説明

アリールアセチレン含有樹脂およびその製造方法、および当該樹脂を用いたひずみセンサ

【課題】簡略化されたプロセスによるひずみセンサ材料、および顕微ラマン分光によるひずみ測定方法を提供する。
【解決手段】下記一般式(1)に示すオリゴアリールアセチレンジオールと樹脂化合物とジイソシアネートの3成分を共重合して得られるアリールアセチレン含有樹脂を作成する。この樹脂を被測定物に貼着することによりひずみセンサを形成する。被測定物に応力を付与しつつ、ラマンスペクトルを測定し、部品の微小領域に生じた歪を測定する。


(式中、R〜Rはそれぞれ独立に置換されていても良いアニール基、アセチレンジオルキル基、アルコキシ基、アリールとロキシ基または水素原子を示し、mは正の数である。)

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、顕微ラマン分光法を用いて、ラマン不活性な材料からなる部品の微小領域に生じたひずみを測定可能とするひずみセンサに用いるオリゴアリールアセチレン含有樹脂、その製造方法、それを用いたひずみセンサ及びひずみセンサ作製用溶液、並びに微小部分のひずみ測定方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
製品の信頼性向上、長寿命化の観点から、微小領域の応力・ひずみ測定への要求は高い。顕微ラマン分光法は、μmオーダーの高い空間分解能を有するため、微小部分の観測に適しており、特定のラマン活性材料については微小部の応力・ひずみ測定に用いられている。ラマン不活性の材料に対する顕微ラマン分光を用いたひずみ測定法およびそれに用いるひずみセンサは、非特許文献1及び非特許文献2に記載されている。
【0003】
上記文献によると、このセンサに用いる材料は、合成したジアセチレン含有ポリマー(下記式(a))のフィルムを100℃、40時間加熱することにより、ポリ(ジアセチレン)(下記式(b))へと変換することにより得ている。
【化5】

【0004】
この文献において、ひずみセンサとしての特性は、試験片の表面にポリマー(b)を成膜し、種々の力を加えてひずみを与えながらラマンスペクトルを測定し、アセチレン部分由来のピークの位置の変化を見ることにより評価されている。
【非特許文献1】Journal of Materials Science 27,5958(1992)
【非特許文献2】Macromolecules 25,684(1992)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、前記手法により成膜する方法においては、プレポリマー膜(a)の作製を行った後で、100℃で40時間という長時間加熱をしなければならないので、作業環境等に大きな制約がある。例えば、炉に入らない大型部品や取り外しのできない部品は処理できないなど、対象物に制約が生じる。また、プラスチック等の耐熱性の低い部品には適用できないという制約がある。
【0006】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、加熱を必要としない簡略化されたプロセスによってひずみや応力を測定することができる新規なオリゴアリールアセチレン含有樹脂、その製造方法、それを用いたひずみセンサ及びひずみセンサ作製用溶液、並びに微小部分のひずみ測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、下記一般式(1)で表されるオリゴアリールアセチレン、一般式(2)で表される樹脂化合物、および一般式(3)で表されるジイソシアネートの三成分をモノマーとする重合体が前記条件に合致することを見出した。この化合物は、ラマンスペクトルの測定において三重結合由来のシグナルが強く現れるため、センサとして好適に用いることができる。このポリマーは、膜にすることにより分子間のπ−πスタッキングが起こるため、成膜した後処理として加熱させなくても配向性を制御することができる。
【化6】

(式中、R〜Rはそれぞれ独立に置換されていてもよいアリール基、アルキル基、アルコキシ基、アリーロキシ基または水素原子を示し、mは正の整数である。)
【化7】

(式中、Rは樹脂化合物を構成する高分子鎖を示す。)
【化8】

(式中、Rは置換されていてもよい二価のアルキル基、または置換されていてもよい二価のアリール基を示す。)
【0008】
前記一般式(1)で表されるオリゴアリールアセチレン、一般式(2)で表される樹脂化合物、および一般式(3)で表されるジイソシアネートの三成分をモノマーとする重合体は、下記一般式(4)で表される。
【化9】

(式中、R〜Rはそれぞれ独立に置換されていてもよいアリール基、アルキル基、アルコキシ基、アリーロキシ基または水素原子を示し、mは正の整数である。Rは樹脂化合物を構成する高分子鎖を示す。Rは置換されていてもよい二価のアルキル基または置換されていてもよい二価のアリール基を示し、pは共重合の割合で0<p≦1であり、nは平均重合度である。)
【0009】
前記一般式(4)に示した共重合体は、オリゴアリールアセチレンとイソシアネートが結合したユニット(I)と、樹脂化合物とイソシアネートが結合したユニット(II)からなっている。ユニット(I)とユニット(II)は、交互に結合していてもランダムに結合していてもよい。
【化10】

