Transcript ポリイミドフィルムの宇宙線に対する耐性の研究

ポリイミドフィルムの宇宙線に対する
耐性の研究
神奈川大学
大石富士夫、立山暢人
東大宇宙線研究所
瀧田正人
2003年7月13日～
（乗鞍宇宙線観測所・屋内・屋外借用）
目的
構造、製造工程の異なる4種類のポリイミドフィルムに
おいて、
乗鞍宇宙線観測所の屋外および屋内での宇宙線暴露、
電子線照射装置を用いたEB照射を行う。
劣化に伴う構造・物理変化や強度変化を解析する。
すでに航空・宇宙環境で一部使用されている
PMDA系PI（Kapton）と二種類のBPDA系PIとの比較を
行い、
BPDA系PIの航空・宇宙環境での使用の可能性を探るこ
とを
方法
○
環境
EB照射、乗鞍屋内暴露、乗鞍屋外暴露、熱水浸漬（40h）、
水蒸気暴露(40h）
○
表面変化
色差測定（L*a*b*）①、光沢度測定(鏡面反射)、
VMS（ビデオマイクロスコープ・表面観察）、UV-VIS④
○ 構造物理変化
引張強度試験②、
顕微鏡IR（赤外吸収スペクトル、ATR法）③
[ポリイミドの特徴]
1 熱可塑性、高温流動性、成形加工性、耐加水分解性に優れている
2 耐熱性（熱分解開始温度～500℃）
微細回路を持つベースフィルム、自動車・航空機エンジン廻り部品、電子電気部
品、
3 電気絶縁性（誘電率3.2～3.4、高い絶縁破壊電圧、絶縁欠陥少）
電線、エナメル線、積層板、塗料、電子材料（保護膜、絶縁膜、レジスト等）
フレキシブルプリント基板[OA機器，カメラ用]、電線被覆材等
半導体の応力緩和用（バッファーコート膜）、表面保護用
4 耐薬品性（有機溶剤に不溶、酸・アルカリの化学薬品に対し耐性、寸法変化率小）
5 耐放射線性（のCo-60γ線4,000Mradで強度、伸度が５０％）
ヒンジレス伸展マスト
半導体関連材料、自動車関連材料（複写機の軸受けや自動車のタイヤホイール）、液
晶表示装置、ジェットエンジンカバー、スペース・シャトル、航空機構造体 など
Sample
BPDA type PI
O
O
O
O
＋
H 2N
O
NH2
O
O
Biphenyltetracarboxylic
dianhydride(BPDA)
O
C
NH
HOOC
4,4´-diaminophenylether(ODA)
O
C
HN
COOH
O
n
O
-2nH2O
O
N
N
O
O
O
PI(BPDA/ODA )
n
[Rｎ]
P
Sample
DO
O
O
AO
O
/O
Biphenyltetracarboxylic
P dianhydride(BPDA)
D
A
) -2nH O
N
H
BPDA type PI
＋
H 2N
NH2
p-diaminobenzene(PDA)
O
O
C
C
HOOC
O
N
H
COOH
n
O
2
N
N
n
O
O
PI(s-BPDA/PDA )
[S]
Sample
O
O
O
PMDA type PI
O
O
＋
H 2N
O
NH2
O
Pyromellitic dianhydride(PMDA) 4,4‘-diaminophenylether(ODA)
O
C
NH
HOOC
O
C
HN
COOH
O
n
O
O
-2nH2O
N
N
O
PI(PMDA/ODA
O
O
n
Kapton type [K] ,APICAL type[A]
Electron Beam
エレクトロンビーム（EB）は、高速の電子線である。 主に被照射物質の表面
で作用する。
EBの高分子製品への利用例
・滅菌
処
・照射架橋による表面改質 （ビニルテープ、電線の被覆材料等の耐熱温度・強
度の向な
ど）
・高分子製品へ塗布した塗料等の硬化（インキの高速乾燥、アクリル系塗料の塗
布による光沢加工紙の製造、帯電防止材塗布による帯電防止フィルムの製造な
EB照射装置の外観
ど） EB照射装置の概略図
真
真
空
排
気
空
タ
部
フ
直
電
X
流
源－
＋
線
高
部
遮
チ
ィ
圧
蔽
部
窓
搬
フィラメントを
加熱して熱電子
を放出させ、
フィラメント－
窓（陽極）間に
高電圧をかけて
その電子を加速
部
させることに
よってEBを発生
させる。
電
子
ー
ミ
線
加
ガ
速 ン
部
送
ラ
ャ
ン
パ
ナ
ル
メ
ン
ー
（岩崎電気（株）製
CB250/15/180）
ト
Prev. Link
Electron Beam
EB照射装置の設定条件
使用装置 ：電子線照射装置CB250/10/180L（岩崎電気製）
加速電圧 ：150KV
電流値
:7.16mA
ドレン電流 ：0.1mA
搬送速度 ：5m/min 往復照射
K値
：17.7
照射回数 ：4、8、16 time
酸素濃度 ：300ppm以下
照射線量 ：1000、2000、4000KGy
照射面 ：両面
照射量（1回）：250KGy
Cosmic rays
乗鞍宇宙線観測所で暴露を行った。
地理的位置：北緯36度6分、東経173度33分
標高：2770m（平均気圧720hPa）
Cosmic ray
Indoor exposure
Outdoor
exposure
観測された宇宙線の総量（暴露期間２００３年７月１３日～９月２４日）
天頂角30度以内に入射した２０MeV以上の荷電粒子（おもにμ粒子と電子）の数
1.11×10 8[個/m2]
