JPH09126985A

JPH09126985A - 通過するガスに対する材料の透過係数等を測定する方法と装置

Info

Publication number: JPH09126985A
Application number: JP8270836A
Authority: JP
Inventors: William N Mayer; ウイリアム・エヌ・メイヤー
Original assignee: Modern Controls Inc
Current assignee: Modern Controls Inc
Priority date: 1995-10-12
Filing date: 1996-10-14
Publication date: 1997-05-16
Anticipated expiration: 2016-10-14
Also published as: DE19642009A1; JP3003591B2; GB2306223A; GB9618452D0; GB2306223B; DE19642009C2; US5591898A

Abstract

(57)【要約】【課題】材料を通過するガスの浸透性を短時間に測定す
る。【解決の手段】この方法は、測定しようとするガスに
材料をさらす段階と、いくつかの時間増分にわたって材
料のアウトガス特性を測定して、測定された値を表す指
数関数表現を形成する段階と、拡散係数Ｄ及び溶解係数
Ｓに対して指数関数表現を解く段階と、拡散係数Ｄと溶
解係数Ｓの積を形成することによって材料の透過係数Ｐ
を計算する段階を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、材料の透過性(p
ermeability)に関する特性を測定するための方法及び装
置に関する。さらに詳しくは、この発明はバリヤ用（ガ
スの拡散を防止するための物をいう）材料の拡散係数、
溶解(solubility)係数、透過係数を測定するための方法
と装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】膜からなるバリヤ材料を通過する酸素流
量を測定するための装置は従来から知られている。例え
ば、１９７１年１１月９日に特許された米国特許第3,61
8,361号には、フィルムのガス透過性を測定するための
初期のシステムが開示されている。同じように、１９７
１年７月６日に特許された米国特許第3,590,634 号に
は、膜を通過する通過性を測定するための別の装置が開
示されている。１９８４年８月１４日に特許された米国
特許第4,467,927 号には、複数のテストセルの中でフィ
ルムを通過る気体の通過性を測定するための装置が開示
されている。これらの装置はすべて、酸素の存在に応じ
て電気化学変換を行う酸素検出器と組み合わせて動作す
る。こうした酸素検出器の一つが、１９６５年１２月１
４日に特許された米国特許第3,223,597 号に開示されて
いる。別の形の酸素検出器が、１９７８年４月１８日に
特許された米国特許第4,085,024 号に開示されている。
これら初期の特許のすべてや、また最近の特許の多く
は、酸素検出器と組み合わせたテストセル構造を利用し
ており、テストセルの決められたチャンバ内の酸素の量
を表す電気信号を発生するようになっている。テストさ
れるバリヤ材料サンプルは一般にテストセルの中にクラ
ンプされ、二つのチャンバを形成する。一方のチャンバ
には最初は酸素はなく、窒素などの不活性ガスが充填さ
れている。他方のチャンバは最初は酸素が充満してい
る。これらの初期条件から先へ進むまえに、まずテスト
する材料サンプルからすべての酸素を放出させる必要が
ある。ガスの放出は、前述した両方のチャンバの中へ窒
素などの不活性ガスを通し、酸素含有量がゼロになるま
で、あるいはゼロ近くに減少するまで酸素含有量につい
てテストガスをモニタし、そのあとで前述した初期条件
から先へ進める。このテストプロセスは、テストガス中
の酸素濃度が定常レベルに達するまで不活性テストガス
の流れをモニタする必要があるが、これは何時間もの動
作時間を要することになる。一般に、こうしたテストに
必要な時間の長さは材料の透過係数に比例し、材料の厚
みに逆比例する。浸透係数は温度に比例し、またそれよ
りも程度は小さいが圧力に比例する。このタイプのテス
トの目的は、定常状態にあるときにテスト膜を通過する
酸素の量を測定することである。そして、酸素の測定は
一般に前述した従来の特許に開示されているような装置
を用いて行われる。

【０００３】今日行われている透過測定の大部分は、与
えられたサンプルを通過するガスの量によって行われ
る。これは容器あるいは本質的にフラットなサンプルで
ある。測定結果は、決められた時間の間にサンプルを通
過するガスの容積あるいは重量によって与えられる。容
器の場合には、これは容器当り時間当りのガスの容積あ
るいは重量になる。フラットなサンプルの場合には、そ
れは単位面積当り時間当りのガスの容積あるいは重量で
ある。得られたこれらの測定結果は、そのテストの条件
と関連づけられる。正式には、これらは透過係数の値で
はなく、特定のテスト条件におけるそのサンプルを通過
するそのガスの通過率(transmission rate) である。

【０００４】例えば、サンプルとして2.54mm (10ミル)
のフラットなフィルム（ＰＥＴ）を用いた場合Ｏ₂に対
する通過率は１気圧、気温３０゜Ｃ、湿度５％以下の条
件ににおいて、7.5 ｃｃ／（１平方メートル・１日）
である。

