JP2009247949A - Water-repellent coating film and liquid transportation piping - Google Patents

Water-repellent coating film and liquid transportation piping Download PDF

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Akio Sayano
顕生 佐谷野
Yoshihisa Saito
宣久 斉藤
Masashi Takahashi
雅士 高橋
Toshiaki Suzuki
敏暁 鈴木
Yoshiki Niizeki
良樹 新関
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a water-repellent coating film capable of stably holding an air layer over a long period of time in the water-repellent coating film, and to provide a liquid transportation piping. <P>SOLUTION: In the water-repellent coating film, the average pore diameter of pores formed on the film is ≥5 nm and ≤50 nm, the porosity of the film is ≥15 vol.% and ≤50 vol.%, and inorganic particles are included in the film. Also, the liquid transportation piping is for transportation liquid, and the water-repellent coating film is formed on the inner surface of the piping for transporting the liquid by being allowed to pass through the inside. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、流体との摩擦抵抗を低減するための撥水性コーティング皮膜及び流体輸送配管に関する。   The present invention relates to a water-repellent coating film and fluid transport piping for reducing frictional resistance with a fluid.

一般的に、配管内に流体を通過させた場合、入口と出口で圧力の低下、すなわち圧力損失が生じる。この圧力損失は、配管の径が小さいほど、また、配管の長さが長いほど大きくなる。圧力損失は、流体と配管表面の摩擦抵抗によるエネルギー損失であり、これをより小さくすることができれば、機器・システムのエネルギー効率が飛躍的に向上するため、さまざまな研究開発がなされている。   Generally, when a fluid is passed through a pipe, a pressure drop, that is, a pressure loss occurs at an inlet and an outlet. This pressure loss increases as the diameter of the pipe decreases and the length of the pipe increases. The pressure loss is an energy loss due to frictional resistance between the fluid and the pipe surface. If this can be reduced, the energy efficiency of the equipment / system will be dramatically improved, and various research and development have been conducted.

長方形管及び正方形管の内面に水を通過させた場合の圧力損失について検討を行い、管内面に撥水性コーティング皮膜を形成した場合、通常の管に比較して圧力損失が低減することを確認したものがある(例えば、非特許文献1参照)。この場合の圧力損失低減の割合は、正方形管の場合で約22%であり、理論的解析により、この抵抗減少効果は流体の配管表面における滑りに起因すると推察している。しかしながら、この圧力損失低減の現象は、流速の小さい層流域のみで見られ、流速の速い乱流域ではこの効果が消滅している。   We examined pressure loss when water was passed through the inner surfaces of rectangular and square tubes, and confirmed that when water repellent coating film was formed on the inner surface of the tube, the pressure loss was reduced compared to ordinary tubes. There is a thing (for example, refer nonpatent literature 1). In this case, the rate of pressure loss reduction is about 22% in the case of a square tube, and it is inferred from theoretical analysis that this resistance reduction effect is caused by slippage of the fluid on the pipe surface. However, this phenomenon of pressure loss reduction is observed only in the laminar flow region where the flow velocity is small, and this effect disappears in the turbulent flow region where the flow velocity is high.

また、回転円板の水中における摩擦係数に対しても同様の検討を行い、この場合も表面に撥水性の皮膜を形成した場合、30%前後の摩擦係数の低減を確認したものがある(例えば、非特許文献2参照)。この場合も同様に、摩擦係数低減の現象は流速の小さい層流域のみで見られ、流速の速い乱流域では効果が消滅している。   In addition, the same investigation was performed on the friction coefficient of the rotating disk in water, and in this case, when a water-repellent film was formed on the surface, there was confirmed that the friction coefficient was reduced by about 30% (for example, Non-Patent Document 2). In this case as well, the phenomenon of reducing the friction coefficient is observed only in the laminar flow region where the flow velocity is small, and the effect disappears in the turbulent flow region where the flow velocity is high.

一方、矩形管の上下面に撥水性の壁を形成し圧力損失を測定した結果、通常の壁と比較して約4.5%の流動抵抗減少を確認したものもある(例えば、非特許文献3参照)。この抵抗減少は、撥水壁に形成した微細凹凸の形状に大きく依存し、完全に滑らかな面では抵抗減少は認められず、空気を保持しやすい微細構造を形成した場合に圧力損失の低減が認められるとしている。ただし、この実験の際のレイノルズ数は1300以下の層流域であり、これ以上の流速での測定は行っていない。   On the other hand, as a result of forming a water-repellent wall on the upper and lower surfaces of the rectangular tube and measuring the pressure loss, there has been confirmed that the flow resistance is reduced by about 4.5% compared to a normal wall (for example, non-patent document) 3). This decrease in resistance greatly depends on the shape of the fine irregularities formed on the water-repellent wall, and on a completely smooth surface, the decrease in resistance is not recognized, and the pressure loss is reduced when a microstructure that easily retains air is formed. It is said that it will be accepted. However, the Reynolds number in this experiment is a laminar flow region of 1300 or less, and measurement at a flow velocity higher than this is not performed.

これらの研究等より以下のことがわかる。すなわち、流体の流路に撥水性の皮膜を形成することにより、圧力損失を低減させることが可能と考えられるが、撥水性の皮膜だけでは、圧力損失の低減は達成できず、撥水性コーティング皮膜が空気層を保持していることが必要であること、また、これらの圧力損失の低減現象は、すべてレイノルズ数の小さい層流域のみで見られ、流速の速い乱流域では効果が見られない。   These studies show the following. In other words, it is considered possible to reduce the pressure loss by forming a water-repellent film in the fluid flow path, but the pressure loss cannot be reduced with only the water-repellent film, and the water-repellent coating film. It is necessary to hold an air layer, and these pressure loss reduction phenomena can be seen only in a laminar flow region having a small Reynolds number, and no effect is seen in a turbulent flow region having a high flow velocity.

