WO2014174664A1 - 高分子材料の耐候性評価方法 - Google Patents

高分子材料の耐候性評価方法 Download PDF

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洋輔 植木
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株式会社日立製作所
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N17/00—Investigating resistance of materials to the weather, to corrosion, or to light

Definitions

  • the present invention relates to a weather resistance evaluation method for a polymer material used in an outdoor environment.
  • a wide variety of polymer materials are used in various industrial fields and products.
  • polymer materials are increasingly used in harsh outdoor environments.
  • the most common example is a coating film.
  • the coating film has a function of protecting a metal material used as a structural material from corrosion factors such as moisture and salt.
  • a polymer material has a characteristic that it is difficult to be attacked by these corrosive factors, while the characteristic is mainly caused by ultraviolet rays contained in sunlight.
  • a reinforcing material such as glass fiber or carbon fiber is added to a polymer material, and the polymer material itself is used as a structural material as a composite material.
  • glass fiber reinforced plastic is generally used for rotating blades for wind power generators.
  • since the deterioration of the characteristics of the polymer material is directly related to the reliability of the product, it is very important to evaluate the resistance (weather resistance) against such a deterioration of the characteristics.
  • the simplest and most accurate method for weather resistance evaluation of polymer materials is an outdoor exposure test in which the target material is actually installed in an outdoor environment for evaluation.
  • an evaluation assuming 10 years requires a 10-year test period, and thus there is a problem that a long time is required for evaluation particularly for products that require long-term reliability.
  • Patent Document 1 describes an example of a technique for evaluating the weather resistance of a coating film based on an accelerated test.
  • the accelerated weathering tester reproduces the deterioration of the properties of polymer materials in the outdoor environment in a short period of time by combining UV irradiation with a sunshine carbon arc lamp, xenon lamp, metal halide lamp, etc., temperature cycle, and shower spray cycle.
  • JIS K5400 and JIS K6005600 describe a test method using a sunshine carbon arc lamp or a xenon lamp mounted tester.
  • Non-Patent Document 1 describes the following method. First, the wavelength dependence of the ultraviolet absorptance and chemical reaction efficiency (quantum yield) is investigated in advance for individual materials. Next, the amount of damage that would have been applied to the material is determined based on the product of these wavelength dependencies and the convolution sum of the spectral irradiation intensity of sunlight or an ultraviolet lamp. Since the response of polymer materials to light is highly wavelength-dependent, if the accelerated test conditions are determined based on the acceleration factor based on this amount of damage, it is possible to predict characteristic changes with high accuracy without performing outdoor exposure tests. It is.
  • Non-Patent Document 1 it is necessary to acquire two parameters of absorption rate and quantum yield for each wavelength, and in order to obtain the quantum yield, a light source equipped with a bandpass filter is used. , It is necessary to conduct multiple preliminary tests. In particular, if a light source having strong ultraviolet irradiation energy such as a metal halide lamp is used effectively, it can be expected that the test can be performed at a higher acceleration magnification. However, such a light source is used in Non-Patent Document 1. Compared with a xenon lamp, the variation in irradiation intensity with respect to wavelength has a large characteristic. Therefore, in order to apply such a high energy type lamp, it is necessary to obtain the quantum yield at finer wavelength intervals. Based on the method described in Non-Patent Document 1, as the wavelength interval is made finer, it is necessary to perform a plurality of irradiation tests using a larger number of bandpass filters. It will become.
  • An object of the present invention is to provide a weather resistance evaluation method for a polymer material that can quickly and easily acquire the irradiation wavelength dependence of the characteristic degradation of the polymer material at finer wavelength intervals.
  • Another object of the present invention is to provide a weather resistance evaluation method for a polymer material that can determine the acceleration magnification in the accelerated weather resistance test of the polymer material with high accuracy.
  • the present invention relates to a weather resistance evaluation method for a polymer material by irradiating a material with light from a light source having irradiation energy in an ultraviolet region and performing an accelerated weather resistance test.
  • the relationship between the deterioration phenomenon and the irradiation wavelength is determined by considering the spectral irradiation characteristics of the light source. In this way, the dependency of the deterioration phenomenon of the material on the irradiation wavelength is obtained.
