JP2008150542A - コーティング溶液、該溶液を用いた無機−有機ハイブリッド皮膜の形成方法、およびこの形成方法により得られる皮膜 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】周期律表4A族の金属アルコキシド、周期律表4B族(炭素を除く)の金属アルコキシド、周期律表3A族の金属アルコキシド、周期律表3B族の金属アルコキシド、およびこれらの部分加水分解物から選ばれた少なくとも1種の金属アルコキシド類と、アルカリ金属のアルカリ化合物および/またはアルカリ土類金属のアルカリ化合物を含むアルコール溶液を主成分とする、常温で結晶化し、セラミックス皮膜を形成する溶液を、2液性樹脂の主剤と硬化剤を個別に混合後、両溶液を混合して得られるコーティング溶液。
【選択図】なし
Description
物体に本発明の溶液を塗布した場合、常温で結晶化し、物質上にセラミックス皮膜を形成し、常温から、1,000℃以上の高温で、セラミックスの特性である耐蝕性、耐熱性、絶縁性を有し、さらに、有機物との結合により、有機化合物を生成し、有機物の耐熱性を改善することが可能である。常温で形成されるセラミックス皮膜は、新たな材料技術の基盤材料として産業に貢献できるものである。
近年、低温形成セラミックス皮膜の生成法としてSol−Gel(ゾル−ゲル)法が用いられている。しかし、ゾル−ゲル法においては、ゾルのライフタイムが非常に短く、さらにゲル生成後に加熱工程が加わるため、基材の収縮が伴い好ましくない。本発明の溶液は、常温で結晶化し、溶液のライフは数年にもおよび半永久的である。
情報産業の小型化、自動車の燃費向上のための軽量化、構造材料の耐久、耐蝕性など、300℃以上の耐熱性が要求されている。また、耐熱金属素材では、1,150℃以上の耐熱性を有する素材が要求されている。
さらに、新たな材料科学においては、界面の機能性が要求されており、本発明の常温で結晶化し、形成されるセラミックス皮膜は、材料に新たな機能を供給する手段になり得る。
しかしながら、この方法では、高温焼成の工程を必要とし、工程が複雑となるという問題がある。
一方、特許文献3には、基板上に、ケイ素などのアルコキシドおよび/またはその部分重縮合物(A)を主体とする表面皮膜と、(A)と反応する官能基を持つウレタン樹脂などのバインダー樹脂(B)を主体とする下層皮膜を有する耐汚染性に優れた塗装膜が提案されているが、この塗装膜はあくまでも、二層からなるものであって、無機−有機複合ハイブリッド皮膜ではない。
また、特許文献4には、アルコキシシランの加水分解物とポリエステル樹脂とを含む液状配合物を金属表面に塗布し、次いで乾燥する、金属表面のコーティング方法が提案されている。しかしながら、このコーティング方法も、既にポリマー化されたポリエステル樹脂とアルコキシシランの加水分解物の有機溶剤系の溶液を用いるものであり、得られる皮膜は、アルコキシシランの縮合物とポリエステル樹脂との単なるブレンド物であって、無機−有機ハイブリッド皮膜ではない。
(a)常温で結晶化し、無機−有機ハイブリッドのセラミックス皮膜を形成できる。
(b)常温で結晶化し、無機−有機ハイブリッドのセラミックス皮膜を形成する際、皮膜の表面張力を調整し、比較的高温(200℃)の物体にもセラミックス皮膜を形成できる。
(c)本発明の溶液を用い、空気混合アトマイズにより、超微粒子の無機−有機ハイブリッドのセラミックス皮膜を形成できる。
(d)本発明の溶液により得られる無機−有機ハイブリッドの皮膜は、親水性であり、金属に塗布することにより、結露による錆、硫化水素雰囲気などによる腐食を防止でき、さらに、高温酸化を防止できる。
(e)物体に絶縁皮膜を形成することができる。
(f)金属材料に塗布し、300℃以上に耐える防食皮膜を形成する。
(g)化成処理したマグネシウム合金に塗布し、防錆皮膜を形成する。
