JP3264667B2 - ケイ酸化合物を用いた表面保護方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は金属および木材の表面保護工程すなわち方法
に関し、特に、このような表面に保護バリアを形成した
保護バリアを吸収させたりすることで、摩耗、腐食、
熱、火災などから表面を保護するための方法および工程
に関する。

従来技術 摩耗、腐食、熱、火災などによる金属製品や木製品の
破壊は当然のことながら多くの産業界で経済的な打撃と
なり、このような破壊力を抑制する方法を考え出すのは
極めて重要なことである。１つの方法として、製品の外
気に触れる表面に保護バリアすなわち保護被膜を形成す
るというものがある。

使用できる保護バリアの種類は様々である。この中に
は、製品の表面に直接塗布するペイントやワニス、ラッ
カーなどの有機組成物も含まれる。保護バリアとして作
用させるためには、有機組成物と処理対象となる表面と
の相性がよくなければならない。また、有機組成物によ
っては表面に対する適度な接着性および付着性を発揮す
るために塗布前に表面を前処理しておかなければならな
い場合もある。例えばアルミニウムやアルミニウム合金
の表面にペイントを塗布する場合、表面にペイントを付
着させるためには表面の汚れを完全に落とし、さらに
「粗面処理」あるいは「酸洗い」をしておかなければな
らない。しかしながら、比較的稀薄なペイントを使用す
る場合にはペイント層の下に「粗面処理」あるいは「酸
洗い」した表面が見えてしまい、用途によっては好まし
くない。また、有機組成物を使用すると、多くの場合形
成される保護バリアが比較的軟質で摩耗や腐食に対する
耐性のないものとなる。さらに、有機組成物はそれ自体
可燃成分を含有し、熱や火炎に対する保護性は低いか全
くないことが多い。

様々な金属表面と化学的に結合するケイ酸化合物を使
用した保護バリアもある。いろいろなケイ酸化合物を使
用して摩耗や腐食に強い硬質かつ平滑な表面を形成し得
ることはよく知られている。例えば、リソグラフィ業界
では、Casson Jr.ら（米国特許第3,658,662号）がアル
ミニウム材料またはアルミニウム合金材料で作られた板
をケイ酸処理することで板の表面と腐食性ジアゾニウム
塩やリソグラフィ工程で使用される他の感光性被膜との
間に硬質かつ平滑なバリアを形成したリソグラフィ板を
開示している。ケイ酸化合物を使用することのもう１つ
の利点は、その耐熱性や防火性である。例えば、Kim
（米国特許第4,810,741号）は、ケイ酸化合物すなわち
ケイ酸ナトリウムの他、可燃性材料に使用できる様々な
成分を含有した防火性かつ非燃性の材料を生成するため
の合成方法を開示している。

アルミニウム製品についてみると、ケイ酸処理を施す
ための方法には非電界法と電界法の２つがある。非電界
法を使用する場合、アルミニウム表面をケイ酸含有溶液
に浸漬し、アルミニウム表面上にケイ酸化合物の層を繰
り返し形成する。残念なことにケイ酸アルミニウムの層
とアルミニウム表面との間の結合力は弱く、一部の酸や
塩基、食塩水に対して耐性を有するのみである。さら
に、金属表面上の不純物、溶液のpH、ケイ酸濃度、溶液
の温度などの要素は一定している訳ではなく、非電界法
の成果はこれらの要素に影響されるため、一様な成果を
達成することは難しい。

一方、Casson Jr.ら（米国特許第3,658,662号）に開
示された電界法は、もっと複雑で時間のかかるものであ
る。大まかに言って、この工程ではケイ酸ナトリウムな
どの塩の塩基性電解質溶液とアノードとして作用するア
ルミニウムとを使用する。アノードとカソードとの間に
電気を供給し、アノードの表面にケイ酸化合物のバリア
を形成する。Casson Jr.らにおいて、発明者らは電界
によってアルミニウムの表面に改善されたケイ酸化合物
バリアを形成できると報告しているが、この方法は木材
など非金属製物質の表面では使用できない。

従って、金属と木材のどちらの表面にも適用でき、ケ
イ酸化合物含有物質の保護バリアを形成して摩耗や腐
食、熱、火炎などから表面を保護するための簡単な方法
が必要とされているのである。

発明の開示 本発明の目的は、金属または木材の表面を摩耗や腐
食、熱、火炎などから保護するための比較的簡単な工程
を提供することにある。

本発明の他の目的は、このような工程を提供すること
によって金属または木材の表面に様々なケイ酸化合物製
の外側バリアを形成することにある。

本発明のさらに他の目的は、電界を使用せず、環境上
問題のある化学物質や化合物を使用したり生成したりす
ることもない工程を提供することにある。本発明の上述
したような目的および他の目的、利点などについては、
本発明を実施するための最良の形態のいくつかについて
の添付の記載事項を読むことで当業者らが理解できるも
のである。

