JP5366636B2

JP5366636B2 - 粘弾性体の試験方法および試験装置

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Publication number: JP5366636B2
Application number: JP2009106632A
Authority: JP
Inventors: 恵造芥川
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2009-04-24
Filing date: 2009-04-24
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2029-04-24
Also published as: JP2010256173A

Description

本発明は、粘弾性体の試験方法および試験装置に関し、特に、所定の大きさ以上の初期歪みで粘弾性体の試験を行う方法および装置に関するものである。

従来、粘弾性体の物理的または化学的性質を試験（測定）する方法としては、初期歪みを与えずに試験する方法や、一定の初期荷重を加えて数％（１０％未満）の初期歪みで固定した粘弾性体試料に対し測定歪みとして動的歪みを与えて試験する方法が知られている。

そして、上述の試験方法を用いる装置としては、具体的には、初期歪みを与えずに粘弾性体の破断伸び等を試験する装置として、初期歪みが無い状態から粘弾性体試料が破断するまで歪みを与える引張試験機が知られている。

また、一定の初期引張荷重を加えて所定の初期歪みで固定した粘弾性体試料に対して動的歪みを与えて動的貯蔵弾性率等を試験する装置としては、粘弾性体試料に周期的に変位（歪み）を加えるための加振器に接合されたロッドと、粘弾性体試料に発生した応力を検出するための荷重検出器に接合されたロッドと、各ロッドの先端に設けられてロッド間に粘弾性体試料を狭持するための試料つかみ具と、荷重検出器の下部に該荷重検出器と一体に設けられて粘弾性体試料に初期引張荷重を加えるテンション制御スライド機構と、加振器が加えた変位を検出する変位検出手段とを備える粘弾性試験装置が知られている。そして、この粘弾性試験装置では、各ロッドの試料つかみ具の間に粘弾性体試料を狭持し、テンション制御スライド機構で荷重検出器をスライドさせて粘弾性体試料に初期引張荷重を加えた後、加振器で粘弾性体試料に歪みを加えることにより、変位と粘弾性体試料に発生した応力との関係を求めることができる。

しかしながら、従来の試験装置では、粘弾性体試料に対してロッドを介して初期歪みおよび変位（動的歪み）を与える上述した粘弾性試験装置のように、粘弾性体試料に初期歪み（静的歪み）を与えて保持するための機構と、動的歪みを与えるための機構とが同一であるため、装置の測定精度、測定周波数、測定温度、測定応力、および剛性の観点から制約を受けることがあった。

即ち、例えばゴム等の粘弾性体からなる粘弾性体試料の弾性率は温度などの影響を受けて変化するものであり、例えば低温でガラス状態に近づいた場合の弾性率は高温の場合の弾性率の１００〜１０００倍に増加するところ、そのような弾性率の高い試料に大きな初期歪みを与えて試験を行うには試料に大きな力を加える必要があるため、静的歪みを与える機構と動的歪みを与える機構とが同一の試験装置では装置性能により上記の制約を受けてしまい、微小歪みでしか測定を行うことができず、任意の初期歪みで測定を行うことができなかった。そのため、上記制約を最小限に抑制して任意の初期歪みで粘弾性体の試験を行うことが可能な試験方法および試験装置が求められていた。

この発明は、上記課題を有利に解決するものであり、本発明の試験方法は、粘弾性体の試料を試験する方法であって、前記試料を、少なくとも１０％の初期歪みを与えた状態で試料保持手段に固定する工程と、固定された試料に対し、前記試料保持手段とは別に設けられた試験手段を用いて試験を行う工程とを含み、前記試験が、前記試料に対して前記試験手段で更に動的歪みを与えることを含む、試料の粘弾性に関する試験であり、前記少なくとも１０％の初期歪みが引張歪みであることを特徴とするものである。このようにして、試料を少なくとも１０％の初期歪みで試料保持手段に固定すると共に、試料保持手段とは別体の独立した試験手段で試験を行うことにより、任意の初期歪みで粘弾性体の試験を行うことが可能な試験方法を提供することができる。また、上記のようにすれば、試験開始前に与える静的歪み（初期歪み）と試験中に与える歪みとを異なる手段で試料に与えることができるので、従来技術のように装置性能等により制約を受けることが無い。なお、初期歪みが大きい条件下で、微小歪み（例えば数％）から大変形歪み（例えば数十％）まで変化する動的歪みを連続的に試料に与えて試験を行う場合に、静的歪みを与える手段と動的歪みを与える手段とが同一であると上述したような制約を特に受け易い。なお、初期歪みは、少なくとも１０％であって且つ試料が破断する歪みよりも小さいものであれば任意の値、例えば２０％以上、３０％以上、５０％以上、１００％以上、５００％以上、１０００％以上とすることができる。また、当然ながら、本発明の試験方法の対象となる試料は、試験条件下で少なくとも１０％の初期歪みを与えることが可能なものである。

