JP2019078670A - Method for analyzing sulfur crosslinked structure of high polymer material - Google Patents

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Abstract

To evaluate the sulfur crosslinked structure of a sulfur crosslinked high polymer material such as a vulcanized rubber.SOLUTION: A sulfur crosslinked structure analysis method pertaining to an embodiment of the present invention includes: finding a relationship between a sulfur concentration and an edge jump height using a sample of a known sulfur concentration; irradiating a sulfur crosslinked high polymer material with an X-ray and acquiring the X-ray absorption spectrum of a sulfur K-shell absorption edge; fitting the obtained X-ray absorption spectrum with at least two components including a sulfur-to-sulfur component and a sulfur-to-carbon component; calculating the peak area of the sulfur-to-sulfur component and the peak area of the sulfur-to-carbon component and calculating a crosslinked sulfur chain connection length from the peak area ratio of the sulfur-to-sulfur component to the sulfur-to-carbon component; finding an edge jump height from the X-ray absorption spectrum with respect to the high polymer material, finding a sulfur concentration from the obtained edge jump height on the basis of the relationship, and calculating a sulfur crosslinked density from the obtained sulfur concentration and crosslinked sulfur chain connection length.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、加硫ゴムなどの硫黄架橋された高分子材料における硫黄架橋構造の解析方法に関する。   The present invention relates to a method of analyzing a sulfur crosslinked structure in a sulfur crosslinked polymeric material such as a vulcanized rubber.

加硫ゴムなどの硫黄架橋された高分子材料の物性を評価するために、高分子材料の硫黄架橋構造を解析する技術が求められている。従来、硫黄架橋された高分子材料の化学状態を評価する技術として膨潤法がある。膨潤法は、架橋された高分子材料をトルエンなどの溶媒で膨潤させて網目鎖密度を評価する方法であるが、ポリスルフィド鎖の架橋硫黄鎖連結長を特定することはできない。また、膨潤法は、架橋のそのものを見ているわけではなく、ポリマー同士の絡み合いなどの誤差を生じる。更には、膨潤法では、溶媒とポリマーの相互作用パラメータが必要であり、ポリマー種が異なるゴムでは比較しづらいなどの問題もある。   In order to evaluate the physical properties of a sulfur-crosslinked polymer material such as vulcanized rubber, a technique for analyzing the sulfur cross-linked structure of the polymer material is required. Conventionally, there is a swelling method as a technique for evaluating the chemical state of a sulfur-crosslinked polymer material. The swelling method is a method of swelling a crosslinked polymer material with a solvent such as toluene to evaluate the network chain density, but it is not possible to specify the crosslinked sulfur chain linkage length of the polysulfide chain. In addition, the swelling method does not look at crosslinking itself but causes errors such as entanglement between polymers. Furthermore, in the swelling method, interaction parameters between the solvent and the polymer are required, and there is also a problem that rubbers having different polymer types are difficult to compare.

一方、硫黄架橋された高分子材料における硫黄架橋構造を分析する方法として、特許文献1,2には、高分子材料に高輝度X線を照射し、X線のエネルギーを変えながらX線吸収スペクトルを測定し、リバースモンテカルロ法により高分子材料中の硫黄の三次元構造を特定して、架橋密度を算出する方法が提案されている。   On the other hand, as a method of analyzing the sulfur crosslinking structure in a sulfur-crosslinked polymer material, Patent Documents 1 and 2 irradiate the polymer material with high-intensity X-rays and change the X-ray energy while changing the X-ray absorption spectrum A method is proposed to calculate the crosslink density by determining the three-dimensional structure of sulfur in the polymer material by the reverse Monte Carlo method.

特開2016−057285号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 2016-057285 特開2017−020906号公報JP, 2017-020906, A

本発明は、加硫ゴムなどの硫黄架橋された高分子材料の硫黄架橋構造を評価することができる解析方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide an analysis method capable of evaluating a sulfur crosslinked structure of a sulfur-crosslinked polymer material such as a vulcanized rubber.

本発明に係る高分子材料の硫黄架橋構造解析方法は、硫黄濃度が既知の試料にX線を照射して硫黄K殻吸収端のX線吸収スペクトルを取得することにより硫黄濃度とエッジジャンプの高さとの関係を求め、硫黄架橋密度が未知の硫黄架橋された高分子材料にX線を照射して、硫黄K殻吸収端のX線吸収スペクトルを取得し、前記高分子材料について得られたX線吸収スペクトルを、硫黄−硫黄間成分及び硫黄−炭素間成分を含む少なくとも2つの成分でフィッティングし、前記硫黄−硫黄間成分のピーク面積と硫黄−炭素間成分のピーク面積を算出して、前記硫黄−硫黄間成分と硫黄−炭素間成分のピーク面積比から架橋硫黄鎖連結長を算出し、前記高分子材料について、前記X線吸収スペクトルからエッジジャンプの高さを求め、求めたエッジジャンプの高さから前記関係に基づいて硫黄濃度を求め、求めた硫黄濃度と前記架橋硫黄鎖連結長から硫黄架橋密度を算出するものである。   The method for analyzing a sulfur crosslinked structure of a polymer material according to the present invention is to increase the sulfur concentration and edge jump by irradiating a sample having a known sulfur concentration with X-rays to acquire an X-ray absorption spectrum of the sulfur K shell absorption edge. X-ray was irradiated to a sulfur-crosslinked polymer material whose sulfur crosslinking density is unknown, X-ray absorption spectrum of sulfur K-shell absorption edge was obtained, X was obtained for the polymer material. The line absorption spectrum is fitted with at least two components including a sulfur-sulfur component and a sulfur-carbon component, and the peak area of the sulfur-sulfur component and the peak area of the sulfur-carbon component are calculated. The cross-linked sulfur chain linkage length is calculated from the peak area ratio of the sulfur-sulfur component and the sulfur-carbon component, and the height of the edge jump is determined from the X-ray absorption spectrum of the polymer material. Determine the sulfur concentration on the basis of the relationship from the height of the di-jump, and calculates the sulfur crosslink density from the obtained sulfur concentration and the bridging sulfur chain joining length.

本発明によれば、硫黄K殻吸収端のX線吸収スペクトルから硫黄架橋された高分子材料の架橋硫黄鎖連結長を算出することができるとともに、該架橋硫黄鎖連結長を用いて硫黄架橋密度を算出することができる。   According to the present invention, it is possible to calculate the cross-linked sulfur chain link length of the sulfur cross-linked polymer material from the X-ray absorption spectrum of the sulfur K shell absorption end, and to use the cross link sulfur chain link length Can be calculated.

硫黄K殻吸収端のX線吸収スペクトルの一例を示す図Figure showing an example of X-ray absorption spectrum of sulfur K shell absorption edge 高分子物体中での硫黄架橋形態の例を示す図Figure showing an example of a sulfur cross-linked form in a polymer body 硫黄−硫黄間成分に用いる非対称ガウス関数を示す図Diagram showing asymmetric Gaussian function used for sulfur-sulfur component X線測定装置の測定試料と検出器との関係を示す概念図Conceptual diagram showing the relationship between the measurement sample of the X-ray measurement device and the detector 第1実施例における硫黄濃度とエッジジャンプとの関係を示すグラフGraph showing the relationship between sulfur concentration and edge jump in the first embodiment

以下、本発明の実施に関連する事項について詳細に説明する。   Hereinafter, matters related to the implementation of the present invention will be described in detail.

本実施形態に係る硫黄架橋構造解析方法は、以下の工程を含む。
工程1:硫黄濃度が既知の試料にX線を照射して硫黄K殻吸収端のX線吸収スペクトルを取得することにより、硫黄濃度とエッジジャンプ(edge jump)の高さとの関係を求める工程、
工程2:硫黄架橋密度が未知の硫黄架橋された高分子材料にX線を照射して、硫黄K殻吸収端のX線吸収スペクトルを取得する工程、
工程3:工程2で得られたX線吸収スペクトルを、硫黄−硫黄間成分及び硫黄−炭素間成分を含む少なくとも2つの成分でフィッティングする工程、
工程4:フィッティング結果から硫黄−硫黄間成分のピーク面積と硫黄−炭素間成分のピーク面積を算出して、前記硫黄−硫黄間成分と硫黄−炭素間成分のピーク面積比から架橋硫黄鎖連結長を算出する工程、及び、
工程5:硫黄架橋密度が未知の前記高分子材料について、X線吸収スペクトルからエッジジャンプの高さを求め、求めたエッジジャンプの高さから工程1の前記関係に基づいて硫黄濃度を求め、求めた硫黄濃度と前記架橋硫黄鎖連結長から硫黄架橋密度を算出する工程。
The sulfur crosslinked structure analysis method according to the present embodiment includes the following steps.
Step 1: Irradiating a sample having a known sulfur concentration with X-rays to acquire an X-ray absorption spectrum of the sulfur K-shell absorption edge, thereby obtaining the relationship between the sulfur concentration and the height of edge jump (edge jump)
Step 2: Irradiating a sulfur-crosslinked polymer material of unknown sulfur crosslinking density with X-rays to obtain an X-ray absorption spectrum of the sulfur K-shell absorption edge,
Step 3: fitting the X-ray absorption spectrum obtained in Step 2 with at least two components including a sulfur-sulfur component and a sulfur-carbon component
Step 4: The peak area of the sulfur-sulfur component and the peak area of the sulfur-carbon component are calculated from the fitting result, and the crosslinked sulfur chain linkage length is determined from the peak area ratio of the sulfur-sulfur component and the sulfur-carbon component. Calculating, and
Step 5: For the polymer material whose sulfur crosslinking density is unknown, the height of the edge jump is determined from the X-ray absorption spectrum, and the sulfur concentration is determined based on the relationship of step 1 from the determined height of the edge jump Calculating a sulfur crosslinking density from the determined sulfur concentration and the crosslinked sulfur chain linkage length.

