JP2013003029A - ガス透過セル、ガス透過度測定装置、及びガス透過度測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フィルム試料を破損させることなく、そのガス透過度を高感度測定する。
【解決手段】ガス透過セル１０は、第１ガス室１と、フィルム試料１１を挟んで第１ガス室１に対向する位置に設けられた第２ガス室２と、フィルム試料１１の第１面が第１ガスに暴露された状態で、第１ガス室１とフィルム試料１１との間を封止するシート状の第１ガスケット３と、フィルム試料１１の第１面に対向する第２面が第２ガスに暴露された状態で、第２ガス室２とフィルム試料１１との間を封止するシート状の第２ガスケット４と、第１ガスケット３及び第２ガスケット４を、それぞれフィルム試料１１に垂直な方向に加圧する締め付け部５とを備えている。そして、第１ガスケット３がフィルム試料１１に接する第１シール面と、第２ガスケット４がフィルム試料１１に接する第２シール面とは、フィルム試料１１を挟んで対称である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス透過セル、ガス透過度測定装置、及びガス透過度測定方法に関する。

食品、薬品等の包装に用いられるようなフィルム材料の重要な特性の１つとして、フィルム材料に囲まれた空間の内側から外側への水蒸気、酸素等のガス透過度が挙げられる。近年、有機ＥＬデバイスや、太陽電池等にもフィルム材料が適用されており、このような精密機械においては、ガス透過度がより低いフィルム材料が特に要求される。このように、適用される分野よって要求されるガス透過度が異なっている。したがって、用途に応じて要求されるガス透過度を満たすフィルム材料を提供するために、フィルム材料のガス透過性を正確に測定する必要がある。

フィルム材料のガス透過度は、通常、密閉された空間の中で、目的のガスにフィルムの一方の面を暴露し、他方の面側において検出される目的のガスの量を測定することによって測定される。したがって、フィルム材料のガス透過度を高感度分析するためには、目的のガスの検出環境に検出対象外のガスが侵入したり、検出対象のガスが検出環境から外部に漏れ出したりするのを十分に防ぐ必要がある。

特許文献１に記載のガス透過度測定装置は、凹部を有するガスケット上に接着剤等の封止材を介してフィルム試料を設け、さらにフィルム試料を、開口部を有する蓋部で被覆し、蓋部を垂直方向に加圧することによって、ガスケットとフィルム材料、又はフィルム材料と蓋部との密着性を高めている。特許文献１に記載のガス透過度測定装置においては、凹部に設けられた測定対象化合物から発生し、フィルム試料を透過して蓋に設けられた開口部において検出されるガスを測定する。

特許文献２に記載のガス透過度測定装置は、フィルム試料をＯリングによって封止してフィルム材料を透過した目的のガスの検出空間を形成し、さらにその外側の空間をＯリングによって封止してシール空間を形成している。このように、検出空間を外部空間に隣接させないことによって、外部からのガスの侵入を防いでいる。

特開２００５−１７１７２号公報（２００５年１月２０日公開） 特開２００５−２３３９４３号公報（２００５年９月２日公開）

しかしながら、特許文献１に記載のガス透過度測定装置においては、フィルム試料の封止材として接着剤等を用いているので、フィルム試料を汚染又は破壊してしまい、再利用できずに、繰り返し分析に供することができない。また、接着剤成分により検出空間にコンタミネーションが発生するという問題もある。

また、特許文献２に記載のガス透過度測定装置では、密閉された空間を二重にして外部から検出空間にガスが侵入するのを防いでいるが、検出空間の密閉性が十分ではないため、検出対象のガスが外部に漏れ出してしまう。また、Ｏリングをフィルム試料に押し付けて封止しているので、Ｏリングの加重によりフィルムが破損してしまう。