(h)陽極酸化処理を行った金属に被覆し、高温防錆、耐熱皮膜を形成する。
(i)MCrAlYならびにMCoNiAlYなどの高温耐熱皮膜(TBC)を施した耐熱合金に塗布し、高温酸化、腐食を防止する。
ここで、本発明のコーティング溶液は、周期律表4A族の金属アルコキシド、周期律表4B族(炭素を除く)の金属アルコキシド、周期律表3A族の金属アルコキシド、周期律表3B族の金属アルコキシド、およびこれらの部分加水分解物の群から選ばれた少なくとも1種の金属アルコキシド類と、アルカリ金属のアルカリ化合物および/またはアルカリ土類金属のアルカリ化合物を含むアルコール溶液を主成分とする溶液を、2液性樹脂の主剤と硬化剤に個別に混合後、両溶液を混合して得られるものが好ましい。
また、本発明のコーティング溶液は、上記アルコール溶液を主成分とする溶液に、さらにシランカップリング剤が金属アルコキシド類に対し1〜10重量%添加されていてもよい。
さらに、本発明のコーティング溶液は、上記アルコール溶液を主成分とする溶液に、さらにジアルコキシランおよび/またはシリコーンオイルが合計で金属アルコキシド類に対し1〜5重量%添加されていてもよい。
さらに、本発明のコーティング溶液は、上記アルコール溶液を主成分とする溶液に、さらに無機質微粒子が金属アルコキシド類に対し1〜10重量%添加混合されていてもよい。
上記2液性樹脂は、主剤がポリオール化合物であり、硬化剤がポリイソシアネート化合物であることが好ましい。
次に、本発明は、以上のコーティング溶液を、物体に塗布する、無機−有機ハイブリッド皮膜の形成方法に関する。
上記塗布手段としては、空気混合アトマイズであってもよい。
また、本発明の無機−有機ハイブリッド皮膜の形成方法によれば、上記コーティングーティング溶液を物体に塗布したのち、有機アミン化合物または金属触媒を有機溶媒に希釈した溶液に浸漬することにより、あるいはNH3ガスまたはトリアルキルアミンガス雰囲気下において、溶液に分散した樹脂の付加重合を促進させてもよい。
上記有機アミン化合物としては、4−フェニルプロピルピリジンが好ましい。
また、物体としては、金属が挙げられる。
さらに、物体としては、化成処理を施した金属が挙げられる。
さらに、物体としては、燐酸アンモニウムおよび硫酸アンモニウムを主成分とする化成処理を行ったマグネシウム合金が挙げられる。
さらに、物体としては、陽極酸化処理を行った金属が挙げられる。
さらに、物体としては、クロム拡散処理(MCrAlYまたはCoNiCrAlY)を行った金属が挙げられる。
さらに、物体としては、有機物であってもよい。
上記有機物としては、木材もしくは天然繊維、または有機系高分子材料が挙げられる。
次に、本発明は、以上のような無機−有機ハイブリッド皮膜の形成方法によって得られる皮膜に関する。
本発明のコーティング溶液の好ましい態様としては、上記アルコール溶液を主成分とする溶液を、2液性樹脂の主剤と硬化剤に個別に混合後、両溶液を混合して得られるものが挙げられる。
このような混合方法によれば、2液性樹脂を構成する主剤(例えば、後記するポリオール化合物)と硬化剤(例えば、後記するポリイソシアネート化合物)が、それぞれの分子が溶媒となるアルコール類に取り囲まれて、互いに不活性な状態となって、溶液中に分散あるいは溶解して含有されており、主剤と硬化剤が互いに反応することなく、併存することになる。
本発明の溶液は、溶液内で化学反応をすることなく、金属素体、有機物素体、無機物素体などの物体に塗布、または、スプレー塗布すると、大気中の水分を吸って、金属アルコキシド類が触媒である上記アルカリ化合物により、加水分解・縮合が進むと同時に、溶媒であったアルコール類が大気中に揮発するにともない、主剤(ポリオール化合物)と硬化剤(ポリイソシアネート化合物)の重合が進み、常温で結晶化し、無機−有機ハイブリッドのセラミックス皮膜を形成する。