ケイ酸化合物の中には、乾燥させると耐摩耗性および
耐腐食性のある比較的硬質で平滑な層を形成するものが
多数あることは周知である。また、ケイ酸化合物の中に
は、乾燥させると耐熱性および防火性になるものが多い
ことも周知である。しかしながら、今まで全く知られて
いなかったのは、金属や木材の表面に、様々なケイ酸化
合物からなる一層又はそれ以上を形成して保護バリアと
する簡単な工程である。

ここに開示する工程では、ケイ酸塩からなる一層又は
それ以上の内側層と、その上の二酸化ケイ素からなる外
側層とを含む保護バリアを形成する。このような保護バ
リアを形成するために、まず金属や木材の表面上に固定
面を形成する。固定面を形成する際、最初に表面を洗剤
および温水で洗浄する。金属製品を使用する場合、次に
表面を固定用酸性溶液に浸漬し、表面をエッチングすな
わち表面との間に化学反応を起こさせて表面上に薄膜層
を形成する。薄膜層は金属酸化物などの結合物質を含
む。この結合物質によって次のステップで形成するケイ
酸塩の層を表面に結合させることができる。好ましい工
程において、固定用の酸は、金属酸化物と金属オルトリ
ン酸塩とを含む薄膜層を形成するリン酸である。金属製
品の表面を酸に曝露した後、表面を布で拭くか加圧温水
で洗浄して過剰酸や酸化物、表面に対する接着力の弱い
不純物などを強制的に除去する。木製品を使用する場合
には、固定面を形成するための以後のステップは必要で
はない。

金属製品または木製品の表面に固定面を形成した後、
これをアルカリまたはアルカリ土類金属ケイ酸塩溶液に
曝露する。この工程では様々な種類のケイ酸化合物溶液
を使用することができるが、好ましい工程では固定面を
18〜33％（v/v）のケイ酸ナトリウム溶液に曝露する。
曝露後、好ましくは華氏302度以上の温度で固定面を完
全に乾燥させ、固定面上にケイ酸塩の薄層を形成する。
乾燥ステップを行っている間にケイ酸塩の一部が転化し
て二酸化ケイ素になるのは自明のことである。木材の表
面では言うまでもなく最初に溶液に晒している間に表面
付近の木繊維がケイ酸塩溶液の一部を吸収する。吸収さ
れるケイ酸塩溶液の量は木材の種類、木材の多孔度、暴
露時間などによって変化する。

この工程の間にケイ酸塩の第一層目にひび割れや不完
全な部分が生じる可能性もあるため、全工程を繰り返し
てケイ酸塩の層上にさらに複数のケイ酸塩の層を形成す
るとよい。ケイ酸塩の層数が増せば製品の摩耗や腐食、
火炎、熱などに対する保護性も大きくなる。ケイ酸塩の
最終層を形成して乾燥させた後、これを強酸溶液に曝露
する。この間に、ケイ酸塩の最終層はケイ酸塩の内層と
二酸化ケイ素の外層とからなる外側二重層構造に変わ
る。全工程が完了すると、保護バリアは、部分的に二酸
化ケイ素に転化したケイ酸塩からなる複数の内側層と、
ケイ酸塩の内層と二酸化ケイ素の外層とからなる外側二
重層とを含む。

乾燥させたケイ酸塩の各層を、その上に次のケイ酸塩
の層を形成する前に強酸に曝露するなど、上述した工程
をさらに部分的に修正してもよい。このようにすれば、
固定面上に上述した外側二重層と類似の二重層を複数形
成して保護バリアの摩耗や腐食、火炎、熱などに対する
耐性を向上させることができる。この方法を使用する場
合、ケイ酸塩の各層は、ケイ酸塩の層と二酸化ケイ素の
外層とからなる内側の二重層になる。たいていの用途で
は、外側二重層の下に内側二重層を形成して保護性を十
分なものとする。全工程が完了すると、金属や木材の製
品の上に保護バリアが形成され、製品を摩耗や腐食、
熱、火炎などから保護する。

