【アプリケーションノート】赤外分光法による各種ポリマー材料の分析　ALPHA II LUMOS

Application Note AN M113 赤外分光法による各種ポリマー材料の分析 はじめに キーワード 装置およびソフトウェア ポリマーを識別するための分析法として、密度、軟化点、融点、 FT-IR FT-IR分光計 ALPHA II 溶解挙動などの物性値を測定する古典的な方法が現在も使用 顕微FT-IR 顕微FT-IR分光計 LUMOS されています。その他にも、熱分解生成物や燃焼挙動の分析 と、それに関連した嗅覚テストなどの手法も使用されています。 ポリマー OPUS ソフトウェア さらには、分析前に試料の溶解を必要とする煩雑な湿式化学 定性分析 分析法が行われています。これらの方法は、時間と試薬、溶剤 定量分析 などの消費を伴うため、迅速な分析を必要とする品質管理には 対応できないことがあります。さらに、現在使用されているプラ ポリアミド スチックは目的に応じて多様化しており、ブレンドポリマー以外 フィラー にもフィラー、可塑剤、難燃剤、安定剤などが添加された複雑 異物・欠陥 な構成になっています。このようなプラスチックを分析するにあ たり、個々の構成要素を特定し定量化することに大きな関心が ATR法 集まっています。 き、各成分のピーク強度をもとにIRイメージとして視覚化するこ フーリエ変換型赤外分光法（FT-IR）は、非常に迅速で信頼性の とも可能です。 高い分析手法です。高精度のIRスペクトルが数秒程度で取得で き、通常は試料の前処理も必要ありません。わずか1分以内で FT-IR分光計ALPHAⅡによるポリマーの定性分析 製品の品質を確認することができ、製品が仕様の範囲内である か否かも判定することが可能です。さらに、FT-IR顕微鏡を用い ALPHAⅡ（図1右上）は、A4サイズのコンパクトなFT-IR分光計で ることで、粒子や繊維のような微小な含有物をより効率的に分 す。ダイヤモンドATRモジュールを装着して使用することで、硬い 析することができます。特に、ポリマー中の異物や小片のような プラスチックも測定することができます。ATR法はATRプリズム 製品欠陥は不規則に発生するため、試料を空間的に細かく分 と試料の界面における赤外光の全反射現象に基づいており、試 割して分析する手法が非常に有効です。FT-IR顕微鏡は、多層フ 料をATRプリズムに密着させるだけで、簡単に測定を行うこと ィルムのような複合材料の個々の層について定性することがで ができる手法です。

差異は、ポリマーの種類を識別するためには必要十分な情報と なります。ALPHAⅡに付属のOPUSソフトウェアの定性分析機能 を用いることで、4種類のポリアミドを全て正確に識別すること ができます。 Polyamide 6 Polyamide 6.6 Polyamide 6.10 Polyamide 6.12 図1：FT-IR顕微鏡LUMOS（左）、FT-IR分光計ALPHAⅡ（右） 応用例： ポリマーの識別 ポリマーの多くは、化学構造の違いがIRスペクトルに反映され Wavenumber cm るため、簡単に識別することが可能です。例として図2に、ポリ エチレンテレフタレート（PET）、ポリスチレン（PS）、ポリプロピ 図3：ポリアミド4種のIRスペクトル レン（PP）のIRスペクトルを示します。各ポリマーのIRスペクトル は、明らかに異なることがわかります。 Polyamide 6 Polyamide 6.6 次に、化学構造の類似したポリマーの例として、ポリアミド類の Polyamide 6.10Polyamide 6.12 識別について紹介します。ポリアミド-6、ポリアミド-6,6、ポリア ミド-6,10およびポリアミド-6,12は、化学的には類似しています が、物理的に異なる性質を示します。化学的な違いは、ポリマー の合成原料であるジカルボン酸塩モノマーの炭素数の違いの みで、ポリアミドとしての基本構造は等しいため、IRスペクトル上 の差異は大きくないと予想されます。実際に測定した4種類の ポリアミドのスペクトルを図3に示します。一見、4本のIRスペクト ルは全て同一成分に見えますが、1700~400cm-1の領域を拡大 するとわずかな差異が確認できます（図4）。ここで捉えられた Wavenumber 図4：図3における1700~400cm-1の拡大図 応用例： フィラーの識別と定量 タルクは、多くのポリマーに対してフィラーとして添加されてお り、FT-IRを用いることで定性と定量の両分析を行うことができ ます。化学式としてはMg3Si4O10(OH)2で表されるケイ酸塩鉱物 の一種であり、化学的視点より粉末状に加工されています。こ れをポリマーに練り込むことにより、弾性や耐衝撃性、色素の 定着性などの特性を最適化することができます。図5に、タル ク含量の異なる4種類のポリプロピレン（PP）の測定結果を示 します。aはPPの純品を示し、それ以外のb、c、dはそれぞれタ Wavenumber cm ルクが10%、20%、40%充填されたPPのIRスペクトルです。タル 図2：ポリマー3種のIRスペクトル クに特徴的なSi-O伸縮振動に由来するピークは、1000cm-1と 670cm-1に見られます。さらに、400cm-1付近のブロードなピー Absorbance Absorbance