  • the present invention obtains the effective energy for each of the light sources in the outdoor exposure test and the accelerated weathering test based on the irradiation wavelength dependence of the deterioration phenomenon of the material and the wavelength characteristics of the light source, and calculates the effective energy per unit time.
  • the acceleration magnification in the accelerated weathering test is determined based on the ratio.
  • the present invention it is possible to quickly and easily acquire the irradiation wavelength dependence of the characteristic degradation of the polymer material at finer wavelength intervals.
  • the acceleration magnification in the accelerated weathering test of the polymer material can be determined with high accuracy.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining an evaluation step in the present embodiment.
  • a spectral irradiation test is performed on the material to be evaluated (step 1).
  • light emitted from a light source (not shown) having irradiation energy in an ultraviolet region such as a xenon lamp is dispersed using a diffraction grating 2 or a prism, and the dispersed light is irradiated on a strip 3 in a strip shape. That is, this is a test in which the spectrally irradiated light 4 is continuously applied to the surface of the test piece 3 over the wavelength direction shown in FIG.
  • the apparatus which has the function to carry out spectral irradiation is well-known, For example, the spectral aging test machine by Suga Test Instruments Co., Ltd. is used. In this embodiment, an apparatus having a spectral ability of about 2 nm / mm is used. Of the ultraviolet rays contained in sunlight, the range of 250 to 400 nm is considered to be the main contributor to the changes in the properties of polymer materials. The length in the direction should be about 75 mm or more. If the spectroscopic irradiation test is continued for a certain period of time, significant discoloration 7 occurs in the vicinity of the region irradiated with a specific wavelength.
  • the wavelength region in which a more prominent discoloration is observed is a wavelength region having a higher sensitivity to characteristic changes caused by light.
  • a visible color change is confirmed within a few hours to 20 hours from the start of irradiation.
  • the color change degree is quantified based on image analysis, thereby obtaining a quantitative relationship between the irradiation wavelength and the color change amount (step 2). Since the discoloration of the polymer material by ultraviolet rays is mainly yellowish yellowing, a method for quantifying the amount of yellowing is described below.
  • image analysis it is necessary to acquire the spectrally irradiated region 6 on the surface of the test piece 3 subjected to the spectral irradiation 4 as a digital image.
  • the simplest method is a method using a digital camera. However, it is not preferable because the influence of ambient ambient light and the influence of lens aberration are large. Therefore, it is ideal to use a flat bed type color image scanner.
  • the scanning resolution of the scanner should be determined according to the spectral capability in the spectral irradiation test. However, if the spectral capability is about 2 nm / mm, the scanning resolution should be about 100 dpi (dot per inch). Sufficient evaluation is possible.
  • the luminance distribution is evaluated by image analysis on the image data digitized by the color image scanner. This image analysis can be performed using existing image analysis software. In a region where yellowing is noticeable, the luminance value (I B ) of the B channel that is complementary to yellow is significantly lower than the R channel luminance value (I R ) and the G channel luminance value (I G ). Therefore, the amount of color change was quantitatively defined as the amount of yellowing (Y) according to equation (1).
  • each channel is processed as luminance data of 8 bits and 256 gradations, but the number of gradations may be 8 bits or more.
  • the relationship between the yellowing amount and the irradiation wavelength is obtained by the luminance distribution evaluation based on the formula (1) (step 3).
  • Many polymer materials exhibit yellowing due to changes in properties due to UV irradiation, and can be handled by the above-mentioned quantification methods.
  • some white materials change white, and transparent materials have light transmittance. A decrease or the like may appear as a change in appearance. In that case, these phenomena may be changed to a luminance distribution evaluation method that can be quantified.
  • the yellowing amount Y ( ⁇ ) shown in (3) of FIG. 1 is corrected in consideration of the spectral irradiation characteristics of the light source, and the coefficient is set so that the average value within the target wavelength range is 1.
  • the relationship between the sensitivity to light deterioration (characteristic change) and the irradiation wavelength (relative deterioration sensitivity (spectral characteristic change sensitivity) D ( ⁇ )) is obtained (step 4).