図面の簡単な説明 図１は、ケイ酸塩の内側層と外側二重層とからなる保
護バリアを形成した金属製品の断面図である。

図２は、ケイ酸塩の内側層二層と外側二重層とからな
る保護バリアを形成した金属製品の断面図である。

図３は、二層の二重層からなる保護バリアを形成した
金属製品の断面図である。

図４は、ケイ酸塩の内側層二層と外側二重層とからな
る保護バリアを形成した木製品の断面図である。

図５は、ケイ酸塩の内側層と外側二重層とからなる保
護バリアを形成した木製品の断面図である。

発明を実施するための最良の形態 以下に開示の発明は、摩耗や腐食、熱、火炎などから
金属および木材の表面を保護するための工程である。こ
こで、「金属」という用語はスチールやアルミニウム、
金属合金などのの金属化合物を含有する表面を意味する
ものとする。また、「木材」という用語は、あらゆる種
類の木材および木製品を指すものとする。金属や金属合
金、木材、木製品のすべてをここに開示の工程で試験し
たわけではないが、本工程はアルミニウムや銅、カドミ
ウム、マグネシウム、ニッケル、銀、スチール、チタン
およびこれらの合金で作られた物品ならびに木製品に使
用できると思ってよい。また、本工程は他の材料で作ら
れた物品にも同様に適用できるものと思ってよい。

図１に示すように、ここに開示の工程を使用して金属
製品10の固定面12上に保護バリア14を形成する。本工程
を使用すると、保護バリア14はケイ酸塩材料からなる内
側層18を覆う外側二重層構造22を含む。金属製品10の処
理に本工程を使用する場合、まず物品10の上に固定面12
を形成する。最初に、処理対象となる表面を清浄して乾
燥させる。清浄および乾燥にはこれといって特に好まし
い工程があるわけではなく、温水と洗剤を使用すれば十
分である。次に表面をエッチングすなわち表面と化学的
に反応する固定用酸性溶液にこの表面を曝露し、表面上
に薄膜層16を形成する。薄膜層16は金属酸化物などの結
合物質を含有し、この結合物質によって後で形成するケ
イ酸塩の層を表面に結合させる。好ましい工程におい
て、固定用酸性溶液は３〜10分間表面上においた20％〜
25％リン酸である。リン酸を使用する場合、リン酸は表
面をエッチングして表面と化学的に反応し、金属オルト
リン酸および金属酸化物塩からなる薄膜層16が形成され
る。固定用酸性溶液として他の酸を使用してもよいが、
リン酸を使用した場合に限ってリン酸以外の酸を使用し
た時に形成される金属酸化物などの塩よりも表面12にし
っかりと結合する金属オルトリン酸塩が形成される。ま
た、塩酸などのリン酸よりも強い酸を使用すると表面が
必要以上に酸化してしまうことにも注意されたい。固定
面12をリン酸に曝露する方法も特に問わないが、物品10
を酸性浴中に完全に沈めてしまうと好ましい。好ましく
は、リン酸浴を華氏120〜140度に加熱して反応速度を増
し、表面の外観がより一様になるようにする。しかしな
がら、酸性溶液の濃度が上下すればこれに伴って反応時
間および温度も変化する。

表面上に薄膜層16を形成した後、この表面を布で拭く
か温水で洗浄して余分な酸や不純物などを強制的に除去
する。一般に粉ふき物質と称される不純物は、表面上に
形成される様々な酸化物やリン酸塩（一般に銅およびマ
グネシウムの塩）からなる。粉ふき物質は保護バリアを
形成したり保護バリアの機能を発揮させたりする時に悪
影響を及ぼすとは思えないので、除粉と呼ばれるこの洗
浄ステップは単に外見を良くするだけのために実行する
ものである。好ましい工程において、除粉は薄膜層16を
華氏120〜140度の温水すなわち湯で洗浄して行う。他の
除粉工程の場合と同様に圧力をかけてこすってもよい。
粉ふき物質は使用するアルミニウム合金の種類とその酸
化状態によって濃灰色から黒色をしている。清浄・洗浄
後、薄膜層16を乾燥させる。

次に、薄膜層16をアルカリ金属またはアルカリ土類金
属ケイ酸塩溶液に曝露し、固定面12上にケイ酸塩の内側
層を形成する。アルカリ金属ケイ酸塩溶液は、ケイ酸カ
リウム、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸リチウムからなる群
から選択する。アルカリ土類金属ケイ酸塩溶液は、ケイ
酸ベリリウム、ケイ酸マグネシウム、ケイ酸カルシウム
からなる群を選択する。好ましい工程において、薄膜層
16を浸漬または噴霧によって18〜33％（v/v）のケイ酸
ナトリウム溶液に曝露する。金属製品10の場合、ケイ酸
ナトリウム溶液中での曝露時に薄膜層16に認められる金
属アルトリン酸すなわち金属酸化物と溶液中のケイ酸ナ
トリウムとが化学的に結合し、内側のケイ酸塩の層18を
形成する。実際のケイ酸塩溶液中での曝露時間は物品の
種類と処理した表面によって１〜10分となる。例えば、
くぼみのある表面やざらざらした表面よりも平滑な表面
の方が必要な曝露時間は短くなる。また、アルミニウム
やアルミニウム合金の表面とマグネシウムやマグネシウ
ム合金の表面とでは前者の方が曝露時間は短くてすむ。

