JP2004219407A - ガス透過率測定方法およびガス透過率測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 自然界に多く存在するガスの影響をほとんど受けることなく、ガスの透過率を測定できるようにする。
【解決手段】 試験片１００によって隔てられた透過セル１１０の低圧室１３５を真空にし、高圧室１４０に、測定すべき酸素¹⁶Ｏ₂とは質量数が異なる自然界にほとんど存在せず、化学的性質が同一の同位体ガス¹⁷Ｏ₂を導入し、試験片１００を透過した同位体ガス¹⁷Ｏ₂を、質量分析計からなる検出器１６０で検出して測定すべき酸素¹⁶Ｏ₂の透過率を測定するようにし、これによって、透過セル１１０に残存したり、試験片１００に吸着している酸素¹⁶Ｏ₂の影響を受けないようにしている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、プラスチックフィルム、シート、加工紙などのガスの透過率を測定するガス透過率測定方法およびそれに用いるガス透過率測定装置に関する。

従来、包装用、農業用、電気用資材などの各種の用途に使用される材料の選定に際して、酸素や水蒸気などのガスの透過率が測定される。

例えば、包装材料では、酸素の透過率の大小は、該包装材料で包装される対象物の成分の酸化や色調、香りなどの変化に直接影響するので、品質保持を図る上から重要であり、したがって、包装材料の選定には、酸素などのガスの透過率が測定されている。

このような酸素や水蒸気などのガスのプラスチックフィルムやシートなどに対する透過率（透過度）の測定は、気体透過度試験方法ＪＩＳ Ｋ ７１２６、水蒸気透過度試験方法ＪＩＳ Ｋ ７１２９が一般に用いられている。

図３は、上述のＪＩＳ Ｋ ７１２６（非特許文献１参照）による気体透過度測定装置の概略構成図である。

同図において、１１０は試験片１００が装着されて該試験片１００にガスを透過させる試験容器としての透過セル、１６０’は透過したガスによる圧力変化を検知する圧力検出器、１５５は透過セル１１０にガスを供給する試験ガス導入器、１５０’は試験ガスボンベ、１１６は真空ポンプ、１２２〜１２５はストップバルブである。

試験片１００は、濾紙１０５上に載置されて透過セル１１０の上部セル１１０ａと下部セル１１０ｂとで挟み込むようにセットされ、上部側に高圧室１４０、下部側に低圧室１３５が形成される。

先ず、真空ポンプ１１６を作動させ、初めに透過セル１１０の低圧室１３５を排気し、次に高圧室１４０を排気する。次いで、低圧室１３５の排気を止め真空を保つ。

次に、試験ガスを、透過セル１１０の高圧室１４０に約１気圧導入する。このときの高圧室１４０の圧力を記録する。低圧室１３５の圧力が上昇し始め、透過が確認される。透過曲線の直線部分の傾きから所定の算出式に従って気体透過度あるいは気体透過係数が算出される。
「日本工業規格 ＪＩＳ Ｋ ７１２６ プラスチックフィルム及びシートの気体透過度試験方法」，日本規格協会，１９９８．４

しかしながら、このような従来のガス透過率測定方法では、例えば、酸素や水蒸気ガスなどのように自然界に多く存在するガスの透過率を測定する場合には、低圧室１３５のガスが、試験片１００を透過したガスであるのか、透過セル１１０等に残存したガスであるのか、あるいは、試験片１００に吸着していたガスであるかを区別できないために、高精度のガス透過率の測定には、限界がある。

特に、真空断熱材や有機ＥＬディスプレイ用の封止フィルムといったガス透過性が極めて低い試験品のガス透過率の測定は困難である。

本発明は、上述のような点に鑑みて為されたものであって、自然界に存在するガスの影響をほとんど受けることなく、ガスの透過率を測定できるガス透過率測定方法およびガス透過率測定装置を提供することを目的とする。

