessively and the characteristic shape of the fractured surface is impaired.
(2)紫外線照射による前処理方法
上記破面の塩基性溶液処理は、成形品の破面に対してそのまま行ってもよいが、紫外線照射による前処理を行うと、球晶の形態が鮮明になるので好ましい。
前処理は、破面に、波長300nm以下の紫外線を照射して行われる(UV前処理ともいう。)。波長が上記より長すぎると、ポリエステルの前処理が行われ難くなる場合がある。
UVの光源としては、前記ポリアセタールのUVエッチング処理の項で記載されたものと同じである。
UV前処理を行うと、破面の塩基性溶液に対する親和性が向上することにより、塩基性溶液のみの処理に比べ、球晶の形態の出現が鮮明になる。
塩基性溶液処理の条件は、濃度1〜10重量%、温度は常温、時間は破面パターンによって異なるが0.5〜5時間である。
(2) Pretreatment method by ultraviolet irradiation The basic solution treatment of the fractured surface may be performed as it is on the fractured surface of the molded article. However, when the pretreatment by ultraviolet radiation is performed, the morphology of spherulites becomes clear. Is preferred.
The pretreatment is performed by irradiating the fracture surface with ultraviolet rays having a wavelength of 300 nm or less (also referred to as UV pretreatment). If the wavelength is too long, the pretreatment of the polyester may be difficult to perform.
The UV light source is the same as that described in the section on the UV etching of the polyacetal.
When the UV pretreatment is performed, the affinity of the fracture surface to the basic solution is improved, so that the appearance of the spherulite morphology becomes clearer than the treatment with the basic solution alone.
The conditions for the basic solution treatment are a concentration of 1 to 10% by weight, a temperature of room temperature, and a time of 0.5 to 5 hours depending on the fracture surface pattern.
UV前処理後の塩基性溶液処理は、成形品の破面そのものに対して行ってもよいし、同じサンプルを用いて処理前後の変化を観察する場合は、金属を、好ましくは3〜12nmの厚さに1次蒸着させた破面をSEMで観察した上で、UV照射した後、破面を塩基性溶液処理して、該1次蒸着させた破面をエッチングして破面直下の球晶の形態を出現させ、さらに金属を、好ましくは12〜16nmの厚さに、2次蒸着させて、塩基性溶液処理後の破面観察のためのSEM用試料とする。
蒸着させる金属の種類や1次蒸着方法と2次蒸着方法は、前記ポリアセタールのUVエッチング処理の項で記載されたものと同じである。
The basic solution treatment after the UV pretreatment may be performed on the fractured surface of the molded article itself, or when observing a change before and after the treatment using the same sample, the metal is preferably used in an amount of 3 to 12 nm. After observing the fractured surface which has been firstly deposited to a thickness by SEM and irradiating with UV, the fractured surface is treated with a basic solution, and the fractured surface which has been primarily deposited is etched to form a sphere immediately below the fractured surface. A crystal form appears, and a metal is further vapor-deposited, preferably to a thickness of 12 to 16 nm, to obtain a sample for SEM for fracture observation after the basic solution treatment.
The type of metal to be deposited and the primary and secondary deposition methods are the same as those described in the section on the UV etching of polyacetal.
上記塩基性溶液処理により、又はUV前処理後の塩基性溶液処理により、ポリエステルの非晶部分が球晶部分よりも、優先的に削除される。
破面のエッチング深さは、1〜8μm、好ましくは1〜5μmである。エッチング深さが上記範囲より浅すぎると、破面の直下に球晶層が存在するのかどうかが判らず、上記範囲より深すぎると、破面のパターンが失われやすくなる。
1次蒸着後の試料に、上記のUV照射後の塩基性溶液によるエッチングを行うため、成形品の破面に対するUV照射条件は、蒸着させる金属の種類や厚みにもよるが、5〜20mW/cm2、好ましくは8〜10mW/cm2で、照射時間は30〜90分、好ましくは40〜70分である。
破面に対するUV照射量が上記範囲未満では、十分な前処理が行われず、上記範囲超では前処理が進みすぎて球晶部分も変化しすぎて、破面を解析するための所望のパターンが得られない。
PBTでは、コロナ放電やプラズマなどによりエッチングすると、表面が融解したりして、破面の特徴的な形状が損なわれやすい。
By the above-mentioned basic solution treatment or by the basic solution treatment after the UV pretreatment, the amorphous portion of the polyester is preferentially removed from the spherulite portion.
The etching depth of the fracture surface is 1 to 8 μm, preferably 1 to 5 μm. If the etching depth is too shallower than the above range, it is not known whether a spherulite layer exists immediately below the fractured surface. If the etching depth is too deeper than the above range, the pattern of the fractured surface is easily lost.
Since the sample after the primary deposition is etched with the basic solution after the above-mentioned UV irradiation, the UV irradiation conditions for the fracture surface of the molded product depend on the type and thickness of the metal to be deposited, but 5 to 20 mW / cm 2 , preferably 8 to 10 mW / cm 2 , and the irradiation time is 30 to 90 minutes, preferably 40 to 70 minutes.
If the UV irradiation amount on the fracture surface is less than the above range, sufficient pretreatment is not performed, and if it exceeds the above range, the pretreatment progresses too much and the spherulite portion changes too much, and a desired pattern for analyzing the fracture surface is not obtained. I can't get it.
In PBT, when etched by corona discharge, plasma, or the like, the surface is melted, and the characteristic shape of the fracture surface is easily damaged.
観察方法
観察方法としては、下記のものが挙げられる。
SEMによる従来の破面の観察(O)。
SEMによる、破面側からの破面直下の球晶の形態観察(A)、特に、ソフトなエッチング方法(S)を利用した破面側からの破面直下の球晶の形態観察(1)。
破面断面の破面近傍(破面から100μmまでの深さ)の球晶の形態観察(B)、特に、偏光顕微鏡による、破面断面の破面近傍の球晶の形態観察(2)、及び/又は、ソフトなエッチング方法(S)を利用した破面断面の破面近傍の球晶のSEMによる形態観察(3)。
上記SEM観察条件としては、特に制限はなく、通常の樹脂表面の分析条件が使用され、金属蒸着方法としては通常の方法が用いられる。
上記偏光顕微鏡観察としては、オルソスコープ観察でもコノスコープ観察でもよいが、好ましくはオルソスコープ観察である。
Observation method The observation method includes the following.
Observation of the conventional fracture surface by SEM (O).