薄膜層16をケイ酸ナトリウムの溶液に曝露した後、十
分に高い温度でケイ酸塩の層18を完全に乾燥させる。本
工程の以後のステップに移る前に薄膜層16を完全に乾燥
させることが大切である。好ましい工程において、乾燥
ステップは華氏302度以上の温度でオーブンにて行う。
この温度では、２〜30分で完全に乾燥させることができ
るケイ酸ナトリウムを華氏302度以上の温度で乾燥させ
ると、ケイ酸ナトリウムの一部は転化して二酸化ケイ素
となり、この二酸化ケイ素ができることで摩耗や腐食に
対する内側の層18の耐性が増すことが分かっている。温
度や乾燥時間を増減することで、ケイ酸ナトリウムの二
酸化ケイ素への転化量を増減することができ、耐摩耗性
および耐腐食性の異なる層を形成することができる。

内側の層18を完全に乾燥させた後、これを１〜３分間
18〜33％（v/v）のケイ酸ナトリウム溶液に曝露し、さ
らに上述したような工程で乾燥させて第１の内側層18の
上に第２のケイ酸塩の層20を形成する。内側層18を形成
するために使用したケイ酸ナトリウム溶液中での曝露と
は異なり、第２の層を形成するためのケイ酸ナトリウム
溶液中での曝露時間は重要な要素ではない。繰り返す
が、乾燥温度および乾燥時間を調節することで、二酸化
ケイ素に転化するケイ酸ナトリウムの量を効果的に調節
することができる。

第２の層20を完全に乾燥させたら、これを酢酸、ホウ
酸、炭酸、塩酸、硝酸、リン酸および硫酸からなる群か
ら選択した酸性溶液に曝露する。曝露中、第２の層20は
転化して一様な二重層22となる。二重層22は、第２の層
20の下側部分と外側の二酸化ケイ素層24とからなる。酸
性溶液への曝露中、第２の層20中のケイ酸塩と酸とが化
学的に反応し、外側の二酸化ケイ素層24が形成される。
好ましい工程において、120〜140度に加熱した20〜25％
リン酸に第２の層20を曝露する。酸をこの温度まで加熱
した場合の曝露時間は15〜30秒である。酸の温度が室温
程度である場合には暴露時間は２〜７分となる。外側の
二酸化ケイ素層24は硬質かつ平滑であり、外観も一様で
ある。この層はケイ酸ナトリウムよりも硬いので、摩耗
や腐食に対する耐性はケイ酸ナトリウムの層だけの場合
よりも二重層構造22で形成された保護バリア14の方が大
きい。

図２に示すように、第２のケイ酸塩の層20を二重層構
造22に転化させずに第２のケイ酸塩の層20の上に第３の
ケイ酸塩の層26を形成し、保護バリア14よりも保護力の
大きい第２の保護バリア25を形成することも可能であ
る。第２の保護バリア25を形成するために、第２の層20
を形成するための上述したステップを使用して第３の層
26を形成する。完全に乾燥させた後第２の層20をリン酸
に曝露するのではなく、18〜33％のケイ酸ナトリウム溶
液に曝露する。乾燥後、第３のケイ酸塩の層26が形成さ
れ、これを20〜25％リン酸に曝露して外側二重層28を形
成する。二重層22と同様に、二重層28も第３のケイ酸ナ
トリウムの層26の下側と外側の二酸化ケイ素層29とから
なる。

全工程が終了すると、物品10の表面には比較的平滑で
硬い保護バリア14および25が形成される。これらの保護
バリアは、それぞれ外側二重層22、28に転化する一層ま
たは二層のケイ酸塩の層18および20からなる。保護バリ
ア14および25は、酸性、塩基性、塩水などの作用による
腐食や摩耗に対する耐性が高く、外観上はガラスのよう
であり、この上にペイントやワニスなど他の有機組成物
を被覆することもできる。

上述した工程を使用すると、時としてケイ酸ナトリウ
ムの各内側層18、20の上面にひび割れや孔が生じ、保護
バリア14および25の全体としての機能発揮に影響するこ
とが分かっている。この問題をなくすために、各ケイ酸
塩の下層18または20上に次のケイ酸塩の層を形成する前
にこの下層をリン酸に曝露すれば、固定面12上に複数の
二重層を形成できることが分かっている。