本発明はこれらの問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、フィルム試料を破損させることなく高気密に固定し、フィルム試料のガス透過度測定をより高感度に行うことが可能なガス透過セル、ガス透過度測定装置、及びガス透過度測定方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係るガス透過セルは、ガス透過性を測定するフィルム試料を固定するガス透過セルであって、第１ガスが充填される第１ガス室と、前記フィルム試料を挟んで前記第１ガス室に対向する位置に設けられ、第２ガスが充填される第２ガス室と、前記フィルム試料の第１面が前記第１ガスに暴露された状態で、前記第１ガス室と前記フィルム試料との間を封止するシート状の第１シール部と、前記フィルム試料の前記第１面に対向する第２面が前記第２ガスに暴露された状態で、前記第２ガス室と前記フィルム試料との間を封止するシート状の第２シール部と、前記第１シール部及び前記第２シール部を、それぞれ前記フィルム試料に垂直な方向に加圧する締め付け部とを備え、前記第１シール部が前記フィルム試料に接する第１シール面と、前記第２シール部が前記フィルム試料に接する第２シール面とは、前記フィルム試料を挟んで対称であることを特徴としている。

本発明に係るガス透過セルにおいて、前記締め付け部は、５０〜２４０ｃＮｍの圧力で前記第１シール部及び前記第２シール部を加圧することが好ましい。

本発明に係るガス透過セルにおいて、前記第１シール部及び前記第２シール部は、フッ素樹脂又はフッ素系エラストマーからなることが好ましい。

本発明に係るガス透過セルにおいて、前記第１シール面及び前記第２シール面における、前記フィルム試料の径方向の長さは、０．５〜２０ｍｍであることが好ましい。

本発明に係るガス透過度測定装置は、上述したいずれかのガス透過セルと、前記第１ガス室から前記フィルム試料を透過して前記第２ガス室に達した第１ガスを検出する検出手段とを備えていることを特徴としている。

本発明に係るガス透過度測定方法は、上述したいずれかのガス透過セルを用いて、前記第１ガス室から前記フィルム試料を透過して前記第２ガス室に達した第１ガスを検出する検出工程を包含することを特徴としている。

本発明に係るガス透過度測定方法において、前記第１ガスが水蒸気であることが好ましい。

本発明に係るガス透過セルは、ガス透過性を測定するフィルム試料を固定するガス透過セルであって、第１ガスが充填される第１ガス室と、前記フィルム試料を挟んで前記第１ガス室に対向する位置に設けられ、第２ガスが充填される第２ガス室と、前記フィルム試料の第１面が前記第１ガスに暴露された状態で、前記第１ガス室と前記フィルム試料との間を封止するシート状の第１シール部と、前記フィルム試料の前記第１面に対向する第２面が前記第２ガスに暴露された状態で、前記第２ガス室と前記フィルム試料との間を封止するシート状の第２シール部と、前記第１シール部及び前記第２シール部を、それぞれ前記フィルム試料に垂直な方向に加圧する締め付け部とを備え、前記第１シール部が前記フィルム試料に接する第１シール面と、前記第２シール部が前記フィルム試料に接する第２シール面とは、前記フィルム試料を挟んで対称であるので、フィルム試料を破損させることなく、高気密に固定することが可能であり、そのガス透過度を高感度測定することができる。

本発明の一実施形態に係るガス透過度測定装置を示す概略図である。

本発明の一実施形態について、図１を参照して以下に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るガス透過度測定装置２０を示す概略図である。ガス透過度測定装置２０は、ガス透過セル１０と検出器（検出手段）２１とを備えている。

〔ガス透過セル１０〕
ガス透過セル１０は、第１ガス室１、第２ガス室２、第１ガスケット（第１シール部）３、第２ガスケット（第２シール部）４、締め付け部５、第１供給口６、第２供給口７、第１排気口８、及び第２排気口９を備えている。ガス透過セル１０は、ガス透過度を測定する対象となるフィルム試料１１を、第１ガス室１と第２ガス室２との間に、各室に充填されたガスに暴露された状態で固定する。第１ガス室１と第２ガス室２とは、フィルム試料１１を挟んで対向する位置に設けられている。

本明細書において、フィルム試料１１の第１ガス室１側の面、すなわち第１ガス室１に充填される第１ガスに暴露（接触）させる面を第１面とし、フィルム試料１１の第２ガス室２側の面、すなわち第２ガス室２に充填される第２ガスに暴露（接触）させる面を第２面と称する。第１面と第２面とは対向する面である。

