概要
高分子材料を劣化させる環境要因として、太陽光に含まれる紫外線（UV）があります。極めて高い機械強度、耐熱性等を示すポリエーテルエーテルケトン（PEEK）にUVを長時間照射し、その構造変化をX線光電子分光法（ESCAまたはXPS）及び赤外分光法（IR）により解析しました。
分析手法
1）ESCA
装置：VersaProbeⅡ（アルバック・ファイ製）
条件：X線源AlKα、X線照射径100μmφ
2）IR
装置：FT-IR-4100（日本分光製）
条件：ATR法（結晶板ZnSe）、検出器TGS
試料
・試料：PEEK板（市販品）【図1】
・UV照射条件：
装置 アイスーパーUV（岩崎電機製SUV-W161）
方式 メタルハライドランプ方式
照射強度 100mW/cm2（波長300～400nm）
照射時間/温度/湿度 200時間/63℃/50%
結果及び考察
1．ESCAによる構造解析
ESCAの分析深さは数nmで、試料最表面の組成や化学状態を解析できます。PEEK板のワイドスキャンスペクトルを図2に示します。UV照射でO濃度が増加し、試料表面の酸化が推定されました【表1】。
C1sピークを詳細解析した結果、UV照射後にCOO成分が検出されました【図3、表2】。これらの結果より、UV照射によるPEEK分子鎖の切断や光酸化といった構造変化が考えられます1, 2）。
2．IRによる構造解析
IRは官能基解析に優れた手法で、今回の測定条件における分析深さは1m程度です。ESCA分析結果を検証するため、PEEK板（UV照射前後）のIR測定を行いました【図4】。UV照射後、C=O基及びOH基に由来するピーク（C=O伸縮振動：1720cm-1付近、O-H伸縮振動：2800～3700cm-1）3）が検出されました。この結果はESCA分析結果「UV照射後にCOO成分を検出」と整合し、UV照射によるCOOH基の生成が推察されました。COOH基はUV照射による分子鎖切断で生じた末端基と考えられ1）、UV照射によるPEEK分子鎖の切断や光酸化といった構造変化を支持しました。
まとめ
ESCA及びIRによりPEEK板を測定し、UV照射による分子鎖の切断や光酸化といった劣化を推定しました。ESCA及びIRは、試料表面の構造解析に優れた手法です。分析時に試料を溶解する必要がないため、PEEKなどの難溶解性樹脂に対して有用となります。
ESCAは元素組成や化学状態を解析でき、IRはESCA測定で判別困難なOH基を解析できます。本手法はPEEK以外の難溶解性樹脂にも適用でき、UV以外の熱や薬品などによる構造変化も評価可能です。
引用文献
- 1) S. Giancaterina et al., Polymer Degradation Stability, 68(2000) 133.
- 2) Hugh S. Munro et al., Polymer Degradation Stability, 19(1987) 353.
- 3) V. Mylläri et al., Polymer Degradation Stability, 109(2014) 278.