さらに、これら金属アルコキシドおよびその部分加水分解物からなる金属アルコキシド類は、その1種のみを単独で使用してもよく、また、2種以上の混合物として使用することもできる。
本発明の溶液は、高分子材料と反応して有機化合物を生成し、基材の耐熱性を改善する。
および/またはポリメチレンポリフェニレンポリイソシアネート、もしくはその変性物(以下MDIと言う。)を50重量%以上、特に90重量%以上含有したものを使用するのが望ましい。また、該MDI成分は2.2´−および2.4´−ジフェニルメタンジイシアネートを5〜20重量%、ポリメチレンポリフェニレンポリイソシアネート
を20〜70重量%含有したものが望ましく、ジフェニルメタンジイソシアネート またはポリメチレンポリフェニレンポリイソシアネート は、一部をウレタンで変性したものも使用できる。該MDI成分のイソシアネート
基含有量は18.8〜32.0重量%が望ましい。本発明で使用できるイソシアネート のうち残りの部分には、一般にウレタンフォーム製造に使われるものはすべて使用できる。例としてトリレンジイシアネートが挙げられる。
なお、溶液中には、触媒として、ウレタン化反応を促進する触媒を併用することもできる。この触媒の例としてトリエチレンジアミン、ビス(2−ジメチルアミノエチル)エーテル、N,N,N´,N´−テトラメチルヘキサメチレンジアミンなどを用いることができる。
ここで本発明の溶液に使用される有機溶剤としては、アルコール溶剤などが挙げられる。溶液中にシランカップリング剤を添加することにより、本発明により得られるセラミックス皮膜は、高分子材料および/物質と反応して、溶液と物体の表面と塗布層を強固に付着させることができ、さらに、皮膜の亀裂を防止する。上記、シランカップリング剤の使用量は、本発明の溶液に対して、2点架橋シランと3点架橋シランを、上記金属アルコキシド類に対し、通常、合計で1〜10重量%程度、好ましくは3点架橋シランを1〜5重量%および2点架橋シランを1〜3重量%で制御することが好ましい。
ジアルコキシシランおよび/またはシリコーンオイルの添加量は、本発明の溶液の上記金属アルコキシド類に対して、好ましくは合計で1〜5重量%である。
添加可能な、有機物としては、ポリエチレングリコール、無機物微粒子としては、ヒュームドシリカ、ZrO2、TiO2、Al2O3が好ましい。これらの添加量は、本発明の溶液の上記金属アルコキシド類に対し、添加物の比重と粒度によるが、1〜10重量%、好ましくは1〜5重量%である。
4−フェニルプロピルピリジンは、0.1%〜5%をベンゼン、トルエン、MEKなどの有機溶媒で希釈して使用する。
上記金属触媒としては、スズ系金属触媒である、DOTDL(ジオクチルスズジラウレート)が好ましく、10〜100ppmの濃度で有機溶媒に溶かして使用することが好ましい。
すなわち、本発明のコーティング溶液は、アルコール溶液であることから、スプレーによる圧搾空気アトマイズにより、超微粒状化する。従来のセラミックスは、粒径と空隙率が特性を左右する。緻密で小さく揃った粒子の焼結が要点である。
本発明では、アトマイゼーションにより物体上に微粒皮膜が形成される。溶液の微粒化は、液膜の破断と、破断した液膜の凝集により球状の液滴が形成することである。界面張力の小さなアルコール系の液膜は界面が不安定で、切断しやすく微粒化が容易である。液体を気体と混合させることにより、霧状の微細粒子が得られる。気体の割合が高いほど粒子径が細かくなる。好ましい気体の割合は、膜厚にもよるが、低圧で、0.05MPa以下が好ましい。常温でアトマイゼーションによって得られた超微粒子皮膜は、非常に緻密なセラミックス皮膜である。この皮膜は、あらゆる物質の表面に形成することができ、物質上にセラミックスの界面特性を付加することができ、新たな機能が期待できる。