本発明では、上記目的を達成するために、次のように構成している。

すなわち、本発明のガス透過率測定方法は、試験片のガス透過率を測定する方法であって、前記試験片によって隔てられた二つの空間の内の一方の空間に透過率を測定すべきガスとは質量数が異なる同位体ガスを導入し、前記試験片を透過して他方の空間に至った前記同位体ガスを検出して前記測定すべきガスの透過率を測定するものである。

ここで、試験片は、フィルム、シートあるいは膜状などであってもよい。

本発明によると、測定すべきガスとは質量数が異なる自然界にほとんど存在しない、しかも、測定すべきガスと化学的性質が同一である同位体ガスを用いるので、この同位体ガスを、試験片を透過したガスとして検出できることになり、自然界に多く存在するガスと分離してその影響を受けることなく検出することができ、これによって、透過セル等に残存したガスや試験片に吸着しているガスの影響を受けることなく、測定すべきガスの透過率を測定できることになる。

本発明の一実施態様においては、前記他方の空間を真空にし、前記同位体ガスの量を質量分析計で検出するものである。

この実施態様によると、試験片を透過して真空の他方の空間に至った同位体ガスを、その質量数に基づいて質量分析計を用いて高精度に検出することができる。

本発明の他の実施態様においては、前記測定すべきガスが、酸素¹⁶Ｏ₂であり、前記同位体ガスが、¹⁷Ｏ₂および¹⁸Ｏ₂の少なくとも一方のガスである。

この実施態様によると、自然界にほとんど存在せず、しかも、化学的性質が測定すべき酸素¹⁶Ｏ₂と同一である¹⁷Ｏ₂および¹⁸Ｏ₂の少なくとも一方のガスを、同位体ガスとして用いるので、この同位体ガスを、試験片を透過したガスとして酸素¹⁶Ｏ₂と分離してその影響を受けることなく検出することができ、これによって、透過セル等に残存した酸素¹⁶Ｏ₂や試験片に吸着している酸素¹⁶Ｏ₂の影響を受けることなく、透過率を測定できることになる。

本発明の更に他の実施態様においては、前記測定すべきガスが、水蒸気であり、前記同位体ガスが、重水の蒸気である。

この実施態様によると、自然界にほとんど存在せず、しかも、化学的性質が測定すべき水蒸気と同一である重水の蒸気を、同位体ガスとして用いるので、この同位体ガスを、水蒸気と分離してその影響を受けることなく検出して水蒸気の透過率を測定できることになる。

本発明の好ましい実施態様においては、前記二つの空間は、前記試験片が試験容器に装着されることによって、該試験容器内に形成され、前記試験片が装着された前記試験容器を予め高真空に排気するものである。

ここで、高真空とは、例えば、１０^-1Ｐａよりも真空度が高いことをいい、好ましくは、１０^-4Ｐａ程度である。

この実施態様によると、予め試験片が装着されて二つの空間が形成された試験容器を高真空に排気するので、試験片や試験容器に残存あるいは吸着しているガスの影響をなくして高い感度でガスの透過率を測定することができる。

本発明のガス透過率測定装置は、試験片のガス透過率を測定する装置であって、前記試験片によって隔てられる二つの空間を有する試験容器と、前記試験容器の前記二つの空間の内の一方の空間に透過率を測定すべきガスとは質量数が異なる同位体ガスを供給する同位体ガス供給源と、前記試験片を透過して前記試験容器の他方の空間に至った前記同位体ガスを検出する質量分析計とを備えている。

本発明によると、自然界にほとんど存在せず、しかも、測定すべきガスと化学的性質が同一の同位体ガスを用いるので、この同位体ガスを、試験片を透過したガスとして検出できることになり、自然界に多く存在するガスと分離してその影響を受けることなく検出することができ、これによって、透過セル等に残存したガスや試験片に吸着しているガスの影響を受けることなく、測定すべきガスの透過率を測定できることになる。