このことから、撥水性コーティング皮膜に空気層を保持させるための方法として、撥水性コーティング皮膜表面に微細な凹凸構造を形成することが提案されている(例えば、特許文献1参照)。この際、人工的に凹凸構造を形成する方法として、研摩・研削等の機械加工、酸・アルカリによる化学反応、電極による電気分解、金属による鋳造等が挙げられている。   For this reason, as a method for retaining the air layer in the water-repellent coating film, it has been proposed to form a fine uneven structure on the surface of the water-repellent coating film (see, for example, Patent Document 1). At this time, as a method for artificially forming the concavo-convex structure, mechanical processing such as polishing and grinding, chemical reaction by acid / alkali, electrolysis by electrode, casting by metal, and the like are cited.

また、精密切削加工、蒸着、エッチング、塗装等の手段により、固体表面に凹凸を形成し固体界面の表面エネルギーを小さくして、固体と液体の間の流動抵抗を低減することが提案されている(例えば、特許文献2参照)。   It has also been proposed to reduce the flow resistance between the solid and the liquid by forming irregularities on the solid surface and reducing the surface energy at the solid interface by means of precision cutting, vapor deposition, etching, painting, etc. (For example, refer to Patent Document 2).

また、基材の表面に樹脂層を形成し、この樹脂層の上に疎水性粒子をコーティングした後、プレスして前記樹脂中に疎水性粒子の一部を埋め込み、疎水性粒子の一部を樹脂表面上に突出させ、樹脂の固化により疎水性粒子を固定化して微細な凹凸表面を形成することも提案されている(例えば、特許文献3参照)。   In addition, after forming a resin layer on the surface of the substrate and coating hydrophobic particles on the resin layer, pressing to embed a part of the hydrophobic particles in the resin, It has also been proposed to form a fine uneven surface by projecting onto the resin surface and immobilizing the hydrophobic particles by solidifying the resin (for example, see Patent Document 3).

さらに、特定の粉体を樹脂に調製し、得られる調製物を基材表面に塗布することにより、塗膜表面に粉体による凹凸を形成し、空気膜保持性能を得ることが提案されている(例えば、特許文献4参照)。
特開平9−279363号公報 特開2000−87921号公報 特開平9−53612号公報 特開平8−26176号公報 渡辺敬三、YANUAR、大木戸勝利、水沼博、“超撥水性矩形管の抵抗減少効果に関する研究”,機械学会論文集,62−601,B(1996),p3330−3334 渡辺敬三、小方聡、“超撥水性回転円板のニュートン流体における摩擦抵抗の低減について”,機械学会論文集,63−612,B(1997),p2752−2756 長谷川雅人、角波雅之、磯野耕誠、上野久儀、“上下壁面にはっ水性微細構造を有する矩形管内流れの流動特性”,第42回日本伝熱シンポジウム講演論文集,B122,(2005−6)
Furthermore, it is proposed that a specific powder is prepared into a resin and the resulting preparation is applied to the surface of the base material to form irregularities due to the powder on the surface of the coating film to obtain air film retention performance. (For example, refer to Patent Document 4).
Japanese Patent Laid-Open No. 9-279363 JP 2000-87921 A JP-A-9-53612 JP-A-8-26176 Keizo Watanabe, YANUAR, Masaru Okido, Hiroshi Mizunuma, “Study on resistance reduction effect of super water-repellent rectangular tube”, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, 62-601, B (1996), p3330-3334 Keizo Watanabe, Satoshi Ogata, “Reduction of Friction Resistance in Newtonian Fluids of Super-Water-Repellent Rotating Discs”, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, 63-612, B (1997), p2752-2756 Masato Hasegawa, Masayuki Kakunami, Kosei Kanno, Hisashi Ueno, “Flow characteristics of flow in rectangular pipe with water-repellent microstructure on top and bottom walls”, Proceedings of the 42nd Japan Heat Transfer Symposium, B122, (2005-6 )

しかしながら、前述したような撥水性コーティング皮膜に凹凸を形成する方法では、一時的に皮膜に空気層を形成することができたとしても、長期に亘り安定的に空気層を保持することが難しい、あるいは低流速域では空気層は保持されるが、高流速域では空気層が剥がれてしまう等の問題があった。   However, in the method of forming irregularities on the water repellent coating film as described above, even if an air layer can be temporarily formed on the film, it is difficult to stably hold the air layer for a long period of time. Alternatively, the air layer is maintained in the low flow velocity region, but there is a problem that the air layer is peeled off in the high flow velocity region.

本発明の目的は、撥水性コーティング皮膜中に長期に渡り安定的に空気層を保持することができる撥水性コーティング皮膜及び液体輸送配管を提供することである。   An object of the present invention is to provide a water-repellent coating film and a liquid transport pipe that can stably hold an air layer in the water-repellent coating film for a long period of time.

本発明者らは、流体との摩擦低減のための撥水性コーティング皮膜構造に関し、鋭意研究を重ねた結果、撥水性コーティング皮膜中に適切な気孔径を有する微細な気孔を適切な気孔率で形成し、さらには、この撥水性コーティング皮膜中に無機粒子を配合することにより、空気層を長期にわたって安定的に保持することができ、かつ低流速域のみならず、高流速域においても安定的に空気層を保持することができることを見出し、本発明を完成したものである。   As a result of intensive research on the water-repellent coating film structure for reducing friction with fluid, the present inventors have formed fine pores having an appropriate pore diameter with an appropriate porosity in the water-repellent coating film. Furthermore, by blending inorganic particles in the water-repellent coating film, the air layer can be stably maintained over a long period of time, and not only in a low flow rate range but also stably in a high flow rate range. The present inventors have found that an air layer can be maintained and completed the present invention.

すなわち、本発明に係わる撥水性コーティング皮膜は、皮膜に形成された気孔の平均気孔径が5nm以上で50nm以下であり、かつ前記皮膜の気孔率が15体積%以上で50体積%以下であり、かつ前記皮膜中に無機粒子を含むことを特徴とするものである。   That is, the water-repellent coating film according to the present invention has an average pore diameter of 5 nm or more and 50 nm or less of pores formed in the film, and the porosity of the film is 15% by volume or more and 50% by volume or less, And the said film | membrane contains an inorganic particle, It is characterized by the above-mentioned.