上記物体は、金属のほか、高分子材料、紙、木材などの有機物であっても良い。
金属としては、化成処理を施した金属であることが好ましく、化成処理を施した金属としては、燐酸アンモニウムおよび硫酸アンモニウムを主成分とする化成処理を行ったマグネシウム合金が好ましい。また、陽極酸化処理を行った金属であるアルミニウム合金、クロム拡散処理(MCrAlYまたはCoNiCrAlY)を行った金属であるNi基合金でもよい。上記陽極酸化処理は多孔質であるが、本発明のコーティング溶液により緻密なセラミックス皮膜を形成することができる。クロム拡散処理は、Ni基合金に使用されるが、本発明のコーティング溶液により形成された皮膜は、1,420℃まで安定であり、高温における皮膜のAlの酸化を防ぐ。そのほか、燐酸処理された炭素鋼、ステンレス合金などが挙げられる。溶液を塗布する物体が金属である場合は、常温から1,000℃以上の温度でセラミックスの特性である耐熱性、耐蝕性、絶縁性を有する。
本発明のコーティング溶液を金属上に被覆した場合、300℃以上の耐熱性を有する耐食性皮膜を形成する。
厚塗りの場合には、物体へのコーティングを複数回行えばよい。
また、本発明のコーティング溶液を物体へ塗布したのちの乾燥条件は、通常、20〜30℃で60分以上、好ましくは25〜30℃で60分程度、常温乾燥する。
さらに、この常温乾燥後、必要に応じて、70〜80℃で30〜60分、好ましくは70℃で30分程度、高温乾燥してもよい。
また、本発明コーティング溶液から形成される皮膜は、常温で結晶化し、無機−有機ハイブリッドの皮膜(有機シラン化合物)を形成し、900℃以上の温度に曝されると、瞬時にしてトリジマイト結晶に転移し、1,460℃まで安定した耐熱性を示す。さらに、1,600℃以上の高熱にも耐えうる皮膜を形成することができる。従来、このように形成された皮膜は、特許3139918号公報に提案されているように、高温焼成し、セラミック化しないと耐熱性が得られないとされていた。しかし、本発明のコーティング溶液による皮膜が常温で結晶化することがTEM検査(反射光速電子線回析検査)で確認されており、常温でセラミックス皮膜が生成する。
実施例−1
テトラエトキシシラン(ワッカー社製、エチルシリケート40)200gを内容量2リットルの密閉可能な混合容器に分取し、これにi−プロピルアルコール100gを添加し、スターラーを用いて密閉状態で10分間撹拌し、次に25℃で30分間、このエチルシリケートの加水分解を行い、さらにその後、25℃で6時間密閉状態で保持し、加水分解率30%のエチルシリケート加水分解溶液を調製した。
次に、このエチルシリケート加水分解溶液に21重量%濃度のC2H5ONaのエタノール溶液35.1gとi−プロピルアルコール344.9gとを添加し、スターラーを用いて密閉状態で25℃で30分間撹拌し、溶液を調製した。この溶液をMX溶液と称する。このMX溶液は、SiO2換算の固形分濃度が20重量%で、Na2O換算で3重量%のアルコール(i−プロピルアルコール)溶液である。
サイズが10×200×1.6mmのマグネシウム合金を、防錆処理として、Dow Chemical Treatment #18 (燐酸アンモニウム450g、硫酸アンモニウム110g、およびアンモニア水60gからなる溶液)で化成処理し、実施例1で用いられたと同様の本発明の溶液に浸漬して、実施例1と同様にして、常温乾燥・硬化、加熱硬化、水洗浄を行って、乾燥膜厚が2μmの皮膜を形成させた。得られた皮膜は、30℃以下、塩水噴霧試験(5%)2時間、5回以上の繰り返しでも、完全な皮膜であることを確認した。
本発明の無機−有機系ハイブリッドのコーティング溶液は、浸漬で2μm以上の膜厚が生成でき、固形分の調整により、素材に適正な膜厚制御が可能であり、得られるコーティング皮膜は、素材の表面性質により変化する。