このように本実施形態では、硫黄K殻吸収端のX線吸収スペクトルを、硫黄−硫黄間成分及び硫黄−炭素間成分を含む少なくとも2つの成分を用いてピーク分離することにより、これら結合成分の定量を行い、その結果から、当該高分子材料の架橋硫黄鎖連結長と硫黄架橋密度を評価するものである。   As described above, in this embodiment, the X-ray absorption spectrum of the sulfur K shell absorption edge is peak-separated by using at least two components including the sulfur-sulfur component and the sulfur-carbon component. Determination is carried out, and from the results, the crosslinked sulfur chain connection length and the sulfur crosslinking density of the polymer material are evaluated.

一般に、物体にX線を照射することで得られるX線吸収スペクトルには、物体中に含まれる元素特有の急峻な立ち上がりが見られ、この立ち上がりは吸収端と呼ばれる。この吸収端付近の微細な構造は、X線吸収微細構造(XAFS:x-ray absorption fine structure)と呼ばれる。XAFSは、吸収端から数十eV程度までのX線吸収端構造(XANES:x-ray absorption near edge structure)と、それよりも高エネルギー側の1000eV程度までの範囲に現れるX線広域微細構造(EXAFS:extended x-ray absorption fine structure)からなる。そのうち、XANESは、電子状態などの化学状態に敏感であり、着目原子がどのような原子と結合しているかといった化学状態の解析に適用することができる。本実施形態では、硫黄原子のK殻吸収端である硫黄K殻吸収端についてXANES領域におけるX線吸収スペクトルを用いて、硫黄架橋構造の解析を行う。   Generally, in an X-ray absorption spectrum obtained by irradiating an object with X-rays, a sharp rise specific to an element contained in the body is observed, and this rise is called an absorption edge. The fine structure near the absorption edge is called an x-ray absorption fine structure (XAFS). XAFS has an X-ray absorption near-edge structure (XANES) up to several tens of eV from the absorption edge and an X-ray broad-range fine structure (approx. 1000 eV on the higher energy side) EXAFS: consists of extended x-ray absorption fine structure). Among them, XANES is sensitive to chemical states such as electronic states, and can be applied to the analysis of chemical states such as to which atom the atom of interest is bonded. In this embodiment, analysis of the sulfur crosslinking structure is performed using an X-ray absorption spectrum in the XANES region for the sulfur K-shell absorption edge, which is the K-shell absorption edge of a sulfur atom.

本実施形態において、測定対象としての高分子材料としては、硫黄架橋された樹脂やゴムなどの高分子であればよく、高分子の種類は特に限定されない。好ましくは、加硫ゴムであり、ゴムポリマーに硫黄等の加硫剤を含む種々の配合剤を配合したゴム組成物を加硫してなる加硫ゴムを測定対象とすることができる。   In the present embodiment, the polymer material to be measured may be a polymer such as a sulfur-crosslinked resin or rubber, and the type of the polymer is not particularly limited. Preferably, it is a vulcanized rubber, and a vulcanized rubber formed by vulcanizing a rubber composition in which various compounding agents containing a vulcanizing agent such as sulfur are mixed with a rubber polymer can be used as a measurement target.

ここで、ゴムポリマーとしては、例えば、天然ゴム(NR)、イソプレンゴム(IR)、ブタジエンゴム(BR)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ニトリルゴム(NBR)、クロロプレンゴム(CR)、ブチルゴム(IIR)、ハロゲン化ブチルゴム(X−IIR)、スチレンイソプレンブタジエンゴム(SIBR)などのジエン系ゴムが挙げられ、これらはそれぞれ単独で又は2種類以上ブレンドして用いることができる。   Here, as the rubber polymer, for example, natural rubber (NR), isoprene rubber (IR), butadiene rubber (BR), styrene butadiene rubber (SBR), nitrile rubber (NBR), chloroprene rubber (CR), butyl rubber (IIR And diene rubbers such as halogenated butyl rubber (X-IIR) and styrene isoprene butadiene rubber (SIBR), which may be used alone or in combination of two or more.

高分子材料には、硫黄架橋させるための硫黄が加硫剤として配合される。加硫剤としては、例えば、粉末硫黄、沈降硫黄、コロイド硫黄、不溶性硫黄、高分散性硫黄などの硫黄が挙げられる。一実施形態として、上記ゴム組成物において、加硫剤の配合量は、ゴムポリマー100質量部に対して0.1〜10質量部でもよく、0.5〜8質量部でもよい。   In the polymer material, sulfur for sulfur crosslinking is blended as a vulcanizing agent. Examples of the vulcanizing agent include sulfur such as powdered sulfur, precipitated sulfur, colloidal sulfur, insoluble sulfur and highly dispersible sulfur. As one embodiment, in the above rubber composition, the compounding amount of the vulcanizing agent may be 0.1 to 10 parts by mass, or 0.5 to 8 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the rubber polymer.

高分子材料には、また、充填剤や加硫促進剤などの様々な配合剤を任意成分として配合してもよい。一実施形態として、上記ゴム組成物の場合、かかる配合剤として、充填剤、シランカップリング剤、オイル等の軟化剤、可塑剤、老化防止剤、亜鉛華、ステアリン酸、ワックス、加硫促進剤など、通常ゴム工業で使用される各種配合剤を用いることができる。上記充填剤としては、例えば、カーボンブラック、シリカ、タルク、クレー、アルミナなどの各種無機充填剤が挙げられ、カーボンブラック及び/又はシリカが好ましい。一実施形態として上記ゴム組成物の場合、充填剤の配合量は、例えば、ゴムポリマー100質量部に対して10〜200質量部でもよく、20〜150質量部でもよい。また、加硫促進剤の配合量は、ゴムポリマー100質量部に対して0.1〜7質量部でもよく、0.5〜5質量部でもよい。また、亜鉛華の配合量は、ゴムポリマー100質量部に対して0.1〜10質量部でもよく、0.5〜5質量部でもよい。   The polymer material may also contain various additives such as a filler and a vulcanization accelerator as optional components. In one embodiment, in the case of the above rubber composition, such a compounding agent as a filler, a silane coupling agent, a softener such as oil, a plasticizer, an antiaging agent, zinc flower, stearic acid, a wax, a vulcanization accelerator For example, various compounding agents usually used in the rubber industry can be used. Examples of the filler include various inorganic fillers such as carbon black, silica, talc, clay and alumina, and carbon black and / or silica are preferable. In the case of the above rubber composition as one embodiment, the blending amount of the filler may be, for example, 10 to 200 parts by mass, or 20 to 150 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the rubber polymer. Moreover, 0.1-7 mass parts may be sufficient as the compounding quantity of a vulcanization accelerator with respect to 100 mass parts of rubber polymers, and 0.5-5 mass parts may be sufficient. In addition, the blending amount of zinc oxide may be 0.1 to 10 parts by mass, or 0.5 to 5 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the rubber polymer.

かかるゴム組成物は、バンバリーミキサーなどの混合機を用いて各成分を常法に従い混練することにより作製することができ、該ゴム組成物を常法に従い加熱して加硫することにより加硫ゴムが得られる。   The rubber composition can be prepared by kneading each component according to a conventional method using a mixer such as a Banbury mixer, and the rubber composition is heated and vulcanized according to the conventional method to obtain a vulcanized rubber. Is obtained.

測定対象としての高分子材料の形状は、特に限定されず、例えばシート状のものを用いることができる。一実施形態として、測定対象としては、シート状に加硫成形したゴムシートを用いてもよく、あるいはまた、タイヤ等の加硫ゴム製品からシート状に切り出したものを用いてもよい。   The shape of the polymer material to be measured is not particularly limited, and for example, a sheet-like material can be used. As one embodiment, as a measuring object, a rubber sheet vulcanized and formed into a sheet may be used, or alternatively, a sheet cut out from a vulcanized rubber product such as a tire may be used.

上記工程1では、硫黄濃度が既知の試料を用いて、硫黄濃度とエッジジャンプの高さとの関係(以下、関係Wという)を求める。硫黄濃度の既知の試料としては、硫黄濃度が分かっているものであれば、上記測定対象としての高分子材料と同様の硫黄架橋されたものでもよく、未架橋のものでもよい。また、必ずしも高分子材料でなくてもよく、例えばKBr粉末と硫黄粉末を乳鉢などで混合し、錠剤成型器を使ってタブレット状にしたものでもよい。好ましくはゴムポリマーに硫黄等の加硫剤を配合したゴム組成物である。   In step 1 described above, a sample having a known sulfur concentration is used to determine the relationship between the sulfur concentration and the height of the edge jump (hereinafter referred to as the relationship W). As a known sample of the sulfur concentration, as long as the sulfur concentration is known, the same sulfur-crosslinked one as the above-mentioned polymer material as the measurement target may be used, or the one which is not crosslinked may be used. Moreover, it is not necessary to necessarily use a polymer material, and for example, a powder obtained by mixing KBr powder and sulfur powder in a mortar or the like and using a tablet molding machine may be used. The rubber composition is preferably a rubber polymer blended with a vulcanizing agent such as sulfur.

