JP2012103151A

JP2012103151A - 校正用標準試料および水蒸気透過度測定装置の校正方法

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Publication number: JP2012103151A
Application number: JP2010252576A
Authority: JP
Inventors: Shingo Nagai; 伸吾永井
Original assignee: Oike and Co Ltd
Current assignee: Oike and Co Ltd
Priority date: 2010-11-11
Filing date: 2010-11-11
Publication date: 2012-05-31
Anticipated expiration: 2030-11-11
Also published as: JP5395034B2

Abstract

【課題】水蒸気透過度を測定する高感度な水蒸気透過度測定装置を校正するための校正用標準試料、およびこの校正用標準試料を用いた水蒸気透過度測定装置の校正方法を提供する。
【解決手段】水蒸気透過度測定装置の校正に用いる標準試料であって、ステンレス製の管体１１と、この管体の内部に充填された樹脂１２と、前記管体の両端部に水蒸気透過度測定装置に接続するための継手１３とを有することを特徴とする校正用標準試料である。また、上記の校正用標準試料１０を水蒸気透過度測定装置の水蒸気導入ラインまたは水蒸気検出ラインに取り付けて水蒸気透過度測定装置を校正することを特徴とする水蒸気透過度測定装置の校正方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、水蒸気透過度を測定する装置を校正するための校正用標準試料、および水蒸気透過度測定装置の校正方法に関するものである。

水蒸気透過度（ＷａｔｅｒＶａｐｏｒＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＲａｔｅ：ＷＶＴＲ）は、透湿度とも呼ばれ、例えば食品包装などに用いられるプラスチックフィルムやプラスチックシートの性能を決定する重要な特性値である。そして、水蒸気透過度の代表的な試験方法としては、カップ法（非特許文献１）と、感湿センサ法、赤外線センサ法、およびガスクロマトグラフ法の機器測定法（非特許文献２）が、日本工業規格により規定されている。

一方、プラスチックフィルム表面に金属酸化物の蒸着膜などのガスバリア膜を設けたガスバリア性の材料は、飲食品、医薬品、工業部品などの包装材としての利用のほかに、特に、現在では、液晶表示素子、有機ＥＬ表示素子、太陽電池、タッチパネル、電子ペーパー、カラーフィルタ等の電子機器の部品への利用など、その用途は拡大している。これら電子機器の部品の用途では、高い水蒸気ガスバリア性、すなわち極めて小さな水蒸気透過度、例えば０．０１ｇ／ｍ^２／ｄａｙ以下、更には１０^−３〜１０^−５ｇ／ｍ^２／ｄａｙ程度の水蒸気ガスバリア性が求められている。

そして、プラスチックフィルムなどのガスバリア性材料に対する高い水蒸気ガスバリア性の要求とともに、高い水蒸気ガスバリア性を有する材料の評価方法、すなわち極めて小さな水蒸気透過度の測定技術が求められる。しかしながら、上記の従来の試験方法は、赤外線センサ法の測定限界値は、０．０１ｇ／ｍ^２／ｄａｙ程度であり、液晶表示素子、有機ＥＬ表示素子等の電子機器の部品の保護膜などに要求される１０^−３〜１０^−５ｇ／ｍ^２／ｄａｙの水蒸気透過度の評価には適用することができない。

このため、近年は、高いガスバリア性を有する材料を評価する高感度な水蒸気透過度の評価方法について、数多くの技術開発がなされており、差圧法（圧力センサ法、ガスクロマトグラフ法）、等圧法（ガスクロマトグラフ法）、カルシウム腐食法（例えば特許文献１）、静電容量法（例えば特許文献２）などが提案されている。

ＪＩＳＺ０２０８「防湿包装材料の透湿度試験方法（カップ法）」ＪＩＳＫ７１２９「プラスチック−フィルム及びシート−水蒸気透過度の求め方（機器測定法）」

特開２００６−１１９０６９号公報特開２００７−１３９４４７号公報

一般的な各種測定装置においては、測定値が不変である標準試料を測定することで、装置の検定や校正を行っている。上記の日本工業規格ＪＩＳＫ７１２９「プラスチック−フィルム及びシート−水蒸気透過度の求め方（機器測定法）」においても、標準試験片について規定されている。しかし、この従来の水蒸気透過度の機器測定法に規定されている測定装置における校正の限界値は、０．１ｇ／ｍ^２／ｄａｙ程度である。また、測定装置を販売するメーカーは、装置校正用の標準試験片を提供しているが、その測定装置専用のものであり、各種測定法のトレーサビリティを確認できるものではないのが現状である。

