ナノインデンテーションによる高分子のクリープ変形

粘弾性材料である高分子は、ある荷重のもとで時間とともに変形することが多く、これはクリープとも呼ばれます。構造部材、継手や配管部品、静水圧容器など、高分子部品が継続的な応力を受けるよう設計される場合、クリープは重要な要因になります。

粘弾性という固有の性質は高分子の性能に重要な役割を果たし、使用時の信頼性に直接影響します。荷重や温度などの環境条件は高分子のクリープ挙動に影響します。クリープ破壊は、特定の使用条件下で使われる高分子材料の時間依存のクリープ挙動に注意が払われなかったために起こることがよくあります。そのため、高分子の粘弾性的な機械挙動を信頼性高く定量的に試験する方法を確立することが重要です。NANOVEA 機械特性試験機のナノモジュールは、高精度ピエゾで荷重を加え、力と変位の推移をその場で直接測定します。精度と再現性を兼ね備えているため、クリープ測定に理想的なツールです。

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8種類の高分子試料を、NANOVEA PB1000機械特性試験機を用いたナノインデンテーション法で試験しました。荷重を0から40 mNまで直線的に増加させると、負荷段階で深さが徐々に増加しました。その後、最大荷重40 mNで30 s保持したときの押込み深さの変化からクリープを測定しました。

さまざまな高分子試料に対するナノインデンテーション試験の荷重－変位曲線を図1に、クリープ曲線の比較を図2に示します。硬さとヤング率を図3に、クリープ深さを図4にまとめます。図1の例のように、ナノインデンテーション測定の荷重－変位曲線のAB、BC、CDの部分は、それぞれ負荷、クリープ、除荷の過程を表します。

試験した高分子のうち、DelrinとPVCはそれぞれ0.23 GPaと0.22 GPaで最も高い硬さを示し、LDPEは0.026 GPaで最も低い硬さでした。一般に、硬い高分子ほどクリープ速度は低くなります。最も軟らかいLDPEのクリープ深さは798 nmで最大となり、Delrinの約120 nmと対照的です。

構造部材に使われる場合、高分子のクリープ特性は重要です。高分子の硬さとクリープを精密に測定することで、時間依存の信頼性をよりよく理解できます。一定荷重での変位の変化であるクリープは、NANOVEA PB1000機械特性試験機でさまざまな高温・湿度条件でも測定でき、実際の使用環境を再現したうえで高分子の粘弾性的な機械挙動を定量的かつ信頼性高く測定するための理想的なツールとなります。

本研究では、NANOVEA PB1000機械特性試験機が、硬さ、ヤング率、クリープなど、さまざまな高分子の機械特性を測定できることを示しました。こうした機械特性は、目的の用途に適した高分子材料を選ぶうえで不可欠です。試験した高分子のうち、DelrinとPVCはそれぞれ0.23 GPaと0.22 GPaで最も高い硬さを示し、LDPEは0.026 GPaで最も低い硬さでした。一般に、硬い高分子ほどクリープ速度は低くなります。最も軟らかいLDPEのクリープ深さは798 nmで最大となり、Delrinの約120 nmと対照的です。

NANOVEA機械特性試験機は、1つのプラットフォームに比類のない多機能ナノ・マイクロモジュールを搭載できます。ナノ・マイクロモジュールはいずれもスクラッチ、硬さ、摩耗の試験モードを含み、1台のシステムで最も幅広く使いやすい試験範囲を提供します。