工程1では、硫黄濃度が既知の試料にX線を照射して硫黄K殻吸収端のX線吸収スペクトルを取得することにより、上記関係Wを求める。関係Wを求めるためには、硫黄濃度が異なる複数の試料についてX線吸収スペクトルを取得してエッジジャンプを求めればよく、硫黄濃度とエッジジャンプの高さとの関係Wを示す検量線を得ることができる。   In step 1, the relationship W is determined by irradiating a sample having a known sulfur concentration with X-rays to acquire an X-ray absorption spectrum of the sulfur K-shell absorption edge. In order to obtain the relationship W, X-ray absorption spectra may be obtained for a plurality of samples having different sulfur concentrations to obtain edge jumps, and a calibration curve indicating the relationship W between the sulfur concentration and the height of the edge jump may be obtained. it can.

硫黄K殻吸収端のX線吸収スペクトルを取得する方法としては、公知のXAFS法(特にはXANES法)を用いることができる。詳細には、試料にX線を照射し、X線のエネルギーを変えながらX線吸収量(吸収強度)を測定する。X線は、硫黄原子のK殻吸収端に対応するエネルギーにて照射され、これにより、硫黄K殻についてXANES領域におけるX線吸収スペクトルが得られる。X線の走査エネルギー範囲としては、2400〜3000eVであることが好ましく、2450〜2500eVでもよく、2460〜2490eVでもよい。   As a method of acquiring the X-ray absorption spectrum of the sulfur K shell absorption edge, a known XAFS method (in particular, the XANES method) can be used. Specifically, the sample is irradiated with X-rays, and the X-ray absorption amount (absorption intensity) is measured while changing the energy of the X-rays. The X-rays are irradiated at an energy corresponding to the K-shell absorption edge of the sulfur atom, whereby an X-ray absorption spectrum in the XANES region is obtained for the sulfur K-shell. The scanning energy range of X-rays is preferably 2400 to 3000 eV, and may be 2450 to 2500 eV, or 2460 to 2490 eV.

硫黄K殻吸収端におけるXAFS法においては、(1)試料を透過してきたX線強度を、フォトダイオードアレイ検出器等を用いて検出する透過法、(2)試料にX線を照射した際に発生する蛍光X線を、Lytle検出器や半導体検出器などを用いて検出する蛍光法、及び、(3)試料にX線を照射した際に流れる電流を検出する電子収量法などがあり、いずれを用いてもよい。好ましくは、蛍光法を用いることである。蛍光法は、より詳細には、試料にX線を照射した際に発生する蛍光X線を測定する方法であり、X線吸収量と蛍光X線の強度に比例関係があることを用いて、蛍光X線の強度からX線吸収量を間接的に求める方法である。   In the XAFS method at the sulfur K-shell absorption edge, (1) a transmission method of detecting the intensity of X-rays transmitted through a sample using a photodiode array detector or the like, and (2) when the sample is irradiated with X-rays There are a fluorescence method that detects the fluorescent X-rays that are generated using a Lytle detector or a semiconductor detector, and (3) an electron yield method that detects the current that flows when the sample is irradiated with X-rays. May be used. Preferably, the fluorescence method is used. More specifically, the fluorescence method is a method of measuring fluorescent X-rays generated when a sample is irradiated with X-rays, and using the fact that there is a proportional relationship between the amount of X-ray absorption and the intensity of fluorescent X-rays, This is a method of indirectly determining the amount of X-ray absorption from the intensity of fluorescent X-rays.

XAFS法を行う際に使用するX線としては、例えば1010(photons/s/mrad2/mm2/0.1%bw)以上の高輝度X線であることが好ましい。また、X線の光子数は10(photons/s)以上であることが好ましく、より好ましくは10(photons/s)以上である。このようなX線を放射するシンクロトロンとしては、高輝度光科学研究センターのSPring−8、「知の拠点あいち」のあいちシンクロトロン光センターなどが挙げられる。 As X-rays used when performing the XAFS method, for example, high-intensity X-rays of 10 10 (photons / s / mrad 2 / mm 2 /0.1% bw) or more are preferable. The number of photons of X-rays is preferably 10 7 (photons / s) or more, more preferably 10 9 (photons / s) or more. Examples of such synchrotrons that emit X-rays include SPring-8 of the High Intensity Research Center for Light Science, Aichi Synchrotron Center of "Aichi Base of Knowledge", and the like.

X線吸収スペクトルからエッジジャンプの高さを求める方法としては、特に限定されないが、例えば、X線スペクトルからエッジジャンプの高さを直接読み取ってもよく、後述する工程3と同様のフィッティングを行い、その結果得られる階段関数成分からエッジジャンプの高さを求めてもよい。   The height of the edge jump is not particularly limited as a method of determining the height of the edge jump from the X-ray absorption spectrum, but for example, the height of the edge jump may be read directly from the X-ray spectrum. The height of the edge jump may be determined from the step function component obtained as a result.

X線吸収スペクトルからエッジジャンプの高さを読み取る場合、例えばX線エネルギーが2485〜3000eVの範囲内における特定のエネルギー値でのX線吸収量を読み取ればよい。一般にこの範囲ではX線吸収量は大きく変化しないので、そのような範囲内でエネルギー値を決めればよい。より好ましくは2485〜2500eVの範囲であり、例えば2490eVでのX線吸収量を読み取るようにしてもよい。   When the height of the edge jump is read from the X-ray absorption spectrum, for example, the X-ray absorption amount at a specific energy value in the range of 2485 to 3000 eV may be read. In general, the amount of X-ray absorption does not change significantly in this range, so the energy value may be determined within such a range. More preferably, it is in the range of 2485 to 2500 eV, and for example, the amount of X-ray absorption at 2490 eV may be read.

工程1でX線吸収スペクトルを取得する際には、X線検出器の位置を固定することが好ましい。すなわち、硫黄濃度が異なる複数の試料についてX線吸収スペクトルを取得する際に、試料とX線検出器との距離を一定にしてX線を照射して、硫黄K殻吸収端のX線吸収スペクトルを取得する。   When acquiring an X-ray absorption spectrum in step 1, it is preferable to fix the position of the X-ray detector. That is, when X-ray absorption spectra are acquired for a plurality of samples having different sulfur concentrations, X-ray absorption is performed with the distance between the sample and the X-ray detector fixed and X-ray absorption spectrum of sulfur K shell absorption edge To get

詳細には、図4に示すように、蛍光法では、高分子材料等の試料にX線を照射し、それにより発生する蛍光X線をX線検出器で検出する。その際、X線検出器の位置が近いとエッジジャンプは大きくなる。例えば、図4中、二点鎖線で示す位置よりも実線で示す位置にX線検出器を配置した方がエッジジャンプの高さは大きくなる。そのため、通常の測定では、試料中の対象原子の濃度に合わせて、X線検出器を最適な位置に配置する。これに対し、本実施形態では、X線検出器を同じ位置に固定して測定することにより、対象原子である硫黄の濃度の違いをエッジジャンプの高さで表すことができる。   Specifically, as shown in FIG. 4, in the fluorescence method, a sample such as a polymer material is irradiated with X-rays, and the fluorescent X-rays generated thereby are detected by an X-ray detector. At that time, if the position of the X-ray detector is close, the edge jump becomes large. For example, the height of the edge jump is larger when the X-ray detector is disposed at the position indicated by the solid line than the position indicated by the two-dot chain line in FIG. Therefore, in normal measurement, the X-ray detector is placed at an optimum position in accordance with the concentration of the target atom in the sample. On the other hand, in the present embodiment, by measuring the X-ray detector fixed at the same position, the difference in the concentration of sulfur as the target atom can be represented by the height of the edge jump.

上記工程2では、硫黄架橋密度が未知の硫黄架橋された高分子材料についてX線吸収スペクトルを取得する。工程2において硫黄K殻吸収端のX線吸収スペクトルを取得する方法は、測定試料として硫黄架橋密度が未知の硫黄架橋された高分子材料(硫黄濃度も未知)を用いる点を除き、上述した工程1と同様であり、説明は省略する。   In step 2 above, an X-ray absorption spectrum is obtained for a sulfur-crosslinked polymer material whose sulfur crosslinking density is unknown. The method of acquiring the X-ray absorption spectrum of the sulfur K-shell absorption edge in step 2 is the above-described step except that a sulfur-crosslinked polymer material whose sulfur crosslinking density is unknown (sulfur concentration is also unknown) is used as a measurement sample It is the same as 1 and the explanation is omitted.

