JPWO2018155678A1 - ガスバリア性評価装置およびガスバリア性評価方法 - Google Patents
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Abstract
Description
また、検出器として質量分析装置を用いる方法において、質量分析装置をガスバリア性評価装置から取り外すことなく校正することによって、正確にガスバリア性を測定可能とするガスバリア性評価装置(特許文献6)が開示されている。
差圧法は、支持体を必要とするが、評価する試料が支持体表面の凹凸に沿って変形し、その結果、ガスバリア性を付与しているガスバリア層に亀裂が入るなどしてフィルム状試料のガスバリア性が損なわれる懸念があった。
いずれの方法も試料を装置に取り付ける際に大気を装置内に巻き込み、その影響(特に水蒸気)を除くための真空排気や加熱脱ガス処理等に数日から数週間にわたる長時間が必要であった。これが材料開発や出荷前検査において大きな障害となっていた。
(1)高分子を有する支持体と透過側チャンバーと検出部とを備え、前記支持体が試料を支えていてかつ前記透過側チャンバーの開口部と結合しているガスバリア性評価装置であって、前記支持体と前記試料との間に高分子フィルムを有し、前記試料に密着可能、かつ昇降可能に配した供給側チャンバーと、前記高分子フィルムと前記支持体に挟まれた領域を覆う外側チャンバーとを有するガスバリア性評価装置。
(2)前記外側チャンバーに乾燥ガス源が接続されている(1)に記載のガスバリア性評価装置。
(3)前記支持体がポリイミドである(1)または(2)に記載のガスバリア性評価装置。
(4)前記高分子フィルムが、中央に開口部を有する高分子フィルム支持リングの該開口部を塞ぎ、該高分子フィルム支持リングに固着されている(1)〜(3)のいずれかに記載のガスバリア性評価装置。
(5)高分子を有する支持体と透過側チャンバーと検出部とを備え、前記支持体の表面側が試料を支えていて、前記支持体の裏面側が前記透過側チャンバーの開口部と結合しているガスバリア性評価装置を用いたガスバリア性評価方法であって、前記支持体と前記試料との間に高分子フィルムを配し、前記試料の交換時に、前記支持体と前記高分子フィルムとの間に乾燥ガスからなる保護領域を設けるガスバリア性評価方法。
(6)前記高分子フィルムと前記支持体に挟まれた領域を大気から隔離する外側チャンバーを有し、前記試料の交換時に前記外側チャンバーに乾燥ガスを導入して前記保護領域を設ける(5)に記載のガスバリア性評価方法。
(7)前記支持体がポリイミドである(5)または(6)に記載のガスバリア性評価方法。
J=P(p1−p2) (A)
p1[Pa]およびp2[Pa]は材料を挟んで両側の着目しているガス(評価ガス)の分圧、J[mol/m2s]はp1に接した側面からp2に接した側面に透過するこのガスの透過流束である。
すなわち、高分子フィルムと支持体の間に乾燥ガスを導入し、外側チャンバーを開いて試料を交換する。その後外側チャンバーを閉じて外側チャンバー内空間を排気することで高分子フィルムと支持体の間のガスを除去し、供給側チャンバーによって試料を押さえる。そして、供給側チャンバー内に評価ガスを含むガスを導入し、試料、高分子フィルムおよび支持体を透過した評価ガスを透過側チャンバーに設けた検出部によって測定する。このようにして、試料のガスバリア性を評価する。
試料交換の前に外側チャンバー内および供給側チャンバー内に乾燥ガス、例えば乾燥窒素を導入し、試料を押さえていた供給側チャンバーを外す。その結果、高分子フィルムと支持体の隙間は乾燥ガスによって満たされ、乾燥ガスによる保護領域が自然に形成される。続いて、外側チャンバーを開き、試料を交換する(もしくは試料を取り付ける)。高分子フィルムと支持体との間隔が充分狭ければ、すなわち、保護領域が十分に薄ければ、大気成分が保護領域の端から侵入する前に試料交換を終えることができる。