  • the relationship between the material deterioration (characteristic change) and the irradiation wavelength can be continuously acquired in the wavelength direction by only one irradiation test and a minimum of one analysis operation on one specimen. It becomes possible to do. Since the wavelength dependence of the degradation sensitivity of the material can be obtained continuously, that is, at finer wavelength intervals, it is effective to use a light source with strong ultraviolet irradiation energy such as a metal halide lamp that has a large variation in irradiation intensity with respect to the wavelength. Can be used. Then, by taking into account this acquired data (wavelength dependence on material deterioration) and the wavelength characteristics of the light source used for the test, it is possible to establish a more accurate and quick weather resistance evaluation method.
  • a light source with strong ultraviolet irradiation energy such as a metal halide lamp that has a large variation in irradiation intensity with respect to the wavelength.
  • the acceleration magnification can be determined with high accuracy even when using a more powerful UV lamp such as a metal halide lamp, as will be described later. It is possible to realize a weather resistance evaluation that satisfies both.
  • the convolution sum (D ( ⁇ ) * U) of D ( ⁇ ) obtained in Step 4 above and the spectral irradiation intensity (U ( ⁇ )) of the ultraviolet lamp mounted on the sunlight and accelerated weathering tester. ( ⁇ )) is obtained (step 5).
  • the data of the spectral irradiation intensity of sunlight it is desirable to use data measured in the environment where the material is actually installed, but when that is difficult, for example, the spectral irradiation of sunlight at an arbitrary point You may estimate from the magnitude relationship of the solar radiation amount obtained from open weather statistical information etc. based on intensity data.
  • the outdoor exposure test environment and the accelerated test environment are associated, that is, the acceleration factor is determined and the weather resistance is evaluated.
  • ABS resin ABS resin
  • UP unsaturated polyester resin
  • EP epoxy resin
  • PC polycarbonate resin
  • FIG. 4 is a diagram showing the effective energy E eff per hour under each material and test condition.
  • the accelerated test condition A uses a metal halide lamp as the light source for the accelerated test
  • the accelerated test condition B uses a xenon lamp as the light source for the accelerated test.
  • the ratio of the effective energy outdoor exposure test and the accelerated test (A, B) differs depending on the material.
  • the ratio of the effective energy outdoor exposure test and the acceleration test (A, B) is set as the acceleration magnification. That is, FIG. 4 shows that the acceleration magnification differs depending not only on the type of light source but also on the combination of the light source and material in the accelerated test.
  • the acceleration magnification can be accurately estimated by determining the ratio between the outdoor exposure test and the accelerated test (A or B) of the effective energy of the material to be evaluated.
  • FIG. 2 shows the result of applying the evaluation method of the comparative example (method of determining and evaluating the acceleration magnification based on the irradiation energy) to the color change prediction of the polycarbonate resin.
  • FIG. 3 shows the result of applying the evaluation method according to the present invention (method of determining and evaluating acceleration magnification based on effective energy) to color change prediction of polycarbonate resin.
  • the difference between the test result obtained from the acceleration test and the outdoor exposure test result was significantly reduced when compared with the evaluation method of the comparative example.
  • the prediction accuracy is improved by about 2 to 20 times.
  • Example 1 the relationship between deterioration sensitivity (characteristic change sensitivity) and irradiation wavelength is obtained by analyzing image data on the surface of a test piece subjected to a spectral irradiation test.
  • the deterioration phenomenon can be confirmed at an early stage, and examination is made for a color change that can be easily analyzed.
  • a material that causes a characteristic change without exhibiting a change in appearance that can be detected by visual observation or a flatbed scanner instead of the image analysis method, a molecular bonding state evaluation method using FT-IR (Fourier transform infrared spectroscopy) may be used.
  • FT-IR Fastier transform infrared spectroscopy
  • the deterioration phenomenon associated with the irradiation wavelength may be other than the color change as long as it is a phenomenon that can be analyzed in accordance with the spectral wavelength.
  • FT-IR is a method for evaluating the bonding state or bonding amount of a specific molecular chain in a polymer material. The infrared absorption spectrum is continuously acquired in the wavelength direction by FT-IR analysis on the material surface, and the height change of a specific peak in the infrared absorption spectrum is acquired for each wavelength.