Observation of morphology of spherulites directly below the fracture surface from the fracture surface by SEM (A), particularly observation of morphology of spherulites immediately below the fracture surface from the fracture surface using a soft etching method (S) (1) .
Observation of the morphology of spherulites near the fracture surface (depth from the fracture surface to 100 μm) of the fracture surface cross section (B), in particular, observation of the morphology of spherulites near the fracture surface of the fracture surface cross section by a polarizing microscope (2), And / or SEM morphology observation of a spherulite near the fracture surface of the fracture surface cross section using a soft etching method (S) (3).
The SEM observation conditions are not particularly limited, and ordinary resin surface analysis conditions are used, and a normal metal deposition method is used.
The observation by the polarizing microscope may be orthoscopic observation or conoscopic observation, but is preferably orthoscopic observation.
破面の解析
成形品の破壊原因の究明を行なうには、その信頼性を高めるためにも、先ず不良状況を把握してから、破面の観察に移るのが望ましい。
破面の観察のかぎは、(a)破壊発生点、(b)破壊発生点に欠陥と考えられる物質の存在の有無、(c)破壊の原因となった応力の種類などである。
成形品には多かれ少なかれ欠陥となり得る要因が含まれているが、ここに応力が加えられると、その欠陥が起点となり破損に至りやすい。成形品を生産するには、欠陥となり得る要因を理解し、これを避けて設計、成形加工しなければならず、また、破損が生じた場合は、その原因を把握して、改善策を見出だす。
成形品で破損問題のあったものの破損と原因を分類すると、下記のようになる。
[破壊発生点・欠陥] :[主原因]
シャープコーナー : 応力集中
フローマーク・湯じわ : 応力集中
ウェルド : 密着不良・伸び低下
ゲート : 伸び低下・成形ひずみ
ばり : ノッチ発生の原因となる
可塑化不良・コールドスラグ: 境界部に応力集中を起こす
他樹脂・異物混入 : 境界部に応力集中を起こす
細長いコアのある肉厚部 : 冷却不充分による吹出し
肉厚急変部 : 成形ひずみ
薄肉部 : 流動配向による物性の異方性
また破壊の様式は、荷重の種類、例えば静的荷重、衝撃的荷重あるいは繰り返し荷重などによって、それぞれ特徴的な破面のパターンが得られ、それと破損品の破面形態との比較対応によって、破壊を起こした外的要因を推定することができる。
Analysis of Fracture Surface In order to investigate the cause of destruction of a molded product, it is desirable to first grasp the failure status and then proceed to observation of the fracture surface in order to enhance its reliability.
The key to the observation of the fracture surface is (a) the point of occurrence of the fracture, (b) the presence or absence of a substance considered to be a defect at the point of occurrence of the fracture, and (c) the type of stress that caused the fracture.
The molded article contains more or less factors that may cause a defect, but when stress is applied thereto, the defect is a starting point and is likely to be damaged. In order to produce molded articles, it is necessary to understand the factors that may cause defects, design and molding to avoid them, and in the event of breakage, understand the cause and consider improvement measures. Start out.
Classification of the damage and the cause of the molded article that had a damage problem is as follows.
[Destruction point / defect]: [Main cause]
Sharp corner: Stress concentration Flow mark / hot water wrinkle: Stress concentration Weld: Poor adhesion / low elongation Gate: Low elongation / forming strain Burr: Poor plasticization / cold slag causing notch generation: Stress concentration at the boundary Other resin / foreign matter contamination: Stress concentration occurs at the boundary. Thick part with a slender core: Blowing due to insufficient cooling. Thickness sudden change: Molding strain. Thin part: Physical anisotropy due to flow orientation. Depending on the type of load, for example, static load, impact load, or cyclic load, a characteristic fracture surface pattern can be obtained, and the external factor that caused the failure by comparing it with the fracture surface form of the damaged product Can be estimated.
破面の代表的なパターン
破損した成形品の破面は、延性破面、疲労破面、脆性破面、クリープ破面、せん断破面、腐食劣化破面等に分類される。
Typical pattern of fracture surface The fracture surface of a damaged molded product is classified into a ductile fracture surface, a fatigue fracture surface, a brittle fracture surface, a creep fracture surface, a shear fracture surface, a corrosion degradation fracture surface, and the like.
(I)ポリアセタールの破面の代表的なパターン
(i)静的延性破面
「ジュラコン」の静的延性破面には、起点の周辺にディンプル模様、ディンプル内の縞状模様(ストライエーションパターンともいう)が観察される(図6および7参照)。
(ii)疲労破面
「ジュラコン」の疲労破面は、通常は二つの異なったパターンが観察される(図26および27参照)。
一つは、負荷の操返しに応じて亀裂の進行と停滞が繰返されて生じる縞状模様である(図27参照)。
もう一つは、疲労亀裂が限度に達して一挙に破断した脆性破壊の形態であり、この部分のみに着目すると脆性破面のパターンに類似している(図26参照)。
(iii)脆性破面
成形品の破損事故の中で、最も大きな割合を占めているのが衝撃破壊である。
衝撃破壊による破面は、脆性破面であり、破面の観察(O)により破面の模様が、起点を中心とする放射状模様(リバーパターン)とウロコ状の模様が観察される(図1〜3参照)。従って、破面全体を肉眼やルーペ等で注意深く観察して、その放射状模様を逆にたどれば破壊の発生点及び進展状況は、比較的容易につかむことが出来る。
(iv)クリープ破面
静荷重が長時間加わり続けたことにより破壊したクリープ破面は、非常に延性的で、繊維状の特徴的パターンを示す(図28参照)。
(v)せん断破面
打抜きせん断による破面は比較的平滑なパターンを示す(図29参照)。
(vi)腐食劣化破面
「ジュラコン」は、酸により分解されやすく、劣化した破面に特徴がある(図30参照)。
(I) Typical pattern of fractured surface of polyacetal
(i) Static Ductile Surface In the static ductile fracture surface of “Duracon”, a dimple pattern and a stripe pattern in the dimple (also called a striation pattern) are observed around the starting point (see FIGS. 6 and 7). ).
(ii) Fatigue fracture surface The fatigue fracture surface of “Duracon” is usually observed in two different patterns (see FIGS. 26 and 27).
One is a striped pattern that is generated by repeating the progression and stagnation of cracks in response to the control of the load (see FIG. 27).
The other is a form of brittle fracture in which the fatigue crack reaches the limit and breaks all at once, and when focusing only on this portion, it is similar to the pattern of the brittle fracture surface (see FIG. 26).
(iii) Brittle fracture Impact fractures account for the largest percentage of molded article failures.