(式中、R〜Rはそれぞれ独立に置換されていてもよいアリール基、アルキル基、アルコキシ基、アリーロキシ基または水素原子を示し、mは正の整数である。Rは置換されていてもよい二価のアルキル基または置換されていてもよい二価のアリール基を示す。)
【化11】

(Rは樹脂化合物を構成する高分子鎖を示し、Rは置換されていてもよい二価のアルキル基または置換されていてもよい二価のアリール基を示す。)
【0010】
前記一般式(1)および一般式(4)においてR〜Rで示されるアルキル基としては、メチル、エチル、n−またはiso−プロピル、n−、iso−またはtert−ブチル、n−、iso−またはneo−ペンチル、n−ヘキシル、シクロヘキシル、n−ヘプチル、n−オクチル等の直鎖、分岐、環状の炭素数1〜24、好ましくは1〜12のアルキル基が挙げられる。アリール基としては、フェニル基、o−、m−、p−トリル基、1−および2−ナフチル基、アントリル基、フルオレニル基等の炭素数6〜50、好ましくは6〜32のアリール基が挙げられる。
【0011】
前記一般式(1)および一般式(4)においてR〜Rで示されるアルコキシ基としては、メトキシ、エトキシ、n−またはiso−プロポキシ、n−、iso−またはtert−ブトキシ、n−、iso−またはneo−ペントキシ、n−ヘキソキシ、シクロヘキソキシ、n−ヘプトキシ、n−オクトキシ等の直鎖、分岐、環状の炭素数1〜24、好ましくは1〜12のアルコキシ基があげられる。アリーロキシ基としては、フェノキシ基、o−、m−、p−トリロキシ基、1−および2−ナフトキシ基、アントロキシ基、フルオレニル基等の炭素数6〜50、好ましくは6〜32のアリーロキシ基が挙げられる。
【0012】
前記一般式(3)および一般式(4)において、Rで表される二価のアルキル基としては、メチレン、エタン−1,2−ジイル、エタン−1,1−ジイル、プロパン−1,1−ジイル、プロパン−1,2−ジイル、プロパン−1,3−ジイル等の直鎖、分岐の炭素数1〜20、望ましくは2〜8の二価のアルキル基が挙げられる。
【0013】
また、前記一般式(3)および一般式(4)において、Rで表される二価のアリール基としては、o−フェニレン、p−フェニレン、チオフェン−2,5−ジイル、チオフェン−2,3−ジイル、ピリジン−2,5−ジイル、ピリジン−2,3−ジイル、ピリジン−4,5−ジイル、ナフタレン−1,4−ジイル、ナフタレン−2,6−ジイル、ナフタレン−1,2−ジイル、ナフタレン−1,7−ジイル、アントラセン−9,10−ジイル、アントラセン−1,4−ジイル、アントラセン−2,6−ジイル、アントラセン−1,7−ジイル、ビフェニレン−4,4’−ジイル、フルオレン−2,7−ジイル、ジフェニルメタン−4,4’−ジイルが挙げられ、これらの芳香族化合物の芳香環上が置換された化合物も含まれる。
【0014】
また、前記一般式(3)および一般式(4)において、Rで表される二価のアリール基の芳香環上が置換された化合物としては、アルコキシベンゼン−1,4−ジイル、アルキルベンゼン−1,4−ジイル、アリールベンゼン−1,4−ジイル、アリーロキシベンゼン−1,4−ジイル、2,5−、2,3−、2,6−ジアルコキシベンゼン−1,4−ジイル、2,3,5−トリアルコキシベンゼン−1,4−ジイル、2,3,5,6−テトラアルコキシベンゼン−1,4−ジイル、2,5−、2,3−、2,6−ジアルキルベンゼン−1,4−ジイル、2,3,5−トリアルキルベンゼン−1,4−ジイル、2,3,5,6−テトラアルキルベンゼン−1,4−ジイル、2,5−、2,3−、2,6−ジアリールベンゼン−1,4−ジイル、2,3,5−トリアリールベンゼン−1,4−ジイル、2,3,5,6−テトラアリールベンゼン−1,4−ジイル、2,5−、2,3−、2,6−ジアリーロキシベンゼン−1,4−ジイル、2,3,5−トリアリーロキシベンゼン−1,4−ジイル、2,3,5,6−テトラアリーロキシベンゼン−1,4−ジイル、アルコキシチオフェン−2,5−ジイル、アルキルチオフェン−2,5−ジイル、アリールチオフェン−2,5−ジイル、アリーロキシチオフェン−2,5−ジイル、ジアルコキシチオフェン−2,5−ジイル、ジアルキルチオフェン−2,5−ジイル、ジアリールチオフェン−2,5−ジイル、ジアリーロキシチオフェン−2,5−ジイル、9,9−ジアルコキシフルオレン−2,7−ジイル、9,9−ジアリールフルオレン−2,7−ジイル、9,9−ジアリーロキシフルオレン−2,7−ジイルなどが挙げられる。
【0015】
前記一般式(1)〜(4)においてR〜RおよびRが有する「置換されていてもよい」の置換基としては、後記する重合反応に関与しないものであればよく、例えば、前記したアルコキシ基、アルキル基、アリール基、アリーロキシ基が挙げられる。
【0016】
で示される樹脂化合物を構成する高分子鎖は、イソシアネート化合物と化学結合するための官能基を有する高分子からなる高分子鎖であれば用いることができる。このような基材ポリマーとして、例えば、ポリエステル樹脂やポリアミド樹脂等、末端にカルボキシ基やアミノ基やヒドロキシ基を有するポリマーが挙げられる。これらの樹脂はそれらの末端官能基に架橋剤を結合させることができる。このような樹脂として、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリエチレンテレフタレート、ポリトリメチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリカーボネート、ナイロン6、ナイロン66、ナイロン11、ナイロン12、ナイロン−MXD 6等が挙げられる。また、基材ポリマーとして化学結合するための官能基を有する生分解性高分子を用いることもできる。このような生分解性高分子として、例えば、ポリ乳酸、澱粉、酢酸セルロース、(キトサン/セルロース/澱粉)、ポリカプロラクトン、ポリブチレンサクシネート、ポリエチレンサクシネート、ポリ(ブチレンサクシネート/アジペート)、ポリ(ブチレンサクシネート/カーボネート)、ポリエチレンサクシネート、ポリ(ブチレンサクシネート/テレフタレート)、ポリビニルアルコール、ポリ(ヒドロキシブチレート/ヒドロキシバリレート等が挙げられる。
【0017】
前記一般式(4)で表される樹脂化合物は、オリゴアリールアセチレンジオール(前記一般式(1))、樹脂化合物(前記一般式(2))、二価のイソシアネート(前記一般式(3))を溶媒に溶かし、加熱反応を行うことにより、得ることができる。この場合の反応は式(c)で表される。
【0018】
【化12】

