study of adhesive peel test by coarse-grained...

リンテック株式会社研究開発本部研究所製品研究部プロセス開発室

岩方 裕一

2019/10/18

Study of adhesive peel test by coarse-grained molecular dynamics simulations

Yuichi Iwakata LINTEC Corporation

第8回材料系ワークショップ

１． 会社･自己紹介２． 研究の背景・目的３． 粗視化分子動力学４． 剥離シミュレーション

4.1 定荷重試験4.2 プローブタック試験4.3 90度剥離試験

発表概要

第8回材料系ワークショップ

会社概要

設 立 1934年(昭和9年)

売 上 高 2,059億7,500万円

資 本 金 232億 130万円

経 常 利 益 156億8,400万円

研究開発費 76億3,900万円

従 業 員 数 4,760人（連結）

株 式 東京証券取引所 第１部上場

会社概要 2017年3月連結

本社

研究所新棟

第8回材料系ワークショップ

「リンテック」が街中に

スポーツ用品や航空機ボデーに

。

断熱・店舗の装飾に。

クルマの快適向上に。

携帯電話の部材製造に。

車の宣伝広告に。大型広告に。

ガラス飛散防止に。

第8回材料系ワークショップ

リンテックの製品と事業

事業別売上構成比（連結） 2017年3月期

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剥離材

シリコーンなど

剥離基材

・紙 ，プラスティックフィルム

粘着材

・ゴム

・アクリル

・シリコーン

表面基材

紙

プラスティックフィルム

表面ｺｰﾄ層：印刷・光学特性制御

研究背景（粘着テープの基本構成）

貼合対象物（被着体）に対して圧力をかけることで接合される接着材料の一種（感圧接着剤：Pressure Sensitive Adhesive）

※弾性率の比較： 一般的な接着材 ～109Pa，粘着材 ～106Pa

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研究目的粘着テープの最も重要な特性＝貼合後に剥がれない⇒剥離現象の機構解明粘着テープ剥離時に影響を与える因子

界面エネルギー粘着テープ自体の機械特性（粘弾性体）

・材料設計への活用：全原子分子動力学モデル・課題：粘着製品の構造が多成分・多層構造⇒ 現象の本質を理解するために抽象化（モデル化）

材料設計の効率化

粗視化分子動力学によるモデルを作成実在の試験を模擬したシミュレーションを実施

δninit δn

fail

損傷発生時の変位

δn[m]Kn

1

Nmax

損傷開始点応力 or ひずみ基準

N[Pa]

破壊エネルギー

Gtc

FEM

Cohesive

モデル

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粗視化分子動力学（Kremer-Grestモデル※）

モノマー 数ユニットを1ユニットとして、ビーズスプリングモデルとして取り扱う。高分子の絡み合いの効果も表現可能

0

20

40

60

80

0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4

Ener

gy

distance

Bond Potential Energy

k=30,Ro=1.5

σ=1.0,ε=1.0

（1）結合ポテンシャル𝑈𝑏𝑜𝑛𝑑 𝑟 = 𝑈𝐹𝐸𝑁𝐸 𝑟 + 𝑈𝐿𝐽 𝑟

𝑈𝐹𝐸𝑁𝐸 𝑟 = −1

2𝑘𝑅0

2 ln 1 −𝑟

𝑅0

2

𝑟 < 𝑅0

∞ 𝑟 ≥ 𝑅0

k: spring constant R0: finite extended length

൞𝑈𝐿𝐽 𝑟 = 4 𝜀

𝜎

𝑟

12

−𝜎

𝑟

6

+1

4𝑟 < 2 Τ1 6

0 𝑟 ≥ 2 Τ1 6

σ: diameter of the LJ sphere

ϵ: strength of the interaction

(2) 非結合ポテンシャルLJポテンシャル

※Grest，G．S．and Kremer，K．:Phys．Rev．A，Vol．33，p．3628 (1986)

𝑈𝐿𝐽 𝑟 = 4 𝜀 𝜎

𝑟 12

− 𝜎

𝑟 6

+ 𝑈𝑐𝑢𝑡𝑜𝑓𝑓

σ: diameter of the LJ sphere

ϵ: strength of the interaction

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 1.9 2.1

ener

gy

distance

σ=1.0,ε=1.0

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被着体

おもり

粘着テープ

種々の剥離試験

１．定荷重試験 ・粘着テープ曲面貼付耐性などの性能と高い相関性・高分子材料（粘着材）に高弾性率な低分子成分を混合することで性能向上・低分子成分が高分子中にどのように分散しているかが重要？