しかも、試料交換時に支持体と透過側チャンバーの結合が万が一外れたとしても大気が透過側チャンバーに直接流入して検出器や電離真空計を傷めることがない。検出器として用いる質量分析装置や透過側チャンバーの真空度を確認するための電離真空計は、大気に含まれる酸素や大量の水蒸気にさらされるとフィラメントが損傷し、その機能を失うことがある。そのため、高分子フィルムを持たない従来の装置では支持体と透過側チャンバーの結合が損なわれた時の安全対策も考える必要があった。
試料交換の後、外側チャンバーを閉じて外側チャンバー内を排気する。この時、試料交換時に大気に触れて高分子フィルム中に侵入した水蒸気等の大気成分は高分子フィルムと試料との隙間および高分子フィルムと支持体との隙間を通じて排気される。高分子フィルムが薄く、水蒸気等のガスを容易に放出する素材であれば、比較的短時間のうちに高分子フィルム中に侵入した大気成分を除去することができる。その後、供給側チャンバーによって試料を押さえ、供給側チャンバー内に評価ガスとして例えば水蒸気を導入し、この水蒸気を、試料、高分子フィルム、支持体を順に透過させ、透過側チャンバー内の水蒸気分圧を検出器で測定し、その値から水蒸気透過度を評価すれば良い。
排気系の実効排気速度がSeff[m3/s]、測定する試料を取り付けて供給側に分圧pf[Pa]の評価ガスを導入した後、安定するまで透過側を排気したときの透過側の分圧をpp[Pa]、ガスが透過しない試料(例えば金属板)を取り付けたときに想定される透過側の分圧をpb[Pa]とする。この時、評価ガスの透過流束J[mol/m2s]は、評価ガスの透過によって生じる透過側の分圧の増加△ppb[Pa](=pp−pb)を用いて、次式(14)によって与えられる。
さらに、本発明は透過側チャンバー内にキャリアガスを流す方法であっても利用することができる。その場合も、試料取り付けの際に大気を透過側チャンバー内に巻き込むことがなく速やかにガスバリア性を評価することができる。装置の操作も構造も簡単になり、高感度の検出部を容易に使用可能になるなどの効果も同時に得られる。
支持体2が有する高分子は、例えば数平均分子量が1000以上のものをいう。例えば、ポリイミド、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリアミドイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリアクリロニトリル、ポリスチレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリテトラフルオロエチレン、ナイロン66等が好ましい。上記のうちポリイミドは、水蒸気を含む大気に対する窒素透過速度より乾燥窒素に対する窒素透過速度の方が低いことから、乾燥窒素中にて試料交換することにより、透過側チャンバー内の環境を一層良好に保つことが可能となる。このような観点から、ポリイミドがより好ましい。
図1に示すように、支持体2は透過側チャンバー41の開口部41a側に接着剤によって固着して結合されている。支持体2と試料1の間に高分子フィルム3が挿入され、試料1と高分子フィルム3とは供給側チャンバー42の開口部42aによって押さえて支持体2側に固定されている。
図4に示すように、比較例のガスバリア性評価装置10bは、高分子フィルム3がないこと以外は、図1に示した第1実施形態のガスバリア性評価装置10aと同様の構成である。
ガスバリア性測定が終了した後は供給側ガス配管73を通じて供給側空間52を排気し、十分排気した後、供給側ガス配管73の排気系統の配管を閉じ、供給側チャンバー42を引き上げる。続いて、外側チャンバーガス配管75を通じて乾燥ガスを導入する。その状態を図5に示す。供給側チャンバー42を引き上げた時、上からの押さえがなくなるために、試料1と支持体2との間にわずかな空間が自然に形成される。この空間には外側チャンバーガス配管75を通じて導入した周囲の乾燥ガスが流入して、保護領域4が形成される。