(式中、R〜Rはそれぞれ独立に置換されていてもよいアリール基、アルキル基、アルコキシ基、アリーロキシ基または水素原子を示し、mは正の整数である。Rは樹脂化合物を構成する高分子鎖を示す。Rは置換されていてもよい二価のアルキル基または置換されていてもよい二価のアリール基を示し、pは共重合の割合で0<p≦1であり、nは平均重合度である。)
【0019】
この重合においては、この種の反応において通常用いられる種々の溶媒を用いることができる。これを例示すれば、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、トルエン、テトラヒドロフラン(THF)等である。
【0020】
前記一般式(4)および式(c)において、pはオリゴアリールアセチレンの導入率であり、0<p≦1の任意の値をとることができる。
【0021】
前記一般式(4)および式(c)において、nは平均重合度であり、1<nの任意の値を取ることができる。
【0022】
本発明のオリゴアリールアセチレン含有樹脂を用いて、これを被測定物の表面に貼着し、ひずみセンサとして用いることができる。すなわち、本発明の微小部分のひずみ測定方法は、本発明のオリゴアリールアセチレン含有樹脂を被測定物の表面に貼着してひずみセンサとする第1工程と、該被測定物に応力またはひずみを付与しつつ、該被測定物に貼着されたひずみセンサの所定位置におけるラマンスペクトルを測定する第2工程とを有することを特徴とする。
【0023】
オリゴアリールアセチレン含有樹脂を被測定物の表面に貼着するには、本発明のオリゴアリールアセチレン含有樹脂を溶媒に溶解してひずみセンサ作製用溶液とし、これを被測定物表面に塗布し乾燥させることにより行うことができる。本発明のオリゴアリールアセチレン含有樹脂は、ジクロロメタン、ジクロロエタン、クロロホルム等のハロゲン化炭化水素、トリフルオロ酢酸等の有機酸、トルエンやTHF、DMF等の通常の有機溶剤に容易に結晶化することなく溶解するから、スピンコート法、ディップコート法、ロールコート法等の通常の塗布法を用いて簡易に成膜化して薄膜を形成できるものであるため、ひずみセンサの構成材料に用いることが可能である。
【発明の効果】
【0024】
本発明によれば、測定対象物を加熱しなくてもひずみセンサ膜を測定対象部物に貼着することができるため、測定対象物を炉内に入れる必要が無くなり、対象物の寸法や材料の制約が取り除かれる。このため、多種多様な形状や材料の部材の微小部のひずみ測定が可能となる。さらに、ひずみセンサの成膜を対象物の使用現場で、かつ部材の任意箇所に対して行えるため、実部品に発生するひずみを実負荷状態で測定できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0025】
以下に本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
【0026】
実施例1
(m=2のアリールアセチレン含有樹脂の合成)
窒素雰囲気下、両末端がヒドロキシ基のポリプロピレングリコール(一般式(2),R=ポリプロピレングリコール,分子量400)401mgと、1,4−ビス{(4−ヒドロキシメチルフェニル)エチニル}ベンゼン(一般式(1),R=R=R=R=水素原子,m=2)339mgを5mLのDMFに溶かした溶液に、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート(一般式(3),R=ジフェニルメタン−4,4’−ジイル)501mgを加えて油浴下で100℃で24時間撹拌した。その後、反応溶液を水に注ぐことにより析出した粉末をろ過し、減圧乾燥することにより、樹脂1(一般式(4)、R=ポリプロピレングリコール,R=ジフェニルメタン−4,4’−ジイル,R=R=R=R=水素原子,m=2,p=0.5)を1.01gの白い粉末として得た。樹脂1はDMFに高い溶解性を示し、クロロホルムには部分可溶であった。
【0027】
得られた樹脂1のIRスペクトルの吸収ピーク波数は以下の通りである。3333,2940,2867,1727,1597,1531,1511,1459,1413,1376,1308,1217,1160,1104,1060,1017,915,838,817,767,735,635,615cm−1