【０００５】フィルムに対する通過率（同じ単位で表し
た）の定義は、0.254mm (1ミル) の厚みのフィルムに対
する標準温度及び圧力（ＳＴＰ）（760 ｍｍＨｇ、0 ゜
Ｃ）における通過率で示される。通過するガスの量はお
およそフィルムの厚みに反比例する。このテスト条件に
おいては、0.254mm (1ミル) のフィルムは2.54mm(10)ミ
ルのサンプルに比べて10倍のＯ₂を通過させる。即ち、
通過率0.254mm(1 ミル) ＝75cc／（ｍ² ・1 日) であ
る。これを0 °Ｃデータの値に修正すると正式に定義さ
れた透過率になる。

【０００６】基本的には、材料を通過するガスの浸透乃
至浸透はその材料の固有の物理特性の結果である。こう
した特性については、過去30年にわたる当該分野におけ
るすべての文献に正式に定義されている。これらの特性
とは、材料中における対象とするガスに対する材料の溶
解係数と、材料中でのガスの拡散速度である。溶解係
数”Ｓ”は、その材料の単位容積中に溶解するガスの容
積、すなわち（ｃｍ³／ｃｍ³）として定義している。
拡散係数”Ｄ”は、材料中をガスが移動する速度、すな
わち（ｃｍ²／ｓｅｃ）として定義している。溶解係
数”Ｓ”と、拡散係数”Ｄ”の積は、透過係数”Ｐ”と
呼ばれる。この場合には、単位は（（ｃｍ³／ｓｅｃ）
／（ｃｍ²／ｃｍ））であり、”材料の厚みセンチメー
トル当り秒当り平方センチメートル面積当りのガスの立
方センチメートル”と解釈される。透過係数”Ｐ”は、
実際の材料の透過係数Ｐ_actual、すなわち与えられた材
料サンプル中におけるガスの透過率に、簡単な変換ファ
クタによって関係付けられる。この変換ファクタは、”
厚みセンチメートル当り秒当りの立方センチメートル”
を、”平方メートル面積当り及び厚みミリメートル当り
日当りの立方センチメートル”を用いた標準に変換す
る。この変換ファクタは、Ｐ_actual＝Ｐ／（2.94×10
^-12）である。

【０００７】上述したように、この情報についてはよく
知られている。透過ないし浸透に関しては何年にもわた
って文献であらゆる側面から検討されてきている。しか
し、材料を通過するガスの透過性を測定する新しい方法
を理解するには背景の理解が必要である。材料中へのガ
スの吸収や放出(description) の理論的な解析について
は、ジェー・フランク（J. Frank）によって彼の著書で
あるマセマティックス・オブ・ディフュージョン（Ｍａ
ｔｈｅｍａｔｉｃｓｏｆＤｉｆｆｕｓｉｏｎ）の第
２版（ＣｌａｒｅｎｄｏｎＰｒｅｓｓ、Ｏｘｆｏｒ
ｄ、Ｅｎｇｌａｎｄ（１９７５））の中に記載されてい
る。

【０００８】今日、最も使われている測定方法はアイソ
スタティック(isostatic) と呼ばれている。これは、サ
ンプルの一方のサイドが対象とするガスへさらされるよ
うな形でサンプルが取り付けられる場合をいう。他方の
サイドは、そのガスがゼロレベルかあるいは非常に低い
レベルになるように隔絶される。このようにして、サン
プルを通過するガスを時間の関数として測定することが
できる。

【０００９】通常は、まずフィルムはサンプルの両側に
不活性ガスを流すことによってアウトガスが行われる。
ここで、アウトガスとは材料中に吸収されているガスを
放出させることを言う。次に、一方のサイドに浸透性の
テストガスが流され、他方のサイドではテストガスの非
常に低い濃度にも感度を有するセンサに達するように不
活性ガスが流される。センサが設けられたサイドのテス
トガス濃度が、材料サンプルを通過する定常的な透過現
象に対応する定常値に達するまで待つことによって、最
終的な測定結果が得られる。一般に、定常的な条件が成
立するまで待つのに要する時間は、中程度の性能のバリ
ヤに対してさえも通常は非常に長い。例えば、30゜Ｃに
おける2.54mm(10 ミル) （10^-2インチ）の厚みのＰＥＴ
フィルムは、約7.5 （ｃｍ³／Ｍ²）／日、すなわち日
当り平方メートル当り7.5 立方センチメートルの通過
（透過）の値を有する。今日のバリヤの多くにおける通
過測定値は、この値の1/10以下である。こうした材料に
おいては、2.54mm(10 ミル)のサンプルの準備的なアウ
トガスに約21時間かかり、浸透測定には約29時間かか
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】有効な透過乃至通過測
定を行うのに必要な時間を大きく短縮することができれ
ば、非常に好ましいことであろう。こうした測定を行う
のに必要な装置はかなり高価であり、複雑である。従っ
て、材料のサンプル一つを測定するのに、そうした装置
を有するステーションを数日にわたって独占的に使用す
る必要がある。非常にたくさんのサンプルを測定する必
要のある場合には、そうした測定を行うのに必要な装置
が設置されたテストステーションの数を、テストスケジ
ュールに合わせるために多くしなければならないことに
なる。従って、テスト時間全体を短くするために実施可
能なプロセス全体にわたるどのような修正も、当該分野
においては非常に有用であり、意義のあることである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明は、比較的短い
時間でバリヤ材料の拡散係数及び溶解係数を測定するた
めの方法及び装置からなっている。この発明によれば、
材料を通過して長れるサンプルガスの浸透性すなわち透
過率を、利用可能な従来の技術に比べて著しく短い時間
で計算することが可能である。この方法は、こうした測
定にこれまで使用されていたのと同じ装置によって行わ
れるが、結果は、その材料に対してアウトガスを行いそ
のあと通過性測定を行うという二段階のかわりに、材料
のアウトガス特性を測定することによって行われる。こ
の方法は、材料の通過特性はアウトガスプロセス中にお
けるその材料の複雑で非線形的な振舞いを解析すること
によって予測できるという認識と、材料の通過性はその
材料のアウトガス特性に正比例するという認識から導か
れている。簡単に言えば、この方法は、ガスが飽和され
た材料をアウトガスする段階と、例えば酸素などのアウ
トガスされたガスの、予め決められた時間にわたる指数
関数的な減衰率を観測する段階からなっている。ある材
料のアウトガス曲線は二つの指数関数の和によってかな
りよく近似できることが実験的にわかっている。ある与
えられた材料に対するアウトガス曲線に沿った点を測定
して、その材料の拡散係数”Ｄ”及び溶解係数”Ｓ”の
測定値を得ることができる。いったんこれらの係数を求
めれば、材料を通過するガスの透過率は数学的に即座に
導き出される。