  • the test piece spectrally irradiated in Step 1 of Example 1 is subjected to FT-IR analysis, for example, at 10 nm intervals, and, for example, the peak height change at the wave number corresponding to carbonyl associated with deterioration is acquired for each wavelength.
  • FT-IR analysis for example, at 10 nm intervals, and, for example, the peak height change at the wave number corresponding to carbonyl associated with deterioration is acquired for each wavelength.
  • the amount of carbonyl produced by FT-IR analysis is corrected in consideration of the spectral irradiation characteristics of the light source as in step 4, and the average value within the target wavelength range is also corrected.
  • this invention is not limited to the above-mentioned Example, Various modifications are included.
  • the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
  • a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.

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Abstract

　高分子材料の特性低下の照射波長依存性をより細かな波長間隔で迅速かつ容易に取得することができる高分子材料の耐候性評価方法を提供する。また、促進耐候性試験における加速倍率を高精度に決定する。　紫外線領域に照射エネルギを有する光源からの光を分光して材料表面に連続的に照射し、照射された材料表面の劣化現象を分光した波長方向に分析して劣化現象と照射波長の関係を求め、劣化現象と照射波長の関係を光源の分光照射特性を考慮して補正することにより材料の劣化現象の照射波長依存性を求める。また、材料の劣化現象の照射波長依存性と光源の波長特性とに基づき、屋外暴露試験と促進耐候試験における光源のそれぞれについて材料に対する実効エネルギを求め、単位時間あたりの実効エネルギの比に基づいて促進耐候試験における加速倍率を決定する。

Description

高分子材料の耐候性評価方法
　本発明は、屋外環境下で用いられる高分子材料の耐候性評価方法に関する。
　さまざまな産業分野，製品で多種多様な高分子材料が使用されている。近年では、苛酷な屋外環境下でも高分子材料が使用されるケースが増えている。最も一般的な例としては、塗膜が挙げられる。塗膜は、構造材料として用いられる金属材料を水分，塩分などの腐食因子から保護する機能を有している。しかし、高分子材料は、これらの腐食因子に対して侵されにくいという特徴を持つ一方、主に太陽光に含まれる紫外線に起因した特性の低下を生じることが知られている。近年では、高分子材料にガラス繊維やカーボン繊維などの強化材を添加し、複合材として高分子材料自身を構造材料として使用するケースが増えている。例えば風力発電機用の回転ブレードには、ガラス繊維強化プラスチックが用いられることが一般的である。このような製品では、高分子材料の特性低下が、製品の信頼性に直接的に関わるため、このような特性低下に対する耐性(耐候性)を評価することは非常に重要である。
　高分子材料の耐候性評価で最も簡便かつ精度の高い方法は、実際に対象材料を屋外環境に設置して評価を行う屋外暴露試験である。しかし、例えば、10年間を想定した評価には10年間の試験期間が必要となるため、特に長期信頼性を要求される製品では評価に長い年月を要するという課題がある。