The fracture surface due to the impact fracture is a brittle fracture surface, and by observation of the fracture surface (O), the pattern of the fracture surface is observed as a radial pattern (river pattern) centered on the starting point and a scale-like pattern (FIG. 1). 3). Therefore, by carefully observing the entire fractured surface with the naked eye, a loupe, or the like, and following the radial pattern in reverse, the point of occurrence and the state of progress of the fracture can be relatively easily grasped.
(iv) Creep rupture surface The creep rupture surface broken by the static load applied for a long time is very ductile and shows a fibrous characteristic pattern (see FIG. 28).
(v) Shear fracture surface The fracture surface due to punching shear shows a relatively smooth pattern (see FIG. 29).
(vi) Corrosion-degraded fracture surface "Duracon" is easily decomposed by acid, and is characterized by a degraded fracture surface (see FIG. 30).
(II)芳香族ポリエステルの破面の代表的なパターン (II) Representative pattern of fracture surface of aromatic polyester
PBT成形品を240℃で溶融した後、10℃/分の速度で、常温に冷却して固化させた試験片の表面の電子顕微鏡写真を図31に示す。図31から判るように、粒状のものは球晶である。PBTの球晶の直径は概略数μmである。 FIG. 31 shows an electron micrograph of the surface of the test piece that was solidified by melting the PBT molded product at 240 ° C. and then cooling it to room temperature at a rate of 10 ° C./min. As can be seen from FIG. 31, the granular one is a spherulite. The diameter of the spherulite of PBT is approximately several μm.
ジュラネックス(PBT)の代表的なパターン
(i)脆性破面
起点には平滑な領域が見られ、その領域の周辺には放射状模様(リバーパターン)が観察される(図32、33および34参照)。
(ii)静的延性破面
静的延性破面はノッチなどの欠陥がある場合と欠陥がない場合とで破面模様が異なる。
(ii-1)欠陥がある場合の静的延性破面
破面全体に小さなディンプル模様(蓮の葉状模様)が密集した状態が現れる(図39〜41参照)。
(ii-2)欠陥がない場合の静的延性破面
試験片は広い領域でネッキングを伴って破壊し、その破面には大きなすり鉢状のディンプル模様が出現し、ディンプルの中には縞状模様が観察される(図46〜48参照)。
(iii)疲労破面
破面全体にやや平滑な小さなディンプル模様(蓮の葉状模様)が密集した状態が現れる。(図53〜56参照)。
欠陥がある場合の静的延性破面に酷似している。破面の末端付近では小さなディンプル模様を拡大するとディンプル模様の中あるいは隣り合ったディンプルの境目に縞状模様(ストライエイションパターン)が観察される(図57〜59参照)。
(iv)クリープ破面
破面全体にやや平滑な小さなディンプル模様(蓮の葉状模様)が密集した状態が現れる(図67、68参照)。
Typical pattern of Duranex (PBT)
(i) Brittle fracture surface A smooth region is observed at the starting point, and a radial pattern (river pattern) is observed around the region (see FIGS. 32, 33, and 34).
(ii) Static Ductile Fracture The static ductile fracture has a different fracture surface pattern when there is a defect such as a notch and when there is no defect.
(ii-1) Static Ductile Fracture Surface with Defects A small dimple pattern (lotus leaf-like pattern) appears densely over the entire fracture surface (see FIGS. 39 to 41).
(ii-2) Static ductile fracture surface in the absence of defects The specimen fractured with necking in a wide area, and a large mortar-shaped dimple pattern appeared on the fracture surface, and a stripe pattern in the dimple A pattern is observed (see FIGS. 46-48).
(iii) Fatigue fracture surface A slightly smooth small dimple pattern (lotus leaf-like pattern) appears densely over the entire fracture surface. (See FIGS. 53-56).
Very similar to a static ductile fracture surface with defects. When the small dimple pattern is enlarged near the end of the fracture surface, a stripe pattern (striation pattern) is observed in the dimple pattern or at the boundary between adjacent dimples (see FIGS. 57 to 59).
(iv) Creep fracture surface A slightly smooth small dimple pattern (lotus leaf-like pattern) appears densely over the entire fracture surface (see FIGS. 67 and 68).
上記塩基性溶液処理又はUV前処理後の塩基性溶液処理により、表面の温度が上昇しすぎることなく、マイルドにエッチングされるので、破面の特徴的な形状を損なうことなく破面をエッチングして、破面直下の球晶の形態を出現させることが可能である。
(実施例)
By the basic solution treatment or the basic solution treatment after the UV pre-treatment, the surface is mildly etched without excessively increasing the surface temperature, so that the fractured surface is etched without impairing the characteristic shape of the fractured surface. Thus, it is possible to make a spherulite form just below the fracture surface appear.
(Example)
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
<使用機器>
・表面処理:センエンジニアリング(株)製、紫外線表面改質装置PL8−200(主波長:185nm、及び254nm、出力200W)
・電子顕微鏡:(株)日立製作所製、走査型電子顕微鏡S−2700
・蒸着装置:(株)日立製作所製、イオンスパッタ装置E1030
・偏光顕微鏡:オリンパス光学社製、偏光顕微鏡BH−2
・ミクロトーム:大和光機工業(株)製、回転式ミクロトーム
Hereinafter, the present invention will be described specifically with reference to Examples, but the present invention is not limited thereto.
<Equipment used>
・ Surface treatment: manufactured by Sen Engineering Co., Ltd., UV surface modification device PL8-200 (main wavelength: 185 nm and 254 nm, output: 200 W)
-Electron microscope: Scanning electron microscope S-2700 manufactured by Hitachi, Ltd.
・ Evaporation equipment: Ion sputtering equipment E1030, manufactured by Hitachi, Ltd.
-Polarizing microscope: Polarizing microscope BH-2 manufactured by Olympus Optical Co., Ltd.
・ Microtome: Rotary microtome manufactured by Daiwa Koki Kogyo Co., Ltd.
観察法
(O)走査型電子顕微鏡による破面の観察
(A)破面側からの破面直下の球晶の形態観察
特に、(1)ソフトエッチング処理破面のSEMによる破面直下の組織観察
(B)破面断面の破面近傍の球晶の形態観察
特に、(2)破面断面の偏光顕微鏡による微細構造観察
特に、(3)ソフトエッチング断面のSEMによる観察
なお、(O)走査型電子顕微鏡による破面の観察結果は、(1)〜(3)の観察結果に加える形で記載している。
Observation method (O) Observation of fracture surface by scanning electron microscope (A) Observation of morphology of spherulite just below fracture surface from fracture surface In particular, (1) Microstructural observation of fracture surface just below fracture surface by SEM (B) Observation of morphology of spherulite near fracture surface of fracture surface cross-section In particular, (2) Microstructure observation of fracture cross-section by polarization microscope In particular, (3) SEM observation of soft-etched cross-section The observation result of the fracture surface by the electron microscope is described in addition to the observation results of (1) to (3).