図３は、物品10の露出面上に形成され、物品10の固定
面12に形成された二層の二重層53および55からなる第３
の保護バリア50を示している。保護バリア14および25を
形成するための上述のステップを使用して、固定面12上
の二重層52および55を形成する。まず固定面12上に薄膜
層16を形成する。次に第１のケイ酸塩の層18と第１の二
酸化ケイ素層54とからなる内側二重層52を固定面12上に
形成する。内側二重層52を形成した後、この上に第２の
ケイ酸塩の層20と外側の二酸化ケイ素層57とからなる外
側二重層55を形成する。しかしながら、用途によっては
さらに保護性を高める必要もあり、このような場合には
固定面12上にさらに二重層（図示せず）を形成してもよ
い。

物品10に保護バリア50を形成するために、まず上述し
た工程を使用して固定面12、薄膜層16および第１のケイ
酸塩の層18を物品10に形成する。第１の層18を完全に乾
燥させ、部分的に二酸化ケイ素に転化させた後、これを
華氏120〜140度に加熱した温かいリン酸に15〜30秒間浸
漬し、内側の二酸化ケイ素層54を形成する。内側の層54
は保護バリア14を形成する際にできた外層24と同様の層
である。冷却後、内側二重層52を18〜33％（v/v）ケイ
酸ナトリウム溶液に１〜３分間曝露して乾燥させ、第２
のケイ酸ナトリウム層20を形成する。第２の層を温めた
リン酸に15〜30秒間浸漬し、外側の二酸化ケイ素層57を
形成する。この工程が完了すると、物品10には内側と外
側の二重層52および55が形成される。

上述した工程は、様々な木材の表面に摩耗や腐食、
熱、火炎などに対する保護性を付与するために使用する
こともできる。図４において示されるように、本工程を
使用して木製の物品30の露出面上に保護バリア34を形成
することができる。金属製品で使用した工程と同様、保
護バリア34が物品30に適宜付着するように、まず物品30
に固定面32を形成しなければならない。この時、最初に
物品を湯または温水と洗剤で数分間洗浄、清浄し、木材
の孔から汚れた粒子や不純物をすべて除去してから固定
面32を形成する。木材はたいていの金属製品よりも孔が
多いので、木材表面の洗浄と不純物の除去は金属表面の
場合よりも重要である。金属表面に使用した工程とは異
なり、固定面32を形成する際に酸は使用しない。

固定面32を下処理した後、金属製品10の処理に使用し
た上述のシリケート溶液に曝露する。好ましい工程では
固定面32を18〜33％ケイ酸ナトリウム溶液に１〜３分間
曝露する。このステップの間、ケイ酸ナトリウム溶液は
木材の孔や表面のひび割れ部分に吸収され、第１のケイ
酸塩の層36となる。曝露後、第１のケイ酸ナトリウムの
層36を室温前後の温度で乾燥させる。物品の木材が耐え
られるようであればこれより高い温度を使用してもよ
い。ケイ酸ナトリウム溶液での曝露の間にナトリウム溶
液は木繊維に吸収され、乾燥するにつれて硬度を増して
木繊維間に結晶構造が形成されるのは自明のことであ
る。また、ケイ酸ナトリウムの一部は転化して二酸化ケ
イ素となることも言うまでもない。この結果、ケイ酸塩
の第１の層36は比較的硬質で固定面32にしっかりと結合
する。第１の層36の形成後、続いて第１の層36の上に第
２および第３のケイ酸塩の層38および40を形成する。金
属製品の処理に使用した工程と同様、第２および第３の
ケイ酸塩の層38および40を十分に乾燥させ、次のステッ
プに進む前に必要な量だけ二酸化ケイ素を形成しておく
ことが重要である。

第３のケイ酸塩の層40を乾燥させた後、これを金属製
品10の処理に使用した群から選択した酸に曝露する。好
ましい工程では、華氏120〜180度に加熱した20〜50％リ
ン酸を３分間使用する。金属製品10に使用した工程と同
様、外側層40は転化して二酸化ケイ素の外層42と内側層
40の内層とからなる二重層41になる。二酸化ケイ素の外
層42を乾燥させると、物品30の固定面32上に硬質かつ平
滑な保護バリア34が形成される。この保護バリアは二重
層41に覆われた内側のケイ酸塩の層36、38である内側の
二層を含む。保護バリア34は、耐食性、耐摩耗性、耐熱
性、耐火性であるので、物品30を十分保護することがで
きる。

図５に示されるように、用途によってはケイ酸塩の内
側層36の一層と、二重層41の一層とからなる保護バリア
45を形成する必要のある場合もある。

木材表面に対する耐熱性および耐火性は、ひとつには
高温に曝露する際に木材表面上で起こる化学的プロセス
によって得られるものでもある。華氏302度以上の温度
になると、第１および第２のケイ酸塩の層は化学的に二
酸化ケイ素と水とに転化する。