以上のように本発明によれば、自然界にほとんど存在せず、しかも、化学的性質が同一である同位体ガスを用いて試験片を透過させ、この同位体ガスを検出して透過率を測定するので、自然界に多く存在して透過セル等の試験容器に残存したガスや試験片に吸着したガスと区別してその影響を受けることなく、精度よくガスの透過率を測定できることになる。

特に、透過セルや試験片を、予め高真空に排気しておくことにより、吸着ガス量を低減し、より精度良くガスの透過率を測定できることになる。

このようにガスの透過率を高精度で測定できるので、例えば、冷蔵庫に用いられる真空断熱材や有機ELディスプレイ用の封止材や封止フィルムといったこれまでのフィルムに比べ大幅にガス透過率が低いものでも、ガス透過率を容易に測定することが出来る。

以下、図面によって本発明の実施の形態について詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１のガス透過率測定方法の実施に用いられるガス透過率測定装置の概略構成図であり、この実施の形態では、酸素の透過率測定に適用して説明する。

この実施の形態のガス透過率測定装置は、プラスチックフィルムなどのシート状の試験片１００がセットされる試験容器としての透過セル１１０と、測定すべきガスである質量数が１６の酸素原子からなる酸素¹⁶Ｏ₂とは質量数が異なる質量数１７の酸素原子からなる同位体ガス¹⁷Ｏ₂が充填されている同位体ガス供給源としてのガスボンベ１５０と、このガスボンベ１５０からの同位体ガスを透過セル１１０に導入する試験ガス導入器１５５と、透過セル１１０を真空引きするための粗引き用および高真空用の真空ポンプ１１５，１１６と、真空度を計測する真空計１４５と、試験片１００を透過した同位体ガスを検出する検出器１６０とを備えており、ストップバルブ１２０〜１２４，１２６およびリークバルブ１２８が介装された所要の配管１６５によって接続されている。

この実施の形態のガス透過率測定方法では、プラスチックフィルムなどのシート状の試験片１００を、濾紙１０５上に載置し、それらの周辺を、透過セル１１０の上部セル１１０ａと下部セル１１０ｂとで挟み込むようにしてセットする。透過セル１１０の試験片１００を挟み込む部分、及び、試験片１００の周囲には、Ｏ−リングなどの図示しない真空シール機構が備えられている。この状態で、透過セル１１０には、試験片１００を境界として仕切られた二つの空間である上部の高圧室１４０と下部の低圧室１３５とが形成される。

次に、予め各バルブ１２０〜１２４，１２６，１２８が閉じられた状態から粗引き用真空ポンプ１１５を作動させ、ストップバルブ１２０、１２３を開け、透過セル１１０の濾紙１０５側の低圧室１３５を排気し、その後ストップバルブ１２２を開け、試験片１００を挟んで反対側の透過セル１１０空間の高圧室１４０を排気する。更に高真空状態にするために、ストップバルブ１２０を閉じ、高真空ポンプ１１６を作動させ、ストップバルブ１２１を開けて低圧室１３５と高圧室１４０とを、例えば、１０^-4Ｐａ程度以下の真空度になるまで真空排気する。真空度は、真空計１４５で計測する。なお、本発明の他の実施の形態として、高真空状態への排気は、省略してもよい。

次に、ストップバルブ１２２を閉じ、測定すべき酸素¹⁶Ｏ₂の同位体ガス¹⁷Ｏ₂が充填されたガスボンベ１５０よりストップバルブ１２４を開け、試験ガス導入器１５５でガスの流量を調整し、透過セル１１０の高圧室１４０の圧力が、１気圧になるよう同位体ガスを導入する。同位体ガス導入と同時にストップバルブ１２６を開け、検出器１６０で試験片１００を透過した同位体ガスのガス量を測定する。