また、本発明の流体輸送配管は、流体を輸送する配管であって、その内部を通過させることにより前記流体を輸送する配管の内表面に、本発明の撥水性コーティング皮膜を形成したことを特徴とするものである。   The fluid transport pipe of the present invention is a pipe for transporting a fluid, and the water repellent coating film of the present invention is formed on the inner surface of the pipe for transporting the fluid by passing through the inside thereof. It is what.

本発明の撥水性コーティング皮膜は、撥水性を有すると同時に、撥水性コーティング皮膜中に微細な連続気孔が形成され、かつ皮膜中に無機粒子が配合されているため、撥水性コーティング皮膜中に空気層を長期に安定的に保持することができ、かつ低流速域のみならず、高流速域においても安定的に空気層を保持することが可能となる。従って、この撥水性コーティング皮膜を液体の接触面に形成した場合、液体と皮膜との摩擦による圧力損失を低減させることができ、例えば、流体を輸送するパイプライン内表面、冷却水の通路部、水車部品、船舶の船底等に形成した場合、システムのエネルギー効率を向上させることができる。   The water-repellent coating film of the present invention has water repellency, and at the same time, fine continuous pores are formed in the water-repellent coating film, and inorganic particles are blended in the film. The layer can be stably held for a long period of time, and the air layer can be stably held not only in the low flow rate region but also in the high flow rate region. Therefore, when this water-repellent coating film is formed on the liquid contact surface, pressure loss due to friction between the liquid and the film can be reduced. For example, the inner surface of the pipeline that transports the fluid, the passage portion of the cooling water, When formed on water turbine parts, ship bottoms, etc., the energy efficiency of the system can be improved.

本発明の撥水性コーティング皮膜は、皮膜に形成された気孔の平均気孔径が5nm以上で50nm以下であり、かつ皮膜の気孔率が15体積%以上で50体積%以下であり、かつ皮膜中に無機粒子を含むことを特徴とする。図1には、金属基材上に本発明の撥水性コーティング皮膜を形成したときの模式断面図を示す。図1で示すように、撥水性コーティング皮膜1は金属基材2の表面に形成される。撥水性コーティング皮膜1は、撥水性を有しかつ微細な連続気孔3が形成された無機粒子4を含む皮膜である。   In the water-repellent coating film of the present invention, the average pore diameter of pores formed in the film is 5 nm or more and 50 nm or less, and the porosity of the film is 15% by volume or more and 50% by volume or less. It contains inorganic particles. FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view when the water-repellent coating film of the present invention is formed on a metal substrate. As shown in FIG. 1, the water repellent coating film 1 is formed on the surface of the metal substrate 2. The water repellent coating film 1 is a film including inorganic particles 4 having water repellency and having fine continuous pores 3 formed therein.

ここで、撥水性コーティング皮膜1は公知の材料で形成することができ、例えば、酸化ケイ素を主成分とするもの、酸化アルミニウムを主成分とするもの、酸化ジルコニウムを主成分とするもの、フッ素樹脂を主成分とするもの、さらにはこれらを混合したもの等が挙げられる。この中でも特にフッ素樹脂を主成分とするものは、高い撥水性を示すと同時に化学的にも極めて安定であるため、より好適な材料である。さらに、撥水性皮膜中に上記のような気孔径及び気孔率を有する気孔を形成するのも容易である。   Here, the water-repellent coating film 1 can be formed of a known material, for example, a silicon oxide main component, an aluminum oxide main component, a zirconium oxide main component, a fluororesin As a main component, a mixture of these may be used. Among these, those mainly composed of a fluororesin are more suitable materials because they exhibit high water repellency and are extremely chemically stable. Furthermore, it is easy to form pores having the above pore diameter and porosity in the water-repellent coating.

また、例えば酸化ケイ素を主成分とする組成物としては、SiO−ZrO系等の組成物が挙げられるが、この組成物により皮膜を形成した場合、化学的、熱的に安定であり、撥水性皮膜中に上記のような気孔径及び気孔率を有する気孔を形成するのも容易であると同時にメチル基、フッ素基等の撥水性の基を付与することが比較的容易である。 In addition, examples of the composition mainly composed of silicon oxide include compositions such as SiO 2 —ZrO 2 , and when a film is formed with this composition, it is chemically and thermally stable, It is easy to form pores having the above pore diameter and porosity in the water-repellent film, and at the same time, it is relatively easy to impart a water-repellent group such as a methyl group or a fluorine group.

この皮膜の形成は、通常の皮膜形成の手法により行えばよく、例えば、CVD、PVD、溶射やディップコーティング、スプレーコーティング、フローコーティング、スピンコーティング、ロールコーティング等の湿式コーティング等で行うことができ、その皮膜形成方法は限定されるものではない。   The formation of this film may be performed by a normal film forming method, for example, wet coating such as CVD, PVD, spraying, dip coating, spray coating, flow coating, spin coating, roll coating, etc. The film forming method is not limited.

また、この皮膜に形成される気孔は、その平均気孔径が、5nm以上で50nm以下である。この皮膜中の気孔径が小さいほど皮膜気孔中への流体の進入が抑制され空気層が安定的に保持される。   The pores formed in this film have an average pore diameter of 5 nm or more and 50 nm or less. The smaller the pore diameter in the film, the more the fluid enters the film pores and the more stable the air layer is.

ここで、平均気孔径を50nm以下に限定したのは、平均気孔径が50nmより大きい場合では、気孔中への流体の進入が十分抑制されず、空気層が安定的に保持されないためである。一方、平均気孔径を5nm以上に限定したのは、平均気孔径が5nmより小さい場合には、空気層の形成が困難となり、本発明の目的である圧損低減が実現できないためである。なお、ここで平均気孔径は、例えば、ガス吸着法、水銀圧入法等の方法により求めたものである。   Here, the reason that the average pore diameter is limited to 50 nm or less is that when the average pore diameter is larger than 50 nm, the ingress of fluid into the pores is not sufficiently suppressed, and the air layer is not stably maintained. On the other hand, the reason why the average pore diameter is limited to 5 nm or more is that when the average pore diameter is smaller than 5 nm, it is difficult to form an air layer, and the pressure loss reduction that is the object of the present invention cannot be realized. Here, the average pore diameter is determined by a method such as a gas adsorption method or a mercury intrusion method.