[I]ポリアセタールの破面の解析方法の実施例
判りやすく、非強化ポリアセタールの成形加工品を引張り破壊試験により静的延性破壊させた延性破面(i)、ギアの疲労耐久試験により疲労破壊させた疲労破面(ii)、アイゾット衝撃試験により脆性破壊させた試料の脆性破面(iii)について、上記観察法を用いて解析した。
[I] Example of analysis method for fracture surface of polyacetal Intelligible, ductile fracture surface (i) obtained by statically ductile fracture of a non-reinforced polyacetal molded product by tensile fracture test, and fatigue fracture by gear fatigue durability test The fatigue fracture surface (ii) and the brittle fracture surface (iii) of the sample brittlely fractured by the Izod impact test were analyzed using the above observation method.
以下、上記観察法を用いて解析した例について各破面につき説明する。
(1)ソフトエッチング処理破面の走査型電子顕微鏡観察
用いた試料の破面は下記に示すようなそれぞれ異なった特徴的な破面パターンを有する。
(i)静的延性破面:起点領域でのディンプル模様、ディンプル内の縞状模様が観察される(図6および7参照)。
(ii)疲労破面:縞状模様が観察される(図10および11参照)。
(iii)脆性破面:放射状模様(リバーパターン)とウロコ状の模様が観察される(図1〜3参照)。
(i)の延性の縞状模様、(ii)の疲労の縞状模様は破面をそのまま観察する限りでは、非常に酷似しており判別が困難で間違えやすいパターンの一つとされる。
エッチングの条件として、これらの模様が保持された状態で破面直下の組織を出現させなければならない。
Hereinafter, an example of analysis using the above observation method will be described for each fractured surface.
(1) Scanning Electron Microscope Observation of the Fracture Surface of the Soft Etching Treatment The fracture surface of the sample used has different characteristic fracture surface patterns as shown below.
(i) Static Ductile Fracture: A dimple pattern in the starting region and a striped pattern in the dimple are observed (see FIGS. 6 and 7).
(ii) Fatigue fracture surface: A stripe pattern is observed (see FIGS. 10 and 11).
(iii) Brittle fracture surface: A radial pattern (river pattern) and a scale-like pattern are observed (see FIGS. 1 to 3).
The ductile striped pattern (i) and the fatigued striped pattern (ii) are very similar and are one of the patterns that are very difficult to discriminate and easily mistaken as long as the fracture surface is observed as it is.
As a condition for the etching, a structure immediately below the fractured surface must appear while these patterns are maintained.
ポリアセタールは紫外線で劣化する材料であるため、エッチング方法として短波長UV照射装置による紫外線照射(S1)を利用した。同一破面でエッチング前とエッチング後の破面の変化を比較する必要があるため、まず、エッチング前の破面をSEMにて観察し、破面の写真を撮影する。絶縁物をSEM観察する場合は帯電防止のために観察面に金属蒸着を施すが、ここでは白金−パラジウムを蒸着させている。さらに通常の観察では130秒間程度の蒸着を行っているが、同一破面でエッチング前後の破面の変化を観察することが重要であるため、エッチング前の観察を行うために1次蒸着された破面をエッチングしなければならない。そこで、エッチング前の未処理観察の蒸着時間を80秒と短くした。
次にエッチング処理について説明する。まず、一次蒸着してSEM観察に使用した破面を、アセトン溶媒中で超音波洗浄する。洗浄後、風乾させたサンプルをUV照射する破面を上にしてUV照射装置内にセットする。光源との距離40mm、照射時間70分、又は脆性破壊の場合は60分、に設定し、UV照射後、サンプルを取り出し、アセトンで洗浄した後、白金−パラジウムを二次蒸着させる。エッチングされた破面上でエッチング処理前に観察した同じ場所を電子顕微鏡にて観察すると球晶の形態が出現した状態が観察される。
各破面のいずれも、上記の手順で破面のエッチング処理を行う。
Since polyacetal is a material that is degraded by ultraviolet light, ultraviolet irradiation (S1) using a short-wavelength UV irradiation device was used as an etching method. Since it is necessary to compare the change of the fracture surface before and after etching with the same fracture surface, first, the fracture surface before etching is observed with an SEM, and a photograph of the fracture surface is taken. When observing an insulator by SEM, metal deposition is performed on the observation surface to prevent electrification. Here, platinum-palladium is vapor-deposited. Further, in normal observation, vapor deposition is performed for about 130 seconds. However, since it is important to observe changes in the fracture surface before and after etching with the same fracture surface, primary vapor deposition was performed to perform observation before etching. The fracture surface must be etched. Therefore, the deposition time for unprocessed observation before etching was reduced to 80 seconds.
Next, the etching process will be described. First, the fractured surface used for the primary vapor deposition and SEM observation is ultrasonically cleaned in an acetone solvent. After washing, the air-dried sample is set in a UV irradiation device with the fracture surface for UV irradiation facing up. The distance from the light source is set to 40 mm, the irradiation time is set to 70 minutes, or in the case of brittle fracture, set to 60 minutes. After UV irradiation, the sample is taken out, washed with acetone, and platinum-palladium is secondarily deposited. When the same place observed before the etching treatment on the etched fracture surface is observed with an electron microscope, a state in which a spherulite form appears is observed.
Each of the fractured surfaces is subjected to the etching treatment of the fractured surface according to the above procedure.
各破面のエッチング破面の破面側から見た観察結果を示す。
(i)静的延性破面(図8および9参照)
・破面全体に球晶が大きく塑性変形した状態が観察される。
・縞状模様は球晶が大きく変形し、球晶と球晶との間のずれにより隙間(亀裂)が生じている部分である。
(ii)疲労破面(図12および13参照)
・球晶の大きな変形はなく、球晶の形が観察される。
・縞状模様は球晶内に生じた亀裂である。
(iii)脆性破面(図4および5参照)
・変形していない球晶が破面全体に出現した。これは、破壊が球晶の塑性変形を伴わないで生じていることを示唆している。
上記の結果から、非強化ポリアセタールの区別しにくい静的延性破面と疲労破面及び脆性破面についても、エッチングされた破面の状態が異なることが明らかとなった。
The observation result seen from the fracture side of the etching fracture surface of each fracture surface is shown.