【0028】
得られた樹脂1のクロロホルム可溶部の数平均分子量は2400(n=1.9)、重量平均分子量は4100(n=3.3)であった。得られた樹脂1のラマンスペクトルのC≡C由来のピーク波数は2212cm−1であった。
【0029】
(樹脂のセンシング特性の評価)
樹脂1をDMFに溶かして金属板にキャストした。自然乾燥させて成膜した後、続いて、金属板を曲げて、膜に引張りひずみを与えながらラマンスペクトルを測定することにより、ひずみセンサとしての特性を調べた。
【0030】
金属板を曲げる前の樹脂1のラマンスペクトルのC≡C由来のピーク波数が2212cm−1であったのに対し、金属板を曲げた状態の樹脂1のラマンスペクトルを測定したところ、C≡C由来のピーク波数は2208cm−1となり、ひずみによるピーク波数の移動が確認できた。
【0031】
実施例2
(m=1のアリールアセチレンアセチレン含有樹脂の合成)
窒素雰囲気下、両末端がヒドロキシ基のポリカプロラクトン(一般式(2),R=ポリカプロラクトン,分子量:1250)を313mgと、125mgの4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート(一般式(3),R=ジフェニルメタン−4,4’−ジイル)、60mgのビス(4−ヒドロキシメチルフェニル)アセチレン(一般式(1),R=R=R=R=水素原子,m=1)を5mLのDMFに溶かして100℃で72時間撹拌した。その後、反応溶液をメタノールに注ぐことにより析出した粉末をろ過し、減圧乾燥することにより、アセチレンを含有する樹脂2(一般式(4),R=ポリカプロラクトン,R=ジフェニルメタン−4,4’−ジイル,R=R=R=R=水素原子,m=1,p=0.5)を138mgの白色の粉末として得た。樹脂2はDMFに高い溶解性を示し、クロロホルムには部分可溶であった。
【0032】
得られた樹脂2のIRスペクトルの吸収ピーク波数は以下の通りである。3311,3033,2941,2868,1729,1642,1593,1537,1510,1463,1413,1378,1304,1221,1201,1160,1107,1060,1017,915,857,815,769,639cm−1
【0033】
得られた樹脂2のクロロホルム可溶部の数平均分子量は5100(n=2.6)、重量平均分子量は8900(n=4.5)であった。また、ラマンスペクトルのC≡C由来のピーク波数は2214cm−1であった。
【0034】
(樹脂のセンシング特性の評価)
樹脂2をDMFに溶かして基質にキャストし成膜した後、実施例1の場合と同様の方法でひずみセンサとしての特性を調べた。
【0035】
基質として金属板を用い、これを曲げる前の樹脂2のラマンスペクトルのC≡C由来のピーク波数が2214cm−1であった(図1参照)のに対し、金属板を曲げた状態での樹脂2のラマンスペクトルを測定したところ、C≡C由来のピーク波数は2211cm−1となり(図2参照)、ひずみによるピーク波数の移動が確認できた(図3参照)。
【0036】
基質として金属ワイヤを用い、ひずみを加えた時のひずみの大きさと樹脂2のピーク波数の変化との関係を調べたところ、図4に示したような直線関係を示した。
【図面の簡単な説明】
【0037】
【図1】実施例2で合成した樹脂2のラマンスペクトルである。実線は実測値であり、点線は実測値を基にカーブフィットさせたものである。
【図2】実施例2において金属板に塗布して曲げた状態での樹脂2のラマンスペクトルである。実線は実測値であり、点線は実測値を基にカーブフィットさせたものである。
【図3】図1と図2でのカーブフィットさせたスペクトルの比較である。実線は曲げる前のものであり、点線は曲げた状態でのものである。
【図4】実施例2において金属ワイヤに塗布してひずみを加えた時のひずみの大きさと樹脂2のピーク波数の変化との関係を示したグラフである。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
下記一般式(1)に示すオリゴアリールアセチレンジオール、一般式(2)に示す樹脂化合物、及び一般式(3)に示すジイソシアネートを共重合させて得られるアリールアセチレン含有樹脂。
【化1】

