JP2005098951A - 液体の物性測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】硬化反応時の粘度変化から臨界露光量、硬化深度、光の透過深度等の光硬化性液体の硬化特性を広い範囲の光硬化性液体に対して簡便に、且つ簡単な構成と簡便な機器の調整で測定できる測定方法及び測定装置を提供する。
【解決手段】荷重センサー２に接続され静止している透明な静止平板１と、くさび形をなすように配置されている振動平板３の間に測定すべき光硬化性液体試料Ｓを挟持した状態で、振動平板３に扇状の振動運動を起こし、静止平板１が受ける力Ｆを検出し、次いで静止平板１の方向から静止平板１を通して光硬化性液体試料に光を照射し、硬化反応の開始に伴う当該液体試料の粘度の増加により静止平板１が受ける力の経時変化を検出し、積算光量と検出された力から光硬化性液体が硬化反応を始める臨界露光量Ｅ_ｃと、光硬化性液体の硬化深度ｈと、光の透過深度βを算出することができる。
【選択図】図１

Description

発明の詳細な説明

本発明は、液体の粘度および液体が光硬化性液体である場合の臨界露光量と硬化深度と透過深度とを測定する液体の物性測定装置に関するものである。

従来、液体の粘度測定は、毛細管粘度計、回転粘度計、振動式粘度計および落球粘度計等で測定されている。液体の粘度が未知な場合、粘度を正確に測定するまで、試行錯誤的に粘度計の種類の変更、または粘度計の部品交換を何度も行う必要がり、さらに液体の粘度から測定サンプルを多量に必要とする場合がある等の問題があった。そのため粘度未知の液体に対して少量で粘度を簡便に測定する方法の開発が望まれている。しかしながら、現在のところ、このような要望に対応する測定方法は未だ開発されていない。

また、紫外線や可視光線により、硬化反応を起こすアクリル系モノマーやエポキシ系モノマーを中心とした光硬化性液体は、様々な用途で用いられており、その光硬化特性に関する研究は過去にいくつか報告されている。その中でも、光硬化反応が開始する臨界積算露光量と、光照射面からゲル成長末端までの硬化深度、光硬化性液体が持つ固有の光透過深度は、光硬化反応系を利用するＵＶ硬化インキを用いた印刷システムのシステム構成、プロセススピードおよび光造形システムの造形パラメータ等を決定する上で重要である。特に光透過深度は光硬化反応系の設計において、特定波長の光照射面からゲル成長末端の深さと露光量との相関を予測する為に重要である。これらの光硬化特性を測定する方法はこれまで、（１）回転粘度計を用いる臨界積算露光量の測定、（２）露光量を変化させて硬化させた硬化物の厚みから硬化深度を直接測定および（３）紫外−可視吸光光度計による光透過深度の測定を別々に行っていた。

前記（１）の方法は、円錘または平円盤と平円盤の間に光硬化性液体試料を充填し、石英ガラス製の下側の平円盤を通して前記試料に光を照射しながら上側の円錐もしくは平円板を回転させる。露光開始後の円錘もしくは平円板のトルクの経時変化を連続的に記録する。時間が経過し、積算露光量が臨界露光量を越えると、平行円板間の樹脂は下側の静止ガラス円板側から硬化を開始し、トルクが増加する。この増加点における露光量から臨界露光量を求めることができる。

しかし、以上の測定方法において、円錐もしくは平円板と下側の平円板との間隔は数ｍｍから数１０ｍｍの範囲にあり、硬化深度が低い場合は、下部のみが硬化し、円錐もしくは平円盤が回転している上部は未硬化のままである場合、硬化反応が起こっているにもかかわらずトルク変化が検出されないという欠点がある。また、平円盤を使用した平行円盤粘度計や平行円板プラストメーターでは測定の精度を上げるため、二つの平円盤間のすき間をミクロン単位で一定の平行度に調整しなければならず、このために長い時間を要したり、高価な調整機構を内蔵したりしなければならない。さらに、円錐を使用する場合は、顔料やフィラー等を充填した系に適用できないという欠点がある。