サイズがいずれも、10×200×1.6mmの、鋼板、アルミニウム板、マグネシウム合金板、白板ガラスを用い、実施例1と同様の無機−有機ハイブリッド系溶液に浸漬し、実施例1と同様にして、それぞれの板に皮膜を形成させた。
これらのテストピースを用いて、実施例−2と同様にして、塩水による耐食試験を行った。
なお、皮膜の膜厚は、テストピースの溶液への浸漬回数や、溶液濃度により調整した。
また、耐食試験における評価は次のとおりである。
◎:良好
○:普通
△ :やや良好
×:膜のクラック
なお、ガラス板の場合は、皮膜の膜厚が20〜40nmにおいて、耐食性に優れるが、膜厚が2μm以上では耐食性が劣っている。この理由は、ガラスの表面粗度が微細であり、皮膜を要する表面積が少なく、過剰の皮膜は、乾燥時間の不足・縮重合により、クラックを誘引するものと考えられる。
一方、鋼板、アルミニウム板、マグネシウム合金板の場合は、膜厚が2〜6μmで耐食性に優れるが、20μm以上と厚い場合には、かえって耐食性が悪い。この理由は、膜厚が厚すぎて、収縮割れが生じるものと考えられる。また、膜厚がnmオーダーの場合も、耐食性が劣っているが、これは表面積に十分な量の皮膜が不足していることに起因するものと考えられる。
実施例1で用いたと同様の鋼板製のテストピースを、実施例1と同様の本発明のコーティング溶液に浸漬し、実施例1と同じ条件で常温乾燥したのち、1時間以内の皮膜状態を観察した。結果を表2に示す。
浸漬、乾燥後の皮膜の生成状況を観察した。
◎:良好
○:普通
×:不完全
皮膜表面:
白色は皮膜が少なく物体と皮膜に間隙が出来た状態、クリアは透明な状態であることを示す。
クラック:
常温乾燥後、1時間以内のクラックの発生の有無を観察した。
◎:良好
○:普通
ダレ:
皮膜表面に液ダレが発生していないか否かを観察した。
◎:良好
○:普通
△:ダレがでるが皮膜を形成
×:均一な皮膜を形成しない。
アルコール溶解:
常温乾燥後、1時間以内に、皮膜表面に常温でエタノールを噴霧し、皮膜の表面の乾燥状態を観察した。
◎:30分以内で不溶
○:60分以内で不溶
×:乾燥が不十分で表面が不安定
ナトリウム洗浄:
温乾燥後、1時間以内に、皮膜表面を常温の水で洗浄し、皮膜の表面を観察した。
実施例1で用いたと同様の本発明のコーティング溶液(実施例6)を用いて、実施例1で用いたと同様の鋼板に、実施例1と同様にして、乾燥膜厚が2〜6μmの皮膜を形成させて、皮膜生成、耐塩酸性、耐硫酸性、耐塩水性、皮膜状況を観察した。結果を表3に示す。
また、ウレタン樹脂(ポリオール+ポリイソシアネート、実施例6)の代わりに、3−アミノプロピルメチルジメトキシシラン(比較例1)、ポリエチレングリコール(PEG#6000)(比較例2)を用いる以外は、実施例6と同様にして、皮膜を形成させた。結果を表3に示す。
1回の塗布(浸漬)で形成される膜厚の数値範囲を示す。
皮膜生成:
常温で硬化し、皮膜が生成するものを「常温」と評価、250℃で加熱しないと、硬化して皮膜を形成しないものを「要加熱(250℃)」と評価した。
耐塩酸性:
塩酸/水(重量比)=1:1の塩酸水溶液を用いて、常温で浸漬した後、目視で耐塩酸性を評価した。
○は、耐塩酸性評価後の皮膜の表面に変化がないことを示し、「3層以上」とは、3回以上塗布(浸漬)した皮膜でないと、○の評価にならないことを示す。
耐硫酸性:
濃度5重量%の塩水を用いて、常温で浸漬した後、目視で耐硫酸性を評価した。
○は、耐塩酸性評価後の皮膜の表面に変化がないことを示し、「3層以上」とは、3回以上塗布(浸漬)した皮膜でないと、○の評価にならないことを示す。
耐塩水性:
濃度5重量%の塩水を用いて、常温で浸漬した後、目視で耐塩水性を評価した。
○は、耐塩水評価後の皮膜の表面に変化がないことを示し、「3層以上」とは、3回以上塗布(浸漬)した皮膜でないと、○の評価にならないことを示す。