本発明の試験方法を適用する粘弾性体の試料は、粘弾性を有するものであれば良く、例えば、粘弾性体、重合体、または重合体を含む組成物に対しても本発明の試験方法を適用することができる。

本発明の試験方法は、前記試料保持手段が無端の環状形状を有し、前記試料が当該試料保持手段の内周全体で固定されることが好ましい。このようにすれば、四方（二軸方向）に引っ張った試料を確実に保持することができる。

また本発明の試験装置は、粘弾性体の試料を試験する装置であって、前記試料を静的に固定可能な試料保持手段と、前記試料を試験する試験手段と、少なくとも１０％の歪みを与えた状態で前記試料を前記試料保持手段に固定するための試料引張手段とを備え、前記試料保持手段と前記試験手段とがそれぞれ独立して設けられており、前記試験が、前記試料保持手段に固定された前記試料に対して前記試験手段で動的歪みを与えることを含む、試料の粘弾性に関する試験であり、前記試験手段が、前記動的歪みを与えるための動的歪み付与手段を備えることを特徴とするものである。このように、試料保持手段と試験手段とを独立して設けることにより、試験手段で試料を保持する従来技術のように制約を受けることが無い。なお、微小歪み（例えば数％）から大変形歪み（例えば数十％）まで連続的に変化させるような動的歪みを試料に与えて試験を行う装置では、試料を固定する手段と動的歪みを与える手段とが同一であると上述した従来技術のような制約を受け易い。また、上記のようにすれば、任意の初期歪みで試料を固定して試験を行うことが可能な試験装置を提供できる。なお、初期歪みを与える方向は、全方向としても良いし、試験の内容に応じて必要な方向、例えば粘弾性試験の場合には動的歪みを与える方向、としても良い。なお、初期歪みは、少なくとも１０％であって且つ試料が破断する歪みよりも小さいものであれば任意の値、例えば２０％以上、３０％以上、５０％以上、１００％以上、５００％以上、１０００％以上とすることができる。更に、上記のようにすれば、大きい初期歪みを与えて試験を行うことが可能な試験装置を提供できる。ここで、当然ながら、この試験装置での試験対象となる試料は、試験条件下で少なくとも１０％の初期歪みを与えることが可能なものである。

本発明の試験装置は、前記試料保持手段が無端の環状形状を有し、当該試料保持手段には、前記試料を試料保持手段の内周部全体で固定するための固定手段が設けられていることが好ましい。このようにすれば、試料を確実に保持することが可能な装置を提供し得る。

本発明の試験装置は、前記試料保持手段が、前記試料を挟んで固定するための狭持手段を備えることが好ましい。このようにすれば、試料を狭持手段で挟んで固定することができるので、試験時の試料の取り付けが容易になる。

本発明の試験方法および試験装置によれば、大きい初期歪みで粘弾性体の試験を行うことができるので、例えばゴムの試験に適用した場合には、タイヤトレッド用ゴムの破断箇所（トレッドゴムと路面凹凸とが接して大変形を生じる部分）や、天然ゴムの伸張結晶性の研究が可能となる。

本発明を適用した粘弾性試験装置の一形態を示す組み立て分解図である。図１に示す粘弾性試験装置の断面を示す説明図である。図１に示す粘弾性試験装置を用いて測定した、ポリイソプレン架橋ゴムのＥ”の温度依存性を示すグラフである。

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。ここに、図１は、本発明を適用した粘弾性試験装置の一形態を示す組み立て分解図であり、図２は、図１に示す粘弾性試験装置の断面図である。