【００１２】この発明の方法を周知の材料へ適用すれ
ば、必要な測定時間はおよそ40倍のファクタで全体的に
短縮され、従来の既存の方法と比べるとおよそ4 倍のフ
ァクタで感度が改善されるであろう。従って、この発明
の主な目的は、従来知られているものよりもずっと短い
時間で材料の浸透性を測定する、従って材料を通過する
ガスの透過率の測定することである。この発明の別の目
的及び利点は、従来可能であったものよりもずっと高い
感度でそうした測定を行うことである。この発明のその
他の目的や利点は以下の説明や特許請求の範囲、そして
添付の図面を参照することによって明かになろう。

【００１３】

【実施の形態】以下、添付図面に基づいてこの発明の実
施の形態を説明する。まず、図１を参照する。図面に
は、この発明の方法を実行するために使用できる装置が
示されている。図には、従来からガス透過及び浸透性測
定に一般的に使用されているタイプの測定セル１０が示
されている。測定セル１０は二つの分離可能な対部材１
０ａ、１０ｂを有している。二つの対部材１０ａ、１０
ｂは材料サンプル１６を間に挟んでいっしょにクランプ
され、材料サンプル１６によって分離された内部の二つ
のチャンバ１８、２０を形成する。チャンバ１８の中へ
は一対のガス通路１７、１９が開口しており、チャンバ
２０の中へは一対のガス通路２１、２２が開口してい
る。通路１７、２１にはそれぞれ導管２３、２４が連結
されている。導管２３、２４は単一の導管２５へ一体に
連結されている。導管２５は二方向のバルブ３０へ連結
されている。バルブ３０は第１のガス供給源Ｇ１と第２
のガス供給源Ｇ２へ連結されている。ガス供給源Ｇ１、
Ｇ２はどちらかが導管２５へ連結されるように、しかし
同時には連結されないようになっている。通路１９、２
２にはそれぞれ導管２６、２７が連結されている。導管
２６、２７は単一の導管３１へ一体に連結されている。
導管３１は二方向のバルブ３２へ連結されている。バル
ブ３２はガス供給源Ｇ１とセンサ３５へ連結されてい
る。導管３１はガス供給源Ｇ１かセンサ３５のどちらか
へ連結されるように、しかし同時には連結されないよう
になっている。センサ３５は大気中へ排気するための排
気用導管３６を有している。

【００１４】センサ３５はここで述べた従来型のセンサ
でもよいし、不活性ガスの流れの中に含まれる微量のテ
ストガスの濃度を検出することのできる別のタイプのセ
ンサでもよい。センサ３５はコンピュータプロセッサ３
９へ接続された電気出力ライン３８を有しており、アナ
ログ−デジタル変換器を介して信号をデジタル値に変換
し、センサ３５を流れるテストガスの検出濃度に比例す
る信号をコンピュータプロセッサ３９へ発生する。

【００１５】コンピュータプロセッサ３９はＣＲＴワー
クステーションなどのビジュアルディスプレイ装置３３
へ接続されている。ビジュアルディスプレイ装置３３は
センサ３５からの信号や、拡散係数、溶解係数、通過率
あるいは透過係数といった材料サンプル１６及びテスト
ガスに関係するすべてのことがらをグラフ的あるいは数
値的に表示する。コンピュータプロセッサ３９は、内部
メモリを有し、コンピュータプログラムを理解する能力
を有する汎用のデジタルコンピュータからなる市販され
ている多くのコンピュータプロセッサの任意のものを利
用することができる。ここに開示されているこの発明の
方法の、ある値の計算に関係する段階は、コンピュータ
ープログラミング技術に習熟した通常の技術者によって
作成されたソフトウェアを用いてコンピュータプロセッ
サ３９によって行われる。この分野においては、以下の
説明において述べられ示唆されているこの発明の数学的
段階のすべてを解くためのプログラムもその中に含むよ
うな複雑な数学的問題を解くためにコンピュータプログ
ラムを開発することは周知のことである。