　そこで、促進耐候性試験機を用いた促進試験によって評価を行うことが一般的である。例えば、特許文献１には、促進試験に基づき塗膜の耐候性を評価する手法の一例が記載されている。促進耐候性試験機は、サンシャインカーボンアークランプやキセノンランプ、メタルハライドランプなどによる紫外線の照射と温度サイクル、シャワー噴霧サイクルを組み合わせることにより、屋外環境での高分子材料の特性低下を短期間で再現するものである。例えば、JIS K5400やJIS K 5600には、サンシャインカーボンアークランプやキセノンランプ搭載型の試験機を用いた試験方法がそれぞれ記載されている。
　これらの試験機を用いると、およそ10倍から100倍の加速倍率で耐候性評価ができることが経験的に知られている。しかしながら、加速倍率の算出方法には明確な基準が存在しないという実状がある。そのため、加速倍率の決定には、屋外暴露試験と促進試験それぞれにおける特性変化の速度比や、太陽光と紫外線ランプにおける紫外線の照射エネルギ比に基づいているのが現状である。前者については、実際に対象材料あるいは類似材料の少なくとも数ヵ月から１年程度の屋外暴露試験を実施する必要があるため評価に長期間を要する。後者については、太陽光と紫外線ランプのそれぞれで同一エネルギの紫外線を照射しても、同等の特性変化が必ずしも生じないという課題があった。このことは、照射エネルギを基に加速倍率を設定して促進試験を行うと、耐候性を過小あるいは過大に評価する可能性があることを意味する。
　このような課題を解決するため、非特許文献１には、次のような手法の記述がある。まず、個別の材料に対し予め紫外線吸収率と化学反応の効率(量子収率)の波長依存性を調べておく。次に、これらの波長依存性同士の積と、太陽光または紫外線ランプの分光照射強度の畳込み和に基づき、材料に負荷されたであろうダメージ量を求める。高分子材料の光に対する反応は、波長依存性が大きいため、このダメージ量に基づいた加速倍率によって促進試験条件を決定すると、屋外暴露試験を行わずとも、高い精度で特性変化を予測できるという手法である。
特開2005-17132号公報
Jonathan W. Martin, David R. Bauer 編集、「Service Life Prediction: Methodology and Metrologies」、American Chemical Society、2002年発行、pp.119-143
　しかし、非特許文献１の方法では、波長毎の吸収率と量子収率の２つのパラメータを取得する必要があるほか、量子収率を取得するためにはバンドパスフィルタを装着した光源を用いて、複数回の事前試験を行う必要がある。特に、メタルハライドランプなどの強力な紫外線照射エネルギを有する光源を効果的に使用すれば、より高い加速倍率で試験を行えることが期待できるが、このような光源は非特許文献１で使用されているキセノンランプと比較すると、波長に対する照射強度の変動が大きな特性を有している。したがって、このような高エネルギ型のランプを適用するためには、より細かな波長間隔で量子収率の取得を行う必要がある。非特許文献１に記載の方法に基づくと、波長間隔を細かくすればするほど、より多くのバンドパスフィルタを用いて複数回の照射試験を行う必要があるため、事前試験に必要な期間が長期化してしまう。
　上述のような背景の下、広範な材料に対応が可能であり、迅速かつ高精度に任意の材料の長期的な耐候性を評価する手法の確立が待たれている。このためには、容易にかつ迅速に、各材料の特性低下の照射波長依存性をより細かな波長間隔で得ることが重要である。
　本発明の目的は、高分子材料の特性低下の照射波長依存性をより細かな波長間隔で迅速かつ容易に取得することができる高分子材料の耐候性評価方法を提供することにある。
　本発明の他の目的は、高分子材料の促進耐候性試験における加速倍率を高精度に決定することができる高分子材料の耐候性評価方法を提供することにある。
　本発明は、紫外線領域に照射エネルギを有する光源からの光を材料に照射して促進耐候試験を行うことによる高分子材料の耐候性評価方法であって、光源からの光を分光して材料表面に連続的に照射し、照射された材料表面の劣化現象を分光した波長方向に分析して劣化現象と照射波長の関係を求め、劣化現象と照射波長の関係を光源の分光照射特性を考慮して補正することにより材料の劣化現象の照射波長依存性を求めることを特徴とする。