さらに、この皮膜は、気孔率が15体積%以上で50体積%以下である。液体に対する圧力損失を効率的に低減させるために、撥水性コーティング皮膜において重要なことは、皮膜に形成された気孔が皮膜全体に連続につながっていることである。   Furthermore, this film has a porosity of 15% by volume or more and 50% by volume or less. In order to effectively reduce the pressure loss to the liquid, what is important in the water-repellent coating film is that pores formed in the film are continuously connected to the entire film.

皮膜の気孔率を15体積%以上に限定したのは、気孔率が15体積%より小さい場合、気孔の一部又はかなりの部分が閉気孔になってしまい、十分な空気層の形成ができないからである。また、皮膜の気孔率を50%以下に限定したのは、気孔率が50体積%より大きい場合、皮膜の強度、耐久性が十分でなくなってしまい剥がれ等の問題が生じるためである。   The reason why the porosity of the film is limited to 15% by volume or more is that when the porosity is smaller than 15% by volume, a part or a substantial part of the pores are closed and a sufficient air layer cannot be formed. It is. Further, the reason why the porosity of the film is limited to 50% or less is that when the porosity is larger than 50% by volume, the strength and durability of the film become insufficient and problems such as peeling occur.

ここで、気孔率とは、皮膜全体に対する空洞部の体積比率を示したものである。なお、図1における断面では、気孔が連続的繋がっていないように見えるが、3次元的には連続的に繋がっている。   Here, the porosity indicates the volume ratio of the cavity to the entire coating. In addition, in the cross section in FIG. 1, although it seems that the pore is not connected continuously, it is connected continuously three-dimensionally.

また、本発明の撥水性コーティング皮膜1は、金属基材2上に形成されているが、この基材として用いることができるものは金属に限られず、樹脂やセラミックス等の撥水性コーティング皮膜を形成することができるものであれば特に限定されるものではない。   In addition, the water-repellent coating film 1 of the present invention is formed on the metal substrate 2, but the material that can be used as the substrate is not limited to metal, and forms a water-repellent coating film such as resin or ceramics. If it can do, it will not specifically limit.

また、本発明に係わる撥水性コーティング皮膜は、上記した目的を達成するために、撥水性コーティング皮膜において、皮膜とその皮膜に接触する液体との接触角が90°以上であることが好ましい。   In order to achieve the above-described object, the water-repellent coating film according to the present invention preferably has a contact angle of 90 ° or more between the film and the liquid in contact with the film.

図2は水に対する接触角の定義を説明するための図であるが、この図において接触角θは以下のように定義される。   FIG. 2 is a view for explaining the definition of the contact angle with respect to water. In this figure, the contact angle θ is defined as follows.

θ=2tan−1(h/r)
本発明の撥水性コーティング皮膜において、接触する液体に対する接触角を90°以上が好ましいとしたのは、接触角が90°より小さい場合には、流体の固体との界面における滑りが不十分であり、圧力損失低減の効果が小さくなるためである。
θ = 2 tan −1 (h / r)
In the water-repellent coating film of the present invention, the contact angle with respect to the liquid to be contacted is preferably 90 ° or more. When the contact angle is smaller than 90 °, the slip at the interface with the fluid solid is insufficient. This is because the effect of reducing the pressure loss is reduced.

なお、接触する液体は、水又は水を含む液体であることが好ましく、このとき、それらの液体に対して接触角が90°以上となる撥水性コーティング皮膜を用いることが好ましい。ここで、水または水を含む液体に対する接触角が90°以上となる撥水性コーティング皮膜としては、例えば、フッ素樹脂を主成分とするもの、酸化ケイ素を主成分とするもの、酸化アルミニウムを主成分とするもの、酸化ジルコニウムを主成分とするもの、あるいはこれらの混合系等が挙げられる。   The liquid to be contacted is preferably water or a liquid containing water. At this time, it is preferable to use a water repellent coating film having a contact angle of 90 ° or more with respect to those liquids. Here, examples of the water-repellent coating film having a contact angle with water or a liquid containing water of 90 ° or more include, for example, a fluorine resin as a main component, a silicon oxide as a main component, and an aluminum oxide as a main component. And those containing zirconium oxide as a main component, or a mixed system thereof.

また、本発明に係わる撥水性コーティング皮膜は、その接触する流体として、水又は水を含む液体であることが好ましく、ここで水を含む液体としては、水溶性又は水に不溶の無機化合物又は有機化合物を含む水系の液体が挙げられ、具体的には、海水、河川水、不凍液(エチレングリコール系、プロピレングリコール系等)、錆び止め剤を含む水等が挙げられる。   In addition, the water-repellent coating film according to the present invention is preferably water or a liquid containing water as the fluid in contact with the water-repellent coating film, and the water-containing liquid is an inorganic compound or organic compound that is water-soluble or insoluble in water. Examples include water-based liquids containing compounds, and specific examples include seawater, river water, antifreeze liquids (ethylene glycol-based, propylene glycol-based, etc.), water containing rust inhibitors, and the like.

また、本発明に係わる撥水性コーティング皮膜は、皮膜の膜厚が0.1μm以上で50μm以下であることが好ましい。撥水性コーティング皮膜の膜厚を0.1μm以上に限定したのは、皮膜が0.1μmより小さい場合には、部分的に被膜の形成されていない部位が生じたり、あるいはわずかな摩耗により被膜が失われてしまうためである。従って十分な撥水性を維持することができず、本発明の目的を達成することができない。一方、50μm以下に限定したのは、皮膜の膜厚が50μmより厚い場合には、密着強度が減少し、はがれ等の問題が発生し、実機への適用が困難となるためである。   The water-repellent coating film according to the present invention preferably has a film thickness of 0.1 μm or more and 50 μm or less. The reason for limiting the film thickness of the water-repellent coating film to 0.1 μm or more is that when the film is smaller than 0.1 μm, a part of the film is not formed or the film is not worn due to slight wear. Because it will be lost. Accordingly, sufficient water repellency cannot be maintained, and the object of the present invention cannot be achieved. On the other hand, the reason why the thickness is limited to 50 μm or less is that when the film thickness is greater than 50 μm, the adhesion strength decreases, problems such as peeling occur, and it becomes difficult to apply to an actual machine.

