マイクロ波誘電吸収法による高分子材料の経年劣化評価
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カテゴリ: 第5回
1.緒言
軽量であり錆びない等有益な機能を持つ高分子材料 は、多くの工業製品に使用されている。特に我々が住 む福井県は、関西圏へ電力を供給する主要都市であり、 その主たる原子力産業においても高分子ケーブル等多 量の高分子材料が使用されている。これらの産業にお いて使用される高分子材料は、高温、放射線照射下に おいて長期間の使用が求められており、過酷な条件下 においていかに安全性を高め信頼性を維持していくか が問題となっている。近年、高分子材料の劣化を高精 度で尚且つ容易に測定する手法の開発が国及び産業界 から求められている。 1. 本研究は高分子材料が熱、放射線により、酸化、架 橋もしくは解離反応を引起こし、それに伴い分子構造 が大きく変化し、機械的特性を変化させるような劣化 過程に対し、本研究室で開発したマイクロ波誘電吸収 法',を適用することにより、分子構造の変化に相当す る誘電率変化の測定結果から、高分子材料の劣化箇所 を速やかに見つけ出すことを可能とする経年劣化測定 技術の評価手法開発を行うことを目的とする。
2.経年劣化評価
2.1 測定原理3 物質の電磁波に対する誘電特性は式(1)で表わさ
れるように、複素数で表わされる。 c = c'-ic'““ |(1) ここで、E'は誘電率の実数部、c” は誘電率の虚数 部、=-1 である。対象とする高分子材料の分子構造に変化が起こると ’やE”が変化すため、本測定法では式(2)に示すよう に、C'の変化量に比例するマイクロ波空洞共振器の 共振周波数変化量 AB を測定することにより高分子 材料内の分子構造変化の情報を得ることを可能とし ている。
ここで、 f は基準物質を挿入した時のマイクロ波共振 周波数、f'は高分子材料を挿入した時のマイクロ波共 振周波数、ABは共振周波数の変化量である。2.2 劣化試料作製 - 試料に関しては原子燃料工業株式会社(NFI 照射サ ービス)における電子線照射サービスを利用しポリエ チレンロッドを 10 MeV 電子線照射を行ったものをサ ンプルとして用いた。吸収線量は 30kGy~300kGy の領 域で30kGy 間隔おこなった。尚、温度及び雰囲気は室 温、空気中で行った。2782.3 測定方法 * 図2に本測定で使用したXバンドマイクロ波回路図 を示す。Gunn 発振器より生じた 9GHz マイクロ波を Circulator によりマイクロ波空洞共振器(Cavity)へ導き 反射波を増幅し、周波数カウンター及びダイオードで 検波した。ここで、マイクロ波空洞共振器は TE102. Q-8000, 共振周波数 f=9.3GHz を使用した。Frequency ConnterinteDirectionalCouplerFET Amp.CavityAitcaatorIsolatorCirculatorGonn Osc.図2 Xバンドマイクロ波回路図2.4 結果図3に、ポリエチレンロッドを対象とした吸収線量 に対する共振周波数の結果を示す。吸収線量の増大と 共に共振周波数は増大し、約 200kGy 付近に極大を示 す。ここで、分子構造の変化において分子の双極子モ ーメントが増大した場合、共振周波数は減少傾向を示 す。このことから、吸収線量が 30 k Gy~200kGy の領 域において分子内の架橋が進み、双極子モーメントが 減少し、200kGy以上の吸収線量においては、空気中の 酸素による酸化の影響による双極子モーメントが増大 したと予想される。3.結言マイクロ波誘電吸収法は、マイクロ波空洞共振器を 使用することにより高感度に分子の経年劣化過程を測 定することが可能である。本測定結果より、ポリエチ エンにおいて、放射線照射による、架橋や酸化による 分子構造の変化に相当する結果が得られたと考える。 本測定手法は、原子力発電所における実際のケーブル の絶縁材料の高経年劣化測定に対しても適用可能であると考える。8.9998.9988.997共振周波数(GHz)8.9968.9958.9948.993300100200 吸収線量(kay) 図3 ポリエチレン共振周波数図3謝辞本研究成果は経済産業省原子力安全保安院 「高経 年化対策強化基盤整備事業」における原子力安全シス テム研究所よりの再委託に基づくものである。本研究 に関して多くの助言をいただけた日本原子力研究開発 機構 先端基礎研究センター長 篠野嘉彦氏、大阪大 学産業科学研究所 田川精一氏、佐伯昭紀氏、大阪大 学工学部 関 修一氏、原子力安全システム研究所 黒 黒住保夫氏、松波潮氏、原子力安全基盤機構 山本 歳雄氏、マイクロ電子株式会社 大友志郎氏に感謝い たします。参考文献[1] 「光照射による分子挙動の観測方法、および同法 に用いるクロスパイプ型マイクロ波空洞共振器」特 許出願 2003-201538、特許公開 2005-43142 発明者: 砂川武義 [2] H.Shimamori, PROGRESS IN PHOTOCHEMISTRY AND PHOTOPHYSICS, Vol.VI, CRC Press, Boca Raton, FL, Chapter 2, 43-77 (1992) [3] 「誘電体論」 現代工学社著者岡 小天 (1954年)279
“ “マイクロ波誘電吸収法による高分子材料の経年劣化評価 “ “田中 健司,Takeshi TANAKA,小林 茂樹,Shigeki KOBAYASHI,林 賢太,Kennta HAYASHI,廣本 和也,Kazuya HIROMOTO,砂川 武義,Takeyoshi SUNAGAWA
