JP2006029999A - 膜状粘弾性体用粘弾性特性測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】膜状粘弾性体の粘弾性特性を特別な試験片を作成することなく、テープ状の連続体の測定が可能な測定装置を提供する。
【解決手段】膜状粘弾性体を円形の窪みあるいは穴を有する台の上に載せる手段と、前記膜状粘弾性体を前記円形の窪みあるいは穴の周囲で一様に挟んで固定する手段と、前記周辺が固定された前記円形の膜状粘弾性体の中央部を円板状あるいは半球状の先端を有する押し棒で所定の量だけ押込む手段と、前記円形の膜状粘弾性体が所定の量だけ押込まれたときに発生する前記膜状粘弾性体の反発力を計測する手段とで構成する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、包装に用いられる各種プラスチックフィルム、産業用各種ゴムシート、各種紙類、および医療用生体膜など、膜状粘弾性体の粘弾性特性の測定装置に関し、特に、試験片の製作が不要で、製造ラインでの使用を可能とするために、テープ状に連続した膜状粘弾性体のヤング率の測定を可能とした装置に関する。

ゴムを含むプラスチック、植物繊維からなる紙類、および生体膜など、多くの高分子材料は、一定の変形を与えたときの応力が時間とともに減少する応力緩和特性および、一定の応力を印加したときの変形が時間とともに大きくなるクリープ特性を示し、粘弾性体と呼ばれている。
応力緩和特性とクリープ特性は、いずれも粘弾性体の特性を別の特性で表しているが、いずれか一方がわかれば、他方を求めることができる関係にあることが知られている。
物体の粘弾性特性は、その発生メカニズムが物体の種類や変形の大きさ、変形の速度などにより大きく異なる。
また、粘弾性特性は、液体に近い粘性流体から、通常は固体と考えられる物体にも表れるため、測定方法もその物体の状態によって異なる測定方法が利用されている。
粘性流体の粘弾性特性は、粘度計により測定するのが一般的である。
やわらかいプラスチックやゴムなどでは、ブロック状や板状の試験片については、試験片に一定の変形を与えてそのときの張力や圧縮力の時間変化を測定するか、試験片に一定の張力や圧縮力を印加し、そのときの変形量の時間変化を測定する静的粘弾性特性の測定と、試験片に交流的な変形や力を加えて、そのときの応力や変形量の周波数特性を測定する動的粘弾性特性測定法がある。

プラスチック一般およびプラスチックフィルム及びシートの引張特性試験法について、日本工業規格により測定方法が規定されている。（例えば、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３）
ＪＩＳ Ｋ ７１６１ プラスチック−引張特性の試験方法第１部：通則 ＪＩＳ Ｋ ７１２７ プラスチック−引張特性の試験方法 第３部：フィルム及びシートの試験方法 ＪＩＳ Ｋ ７１１５ プラスチック−クリープ特性の試験方法 第１部：引張クリープこれらの中で、膜状粘弾性体の特性を測定する場合には、所定の形状の試験片（例えば、非特許文献２、ＪＩＳ Ｋ ７１２７、第３頁、図２）を作成してその両端部を固定して、所定の速度で変形(引っ張り)を与え、そのときの変形量と応力の関係を測定するか、あるいは、ステップ状の一定の変形(引っ張り)を与え、変形印加後の応力の時間変化を測定するように規定されている。

図５は、従来の膜状粘弾性体の試験装置の原理を説明するための概略図である。図５において、帯状の試験片５１の両端部は試験片固定冶具５２および５３により固定されて、それぞれ、モータ駆動の引張り部５４と荷重検出部５５の間に装着される。モータ駆動の引張り部５４により、一様な速度の変位あるいはステップ状の変位を帯状の試験片５１に印加すると、そのときの荷重の変化を荷重検出部５５の出力により検出することができる。変位の制御と検出された荷重信号の処理は、内蔵されたマイコンあるいは、外部に接続されたパソコンにより、自動的に行われる。

図５で説明した従来の膜状粘弾性体の測定では、試験片を所定の寸法に切り出す必要があり、試験片の製作過程で生ずる特性変動の危険もあり、製造ラインの中で、現に流れている製品の特性を直接計測できないと言う欠点があった。
また、試験片を固定冶具にセットする必要があり、特に、膜が薄い場合には、試験片を固定冶具にセットするのが難しく、セットの仕方により、特性値がばらつくという欠点があった。