検出器１６０には、質量分析計を用い、透過した同位体ガスの質量数を検出し、同位体ガスの導入前後で生じる検出値の変化を測定する。この変化量からガス透過率を算出する。

このガス透過率の算出は、例えば、次のようにして行なわれる。すなわち、質量分析計である検出器１６０の検出値は、イオン電流値として出力されるので、これを透過率に換算する必要がある。このため、同一の試験片について、上述のＪＩＳに規格化されている従来の方法で透過率を測定する一方、この実施の形態による方法で測定し、両者の関係に基づいて、この実施の形態による測定値を、透過率に換算するための換算係数や換算式を予め求めておくものである。

このようにして予め求めた換算式などを用いて検出器１６０の検出値を透過率に換算して酸素¹⁶Ｏ₂の透過率とするものである。

以上のように、測定すべき酸素¹⁶Ｏ₂と化学的性質が同一であって、自然界にほとんど存在しない同位体ガス¹⁷Ｏ₂を用いて透過率を測定するので、透過セル１１０に残存したり、試験片１００に吸着している酸素¹⁶Ｏ₂の影響を受けることなく、酸素の透過率を測定できることになる。

特に、透過セル１１０の低圧室１３５と高圧室１４０とを、予め高真空に排気しておくことにより、透過セル１１０や試験片１００に残存したり、吸着した酸素¹⁶Ｏ₂の量を低減し、より精度良く酸素¹⁶Ｏ₂の透過率を測定できることになる。

なお、この実施の形態では、同位体ガスとして¹⁷Ｏ₂を用いたけれども、本発明の他の実施の形態として、質量数が１８の酸素原子からなる同位体ガス¹⁸Ｏ₂を用いてもよく、あるいは、両ガス¹⁷Ｏ₂，¹⁸Ｏ₂を混合した同位体ガスを用いてもよい。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２のガス透過率測定方法の実施に用いられるガス透過率測定装置の概略構成図であり、上述の図１に対応する部分には、同一の参照符号を付す。この実施の形態では、水蒸気の透過率測定に適用して説明する。

この実施の形態のガス透過率測定装置では、上述の実施の形態１のガスボンベ１５０および試験ガス導入器１５５に代えて、測定すべき質量数が１８水蒸気Ｈ₂Ｏとは、質量数が異なる質量数２０の同位体ガスである重水Ｄ₂Ｏの蒸気を発生する蒸気発生器２００が設けられている。

また、この実施の形態では、試験片１００に対して下側が高圧室１４０、上側が低圧室１３５になっており、第１の実施の形態の図１とは、上下が逆になっている。これは、飽和蒸気圧に近い湿度に高圧室１４０を保ったとき、結露した水が試験片１００上に溜まらず、蒸気発生器２００に戻るようにするためである。

この実施の形態のガス透過率測定方法では、試験片１００の上に濾紙１０５を載置し、その周辺を、透過セル１１０の上部セル１１０ａと下部セル１１０ｂとで挟み込むようにしてセットする。透過セル１１０の試験片１００を挟み込む部分、及び、試験片１００の周囲には、上述の実施の形態１と同様にＯ−リングなどの図示しない真空シール機構が備えられている。

次に、予め各バルブ１２０〜１２３，１２６〜１２８が閉じられた状態から粗引き用真空ポンプ１１５を作動させ、ストップバルブ１２０、１２２を開け、低圧室１３５を排気し、その後ストップバルブ１２３を開け高圧室１４０を排気する。更に高真空状態にするため、ストップバルブ１２０を閉じ、高真空ポンプ１１６を作動させ、ストップバルブ１２１を開けて低圧室１３５と高圧室１４０とを、例えば、１０^-4Ｐａ以下の真空度になるまで真空排気する。真空度は、真空計１４５で計測する。

蒸気発生器２００の中に重水Ｄ₂Ｏを充填し、同位体ガスである重水Ｄ₂Ｏの蒸気が飽和蒸気圧になるように保つ。次に、ストップバルブ１２７を開けると同時に、ストップバルブ１２６を開け、検出器１６０で試験片１００を透過した重水Ｄ₂Ｏの蒸気量を測定する。

