JP7367875B2 - 耐候性試験方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、高分子材料の耐候性を試験する耐候性試験方法および装置に関する。

高分子材料は、様々なところで用いられている。例えば、屋外構造物においては、鋼材の腐食を防ぐため、高分子材料による塗装処理がなされている。高分子材料は、大気中の酸素・水分・熱・紫外線などの環境要因によって、経年劣化が生じる。例えば、屋外環境において、紫外線・熱・水分・風などに曝されている塗装面の表層樹脂が劣化し、塗料の色成分の顔料がチョーク（白墨）のような粉状になるチョーキング（白亜化）や光沢低下などの劣化現象がある。このような劣化は、例えば、塗装の性能劣化を招き、構造物の耐久性に影響がでる。このため、高分子材料の屋外環境における耐久性（耐候性）を評価することが重要となっている。

高分子材料の耐候性を評価する促進耐候性試験の代表的な規格としては、プラスチックの試験法である「ＪＩＳ Ｋ ７３５０－１」～「ＪＩＳ Ｋ ７３５０－４」、塗料の試験法である「ＪＩＳ Ｋ ５６００－７－７」、「ＪＩＳ Ｋ ５６００－７－８」がある。例えば、「ＪＩＳ Ｋ ５６００－７－７」は、キセノンランプを光源とする試験装置を用いて評価対象のサンプルに対して光を照射し、乾燥期間と水噴霧による濡れ期間とを繰り返す試験法である。この試験において、光の照射量は、３００ｎｍ～４００ｎｍ間で６０Ｗ／ｍ²であり、光照射のみを行う乾燥期間は、ブラックパネル温度６３±２℃、相対湿度４０～６０％の条件で１０２分であり、光照射を行いながら水噴霧を行う濡れ期間は１８分である。

飯田 眞司、「促進耐候性試験（その３）」、塗料の研究、１４７号、２６－３４頁、２００７年。

しかしながら、従来の促進耐候性試験では、実際の屋外環境における高分子材料の劣化を十分に再現できているとは言えず、試験結果の信頼性は屋外暴露試験に劣っている（非特許文献１）。特に、水が影響すると考えられるチョーキングや光沢低下などの劣化現象が再現できていない。このように、従来の促進耐候性試験は、水が影響する劣化の再現性が、屋外暴露試験に劣っているという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、屋外暴露試験に劣ることなく、水が影響する劣化が再現できるようにすることを目的とする。

本発明に係る耐候性試験方法は、高分子材料から構成された試験対象の試料に、波長３００ｎｍ～４００ｎｍ、放射照度が３０～１８０Ｗ／ｍ²である光を照射しながら、水を噴霧して吹き付ける第１ステップと、試料に対する光の照射を継続しながら、第１ステップに引き続き、試料の雰囲気の相対湿度を８５％以上とした高湿度状態を１５分以上継続する第２ステップと、試料に対する光の照射を継続しながら、第２ステップに引き続き、雰囲気の相対湿度を８５％未満として試料を乾燥する第３ステップとを備える。

また、本発明に係る耐候性試験装置は、上述した耐候性試験方法を実施する耐候性試験装置であり、第２ステップにおける試料の雰囲気の温度Ｔａ、第３ステップにおける試料の雰囲気の温度Ｔｂ、第２ステップを継続する時間ｔａ、第２ステップにおける光照射の照度Ｉａ、第３ステップにおける光照射の照度Ｉｂを用い、Ｔｂ＝Ｔａである場合は、ｔｂ≦｛ｔａ×Ｉａ÷Ｉｂ｝、Ｔｂ＞Ｔａである場合は、ｔｂ≦｛ｔａ×Ｉａ÷Ｉｂ×５÷（Ｔｂ－Ｔａ）｝、Ｔｂ＜Ｔａである場合、ｔｂ≦｛ｔａ×Ｉａ÷Ｉｂ×（Ｔａ－Ｔｂ）÷５｝により、第３ステップを継続する時間ｔｂを算出する算出部を備える。

以上説明したように、本発明によれば、水を噴霧して吹き付ける第１ステップに引き続き、試料の雰囲気の相対湿度を８５％以上とした高湿度状態を１５分以上継続する第２ステップを実施するので、屋外暴露試験に劣ることなく、水が影響する劣化が再現できる。