この時、連通する供給側空間52内も外側チャンバーガス配管75を通じて排気するが、支持体2に侵入したガス成分は支持体2内を拡散し、支持体2の透過側空間51側の表面から放出される。支持体2の透過側空間51側の表面から放出されなくなるまで、透過側空間51の排気を続けた後、供給側チャンバー42を降下させて供給側空間52を閉じる。
その後、供給側ガス配管73を通じて供給側空間52に水蒸気を導入する。このようにして図4の測定状態に再びなる。そして、検出部(質量分析装置)32を用いて透過側空間51のガス分圧を測定し、その値からWVTR値を得る。
この方法では、支持体2に大気中の水蒸気等のガス成分が侵入してしまうため、それらが透過側空間51側から放出されなくなるまで待つ必要がある。そのため、試料の交換から測定終了にいたる一連の手順に要する時間が長くなり、評価の効率が低くなる。
まず図7は、ガスバリア性評価装置10cのガスバリア性測定時の状態を示す。
図7に示すように、高分子フィルム3(3B)は透過側外側チャンバー81の開口部に接着剤を用いて固着して結合されている。この高分子フィルム3Bには厚さ方向に貫通する穴6が開けられており、高分子フィルムの厚さ方向にガスが通り抜けられるようになっている。穴6の径は、0.1mm以上10mm以下であり、好ましくは0.5mm以上5mm以下であり、より好ましくは1mm以上3mm以下である。穴6の数は1つであっても良いが、複数あっても構わない。穴6の大きさ、数、配置などは外側チャンバー内空間53内のガスの流れの観点から、適切に設計される。この高分子フィルム3Bは、支持体2上に接触するように配され、その上に試料1が配される。そして、試料1と高分子フィルム3Bとは供給側チャンバー42の開口部42aによって支持体2側に押さえられて固定されている。さらに、外側チャンバー内空間53は外側チャンバーガス配管75を通して排気されている。このように、高分子フィルム3B以外は、第1実施形態のガスバリア性評価装置10aと同じ構成を有する。
高分子フィルム支持リング7は緻密で中央に開口を有する板状材料(アルミニウムやポリプロピレンなど)によって構成されており、この開口部を塞ぐように高分子フィルム3(3C)が接着剤等を用いて固着され、一体化している。さらに、高分子フィルム3Cが支持体2と接するように、高分子フィルム支持リング7は図示していない固定具を用いて透過側チャンバー41に固定されている。高分子フィルム支持リング7と透過側外側チャンバー81の間には隙間が設けてある。
試料交換のために外側チャンバーガス配管75を通して乾燥ガスを導入すると、乾燥ガスの圧力で高分子フィルム3がわずかにたわみ、支持体2との間に保護領域4が形成される。また、透過側外側チャンバー81との間の隙間から高分子フィルム支持リング7の上方に乾燥ガスが流出し、大気の侵入を防いでいる。試料交換の後、外側チャンバーガス配管75を通じて外側チャンバー内空間53を排気する際は、この隙間を通じて連通する供給側空間52も排気される。
このようにすることで、薄い高分子フィルム3を用いて大気の侵入を確実に防ぐことができる。
前記図1〜3によって説明したガスバリア性評価装置10(10a)を用いてフィルム状試料(試料1)の測定を行った。
試料1には、厚さが0.1mmであり、表面にバリア層を形成したポリエチレンナフタレートフィルムを用いた。支持体2として厚さ125μmのポリイミド製の板状体と2mmφの穴を多数有する厚さ1mmのステンレス金属板を重ねて用いた。板状ポリイミドフィルムは接着剤を用いて透過側チャンバーに固着して結合した。高分子フィルム3として厚さ13μmのポリイミドフィルムを用いた。2分ほどかけて試料1を交換し、供給側外側チャンバー82を降ろして外側チャンバー内空間53を閉じ、外側チャンバーガス配管75を通じて外側チャンバー内空間53を排気した(図2の状態)。外側チャンバー内空間53の排気を開始してからの時間と検出部(質量分析装置)32の指示値(各ガス種の増減に応じて増減するイオン電流)の関係を図11に示す。図11に示したように、水蒸気、窒素、酸素に対するイオン電流は1時間にわたって変化がみられず、透過側空間51にそれらガス成分の流入がないことが分かる。その後、供給側チャンバー42を降ろして供給側空間52を閉じ、供給側ガス配管73を通じて水蒸気を導入した。その後のWVTR値の変化は図12に示す通りであり、1日が経過すればほぼ安定し、4×10-4g/m2dayの値が得られた。