以下、実施例を使用して本工程を説明する。

実施例１ 本発明を使用してアルミニウムまたはアルミニウム合
金の表面を処理する代表的な方法は以下の通りである。

２枚のアルミニウムパネル試料を処理した。試料１は
2024 Ｔ−３素材からなり、試料２は6061 Ｔ−６素材
からなるものとした。両パネルは寸法３インチ（Ｗ）×
10インチ（Ｌ）で厚さ0.039インチであった。まず、試
料１および２を洗剤と水で洗浄し、華氏140度でオルト
リン酸の25％溶液に３分間浸漬した。この酸性溶液を加
熱して反応速度を増し、外観をより一様なものとした。
次に、試料１および２を酸性溶液から取り出したとこ
ろ、試料１には濃黒色の粉ふき皮膜が形成され、試料２
には明るい灰色の粉ふき皮膜が形成されていた。各試料
をスポンジと湯で拭いて両試料の粉ふき皮膜を除去し
た。皮膜を除去してしまうと、試料１および２の表面は
はっきり異なる銀白色をしていた。この色は各試料の表
面上にオルトリン酸アルミニウムが形成されたために生
じたものと思われる。試料１および２を華氏60度の浴に
１分間浸して冷却した。これらの試料がまだ濡れている
うちに16％ケイ酸ナトリウム溶液に入れて１分おいた。
続いて試料１および２をケイ酸ナトリウム溶液から取り
出して華氏200〜315度に加熱したオーブンに入れ、約30
分かけて乾燥させた。10分後、試料１をオーブンから取
り出し、室温にて冷却した。試料１および２のいずれも
平滑でガラス様の表面を有していたことに注意された
い。冷却後、試料１および２を18％ケイ酸ナトリウム溶
液に戻して３分おいた。この試料１および２をオーブン
に戻して30分おき、続いてオーブンから取り出して室温
まで冷ました。冷めた試料１および２を再び25％オルト
リン酸に入れて３分おいた。

試料１および２の表面は、硬質かつ平滑でガラス様に
見える。ASTM Ｂ−117又はMil仕様Ｃ−5541によって試
料Ｉおよび２の耐食性を試験した。試料１および２のペ
イント付着性もMil仕様Ｃ−5541に対して試験した。試
料１および２の両方が各試験の仕様に合格した。

各試料の耐熱性および耐火性については、同様のアル
ミニウム片で未処理の物と処理試料との燃焼性を比較し
て試験した。処理試料および未処理試料を華氏2000〜25
00度で燃焼するアセチレン火炎に曝露した。未処理試験
は約30秒で灰になった。残留物は全くたまっていなかっ
た。一方、処理したアルミニウム試料１および２は曝露
数秒後に屈曲した。約２分８秒後、アルミニウム材料は
皮膜層の両側間から徐々に燃えていった。この時点で試
験を終了した。アルミニウム灰残留物は全く認められな
かった。

実施例２ 上述した工程を使用してスチールまたは合金で作られ
た物品の表面を処理するための代表的な方法は以下の通
りである。

寸法４インチ（Ｗ）および６インチ（Ｌ）で厚さ0.04
1インチの4130スチール製スチールパネル試料１〜３を
処理した。まず、試料１〜３を洗剤と湯で洗浄してグリ
ースおよび油を除去し、オルトリン酸の25％（容量）溶
液に浸漬して華氏120度で維持した。このステップによ
ってケイ酸ナトリウムと結合し得るオルトリン酸鉄が形
成される。次に試料１〜３を冷水で水洗して33％（容
量）ケイ酸ナトリウム溶液に浸漬し、華氏40度で維持し
た。試料１〜３を華氏305度、30分で乾燥させ、露出面
上で部分的に二酸化ケイ素に転化したケイ酸ナトリウム
の第１の層を形成した。試料１〜３を室温まで冷まし、
華氏120度で約15秒オルトリン酸の25％（v/v）溶液に浸
漬した。このステップによって、ケイ酸ナトリウムの第
１の層の上に硬質かつ不溶性の二酸化ケイ素層が形成さ
れ、表面を二重層構造で被覆した形となる。続いて試料
１〜３を水洗して冷却し、33％ケイ酸ナトリウム溶液に
再度浸漬して露出面上にケイ酸ナトリウムの第２の層を
形成した。試料１〜３を華氏305度で約30分かけて乾燥
させ、室温まで冷ました。この試料１〜３を華氏120度
で約15秒25％オルトリン酸溶液に浸漬し、試料上に二酸
化ケイ素とケイ酸ナトリウムの二重層構造を形成した。
次に試料１〜３を冷水で水洗し、華氏305度で５分かけ
て乾燥させた。試料１〜３をASTM−B117塩噴霧試験で試
験したところ、1/2時間、１時間、２時間、24時間の各
試験に無事に合格した。このことから、本工程で形成さ
れた保護バリアは標準的な試験条件下では腐食抑制物と
して作用していることが分かる。