工程2においては、硫黄架橋密度が未知の高分子材料とX線検出器との距離を、工程1で上記関係Wを求めたときの試料とX線検出器との距離と同じ距離に設定した上で、前記高分子材料にX線を照射することが好ましい。これにより、後述する工程5において、エッジジャンプの高さから関係Wを用いて硫黄濃度を算出することができる。   In step 2, the distance between the X-ray detector and the polymer material whose sulfur crosslinking density is unknown is set to the same distance as the distance between the sample and the X-ray detector when the relationship W is obtained in step 1. Preferably, the polymer material is irradiated with X-rays. Thus, in step 5 described later, the sulfur concentration can be calculated using the relationship W from the height of the edge jump.

上記工程3では、工程2により得られたX線吸収スペクトルを、硫黄−硫黄間成分(以下、S−S成分という。)及び硫黄−炭素間成分(以下、S−C成分という。)を含む少なくとも2つの成分でフィッティングする。より好ましくは、S−S成分、S−C成分及び階段関数成分を含む少なくとも3成分でフィッティングを行うことであり、更に好ましくは、図1にその一例を示すように、S−S成分、S−C成分及び階段関数成分とともに、硫黄−亜鉛間成分(以下、S−Zn成分という。)と、多重散乱成分を用いて、上記のフィッティングを行うことである。   In the step 3, the X-ray absorption spectrum obtained in the step 2 contains a sulfur-sulfur component (hereinafter referred to as an S-S component) and a sulfur-carbon component (hereinafter referred to as an S-C component). Fit with at least two components. More preferably, fitting is performed with at least three components including an S-S component, an S-C component, and a step function component, and still more preferably, as shown in an example in FIG. The above-mentioned fitting is performed using a sulfur-zinc component (hereinafter referred to as an S-Zn component) and a multiple scattering component together with a -C component and a step function component.

硫黄K殻吸収端におけるX線吸収は、主としてS−S成分とS−C成分に起因するため、これら2成分を用いてX線吸収スペクトルをフィッティングすることにより、S−S成分とS−C成分の各ピーク面積を算出することができる。また、一実施形態において、エッジジャンプの高さを求めるために、階段関数成分も用いてフィッティングしてもよい。より厳密には、硫黄K殻吸収端におけるX線吸収には、S−S成分、S−C成分及び階段関数成分の他に、S−Zn成分と、多重散乱成分の影響もあるため、これら2成分も含めた5成分でX線吸収スペクトルをフィッティングすることにより、各ピーク面積をより高精度に算出することができる。   Since the X-ray absorption at the sulfur K-shell absorption edge is mainly due to the S-S component and the S-C component, the S-S component and the S-C component can be obtained by fitting an X-ray absorption spectrum using these two components. Each peak area of the component can be calculated. In one embodiment, a step function component may also be used for fitting in order to determine the height of the edge jump. More strictly, X-ray absorption at the sulfur K-shell absorption edge is affected not only by the S-S component, S-C component and step function component, but also by the S-Zn component and multiple scattering components. Each peak area can be calculated with higher accuracy by fitting the X-ray absorption spectrum with five components including two components.

ここで、S−S成分は、S−S結合に基づくX線吸収成分であり、S−C成分は、S−C結合に基づくX線吸収成分である。高分子材料での硫黄架橋構造は、図2に示すように、高分子鎖の炭素(C)が硫黄(S)を介して結合した構造であり、架橋部分の硫黄原子間の結合がS−S結合であり、高分子鎖の炭素原子と架橋部分の硫黄原子との結合がS−C結合である。   Here, the S-S component is an X-ray absorbing component based on an S-S bond, and the S-C component is an X-ray absorbing component based on an S-C bond. The sulfur cross-linked structure in the polymer material is a structure in which carbon (C) of the polymer chain is linked via sulfur (S) as shown in FIG. It is an S bond, and the bond between the carbon atom of the polymer chain and the sulfur atom of the bridging moiety is an S-C bond.

S−Zn成分は、S−Zn結合に基づくX線吸収成分である。上記のようにゴム組成物には亜鉛華(ZnO)が配合されることがあり、その場合、亜鉛華が反応して加硫ゴム中に硫化亜鉛(ZnS)が含まれるので、これによるX線吸収を考慮したものである。そのため、加硫ゴムなどの高分子材料に亜鉛が含まれない場合には、この成分を考慮する必要はない。従って、亜鉛が含まれない高分子材料の場合、一実施形態として、S−S成分、S−C成分、階段関数成分及び多重散乱成分を用いて、上記のフィッティングを行ってもよい。   The S-Zn component is an X-ray absorbing component based on the S-Zn bond. As described above, zinc flower (ZnO) may be compounded into the rubber composition, in which case the zinc flower reacts to contain zinc sulfide (ZnS) in the vulcanized rubber. Absorption is considered. Therefore, when the polymeric material such as vulcanized rubber does not contain zinc, it is not necessary to consider this component. Therefore, in the case of a polymer material not containing zinc, the above-mentioned fitting may be performed using the S-S component, the S-C component, the step function component and the multiple scattering component as one embodiment.

多重散乱(multiple scattering)成分は、XANES領域の光電子による多重散乱に基づくX線吸収成分である。XANES領域の光電子は運動エネルギーが低いため、平均自由行程が長く、周囲の原子に何度も散乱(多重散乱)されるので、これによるX線吸収を考慮したものである。   Multiple scattering components are x-ray absorption components based on multiple scattering by photoelectrons in the XANES region. Since photoelectrons in the XANES region have low kinetic energy, they have a long mean free path and are scattered many times by surrounding atoms (multiple scattering), so the X-ray absorption by this is taken into consideration.

階段関数(step function)成分は、連続帯への電子の遷移に基づくX線吸収成分である。XANES領域は内殻軌道(K殻)から、非占有軌道への励起である。励起エネルギー(入射X線エネルギー)が大きくなるにつれ、電子は原子核の拘束から抜け出し、非占有軌道よりも高エネルギーの連続帯へと励起されるようになる。このように徐々に増えていく連続帯への電子の遷移によるX線吸収を考慮したものである。   The step function component is an x-ray absorption component based on the transition of electrons to the continuous band. The XANES domain is an excitation from an inner shell orbit (K shell) to an unoccupied orbit. As the excitation energy (incident X-ray energy) increases, electrons move out of the nuclear restraint and become excited to a continuous band of higher energy than the unoccupied orbital. In this way, X-ray absorption due to the transition of electrons to the gradually increasing continuous band is considered.

X線吸収スペクトルをフィッティングする際に使用する関数としては、上記の各成分を表現できるものであればよく、種々の関数を用いることができる。   As a function used when fitting an X-ray absorption spectrum, various functions can be used as long as they can represent each of the components described above.

一実施形態として、S−C成分、S−Zn成分、及び多重散乱成分には、図1に示すように、ガウス関数を用いることが好ましい。これらの成分によるX線吸収は一般に正規分布を示すため、ガウス関数を用いて表現することができる。ガウス関数としては、例えば、下記式(1)で表されるものを用いることができる。   In one embodiment, as shown in FIG. 1, it is preferable to use a Gaussian function for the S-C component, the S-Zn component, and the multiple scattering component. Since the X-ray absorption by these components generally exhibits a normal distribution, it can be expressed using a Gaussian function. As the Gaussian function, for example, one represented by the following formula (1) can be used.

式(1)中、aはピーク高さ(ピーク強度)、bはピークトップでのX線エネルギー(eV)、cはピークの半値幅(eV)、xは照射X線エネルギー(eV)を示す。 In formula (1), a is peak height (peak intensity), b is X-ray energy at peak top (eV), c is half width of peak (eV), x is irradiation X-ray energy (eV) .

一実施形態において、S−C成分については、aを変数、b及びcを定数とし、S−Zn成分及び多重散乱成分については、a及びbを変数、cを定数として、上記のフィッティングを行う。なお、S−C成分のピークトップでのX線エネルギーbは、標準試料に対する測定により得られる値、例えば2473eVに設定することができる。   In one embodiment, for the S-C component, the above fitting is performed with a as a variable, b and c as constants, and for S-Zn components and multiple scattering components, a and b as variables and c as a constant. . The X-ray energy b at the peak top of the S-C component can be set to a value obtained by measurement of a standard sample, for example, 2473 eV.

また、階段関数成分には、図1に示すように、シグモイド関数を用いることが好ましい。上記のように、階段関数成分は、エネルギーが高くなるにつれて徐々に増加するため、シグモイド関数を用いて表現することができる。シグモイド関数としては、例えば、下記式(2)で表されるものを用いることができる。   Further, as shown in FIG. 1, it is preferable to use a sigmoid function as the step function component. As described above, since the step function component gradually increases as energy becomes higher, it can be expressed using a sigmoid function. As a sigmoid function, what is represented by following formula (2) can be used, for example.

式(2)中、dはエッジジャンプの高さ、eは定数、fはイオン化ポテンシャル(eV)を示す。一実施形態において、dを変数とし、e及びfを定数として、上記のフィッティングを行ってもよい。但し、後述する工程5において、エッジジャンプの高さをX線吸収スペクトルから直接読み取る場合、当該読み取った値を定数として用いてもよい。 In Formula (2), d is the height of an edge jump, e is a constant, and f shows ionization potential (eV). In one embodiment, the above fitting may be performed with d as a variable and e and f as constants. However, when the height of the edge jump is directly read from the X-ray absorption spectrum in step 5 described later, the read value may be used as a constant.