(i) Static ductile fracture (see FIGS. 8 and 9)
・ A state in which the spherulite is largely plastically deformed is observed on the entire fracture surface.
The striped pattern is a portion in which spherulites are greatly deformed and gaps (cracks) are generated due to displacement between spherulites.
(ii) Fatigue fracture surface (see FIGS. 12 and 13)
-There is no significant deformation of the spherulite, and the shape of the spherulite is observed.
-The striped pattern is a crack generated in the spherulite.
(iii) Brittle fracture surface (see FIGS. 4 and 5)
・ Undeformed spherulites appeared on the entire fracture surface. This suggests that the fracture occurred without plastic deformation of the spherulites.
From the above results, it was clarified that the state of the etched fracture surface was different between the static ductile fracture surface, the fatigue fracture surface, and the brittle fracture surface of the unreinforced polyacetal, which are difficult to distinguish.
(2)破面断面の偏光顕微鏡による微細構造観察
エポキシ樹脂にて包埋した各破壊品の破面断面をミクロトームで切削し、10μm程度の薄いフイルムを作成する。偏光顕微鏡を用いて薄いそのフィルムについてオルソスコープ観察を行う。各破面の断面の微細構造観察結果を示す。
(i)静的延性破面(図14および15参照)
・破面直下では球晶が稲穂状に大きく塑性変形し、円形の球晶の形は観察されない。
・塑性変形した球晶と球晶の間にずれが生じている。
(ii)疲労破面(図16および17参照)
・破面の直下でも大きな塑性変形のない球晶の形が観察される。
・破壊は球晶の内部あるいは球晶間で生じている。
・1つの球晶の中に複数の筋(亀裂)が観察される。
(iii)脆性破面(図18および19参照)
・破面の直下には球晶の形が観察される。
・破壊は球晶内又は球晶間で生じている。
・破壊が球晶の塑性変形を伴わないで生じている。
上記の結果から、破面断面の微細構造観察においても静的延性破面と疲労破面とではエッチング破面の観察結果と同様に、破面直下の球晶組織の状態が異なっていることが明らかとなった。
(2) Observation of the microstructure of the cross section of the fracture surface using a polarizing microscope The cross section of the fracture surface of each fractured product embedded in epoxy resin is cut with a microtome to create a thin film of about 10 μm. An orthoscopic observation is made on the thin film using a polarizing microscope. The microstructure observation result of the cross section of each fractured surface is shown.
(i) Static ductile fracture (see FIGS. 14 and 15)
・ Under the fracture surface, the spherulites undergo large plastic deformation like rice ears, and no circular spherulites are observed.
-There is a shift between the plastically deformed spherulites.
(ii) Fatigue fracture surface (see FIGS. 16 and 17)
-A spherulite shape without large plastic deformation is observed just below the fracture surface.
・ Fracture occurs inside or between spherulites.
-Multiple streaks (cracks) are observed in one spherulite.
(iii) Brittle fracture surface (see FIGS. 18 and 19)
-Spherulite shape is observed immediately below the fracture surface.
・ Fracture occurs within or between spherulites.
・ Fracture occurs without plastic deformation of spherulite.
From the above results, in the microstructure observation of the cross section of the fracture surface, the state of the spherulite structure just below the fracture surface is different between the static ductile fracture surface and the fatigue fracture surface, as in the observation result of the etching fracture surface. It became clear.
(3)破面断面のUVエッチング観察
(2)の観察においてミクロトームで切削された断面に破面と同様のUVエッチングを施す。この時、照射時間を破面で実施した60分より長めの80分とする。照射後に切削面をアセトン洗浄、白金−パラジウム蒸着させた後、エッチング断面のSEM観察を行う。各破面のUVエッチング断面の観察結果を示す。
(i)静的延性破面(図20及び21参照)
・破面の直下では球晶が稲穂状に大きく塑性変形し、球晶の形は観察されない。
・大きく塑性変形した球晶と球晶の間に隙間(亀裂)が生じている。
(ii)疲労破面(図22および23参照)
・破面の直下でも大きな塑性変形のない球晶の形が観察される。
・破壊は球晶の内部あるいは球晶間で生じている。
(iii)脆性破面(図24および25参照)
・破面の直下には球晶の形が観察される。
・破壊は球晶内又は球晶間で生じている。
・破壊が球晶の塑性変形を伴わないで生じている。
上記の結果から、UVエッチング断面の観察においても、静的延性破面と疲労破面と脆性破面では破面直下の球晶組織の状態が異なっていることが明らかとなった。
上述の、UVエッチング破面観察、破面断面の微細構造観察およびUVエッチング断面の観察をまとめると以下のことが明らかとなった。
(i)静的延性破面
・静的延性破面のディンプルは球晶の大きな塑性変形を伴った破壊である。
・縞状模様は球晶がずれることで生じた球晶間の隙間(亀裂)である。
(ii)疲労破面
・疲労破面は球晶の大きな塑性変形を伴わない球晶内あるいは球晶間で生じる破壊である。
・縞状模様は疲労の繰り返しにより1つ1つの球晶内に発生した亀裂である。
(iii)脆性破面
・脆性破面は球晶の塑性変形を伴わない球晶内あるいは球晶間の破壊である。
(3) UV Etching Observation of Cross Section of Fracture Surface In the observation of (2), the same section as the fracture surface is subjected to UV etching on the cross section cut by the microtome. At this time, the irradiation time is set to 80 minutes, which is longer than the 60 minutes performed on the fracture surface. After the irradiation, the cut surface is washed with acetone and platinum-palladium deposited, and then the SEM observation of the etched cross section is performed. The observation result of the UV etching cross section of each fracture surface is shown.
(i) Static ductile fracture (see FIGS. 20 and 21)
・ Under the fracture surface, the spherulites undergo large plastic deformation like rice ears, and no spherulites are observed.
-A gap (crack) is generated between spherulites that have undergone large plastic deformation.
(ii) Fatigue fracture surface (see FIGS. 22 and 23)
-A spherulite shape without large plastic deformation is observed just below the fracture surface.
・ Fracture occurs inside or between spherulites.
(iii) Brittle fracture surface (see FIGS. 24 and 25)
-Spherulite shape is observed immediately below the fracture surface.
・ Fracture occurs within or between spherulites.
・ Fracture occurs without plastic deformation of spherulite.