この後、繰り返しガスバリア性を評価したところ、ある時、図13に示すように試料交換の際に検出部(質量分析装置)32の窒素を表す指示値が大きく増加した。ガスバリア性評価装置を停止して調べたところ、支持体2と透過側チャンバー41の間の接着剤による結合が一部損なわれていることが判明した。そこで、支持体2を交換し、接着剤を用いて透過側チャンバー41に結合してバリア性評価装置を再び立ち上げた。検出部(質量分析装置)32は損傷を受けておらず、この後もこれまでと変わらずガスバリア性の評価が可能であった。すなわち、本発明の構造とすることで、支持体と透過側チャンバーの結合が損なわれた時の特段の安全対策が必要ないことが分かる。
前記図4〜6によって説明したガスバリア性評価装置10(10b)を用いて実施例1と同様のフィルム状試料(試料1)の測定を行った。ガスバリア性評価装置10bは前記ガスバリア性評価装置10aにおいて高分子フィルム3を用いていないこと以外ガスバリア性評価装置10aと同様のものである。
図14に示すように、外側チャンバー内空間53の排気を開始してからの時間と検出部(質量分析装置)32のイオン電流との関係は、10分ごろから水蒸気および酸素に対するイオン電流が増大し、透過側空間51にそれらのガス成分が流入していることが分かる。その後もとのレベルに落ち着くまでに約1日を要した。
実施例1と比較例1との比較から、実施例1のように高分子フィルム3を用いることによって、試料交換の際の大気中のガス成分の透過側空間51への流入が抑えられ、速やかに水蒸気を導入して測定を始められることが分かった。
なお、その後、供給側チャンバー42を動かして供給側空間52を閉じ、供給側ガス配管73を通じて水蒸気を導入した。その結果、WVTR値の変化は図15に示した通りであり、5日ほど経過してほぼ安定し、実施例1と同じ4×10-4g/m2dayの値が得られた。
さらに支持体2を持たないこと以外は比較例1と同じ構造の装置において、フィルム状試料1として厚さ40μmのセロファンを用いたところ、水蒸気を供給側空間52に導入した際に、試料1が破れて透過側空間51に水蒸気が侵入した。その結果、検出器(質量分析装置)32のフィラメントが断線し、交換が必要であった。すなわち、従来の装置では試料1の破損や支持体2と透過側チャンバー41の結合が損なわれたときの安全対策が必要であることが分かる。
試料1として実施例1とは異なるフィルム状試料として厚さが0.1mmであり、表面にバリア層を形成したポリエチレンテレフタレートフィルムを用いたこと以外は実施例1と同じ装置、同じ手順によって評価を行った。
外側チャンバー内空間53の排気を開始してからの時間と検出部(質量分析装置)32のイオン電流値の関係を図16に示す。水蒸気、窒素、酸素に対するイオン電流値は1時間近くにわたって変化がみられず、透過側空間51にそれらガス成分の流入がないことが分かった。
この結果から、実施例1とは異なる試料についても同様に大気中のガス成分の透過側空間51への流入を抑えられることが分かった。
その後、供給側チャンバー42を降ろして供給側空間52を閉じ、供給側ガス配管73を通じて水蒸気を導入した。その結果、WVTR値の変化は図17に示した通りであり、5日ほど経過して安定し、2×10−5g/m2dayの値が得られた。
本発明の効果の本質を把握するため、試料1を用いず、実施例1と同じ装置、同じ手順によって試験を行った。
まず図1に示したように、ガスバリア性測定が終了したとして、供給側ガス配管73を通じて供給側空間52を排気し、十分排気した後、供給側ガス配管73の排気系統の配管を閉じ、供給側チャンバー42を引き上げた。その後、外側チャンバーガス配管75を通じて乾燥ガスを導入した。供給側チャンバー42を引き上げた時、上からの押さえがなくなるために高分子フィルム3と支持体2との間にわずかな空間が自然に形成され、そこに外側チャンバーガス配管75を通じて導入した周囲の乾燥ガスが流入して、保護領域4が形成されている。この状態は図2に示した装置状態に対応している。