【００１６】動作時には、測定セル１０は、テストガス
Ｇ１を材料サンプル１６に飽和させるのと、センサ３５
を介して必要な測定を行う両方の目的に使用することが
できる。これとは違って、別のチャンバあるいは他の場
所を使用して、テストガスＧ１を材料サンプル１６へ飽
和させることもできる。測定セル１０を使用してテスト
ガスＧ１を材料サンプル１６へ飽和させる場合には、バ
ルブ３０を操作して導管２５をガス供給源Ｇ１へ接続
し、バルブ３２を操作して導管３１をガス供給源Ｇ１へ
接続して戻す。次にガス供給源Ｇ１からのガスを両方の
チャンバ１８、２０へ十分に長い時間にわたって流し
て、材料サンプル１６をガス供給源Ｇ１からのガスに完
全にさらして、材料サンプル１６にガス供給源Ｇ１から
のガスを確実に飽和させる。飽和を行わせるのに必要な
時間の長さは実験的に決めることができる。そして、こ
の時間の間に外部測定は必要とされない。材料サンプル
１６にテストガスを飽和させたあと、測定プロセスを開
始することができる。

【００１７】測定プロセスを行うまえに準備的なアウト
ガス段階を実行することによって、確実にチャンバ１
８、２０の中にテストガスが入っていないようにする必
要がある。この準備的なアウトガス段階は、測定セル１
０中の両方のチャンバ１８、２０を不活性ガスのガス供
給源Ｇ２へ接続し、両方のチャンバ１８、２０に数分に
わたって不活性ガスを流すことによって行われる。アウ
トガス段階は、ガスのセンサ３５によって測定すること
ができる。センサ３５は、不活性ガスを測定セル１０の
両側に流すにつれてテストガスの量が急激に減少し、次
に、それまでに材料サンプル１６が吸収していたテスト
ガスをアウトガスするにつれてテストガスの濃度が徐々
に増加するのを検出する。このアウトガスプロセスが始
まるときに、センサ３５からの電気信号をとびとびの時
間間隔で記録することによって測定を開始する。測定さ
れた信号はデジタル値に変換され、コンピュータプロセ
ッサ３９の中に蓄積される。これらの測定信号は、各測
定値が記録されるときのそれぞれの時間に関係付けられ
る。このようにして記録され蓄積されたデータは、一般
に非線形の指数関数減衰曲線を辿る。データは引き続い
て、時間の関数としてビジュアルディスプレイ装置３３
の上にプロットされ、表示される。

【００１８】図２は、準備的なアウトガス段階と、一般
的な測定プロセスに対するアウトガス測定の両方を示す
時間曲線である。準備的なアウトガス段階は、時間Ｔ１
まで続く。この時間Ｔ１は、センサ３５によって測定さ
れるガス濃度レベルをモニタし、測定された濃度レベル
が最初は測定値が急激に増大したあと降下し始めるまで
待つことによって決定される。これが図２において曲線
部分４０に示されている。曲線部分４０は急速に上昇す
る非線形曲線である。上昇する曲線部分４０は、図１に
示されている装置によって測定される。この曲線部分の
特徴的な形は、多くの影響によって支配されている。そ
うした影響の中には、最初にセンサを通るガスに対する
センサ３５の比較的遅い応答が含まれる。時間Ｔ１にお
いて、センサ３５の応答は安定し、チャンバ１８、２０
の中を流れる不活性ガスの流れは、材料サンプル１６か
らアウトガスされるテストガスを拾い(pick up) 始め
る。そのあと、センサ３５はセンサ３５を流れる不活性
ガス中のテストガスの濃度をモニタし続ける。この濃度
は減衰曲線に従う。時間Ｔ２までにおそらく十分なデー
タが記録され、この発明によって材料特性を完全に決定
することができるであろうが、アウトガス特性は時間Ｔ
３まで定期的に測定される。

【００１９】従来においては、一般に時間Ｔ３までアウ
トガス段階を実施するにはおよそ20時間を必要とし、通
過測定段階を行うにはさらにおよそ30時間を必要とし
た。この発明の方法によれば、時間Ｔ２までに必要なデ
ータが収集され、2 時間以内で測定プロセスを完了する
ことができる。この発明と、そこから導き出される改良
された結果は、材料を通過するガスの通過率の測定と計
算につながる材料サンプルの透過係数が、材料のアウト
ガス特性を支配する特性と同じであるということからき
ている。さらに、材料のアウトガス特性は二つの指数関
数項の和で与えられる指数関数によって非常によく近似
できることがわかった。また、これらの指数関数項が適
切に定義されたときには、測定されたアウトガス応答曲
線を予測することが可能なことがわかった。この現象の
観測と解析によって、以下で説明するこの発明が導かれ
る。