実施例３ 上述した工程を使用して銅または銅合金の表面を処理
するための代表的な方法は以下の通りである。

銅管試料を試験した。管の寸法は12インチ（Ｌ）×1/
2インチ（I/D）×1/8側面厚であった。まず、洗剤と湯
で試料を洗浄してグリースおよび油を除去し、華氏120
度でオルトリン酸の25％溶液に浸漬した。このステップ
によって試料の露出面上にオルトリン酸銅の薄膜層が形
成される。もちろんケイ酸ナトリウムはこの層に結合し
得る。次に試料を冷水で水洗し、華氏40度で33％ケイ酸
ナトリウム溶液に浸漬した。さらに、試料を華氏305度
で約30分乾燥させ、薄膜層の上に第１のケイ酸ナトリウ
ム層を形成した。続いて試料を室温まで冷まし、華氏12
0度で15分25オルトリン酸溶液に浸漬した。このステッ
プによって第１のケイ酸ナトリウム層の上に不溶性の二
酸化ケイ素層が形成される。次に、試料を冷水で清浄し
て再度33％ケイ酸ナトリウム溶液に浸漬し、表面上に第
２のケイ酸ナトリウム層を形成した。さらに試料を華氏
305度で約30分乾燥させた後、室温まで冷ました。続い
て試料を華氏120度で約15秒25％オルトリン酸溶液に浸
漬し、第２のケイ酸ナトリウム層の上に外側の二酸化ケ
イ酸層を形成した。次に試料を冷水で清浄して華氏305
度で５分かけて乾燥させた。試料１〜３をASTM−B117塩
噴霧試験で試験したところ48時間の試験に無事に合格
し、本工程で形成された保護バリアは標準的な試験条件
下で腐食抑制物として作用していることが分かった。

実施例４ 本発明を使用して木材の表面を処理する代表的な方法
は以下の通りである。

松で作った木材試料を寸法２インチ（Ｗ）×４インチ
（Ｌ）×６インチ（Ｈ）に裁断する。ケイ酸ナトリウム
の20％溶液を18インチ（Ｈ）×直径６インチの容器に注
ぐ。この容器は空気弁（「Shrader」弁とも呼ばれる）
および密閉用のふたを備えており、容器を閉じた時に内
部の圧力を保持できるようになっている。容器をケイ酸
ナトリウム溶液を満たし、その中に木材試料を置く。次
にこの容器を閉じてしっかりと密閉した。空気弁に空気
ホースをつないで空気を強制的に容器内に送り、内圧約
70psiとした。木材試料を加圧下で10分間保持した後に
容器から取り出し、華氏90度で２時間かけて乾燥させ
た。木材試料が乾燥したらケイ酸ナトリウム溶液中に戻
し、上述した圧力下に置いた。次に、木材試料を華氏90
度で２時間かけて乾燥させた。乾燥後、木材試料を華氏
140度で５分間25％オルトリン酸溶液中に置いた。続い
て木材試料を酸性溶液から取り出し、冷たい水道水で水
洗して余分な酸を洗い流した。この木材を２時間以上か
けて乾燥させた。乾燥後、試料は見た目が若干黒っぽく
なった。他に表面の変化は全く認められなかった。

木材試料の耐熱性および耐火性を以下のようにして試
験した。処理木材試料および未処理試料を華氏2000〜25
00度で燃焼するアセチレン火炎に曝露した。処理試料お
よび未処理試料を１分間火炎に曝露した。曝露して数秒
で未処理試料ははっきりと分かる火炎と煙りにまかれて
連続的に燃焼した。燃焼は約10分間継続した。処理試料
では火炎に曝露してから数秒後に燃焼が起こった。しか
しながら、火炎を消すと３秒以内に燃焼は止まり、15秒
で全く煙りも出なくなった。30秒後には処理試料の表面
は触ってみて若干熱をもっている程度であった。