クは、Si-O-Si変角振動に由来します。タルクの含有量とこれら のピーク強度には高い相関があるため、IRスペクトルをもとに、 タルク含有量の定量分析を行うことができます。 a) 4000 3600 3200 2800 2400 2000 1600 1200 800 400 b) 4000 3600 3200 2800 2400 2000 1600 1200 800 400 c) 4000 3600 3200 2800 2400 2000 1600 1200 800 400 d) 図6：LUMOSで観察した汚染されたポリカーボネート表面の様子と測定 ポジション 4000 3600 3200 2800 2400 2000 1600 1200 800 400 Wavenumber cm-1 図5：タルク含有量の異なるPPのIRスペクトル (a) 0%、(b) 10%、 (c) 20%、 (d) 40% FT-IR顕微鏡LUMOSによる欠陥製品の分析 LUMOSは、赤外分光計が内蔵されたコンパクトなFT-IR顕微 鏡です。従来のFT-IR顕微鏡のように、外付けの赤外分光器 3600 3200 2800 2400 2000 1600 1200 800 は不要で、広い設置スペースを必要としません。オートアパー チャやオートステージなど高精度で制御される全自動装備 と、ユーザーフレンドリーなソフトウェアの組み合わせにより、 シンプルで使いやすい操作性を実現しました。また、高精度 な位置再現性で自動制御されるATRプリズムにより、数マイ 3600 3200 2800 2400 2000 1600 1200 800 クロメートルの微小物を確実に捉えることができます。さら に、LUMOSは高品質の観察像を保存でき、これ1台で透過法、 反射法、ATR法による測定と連続した自動マッピング測定を 行うことができます。 3600 3200 2800 2400 2000 1600 1200 800 Wavenumber cm 応用例： 欠陥製品の分析 図7：ポリカーボネート基材（上段）、汚染部（中段）、差分スペクトル（下 図6は、ポリカーボネート（PC）表面に発見された汚染物質の 段） 観察像です。ここでは、図6上で示した試料上の6点について 連続測定し、IRスペクトルを取得しました（トータルの測定時 間は約2分）。 得られたIRスペクトルを図7に示します。上段はPC単体、中段 は図6上で紫色の点で示した汚染部のスペクトルです。中段の スペクトルは汚染物質に加えてPC基材のピークが強く現れて いるため、上段のスペクトルと似ています。そこで、中段のスペ クトルから上段のスペクトルを差し引くことで、汚染物の成分 を反映するスペクトルを得ました（下段）。このスペクトルにつ いてライブラリ検索を行った結果、汚染物質は黒色インク（黒 色マーカーインク6558）に由来することが分かりました。この 情報をもとに、汚染物質の発生原因を突き止め、さらに汚染 の防止に繋げることができました。

FT-IR顕微鏡LUMOSによる不均一プラスチック材料のIRイメー 応用例： 消しゴムの構成成分の特定 ジング マイクロメートルオーダーの顕微測定は、プラスチック材料の微 消しゴムは、複数の成分（主原料としての天然ゴムまたは合 細構造の解析に役立ちます。例えばプラスチック材料のマッピ 成ゴム、軟化剤としての植物油、消しゴムをより粗くする軽 ング測定結果をもとに、個々の成分（ポリマー、フィラー、可塑 石や天然鉱物）で構成されています。ここでは、FT-IR顕微鏡 剤）に特徴的なピークを用いることにより測定面内における各 LUMOSを用いて、消しゴムに含まれる成分の分散状態につい 成分の分布の様子を把握することができます。均一な材料を製 て分析した例を示します。試料の600μm×180μmの領域につ 造するにあたり、工程条件における種々の影響を検討し改良を いて、10μm×10μmの空間分解能で連続マッピング測定を行 重ねる上では、材料内部の分布に関する情報を得ることは極め い、1080本のIRスペクトルを取得しました。各スペクトルには測 て重要です。さらに、競合製品の組成を分析することもできま 定した位置情報が含まれるため、図8bに示すような各成分に特 す。 徴的なピークの積分値を計算することで、図8aのようなケミカ ルイメージを得ることができ、材料中における各成分の分布の 様子を捉えることができます。さらに、粒子サイズやクラスター Silicate サイズを求めることで、添加物の分散性を評価することもでき ます。 Carbonyl Amide 図8b：消しゴム成分のIRスペクトルとケミカルイメージの作成に用いられ Carbonate たピーク おわりに ブルカーが提供するFT-IR分光計ALPHAⅡは、A4サイズのコンパク ト設計でありながら、迅速に信頼性の高いデータを取得することが できます。広範なポリマー材料及びその添加剤の定性分析はもちろ 図8a：消しゴムの顕微IR分析結果；ケミカルイメージは各成分の分散状 ん、さらに定量分析にも適用することが可能です。一方FT-IR顕微鏡 態を表示 LUMOSは、フルオート制御で操作性が高く、複雑な操作をすること なく高い位置精度のスペクトルデータを取得することができます。さ まざまな微小領域の測定に用いることができ、製品開発から欠陥分 析まで幅広く応用できる強力な分析ツールです。 Bruker Optik GmbH ブルカージャパン株式会社　 Ettlingen ·Germany オプティクス事業部 [大阪オフィス] 〒532-0004 〒221-0022 神奈川県横浜市 Phone +49 (7243) 504-2000 大阪府大阪市淀川区西宮原1-8-29 神奈川区守屋町 3-9 テラサキ第2ビル Fax +49 (7243) 504-2050 Phone 045-450-1601 Phone 06-6394-8118 info.bopt.de@bruker.com Fax 045-450-16029 Fax 06-6394-9003 www.bruker.com/optics marketing.bopt.jp@bruker.com Bruker Optics is continually improving its products and reserves the right to change specifications without notice. © 2018 Bruker Optics BOPT-4001131-01