一方、S−S成分については、S−C成分と同様、左右対称な分布を持つガウス関数を用いて表現することもできるが、架橋硫黄鎖の熱振動によるS−S結合長の揺らぎを考慮して、左右非対称な分布を持つ非対称ガウス関数を用いることが好ましい。すなわち、架橋硫黄鎖の熱振動によりS−S結合が分子運動して結合長が変化し、S−S結合長が長いほどピーク高さは高くかつ半値幅は狭くなる。かかるS−S結合長の揺らぎを考慮して、S−S成分には、図3に示すように、複数のガウス関数を合成することで左右非対称な分布を持たせた非対称ガウス関数を用いる。これら複数のガウス関数としては、ピーク高さと半値幅が異なるものを用いることが好ましい。より詳細には、非対称ガウス関数としては、基準ガウス関数と、ピークトップが該基準ガウス関数の高エネルギー側に等間隔にシフトし且つピーク高さが等差に減少する複数のガウス関数を合成したものを用いることが好ましい。   On the other hand, the S-S component can also be expressed using a Gaussian function having a symmetrical distribution like the S-C component, but the fluctuation of the S-S bond length due to the thermal vibration of the crosslinked sulfur chain is taken into consideration It is preferable to use an asymmetric Gaussian function having an asymmetrical distribution. That is, thermal vibration of the crosslinked sulfur chain causes molecular motion of the S-S bond to change the bond length, and the longer the S-S bond length, the higher the peak height and the narrower the half width. In consideration of the fluctuation of the S-S bond length, as the S-S component, as shown in FIG. 3, an asymmetric Gaussian function having an asymmetric distribution by using a plurality of Gaussian functions is used. It is preferable to use those having different peak heights and half widths as the plurality of Gaussian functions. More specifically, as the asymmetric Gaussian function, a reference Gaussian function and a plurality of Gaussian functions in which peak tops are equally shifted to the high energy side of the reference Gaussian function and peak heights equally decrease are synthesized It is preferable to use one.

一実施形態において、S−S成分に用いる非対称ガウス関数は、上記式(1)で表される複数のガウス関数の足し合わせで表現することができる。詳細には、図3に示すように、上記式(1)で表される基準ガウス関数(C関数)を定め、ピークトップがC関数の高エネルギー側に等間隔にシフトし且つピーク高さが等差に減少する複数のガウス関数(C関数:C、C、……。ここでmは1以上の整数)を定める。C関数では、上記a、b及びcを定数とし、C関数以降のC関数(m=2〜)については、ピークトップのシフト幅とピーク高さの等差減少値を定めて、m個のC関数を定義する。その際に、C関数の半値幅とピーク高さの積は一定とする。m個のC関数を足し合わせることにより、非対称ガウス関数が得られる。得られた非対称ガウス関数では、ピークトップでのX線エネルギー(eV)を定数とし、ピーク高さを変数として、上記のフィッティングを行うことが好ましい。従って、非対称ガウス関数を作成する際には、上記複数のガウス関数を合成したときのピークトップでのX線エネルギーが上記定数の値に一致するように、C関数の変数やシフト幅、等差減少値、上記の積などを定めればよい。なお、S−S成分のピークトップでのX線エネルギーは、標準試料に対する測定により得られる値、例えば2472eVに設定することができる。 In one embodiment, the asymmetric Gaussian function used for the S-S component can be represented by the addition of a plurality of Gaussian functions represented by the above equation (1). Specifically, as shown in FIG. 3, the reference Gaussian function (C 1 function) represented by the above equation (1) is determined, and the peak tops are equally shifted to the high energy side of the C 1 function and the peak height is A plurality of Gaussian functions (C m functions: C 1 , C 2 ,..., Where m is an integer greater than or equal to 1) in which the errors decrease equally. In the C 1 function, the above a, b and c are constant, and for the C m function (m = 2 to 2) after the C 1 function, the difference between the peak top shift width and the peak height is determined. Define m C m functions. At that time, the product of the half width and peak height C m function is constant. By combining the m C m functions, an asymmetric Gaussian function is obtained. In the obtained asymmetric Gaussian function, it is preferable to perform the above-described fitting, with the X-ray energy (eV) at the peak top as a constant and the peak height as a variable. Therefore, when creating an asymmetric Gaussian function, the variable or shift width of the C 1 function, etc., so that the X-ray energy at the peak top when combining the multiple Gaussian functions matches the value of the constant The difference reduction value, the product of the above, etc. may be determined. The X-ray energy at the peak top of the S-S component can be set to a value obtained by measurement on a standard sample, for example, 2472 eV.

以上の各成分を用いて、X線吸収スペクトルに対してフィッティング(曲線当てはめ(カーブフィッティング)とも称される。)する方法としては、特に限定されず、一般的な方法を用いることができる。例えば、上記各成分(好ましくは5成分)の関数を足し合わせた関数と、X線吸収スペクトル(測定スペクトル)の残差二乗和が0に近づくように、フィッティングを行えばよい。これにより、X線吸収スペクトルを各成分にピーク分離することができる。すなわち、それぞれの成分についてフィッティング処理後の曲線が得られるので、各成分のフィッティング処理後の曲線から、各成分のピーク面積を算出することができる。図1には、フィッティング処理後の上記5成分の各曲線と、これら5成分の合成曲線(フィッティングによる近似曲線)を示しており、測定スペクトルによく一致していることが分かる。   The method for fitting (also referred to as curve fitting) to the X-ray absorption spectrum using each of the above components is not particularly limited, and a general method can be used. For example, fitting may be performed so that the sum of squared residuals of the X-ray absorption spectrum (measurement spectrum) approaches 0 as a function obtained by adding the function of each component (preferably five components). Thereby, X-ray absorption spectrum can be peak-separated into each component. That is, since the curve after the fitting process is obtained for each component, the peak area of each component can be calculated from the curve after the fitting process of each component. FIG. 1 shows the curves of the five components after the fitting process and the composite curves of these five components (approximated curves by fitting), and it can be seen that they are in good agreement with the measured spectrum.

上記工程4では、工程3で得られたS−S成分とS−C成分の各フィッティング曲線から、それぞれS−S成分のピーク面積とS−C成分のピーク面積を算出し、両者の比(ピーク面積比)を算出することにより、測定対象である高分子物体の架橋硫黄鎖連結長を算出する。なお、ピーク面積は、測定範囲内において各フィッティング曲線により囲まれた部分の面積である。   In Step 4 above, the peak area of the S-S component and the peak area of the S-C component are calculated from the S-S component and the S-C component fitting curves obtained in Step 3, respectively, and the ratio of the two ( By calculating the peak area ratio, the cross-linked sulfur chain linkage length of the polymer object to be measured is calculated. The peak area is the area of a portion surrounded by each fitting curve in the measurement range.

ここで、高分子材料の架橋硫黄鎖連結長について説明する。上記のように、高分子材料中での硫黄架橋構造は、高分子鎖の炭素(C)が硫黄(S)を介して結合した構造であり(図2参照)、架橋部分の硫黄の連結数をnとして「C−S−C」で表され、n=1のモノスルフィド構造(C−S−C)から、n=2のジスルフィド構造(C−S2−C)、n=3〜8のポリスルフィド構造(C−S8−C)まで、8通りある(即ち、n=1〜8の整数)。この硫黄の連結数が架橋硫黄鎖連結長である。一般に、硫黄架橋された高分子材料において、硫黄架橋構造は連結数nの異なるものの幾つかが混在したものであるため、その平均が当該高分子材料の架橋硫黄鎖連結長である。各硫黄架橋構造には、その両端にS−C結合があり(即ち、S−C結合の数はいずれも2つ)、連結数nが増えるに従って1つずつS−S結合の数が増えるため、高分子材料に存在するS−S結合量とS−C結合量の比が分かれば、架橋硫黄鎖連結長を評価することができる。 Here, the crosslinked sulfur chain connection length of the polymer material will be described. As described above, the sulfur crosslinked structure in the polymer material is a structure in which carbon (C) of the polymer chain is linked via sulfur (S) (see FIG. 2), and represented by "C-S n -C" as n, n = 1 to the monosulfide structure (C-S-C), n = 2 of the disulfide structure (C-S 2 -C), n = 3~ There are eight ways to the polysulfide structure (C-S 8 -C) of eight (ie, an integer of n = 1 to 8). The number of linked sulfurs is the bridged sulfur chain linkage length. In general, in a sulfur-crosslinked polymer material, since the sulfur bridged structure is a mixture of some with different linkage number n, the average is the cross-linked sulfur chain linkage length of the polymer material. Each sulfur bridged structure has S-C bonds at both ends (that is, the number of S-C bonds is two in all), and the number of S-S bonds increases one by one as the number n of linkages increases. If the ratio of the amount of S-S bonds to the amount of S-C bonds present in the polymer material is known, it is possible to evaluate the cross-linked sulfur chain linkage length.

本実施形態では、S−S結合量に相当するS−S成分のピーク面積と、S−C結合量に相当するS−C成分のピーク面積が、上記のように得られるので、S−S成分とS−C成分のピーク面積比を算出することにより、架橋硫黄鎖連結長を算出することができる。   In this embodiment, since the peak area of the S-S component corresponding to the S-S bond amount and the peak area of the S-C component corresponding to the S-C bond amount are obtained as described above, S-S The crosslinked sulfur chain linkage length can be calculated by calculating the peak area ratio of the component and the S-C component.