From the above results, it was revealed that the state of the spherulite structure immediately below the fracture surface differs between the static ductile fracture surface, the fatigue fracture surface, and the brittle fracture surface also in the observation of the UV-etched cross section.
The following is clarified by summarizing the observation of the UV etching fracture surface, the observation of the microstructure of the fracture surface cross section, and the observation of the UV etching cross section.
(i) Static Ductile Fracture / Dimples in a static ductile fracture are fractures accompanied by large plastic deformation of spherulites.
A striped pattern is a gap (crack) between spherulites caused by a shift of the spherulites.
(ii) Fatigue fracture / Fatigue fracture is a fracture that occurs within or between spherulites without large plastic deformation of the spherulites.
The striped pattern is a crack generated in each spherulite due to repeated fatigue.
(iii) Brittle fracture / brittle fracture is a fracture within or between spherulites without plastic deformation of the spherulites.
上記観察方法による破面直下の球晶の形態の調査結果により、ポリアセタールの静的延性破面と疲労破面では破面パターンの発現機構が異なっていることが判り、破壊様式を区別できることが明らかとなった。
従って、破面をそのまま観察するだけでは破面パターンの判別が困難で破壊様式を決定できない場合でも、試料が球晶組織を有する結晶性高分子材料であるならば、エッチング破面および破面断面の観察が判別困難な破面パターンを判別させ、破壊様式を決定できる有効な手段となり得ることが明らかとなった。
The results of the spherulite morphology analysis just below the fracture surface by the above observation method show that the mechanism of the fracture surface pattern is different between the static ductile fracture surface and the fatigue fracture surface of polyacetal, and it is clear that the fracture mode can be distinguished. It became.
Therefore, even if it is difficult to determine the fracture pattern by simply observing the fracture surface as it is and cannot determine the fracture mode, if the sample is a crystalline polymer material having a spherulite structure, the etched fracture surface and fracture surface cross section It has been clarified that it can be an effective means to determine a fracture mode by making a fracture surface pattern that is difficult to discriminate.
[II]芳香族ポリエステルの破面の解析方法の実施例
判りやすく、非強化ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ジュラネックスTM2002(ポリプラスチックス(株)社製)成形加工品の試験片を、アイゾット衝撃試験により破壊させた脆性破面(i)、曲げ破壊試験により破壊させた静的延性破面(ii)(ノッチのような欠陥がある場合(ii-1)と無い場合(ii-2)とで破面パターンが異なる)、引張疲労試験により破壊させた疲労破面(iii)について、前述のポリアセタールと同様に、上記観察法を用いて解析した。
[II] Example of Analysis Method for Fracture Surface of Aromatic Polyester A plain, unreinforced polybutylene terephthalate (PBT), Duranex ™ 2002 (manufactured by Polyplastics Co., Ltd.) molded article test piece was used for Izod Brittle fracture surface (i) fractured by impact test, static ductile fracture surface (ii) fractured by bending fracture test (with and without defect (ii-1) and (ii-2) The fracture surface (iii), which was broken by the tensile fatigue test, was analyzed using the above-mentioned observation method, similarly to the above-mentioned polyacetal.
塩基性溶液
水酸化ナトリウム(試薬特級)及びエタノール(試薬特級)を用いて、水酸化ナトリウムの10重量%エタノール溶液を調製し、窒素置換して暗冷所に保存した。
UV前処理
上述したポリアセタールの項参照。
Basic solution A 10% by weight solution of sodium hydroxide in ethanol was prepared using sodium hydroxide (reagent grade) and ethanol (reagent grade), and the solution was replaced with nitrogen and stored in a dark place.
UV pretreatment See polyacetal section above.
破面に白金−パラジウムを厚さ8nmに1次蒸着させた試料を用いて、SEMにより模様を観察した後、試料を、アセトン溶媒中で超音波洗浄する。風乾させた試料をUV照射する破面を上にして短波長UV照射装置にセットする。光源との距離を約30mm、照射時間60分に設定し、UV照射して前処理する。
その後、上記塩基性溶液に脆性破面の場合は4時間、静的延性破面および疲労破面の場合は1時間、常温下で浸漬する。サンプルを取り出して、水洗、アセトン洗浄後、白金−パラジウムを二次蒸着させる。エッチング破面を電子顕微鏡にて観察する。各破面のいずれも、上記の手順で破面のエッチング処理を行う。
Using a sample in which platinum-palladium is primary-deposited to a thickness of 8 nm on the fracture surface, a pattern is observed by SEM, and the sample is ultrasonically washed in an acetone solvent. The air-dried sample is set in a short-wavelength UV irradiator with the fracture surface for UV irradiation facing up. The distance from the light source is set to about 30 mm, the irradiation time is set to 60 minutes, and UV irradiation is performed to perform pretreatment.
Then, it is immersed in the above basic solution at room temperature for 4 hours for brittle fractures and 1 hour for static ductile fractures and fatigue fractures. After taking out the sample, washing with water and washing with acetone, platinum-palladium is secondarily deposited. The etching fracture surface is observed with an electron microscope. Each of the fractured surfaces is subjected to the etching treatment of the fractured surface according to the above procedure.