一方、近年技術開発が進み、高感度の測定が可能になったものの、１０^−３〜１０^−５ｇ／ｍ^２／ｄａｙの水蒸気透過度を評価する高感度な測定においては、その値が微量すぎて、従来のような既知な材料で構成されたシート状の標準試験片では、微量な値を確認する事が出来ない。そして、標準となる校正用の試料が無く校正方法が未確立であるため、各種測定方法および各種測定装置の水蒸気透過度の測定値に関して、測定値の信頼性およびトレーサビリティが確保されていないという課題がある。

本発明は、上記課題を解決するもので、極めて僅かな水蒸気透過度を測定する高感度な水蒸気透過度測定装置を校正するための校正用標準試料、およびこの校正用標準試料を用いた水蒸気透過度測定装置の校正方法を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明の校正用標準試料は、水蒸気透過度測定装置の校正に用いる標準試料であって、ステンレス製の管体と、この管体の内部に充填された樹脂と、前記管体の両端部に水蒸気透過度測定装置に接続するための継手とを有することを特徴とする。

また、本発明の水蒸気透過度測定装置の校正方法は、上記の校正用標準試料を水蒸気透過度測定装置の水蒸気導入ラインまたは水蒸気検出ラインに取り付けて水蒸気透過度測定装置を校正することを特徴とする。

本発明の校正用標準試料、およびこれを用いた水蒸気透過度測定装置の校正方法によれば、極めて僅かな水蒸気透過度を測定する高感度な測定装置においても、校正が可能になり、各種測定装置の測定値のトレーサビリティが得られ、測定値の信頼性を確保することができる。

本実施の形態における校正用標準試料の概略断面図である。本実施の形態における校正用標準試料を用いた校正方法を説明するための差圧法の水蒸気透過度測定装置の概略構成図である。本実施の形態における校正用標準試料を用いた校正方法を説明するためのガスクロマトグラフ法の水蒸気透過度測定装置の概略構成図である。

以下、本発明の校正用標準試料およびこれを用いた水蒸気透過度測定装置の校正方法について、説明する。

本発明の一実施の形態における校正用標準試料について、以下に説明する。本発明の校正用標準試料は、管体の内部に樹脂を充填してなる構成である。図１は本実施の形態における校正用標準試料の概略断面図である。本実施の形態における校正用標準試料について、図１を用いて以下に詳細に説明する。

図１に示すように、本実施の形態における校正用標準試料１０は、管体１１の内部に充填した樹脂１２を有し、管体１１の両端部には、水蒸気透過度測定装置に接続するための継手１３を有する。

管体１１の材質としては、一般的に流通しているステンレス鋼（ＳＵＳ）が好ましい、特に、ＳＵＳ３１６が耐食性に優れるため、水蒸気を取り扱う管体１１に適している。また、管体１１の形状や寸法は、水蒸気透過度測定装置との接続性や寸法公差等の品質、入手しやすさなどの面から、ＪＩＳ規格に適合したステンレス鋼管が好ましく、その寸法は、外径が１／８〜１インチ、内径は１．７６〜２１．２ｍｍ、内部断面積は２．４３〜３５２．９９ｍｍ^２、長さは１０〜２０００ｍｍの範囲であることが好ましい。特に、長さはなるべく短くした方が、レイアウト上の都合が良いため、長さは１０〜４００ｍｍの範囲であることがより好ましい。

水蒸気透過度測定装置に接続するための継手１３としては、メタルガスケット型の継手（ＶＣＲ継手など）が好ましい。特に、極めて僅かな０．１ｇ／ｍ^２／ｄａｙ以下の水蒸気透過度を測定する装置の場合には、Ｏリング型継手やスウェージロック型継手では、継手からのリークが測定装置の精度要求に対して多すぎる場合がある。

次に、樹脂１２について説明する。樹脂１２は、水蒸気透過度の標準試料となる部分であるので特に重要である。樹脂１２の材質としては、特に材料の水蒸気透過度が既知であること、なおかつ、管体１１に充填することが可能であることが必要であり、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、キャストポリプロピレン（ＣＰＰ）、２液硬化型樹脂等が使用できる。特に、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、キャストポリプロピレン（ＣＰＰ）などは、樹脂の吸水率が低いため、校正に際して樹脂の乾燥にかかる時間が少なくて済むので、樹脂１２の材質として好ましい。