【００２０】まず、材料のアウトガス特性はその材料の
拡散係数と溶解係数によって制御されることがわかる。
もしアウトガスを材料のフィルムあるいは膜の一方のサ
イドだけで観測するのであれば、アウトガス測定は膜材
料の厚みの半分だけに対して行われていることを認識す
る必要がある。すなわち、膜のもう一方のサイドも同じ
速度でアウトガスしていると仮定する必要がある。アウ
トガスは指数関数曲線に従うこと、あるいは材料の拡散
係数”Ｄ”及び溶解係数”Ｓ”に関係する多数の指数関
数の和に従うことは実験的にわかっている。曲線近似法
を用いることによって、指数関数曲線を求め、材料の透
過係数の値を計算することが可能である。図２のアウト
ガス曲線５０はＫｅ^-xtの形を有する二つの指数関数の
和によってよく近似できることが実験的にわかってい
る。

【００２１】図３は図２の曲線を拡大したものである。
この図はアウトガスの曲線５０を示しており、曲線を時
間ゼロ（ｔ₁＝0 ）まで外挿している。特に、アウトガ
スの曲線５０は指数関数からなる曲線５１、５２の和と
して表せることを実験的に示すことができる。ここに、
曲線５１はｙ₁（ｔ）＝Ｋ₁ｅ^-atの形を有し、曲線
５２はｙ₂（ｔ）＝Ｋ₂ｅ^-btの形を有しており、従
って、曲線５０はｙ（ｔ）＝ｙ₁（ｔ）＋ｙ₂（ｔ）＝Ｋ₁ｅ^-at＋Ｋ₂ｅ^-bt という式で表すことができる。指数”ａ”及び”ｂ”の
値は、実際の測定結果に対して曲線近似法を適用するこ
とによって実験的に決定することができる。時間ｔ
₄（図３を参照のこと）のあと、前述した式の第２項は
十分に小さくなって無視することができ、関数は実質的
にｙ（ｔ）＝Ｋ₁ｅ^-atになる。

【００２２】時間ｔ₄のあとは、曲線５０は前述した式
で与えられる指数関数曲線に従うと仮定して、Ｋ₁と指
数”ａ”の値を決定する必要がある。指数関数曲線の特
性は、任意の時間増分ｔｉに対して、その時間増分の最
初と最後におけるｙ（ｔ）の値の比が一定であるという
ことである。すなわち、時間増分ｔｉを、時間ｔ₄と時
間ｔ₅の間の時間、あるいは時間ｔ₅と時間ｔ₆の間の
時間（これらは等しい時間間隔であると仮定する）に選
ぶと、比（ｙ（ｔ₄）／ｙ（ｔ₅））は比（ｙ（ｔ₅）
／ｙ（ｔ₆））に等しい、などである。これは指数関数
曲線の真実で正しい特性であるから、ｙ（ｔ）曲線を等
しい時間増分ｔｉで測定し、比が（比の値Ｒ₁で）等し
くなるような曲線上の点に達するまで、上述した実際の
測定比を計算することが可能となる。比が等しくなるこ
の点においては、測定されたｙ（ｔ）曲線はｙ（ｔ）＝
Ｋ₁ｅ^-atの形を有する一つの指数関数で表される。さ
らに、その点における比の測定値がＲ₁であるとする
と、Ｒ₁＝ｅ^-atである。ここで、ｔ＝ｔｉである。こ
の式の対数をとることによって、Ｌｎ（Ｒ₁）＝−ａｔｉあるいは −ａ＝Ｌｎ
（Ｒ₁）／ｔｉが得られる。Ｋ₁の値は、曲線ｙ₁（ｔ）＝Ｋ₁ｅ^-at
を時間ゼロまで外挿することによって得られる。ここ
で、ｙ（ｔ₄）／Ｒ₁ ⁴＝Ｋ₁である。なぜなら、４番目
の時間増分に当たるt₄から時間ゼロまで戻るには４回の
増分ｔｉが存在するからである（図３を参照のこと）。
上述のことを要約すると、測定されたカーブ５０におい
て、例えばｔ１での値とｔ２での値の比を（１／２）と
したときに、（１／２），（２／３），（３／４），
（４／５）・・・・と比の値を求めていくと、最初は比
の値が変化していくのに対し、徐々に比の値が安定しは
じめ、やがて一定の値に安定する。図４の場合、タイミ
ングｔ４以後は比の値Ｒ１で安定することを示してい
る。このことは、タイミングｔ４以後はカーブ５０が一
つの指数関数で近似できることを意味する。この認識は
本発明によってみいだされたものである。また比の値が
変化するタイミングｔ４以前においては、比の値が安定
しない以上、一つの指数関数では近似できない。この場
合を調べると、この間の関数ｙ（ｔ）は、先に求めた一
つの指数関数に、も一つの指数関数をたしあわせること
によって良く近似されることが確認された。

【００２３】式ｙ₁（ｔ）＝Ｋ₁ ｅ^-atに対する上述し
た解き方によって、Ｋ₁と指数”ａ”の値が求まる。我
々は、この式の指数関数的な減衰は材料サンプル中にお
けるガスの拡散速度によって支配される、すなわち指
数”ａ”は拡散係数Ｄに関係する事をみいだした。周知
の材料サンプルをテストすることによって、指数”ａ”
は、拡散係数Ｄと、材料サンプルの厚みの二分の一”ｌ
（エル）”の両方に依存することが実験的にわかった。
その関係は、次の式ａ＝Ｍ（Ｄ／ｌ²）で与えられ
る。ここでＭは常数であり、Ｍ＝2.4 である。定数”
Ｍ”は特定の材料の成分構成に関係するかもれない。し
かし、周知のプラスチックフィルム材料を用いた実験に
よってＭ＝2.4 の値が実験的に求められる。まだテスト
していない材料に対しては、Ｍに対する値を変えなけれ
ばならないこともあり得る。しかし、その場合には、こ
の発明ではこの定数に対する新しい値を選択することが
可能である。前述した式を拡散係数Ｄに対して解くと、Ｄ＝（ｌ²）（ＬｎＲ₁）／２．４（ｔｉ）となる。