例えば、S−S成分のピーク面積Sと、S−C成分のピーク面積Cから、両者の比R=C/(C+S)を算出し、下記式(3)から架橋硫黄鎖連結長Lを算出してもよい。   For example, the ratio R = C / (C + S) of the both is calculated from the peak area S of the S-S component and the peak area C of the S-C component, and the crosslinked sulfur chain linkage length L is calculated from the following formula (3) You may

ここで、硫黄架橋された高分子材料において、S−S結合数とS−C結合数の比であるS−C比を、
「S−C比」=「S−C結合数」/(「S−C結合数」+「S−S結合数」)
とする。高分子材料中での硫黄架橋構造は、S−S結合とS−C結合が全て架橋に使われているとすると、S−C結合数が必ず2となるので、
「S−C比」=2/(2+「S−S結合数」)となり、
「S−S結合数」=(2−2×「S−C比」)/「S−C比」となる。硫黄の連結数である架橋硫黄鎖連結長Lは、S−S結合数に1を加えた値になるので、
架橋硫黄鎖連結長L={(2−2×「S−C比」)/「S−C比」}+1
となる。S−C比は、上記ピーク面積Sとピーク面積Cとの比Rに等しいので、上記の式(3)が得られる。
Here, in the sulfur-crosslinked polymer material, the S-C ratio which is the ratio of the number of S-S bonds and the number of S-C bonds is
"S-C ratio" = "S-C number of bonds" / ("S-C number of bonds" + "number of S-S bonds")
I assume. The sulfur cross-linking structure in the polymer material is such that the number of S-C bonds is always two, provided that both S-S bonds and S-C bonds are used for the cross-linking,
"S-C ratio" = 2 / (2+ "number of SS bonds"),
“Number of SS bonds” = (2−2 × “S-C ratio”) / “S-C ratio”. Since the bridging sulfur chain linking length L, which is the linking number of sulfur, is a value obtained by adding 1 to the number of SS bonds,
Cross-linked sulfur chain linkage length L = {(2-2 × "S-C ratio") / "S-C ratio"} + 1
It becomes. Since the S-C ratio is equal to the ratio R of the peak area S to the peak area C, the above equation (3) is obtained.

なお、工程4で算出する架橋硫黄鎖連結長としては、式(3)のLの代わりに、例えば、S−C成分のピーク面積Cに対するS−S成分のピーク面積Sの比(S/C)を算出してもよい。この比S/Cが大きいほど架橋部分における硫黄の連結数が大きくなるので、比S/Cは架橋硫黄鎖連結長を表す指数として用いることができる。工程4で算出する架橋硫黄鎖連結長としては、このように架橋部分の硫黄の連結数を相対的に示すものでもよく、例えば、S−S成分とS−C成分の合計のピーク面積(S+C)に対するS−S成分のピーク面積比(S/(S+C))でもよい。   In addition, as bridge | bridging sulfur chain connection length calculated at the process 4, ratio of the peak area S of the S-S component with respect to the peak area C of a S-C component instead of L of Formula (3) (S / C ) May be calculated. The larger the ratio S / C, the larger the number of sulfur linkages in the cross-linked portion, so the ratio S / C can be used as an index representing the cross-linked sulfur chain linkage length. The cross-linked sulfur chain linkage length calculated in step 4 may indicate the relative linking number of sulfur in the cross-linked portion in this manner, for example, the peak area of the sum of the S-S component and the S-C component (S + C The peak area ratio (S / (S + C)) of the S—S component to

上記工程5では、エッジジャンプの高さと、工程4で算出された架橋硫黄鎖連結長から、硫黄架橋密度を算出する。   In the step 5, the sulfur crosslinking density is calculated from the height of the edge jump and the crosslinked sulfur chain linkage length calculated in the step 4.

エッジジャンプの高さを求める方法としては、工程2で得られたX線吸収スペクトルからエッジジャンプの高さを読み取ってもよく、あるいはまた、工程3において階段関数成分を用いてフィッティングを行ったときの当該フィッティング後の階段関数成分におけるエッジジャンプの高さを用いてもよい。X線吸収スペクトルからエッジジャンプの高さを読み取る方法の詳細は、上記の工程1と同様である。   As a method of determining the height of the edge jump, the height of the edge jump may be read from the X-ray absorption spectrum obtained in the step 2. Alternatively, when fitting is performed using the step function component in the step 3. The height of the edge jump in the step function component after the fitting of H may be used. The details of the method of reading the height of the edge jump from the X-ray absorption spectrum are the same as step 1 above.

一般に、XAFS法により得られるスペクトルの形状は、吸収端より低エネルギー側のベースラインから高エネルギー側に向かって急激な信号強度の階段状ジャンプ(即ち、エッジジャンプ)となっており、このエッジジャンプの高さが測定対象原子の濃度に比例することが知られている(渡辺巌「XAFSを用いた気液界面における単分子膜へのイオン吸着挙動」、表面科学、第25巻第3号、139−145頁、2004年)。そのため、上記階段関数成分のエッジジャンプの高さは、X線の照射範囲に含まれる硫黄原子数(硫黄濃度)に比例する。   In general, the shape of the spectrum obtained by the XAFS method is a step jump (i.e., an edge jump) of the signal intensity which is sharp from the baseline on the energy side lower than the absorption edge toward the high energy side. Is known to be proportional to the concentration of the measurement target atom (Watanabe, S., “Adsorption behavior of ions to monolayers at gas-liquid interface using XAFS,” Surface Science, Vol. 25, No. 3, 139-145, 2004). Therefore, the height of the edge jump of the step function component is proportional to the number of sulfur atoms (sulfur concentration) included in the X-ray irradiation range.

本実施形態では、工程5において、硫黄架橋密度が未知の前記高分子材料について、そのエッジジャンプの高さdから、上記工程1で得られた関係Wに基づいて、当該高分子材料の硫黄濃度Pを求める。そして、求めた硫黄濃度Pと、工程4で得られた架橋硫黄鎖連結長Lから、硫黄架橋密度Dを、D=P/Lにより算出することができる。硫黄架橋密度Dは、高分子材料の単位体積あたり(例えば1mLあたり)の、架橋本数(例えば本/mL)や架橋のモル数(例えばmol/mL)として、求めることができ、単位を持つ値として算出することができる。 In this embodiment, the sulfur concentration of the polymer material is determined based on the relationship W obtained in the step 1 from the height d of the edge jump of the polymer material whose sulfur crosslinking density is unknown in the step 5 Ask P. Then, from the determined sulfur concentration P and the crosslinked sulfur chain linkage length L obtained in step 4, the sulfur crosslinking density D c can be calculated by D c = P / L. The sulfur crosslinking density D c can be determined as the number of crosslinks (eg, per mL) or the number of moles of crosslink (eg, mol / mL) per unit volume (eg, per mL) of the polymer material, and has a unit It can be calculated as a value.

以上のように、本実施形態によれば、硫黄K殻吸収端のX線吸収スペクトルを、S−S成分とS−C成分を用いてピーク分離することにより、これらの成分のピーク面積比を求めることができるので、該ピーク面積比を用いて架橋硫黄鎖連結長を求めることができる。架橋硫黄鎖連結長は、これが大きいほど、熱的に不安定なS−S結合が多い硫黄架橋形態を持つことを意味するので、架橋硫黄鎖連結長を評価することにより、当該高分子材料の耐熱性を評価することができる。そのため、例えば、空気入りタイヤなどの加硫ゴム製品の耐熱性の評価に利用することができる。   As described above, according to this embodiment, the peak area ratio of these components can be obtained by peak separation of the X-ray absorption spectrum of the sulfur K-shell absorption edge using the S-S component and the S-C component. As it can be determined, the cross-linked sulfur chain linkage length can be determined using the peak area ratio. The larger the cross-linked sulfur chain linkage length is, the more it means that it has a sulfur cross-linked form with more thermally unstable S-S bonds, so by evaluating the cross-linked sulfur chain linkage length, Heat resistance can be evaluated. Therefore, it can be used, for example, for evaluating the heat resistance of a vulcanized rubber product such as a pneumatic tire.

また、本実施形態によれば、架橋硫黄鎖連結長とエッジジャンプにより硫黄架橋密度を算出することができるので、架橋形態とともに架橋密度も評価することができ、より詳細な硫黄架橋構造についての情報を得ることができる。しかも、本実施形態によれば、硫黄濃度が既知な試料を用いて求めた硫黄濃度とエッジジャンプとの関係Wに基づいて、解析対象の高分子材料における硫黄濃度を求めることができるので、硫黄架橋密度を単位体積あたりの架橋数として算出することができる。このように架橋密度が単位を持つ値として算出されるので、架橋密度の絶対評価が可能であり、種々の高分子材料について測定日などが変わっても比較することができる。   Further, according to the present embodiment, since the sulfur crosslinking density can be calculated from the crosslinked sulfur chain linkage length and the edge jump, the crosslinking density can be evaluated together with the crosslinking form, and more detailed information on the sulfur crosslinking structure You can get Moreover, according to the present embodiment, the sulfur concentration in the polymer material to be analyzed can be determined based on the relationship W between the sulfur concentration and the edge jump determined using a sample having a known sulfur concentration, The crosslink density can be calculated as the number of crosslinks per unit volume. Thus, since the crosslink density is calculated as a value having a unit, the absolute evaluation of the crosslink density is possible, and comparison can be made even if the measurement date etc. changes for various polymer materials.