図１は、本発明の実施の形態に係る耐候性試験方法を説明するフローチャートである。 図２は、本発明の実施の形態に係る耐候性試験装置の構成を示す構成図である。

以下、本発明の実施の形態に係る耐候性試験方法について図１を参照して説明する。

まず、第１ステップＳ１０１で、高分子材料から構成された試験対象の試料に、光を照射しながら水を噴霧して吹き付ける。照射する光は、３００ｎｍ～４００ｎｍの波長を含み、３００ｎｍ～４００ｎｍの波長の合計の放射照度が３０～１８０Ｗ／ｍ²の範囲のいずれかの値となる状態とする。照射する光は、太陽光の紫外域を含む光を再現するものとする。また、吹き付ける水の温度は、３０℃以上、試料のガラス転移点の温度以下とする。

上述した第１ステップＳ１０１に引き続いて、第２ステップＳ１０２で、試料に対する光の照射を継続しながら、試料の雰囲気を高湿度状態とし、この状態を１５分以上継続する。高湿度状態とは、相対湿度８５％以上の状態である。

上述した第２ステップＳ１０２に引き続いて、第３ステップＳ１０３で、試料に対する光の照射を継続しながら、雰囲気の相対湿度を８５％未満として試料を乾燥する。なお、光が照射されている試料は、雰囲気より高い温度となっている。上述した第１ステップＳ１０１～第３ステップＳ１０３を、設定された回数繰り返す。

ここで、上述した第３ステップを継続する時間ｔｂは、以下に示す式により決定することができる。まず、第２ステップにおける試料の雰囲気の温度Ｔａとし、第３ステップにおける試料の雰囲気の温度Ｔｂとし、第２ステップを継続する時間ｔａとし、第３ステップを継続する時間ｔｂとし、第２ステップにおける光照射の照度Ｉａとし、第３ステップにおける光照射の照度Ｉｂとする。

Ｔｂ＝Ｔａである場合は、「ｔｂ≦｛ｔａ×Ｉａ÷Ｉｂ｝」とし、Ｔｂ＞Ｔａである場合は、「ｔｂ≦｛ｔａ×Ｉａ÷Ｉｂ×５÷（Ｔｂ－Ｔａ）｝」とし、Ｔｂ＜Ｔａである場合、「ｔｂ≦｛ｔａ×Ｉａ÷Ｉｂ×（Ｔａ－Ｔｂ）÷５｝」とする。

次に、上述した耐候性試験方法を実施するための耐候性試験装置について、図２を参照して説明する。この装置は、恒温槽１０１と、恒温槽１０１の中に配置され、試験対象の試料を載置する試料載置台１０２と、恒温槽１０１の内部およびブラックパネル（不図示）を設定された温度に制御する温度制御機構１０３とを備える。恒温槽１０１は、内部の空気を循環させる送風機などの循環機構を有する。

温度制御機構１０３は、恒温槽１０１の内部温度およびブラックパネルの温度を測定する温度計を備え、これらの温度計で測定される温度が、それぞれ設定された値となるように内部の温度を制御する。温度計は、例えば、ブラックパネル温度計を用いることができる。温度制御機構１０３により送風機などを調節し、恒温槽１０１の内部およびブラックパネル温度を所定の温度に加熱する。

また、この装置は、恒温槽１０１の内部を設定された湿度に制御する湿度制御機構１０４を備える。湿度制御機構１０４は、試料載置台１０２の付近の湿度を測定する湿度計を備え、この湿度計で測定される湿度が設定された値となるように、試料載置台１０２の上に載置された試料の雰囲気の湿度を制御する。湿度制御機構１０４により恒温槽１０１の内部を所定の湿度に制御することで、試料載置台１０２の上に載置された試料の雰囲気を所定の湿度にする。また、この装置は、試料載置台１０２の上に載置された試料に光を照射する光源１０５を備える。光源１０５は、キセノン光源が好適に用いられ、波長３００ｎｍ～４００ｎｍの範囲の波長の光を、３０～１８０Ｗ／ｍ²の範囲のいずれかの放射照度で照射する。