図１および図２に示す粘弾性試験装置１０は、粘弾性体試料としてのゴム片４０の粘弾性特性（例えばＥ’、Ｅ”、

など）に関する試験を行う装置であり、図示しないＤＭＴＡ（動的粘弾性温度依存性測定装置）の加振部に接合された可動クランプ２０（試験手段、動的歪み付与手段に相当）と、図示しない粘弾性測定装置に接合されたフレーム３０（試料保持手段に相当）とを備える。

ここで、粘弾性測定装置には、粘弾性波形解析装置を有するものを用いることができる。具体的には、ＤＭＴＡおよび粘弾性測定装置には、例えば上島製作所製ＶＲ−７１１０および東洋精機（株）製レオログラフソリッドＬ−ＩＲ型等の通常の装置を用いることができる。

可動クランプ２０は、ＤＭＴＡの加振部を利用して、後に詳細に説明するフレーム３０に固定されたゴム片４０に動的歪みを与えるためのものであり、ＤＭＴＡの加振部に接合されたロッド２１と、略コ字状のアーム２２と、アーム２２の先端に設けられた二つのクランプ２３とからなる。そして、アーム２２は、図２に示すように、フレーム３０がコ字の開放部分に入るような幅を有していると共に、フレーム３０に固定されたゴム片４０の中央部をクランプ２３で把持可能な長さを有している。なお、クランプ２３は、図示しない既知の可動手段によりアーム２２の内方に向かって突出可能なように設けられており、アーム２２の内方に突出することでフレーム３０に固定されたゴム片４０を線接触で把持できるようにされている。

フレーム３０は、第１のフレーム３１と、第２のフレーム３２と、第１のフレーム３１および第２のフレーム３２を結合するための４本の固定部材３３，３４からなる。ここで、第１のフレーム３１および第２のフレーム３２は、中空の略直方体形状、即ち、無端の四角環状をしている。

ゴム片４０は、例えばサイズ１．５×０．５ｃｍ、厚さ２．０ｍｍのゴムの薄片であり、可動クランプ２０で動的歪みを与えられる方向（図１および図２では上下方向）に、少なくとも１０％の初期歪みを与えられた状態で第１のフレーム３１および第２のフレーム３２の間に狭持されて固定される。具体的には、試料引張手段としての既知の引張試験機を用いて試料となるゴム片を所定の歪みまで引っ張った状態で第１および第２フレーム３１，３２で挟持し、その後、フレーム３１，３２の外側に位置するゴム片を切断することにより、ゴム片４０を第１のフレーム３１および第２のフレーム３２の間に固定することができる。なお、ゴム片４０の狭持は、第１のフレーム３１および第２のフレーム３２の少なくとも内周部でゴム片４０の外周を挟むことにより行われる。

そして、この粘弾性試験装置１０では、図２に示すように、少なくとも１０％の初期歪みを与えた状態でフレーム３０に固定したゴム片４０の中央をクランプ２３で挟み、ゴム片４０に対して可動クランプ２０で例えば周波数１０Ｈｚ、温度２５℃で０．１〜１０％の動的歪み（変位）を与えることにより、ゴム片４０の粘弾性特性を試験して求めることができる。

具体的には、ゴム片４０に動的歪みを与えた際にフレーム３０を取り付けた従来の粘弾性測定装置の粘弾性波形解析装置から出力される粘弾性データ（Ｅ’、Ｅ”、

）に対し、以下の考え方に従い、図示しないハードウェア手段を用いて数値補正を行うことにより、粘弾性特性を求める。

図２に示すように、上向きを正、下向きを負として考えて、ゴム片４０に変位ｘを加えた場合を考えると、クランプの上部および下部では、下記の力ｆ_＋およびｆ₋が発生する。なお、Ｆはゴム片に初期歪みを与えたことにより静的に発生する力、ｋはゴム片４０のバネ定数、ｘは変位である。
ｆ_＋＝Ｆ＋ｋ・ｘ
ｆ₋＝Ｆ−ｋ・ｘ

ここで、ゴム片４０に与える動的歪みは微小歪みであることから、歪み−力の関係を線形と仮定することで、ゴム片４０の中心部に発生する真の動的な力は下記式で表すことができる。なお、ｆはゴム片４０が変位ｘだけ変形した際に生じる力を表す。
ｆ_ｄ＝ｆ_＋−ｆ₋＝２・ｋ・ｘ＝２・ｆ