なお、上記のフィッティング、ピーク面積の算出、架橋硫黄鎖連結長の算出、硫黄架橋密度の算出、硫黄濃度とエッジジャンプ高さとの関係Wの導出等の各ステップは、コンピュータを用いて行うことができ、これら各ステップを実行させるためのプログラムが読み込まれたコンピュータからなる解析装置が各ステップを実行することにより、高分子材料の硫黄架橋構造の解析を行うことができる。また、上記のフィッティングを行うフィッティング部、ピーク面積の算出を行うピーク面積算出部、架橋硫黄鎖連結長の算出を行う架橋長算出部、硫黄架橋密度を算出する架橋密度算出部、及び上記関係Wを導出する導出部とともに、硫黄K殻吸収端のX線吸収スペクトルの情報を取得する入力部と、算出結果を出力する出力部を備えた硫黄架橋構造解析装置を、汎用のコンピュータを基本ハードウェアとして用いて実現してもよい。   Note that each step such as the above fitting, calculation of peak area, calculation of cross-linked sulfur chain linkage length, calculation of sulfur cross-link density, derivation of relationship W between sulfur concentration and edge jump height, etc. may be performed using a computer By performing each step, an analysis device comprising a computer in which a program for executing each of these steps is read can analyze the sulfur cross-linking structure of the polymer material. In addition, a fitting unit that performs the above fitting, a peak area calculation unit that calculates the peak area, a crosslink length calculation unit that calculates the crosslink sulfur chain linkage length, a crosslink density calculation unit that calculates the sulfur crosslink density, and the above relationship W A sulfur bridge structural analysis device comprising an input unit for acquiring information of X-ray absorption spectrum of sulfur K shell absorption edge and an output unit for outputting calculation results together with a derivation unit for deriving a general-purpose computer as a basic hardware It may be realized by using it as

以下、本発明の実施例を示すが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
[第1実施例]
バンバリーミキサーを使用し、下記表1に示す配合(質量部)に従い、ゴムポリマーに配合剤を添加し混練して、未加硫ゴム組成物を調製した。
Hereinafter, although the example of the present invention is shown, the present invention is not limited to these examples.
[First embodiment]
Using a Banbury mixer, according to the composition (parts by mass) shown in Table 1 below, the compounding agents were added to the rubber polymer and kneaded to prepare an unvulcanized rubber composition.

表1中の各成分の詳細は以下の通りである。
・SBR:JSR(株)製「JSR1502」
・亜鉛華:三井金属鉱業(株)製「亜鉛華1種」
・ステアリン酸:花王(株)製「ルナックS−20」
・硫黄:細井化学工業(株)製「ゴム用粉末硫黄150メッシュ」
・加硫促進剤:大内新興化学工業(株)製「ノクセラーCZ」
The details of each component in Table 1 are as follows.
SBR: "JSR 1502" manufactured by JSR Corporation
・ Zinc flower: "Zinc flower type 1" manufactured by Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd.
・ Stearic acid: Kao Corporation "Lunack S-20"
・ Sulfur: Powdered sulfur 150 mesh for rubber manufactured by Hosoi Chemical Industry Co., Ltd.
・ Vulcanization accelerator: "Noxceler CZ" manufactured by Ouchi Shinko Chemical Co.

得られた未加硫ゴム組成物を、金型モールドでプレス加工(160℃、30分)することにより、厚さ1.0mmの加硫ゴムシート(ゴムシート1〜3)を作製した。得られたゴムシート1〜3を測定対象として、硫黄K殻吸収端におけるXANES測定を実施して、X線吸収スペクトルを得た。XANES測定は、「知の拠点あいち」のあいちシンクロトロン光センターにおいて、以下の測定条件により行った。測定では、全ての測定対象について、X線検出器と測定対象との距離は一定とした。
・X線の輝度:2.0×1012photons/s/mrad2/mm2/0.1%bw
・X線の光子数:〜3.0×1010photons/s
・分光器:結晶分光器
・X線検出器:シリコンドリフト検出器
・測定法:蛍光法
・X線のエネルギー範囲:2400〜2500eV
The obtained unvulcanized rubber composition was press-processed (160 ° C., 30 minutes) with a mold to prepare a vulcanized rubber sheet (rubber sheets 1 to 3) having a thickness of 1.0 mm. The XANES measurement at the sulfur K-shell absorption end was performed with the obtained rubber sheets 1 to 3 as the measurement target, to obtain an X-ray absorption spectrum. The XANES measurement was performed under the following measurement conditions at the Aichi Synchrotron Light Center of "the base of Aichi". In the measurement, the distance between the X-ray detector and the measurement object was constant for all the measurement objects.
・ X-ray intensity: 2.0 × 10 12 photons / s / mrad 2 / mm 2 /0.1% bw
Number of photons of X-ray: ~ 3.0 × 10 10 photons / s
Spectrometer: Crystal spectrometer • X-ray detector: Silicon drift detector • Measurement method: Fluorescence • X-ray energy range: 2400-2500 eV

得られたX線吸収スペクトルを、S−S成分、S−C成分、S−Zn成分、多重散乱成分及び階段関数成分の5つの成分でフィッティングし、各成分のピーク面積を算出した。その際、S−C成分、S−Zn成分及び多重散乱成分については、式(1)のガウス関数を用いた。式(1)中のパラメータは、S−C成分については、a(ピーク高さ)を変数、b(ピークトップでのエネルギー)を2473eV、c(ピークの半値幅)を1.8eVとし、S−Zn成分については、a及びbを変数、cを1.8eVとし、多重散乱成分については、a及びbを変数、cを4eVに設定した。また、階段関数成分については、式(2)のシグモイド関数を用いた。式(2)中のパラメータは、d(エッジジャンプの高さ)は変数、e(定数)=0.7、f(イオン化ポテンシャル)=2476eVに設定した。   The obtained X-ray absorption spectrum was fitted with five components of an S-S component, an S-C component, an S-Zn component, a multiple scattering component, and a step function component to calculate a peak area of each component. At this time, the Gaussian function of equation (1) was used for the S-C component, the S-Zn component and the multiple scattering component. In the equation (1), for the S-C component, a (peak height) is a variable, b (energy at peak top) is 2473 eV, c (half width of peak) is 1.8 eV, S is For the -Zn component, a and b are variables, c is 1.8 eV, and for multiple scattering components, a and b are variables and c is 4 eV. Moreover, the sigmoid function of Formula (2) was used about the step function component. The parameters in equation (2) were set such that d (height of edge jump) was a variable, e (constant) = 0.7, f (ionization potential) = 2476 eV.

また、S−S成分については、非対称ガウス関数を用いた。非対称ガウス関数は式(1)の複数のガウス関数の足し合わせで表した。詳細には、式(1)を用いて、aを2、bを2471.1eVとしたC1関数を定め、またC1関数から順に、ピークトップが高エネルギー側に等間隔(0.015eV)にシフトし且つピーク高さが等差(0.003)に減少する100個のC関数(m=1〜100)を定めた。その際、C関数は、ピーク高さと半値幅の積が一定値(2.8)となるように定義した。これら100個のC関数を足し合わせることにより、S−S成分の非対称ガウス関数を得た。なお、非対称ガウス関数のピークトップのエネルギー(eV)は2472eVに設定し、ピーク高さを変数とした。 In addition, an asymmetric Gaussian function was used for the S-S component. The asymmetric Gaussian function is represented by the addition of a plurality of Gaussian functions of equation (1). Specifically, using equation (1), at regular intervals to a 2, b a defines a C 1 functions as a 2471.1EV, also in order from the C 1 function, peak top to a high energy side (0.015EV) The 100 C m functions (m = 1 to 100) are defined, which shift to and reduce the peak height equally (0.003). At that time, the Cm function was defined such that the product of the peak height and the half width had a constant value (2.8). By summing these 100 C m function to obtain an asymmetric Gaussian function of S-S component. The energy (eV) of the peak top of the asymmetric Gaussian function was set to 2472 eV, and the peak height was used as a variable.

このようにして定義したS−S成分、S−C成分、S−Zn成分、多重散乱成分及び階段関数成分の5つの成分を足し合わせた関数と、測定スペクトルの残差二乗和が0に近づくように、フィッティングを行い、それぞれの成分のピーク面積を算出した。そして、上記式(3)により架橋硫黄鎖連結長Lを算出した。   The residual sum of squares of the measured spectrum approaches 0 as a function combining the five components of the S-S component, the S-C component, the S-Zn component, the multiple scattering component, and the step function component defined in this way As a result, fitting was performed to calculate the peak area of each component. And bridged sulfur chain connection length L was computed by the above-mentioned formula (3).

また、エッジジャンプの高さdから、図5に示す検量線1を用いて、硫黄濃度Pを算出し、硫黄濃度Pと架橋硫黄鎖連結長Lから、硫黄架橋密度D(本/mL)=P/Lを算出した。その結果を表1に示す。 In addition, the sulfur concentration P is calculated from the height d of the edge jump using the calibration curve 1 shown in FIG. 5 and the sulfur crosslinking density D c (this / mL) from the sulfur concentration P and the crosslinked sulfur chain linkage length L = P / L was calculated. The results are shown in Table 1.