また、この装置は、試料載置台１０２の上に載置された試料に水を噴霧して吹き付ける水噴霧機構１０６を備える。水噴霧機構１０６は、設定された温度の水を噴霧することができる。例えば、水噴霧機構１０６は、噴霧する水を貯めるタンクを備え、タンクに収容している水を、ヒータにより加熱することで、設定された温度の水を噴霧する。あるいは、水噴霧機構１０６は、タンクから水を噴霧するノズルに至る配管において、輸送されている水をヒータにより加熱することで設定された温度の水を噴霧してもよい。

また、この装置は、温度制御機構１０３、湿度制御機構１０４、光源１０５、水噴霧機構１０６の各々に電源を供給し、また、温度制御機構１０３、湿度制御機構１０４、光源１０５、水噴霧機構１０６の各々の動作を制御する制御機構１０７を備える。制御機構１０７は、入力された所定の条件（数値）を元に、各制御の制御値を算出する算出部１０８を備える。制御機構１０７は、算出部１０８が算出した制御値を元に、温度制御機構１０３、湿度制御機構１０４、光源１０５、水噴霧機構１０６の各々の動作を制御する。

算出部１０８は、例えば、第２ステップにおける試料の雰囲気の温度Ｔａ、第３ステップにおける試料の雰囲気の温度Ｔｂ、第２ステップを継続する時間ｔａ、第２ステップにおける光照射の照度Ｉａ、第３ステップにおける光照射の照度Ｉｂを用い、Ｔｂ＝Ｔａである場合は、ｔｂ≦｛ｔａ×Ｉａ÷Ｉｂ｝、Ｔｂ＞Ｔａである場合は、ｔｂ≦｛ｔａ×Ｉａ÷Ｉｂ×５÷（Ｔｂ－Ｔａ）｝、Ｔｂ＜Ｔａである場合、ｔｂ≦｛ｔａ×Ｉａ÷Ｉｂ×（Ｔａ－Ｔｂ）÷５｝により、第３ステップを継続する時間ｔｂを算出する。

制御機構１０７は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit；中央演算処理装置）と主記憶装置と外部記憶装置とネットワーク接続装置となどを備えたコンピュータ機器から構成することができる。主記憶装置に展開されたプログラムによりＣＰＵが動作する（プログラムを実行する）ことで、上述した制御や算出処理が実現できる。上記プログラムは、上述した制御をコンピュータが実行するためのプログラムである。ネットワーク接続装置は、ネットワークに接続する。また、各機能は、複数のコンピュータ機器に分散させることもできる。

以下、実験の結果を用いて、より詳細に説明する。板状の鋼材にウレタン樹脂塗料を厚さ５０μｍで塗布した試料を用いて促進耐候試験を実施した。鋼材は、面積を７ｃｍ×１５ｃｍとしている。

まず、水を噴霧する第１ステップで、恒温槽の内部温度をＴｗ℃とし、波長３００－４００ｎｍの光照射強度Ｉｗ［Ｗ／ｍ²］として、ｔｗ分間、試料に対して温度ＷＴ℃の水を噴霧する。なお、移行のステップも含め、照射する光の波長は、ｎｍ－４００ｎｍである。

この第１ステップの直後に、第２ステップで、恒温槽の内部温度をＴａ℃とし、温度計で測定される温度がＢＰＴａ℃の状態で、槽内相対湿度ＲＨａ％以上とし、光照射強度（照度）Ｉａ［Ｗ／ｍ²］として、この状態をｔａ分間継続する。

この第２ステップの直後に、第３ステップで、恒温槽の内部温度をＴｂ℃とし、温度計で測定される温度がＢＰＴｂ℃の状態で、槽内相対湿度ＲＨｂ％以上とし、光照射強度（照度）Ｉｂ［Ｗ／ｍ²］として、この状態をｔｂ分間継続する。