第１ガス室１には、測定の対象となる第１ガスを供給する第１供給口６と、第１ガスを排出する第１排気口８とが設けられている。本実施形態においては、図１に示すように、第１ガス室１の側面に設けられた第１供給口６から矢印の方向に第１ガスが供給されて、第１ガス室１中に第１ガスが充填され、第１ガス室１の下面に設けられた第１排気口８から矢印の方向に第１ガスが排気される。フィルム試料１１のガス透過度を測定するとき、測定の対象となる目的ガスが、第１ガスとして第１ガス室１に充填される。目的ガスとしては特に限定されず、種々のガスを測定対象として第１ガス室１に充填することが可能であり、例えば、水蒸気、酸素、窒素、ヘリウム、水素、アルゴン、二酸化炭素、一酸化炭素等の無機ガス、メタン、有機系ガス等のガスを好適に用いることが可能である。

第２ガス室２には、キャリアガスである第２ガスを供給する第２供給口７と、第２ガスを排出する第２排気口９とが設けられている。本実施形態においては、図１に示すように、第２ガス室２の側面に設けられた第２供給口７から矢印の方向に第２ガスが供給されて、第２ガス室２中に第２ガスが充填され、第２ガス室２の上面に設けられた第２排気口９から矢印の方向に第２ガスが排気される。第２排気口９は、ガス透過度測定装置２０の検出器２１に接続されている。フィルム試料１１のガス透過度を測定するとき、キャリアガスが第２ガスとして第２ガス室２に充填される。キャリアガスとしては目的ガスに対して不活性であれば特に限定されず、種々のガスをキャリアガスとして第２ガス室２に充填することが可能であり、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム、酸素等のガスを好適に用いることができる。

第１ガス室１とフィルム試料１１との間は、ガス透過セル１０内へのガスの出入りを妨げるために、第１ガスケット３により封止されている。同様に、第２ガス室２とフィルム試料１１との間は、第２ガスケット４により封止されている。第１ガスケット３は、フィルム試料１１の第１面が第１ガスに暴露された状態で、フィルム試料１１と第１ガス室１との間を封止し、第２ガスケット４は、フィルム試料１１の第２面が第２ガスに暴露された状態で、フィルム試料１１と第２ガス室２との間を封止する。

第１ガスケット３及び第２ガスケット４は、シート状である。したがって、第１ガスケット３がフィルム試料１１に接する第１シール面、及び第２ガスケット４がフィルム試料１１に接する第２シール面は、一般的な封止材であるＯリングとフィルム試料１１との接触面よりも面積が大きい。すなわち、第１シール面及び第２シール面の幅、つまり第１シール面及び第２シール面におけるフィルム試料１１の径方向の長さは、Ｏリングとフィルム試料１１との接触面の幅よりも大きい。これにより、フィルム試料１１の封止時にフィルム試料１１にかかる負荷を低減すると共に、接触面にかかる曲げ応力を低減し、圧縮応力による封止を実現する。その結果、接触面の破損を効果的に防止することができる。

第１シール面及び第２シール面における、フィルム試料１１の径方向の長さは、０．５〜２０ｍｍであることが好ましく、フィルム試料１１に係る負荷を低減し、締め付け部５の圧縮により密着性が効果的に向上するので、０．５〜３ｍｍであることが最も好ましい。なお、後述するように、第１ガスケット３及び第２ガスケット４がドーナツ形状である場合、第１シール面及び第２シール面の内径はフィルム試料１１の測定面（第１面及び第２面）の直径と一致し、第１シール面及び第２シール面の外径は、内径よりも０．５〜２０ｍｍ大きいことが好ましい。

また、第１ガスケット３とフィルム試料１１とが接する接触面（第１シール面）と、第２ガスケット４とフィルム試料１１とが接する接触面（第２シール面）とは、フィルム試料１１を挟んで対称である。すなわち、第１シール面と第２シール面とは完全に重なり合っており、フィルム試料１１にかかる負荷が第１面と第２面とで均等になる。このように、フィルム試料１１の接触面の両面にかかる負荷の偏りを低減することができるので、フィルム試料１１の破損を防止することができる。