また、本発明の無機粒子は、平均粒径1nm以上で300nm以下であることが好ましい。無機粒子が連続気孔を有する皮膜中に配合された場合、この無機粒子が皮膜に保持された近傍において安定的な空気層の形成が可能となる。ここで平均粒径を300nm以下に限定したのは、平均気孔径が300nmより大きい場合では、無機粒子近傍に形成される空隙が大きく、この空隙への流体の進入が十分抑制されず、空気層が安定的に保持されないためである。一方、平均粒径を1nm以上に限定したのは、平均粒径が1nmより小さい場合は、空気層の形成が困難となり、本発明の目的である圧損低減が困難となる。   The inorganic particles of the present invention preferably have an average particle size of 1 nm or more and 300 nm or less. When inorganic particles are blended in a film having continuous pores, a stable air layer can be formed in the vicinity where the inorganic particles are held in the film. Here, the average particle size is limited to 300 nm or less. When the average pore size is larger than 300 nm, the voids formed in the vicinity of the inorganic particles are large, and the entry of fluid into the voids is not sufficiently suppressed, and the air layer This is because is not stably maintained. On the other hand, the reason why the average particle size is limited to 1 nm or more is that when the average particle size is smaller than 1 nm, it is difficult to form an air layer, and it is difficult to reduce the pressure loss, which is the object of the present invention.

さらに、この無機粒子の体積比率は、気孔を除いた皮膜全体の2体積%以上30体積%以下であることが望ましい。無機粒子の体積比率を2体積%以上に限定したのは、体積比率が2体積%より小さい場合、無機粒子近傍における空気層保持の効果が小さいためであり、また、無機粒子の体積比率を30体積%以下に限定したのは、体積比率が30体積%より大きい場合、無機粒子の脱落が生じてしまい、皮膜の強度、耐久性が十分でなくなるためである。   Furthermore, the volume ratio of the inorganic particles is desirably 2% by volume or more and 30% by volume or less of the entire coating excluding the pores. The reason why the volume ratio of the inorganic particles is limited to 2% by volume or more is that when the volume ratio is smaller than 2% by volume, the effect of holding the air layer in the vicinity of the inorganic particles is small, and the volume ratio of the inorganic particles is 30%. The reason why it is limited to not more than volume% is that when the volume ratio is larger than 30 volume%, the inorganic particles fall off and the strength and durability of the film are not sufficient.

また、本発明に係わる無機粒子は、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、金属ケイ化物等の金属化合物あるいはカーボン等を挙げることができる。このとき、結晶質、非晶質は問わない。具体的には、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化クロム、酸化イットリウム、酸化ニオブ等の金属酸化物、窒化ケイ素、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化クロム等の金属窒化物、炭化ケイ素、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化クロム等の金属炭化物、ケイ化モリブデン、ケイ化タングステン等の金属ケイ化物が挙げられる。また、特にカーボンはそれ自身が撥水性を有すると同時に化学的にも安定であり、環境面においても実用性の高い材料である。さらに、カーボンナノチューブはチューブ内に空洞を有すると同時に粒子形状がアスペクト比をもつため、これが本発明の要点である空気層の保持にとって極めて好適である。   Examples of the inorganic particles according to the present invention include metal compounds such as metal oxides, metal nitrides, metal carbides, metal silicides, and carbon. At this time, crystalline and amorphous are not asked. Specifically, metal oxides such as titanium oxide, zirconium oxide, aluminum oxide, silicon oxide, chromium oxide, yttrium oxide and niobium oxide, metal nitrides such as silicon nitride, titanium nitride, zirconium nitride and chromium nitride, silicon carbide Metal carbides such as titanium carbide, zirconium carbide and chromium carbide, and metal silicides such as molybdenum silicide and tungsten silicide. In particular, carbon itself has water repellency and is chemically stable, and is a highly practical material in terms of environment. Furthermore, since the carbon nanotube has a cavity in the tube and at the same time the particle shape has an aspect ratio, this is very suitable for maintaining the air layer, which is the main point of the present invention.

また、本発明に係わる撥水性コーティング皮膜において、配合する無機粒子はアスペクト比2以上の柱状、または針状粒子であることが好ましい。その理由は、無機粒子がアスペクト比を持つことによって、無機粒子が皮膜中に固定される部位近傍において、安定な空気層の形成が可能となり、本発明の目的である圧損低減において極めて好適である。   In the water-repellent coating film according to the present invention, the inorganic particles to be blended are preferably columnar or needle-like particles having an aspect ratio of 2 or more. The reason is that the inorganic particles have an aspect ratio, so that a stable air layer can be formed in the vicinity of the portion where the inorganic particles are fixed in the film, which is extremely suitable for reducing the pressure loss, which is the object of the present invention. .

次に、本発明の撥水性コーティング皮膜の製造方法について説明する。本発明の撥水性コーティング皮膜の製造方法は、まず、撥水性コーティング皮膜を形成することができる組成物中に、気孔形成用物質を配合して撥水性皮膜組成物を調製し、これを基材表面に皮膜形成した後に気孔形成用物質を皮膜より消失させることにより気孔を形成することができる。   Next, the manufacturing method of the water-repellent coating film of the present invention will be described. In the method for producing a water-repellent coating film of the present invention, first, a water-repellent film composition is prepared by blending a pore-forming substance in a composition capable of forming a water-repellent coating film. The pores can be formed by removing the pore-forming substance from the coating after forming the coating on the surface.