ここで、検量線1は、上記ゴムシート1〜3の作製に先立ち、次のようにして求めた。   Here, the calibration curve 1 was calculated | required as follows prior to preparation of the said rubber sheets 1-3.

100質量部のSBR(JSR(株)製「JSR1502」)に対して下記表2に示す質量部(phr)の硫黄(細井化学工業(株)製「ゴム用粉末硫黄150メッシュ」)を混練した後、100℃で低温プレスすることにより、厚さ1.0mmの未加硫ゴムシートを得た。得られた未加硫ゴムシートについて、配合組成から、硫黄濃度P、即ち単位体積あたりの硫黄原子数(個/mL)を算出した。また、未加硫ゴムシートにX線を照射して硫黄K殻吸収端のX線吸収スペクトルを取得した。X線吸収スペクトルの測定条件は、上記ゴムシート1〜3と同じである。得られたX線吸収スペクトルから、上記ゴムシート1〜3と同様のフィッティングを行い、その結果得られた階段関数成分から、各未加硫ゴムシートのエッジジャンプ高さdを求めた。このようにして求めたエッジジャンプ高さdと硫黄濃度Pから両者の関係Wを示す検量線1(d=5×10−22P+0.0081)を得た。 100 parts by mass of SBR (JSR Ltd. "JSR 1502") was mixed with the parts by mass (phr) of sulfur shown in Table 2 below ("The powdered sulfur 150 mesh for rubber" manufactured by Hosoi Chemical Industry Co., Ltd.) Thereafter, low temperature pressing was performed at 100 ° C. to obtain an unvulcanized rubber sheet having a thickness of 1.0 mm. For the obtained unvulcanized rubber sheet, the sulfur concentration P, that is, the number of sulfur atoms per unit volume (number / mL) was calculated from the compounding composition. Further, the unvulcanized rubber sheet was irradiated with X-rays to obtain an X-ray absorption spectrum of the sulfur K-shell absorption end. The measurement conditions of the X-ray absorption spectrum are the same as those of the rubber sheets 1 to 3 described above. From the obtained X-ray absorption spectrum, the same fitting as the rubber sheets 1 to 3 was performed, and the edge jump height d of each unvulcanized rubber sheet was determined from the step function component obtained as a result. From the edge jump height d thus determined and the sulfur concentration P, a calibration curve 1 (d = 5 × 10 −22 P + 0.0081) showing the relationship W between the two was obtained.

上記で得られたゴムシート1〜3を用いて、耐熱性を評価した。耐熱性は、各ゴムシート1〜3を、ギアオーブンを使用して100℃で1週間老化したサンプルをそれぞれ作製し、老化サンプルと未老化サンプルについて、JIS K6251に準じた引張試験(ダンベル状3号形)を行い、未老化サンプルの破断伸びに対する老化サンプルの破断伸びの保持率により耐熱性を評価した。   The heat resistance was evaluated using the rubber sheets 1 to 3 obtained above. Heat resistance is a tensile test according to JIS K6251 for each of the rubber sheets 1 to 3 prepared by aging each of the rubber sheets 1 to 3 for 1 week at 100 ° C. using a gear oven Heat resistance was evaluated by the retention of the elongation at break of the aged sample to the elongation at break of the unaged sample.

また、各ゴムシート1〜3を用いて、JIS K6251に準じた引張試験(ダンベル状3号形)を行い、M100(100%引張応力)を測定した。   Moreover, the tension test (dumbbell shape 3 form) according to JISK6251 was done using each rubber sheet 1-3, and M100 (100% tensile stress) was measured.

結果は、表1に示す通りであり、硫黄の配合量が少ないほど、架橋硫黄鎖連結長が短く、老化前後の破断伸びの保持率が高くて耐熱性に優れていた。加硫ゴムは架橋硫黄鎖連結長が小さいほど、熱的に不安定なS−S結合が少ない硫黄架橋形態を持つので、表1の結果から、加硫ゴムの架橋硫黄鎖連結長を用いて耐熱性を評価できることが分かる。また、表1に示すように、硫黄の配合量が少ないほど、硫黄架橋密度Dが小さく、100%引張応力も小さかった。 The results are as shown in Table 1. The smaller the blending amount of sulfur, the shorter the linking sulfur chain length is, and the higher the retention of breaking elongation before and after aging is, and the heat resistance is excellent. As the vulcanized rubber has a sulfur crosslinked form with less thermally unstable S-S bonds as the crosslinked sulfur chain linkage length decreases, from the results in Table 1, using the crosslinked sulfur chain linkage length of the vulcanized rubber It turns out that heat resistance can be evaluated. Further, as shown in Table 1, as the blending amount of sulfur was smaller, the sulfur crosslinking density D c was smaller and the 100% tensile stress was also smaller.

Claims (4)

硫黄濃度が既知の試料にX線を照射して硫黄K殻吸収端のX線吸収スペクトルを取得することにより硫黄濃度とエッジジャンプの高さとの関係を求め、
硫黄架橋密度が未知の硫黄架橋された高分子材料にX線を照射して、硫黄K殻吸収端のX線吸収スペクトルを取得し、
前記高分子材料について得られたX線吸収スペクトルを、硫黄−硫黄間成分及び硫黄−炭素間成分を含む少なくとも2つの成分でフィッティングし、
前記硫黄−硫黄間成分のピーク面積と硫黄−炭素間成分のピーク面積を算出して、前記硫黄−硫黄間成分と硫黄−炭素間成分のピーク面積比から架橋硫黄鎖連結長を算出し、
前記高分子材料について、前記X線吸収スペクトルからエッジジャンプの高さを求め、求めたエッジジャンプの高さから前記関係に基づいて硫黄濃度を求め、求めた硫黄濃度と前記架橋硫黄鎖連結長から硫黄架橋密度を算出する、
高分子材料の硫黄架橋構造解析方法。
The relationship between the sulfur concentration and the height of the edge jump is determined by irradiating a sample with a known sulfur concentration with X-rays to acquire the X-ray absorption spectrum of the sulfur K-shell absorption edge,
Irradiating a sulfur-crosslinked polymer material of unknown sulfur crosslinking density with X-rays to acquire an X-ray absorption spectrum of the sulfur K-shell absorption edge,
Fitting the X-ray absorption spectrum obtained for the polymeric material with at least two components including a sulfur-sulfur component and a sulfur-carbon component;
The peak area of the sulfur-sulfur component and the peak area of the sulfur-carbon component are calculated, and the crosslinked sulfur chain linkage length is calculated from the peak area ratio of the sulfur-sulfur component and the sulfur-carbon component,
For the polymer material, the height of the edge jump is determined from the X-ray absorption spectrum, the sulfur concentration is determined from the height of the determined edge based on the relationship, and the determined sulfur concentration and the crosslinked sulfur chain linkage length Calculate the sulfur crosslinking density,
Method of analyzing sulfur cross-linking structure of polymer material
硫黄架橋密度が未知の前記高分子材料とX線検出器との距離を、硫黄濃度が既知の試料を用いて前記関係を求めたときの当該試料とX線検出器との距離と同じ距離に設定した上で、前記高分子材料にX線を照射する、請求項1に記載の硫黄架橋構造解析方法。   The distance between the X-ray detector and the polymer material whose sulfur crosslinking density is unknown is the same distance as the distance between the sample and the X-ray detector when the relationship is determined using a sample whose sulfur concentration is known The sulfur crosslinked structure analysis method according to claim 1, wherein the polymer material is irradiated with X-rays after being set. 前記硫黄−硫黄間成分のピーク面積Sと前記硫黄−炭素間成分のピーク面積Cから架橋硫黄鎖連結長L={(2−2×R)/R}+1(ここで、R=C/(C+S)である。)を算出し、架橋硫黄鎖連結長Lと前記エッジジャンプの高さから求めた硫黄濃度から硫黄架橋密度を算出する、請求項1又は2に記載の硫黄架橋構造解析方法。   From the peak area S of the sulfur-sulfur component and the peak area C of the sulfur-carbon component, the bridging sulfur chain linkage length L = {(2-2 × R) / R} +1 (where, R = C / ( The sulfur bridged structure analysis method according to claim 1 or 2, wherein the sulfur bridged density is calculated from the sulfur concentration determined from the bridged sulfur chain linkage length L and the height of the edge jump, which is C + S). 前記硫黄−硫黄間成分、前記硫黄−炭素間成分及び階段関数成分を含む少なくとも3成分で前記フィッティングを行い、前記階段関数成分のエッジジャンプの高さから前記関係に基づいて硫黄濃度を求め、求めた硫黄濃度と前記架橋硫黄鎖連結長から前記硫黄架橋密度を算出する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の硫黄架橋構造解析方法。   The fitting is performed with at least three components including the sulfur-sulfur component, the sulfur-carbon component, and the step function component, and the sulfur concentration is determined based on the relationship from the height of the edge jump of the step function component The sulfur bridged structure analysis method according to any one of claims 1 to 3, wherein the sulfur bridged density is calculated from the sulfur concentration and the bridged sulfur chain linkage length.
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