第１ガスケット３及び第２ガスケット４は、第１ガス室１又は第２ガス室２の開口径と同一又はわずかに大径の穴が形成されたドーナツ状の円盤形状であることが好ましい。これにより、第１ガス室１とフィルム試料１１との間、及び第２ガス室２とフィルム試料１１との間の全体を効果的に封止することができる。ここで、第１ガスケット３及び第２ガスケット４は、フィルム試料１１との接触面積が少なくともＯリングよりも大きければその形状は限定されず、全体が面一なシートでなくてもよく、フィルム試料１１との接触面が面一であれば他の部分の形状は、限定されない。

第１ガスケット３及び第２ガスケット４は、気密性を高めるために薄いシート状であることが好ましい。第１ガスケット３及び第２ガスケット４の厚みは、０．２〜５ｍｍであることが好ましく、締め付け部５の圧縮により密着性が効果的に向上するので、０．２〜１ｍｍであることが最も好ましい。

第１ガスケット３及び第２ガスケット４は、フッ素樹脂又はフッ素系エラストマーからなることが好ましい。第１ガスケット３及び第２ガスケット４の形成材料として、フッ素樹脂又はフッ素系エラストマーを用いることによって、第１ガスケット３及び第２ガスケット４自身のガス透過性が低く、自身から発生するガスによるコンタミネーションの発生が低減する。

フッ素樹脂又はフッ素系エラストマーからなる第１ガスケット３及び第２ガスケット４は、一般的な封止材であるＯリングよりも材質が硬いため、フィルム試料１１に圧縮して封止する際に曲げ応力が生じにくく、圧縮応力にフィルム試料１１との密着性を効果的に高めることができる。本発明によれば、金属封止材と同等程度の密着性が得られるうえに、フィルム試料１１に与えるダメージは金属封止材よりも低減することができる。

また、フッ素樹脂又はフッ素系エラストマーは一般に耐熱性が約１５０℃以上と高いので、フッ素樹脂又はフッ素系エラストマーからなる第１ガスケット３及び第２ガスケット４は、高温でもそのガス透過度が低く保たれる。したがって、フッ素樹脂又はフッ素系エラストマーからなる第１ガスケット３及び第２ガスケット４によれば、高温測定時であっても、気密性が保たれ、高精度なガス透過度測定が可能である。

第１ガスケット３及び第２ガスケット４を形成するフッ素樹脂又はフッ素系エラストマーとしては、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、パーフルオロエチレン-プロペンコポリマー、ポリビニリデンフルオライド、エチレン-クロロトリフルオロエチレンコポリマー、エチレンと4フッ化エチレンとの共重合、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体等のフッ素系高分子材料からなる群より選択されるフッ素樹脂又はフッ素系エラストマーを好適に使用可能である。本明細書において、フッ素樹脂とは、フッ素を含むオレフィンを重合して得られる合成樹脂を意図しており、フッ素系エラストマーとは、フッ素原子を含む合成エラストマーを意図している。

第１ガスケット３及び第２ガスケット４は、締め付け部５によりフィルム試料１１と共に挟み込まれ、それぞれフィルム試料１１に垂直な方向に圧縮される。締め付け部５によって、第１ガスケット３及び第２ガスケット４は、フィルム試料１１に対して垂直な方向に圧縮されるため、第１シール面及び第２シール面に適切に圧縮応力をかけることができる。締め付け部５は、第１ガスケット３及び第２ガスケット４を、５０〜２４０ｃＮｍの圧力で加圧することが好ましく、６０〜２００ｃＮｍであることがより好ましく、フィルム試料１１を破損させることなく、かつ気密性が効果的に向上するので、１６０ｃＮｍであることが最も好ましい。なお、締め付け部５による第１ガスケット３及び第２ガスケット４に負荷される最適な圧力は、第１ガスケット３及び第２ガスケット４の材料及びフィルム試料１１の表面状態に応じて、上記圧力範囲から適切に選択されるものである。