よって、本装置１０を用いて求められる弾性率Ｅは、下記式で表すことが出来る。

なお、λは初期歪みにより静的に伸張したゴム片４０の伸張比（伸張後の長さ／初期長さ）であり、ＡおよびＡ_０は初期断面積、ｌは初期長さ、Ｅ_ＤＭＴＡは、従来の粘弾性測定装置の波形解析システムから出力される複素弾性率Ｅ^＊に対応する。ここで、複素弾性率Ｅ^＊は、従来の粘弾性測定装置で計測される引張貯蔵弾性率をＥ’_ＤＭＴＡ、引張損失弾性率をＥ”_ＤＭＴＡとして、下記式で表される。
Ｅ^＊ _ＤＭＴＡ＝Ｅ’_ＤＭＴＡ＋ｉ・Ｅ”_ＤＭＴＡ

従って、粘弾性試験装置１０を用いて求められる、初期歪みを与えて伸張比λで変形させた試料の粘弾性特性（Ｅ’_λ、Ｅ”_λ、

）は、従来の粘弾性測定装置の波形解析システムで得られる値をハードウェア手段で以下の式を用いて変換することで得られることとなる。なお、

はＥ’とＥ”との比であるので、変換する必要は無い。

その他、本発明の試験装置は、Ｘ線やＩＲを用いた試料の試験にも適用することができ、例えば、フレームで固定した試料に対してＸ線またはＩＲを照射し、その結果をデテクターで検出することにより、静的および動的な変形を加えた際の光散乱信号を検出することができる。

以下に、実施例を挙げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明は下記の実施例に何ら限定されるものではない。

上述の粘弾性試験装置１０を用いて、伸張比λをλ＝１．２、２．１、２．８、５．３と変化させてポリイソプレン架橋ゴムの損失弾性率Ｅ”の温度依存性を測定した結果を図３に示す。従来の試験装置では、ゴムの弾性率が低温条件下では室温対比で１０００倍近く大きく（硬く）なるので測定を行うことが物理的に不可能であったが、図３に示すように、粘弾性試験装置１０によれば測定を行うことができる。なお、歪みε（％）と伸張比λとの関係は、下記式で表される。
ε＝（λ−１）×１００

１０粘弾性試験装置
２０可動クランプ
２１ロッド
２２アーム
２３クランプ
３０フレーム
３１第１のフレーム
３２第２のフレーム
３３，３４固定部材
４０ゴム片

Claims

粘弾性体の試料を試験する方法であって、
前記試料を、少なくとも１０％の初期歪みを与えた状態で試料保持手段に固定する工程と、
固定された試料に対し、前記試料保持手段とは別に設けられた試験手段を用いて試験を行う工程と、
を含み、
前記試験が、前記試料に対して前記試験手段で更に動的歪みを与えることを含む、試料の粘弾性に関する試験であり、
前記少なくとも１０％の初期歪みが引張歪みである、試験方法。
前記試料が重合体または重合体を含む組成物である、請求項１に記載の試験方法。
前記試料保持手段が無端の環状形状を有し、
前記試料が当該試料保持手段の内周全体で固定される、請求項１に記載の試験方法。
粘弾性体の試料を試験する装置であって、
前記試料を静的に固定可能な試料保持手段と、前記試料を試験する試験手段と、少なくとも１０％の歪みを与えた状態で前記試料を前記試料保持手段に固定するための試料引張手段と、を備え、
前記試料保持手段と前記試験手段とがそれぞれ独立して設けられており、
前記試験が、前記試料保持手段に固定された前記試料に対して前記試験手段で動的歪みを与えることを含む、試料の粘弾性に関する試験であり、
前記試験手段が、前記動的歪みを与えるための動的歪み付与手段を備える、試験装置。
前記試料保持手段が無端の環状形状を有し、
当該試料保持手段には、前記試料を試料保持手段の内周部全体で固定するための固定手段が設けられている、請求項４に記載の試験装置。
前記試料保持手段が、前記試料を挟んで固定するための狭持手段を備える、請求項４に記載の試験装置。