試料1を用いず、前記図4〜6によって説明した高分子フィルム3を用いないガスバリア性評価装置10bを用いて、前述の実施例3と同様の手順によって試験を行った。
外側チャンバー内空間53の排気を開始してからの時間と検出部(質量分析装置)32のイオン電流値の関係を図19に示す。排気開始後10分程度から水蒸気、窒素、酸素に対するイオン電流値が上昇し、これらのガスが透過側空間51に流入していることが分かった。8時間排気を続け、酸素のイオン電流値は排気前の水準まで戻ったが、水蒸気や窒素については元の水準に戻っていなかった。この試験と実施例3の比較から、高分子フィルム3を用いることによって大気中のガス成分の透過側空間51への侵入を防ぐことができることが明らかとなった。
本発明の効果の本質を把握するため、前記図10によって説明したガスバリア性評価装置10(10d)を用いて試験を行った。
まず試料交換のために供給側ガス配管73を通じて供給側空間52を排気し、十分排気した後、供給側ガス配管73の排気系統の配管を閉じ、供給側チャンバー42を引き上げた。その後、外側チャンバーガス配管75を通じて乾燥ガスを導入した。供給側チャンバー42を引き上げた時、上からの押さえがなくなるために高分子フィルム3と支持体2との間にわずかな空間が自然に形成され、そこに外側チャンバーガス配管75を通じて導入した乾燥ガスが流入して、保護領域4が形成されている。この状態は図10に示した装置状態に対応している。
2 支持体
3、3A、3B、3C 高分子フィルム
4 保護領域
5 支持体表面の領域
6 穴
7 高分子フィルム支持リング
10 ガスバリア性評価装置
32 検出部(質量分析装置)
41 透過側チャンバー
41a 透過側チャンバーの開口部
42 供給側チャンバー
42a 供給側チャンバーの開口部
51 透過側空間
52 供給側空間
53 外側チャンバー内空間
62 バルブ
72 透過側ガス配管
73 供給側ガス配管
75 外側チャンバーガス配管
81 透過側外側チャンバー
81a 透過側外側チャンバーの開口部
82 供給側外側チャンバー
82a 供給側外側チャンバーの開口部
Claims (7)
- 高分子を有する支持体と透過側チャンバーと検出部とを備え、
前記支持体が試料を支えていてかつ前記透過側チャンバーの開口部と結合しているガスバリア性評価装置であって、
前記支持体と前記試料との間に高分子フィルムを有し、
前記試料に密着可能、かつ昇降可能に配した供給側チャンバーと、
前記高分子フィルムと前記支持体に挟まれた領域を覆う外側チャンバーとを有するガスバリア性評価装置。 - 前記外側チャンバーに乾燥ガス源が接続されている請求項1に記載のガスバリア性評価装置。
- 前記支持体がポリイミドである請求項1または2に記載のガスバリア性評価装置。
- 前記高分子フィルムが、中央に開口部を有する高分子フィルム支持リングの該開口部を塞ぎ、該高分子フィルム支持リングに固着されている請求項1〜3のいずれか1項に記載のガスバリア性評価装置。
- 高分子を有する支持体と透過側チャンバーと検出部とを備え、
前記支持体の表面側が試料を支えていて、前記支持体の裏面側が前記透過側チャンバーの開口部と結合しているガスバリア性評価装置を用いたガスバリア性評価方法であって、
前記支持体と前記試料との間に高分子フィルムを配し、
前記試料の交換時に、前記支持体と前記高分子フィルムとの間に乾燥ガスからなる保護領域を設けるガスバリア性評価方法。 - 前記高分子フィルムと前記支持体に挟まれた領域を大気から隔離する外側チャンバーを有し、
前記試料の交換時に前記外側チャンバーに乾燥ガスを導入して前記保護領域を設ける請求項5に記載のガスバリア性評価方法。 - 前記支持体がポリイミドである請求項5または6に記載のガスバリア性評価方法。
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