締め付け部５は、第１ガスケット３及び第２ガスケット４を均一に加圧することができればよく、第１ガスケット３及び第２ガスケット４の周方向に複数、かつ等間隔に設けられていることが好ましい。締め付け部５は、フィルム試料１１を破損させることなく、第１ガスケット３及び第２ガスケット４を加圧できればその加圧方法は限定されず、例えば、ホルダー、クランプ、クリップ、ねじ等を好適に使用可能である。締め付け部５がねじ止めにより加圧するものであれば、第１ガスケット３及び第２ガスケット４を均一に加圧できるため、より好ましい。

ガス透過セル１０は、例えば、厚さ５０μｍ以下の非常に脆弱な薄膜ガラスフィルム、有機ＥＬデバイス用のハイバリア膜のような表面薄膜コーティングフィルム、太陽電池のバックシート用フィルムのような高温化で用いられるフィルム、食品又は薬品包装用フィルム、半導体材料用フィルム等の、高精度のガス透過度測定が要求されるフィルム試料１１を、破損させることなく、かつ高気密に固定することができる。したがって、ガス透過セル１０は、有機ＥＬデバイス用フィルム、太陽電池のバックシート用フィルム等のガス透過度測定に好適に用いられる。ガス透過セル１０を用いれば、例えば水蒸気透過度の測定において、後述する実施例に示すように従来に比して高感度のガス透過度測定を実現することができる。

〔ガス透過度測定装置２０〕
ガス透過度測定装置２０は、ガス透過セル１０と、第１ガス室１からフィルム試料１１を透過して第２ガス室２に達した第１ガスを検出する検出器２１とを備えている。ガス透過度測定装置２０は、ガス透過セル１０においてフィルム試料１１を透過した目的ガスを検出器２１により検出し、フィルム試料１１の目的ガスに対する透過度を測定する。

検出器２１は、第１ガス室１からフィルム試料１１を透過して第２ガス室２に達した第１ガス（目的ガス）を検出する。検出器２１としては、キャリアガスによって運ばれる目的ガスを検出できるものであればよく、検出対象に応じて公知の検出手段を適宜選択すればよい。例えば、目的ガスとして水蒸気を検出する場合には、公知の水分計を検出器２１として用いることができる。

ガス透過度測定装置２０において、フィルム試料１１の水蒸気透過度を測定する場合、キャリアガスとして窒素を用い、検出器２１として水分計を用いることができる。この場合、第１ガス室１に水分を含有する窒素を充填し、第２ガス室２に水分を含有しない窒素を充填する。そして、検出器２１が、窒素と同伴して流入した水分濃度を測定することによって、フィルム試料１１の水蒸気透過度を測定することができる。

ガス透過度測定装置２０によれば、ガス透過セル１０においてフィルム試料１１を破損させることなく、かつ高気密に固定することが可能であるので、高精度なガス透過度測定が可能である。ガス透過度測定装置２０によれば、例えば水蒸気透過度の測定において、後述する実施例に示すように従来に比して高感度のガス透過度測定を実現することができる。

〔ガス透過度測定方法〕
本発明に係るガス透過度測定方法は、ガス透過セル１０を用いて、第１ガス室１からフィルム試料１１を透過して第２ガス室２に達した第１ガスを検出する検出工程を包含している。すなわち、上述したガス透過セル１０は、本発明に係るガス透過度測定方法に用いられるガス透過セル１０の一実施形態であり、本発明に係るガス透過度測定方法の一実施形態は、上述の実施形態及び図１の説明に準ずる。また、本発明に係るガス透過度測定方法の検出工程においては、ガス透過度測定装置２０を用いて、第１ガス室１からフィルム試料１１を透過して第２ガス室２に達した第１ガスを検出してもよい。

また、本発明に係るガス透過度測定方法において、第１ガスが水蒸気であることが好ましい。本発明によれば、例えば水蒸気透過度の測定において、後述する実施例に示すように従来に比して高感度のガス透過度測定を実現することができる。