上述した第１ステップ、第２ステップ、第３ステップを順次に繰り返す促進耐候性試験をｔ時間実施した。

上述した実験の結果として、試料におけるチョーキングの発生の有無の結果を、以下の表に示す。試料Ｎｏ．１は、比較用のＪＩＳ ５６００－７－７Ａに基づく試験の結果である。試料Ｎｏ．２、試料Ｎｏ．３、試料Ｎｏ．４は、第３ステップを実施せず、第１ステップと第２ステップとを繰り返した試験結果である。試料Ｎｏ．２に示すように、槽内相対湿度ＲＨａが８０％ではチョーキングは生じなかったが、試料Ｎｏ．３、試料Ｎｏ．４のように、槽内相対湿度ＲＨａを８５％以上とするとチョーキングが確認された。

さらに、試料Ｎｏ．５，試料Ｎｏ．６，試料Ｎｏ．７に示すように、第３ステップを追加した場合、ｔａ＝ｔｂであればチョーキングが生じたものの、ｔｂの方が長かった場合には、チョーキングが生じなかった。

以上の実験結果より、第２ステップで生じる光劣化の進行度と、第３ステップで生じる光劣化の進行度とを比較した場合、第２ステップと第３ステップとが同等であるか、第２ステップの方が光劣化の進行度が大きい必要があることが分かった。この条件を満たすように、第３ステップの時間ｔｂを調節すると、Ｎｏ．８－Ｎｏ．１０に示すように、試験時間の短縮も可能であることが分かった。なお、これらの結果を基に、光劣化速度は、光照射強度に概ね比例し、槽内温度が１０℃上昇すると、光劣化速度が約２倍となることを勘案し、前述した第３ステップを継続する時間を求める式を導いた。

また、実験結果より、水噴霧の温度を上げることで、さらなる試験時間の短縮が可能であることが確認された。この水温は３８℃とし、上述した実験で用いたウレタン塗膜のガラス転移点の温度Ｔｇよりも低い温度とした。これは、一般的に、高分子材料ではＴｇを超えた温度では大きく物性が変わることから、試験対象材料の想定する利用環境（例えば屋外利用）で、高分子材料が濡れた状態となる温度がＴｇ未満であるなら、促進耐候性試験で試験体が濡れた状態となる時の温度もＴｇ未満とすることが望ましいと考えられるためである。また、噴霧する水の温度が低下するほど、試料温度の低下を招き、水による劣化の進行を遅らせることから、噴霧する水温は以上とすることが望ましい。これらは、発明者らの実験により初めて確認された事項であり、容易に類推できるものではない。なお，ここではウレタン樹脂塗料を試料として用いたが、エポキシ樹脂、ふっ素樹脂塗料、アクリル樹脂、メラミン樹脂、ポリエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアミド樹脂などの塗料やプラスチック材料について適用可能である。

本発明は、第１ステップの直後に、第２ステップを実施し、第３ステップに移行することを特徴とする試験方法である。高分子材料に含まれるエステル結合、ウレタン結合、ウレア結合や、これらの光劣化によって生成する酸無水物構造などは、加水分解によって切断され、チョーキングや光沢低下を招く。従来の促進耐候性試験では、屋外環境劣化と比較して、これらの加水分解が十分に進行せず、チョーキングや光沢低下が再現できていない要因となっていると考えられる。

また、一般的に、促進耐候性試験において、試料に水を作用させるのは水噴霧であることから、加水分解を進行させるには、水噴霧時間（ステップ１の時間）を延長することが考えられる。しかし、水噴霧中は試料の温度が低下し、光劣化の速度も低下することから、水噴霧時間の延伸は、試験の長期化につながる。このように、従来試験は、試験期間に長期間を要するという課題もある。

これらのことに対し、発明者らは、試料温度を下げずに水による劣化を進行させるために、光照射時の槽内湿度を高めることを考えた。高分子材料の促進耐候性試験において、槽内相対湿度は４０－６０％とすることが一般的であり、水による劣化を、このステップの後の高湿度下で加速させる、という本発明は容易に類推できるものではない。

ところで、第２ステップを実施するためには、装置の制約で、光照射の強度（照度）や、試料の雰囲気温度（槽内温度）を高く設定することができない場合が多い。光（紫外線）の照射による高分子材料の劣化を促進させるためには、光照射強度や槽内温度を高く設定することは効果的であり、本発明では、これを目的として、第３ステップにおいて、槽内相対湿度を３５％以上８５％未満とした。このように、水噴霧の後で、水による劣化を促進することを目的とした高湿度の第２ステップと、光劣化の促進を狙った高湿度ではない第３ステップに分ける試験法はこれまでになく、これは容易に類推できるものではない。