【００２４】従って、前述した説明は、図１に示されて
いる装置を用いてテストし測定しているある材料の拡散
係数Ｄを、その材料に対して測定されたアウトガス曲線
の最初の部分で決定できることを示している。一般に、
この決定は従来の方法において可能であったものより
も、何時間も短い時間で行うことができる。その材料サ
ンプルに対する拡散係数Ｄを決定すると、残った仕事は
同じ材料に対する溶解係数Ｓを求め、これらの値を使っ
て周知の式Ｐ＝Ｓ・Ｄによって通過係数Ｐを計算するこ
とである。溶解係数は、材料サンプルがテストしている
ガスを吸収する能力を表す測定量になり、材料サンプル
からアウトガスされるガスの全体の量と、材料サンプル
それ自身の容積の比で表される。すなわちＳ＝Ｖ_tot／
Ｖ_sampleである。材料サンプルの容積は、材料サンプル
の面積と材料サンプルの厚みの積として即座に求められ
る。材料サンプルからアウトガスされるテストガスの全
容積は、図３の曲線５０の下側の面積で近似することが
できる。このためには、式ｙ（ｔ）＝Ｋ₁ｅ^-at＋Ｋ₂
ｅ^-btを積分する必要がある。

【００２５】この式の第１項は、前述した説明で求め
た。第２項は、図２の測定された曲線からｙ₁（ｔ）を
差し引くことによって求めることができる。ここで、曲
線のゼロ点は時間Ｔ₁から始まる、すなわち図３の時間
ｔ₁はゼロに対応し、図２の時間Ｔ₁に対応すると仮定
する。図３の曲線５０から曲線５１を点ごとに差し引く
ことによって、式ｙ₂（ｔ）＝Ｋ₂ｅ^-btを表すものと
して曲線５２をプロットすることができる。

【００２６】定数Ｋ₂と指数”ｂ”の値は、式ｙ（ｔ）
における第１項に関して前述したのと同じ方法によって
求めることができる。ｙ₂（ｔ）曲線をゼロまで外挿し
て、定数Ｋ₂を決定することができる。同じような時間
増分比を測定して、ｙ₂（ｔ）曲線に対する一定の減衰
比を表す比Ｒ₂を求めることができる。従って、指数”
ｂ”の値はｂ＝Ｌｎ（Ｒ₂）／ｔｉとして求めることが
できる。ここに、ｔｉはまえに決めた時間増分である。
そのあと、式Ｋ₁ｅ^-at＋Ｋ₂ｅ^-btをｔ＝０からｔ＝
∞まで積分して、材料サンプルからアウトガスされたテ
ストガスの全容積Ｖ_totを求める。積分値は式（Ｋ₁／
ａ＋Ｋ₂／ｂ）から求めることができる。従って、溶解
係数ＳをＳ＝Ｖ_tot／Ｖ_sampleの式にしたがって求め
る。

【００２７】そうすれば、透過係数ＰをＳとＤの積とし
て計算することができる。材料サンプルの実際の通過性
すなわちそのガス通過率は、前述した変換ファクタを適
用することによって計算することができる。動作時に
は、曲線５０をプロットするための測定は図１の装置に
よって、あるいはこれと等価なガスセンサ配線によって
行うことができる。ガスセンサ出力のプロットされたサ
ンプルの数を絶えずテストして、比Ｒ₁を求めるための
条件を決定することができる。その時点で、材料サンプ
ルの透過係数を求めるためのここに説明した方法を実行
するために、センサ３５からそれ以上のデータを収集す
る必要はなくなる。実際、ここで説明した装置及び方法
によれば、こうした決定にこれまで必要であった何時間
という時間のかわりに、数分でこの決定を行うことがで
きる。

【００２８】この発明は、その精神あるいは本質から逸
脱しない限り、他の形によっても実現が可能である。従
って、上述した実施の形態は単に説明のためのものであ
り、発明を制限するものではない。この発明の範囲に関
しては、上述した説明よりも添付の特許請求の範囲を参
照すべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明を実施するための装置を示す図であ
る。