　また、本発明は、材料の劣化現象の照射波長依存性と光源の波長特性とに基づき、屋外暴露試験と促進耐候試験における光源のそれぞれについて材料に対する実効エネルギを求め、単位時間あたりの実効エネルギの比に基づいて促進耐候試験における加速倍率を決定することを特徴とする。
　本発明によれば、高分子材料の特性低下の照射波長依存性をより細かな波長間隔で迅速かつ容易に取得することができる。
　また、本発明によれば、高分子材料の促進耐候性試験における加速倍率を高精度に決定することができる。
　上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明の一実施例の耐候性評価方法における評価ステップを説明する図である。 比較例の評価方法をポリカーボネート樹脂の色彩変化予測に適応した結果である。 本発明による評価方法をポリカーボネート樹脂の色彩変化予測に適応した結果である。 各材料・試験条件における１時間あたりの実効エネルギＥeffを示す図である。
　以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
　図１は、本実施例における評価ステップを説明する図である。本実施例の耐候性評価方法では、まず初めに、評価対象の材料に対して分光照射試験を実施する（ステップ１）。これは、キセノンランプなどの紫外線領域に照射エネルギを有する光源（図示省略）から発せられる光を、回折格子2あるいはプリズムなどを用いて分光し、分光した光を帯状に試験片3に照射する。即ち、分光した光を図１の（１）に示す波長方向に渡って試験片3の表面に連続的に分光照射4を行う試験である。これにより、任意の劣化現象の波長分布を連続的に調べることができる。なお、分光照射する機能を有する装置は公知であり、例えば、スガ試験機（株）社製の分光老化試験機が用いられる。本実施例では、約2 nm/mmの分光能力を有する装置を用いている。太陽光に含まれる紫外線のうち、高分子材料の特性変化に主に寄与すると考えられているのは250 nmから400 nmの範囲であるので、装置の分光能力を考慮すると、試験片3の長手方向の長さは75 mm程度以上あればよい。一定時間の分光照射試験を継続すると、特定の波長が照射された領域近傍では顕著な変色7が生じる。より顕著な変色がみられた波長領域ほど、光による特性変化に高い感度を有する波長領域と言える。本発明者らの実験では、材料によるばらつきはあるものの、照射開始から数時間～20時間程度で目視可能な変色が確認されている。
　次に、この変色に着目して画像解析に基づいて変色度を定量化することによって、照射波長と変色量の定量的な関係を得る（ステップ２）。高分子材料の紫外線による変色は、主に黄色を帯びる黄変が主であるため、黄変量を定量化する手法について以下に述べる。画像解析を行うにあたり、分光照射4を行った試験片3の表面の分光照射領域6をデジタル画像として取得する必要がある。最も簡便な方法はデジタルカメラで取得する方法であるが、周辺の環境光の影響やレンズの収差の影響が大きいため好ましくない。そこで、フラットベッドタイプのカラーイメージスキャナを用いることが理想的である。スキャナの読み取り分解能は、分光照射試験における分光能力に応じて決定されるべきであるが、前述の2 nm/mm程度の分光能力であれば、100 dpi(dot per inch)程度の読み取り分解能があれば十分な評価が可能である。カラーイメージスキャナによりデジタル化された画像データに対し、画像解析による輝度分布評価を行う。この画像解析は既存の画像解析ソフトウエアを用いて行うことができる。黄変が顕著な領域では、Rチャンネル輝度値(IR)およびGチャンネル輝度値(IG)に比べ、黄色と補色関係にあるBチャンネルの輝度値(IB)が著しく低下する。そこで、式(1)に従い変色量を黄変量(Y)として定量的に定義した。
Y = 2×(255-IB) / {(255-IR)+(255-IG)} 　　・・・　式(1)
なお本実施例では、各チャンネル共、8ビット256階調の輝度データとして処理したが、8ビット以上の階調数としてもよい。
　式(1)に基づく輝度分布評価により、黄変量と照射波長の関係を得る（ステップ３）。なお、多くの高分子材料は紫外線照射による特性変化に伴い、黄変を呈するため、上述の定量化手法で対応可能だが、中には白く変化する白変や、透明材料では光の透過率の低下などが外観上の変化としてあらわれる場合がある。その場合は、これらの現象を定量化可能な輝度分布評価方法に変更しても差し支えない。