(式中、R〜Rはそれぞれ独立に置換されていてもよいアリール基、アルキル基、アルコキシ基、アリーロキシ基または水素原子を示し、mは正の整数である。)
【化2】

(式中、Rは樹脂化合物を構成する高分子鎖を示す。)
【化3】

(式中、Rは置換されていてもよい二価のアルキル基、または置換されていてもよい二価のアリール基を示す。)
【請求項2】
下記一般式(4)に示したオリゴアリールアセチレン含有樹脂化合物
【化4】

(式中、R〜Rはそれぞれ独立に置換されていてもよいアリール基、アルキル基、アルコキシ基、アリーロキシ基または水素原子を示し、mは正の整数である。Rは樹脂化合物を構成する高分子鎖を示す。Rは置換されていてもよい二価のアルキル基または置換されていてもよい二価のアリール基を示し、pは共重合の割合で0<p≦1であり、nは平均重合度である。)
【請求項3】
前記一般式(1)および一般式(4)において、m=1またはm=2であることを特徴とする請求項1乃至2に記載のオリゴアリールアセチレン含有樹脂。
【請求項4】
前記一般式(2)および一般式(4)において、Rはポリオキシアルキレン鎖又はポリエステル鎖であることを特徴とする請求項1乃至2に記載のオリゴアリールアセチレン含有樹脂。
【請求項5】
前記一般式(3)および一般式(4)において、R=4,4’−ジフェニルメチル基であることを特徴とする請求項1乃至2に記載のオリゴアリールアセチレン含有樹脂。
【請求項6】
前記一般式(1)に示すオリゴアリールアセチレンジオール、一般式(2)に示す両末端がヒドロキシ基の樹脂化合物、及び一般式(3)に示すジイソシアネート化合物を共重合させることを特徴とする請求項1乃至2に記載の樹脂の製造方法。
【請求項7】
請求項1乃至5のいずれか1項に示した化合物からなり、被測定物の表面に貼着されることを特徴とするひずみセンサ。
【請求項8】
請求項1乃至5のいずれか1項に示した化合物を溶媒に溶解させてなることを特徴とするひずみセンサ作製用溶液。
【請求項9】
請求項7のひずみセンサを被測定物に貼着させる第1工程と、該被測定物に応力を付与しつつ、該被測定物に貼着されたひずみセンサの所定位置におけるラマンスペクトルを測定する第2工程と、を有することを特徴とする微小部分のひずみ測定方法。
【請求項10】
前記第1工程は請求項8に記載のひずみセンサ作製用溶液を被測定物表面に塗布し乾燥させることにより行うことを特徴とする請求項9記載の微小部分のひずみ測定方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2012−92211(P2012−92211A)
【公開日】平成24年5月17日(2012.5.17)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−240060(P2010−240060)
【出願日】平成22年10月26日(2010.10.26)
【出願人】(591270556)名古屋市 (77)
【Fターム(参考)】