【図２】時間を関数としたガス濃度を表す曲線である。

【図３】図２の曲線の一部の拡大図である。

【符号の説明】

１０測定セル１０ａ、１０ｂ対部材１６材料サンプル１８チャンバ１９ガス通路２０チャンバ２１ガス通路２２ガス通路２３、２４、２５、２６、２７導管３０バルブ３１導管３２バルブ３３ビジュアルディスプレイ装置３５センサ３８電気出力ライン３９コンピュータプロセッサ４０曲線部分５０、５１、５２曲線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】通過するガスに対する材料の透過係数を
測定する方法でありａ）その材料（１６）を測定しようとするガスにさらす
工程と、ｂ）その材料から放出される前記ガスの量を時間が経過
する毎に測定し、放出されたガスの量（ｙ）を時間の関
数として表す曲線（５０）をプロットする工程と、ｃ）均一な時間増分（ｔｉ）を選択し、プロットした前
記曲線を均一な時間増分ｔｉ（ｔ₂−ｔ₁；ｔ₃−
ｔ₂；・・・）毎に分割する工程と、ｄ）各時間増分ｔｉの最初と最後におけるｙの値を測定
し、その比Ｒ₁を求め、二つの連続した比Ｒ₁がほぼ等
しくなるｎ番目及び（ｎ＋１）番目の時間増分まで前記
の比Ｒ₁を求め続ける工程と、ｅ）Ｋ₁＝ｙ（ｔｎ）／Ｒ₁ ⁿ及び−ａ＝（Ｌｎ
Ｒ₁）／ｔｉとして、ｙ₁（ｔ）＝Ｋ₁ｅ^-atと言う式
を確立する工程であり、ここでｙ（ｔｎ）はｎ番目の時
間増分において測定されたガスの量であり、ＬｎＲ₁
はＲ₁の対数である工程と、ｆ）式ｙ₁（ｔ）＝Ｋ₁ｅ^-atで表される第２の曲線
（５１）をプロットし、前記工程（ｂ）でプロットした
前記曲線（５０）から前記第２の曲線（５１）を差し引
いて、式ｙ₂（ｔ）＝Ｋ₂ｅ^-btで表される第３の曲線
（５２）を生成する工程と、ｇ）前記第３の曲線（５２）の均一な時間増分ｔｉの最
初と最後におけるｙ₂の値を測定し、時間増分ｔｉの最
初と最後におけるｙ₂の値の比Ｒ₂を求める工程と、ｈ）式Ｋ₂＝ｙ₂（ｔｎ）／Ｒ₂ ⁿからＫ₂を解き、式
ｂ＝（ＬｎＲ₂）／ｔｉから”ｂ”を解く工程と、ｉ）”ｌ（エル）”を前記材料の厚みの半分とし”Ｖ”
を前記材料の容積として、式Ｄ＝ａ・ｌ²／2.4 によっ
て拡散係数”Ｄ”を計算し、式（Ｋ₁／ａ＋Ｋ₂／ｂ）
／Ｖによって溶解係数”Ｓ”を計算する工程と、ｊ）式Ｐ＝Ｓ・Ｄによって前記材料の透過係数”Ｐ”を
計算する工程と、を有する方法。
【請求項２】テストガスに対する材料の透過係数を測
定するための方法であって、ａ）材料（１６）中にテストガスを吸収させる工程と、ｂ）不活性ガスが充填されているチャンバ（１８、２
０）の中に材料を設置し、材料から放出されるテストガ
スの量を時間の経過とともに測定する工程と、ｃ）所定の時間が経過する毎にその経過時間の前後にお
いて測定された２つの測定値の比を求め、その所定時間
毎に求められる連続する二つの比を比較し、連続する二
つの比がほぼ等しくなる時間Ｔを求める工程と、ｄ）時間Ｔのあとに測定されるテストガスの放出量に近
似するＫ₁ｅ^-atの形の指数関数表現を確立する工程
と、ｅ）ｌ（エル）を前記材料の厚みの1/2 としたとき、式
Ｄ＝ａ・ｌ²／２．４を用いて、表現Ｋ₁ｅ^-atから拡
散係数Ｄを計算する工程と、ｆ）Ｔ以下のすべての時間ｔに対する測定量から前記表
現Ｋ₁ｅ^-atを差し引くことによってＫ₂ｅ^-btの指数
表現を確立し、すべての時間ｔに対して前記測定量に近
似する表現Ｋ₁ｅ^-at＋Ｋ₂ｅ^-btを確立する工程と、ｇ）前記指数関数表現Ｋ₁ｅ^-at＋Ｋ₂ｅ^-btをすべて
の時間ｔにわたって積分し、この積分した結果を前記材
料の容積で割って溶解係数Ｓを求める工程とｈ）積Ｓ・Ｄを求めて前記材料の透過係数を求める工程
と、を有する方法。
【請求項３】予め決められた厚みを有する材料サンプ
ル（１６）の放出ガス特性を測定し、測定された特性を
ｙ（ｔ）＝Ｋ₁ｅ^-at＋Ｋ₂ｅ^-btの形を有する曲線に
近似することによって、材料サンプル１６の拡散係数Ｄ
を測定するための方法であって、ａ）測定しようとするガスに材料サンプル（１６）をさ
らす工程と、ｂ）ある時間にわたって検出されたガスの量を表す電気
出力信号を発生するガス検出器３５への通路を有するシ
ールされたチャンバの中に前記材料サンプルを閉じ込め