前記（２）の方法は、シャーレ等の容器中に液体試料を満たし、上部開放面側ら一定の露光量を照射し、光硬化させる。その後、硬化した部分をピンセット等で摘み取り、未硬化成分を拭取ってからマイクロメータ等で厚みを測定する。しかし、この方法の場合、未硬化成分の拭取りに個人差があるため、誤って半ゲル状の硬化物を拭取ってしまう場合があり、測定値の再現性が低くなる欠点がある。

前記（３）の方法は紫外一可視吸光光度計を使用して、得られた吸光係数の逆数から透過深度を求める方法であるが、液体試料を低い濃度に希釈しなければならず、また、顔料分散系、フィラー分散系等には適用できないため、適用できる材料に制限が生じる欠点がある。

発明が解決しようとする課題

以上のように、従来の液体の物性測定装置の測定方法及びにおいては、粘度未知の液体の粘度を測定するためには、粘度を正確に測定するまで、試行錯誤的に粘度計の種類の変更、または粘度計の部品交換を何度も行う必要があり、さらに液体の粘度から測定試料を多量に必要とする場合がある等、煩雑な工程を踏まなければならず。希少な試料を測定するには難があった。

また、測定試料とする液体が光硬化性液体である場合、臨界露光量、硬化深度、光の透過深度はそれぞれ別の方法により測定されるため、機器の調整、測定に長時間を要する、測定結果が試料の状態を反映していない、適用できる試料に制限がある等実用上問題の多いものだった。

本発明は上記問題点の解決を目的とするものであり、少量の測定試料で粘度未知の液体の粘度測定を可能とし、さらに、測定試料とする液体が光硬化性液体である場合、測定試料の硬化反応時の粘度変化から臨界露光量、硬化深度、および光の透過深度等の光硬化性液体の硬化特性を広い範囲の光硬化性液体に対して簡便に、且つ簡単な構成と簡便な機器の調整で測定できる測定装置を提供しようとするものである。

課題を解決するための手段

上記課題を解決する手段として、本発明では、荷重センサーに接続され静止している静止平板と、該静止平板と向き合い該静止平板と鋭角のくさび形をなすように配置され且つ回転軸に接続され回転方向に運動することが可能で振動平板を備え、該静止平板と該振動平板の間に測定すべき液体試料を挟持した状態で、該回転軸が一定の周期で正転と逆転を繰り返すことにより該振動平板に扇状の運動を起こし、該静止平板が受ける力を検出し、液体試料の粘度を算出することを特徴とする、液体の粘度測定方法を有する測定装置。

さらに、透明な静止平板と、該静止平板に接続され、該静止平板が受ける力を検出するための荷重センサーと、回転軸と、該回転軸に接続され該回転軸４に正転と逆転を繰り返させるアクチュエータと、該静止平板と鋭角のくさび形をなすように配置され該回転軸に接続され回転方向に運動することが可能で透明な振動平板と、該静止平板を通して光硬化性液体試料に光を照射するための照射光源とを備えることを特徴とする液体の物性測定装置。

また測定すべき液体試料を光硬化性液体とした場合、荷重センサーに接続され静止している透明な静止平板と、該静止平板と向き合い該静止平板と鋭角のくさび形をなすように配置され且つ回転軸に接続され回転方向に運動することが可能で透明な振動平板を備え、該静止平板と該振動平板の間に測定すべき光硬化性液体試料を充填した状態で、該回転軸が一定の周期で正転と逆転を繰り返すことにより該振動平板に扇状の運動を起こし、該静止平板が受ける力を検出し、次いで該静止平板の方向から該静止平板を通して光硬化性液体試料に光を照射し、硬化反応の開始に伴う光硬化性液体試料の粘度の増加により該静止平板が受ける力の経時変化を検出し、積算光量と検出された力から光硬化性液体が硬化反応を始める臨界露光量と、光硬化性液体の硬化深度とを算出することを特徴とする液体の物性測定装置。