中性子の数
1.50×108[個/m2] ( 0.15×5E-1cos3
 [1/cm2･min・sr ・ MeV] 20<E<100MeV)
15×5 E-2cos3  [1/cm2･min・sr ・ MeV] E>100MeV
M.Sato,1995,Nagoya-U
Cosmic rays
Color difference①
BPDA/ODA(Rn)
BPDA/PDA(S)
PMDA/ODA(K)
PMDA/ODA(A)
140
BPDA/ODA(Rn)
BPDA/PDA(S)
PMDA/ODA(K)
PMDA/ODA(A)
a*
50
120
0
100
80
-50
60
-100
40
-150
20
0
Original
Indoor
exposure
Outdoor
exposure
-200
Original
Indoor
exposure
Outdoor
exposure
Color difference①
BPDA/ODA(Rn)
BPDA/PDA(S)
BPDA/ODA(Rn)
BPDA/PDA(S)
PMDA/ODA(K)
PMDA/ODA(A)
ΔE
140
120
100
80
PMDA/ODA(K)
PMDA/ODA(A)
20
15
10
60
40
5
20
0
Original
Indoor
exposure
Outdoor
exposure
0
Original
Indoor
exposure
Outdoor
exposure
Tensile properties②
UPILEX-Rn
UPILEX-S
Kapton
APICAL
120
400
300
200
100
80
60
40
20
100
0
Kapton
APICAL
140
Strain(%)
Stress[N/mm 2]
500
UPILEX-Rn
UPILEX-S
0
0
1000 2000 3000 4000
The amount of
Electron beam dose[KGy]
Max-Stress (Width)
0
1000 2000 3000 4000
The amount of
Electron Beam irradiation[KGy]
Break-Strain (Width)
a
b
s
o
r
b
a
n
c
e
FT-IR spectra③
C
PI(BPDA/PDA)
[S]
O
1692
1513
C N
1352
Outdoor exposure
Indoor
exposure
％R
EB4000KGy
Original
4000
3000
2000
1000
650
Wavenumber[cm-1]
Fig.9 FT-IR absorbance spectra of PI(s-BPDA/PDA) in the 650-4000cm-1 region.
IR③
APICAL EB劣化
顕微ＩＲ（ＡＴＲ法）
EB4000KGy
EB2000KGy
％R
EB1000KGy
Original
4000
3000
2000
Wavenumber[cm-1]
1000 650
ピーク(cm-1)
帰属
1708.14
イミド環のC=O伸縮振動
1495.04
ベンゼン環の骨格振動
1368.25
ベンゼン環と第三級アミンのＣ－Ｎ伸縮振動
1234.22
＝Ｃ－Ｏ－Ｃ＝逆対称伸縮振動
1084.76
ベンゼン環と第三級アミンのＣ－Ｎ変角振動
808.03
P－二置換基を有するベンゼン環のＣ－Ｈ面外変角振動
L
E
B
線
IR③
APICAL 屋外（宇宙線、紫外線）
屋内暴露（宇宙線）顕微ＩＲ（ＡＴＲ法）
Outdoor exposure
％R
Indoor exposure
Original
4000
3000
2000
Wavenumber[cm-1]
1000 650
ピーク(cm-1)
帰属
1708.14
イミド環のC=O伸縮振動
1495.04
ベンゼン環の骨格振動
1368.25
ベンゼン環と第三級アミンのＣ－Ｎ伸縮振動
1234.22
＝Ｃ－Ｏ－Ｃ＝逆対称伸縮振動
1084.76
ベンゼン環と第三級アミンのＣ－Ｎ変角振動
808.03
P－二置換基を有するベンゼン環のＣ－Ｈ面外変角振動
UV-VIS spectra of PI④
RN
5
Before
EB4000KGy
Indoor
Outdoor
abs
4
3
2
1
0
200
400
600
Wavelength[nm]
800
UV-VIS spectra of PI④
K
5
EB4000KGy
Before
Indoor
Outdoor
abs
4
3
2
1
0
200
400
600
Wavelength[nm]
800
Conclusion
1）宇宙線による変化
2ヶ月の暴露では、BPDA/ODA [Rn]は引張強度および伸びの減少がほとん
ど見 られなかった。
屋内で暴露した場合と、宇宙線、紫外線、水分等の影響が考えられる屋外
で暴露した場合を比較すると、外観変化に違いはあるが、強度や構造に違い
は見られない。
2）EB照射
EB4000KGy照射までは、 BPDA/ODA[Rn]とPMDA/ODA[K]は引張強度およ
び伸びの減少がほとんどない。
したがってEB用に使用できる可能性が確認された。
3） 1年暴露の資料について、現在解析中