る工程と、ｃ）時間の関数として、前記電気出力信号の曲線ｙ
（ｔ）をプロットする工程と、ｄ）時間の増分ｔｉを選択し、この選択された時間増分
の最初と最後における前記曲線の値ｙ（ｔ）とｙ（ｔ＋
ｔｉ）を測定し、測定された値の比Ｒ₁がｎ番目の時間
増分とｎ＋１番目の時間増分において等しくなるまで求
め、等しくなったときの比をＲ₁の確定値とする工程
と、ｅ）そのｎ番目及びそのあとの時間増分に対するｙ
（ｔ）曲線を、Ｍを実験的に決められた定数、ｌ（エ
ル）を材料サンプルの厚みの半分の値、Ｄを材料サンプ
ルの拡散係数としたとき、指数値”ａ”が（Ｍ・Ｄ）／
ｌ²で求められるｙ（ｔ）＝Ｋ₁ｅ^-atの式で近似する
工程と、ｆ）ｎ番目の時間増分において形成された比Ｒ₁の対数
値”Ｃ₁”を求める工程と、ｇ）Ｍの値をおよそ2.4 に設定する工程と、ｈ）前記材料サンプルの拡散係数Ｄを、式Ｄ＝（Ｃ₁・
ｌ²）／（2.4 ）ｔｉによって計算する工程と、を有する方法。
【請求項４】請求項３に記載の方法で求められた拡散係
数から、さらに次の工程を実施して前記材料から放出さ
れたガスに対する材料の溶解係数Ｓを計算する方法であ
り、ａ）値Ｒ₁ ⁿを計算し、定数Ｋ₁を値ｙ（ｔ_n）／Ｒ₁
ⁿに等しくし、指数”ａ”をＣ₁／ｔｉに等しくするこ
とによって、式Ｋ₁ｅ^-atの係数の値を決定する工程
と、ｂ）前記で確定された式Ｋ₁ｅ^-atを、すべての時間”
ｔ”に対して、プロットされた曲線ｙ（ｔ）＝Ｋ₁ｅ
^-at＋Ｋ₂ｅ^-btから差し引いて、ｙ₂（ｔ）＝Ｋ₂ｅ
^-btに対応する残された曲線をプロットする工程と、ｃ）前記時間増分ｔｉを選択し、この選択された時間増
分の最初と最後における前記残された曲線の値ｙ
₂（ｔ）とｙ₂（ｔ＋ｔｉ）を測定し、その二つの値の
比が、ｍ番目の時間増分における比とｍ＋１番目におけ
る比が等しくなるまで求め、等しくなった時の比Ｒ₂を
求める工程と、ｄ）そのｍ番目の時間増分において求められた比Ｒ₂の
対数値”Ｃ₂”を求める工程と、ｅ）値Ｒ₂ ^mを計算し、定数Ｋ₂を値ｙ（ｔ_m）／Ｒ₂
^mに等しくし、指数”ｂ”をＣ₂／ｔｉに等しくする工
程と、ｆ）前記材料サンプルの容積Ｖを測定する工程と、ｇ）式Ｓ＝（Ｋ₁／ａ＋Ｋ₂／ｂ）／Ｖによって、前記
材料サンプルから放出されたガスに対する材料の溶解係
数Ｓを計算する工程と、を有する。
【請求項５】請求項３の方法で求められた拡散係数Ｄ
と、請求項４の方法で求められた溶解係数Ｓとの積を求
めることによって、前記材料サンプルの透過係数Ｐ＝Ｓ
・Ｄを決定する方法。
【請求項６】材料から放出されるガス特性を測定する
ことによってその材料の拡散係数Ｄを測定する装置であ
って、ａ）前記材料（１６）を保持するためのシール可能なチ
ャンバ（１８、２０）を有する測定セル（１０）と、ｂ）ガスのセンサ（３５）と、ｃ）コンピュータプロセッサ（３９）と、ｄ）グラフィックディスプレイ（３３）とを有し、前記チャンバがセルの外部まで延びる排気通路（２６、
２７）を有し、前記センサが前記チャンバからのガスを受容するために
前記排気通路へ連結されており、前記センサがこのセンサによって検出されるガスの量に
対応した電気信号を出力する回路を有し、前記コンピュータプロセッサが前記電気信号出力回路に
接続されており、前記プロセッサが前記出力回路からの信号を均一な時間
増分毎にサンプリングしてこのサンプリングされた信号
をデジタル値に変換する装置を有し、前記プロセッサが前記時間増分の最初と最後における前
記デジタル値の比を求め、求められた比がほぼ等しくな
るときの時間増分の回数（ｎ、ｎ＋１）を識別するため
の装置を有し、前記プロセッサが、Ｋ₁＝ｙ（ｔｎ）／
Ｒ₁ ⁿ及びａ＝（ＬｎＲ₁）／ｔｉとしたときにｙ₁
（ｔ）＝Ｋ₁ｅ^-atの形を有する指数関数からなる式を
確立するための装置を有し、ここでｙ（ｔｎ）はｎ番目
の時間増分におけるサンプリング値であり、Ｒ₁は等し
くなった前記の比であり、ｔｉは時間増分であり、前記プロセッサが、ｌ（エル）を材料の厚みの半分とし
たときに、Ｄ＝ａ・ｌ²／2.4 の式によって拡散係数Ｄ
を計算するための装置を有し、前記グラフィックディスプレイ３３が、式ｙ₁（ｔ）＝
Ｋ₁ｅ^-atを表示するための装置と値Ｄを表示するため
の装置とを有することを特徴とする装置。