試験片１００を蒸気に晒す前に、透過セル１１０内を高真空まで真空排気しているため、透過セル１１０や試験片１００に吸着している水分を十分に小さくでき、かつ、その放出ガス中に含まれる重水Ｄ₂Ｏの量は、無視できる程小さいため、検出器１６０で質量数２０の重水Ｄ₂Ｏを検出したとき、検出限界を下回る。

このように高真空まで真空排気した後、高圧室１４０側へ重水Ｄ₂Ｏの蒸気を導入する。導入開始から検出器１６０で質量数２０の重水Ｄ₂Ｏを検出し、導入前後の検出値の変化から、上述の実施の形態１と同様に、換算式から透過水分量を算出する。

以上のように、自然界にはほとんど存在しない重水Ｄ₂Ｏの蒸気を用いて試験片１００を透過させ、かつ上述のように高真空まで真空排気するため、透過した重水Ｄ₂Ｏのみを検出することができ、これによって、透過セル１１０に残存したり、試験片１００に吸着している水蒸気の影響を受けることなく、透過率を測定できることになる。

（その他の実施の形態）
上述の実施の形態では、酸素および水蒸気の透過率の測定に適用して説明したけれども、本発明は、他のガス、例えば、一酸化炭素、二酸化炭素あるいはメタンなどのガスの透過率の測定にも適用できるものであり、この場合には、例えば、質量数が２の重水素²Ｈあるいは質量数が１３の炭素¹³Ｃを含む同位体ガスを用いればよい。

本発明は、プラスチックフィルムやシートなど、特に、真空断熱材や有機ＥＬディスプレイ用の封止フィルムといったガス透過性が極めて低い試験品のガス透過率の測定に有用である。

本発明の実施の形態１に係るガス透過率測定装置の概略構成図である。 本発明の実施の形態２に係るガス透過率測定装置の概略構成図である。 従来例の概略構成図である。

符号の説明

１００ 試験片
１１０ 透過セル（試験容器）
１１５ 粗引き用真空ポンプ
１１６ 高真空ポンプ
１３５ 低圧室
１４０ 高圧室
１５０ ガスボンベ
１５５ 試験ガス導入器
１６０ 検出器
２００ 蒸気発生器

Claims (6)

1. 試験片のガス透過率を測定する方法であって、
   前記試験片によって隔てられた二つの空間の内の一方の空間に透過率を測定すべきガスとは質量数が異なる同位体ガスを導入し、前記試験片を透過して他方の空間に至った前記同位体ガスを検出して前記測定すべきガスの透過率を測定することを特徴とするガス透過率測定方法。
2. 前記他方の空間を真空にし、前記同位体ガスの量を質量分析計で検出する請求項１記載のガス透過率測定方法。
3. 前記測定すべきガスが、酸素¹⁶Ｏ₂であり、前記同位体ガスが、¹⁷Ｏ₂および¹⁸Ｏ₂の少なくとも一方のガスである請求項１または２記載のガス透過率測定方法。
4. 前記測定すべきガスが、水蒸気であり、前記同位体ガスが、重水の蒸気である請求項１または２記載のガス透過率測定方法。
5. 前記二つの空間は、前記試験片が試験容器に装着されることによって、該試験容器内に形成され、前記試験片が装着された前記試験容器を予め高真空に排気する請求項１〜４のいずれかに記載のガス透過率測定方法。
6. 試験片のガス透過率を測定する装置であって、
   前記試験片によって隔てられる二つの空間を有する試験容器と、前記試験容器の前記二つの空間の内の一方の空間に透過率を測定すべきガスとは質量数が異なる同位体ガスを供給する同位体ガス供給源と、前記試験片を透過して前記試験容器の他方の空間に至った前記同位体ガスを検出する質量分析計とを備えることを特徴とするガス透過率測定装置。

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