また、気孔を形成するための気孔形成用物質は、皮膜を形成するまでの工程においては、粒状の固形状又は液体状で存在し、皮膜を形成した後、気孔を形成する工程においてこの物質のみが消失することで撥水性コーティング皮膜に気孔を形成するものである。   In addition, the pore-forming substance for forming pores exists in the form of a granular solid or liquid in the process until the film is formed, and only this substance is formed in the process of forming the pores after forming the film. As a result of disappearance of pores, pores are formed in the water-repellent coating film.

例えば、撥水性皮膜組成物がセラミック形成用の組成物である場合には、焼成温度以下で蒸発又は昇華する化合物を用いることができ、また、焼成操作をしない場合、あるいは焼成、及び熱処理温度が比較的低い場合には、基体上に皮膜を形成した後に、これを水又は溶液に浸漬することによって、水又は溶液中に溶解、溶出する物質を用いることができる。   For example, when the water-repellent coating composition is a composition for forming a ceramic, a compound that evaporates or sublimes below the firing temperature can be used, and when the firing operation is not performed, or the firing and heat treatment temperatures are In the case where the temperature is relatively low, a substance that dissolves and elutes in water or a solution can be used by immersing the film in water or a solution after forming a film on the substrate.

この気孔形成用物質としては、ポリエチレングリコールをはじめとして、皮膜形成時の焼成、又は皮膜形成後の溶出等により除去可能なものであればその材質は特に限定されるものではなく、なかでも、ポリエチレングリコールは、広い範囲の分子量のものが安価で市販されており低コストであって、沸点が150℃〜200℃と低いことからセラミックで皮膜を形成する際には焼成と同時に消失させることができ、また、水に可溶であるため、水や水溶液に浸漬して溶解、溶出させて消失させることもでき、本発明の撥水性コーティング皮膜を形成するのに好適な化合物である。   The pore-forming substance is not particularly limited as long as it can be removed by polyethylene glycol, baking during film formation, or elution after film formation. Glycols with a wide range of molecular weights are inexpensive and commercially available, and are low in cost. Since the boiling point is as low as 150 ° C to 200 ° C, they can be lost simultaneously with firing when forming a film with ceramic. Moreover, since it is soluble in water, it can be dissolved and eluted by immersing it in water or an aqueous solution, and it is a suitable compound for forming the water-repellent coating film of the present invention.

なお、撥水性コーティング皮膜の気孔は、この気孔形成用物質が消失して形成されるものであるため、気孔形成用物質の分子量等と密接に関連し、所望の平均気孔径に合わせて所定の分子量等を有する気孔形成用物質、すなわち形成したい平均気孔径と近い分子量を有する気孔形成用物質を選択すればよく、これにより平均気孔径の制御をすることができる。さらに、この調製工程において、気孔形成用物質の配合比率によって、気孔率も制御することができる。   The pores of the water-repellent coating film are formed by the disappearance of the pore-forming substance, and are therefore closely related to the molecular weight of the pore-forming substance, and are determined according to a desired average pore diameter. A pore-forming substance having a molecular weight or the like, that is, a pore-forming substance having a molecular weight close to the average pore diameter to be formed may be selected, whereby the average pore diameter can be controlled. Further, in this preparation step, the porosity can be controlled by the mixing ratio of the pore-forming substance.

このように平均気孔径及び気孔率は気孔形成用物質の分子量や配合量により制御することができるため、この撥水性コーティング皮膜と接触する液体に対して、最適な平均気孔径及び気孔率とするように条件を設定して撥水性コーティング皮膜を形成することが可能であり、圧力損失の低減を達成できる撥水性コーティング皮膜を効率的に得ることができる。   Thus, since the average pore diameter and porosity can be controlled by the molecular weight and blending amount of the pore-forming substance, the optimum average pore diameter and porosity are set for the liquid in contact with the water-repellent coating film. Thus, the water-repellent coating film can be formed by setting the conditions as described above, and the water-repellent coating film capable of achieving a reduction in pressure loss can be efficiently obtained.

また、焼成操作をしない組成物等の場合には、皮膜を形成した後に、この皮膜を水又は溶液に浸漬し、気孔形成用物質を溶解、溶出させて撥水性コーティング皮膜中に気孔を形成することができる。この溶解や溶出させる際に、これらを促進するために超音波処理を行っても良い。   In the case of a composition that is not subjected to a firing operation, after forming a film, the film is immersed in water or a solution to dissolve and elute the pore-forming substance to form pores in the water-repellent coating film. be able to. When dissolving or eluting, ultrasonic treatment may be performed in order to promote these.

以下、本発明について実施例及び比較例を参照しながら説明する。なお、本実施例及び比較例においては、図1に示したように、金属基材1の表面に撥水性を有し、かつ微細な連続気孔3の形成された皮膜2の中に無機粒子4を有する構造の撥水性コーティング皮膜を形成した。   The present invention will be described below with reference to examples and comparative examples. In the present example and the comparative example, as shown in FIG. 1, the inorganic particles 4 are contained in the coating 2 having water repellency on the surface of the metal substrate 1 and formed with fine continuous pores 3. A water-repellent coating film having a structure having

また、撥水性コーティング皮膜の性能評価は、図3に示したように、内面に撥水性コーティング皮膜を形成した金属配管5に、水を流通させるためのポンプと、入口、出口のそれぞれに圧力測定のための圧力計6,7を設けた装置を使用し、この配管5内にポンプの圧力により水を矢印方向に注入し、入口と出口の圧力を圧力計6,7により計測して圧力損失を評価して行った。   In addition, as shown in FIG. 3, the performance evaluation of the water-repellent coating film was carried out by measuring the pressure at each of the pump and the inlet and outlet for circulating water through the metal pipe 5 having the water-repellent coating film formed on the inner surface. The pressure gauge 6 and 7 is used to inject water into the pipe 5 in the direction of the arrow by the pump pressure, and the pressure at the inlet and outlet is measured by the pressure gauges 6 and 7. Was evaluated.