加えて、本発明によれば、測定すべき液体試料を光硬化性液体とした場合、上記光硬化性液体試料に光を照射するための光源に単一波長の光源を使用することにより、その波長における上記光硬化性液体固有の透過深度を算出することを特徴とする液体の物性測定装置が提供される。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は本発明の硬化特性測定装置の概略構成を示す図である。１は透明な静止平板であり、荷重センサー２と接続部材２１により接続されている。なお、荷重センサー２は静止平板１がうける力を接続部材２１を介して検出する

振動平板３は静止平板１に向き合い静止平板１と鋭角のくさび形をつくるように配置されている。また、静止平板１と振動平板３の隙間最大値が０．１〜１．０ｍｍになるように調整されている。更に振動平板３は上部を接続部材４１により回転軸４と接続され、回転軸の回転により回転方向に運動できる。なお、回転軸４はアクチュエータ５に接続されており、アクチュエータ動きに伴って正転、逆転運動を行うことができる。

また、光硬化性液体試料Ｓは静止平板１と振動平板３の隙間に挟持されるように充填される。

静止平板１、振動平板３は光を透過する厚さが２００〜５００μｍ例えば、ガラスプレート、石英プレート、ポリエステル系、ポリアクリル系、ポリカーボネート系などの透明プラスチックプレート等を用いることができる。尚、振動平板３に用いる材料は、光硬化性液体試料Ｓを透過した光を反射して、再び光硬化性液体試料Ｓが振動平板３側から光を照射されることがないような材料であれば、透明でなくとも用いることができる。
荷重センサー２は静止平板１にかかる荷重を力Ｆに変化するための荷重変換器（図示せず）に接続されている。

６は光の照射光源であり、静止平板の方向から静止平板を介して、光硬化性液体試料Ｓに光を照射できるように配置されている。光の照射光源としては、蛍光灯、紫外線蛍光灯、高圧水銀灯、超高圧水銀灯、キセノンランプ、メタルハライドランプ、紫外レーザー、可視レーザーなどの種々の光源を用いることができる。また、照射光源６から光硬化性液体試料に光を照射するために、ライトガイド６１および照射スポット６２を使用することができる。

次に図２〜図３を参照して本実施形態の液体の物性測定手順を説明する。振働平板３はアクチュエータの正転、逆転運動により回転軸及び接続部材を介して、扇状の正弦波振動運動を起こす。この正弦波振動運動の振幅は である。この振動により隙間内の液体試料Ｓは振働平板３から圧縮と引っ張りを受け、図２に示すように静止平板１と振動平板３のほぼ中心付近と両平板外縁との間を往復する振動流が生ずる。この振動流に起因して静止平板１に対して垂直方向に力Ｆが発生する。

振動平板３の振動角周波数をω（ｒａｄ／ｓ）、振動の角度振幅をε（ｒａｄ）とすると、ある時刻の静止平板１と振動平板３がなす角度δ（ｒａｄ）は時間ｔ（ｓ）の関数として式（１）となり、その時間的変化率は
δ＝δ_０＋εｓｉｎωｔ 式（１）
その時間的変化率は式（２）となる。
ｄδ／ｄｔ＝εωｃｏｓωｔ 式（２）
隙間内の液体の圧力ｐは平板の回転中心からの距離ｒにより変化するが、式（３）のように液体の粘度μに比例する。

ここで、ｒ_ｉ：回転中心からの内半径（ｍ）、ｒ_ｏ：静止平板１と振動平板３が形成するくさび形の隙間の回転中心からの外半径（ｍ）、である。・この圧力を平板全体に渡って積分することにより、平板に働く力Ｆと粘度μとの間に成立する関係を下記の式（４）に示すように導ける。
Ｆ＝μｒ_ｉωεｆ（α）・ｃｏｓ（ωｔ）／δ^３ 式（４）
ここで、α：＝ｒ_ｉ／ｒ_ｏ、ｆ（α）＝３（α−１）｛２α・ｌｎα／α^２−１）−１｝／２、であ