樹脂１２の寸法は、径および断面積は、管体１１の内径および内部断面積によって決定されるが、径は１．７６〜２１．２ｍｍ、断面積は２．４３〜３５２．９９ｍｍ^２、長さは１０〜４００ｍｍの範囲であることが好ましい。この寸法範囲において、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）やキャストポリプロピレン（ＣＰＰ）の樹脂を用いて校正用標準試料１０を作製した場合、仮に有効透過面積が１２．６ｃｍ^２（円形の試料フランジの内径が４ｃｍ）の測定装置の場合、水蒸気透過度で１．３×１０^−２〜２．２×１０^−７ｇ／ｍ^２／ｄａｙの透過度に対応可能であり、２０１０年１０月の段階でプレスリリース又は販売されている水蒸気透過率測定装置の概ね全ての測定レンジに対応可能である。

続いて、樹脂１２の材質および形状寸法と水蒸気透過度の関係について、以下に詳細に説明する。

低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）およびキャストポリプロピレン（ＣＰＰ）は、包装材料として一般的に使用されているため、水蒸気透過度は良く知られており、厚さ５０μｍの低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）は９ｇ／ｍ^２／ｄａｙであり、厚さ５０μｍのキャストポリプロピレン（ＣＰＰ）は７ｇ／ｍ^２／ｄａｙである。また、これら低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）やキャストポリプロピレン（ＣＰＰ）は、延伸されたプラスチックではないため、溶融押し出しによって管体１１の内部に充填した場合でも、樹脂１２の材質のもつ透過係数は変わらないと考えられる。

具体的には、例えば、樹脂１２の材質として、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）を用いた場合の樹脂１２の寸法と水蒸気透過度の関係は、次のようになる。樹脂１２の径を１ｍｍ（断面積は０．７８５ｍｍ^２）とした場合、長さ０．０３５ｍｍで水蒸気透過度が１×１０^−５ｇ／ｄａｙの校正用標準試料１０が得られ、長さ３．５ｍｍで水蒸気透過度が１×１０^−７ｇ／ｄａｙの校正用標準試料１０が得られ、長さ３５ｍｍで水蒸気透過度が１×１０^−８ｇ／ｄａｙの校正用標準試料１０が得られる。また、管体１１として一般的な１／４インチ管を使用する場合は、樹脂１２の径が４．２ｍｍ（断面積は１３．８９５ｍｍ^２）となり断面積が１７．７倍となるので、長さを１７．７倍とした場合、すなわち、長さ０．６２ｍｍで水蒸気透過度が１×１０^−５ｇ／ｄａｙの校正用標準試料１０が得られ、長さ６２ｍｍで水蒸気透過度が１×１０^−７ｇ／ｄａｙの校正用標準試料１０が得られ、長さ６２０ｍｍで水蒸気透過度が１×１０^−８ｇ／ｄａｙの校正用標準試料１０が得られる。

また、樹脂１２の材質として、キャストポリプロピレン（ＣＰＰ）を用いた場合には、樹脂１２の寸法と水蒸気透過度の関係は、上記の低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）を用いた場合の樹脂１２の寸法に対して９分の７の長さにすることにより、同一の径寸法で同じ水蒸気透過度の校正用標準試料１０が得られる。以上説明したように、樹脂１２の材質と寸法とを規定することにより、水蒸気透過度が一定値として決定され、水蒸気透過度の校正用標準試料１０とすることが出来る。

次に、本実施の形態における校正用標準試料１０の製造方法について、説明する。まず、校正用標準試料１０の所望の水蒸気透過度の値を決定する。次に、所望の水蒸気透過度の値に合わせて、上記で詳細に説明したように、樹脂１２の材質および寸法を決定し、樹脂１２の寸法に合わせて、管体１１を準備する。この管体１１の両端部に継手１３を接続して取り付ける。そして、続いて、管体１１内に、上記の決定内容に応じた材質および寸法で、溶融押し出しのインジェクション法等により樹脂１２を管体１１内に充填する。また、２液硬化型樹脂の場合には、樹脂１２を管体１１内に注入した後、硬化させる方法などにより充填する。以上により、本実施の形態における校正用標準試料１０が作製できる。