　分光照射試験に用いる光源は、波長によって照射強度が異なる場合がほとんどである。そこで、図１の（３）に示した黄変量Y(λ)を、光源の分光照射特性を考慮して補正し、さらに対象とする波長範囲内での平均値が1となる様に係数を乗ずることにより、光による劣化（特性変化）に対する感度と照射波長の関係(相対劣化感度（分光特性変化感度）D(λ))を得る（ステップ４）。本発明者が本実施例の方法により、ここまでの実際の作業を行ったところ、分光照射試験時間を含めても24時間以内に完了することが可能であった。
　上述のステップ１からステップ３によって、１枚の試験片に対する１回の照射試験および最小1回の分析操作のみで、材料の劣化（特性変化）と照射波長の関係を波長方向について連続的に取得することが可能となる。材料の劣化感度の波長依存性を連続的に即ちより細かな波長間隔で得ることができるので、波長に対する照射強度の変動が大きな特性を有するメタルハライドランプなどの強力な紫外線照射エネルギを有する光源を効果的に使用することができる。そして、この取得データ（材料の劣化に対する波長依存性）と試験に用いる光源の波長特性を併せて考慮することによって、より高精度かつ迅速な耐候性評価手法を確立することができる。すなわち、この取得データに基づけば、後述のように、メタルハライドランプなどのより強力な紫外線ランプを用いた場合でも高精度に加速倍率を決定することが可能となるため、簡便性・迅速性・精度を両立した耐候性評価を実現することが可能となる。
　次に、上記ステップ４で得たD(λ)と、太陽光および促進耐候性試験機に搭載された紫外線ランプの分光照射強度(U(λ))の畳込み和(D(λ)*U(λ))を得る（ステップ５）。ここで、太陽光の分光照射強度のデータとしては、材料が実際に設置される環境で測定されたものを使用することが望ましいが、それが難しい場合は、例えば任意地点の太陽光の分光照射強度データをベースに、公開気象統計情報などから得られる日射量の大小関係から推定してもよい。
　この畳込み和(D(λ)*U(λ))にさらに試験時間を掛け合わせると、試験時間内に実際に特性変化に寄与した仮想的なエネルギ量(実効エネルギEeff)を得ることができる。
　この実効エネルギを紫外線照射エネルギに代えて指標として、屋外暴露試験環境と促進試験環境の関連付けを行う、すなわち、加速倍率を決定して耐候性評価を行う。
　以下、その内容について説明する。本発明者らは、実効エネルギを用いて、４種類の材料（ABS樹脂(ABS)、不飽和ポリエステル樹脂(UP)、エポキシ樹脂(EP)、ポリカーボネート樹脂(PC)）における加速倍率の決定を行い、実際に促進耐候性試験を実施し、さらに屋外暴露試験を実施しして予測精度の検証を行っている。
　図４は、各材料・試験条件における１時間あたりの実効エネルギＥeffを示す図である。促進試験条件Ａは促進試験の光源としてメタルハライドランプを用いたものであり、促進試験条件Ｂは促進試験の光源としてキセノンランプを用いたものである。この図４から分かるように、材料によって、実効エネルギの屋外暴露試験と促進試験（Ａ，Ｂ）の比率が異なる。本実施例では、この実効エネルギの屋外暴露試験と促進試験（Ａ，Ｂ）の比率を加速倍率としている。すなわち、図４は、加速倍率は、光源の種類のみならず、促進試験の光源と材料の組み合わせによって異なることを示している。例えば、促進試験条件Ａ（メタルハライドランプ）の場合、最少100倍弱から最大1000倍以上の大きな差が生じる。このように、評価対象の材料の実効エネルギの屋外暴露試験と促進試験（ＡまたはＢ）の比率を求めることにより加速倍率を精度良く推定することができる。
　次に、図２及び図３を用いて、上述のように実効エネルギに基づく加速倍率の予測精度の検証結果を説明する。図２は比較例の評価方法（照射エネルギを基に加速倍率を決定して評価する方法）をポリカーボネート樹脂の色彩変化予測に適応した結果である。図３は本発明による評価方法（実効エネルギを基に加速倍率を決定して評価する方法）をポリカーボネート樹脂の色彩変化予測に適応した結果である。
　図２及び図３に示すように、比較例の評価方法と比較すると、促進試験より得られた試験結果と屋外暴露試験結果の差異が著しく減少した。このことは、加速倍率の予測精度が著しく向上することを意味する。特に、より高い加速倍率を有するメタルハライドランプを用いた評価へ適応すると、予測精度が２倍から２０倍程度向上することを確認している。