る。

体の粘度μを求めることができる。ここで、力Ｆは静止平板に固定した荷重センサーに接続された荷重変換器（図示せず）の出力から検出することができる。力Ｆと時間ｔとの関係の一例を図３に示す。
図３は、ｒ_ｉ＝１ｍｍ，α＝１６，粘度０．１Ｐａ・ｓ，ω＝１８８ ｒａｄ／ｓ，δ_０＝０．０５２ｒａｄ，ε＝０．００１６ｒａｄの条件の場合、静止平板が受ける力の経時変化を示すグラフである。本実施の形態によれば、従来装置では煩雑な工程を必要とした測定が簡単にできる様になった。

測定すべき液体試料が光硬化性液体である場合、光硬化性液体試料Ｓは光の照射による硬化反応を開始に伴い、光硬化性液体試料Ｓの粘度μは増加する。粘度μの増加に比例し検出される力Ｆも増加するので、光照射開始時からの力Ｆ

時時間ｔあるいは露光量Ｅ（＝ｌ・ｔ）の関数として図５のようにプロットすること

られる。

また図４に示すように光硬化性液体試料Ｓは光を照射する静止平板１側から経過時間ｔ_ｃ後に硬化を開始する。紫外線強度をｌとすれば、硬化特性のひとつである臨界露光量Ｅ_ｃはＥ_ｃ＝ｌ・ｔ_ｃの関係にある。硬化層の厚さを図４に示すようにｈ

始時からの力Ｆの経時変化を測定することにより、硬化深度ｈを求めることができる。静止平板１と振動平板２が形成する隙間はくさび形をしており且つ隙間の最大値も回転式粘度計の場合比べて狭いため、硬化深度ｈが低くても、少なくともくさび形部分の頂点付近では光硬化性液体試料Ｓの硬化反応によるゲル化が振動平板３まで及ぶため、静止平板１は光硬化性液体試料Ｓの変化の状態を鋭敏に検出することができる。

刻ｔ_ｃ以降のＥ_ｃ以上の露光量Ｅ（＝ｌ・ｔ）に対してＬｕｍｂｅｒｄ−Ｂｅｅｒの法則ｈ＝βｌｎ（Ｅ／Ｅ_ｃ）に従うことが知られている。よって、この法則と式６から以下の式７を導ける。

以上の手順により、図６に示すようなｈとｌｎ（Ｅ／Ｅ_ｃ）の関係から式（７）を用いて透過深度βが求まる。光源に単一波長のもの例えばレーザー光源等を用いることにより、その波長での透過深度が得られる。以上が光硬化樹脂の硬化特性を表す臨界露光量、硬化深度及び透過深度を求める測定手順である。本実施の形態により、従来装置では行えなかった光硬化樹脂の硬化特性すべてを同一の装置を用いて一回の測定で容易にかつ同時に算出することができる様になった。

なお、本実施の形態において液体とは水、油、アルコール、液状モノマー、液状オリゴマー、その他液体状化合物等の単一成分からなる液体のみならず、この液体に可溶または不溶な物質を溶解させた溶液または懸濁液、或いはこれらの混合溶液等をいうものとする。よって、塗料、インキ、スラリー、ペースト等も液体に含まれる。

また、本実施の形態において光硬化性液体とは、液体の範囲内に含まれるものであり、光照射により硬化反応を生起する液体（組成物）を意味し、液体状の光硬化性化合物自体、これに光重合開始剤を添加した組成物、液体状もしくは固体状の光硬化性化合物や光重合開始剤を溶剤に溶解・分散させた組成物、これらに樹脂成分、無機顔料、有機顔料、無機充填剤、有機充填剤、レベリング剤、増粘剤、カップリング剤等の各種添加剤を添加した組成物などを用いることができ、光硬化性化合物の硬化挙動の検討、光硬化性のインク、塗料、印刷版やプリント配線基板のエッチングレジスト、ソルダ−レジスト、光造形用樹脂、光硬化性の接着剤など種々の用途への適正組成の検討、硬化システムの検討など、目的に応じて種々の光硬化性液体の物性を測定することができる。また、上記した各成分についても従来公知のものは全て用いることができる。