軽量であり錆びない等有益な機能を持つ高分子材料 は、多くの工業製品に使用されている。特に我々が住 む福井県は、関西圏へ電力を供給する主要都市であり、 その主たる原子力産業においても高分子ケーブル等多 量の高分子材料が使用されている。これらの産業にお いて使用される高分子材料は、高温、放射線照射下に おいて長期間の使用が求められており、過酷な条件下 においていかに安全性を高め信頼性を維持していくか が問題となっている。近年、高分子材料の劣化を高精 度で尚且つ容易に測定する手法の開発が国及び産業界 から求められている。 1. 本研究は高分子材料が熱、放射線により、酸化、架 橋もしくは解離反応を引起こし、それに伴い分子構造 が大きく変化し、機械的特性を変化させるような劣化 過程に対し、本研究室で開発したマイクロ波誘電吸収 法',を適用することにより、分子構造の変化に相当す る誘電率変化の測定結果から、高分子材料の劣化箇所 を速やかに見つけ出すことを可能とする経年劣化測定 技術の評価手法開発を行うことを目的とする。
2.経年劣化評価
2.1 測定原理3 物質の電磁波に対する誘電特性は式(1)で表わさ
れるように、複素数で表わされる。 c = c'-ic'““ |(1) ここで、E'は誘電率の実数部、c” は誘電率の虚数 部、=-1 である。対象とする高分子材料の分子構造に変化が起こると ’やE”が変化すため、本測定法では式(2)に示すよう に、C'の変化量に比例するマイクロ波空洞共振器の 共振周波数変化量 AB を測定することにより高分子 材料内の分子構造変化の情報を得ることを可能とし ている。
ここで、 f は基準物質を挿入した時のマイクロ波共振 周波数、f'は高分子材料を挿入した時のマイクロ波共 振周波数、ABは共振周波数の変化量である。2.2 劣化試料作製 - 試料に関しては原子燃料工業株式会社(NFI 照射サ ービス)における電子線照射サービスを利用しポリエ チレンロッドを 10 MeV 電子線照射を行ったものをサ ンプルとして用いた。吸収線量は 30kGy~300kGy の領 域で30kGy 間隔おこなった。尚、温度及び雰囲気は室 温、空気中で行った。2782.3 測定方法 * 図2に本測定で使用したXバンドマイクロ波回路図 を示す。Gunn 発振器より生じた 9GHz マイクロ波を Circulator によりマイクロ波空洞共振器(Cavity)へ導き 反射波を増幅し、周波数カウンター及びダイオードで 検波した。ここで、マイクロ波空洞共振器は TE102. Q-8000, 共振周波数 f=9.3GHz を使用した。Frequency ConnterinteDirectionalCouplerFET Amp.CavityAitcaatorIsolatorCirculatorGonn Osc.図2 Xバンドマイクロ波回路図2.4 結果図3に、ポリエチレンロッドを対象とした吸収線量 に対する共振周波数の結果を示す。吸収線量の増大と 共に共振周波数は増大し、約 200kGy 付近に極大を示 す。ここで、分子構造の変化において分子の双極子モ ーメントが増大した場合、共振周波数は減少傾向を示 す。このことから、吸収線量が 30 k Gy~200kGy の領 域において分子内の架橋が進み、双極子モーメントが 減少し、200kGy以上の吸収線量においては、空気中の 酸素による酸化の影響による双極子モーメントが増大 したと予想される。3.結言マイクロ波誘電吸収法は、マイクロ波空洞共振器を 使用することにより高感度に分子の経年劣化過程を測 定することが可能である。本測定結果より、ポリエチ エンにおいて、放射線照射による、架橋や酸化による 分子構造の変化に相当する結果が得られたと考える。 本測定手法は、原子力発電所における実際のケーブル の絶縁材料の高経年劣化測定に対しても適用可能であると考える。8.9998.9988.997共振周波数(GHz)8.9968.9958.9948.993300100200 吸収線量(kay) 図3 ポリエチレン共振周波数図3謝辞本研究成果は経済産業省原子力安全保安院 「高経 年化対策強化基盤整備事業」における原子力安全シス テム研究所よりの再委託に基づくものである。本研究 に関して多くの助言をいただけた日本原子力研究開発 機構 先端基礎研究センター長 篠野嘉彦氏、大阪大 学産業科学研究所 田川精一氏、佐伯昭紀氏、大阪大 学工学部 関 修一氏、原子力安全システム研究所 黒 黒住保夫氏、松波潮氏、原子力安全基盤機構 山本 歳雄氏、マイクロ電子株式会社 大友志郎氏に感謝い たします。参考文献[1] 「光照射による分子挙動の観測方法、および同法 に用いるクロスパイプ型マイクロ波空洞共振器」特 許出願 2003-201538、特許公開 2005-43142 発明者: 砂川武義 [2] H.Shimamori, PROGRESS IN PHOTOCHEMISTRY AND PHOTOPHYSICS, Vol.VI, CRC Press, Boca Raton, FL, Chapter 2, 43-77 (1992) [3] 「誘電体論」 現代工学社著者岡 小天 (1954年)279
“ “マイクロ波誘電吸収法による高分子材料の経年劣化評価 “ “田中 健司,Takeshi TANAKA,小林 茂樹,Shigeki KOBAYASHI,林 賢太,Kennta HAYASHI,廣本 和也,Kazuya HIROMOTO,砂川 武義,Takeyoshi SUNAGAWA