(実施例1)
フッ素樹脂を含む水系スラリーにポリエチレングリコール#400(和光純薬株式会社製)、及び粒径100nmのカーボン粉末を、皮膜として形成した場合に気孔を除いた皮膜部分全体に対して20体積%になるように配合して分散液とした。このときのポリエチレングリコールの配合量は、皮膜形成後の水中における浸漬工程でポリエチレングリコールが溶出することにより気孔率が45%形成されるようにした。この分散液を、外径8mm、内径6mm、長さ1mのアルミニウム管の内面にディピングにより塗布し、塗布後、常温で約15時間乾燥し、大気中120℃で30分熱処理して皮膜を形成した。その後、このアルミニウム管を常温で水中に浸漬させて、超音波処理を行いながら、ポリエチレングリコールを皮膜から溶出させ、気孔を形成した。
Example 1
When polyethylene glycol # 400 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and carbon powder having a particle size of 100 nm are formed as a film in an aqueous slurry containing a fluororesin, the volume becomes 20% by volume with respect to the entire film portion excluding pores. Thus, a dispersion was prepared. The blending amount of polyethylene glycol at this time was such that a porosity of 45% was formed by elution of polyethylene glycol in the immersion step in water after film formation. This dispersion is applied to the inner surface of an aluminum tube having an outer diameter of 8 mm, an inner diameter of 6 mm, and a length of 1 m by dipping. After coating, the coating is dried at room temperature for about 15 hours and heat treated at 120 ° C. for 30 minutes in the atmosphere to form a film. did. Thereafter, the aluminum tube was immersed in water at room temperature and polyethylene glycol was eluted from the film while performing ultrasonic treatment to form pores.

このときのコーティング膜の膜厚は約1μmで、皮膜の平均気孔径は30nmであり、この皮膜の水に対する接触角は約100°であった。得られたアルミニウム管を用いて図3に示した装置構成とし、アルミニウム管の内部にポンプにより常温の純水を通過させながら入口と出口の圧力(静圧)を測定することによりアルミニウム管の圧力損失を測定した。なお、このときのレイノルズ数は1,000(層流域)であった。その結果、被膜の形成された管は、被膜が形成されていないものと比較して約15%の圧力損失の低減が認められ、圧力損失の低減を効果的に行うことができることが確認できた。   The film thickness of the coating film at this time was about 1 μm, the average pore diameter of the film was 30 nm, and the contact angle of this film with water was about 100 °. The apparatus configuration shown in FIG. 3 was obtained using the obtained aluminum tube, and the pressure of the aluminum tube was measured by measuring the pressure (static pressure) at the inlet and outlet while passing pure water at room temperature through the pump inside the aluminum tube. Loss was measured. The Reynolds number at this time was 1,000 (laminar flow region). As a result, it was confirmed that the tube with the coating formed was reduced by about 15% in the pressure loss compared to the tube without the coating, and the pressure loss could be reduced effectively. .

(実施例2)
組成物中に配合するカーボン粒子の量を減量し、気孔を除く皮膜全体に対しカーボンの配合量を10体積%とした他は実施例1とまったく同じ方法で皮膜を形成し、実施例1と同じ方法で圧力損失を測定した。その結果、被膜の形成された管は、被膜が形成されていないものと比較して約12%の圧力損失の低減が認められた。
(Example 2)
A coating film was formed in exactly the same manner as in Example 1 except that the amount of carbon particles blended in the composition was reduced and the blending amount of carbon was 10% by volume with respect to the entire coating film excluding pores. The pressure loss was measured by the same method. As a result, the pressure loss of the tube with the coating film was recognized by about 12% as compared with the tube without the coating film.

(実施例3)
組成物中に配合するカーボン粒子の量を減量し、気孔を除く皮膜全体に対しカーボンの配合量を5体積%とした他は実施例1とまったく同じ方法で皮膜を形成し、実施例1と同じ方法で圧力損失を測定した。その結果、被膜の形成された管は、被膜が形成されていないものと比較して約8%の圧力損失の低減が認められた。
(Example 3)
A coating film was formed in exactly the same manner as in Example 1 except that the amount of carbon particles blended in the composition was reduced and the blending amount of carbon was 5% by volume with respect to the entire coating film excluding pores. The pressure loss was measured by the same method. As a result, the tube with the coating formed was found to have a pressure loss reduction of about 8% compared to the tube without the coating.

(比較例1)
組成物中に配合するカーボン粒子の量を減量し、気孔を除く皮膜全体に対しカーボンの配合量を1体積%とした他は実施例1とまったく同じ方法で皮膜を形成し、実施例1と同じ方法で圧力損失を測定した。その結果、被膜の形成された管は、被膜が形成されていないものと比較して圧力損失の低下は認められなかった。
(Comparative Example 1)
A coating film was formed in exactly the same manner as in Example 1 except that the amount of carbon particles blended in the composition was reduced and the blending amount of carbon was 1% by volume with respect to the entire coating film excluding pores. The pressure loss was measured by the same method. As a result, the pipe with the coating film did not show a decrease in pressure loss as compared with the pipe without the coating film.

(比較例2)
組成物中に配合するカーボン粒子の量を増量し、気孔を除く皮膜全体に対しカーボンの配合量を35体積%とした他は実施例1とまったく同じ方法で皮膜を形成し、第1の実施例と同じ方法で圧力損失を測定した。その結果、被膜の形成された管は、被膜が形成されていないものと比較して約2%の圧力損失の低減しか認められなかった。
(Comparative Example 2)
The film was formed in exactly the same manner as in Example 1 except that the amount of carbon particles blended in the composition was increased and the blending amount of carbon was 35% by volume with respect to the entire film excluding pores. The pressure loss was measured in the same way as the example. As a result, the tube with the coating was only reduced by about 2% in pressure loss compared to the tube without the coating.