(1)ソフトエッチング処理破面の走査電子顕微鏡観察
用いた試料の破面は下記に示すようなそれぞれ異なった特徴的な破面パターンを有する。
(i)脆性破面:起点から放射状に放射状模様(リバーパターン)が観察される(図32、33、34参照)
(ii-1)欠陥がある場合の静的延性破面:破面全体に小さなディンプル模様(蓮の葉状模様)が密集した状態が現れる(図39〜41参照)。
(ii-2)欠陥が無い場合の静的延性破面:試験片は広い領域でネッキングを伴って破壊し、その破面には大きなすり鉢状のデインプル模様が出現し、ディンプルの中には縞状模様が観察される(図46〜48参照)。
(iii)疲労破面:破面全体にやや平滑な小さなディンプル模様(蓮の葉状模様)が密集した状態が現れる(図53〜56参照)。破面の末端付近では小さなディンプル模様を拡大するとディンプル模様の中あるいは隣り合ったディンプルの境目に縞状模様(ストライエイションパターン)が観察される(図57〜59参照)。
ポリブチレンテレフタレートは塩基性物質で劣化する材料であるため、エッチング方法として上記塩基性溶液を利用した。また、紫外線照射による前処理を行うと、球晶の形態が鮮明になるので好ましい。
各破面のエッチング破面の破面側から見た観察結果を示す。
(i)脆性破面
・脆性破面の特徴である放射状模様(リバーパターン)が保持された状態でかっ、破面をエッチングした直下に変形していない球晶(球晶の花びら模様)が破面全体に出現した(図35、36参照)。これは、破壊が球晶の塑性変形を伴わないで生じていることを示唆している。
(ii)静的延性破面
(ii-1)欠陥がある場合の静的延性破面
・小さなディンプル模様(蓮の葉状模様)の中心から放射状に亀裂が生じ、破面直下には球晶(球晶の花びら模様)は出現しない。(図42参照)。
・亀裂の下には球晶の花びら模様が出現している(図43)。これは、破面直下の変形領域が非常に狭いことを示唆している。
(ii-2)欠陥がない場合の静的延性破面
・破面直下には球晶(球晶の花びら模様)は出現しない。大きなすり鉢状のディンプル模様の中には縞状模様に沿って亀裂が生じている(図49、50参照)。
(iii)疲労破面
・小さなディンプル模様(蓮の葉状模様)の中心から放射状に亀裂が生じ、破面直下には球晶(球晶の花びら模様)は出現しない。(図60、61参照)。
・亀裂の下には球晶の花びら模様が出現している。これは、破面直下の変形領域が非常に狭いことを示唆している。
・ディンプル模様内あるいはディンプル模様間の縞状模様(ストライエイションパターン)に沿って亀裂が生じている(図62、63参照)。
上記の結果から、欠陥のある場合の静的延性破面と疲労破面についてエッチングされた破面の状態が酷似していることが明らかとなった。
(1) Scanning electron microscope observation of the fracture surface of the soft etching treatment The fracture surface of the sample used has different characteristic fracture surface patterns as shown below.
(i) Brittle fracture surface: A radial pattern (river pattern) is observed radially from the starting point (see FIGS. 32, 33, and 34).
(ii-1) Static Ductile Fracture Surface with Defects: A state in which small dimple patterns (lotus leaf-like patterns) are dense over the entire fracture surface appears (see FIGS. 39 to 41).
(ii-2) Static ductile fracture surface in the absence of defects: The specimen fractured with necking over a wide area, and a large mortar-shaped dimple pattern appeared on the fracture surface, with stripes in the dimples A pattern is observed (see FIGS. 46 to 48).
(iii) Fatigue fracture surface: A slightly smooth small dimple pattern (lotus leaf-like pattern) appears densely over the entire fracture surface (see FIGS. 53 to 56). When the small dimple pattern is enlarged near the end of the fracture surface, a stripe pattern (striation pattern) is observed in the dimple pattern or at the boundary between adjacent dimples (see FIGS. 57 to 59).
Since polybutylene terephthalate is a material degraded by a basic substance, the above-mentioned basic solution was used as an etching method. Pretreatment by irradiation with ultraviolet light is preferable because the spherulite becomes clear.
The observation result seen from the fracture side of the etching fracture surface of each fracture surface is shown.
(i) While the radial pattern (river pattern), which is a characteristic of brittle fracture / brittle fracture, is maintained, the spherulite (spheroidal petal pattern) that has not been deformed immediately below the fracture surface is broken. Appeared on the entire surface (see FIGS. 35 and 36). This suggests that the fracture occurred without plastic deformation of the spherulites.
(ii) Static ductile fracture
(ii-1) Statically ductile fracture when there is a defect. Radial cracks are generated from the center of small dimple pattern (lotus leaf pattern), and spherulites (spherulite petal pattern) appear just below the fracture surface. do not do. (See FIG. 42).
-A spherulite petal pattern appears under the crack (Fig. 43). This suggests that the deformation area immediately below the fracture surface is very narrow.
(ii-2) When there is no defect, spherulite (petal pattern of spherulite) does not appear under the static ductile fracture surface or just below the fracture surface. Cracks are formed along the striped pattern in the large mortar-shaped dimple pattern (see FIGS. 49 and 50).
(iii) Fatigue fracture ・ A crack is generated radially from the center of a small dimple pattern (lotus leaf pattern), and no spherulite (spherulite petal pattern) appears just below the fracture surface. (See FIGS. 60 and 61).
・ A spherulite petal pattern appears under the crack. This suggests that the deformation area immediately below the fracture surface is very narrow.
Cracks are generated along the stripe pattern (striation pattern) within the dimple pattern or between the dimple patterns (see FIGS. 62 and 63).
From the above results, it was clarified that the state of the fracture surface etched with respect to the static ductile fracture surface and the fatigue fracture surface when there was a defect was very similar.
(2)破面断面の偏光顕微鏡による微細構造観察
観察方法はポリアセタールと同じ。各破面の断面の微細構造観察結果を示す。
(i)脆性破面
・破面の直下に球晶の形が観察される。球晶のサイズは5μm前後で、ポリアセタールに比べて小さい(図37参照)。
・破壊が球晶の塑性変形を伴わないで生じている。
(ii)静的延性破面
(ii-1)欠陥がある場合の静的延性破面
・破面の直下では球晶が塑性変形し、円形状の球晶の形は観察されない(図44参照)。
・球晶が塑性変形している領域は非常に狭く、10μm程度である。
・狭い変形領域の下には変形していない球晶が観察される。
(ii-2)欠陥がない場合の静的延性破面
・破面の直下から広い領域で球晶が塑性変形し、円形状の球晶の形が観察されない。
・破面の直下には亀裂と思われる筋が観察される(図51参照)。
(iii)疲労破面(図64、65参照)
・破面の直下では球晶が塑性変形し、円形状の球晶の形は観察されない。
・球晶が塑性変形している領域は非常に狭く、10μm程度である。
・狭い変形領域の下には変形していない球晶が観察される。
・球晶の変形領域に細かな亀裂が生じている。
・複数の大きな亀裂が球晶の内部に生じている。
上記の結果から、破面断面の微細構造観察においても欠陥のある場合の静的延性破面と疲労破面とではエッチング破面の観察結果と同様に、破面直下の球晶組織の状態が酷似していることが明らかとなった。
(2) Observation of microstructure of cross section of fracture surface by polarization microscope Observation method is the same as that of polyacetal. The microstructure observation result of the cross section of each fractured surface is shown.
(i) A spherulite is observed immediately below the brittle fracture surface. The size of the spherulite is around 5 μm, which is smaller than that of polyacetal (see FIG. 37).
・ Fracture occurs without plastic deformation of spherulite.
(ii) Static ductile fracture
(ii-1) Static ductile fracture when there is a defect The spherulite is plastically deformed immediately below the fracture surface, and no circular spherulite is observed (see FIG. 44).
The area where the spherulites are plastically deformed is very narrow, about 10 μm.