皮膜状況:
浸漬し、常温で60分間乾燥後、目視により皮膜状況を観察した。
Claims (18)
- 周期律表4A族の金属アルコキシド、周期律表4B族(炭素を除く)の金属アルコキシド、周期律表3A族の金属アルコキシド、周期律表3B族の金属アルコキシド、およびこれらの部分加水分解物の群から選ばれた少なくとも1種の金属アルコキシド類と、アルカリ金属のアルカリ化合物および/またはアルカリ土類金属のアルカリ化合物を含むアルコール溶液を主成分とする溶液中に、2液性樹脂の主剤と硬化剤とが、互いに反応することなく含有されていることを特徴とするコーティング溶液。
- 周期律表4A族の金属アルコキシド、周期律表4B族(炭素を除く)の金属アルコキシド、周期律表3A族の金属アルコキシド、周期律表3B族の金属アルコキシド、およびこれらの部分加水分解物の群から選ばれた少なくとも1種の金属アルコキシド類と、アルカリ金属のアルカリ化合物および/またはアルカリ土類金属のアルカリ化合物を含むアルコール溶液を主成分とする溶液を、2液性樹脂の主剤と硬化剤に個別に混合後、両溶液を混合して得られる、請求項1記載のコーティング溶液。
- アルコール溶液を主成分とする溶液に、さらにシランカップリング剤が金属アルコキシド類に対して1〜10重量%添加された請求項1または2記載のコーティング溶液。
- アルコール溶液を主成分とする溶液に、さらにジアルコキシランおよび/またはシリコーンオイルが合計で金属アルコキシド類に対し1〜5重量%添加された請求項1〜3いずれかに記載のコーティング溶液。
- アルコール溶液を主成分とする溶液に、さらに無機質微粒子が金属アルコキシド類に対し1〜10重量%添加混合された請求項1〜4いずれかに記載のコーティング溶液。
- 上記2液性樹脂の主剤がポリオール化合物であり、硬化剤がポリイソシアネート化合物である請求項1〜5いずれかに記載のコーティング溶液。
- 請求項1〜6いずれかに記載されたコーティング溶液を、物体に塗布する、無機−有機ハイブリッド皮膜の形成方法。
- 空気混合アトマイズにより、物体に塗布する請求項7記載の無機−有機ハイブリッド皮膜の形成方法。
- 請求項1〜6いずれかに記載されたコーティング溶液を物体に塗布したのち、有機アミン化合物または金属触媒を有機溶媒に希釈した溶液に浸漬することにより、あるいはNH3ガスまたはトリアルキルアミンガス雰囲気下において、溶液に分散した樹脂の付加重合を促進させる、請求項7または8記載の無機−有機ハイブリッド皮膜の形成方法。
- 有機アミン化合物が4−フェニルプロピルピリジンである、請求項9記載の無機−有機ハイブリッド皮膜の形成方法。
- 物体が金属である請求項6〜10いずれかに記載の無機−有機ハイブリッド皮膜の形成方法。
- 物体が化成処理を施した金属である請求項11に記載の無機−有機ハイブリッド皮膜の形成方法。
- 物体が燐酸アンモニウムおよび硫酸アンモニウムを主成分とする化成処理を行ったマグネシウム合金である、請求項12に記載の無機−有機ハイブリッド皮膜の形成方法。
- 物体が陽極酸化処理を行った金属である請求項6〜11いずれかに記載の無機−有機ハイブリッド皮膜の形成方法。
- 物体がクロム拡散処理(MCrAlYまたはCoNiCrAlY)を行った金属である請求項6〜11いずれかに記載の無機−有機ハイブリッド皮膜の形成方法。
- 物体が有機物である請求項6〜10いずれかに記載の無機−有機ハイブリッド皮膜の形成方法。
- 物体が木材もしくは天然繊維、または有機系高分子材料である請求項16に記載の無機−有機ハイブリッド皮膜の形成方法。
- 請求項7〜17いずれかに記載の無機−有機ハイブリッド皮膜の形成方法によって得られる皮膜。
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