シミュレーションの目的低分子量成分の分散状態が定荷重性能に

どのような影響を与えるかを検証

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材料 1分子 架橋結合

ポテンシャル

非結合ポテンシャル

σ ε rcutoff

高分子成分（粘着材）

２００ あり※ k=30,R0=1.5 1.0 1.0 2.0

低分子成分 ２０ なし k=30,R0=1.5 1.０ 1.5 2.0

基材・被着体 － － － 1.０ 15 2.0

高分子ｰ低分子相互作用

－ － － 1.00.980.90

2.0

定荷重シミュレーションモデル

※１分子２００粒子中２０粒子を架橋可能分子としそのうち２粒子程度を架橋させる新化学技術推進協会（編）：”高分子材料シミュレーション―OCTA 活用事例集―”化学工業日報社(2014)

高分子と低分子量の相互作用パラメータを変えて分散状態が異なるモデルを作成

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基材先端部にStaticFieldを印加させることで定荷重（おもり）を表現

低分子成分（赤）高分子成分（青）

基材

被着体

定荷重シミュレーションモデル

モデル作成：J-OCTA（https://cae.jsol.co.jp/product/material/jocta/）

総粒子数 約60万T=0.7(Tg以上), f=0.03

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定荷重シミュレーション評価項目

低分子成分（赤）

シミュレーションから得られる被着体(壁)からの剥離量と、基材先端の移動量で評価

先端移動量displacement

剥離長さpeel length

モデル1(分散)

モデル2(偏在）

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定荷重シミュレーション

モデル1(分散）

モデル2（偏在）

MD計算：COGNAC（http://octa.jp/）, LAMMPS（https://lammps.sandia.gov/）

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定荷重シミュレーション

・ 剥離長さは前半同程度だが後半モデル1(分散)の方が大きくなる・ おもりのずれ量は モデル2(偏在)の方が大きいが、後半差が一定

低分子成分が界面付近に偏在しているほうが定荷重性能が高いと予測される

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000

Peel Len

gth

Time

Peel Length

sample1

sample2

モデル１(分散)

モデル２(偏在)

60

70

80

90

100

110

120

130

140

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000

Dis

pla

cem

en

t

Time

Fixed Load Displacement

sample1

sample2

モデル１(分散)

モデル２(偏在)

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２．プローブタック試験

種々の剥離試験

３．90度剥離試験

シミュレーションの目的剥離材から剥がすときに必要な力が剥離材の弾性率に依存することの再現

粘着テープのベタツキ（タック）を定量化

粘着テープを引き剥がす力を測定

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プローブタック・90度ピール モデル

材料 1分子 架橋結合

ポテンシャル

非結合ポテンシャル

σ ε rcutoff

高分子成分１（粘着材）

２００ あり k=30,R0=1.5 1.0 1.0 2.0

高分子成分2（剥離材）

２００ なし k=30,R0=1.5 1.01.01.5

2.0

基材,被着体 1 － － 1.0 15 2.0

①

②

③④

①基材 ②粘着材 ③剥離材 ④被着体

総粒子数 約60万

T=0.7, V=1e-3 σ/τ

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プローブタックシミュレーションプローブタック：基材全体を拘束し一定速度で上昇させる

剥離材の弾性率が剥離力に影響MD結果は実験の第１ピークに相当

剥離材弾性率低(ε1.0） 剥離材高(ε1.５)

Probe Tack (exp)

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Fo

rce

Time

Probe Tack Simulations

e10

e15

ε1.0ε1.5

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剥離シミュレーション基材端部のみを拘束し一定速度で上昇させる

剥離材ε1.0

剥離材ε1.5

FEM(実験)結果と大きく異なるが剥離材弾性率と剥離力は相関

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 0.005 0.01 0.015 0.02

Fo

rce

Time

90 degree Peel (FEM)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 2000 4000 6000 8000

Fo

rce

Time

90deg Peel

ε1.0

ε1.5

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まとめ１．定荷重性シミュレーション

添加材料の分布状態によって挙動が異なることが観測できた。⇒ 材料設計時の指針となりうる。

２．プローブタックシミュレーション剥離材料の硬さ（弾性率）により、剥離力が大きくなるという実験と同様の傾向を再現することができた。実験結果における第１ピークが、MDの結果と対応すると推測される

３．90度剥離シミュレーション２同様、剥離に要する力の剥離材料の弾性率依存性は得られたが実験との挙動が大きく異なることから、システムサイズ・剥離速度の検討が必要

組成に応じて相互作用パラメータを適切に設定することによって様々な特性の基本メカニズムの解明が可能

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