次に、本実施の形態における校正用標準試料１０を用いた水蒸気透過度測定装置の校正方法について、図２〜図３を用いて以下に詳細に説明する。図２は、本実施の形態における校正用標準試料を用いた校正方法を説明するための差圧法の水蒸気透過度測定装置の概略構成図である。図３は、本実施の形態における校正用標準試料を用いた校正方法を説明するためのガスクロマトグラフ法の水蒸気透過度測定装置の概略構成図である。

まず、図２を用いて、差圧法の水蒸気透過度測定装置の構成の概要と、その測定原理について説明する。差圧法の水蒸気透過度測定装置としては、Ｔｅｃｈｎｏｌｏｘ社のＤＥＬＴＡＰＥＲＭが対応する。この装置は、プラスチックフィルムなどの測定試料２６を挟む上流フランジ２０および下流フランジ２１、上流フランジ２０および下流フランジ２１の両側を真空に排気する真空ポンプ２４と配管（直線で図示）、上流フランジ２０に水蒸気を導入するための加湿器２５と配管（直線で図示）、これらの配管を遮断するバルブ２７、上流フランジの圧力を測定する上流真空計２２、下流フランジの圧力を測定する下流真空計２３、および、システム全体を加熱するユニットで構成されている。なお、図２に図示した校正用標準試料１０は、通常、装置としては備えておらず、配管で結ばれている。

測定原理は以下のとおりである。上流フランジ２０および下流フランジ２１を真空にしたのちに、配管を遮断して、上流フランジ２０に規定の圧力になるよう加湿器２５から水蒸気を導入する。この時生じる上流フランジ２０と下流フランジ２１との差圧によって、測定試料２６を透過し下流フランジ２１へ透過した水蒸気によって下流フランジ２１の圧力が上昇する。この圧力変化のデータを気体の状態方程式を用いて算出ことにより、測定試料２６の水蒸気透過度を求めることができる。

続いて、図２を用いて、本実施の形態における校正用標準試料１０を用いた差圧法の水蒸気透過度測定装置の校正方法について説明する。差圧法の測定原理は、透過した水蒸気による下流フランジ２１の圧力変化を測定することであるから、装置の校正時には、測定試料２６をセットせずに、図２に示すように、水蒸気導入ラインである上流フランジ２０の手前の配管に、水蒸気透過度が既知の校正用標準試料１０を組み込むことにより、差圧法の水蒸気透過度測定装置の校正を行うことができる。

すなわち、上流フランジ２０および下流フランジ２１を真空にしたのちに、配管を遮断して、加湿器２５から規定の圧力の水蒸気を校正用標準試料１０に導入する。この時生じる校正用標準試料１０の前後の差圧によって、校正用標準試料１０を透過し下流フランジ２１へ透過した水蒸気によって下流フランジ２１の圧力が上昇する。この圧力変化のデータから求めた水蒸気透過度の測定値と校正用標準試料１０の値とを比較し、測定値を校正用標準試料１０の値に修正することにより、測定装置を校正することができる。

次に、図３を用いて、ガスクロマトグラフ法の水蒸気透過度測定装置の構成の概要と、その測定原理について説明する。なお、図３に図示した校正用標準試料１０は、通常、装置としては備えておらず、配管で結ばれている。ガスクロマトグラフ法の水蒸気透過度測定装置としては、ＧＴＲテック社のＧＴＲシリーズが該当する。

ガスクロマトグラフ法も基本的な構造は差圧法と似ており、プラスチックフィルムなどの測定試料３２を挟む上流フランジ３０および下流フランジ３１を、真空ポンプ３５で減圧して乾燥状態を作り出す。差圧法との相違点は、上流フランジ３０側および下流フランジ３１側にそれぞれキャリアガス３９およびキャリアガス３７の乾燥ガスを循環させて、上流フランジ３０と下流フランジ３１の圧力が同じになる様にしておき、上流フランジ３０に加湿器３８より規定の量の水蒸気を導入して、測定試料３２を介して上流フランジ３０と下流フランジ３１との間に水蒸気圧差を作り出す。水蒸気圧勾配によって、測定試料３２を透過し下流フランジ３１に透過してきた水蒸気を、計量管３４およびガスクロマトグラフ３６で検出する。ガスクロマトグラフの校正はあらかじめ任意に水を含ませたメタノール等の溶媒を使って検出強度を計測し検量線を作成しておき、実測の際はこれを参照して水蒸気透過度の測定値を算出する。