本発明によれば、
膜状粘弾性体を円形の窪みあるいは穴を有する台の上に載せる手段と、前記膜状粘弾性体を前記円形の窪みあるいは穴の周囲で一様に挟んで固定する手段と、前記周辺が固定された前記円形の膜状粘弾性体の中央部を円板状あるいは半球状の先端を有する押し棒で所定の量だけ押込む手段と、前記円形の膜状粘弾性体が所定の量だけ押込まれたときに発生する前記膜状粘弾性体の反発力を計測する手段で構成されることを特徴とする膜状粘弾性体用粘弾性特性測定装置を得ることができる。

本発明の膜状粘弾性体用粘弾性特性測定装置は、円形の開口部を有する膜載せ台の上に膜状粘弾性体を載せ、前記開口部に対応した押さえ具で膜を抑えた状態で、円形膜の中央部を先端の形状が円板状あるいは半球状の押し棒で、所定の量だけ押込み、そのときの反発力を測定するだけの簡単な構成で膜状粘弾性体の粘弾性特性を測定することができるため、試験片の製作が不要になる。
さらに、本発明の膜状粘弾性体用粘弾性特性測定装置によれば、従来の膜状粘弾性体の引張試験法では不可能であった連続したテープ状の膜状粘弾性体の測定も可能となり、製造ラインの中で、現に流れている製品の特性の直接計測が可能となりその効果は非常に大きい。

（動作原理）
図１および図２はともに、本発明の膜状粘弾性体用粘弾性特性測定装置の動作原理を説明するための断面図である。図１および図２において、それぞれ、半径Ｒの円形の膜状粘弾性体１１および２１が、周囲をリング状の固定具１２および２２で固定されており、円形膜の中央部を先端が半径ｒの円形の押し棒１３（図１）あるいは先端が半径ｒの半球状の押し棒２３（図２）で深さｄだけ押込まれた場合を示している。
図１および図２からわかるように、先端が半径rの円板状の押し棒１３あるいは先端が半径rの半球状の押し棒２３でｄだけ押込まれたとき、膜状粘弾性体１１および２１には、それぞれ、λａおよびλｂだけの伸びを生じ、この伸びによる張力の垂直成分の合計が膜の反発力Ｆとなり押込み荷重と釣り合うことになる。
図１において、円形膜１１の半径をＲ、押し棒１３の端面の半径をr、押込み量をｄとし、押込むときに押し棒１３の円周部分でのずれが無視できるとすれば、伸びλおよび押込み角φは、それぞれ（１）式および（２）式で与えられ一定の値となる。

伸びλに対して発生する張力Ｐは、円形膜のヤング率Ｅおよび円形膜の厚さｔに比例する。また、張力Ｐの径方向成分Ｐｒは打ち消され、張力Ｐの垂直成分Ｐｚは（３）式で与えられる。

（３）式において、定数Ｋは、円形膜の厚さをｔとしたとき、（４）式で与えられる。

（３）式および（４）式より求められる張力Ｐの垂直成分Ｐｚは、円形膜１１をｄだけ押込んだときの反発力Ｆに等しいので、円形膜１１のヤング率Ｅは、（５）式から求められる。

以上、図１の場合について、一定量ｄだけ押込んだときの反発力Ｆを計測することにより、円形膜１１のヤング率Ｅを求めることができることを説明したが、図２の場合にも、円形膜２１と押し棒２３の先端の半球との接触半径をrｃとし、接触半径ｒｃでの押込み量をｄｃとすれば、式１から式５において、半径rをrｃに置き換え、押込み量ｄをｄｃに置き換えることにより、円形膜２１のヤング率Ｅを同様に求めることができる。