・ Undeformed spherulites are observed below the narrow deformation region.
(ii-2) Static defect ductility when there is no defect The spherulite is plastically deformed in a wide area from immediately below the fractured surface, and no circular spherulite is observed.
・ A streak that seems to be a crack is observed immediately below the fracture surface (see FIG. 51).
(iii) Fatigue fracture surface (see FIGS. 64 and 65)
-The spherulites undergo plastic deformation immediately below the fracture surface, and no circular spherulites are observed.
The area where the spherulites are plastically deformed is very narrow, about 10 μm.
・ Undeformed spherulites are observed below the narrow deformation region.
・ Small cracks are formed in the spherulite deformation region.
-Several large cracks are formed inside the spherulite.
From the above results, in the microstructural observation of the fracture surface cross section, the state of the spherulite structure immediately below the fracture surface is similar to the observation result of the etching fracture surface in the static ductile fracture surface and the fatigue fracture surface in the case where there is a defect. It turned out to be very similar.
(3)破面断面のアルカリエッチング観察
(2)の観察においてミクロトーム切削した断面に破面と同様のアルカリエッチングを施す。この時、浸漬時間を4時間とする。以後の処理は前述のポリアセタールと同様に行った。各破面のアルカリエッチング断面の観察結果を示す。
(i)脆性破面
・破面の直下に球晶の形(球晶の花びら模様)が観察される。球晶のサイズは5μm前後で、ポリアセタールに比べ小さい。(図38参照)。
・破壊が球晶の塑性変形を伴わないで生じている。
(ii)静的延性破面
(ii-1)欠陥がある場合の静的延性破面
・破面の直下では円形状の球晶の形(球晶の花びら模様)は観察されない(図45参照)。
・球晶が塑性変形している領域は非常に狭く、10μm程度である。
・狭い変形領域の下には変形していない球晶が観察される。
(ii-2)欠陥がない場合の静的延性破面
・破面の直下から広い領域で球晶が塑性変形し、円形状の球晶の形が観察されない。
・破面の直下には亀裂と思われる筋が観察される(図52参照)。
(iii)疲労破面(図65参照)
・破面の直下では球晶が塑性変形し、円形状の球晶の形は観察されない。
・球晶が塑性変形している領域は非常に狭く、10μm程度である。
・狭い変形領域の下には変形していない球晶が観察される。
・球晶の変形領域に細かな亀裂が生じている。
・複数の大きな亀裂が内部に生じている。
上記の結果から、アルカリエッチング断面の観察においても欠陥のある場合の静的延性破面と疲労破面では破面直下の球晶組織の状態が酷似していることが明らかとなった。
(3) Observation of Alkali Etching of Cross Section of Fracture Surface In the observation of (2), the cross section cut by the microtome is subjected to the same alkali etching as that of the fracture surface. At this time, the immersion time is 4 hours. Subsequent processing was performed in the same manner as in the above-mentioned polyacetal. The observation result of the alkali etching cross section of each fracture surface is shown.
(i) A spherulite (petal pattern of spherulite) is observed just below the brittle fracture surface. The size of the spherulite is around 5 μm, which is smaller than that of polyacetal. (See FIG. 38).
・ Fracture occurs without plastic deformation of spherulite.
(ii) Static ductile fracture
(ii-1) When there is a defect, a circular spherulite shape (petal pattern of spherulite) is not observed immediately below the static ductile fracture surface / fracture surface (see FIG. 45).
The area where the spherulites are plastically deformed is very narrow, about 10 μm.
・ Undeformed spherulites are observed below the narrow deformation region.
(ii-2) Static defect ductility when there is no defect The spherulite is plastically deformed in a wide area from immediately below the fractured surface, and no circular spherulite is observed.
・ A streak that seems to be a crack is observed immediately below the fractured surface (see FIG. 52).
(iii) Fatigue fracture surface (see Fig. 65)
-The spherulites undergo plastic deformation immediately below the fracture surface, and no circular spherulites are observed.
The area where the spherulites are plastically deformed is very narrow, about 10 μm.
・ Undeformed spherulites are observed below the narrow deformation region.
・ Small cracks are formed in the spherulite deformation region.
-Several large cracks are formed inside.
From the above results, it has been clarified that the state of the spherulite structure immediately below the fracture surface is very similar between the static ductile fracture surface and the fatigue fracture surface when there is a defect in the observation of the alkali-etched cross section.
上述の、PBTについての破面観察、破面断面の微細構造観察およびアルカリエッチング断面観察をまとめると以下のことが明らかとなった。
(i)脆性破面
・脆性破面は球晶の塑性変形を伴わない球晶内あるいは球晶間の破壊である。
(ii)静的延性破面
(ii-1)欠陥がある場合の静的延性破面
・20μm程度の局部的な球晶の大変形を伴った破壊である。
・小さなディンプル(蓮の葉模様)は核を中心として複数の球晶が放射状に大変形した状態。
(ii-2)欠陥がない場合の静的延性破面
・破面直下から深さ方向に広い領域にわたり球晶の大変形を伴った破壊である。
・縞状模様は、球晶の大変形により生じた球晶間の亀裂である。
(iii)疲労破面
・20μm程度の局部的な球晶の大変形を伴った破壊である。
・小さなディンプル(蓮の葉模様)は核を中心として複数の球晶が放射状に大変形した状態。
・縞状模様は疲労作用により球晶間あるいは変形した球晶内部に生じた亀裂である。
When the above-mentioned observation of the fracture surface, observation of the microstructure of the fracture surface cross section, and observation of the alkali etching cross section of the PBT are summarized, the following becomes clear.
(i) Brittle fracture / brittle fracture is a fracture within or between spherulites without plastic deformation of the spherulites.
(ii) Static ductile fracture
(ii-1) Static ductile fracture surface when there is a defect. This is a fracture accompanied by local large deformation of spherulite of about 20 μm.
・ A small dimple (lotus leaf pattern) is a state in which multiple spherulites have undergone large radial deformation around the nucleus.
(ii-2) Fracture accompanied by large deformation of spherulite over a wide area in the depth direction from immediately below the static ductile fracture surface or fracture surface when there is no defect.
-Striped patterns are cracks between spherulites caused by large deformation of spherulites.
(iii) Fatigue fracture: This is a fracture accompanied by a large local spherulite deformation of about 20 μm.
・ A small dimple (lotus leaf pattern) is a state in which multiple spherulites have undergone large radial deformation around the nucleus.
The striped pattern is a crack formed between spherulites or inside a deformed spherulites due to fatigue action.
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