　実施例１では、分光照射試験を行った試験片表面の画像データを解析することによって、劣化感度（特性変化感度）と照射波長の関係を取得している。すなわち、実施例１では、劣化現象として早い段階で現象を確認でき、分析が容易な色彩の変化を対象として検討を行っている。しかし、材料によっては、目視やフラットベッドスキャナなどで検出可能な外観上の変化を呈せずに特性変化を生じる材料が存在することも十分に考えられる。そのような材料の場合には、画像解析による方法に代えて、FT-IR(フーリエ変換赤外分光法)による分子結合状態の評価法を用いても良い。言い換えれば、照射波長との関連付けを行う劣化現象は、分光した波長に対応して分析できる現象であれば、色彩の変化以外でも良い。FT-IRは、高分子材料における特定の分子鎖の結合状態または結合量を評価する方法である。材料表面をFT-IR分析によって波長方向に連続的に赤外吸収スペクトルを取得し、赤外吸収スペクトル中の特定ピークの高さ変化を波長毎に取得する。例えば、実施例１のステップ１で分光照射した試験片について、例えば10nm間隔でFT-IR分析し、例えば、劣化に関連するカルボニルに相当する波数におけるピークの高さ変化を波長毎に取得することにより、カルボニル生成量の波長依存性を評価する。この他は、実施例１と同様である。例えば、本実施例においても、FT-IR分析で得られたカルボニル生成量を、ステップ４のように、光源の分光照射特性を考慮して補正し、さらに対象とする波長範囲内での平均値が1となる様に係数を乗ずることにより、光による劣化（特性変化）に対する感度と照射波長の関係を得る。なお、光による特性変化により、どの分子鎖に変化が発生するのかを予め調べておく必要もあり、さらに試験片表面を広範囲に分析するには数十回の分析操作が必要となるため、評価の迅速性は実施例１記載の方法よりも低下するが、顕著な外観上の変化を伴わない材料にも適用範囲を広げることが可能になる。
　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加，削除，置換をすることが可能である。
2…回折格子、3…試験片、4…分光照射、6…分光照射領域、7…変域。

Claims (6)

  1. 　紫外線領域に照射エネルギを有する光源からの光を材料に照射して促進耐候試験を行うことによる高分子材料の耐候性評価方法であって、
    　前記光源からの光を分光して材料表面に連続的に照射し、
    　前記照射された材料表面の劣化現象を分光した波長方向に分析して劣化現象と照射波長の関係を求め、
    　前記劣化現象と照射波長の関係を前記光源の分光照射特性を考慮して補正することにより材料の劣化現象の照射波長依存性を求めることを特徴とする高分子材料の耐候性評価方法。
  2. 　請求項１に記載の高分子材料の耐候性評価方法において、
    　前記劣化現象と照射波長の関係は、照射された前記材料表面をデジタル画像データとして取得し、前記画像データに対して輝度分布を算出することによって照射波長と色彩変化量の関係を定量化することにより求め、
    　前記材料の劣化現象の照射波長依存性は、前記色彩変化量を前記光源の波長毎の相対照射強度で除して補正することにより求めることを特徴とする高分子材料の耐候性評価方法。
  3. 　請求項１に記載の高分子材料の耐候性評価方法において、
    　前記色彩変化は黄変であることを特徴とする高分子材料の耐候性評価方法。
  4. 　請求項１に記載の高分子材料の耐候性評価方法において、
    　前記劣化現象と照射波長の関係は、照射された前記材料表面を赤外分光分析によって波長方向に連続的に赤外吸収スペクトルを取得し、前記赤外吸収スペクトル中の特定ピークの高さ変化を波長毎に取得することによって求め、
    　前記材料の劣化現象の照射波長依存性は、前記ピークの高さ変化を前記光源の波長毎の相対照射強度で除して補正することにより求めることを特徴とする高分子材料の耐候性評価方法。
  5. 　請求項１～４の何れかに記載の高分子材料の耐候性評価方法において、
    　屋外暴露試験における太陽光と前記促進耐候試験における前記光源ついて、前記材料の劣化現象の照射波長依存性と前記太陽光または前記光源の波長特性との畳込み和を計算し、前記屋外暴露試験と前記促進耐候試験における単位時間当たりの前記畳込み和の相対比較によって前記促進耐候試験における加速倍率を決定することを特徴とする高分子材料の耐候性評価方法。
  6. 　請求項５に記載の高分子材料の耐候性評価方法において、
    　前記促進耐候試験における前記光源としてメタルハライドランプを用いることを特徴とする高分子材料の耐候性評価方法。
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