(比較例3)
組成物中に配合するカーボン粒子の平均粒径を400nmとした他は実施例1とまったく同じ方法で皮膜を形成した。このときの皮膜の水に対する接触角は約100°であり、皮膜の気孔率は45%であった。この皮膜を形成した管について、第1の実施例と同じ方法で圧力損失を測定した。その結果、被膜の形成された管は、被膜が形成されていないものと比較して約4%の圧力損失の低下しか認められなかった。
(Comparative Example 3)
A film was formed in exactly the same manner as in Example 1 except that the average particle size of the carbon particles blended in the composition was 400 nm. At this time, the contact angle of the film with water was about 100 °, and the porosity of the film was 45%. With respect to the tube on which this film was formed, the pressure loss was measured by the same method as in the first example. As a result, the tube with the coating was only found to have a pressure loss reduction of about 4% compared to the tube without the coating.

(比較例4)
組成物中に配合するカーボン粒子の平均粒径を0.5nmとした他は実施例1とまったく同じ方法で皮膜を形成した。このときの皮膜の水に対する接触角は約100°であり、皮膜の気孔率は45%であった。この皮膜を形成した管について、第1の実施例と同じ方法で圧力損失を測定した。その結果、被膜の形成された管は、被膜が形成されていないものと比較して圧力損失の低下は認められなかった。
(Comparative Example 4)
A film was formed in exactly the same manner as in Example 1 except that the average particle size of the carbon particles blended in the composition was 0.5 nm. At this time, the contact angle of the film with water was about 100 °, and the porosity of the film was 45%. With respect to the tube on which this film was formed, the pressure loss was measured by the same method as in the first example. As a result, the pipe with the coating film did not show a decrease in pressure loss as compared with the pipe without the coating film.

以上述べたように、本発明の実施の形態によれば、長期に渡り安定的に空気層を保持することができ、低流速域のみならず、高流速域においても安定的に空気層を保持することができるので、流体の関与する機器・システムにおいて流体摩擦抵抗を低減し、エネルギー効率を飛躍的に向上させることができる。   As described above, according to the embodiment of the present invention, an air layer can be stably maintained over a long period of time, and the air layer can be stably maintained not only in a low flow rate region but also in a high flow rate region. Therefore, fluid friction resistance can be reduced and energy efficiency can be drastically improved in devices and systems involving fluid.

本発明の撥水性コーティング皮膜を金属基材上に形成した場合の模式断面図。The schematic cross section at the time of forming the water-repellent coating film of this invention on a metal base material. 本発明の撥水性コーティング皮膜における液体の接触角の説明図。Explanatory drawing of the contact angle of the liquid in the water-repellent coating film of this invention. 本発明の撥水性コーティング皮膜を形成した配管の圧力損失を評価する装置の模式図。The schematic diagram of the apparatus which evaluates the pressure loss of the piping which formed the water-repellent coating film of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…撥水性コーティング皮膜、2…金属基材、3…気孔、4…無機粒子、
5…アルミニウム管、6…圧力計(液体入口測定用)、7…圧力計(液体出口測定用)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Water-repellent coating film, 2 ... Metal base material, 3 ... Pore, 4 ... Inorganic particle,
5 ... Aluminum tube, 6 ... Pressure gauge (for liquid inlet measurement), 7 ... Pressure gauge (for liquid outlet measurement)

Claims (11)

皮膜に形成された気孔の平均気孔径が5nm以上で50nm以下であり、かつ前記皮膜の気孔率が15体積%以上で50体積%以下であり、かつ前記皮膜中に無機粒子を含むことを特徴とする撥水性コーティング皮膜。 The average pore diameter of pores formed in the film is 5 nm or more and 50 nm or less, the porosity of the film is 15% by volume or more and 50% by volume or less, and the film contains inorganic particles. Water repellent coating film. 前記皮膜とその皮膜に接触する液体との接触角が90°以上であることを特徴とする請求項1記載の撥水性コーティング皮膜。 The water repellent coating film according to claim 1, wherein a contact angle between the film and a liquid in contact with the film is 90 ° or more. 前記皮膜に接触する液体が水又は水を含む液体であることを特徴とする請求項1又は2記載の撥水性コーティング皮膜。 The water repellent coating film according to claim 1 or 2, wherein the liquid in contact with the film is water or a liquid containing water. 前記皮膜の膜厚が0.1μm以上で50μm以下であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の撥水性コーティング皮膜。 The water-repellent coating film according to any one of claims 1 to 3, wherein the film thickness is 0.1 µm or more and 50 µm or less. 前記皮膜がフッ素樹脂からなることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載の撥水性コーティング皮膜。 The water-repellent coating film according to claim 1, wherein the film is made of a fluororesin. 前記無機粒子が平均粒径1nm以上300nm以下であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項記載の撥水性コーティング皮膜。 6. The water-repellent coating film according to claim 1, wherein the inorganic particles have an average particle diameter of 1 nm or more and 300 nm or less. 前記無機粒子が皮膜全体の2体積%以上30体積%以下であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項記載の撥水性コーティング皮膜。 The water-repellent coating film according to any one of claims 1 to 6, wherein the inorganic particles are 2 vol% or more and 30 vol% or less of the entire film. 前記無機粒子がカーボンからなることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項記載の撥水性コーティング皮膜。 The water repellent coating film according to claim 1, wherein the inorganic particles are made of carbon. 前記無機粒子がアスペクト比2以上の柱状または針状粒子であることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項記載の撥水性コーティング皮膜。 The water-repellent coating film according to any one of claims 1 to 8, wherein the inorganic particles are columnar or acicular particles having an aspect ratio of 2 or more. 前記無機粒子がカーボンナノチューブであることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項記載の撥水性コーティング皮膜。 The water-repellent coating film according to any one of claims 1 to 8, wherein the inorganic particles are carbon nanotubes. 流体を輸送する配管であって、その内部を通過させることにより前記流体を輸送する配管の内表面に、請求項1乃至10のいずれか1項記載の撥水性コーティング皮膜を形成したことを特徴とする流体輸送配管。 It is piping which conveys fluid, Comprising: The water-repellent coating film of any one of Claims 1 thru | or 10 was formed in the inner surface of piping which conveys the said fluid by passing the inside. Fluid transport piping.
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