発明の効果

以上のように本発明によれば、広い粘度範囲の粘度未知の液体に対して簡便に粘度を測定することができ、しかも使用する液体試料の量が非常に僅かであり、さらに装置構成の小型化が可能となるという利点がある。さらに、測定すべき液体試料が光硬化性液体である場合、簡単な構成と機器の調整で光硬化性液体のすべてを同一の装置を用いて一回の測定で容易にかつ同時に算出することができる。

本発明の光硬化性液体の硬化特性測定装置の概略構成図である。 振動平板の運動により隙間内の光硬化性液体試料に生じる往復流動とこの流動によって静止平板が受ける力の状態を示す概略図である。 ｒ_ｉ＝１ｍｍ，α＝１６，粘度０．１Ｐａ・ｓ，ω＝１８８ｒａｄ／ｓ，δ_０＝０．０５２ｒａｄ，ε＝０．００１６ｒａｄの条件の場合、静止平板が受ける力の経時変化を示すグラフである。 光硬化性液体試料が光照射開始時から時間ｔを経過して臨界積算露光量Ｅ_ｃ以上の露光量Ｅを照射された時点での状態を示す概略図である。

試料の硬化深度ｈと無次元露光量Ｅ／Ｅ_ｃと算出されるβの関係を示したグラフである。

符号の説明

１静止平板
２荷重センサー
３振動平板
４回転軸
５アクチュエータ
６照射光源
２１接続部材
４１接続部材
６１ライトガイド
６２照射スポット
Ｓ光硬化性液体試料

Claims (4)

1. 荷重センサーに接続され静止している透明な静止平板と、該静止平板と向き合い該静止平板と鋭角のくさび形をなすように配置され且つ回転軸に接続され回転方向に運動することが可能で透明な振動平板を備え、該静止平板と該振動平板の間に測定すべき液体試料を挟持した状態で、該回転軸が一定の周期で正転と逆転を繰り返すことにより該振動平板に扇状の運動を起こし、該静止平板が受ける力を検出し、液体試料の粘度を算出することを特徴とする、液体の粘度測定装置。
2. 請求項１に記載された装置において、該静止平板を通して光反応性液体試料に光を照射するための照射光源を備えてなることを特徴とする液体の物性測定装置。
3. 請求項２に記載された測定装置において、測定すべき液体試料を光硬化性液体とし、荷重センサーに接続され静止している透明な静止平板と、該静止平板と向き合い該静止平板と鋭角のくさび形をなすように配置され且つ回転軸に接続され回転方向に運動することが可能で透明な振動平板を備え、該静止平板と該振動平板の間に測定すべき光硬化性液体試料を挟持した状態で、該回転軸が一定の周期で正転と逆転を繰り返すことにより該振動平板に扇状の運動を起こし、該静止平板が受ける力を検出し、次いで該静止平板の方向から該静止平板を通して光硬化性液体試料に光を照射し、硬化反応の開始に伴う該液体試料の粘度の増加により該静止平板が受ける力の経時変化を検出し、積算光量と検出された力から光硬化性液体が硬化反応を始める臨界露光量と、光硬化性液体の硬化深度とを算出することを特徴とする液体の物性測定装置。
4. 請求項２に記載された液体の物性測定装置であって、測定すべき液体試料を光硬化性液体とし、上記光硬化性液体試料に光を照射するための光源に単一波長の光源を使用し、その波長における上記光硬化性液体固有の透過深度を算出することを特徴とする光硬化性液体の硬化特性測定装置。

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