ガス透過セル１０を用いて、各フィルム試料１１の水蒸気透過度を測定することによって、ガス透過セル１０のシール性を評価した。

（１−１：アルミシートの水蒸気透過度の測定）
アルミシート（厚さ３００μｍ）をガス透過セル１０に設置し、表１に示す各材質のパッキンを用いてアルミシートをシールした。第１ガスケット３及び第２ガスケット４として、ＰＣＴＦＥパッキン（厚さ５００μｍ）を用いて、そのシール性を検討した。比較例として、パッキンを用いずアルミシートを測定した。

アルミシートの透過面積、すなわち第１ガス室１及び第２ガス室２に暴露されている面積を１９．６ｃｍ^２及び６３．６ｃｍ^２として、測定時の温度を４０℃に設定し、湿度を４５ＲＨ％及び９０ＲＨ％のそれぞれの場合において測定を行った。また、締め付け部５による加圧を表１に示す各トルクに設定し、最適な締め付けトルクを検討した。結果を表１に示す。

表１に示すように、ＰＣＴＦＥパッキンは、アルミシートと同等レベルの水蒸気透過度
を示し、より低いトルクでもシール性が良好であった。特に締め付けトルク１６０ｃＮｍの場合に高いシール性が得られることが示された。アルミシートの透過面積６３．６ｃｍ２、温度４０℃、湿度９０ＲＨ％、締め付けトルク１６０ｃＮｍの条件下で、ＰＣＴＦＥのパッキンを用いた場合に、水蒸気透過度１．８２×１０^−６ｇ／ｍ^２／ｄａｙという、従来に比して極めて高感度な測定を達成した。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、実施形態に開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、フィルム材料を利用する、食品、医薬、有機ＥＬデバイス、太陽電池等の各分野において広範囲に利用することができる。

１ 第１ガス室
２ 第２ガス室
３ 第１ガスケット
４ 第２ガスケット
５ 締め付け部
６ 第１供給口
７ 第２供給口
８ 第１排気口
９ 第２排気口
１０ ガス透過セル
１１ フィルム試料
２０ ガス透過度測定装置
２１ 検出器

Claims (7)

1. ガス透過性を測定するフィルム試料を固定するガス透過セルであって、
   第１ガスが充填される第１ガス室と、
   前記フィルム試料を挟んで前記第１ガス室に対向する位置に設けられ、第２ガスが充填される第２ガス室と、
   前記フィルム試料の第１面が前記第１ガスに暴露された状態で、前記第１ガス室と前記フィルム試料との間を封止するシート状の第１シール部と、
   前記フィルム試料の前記第１面に対向する第２面が前記第２ガスに暴露された状態で、前記第２ガス室と前記フィルム試料との間を封止するシート状の第２シール部と、
   前記第１シール部及び前記第２シール部を、それぞれ前記フィルム試料に垂直な方向に加圧する締め付け部と
   を備え、
   前記第１シール部が前記フィルム試料に接する第１シール面と、前記第２シール部が前記フィルム試料に接する第２シール面とは、前記フィルム試料を挟んで対称であることを特徴とするガス透過セル。
2. 前記第１シール部及び前記第２シール部は、フッ素樹脂又はフッ素系エラストマーからなることを特徴とする請求項１に記載のガス透過セル。
3. 前記締め付け部は、５０〜２４０ｃＮｍの圧力で前記第１シール部及び前記第２シール部を加圧することを特徴とする請求項１又は２に記載のガス透過セル。
4. 前記第１シール面及び前記第２シール面における、前記フィルム試料の径方向の長さは、０．５〜２０ｍｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス透過セル。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のガス透過セルと、
   前記第１ガス室から前記フィルム試料を透過して前記第２ガス室に達した第１ガスを検出する検出手段と
   を備えていることを特徴とするガス透過度測定装置。
6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のガス透過セルを用いて、前記第１ガス室から前記フィルム試料を透過して前記第２ガス室に達した第１ガスを検出する検出工程を包含することを特徴とするガス透過度測定方法。
7. 前記第１ガスが水蒸気であることを特徴とする請求項６に記載のガス透過度測定方法。
   

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