続いて、図３を用いて、本実施の形態における校正用標準試料１０を用いたガスクロマトグラフ法の水蒸気透過度測定装置の校正方法について説明する。ガスクロマトグラフ法の測定原理は、下流フランジ３１側に透過した水蒸気の量を計量管３４およびガスクロマトグラフ３６で検出し測定することであるから、装置の校正時には、測定試料３２をセットせずに、図３に示すように、水蒸気検出ラインである下流フランジ３１と計量管３４との間の配管に、水蒸気透過度が既知の校正用標準試料１０を組み込むことにより、ガスクロマトグラフ法の水蒸気透過度測定装置の校正を行うことができる。

すなわち、上流フランジ３０および計量管３４を、それぞれ真空ポンプ４０および真空ポンプ３５で減圧して乾燥状態を作り出す。次に、上流フランジ３０側および計量管３４側にそれぞれキャリアガス３９およびキャリアガス３７の乾燥ガスを循環させて、圧力が同じになる様にしておき、上流フランジ３０に加湿器３８より規定の量の水蒸気を導入して、校正用標準試料１０を介して上流フランジ３０と計量管３４との間に水蒸気圧差を作り出す。水蒸気圧勾配によって、校正用標準試料１０を透過し計量管３４に透過してきた水蒸気を計量管３４およびガスクロマトグラフ３６で検出し、水蒸気透過度を測定する。この水蒸気透過度の測定値と校正用標準試料１０の値とを比較し、測定値を校正用標準試料１０の値に修正することにより、測定装置を校正することができる。

なお、上記のガスクロマトグラフ法のほかに、等圧法としては、感湿センサ法や赤外センサ法があり、ＭＯＣＯＮ社のＰｅｒｍａｔｒａｎ等も該当する。これらの装置においても、上記のガスクロマトグラフ法と同様に、水蒸気検出ラインであるセンサ手前の配管に水蒸気透過度が既知の校正用標準試料１０を組み込むことにより、測定装置の校正を行うことができる。すなわち、ＪＩＳＫ７１２９に規定の方法の測定装置は、いずれもこの方法により校正することができる。

以上、具体的に説明したように、本発明の校正用標準試料は、ステンレス製の管体と、この管体の内部に充填された樹脂と、前記管体の両端部に水蒸気透過度測定装置に接続するための継手とを有する構成である。そして、本発明の水蒸気透過度測定装置の校正方法は、上記の校正用標準試料を各種の水蒸気透過度測定装置の水蒸気導入ラインまたは水蒸気検出ラインに取り付けて水蒸気透過度測定装置を校正する方法である。

そして、以上のように、本発明の校正用標準試料およびこれを用いた水蒸気透過度測定装置の校正方法によれば、極めて僅かな水蒸気透過度を測定する高感度な測定装置においても、校正が可能になり、各種測定装置の測定値のトレーサビリティが得られ、測定値の信頼性が確保できるという効果が得られる。

本発明に係る校正用標準試料およびこれを用いた水蒸気透過度測定装置の校正方法は、極めて僅かな水蒸気透過度を測定する高感度な測定装置においても、校正が可能になり、各種測定装置の測定値のトレーサビリティが得られ、測定値の信頼性が確保でき、高感度な水蒸気透過度測定装置の校正方法として、特に有用である。

１０校正用標準試料
１１管体
１２樹脂
１３継手
２０上流フランジ
２１下流フランジ
２２上流圧力計
２３下流圧力計
２４真空ポンプ
２５加湿器
２６測定試料
２７バルブ
３０上流フランジ
３１下流フランジ
３２測定試料
３３バルブ
３４計量管
３５真空ポンプ
３６ガスクロマトグラフ
３７キャリアガス
３８加湿器
３９キャリアガス

Claims

水蒸気透過度測定装置の校正に用いる標準試料であって、ステンレス製の管体と、この管体の内部に充填された樹脂と、前記管体の両端部に水蒸気透過度測定装置に接続するための継手とを有することを特徴とする校正用標準試料。
樹脂は、低密度ポリエチレンまたはキャストポリプロピレンであり、前記樹脂の寸法は、断面積が２．４３〜３５２．９９ｍｍ^２で長さが１０〜４００ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の校正用標準試料。
水蒸気透過度測定装置の校正方法であって、請求項１または請求項２に記載の校正用標準試料を水蒸気透過度測定装置の水蒸気導入ラインまたは水蒸気検出ラインに取り付けて水蒸気透過度測定装置を校正することを特徴とする水蒸気透過度測定装置の校正方法。