さらに、発明者らは、第２ステップにおいて、試料となる高分子材料の加水分解を十分に進行させる条件として、第２ステップと第３ステップとの時間の配分に着眼し、光照射強度および槽内温度が光劣化速度に与える影響を考慮して、第３ステップを継続する時間ｔｂを決定する式を得た。

以上に説明したように、本発明によれば、水を噴霧して吹き付ける第１ステップに引き続き、試料の雰囲気の相対湿度を８５％以上とした高湿度状態を１５分以上継続する第２ステップを実施するので、屋外暴露試験に劣ることなく、水が影響する劣化が再現できるようになる。本発明によれば、屋外環境におけるチョーキングや光沢低下などの劣化現象を、屋外暴露試験と同等に再現でき、加えて、従来試験よりも短期間で再現できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…恒温槽、１０２…試料載置台、１０３…温度制御機構、１０４…湿度制御機構、１０５…光源、１０６…水噴霧機構、１０７…制御機構、１０８…算出部。

Claims (3)

1. 高分子材料から構成された試験対象の試料に、波長３００ｎｍ～４００ｎｍ、放射照度が３０～１８０Ｗ／ｍ²である光を照射しながら、水を噴霧して吹き付ける第１ステップと、
   前記試料に対する前記光の照射を継続しながら、前記第１ステップに引き続き、前記試料の雰囲気の相対湿度を８５％以上とした高湿度状態を１５分以上継続する第２ステップと、
   前記試料に対する前記光の照射を継続しながら、前記第２ステップに引き続き、雰囲気の相対湿度を８５％未満として前記試料を乾燥する第３ステップと
   を備え、
   前記第２ステップにおける前記試料の雰囲気の温度Ｔａとし、前記第３ステップにおける前記試料の雰囲気の温度Ｔｂとし、前記第２ステップを継続する時間ｔａとし、前記第３ステップを継続する時間ｔｂとし、前記第２ステップにおける光照射の照度Ｉａとし、前記第３ステップにおける光照射の照度Ｉｂとして、
   Ｔｂ＝Ｔａである場合は、ｔｂ≦｛ｔａ×Ｉａ÷Ｉｂ｝とし、
   Ｔｂ＞Ｔａである場合は、ｔｂ≦｛ｔａ×Ｉａ÷Ｉｂ×５÷（Ｔｂ－Ｔａ）｝とし、
   Ｔｂ＜Ｔａである場合、ｔｂ≦｛ｔａ×Ｉａ÷Ｉｂ×（Ｔａ－Ｔｂ）÷５｝として第３ステップを継続する時間ｔｂを決定する耐候性試験方法。
2. 請求項１記載の耐候性試験方法において、
   前記第１ステップは、３０℃以上、前記試料のガラス転移点の温度以下の水を噴霧して前記試料に吹き付けることを特徴とする耐候性試験方法。
3. 請求項１または２記載の耐候性試験方法を実施する耐候性試験装置であって、
   前記第２ステップにおける前記試料の雰囲気の温度Ｔａ、前記第３ステップにおける前記試料の雰囲気の温度Ｔｂ、前記第２ステップを継続する時間ｔａ、前記第２ステップにおける光照射の照度Ｉａ、前記第３ステップにおける光照射の照度Ｉｂを用い、
   Ｔｂ＝Ｔａである場合は、ｔｂ≦｛ｔａ×Ｉａ÷Ｉｂ｝、
   Ｔｂ＞Ｔａである場合は、ｔｂ≦｛ｔａ×Ｉａ÷Ｉｂ×５÷（Ｔｂ－Ｔａ）｝、
   Ｔｂ＜Ｔａである場合、ｔｂ≦｛ｔａ×Ｉａ÷Ｉｂ×（Ｔａ－Ｔｂ）÷５｝
   により、前記第３ステップを継続する時間ｔｂを算出する算出部を備える
   ことを特徴とする耐候性試験装置。

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