図３は、本発明の膜状粘弾性体用粘弾性特性測定装置の構造例を示す断面図であり、（ａ）は、膜を押込む前の状態を示し、（ｂ）は膜を押込んでいる状態を示している。図３において、膜状粘弾性体３１は、円形の穴部３２が形成された膜載せ台３３の表面に載せられる。膜状粘弾性体３１はできるだけ張力の無い状態で膜載せ台３３に載せることが望ましいため、回転自在のローラ３４ａ．３４ｂをスプリング３５ａ，３５ｂにより保持した構造の張力調整機構が設けられている。３６は、先端が円形の押し棒であり、押し棒３６の他端部には、押込み荷重を検出するための荷重検出器３７が設けられ、押し棒３６が電磁ソレノイド３８により膜状粘弾性体３１を押込まれるときの荷重を計測するように構成されている。３９は、押し棒３６で膜状粘弾性体３１を押込む前に、膜載せ台３３に設けた円形の穴部３２の円周部分で膜の周囲を固定するように構成された膜押さえ具である。
図３の（ｂ）に示すように、膜押さえ具３９で膜を押さえた状態で、押し棒３６が所定の押込み量ｄだけ押込まれる。このときの荷重Ｆが、荷重検出器３７により検出される。
図４は、本発明の膜状粘弾性体用粘弾性特性測定装置を用いて、セロテープ（登録商標）、ビニールテープおよびラップフィルムを測定した測定例である。半径５ｍｍの穴をあけた膜載せ台にを用い、先端が半径３ｍｍの半球状の押し棒を使用して、押込み量ｄ＝０．８ｍｍだけ押込んで測定した。
図４の結果はいずれも膜状粘弾性体特有の応力緩和特性を示している。
図４の結果に対して、それぞれの膜の厚さを計測し、（１）式から（５）式を用いて求めたヤング率Ｅの値を表１に示す。
表１には、最大ヤング率Ｅｍａｘおよび押込み後１０秒でのヤング率Ｅ１０および、これらの比を示している。
最大ヤング率Ｅｍａｘと押込み後１０秒のヤング率Ｅ１０の比は、応力緩和率とも言える特性であり、粘弾性特性を表す１つの指標として有効である。

以上の説明は、膜の厚さtは別の測定手段によりあらかじめ計測してあるとの前提で行ったが、図３に示した、本発明の膜状粘弾性体用粘弾性特性測定装置において、膜押さえ具３９に位置センサを設け、膜押さえ具３９を膜が無い状態で膜載せ台３３に押つけたときの位置と、膜を挟んだときの位置の差から膜の厚さを計測するように構成することも容易である。

また、以上の説明では、押込み手段として、電磁ソレノイドを使用した場合について説明したが、電磁ソレノイドの代わりに、モータや圧電アクチュエータなどを用いることもできることは言うまでもないことである。
また、生体膜の場合、水分の含有率によりヤング率が大きく変化するものがあり、これらを測定する場合に、本発明の方法によれば、膜載せ台と膜押さえ具を液体中に入れて測定することも可能である。
さらに、チューブ状の膜状粘弾性体の場合にも、棒の先端部に膜載せ台を設け、チューブの開口部から膜載せ台を設けた棒を差込むことにより、チューブの開口部から一定の距離における粘弾性特性の測定が可能となる。

断面図本発明の膜状粘弾性体用粘弾性特性測定装置の動作原理を説明するための図である。 断面図本発明の膜状粘弾性体用粘弾性特性測定装置の動作原理を説明するための図である。 断面図本発明の膜状粘弾性体用粘弾性特性測定装置の一例の構造を示す図である。 本発明の膜状粘弾性体用粘弾性特性測定装置を用いて測定した測定例である。 斜視図従来の膜状粘弾性体の試験装置一例の概略図である。

符号の説明

１１，２１：膜状粘弾性体
１２，２２：リング状の固定具
１３：先端が円形の押し棒
２３：先端が半球状の押し棒
３１：膜状粘弾性体
３２：円形の穴部
３３：膜載せ台
３４ａ．３４ｂ：回転自在のローラ
３５ａ，３５ｂ：スプリング
３６：押し棒
３７：荷重検出器
３８：電磁ソレノイド
３９：膜押さえ具
５１：帯状の粘弾性体試験片
５２，５３：試験片固定冶具
５４：モータ駆動の引張り部
５５：荷重検出部

Claims (1)

1. 膜状粘弾性体を円形の窪みあるいは穴を有する台の上に載せる手段と、前記膜状粘弾性体を前記円形の窪みあるいは穴の周囲で一様に挟んで固定する手段と、前記周辺が固定された前記円形の膜状粘弾性体の中央部を円板状あるいは半球状の先端を有する押し棒で所定の量だけ押込む手段と、前記円形の膜状粘弾性体が所定の量だけ押込まれたときに発生する前記膜状粘弾性体の反発力を計測する手段で構成されることを特徴とする膜状粘弾性体用粘弾性特性測定装置
   

Images