実施例５ 本発明を使用してマグネシウム合金の表面を処理する
方法は以下の通りである。

３枚のマグネシウム板試料を処理した。いずれもマグ
ネシウムとニッケルの合金で寸法４インチ（Ｗ）×６イ
ンチ（Ｌ）×厚さ0.041インチであった。まず、試料１
〜３を洗剤と湯で洗浄してグリースおよび油を除去し、
華氏120度でオルトリン酸の25％（v/v）溶液に浸漬し
た。このステップによって、ケイ酸ナトリウムが結合し
得るオルトリン酸マグネシウムが形成される。次に、試
料を冷水で水洗し、華氏40度の33％（v/v）ケイ酸ナト
リウム溶液に５分間浸漬した。この試料を華氏305度で1
0分かけて乾燥させ、第１のケイ酸ナトリウム層を形成
した。これらの板を室温まで冷まし、華氏120度で15分
間オルトリン酸の25％（v/v）溶液に浸漬した（このス
テップは15〜45秒の範囲で行うことができる）。このス
テップの間に、酸性溶液に曝露された表面の上に一様な
外側の二酸化ケイ素層が形成された。続いて試料を冷水
で水洗し、33％ケイ酸ナトリウム溶液に再浸漬した。さ
らに試料を華氏305度で30分かけて乾燥させ、室温まで
冷ました。次に試料を華氏120度で15秒間25％オルトリ
ン酸溶液に浸漬し、最後の二酸化ケイ素層を形成した。
これらの試料を冷水で清浄して華氏305度で５分かけて
乾燥させた。

実施例６ 本発明を使用してニッケルまたはニッケル合金の表面
を処理する代表的な方法は以下の通りである。

ニッケルメッキを施した管試料を処理した。試料は寸
法12インチ（Ｌ）c1/2インチ（O.D.）および側壁厚1/8
インチのニッケルメッキ管であった。まず、試料を洗剤
と湯で洗浄してグリースおよび油を除去し、華氏120度
でオルトリン酸の25％（v/v）溶液に浸漬した。このス
テップによってケイ酸ナトリウムが結合し得るオルトリ
ン酸ニッケルが形成される。次に、試料を冷水で清浄
し、華氏40度の33％（v/v）ケイ酸ナトリウム溶液に５
分間浸漬した。この試料を華氏305度で10分かけて乾燥
させ、第１のケイ酸ナトリウム層を形成した。乾燥工程
の間、ケイ酸ナトリウムの一部は部分的に転化して二酸
化ケイ素となった。試料を室温まで冷ました後、華氏12
0度で25％（v/v）溶液に15秒浸漬した（このステップは
15〜45秒の範囲で行うことができる）。このステップの
間に、酸性溶液に曝露された表面の上に一様な外側の二
酸化ケイ素層が形成された。続いて試料を冷水で水洗
し、33％ケイ酸ナトリウム溶液に再浸漬した。さらに試
料を華氏305度で10分かけて乾燥させ、室温まで冷まし
た。次に試料を華氏70度で５分間25％オルトリン酸溶液
に浸漬し、最後の二酸化ケイ素層を形成した。これらの
試料を冷水で清浄して305％で５分かけて乾燥させた。

実施例７ 本発明を使用して銀または銀合金の表面を処理するた
めの代表的な方法は以下の通りである。

銀メッキを施した管試料を処理した。試料は寸法12イ
ンチ（Ｌ）C1/2インチ（O.D.）および側壁厚1/8インチ
であった。まず、試料を洗剤と湯で洗浄してグリースお
よび油を除去し、華氏120度でオルトリン酸の25％（v/
v）溶液に浸漬した。このステップによってケイ酸ナト
リウムが結合し得る硝酸銀が形成される。次に、試料を
冷水で清浄し、華氏40度の33％（v/v）ケイ酸ナトリウ
ム溶液に５分間浸漬した。この試料を華氏305度で10分
かけて乾燥させ、第１のケイ酸ナトリウム層を形成し
た。乾燥工程の間、ケイ酸ナトリウムの一部は部分的に
転化して二酸化ケイ素となった。試料を室温まで冷まし
た後、華氏70度で25％（v/v）溶液に５分間浸漬した
（このステップは２〜７分の範囲で行うことができ
る）。このステップの間に、酸性溶液の曝露された表面
の上に一様な外側の二酸化ケイ素層が形成された。続い
て試料を冷水で水洗し、33％ケイ酸ナトリウム溶液に再
浸漬した。さらに試料を華氏305度で10分かけて乾燥さ
せ、室温まで冷ました。次に試料を華氏70度で５分間25
％オルトリン酸溶液に浸漬し、最後の二酸化ケイ素層を
形成した。これらの試料を冷水で清浄して305％で５分
かけて乾燥させた。

実施例８ 本発明を使用してチタンまたはチタン合金の表面を処
理する代表的な方法は以下の通りである。

チタン板試料を処理した。試料は寸法３インチ（Ｌ）
×３インチ（Ｗ）×厚さ0.02インチであった。まず、試
料を洗剤と湯で洗浄してグリースおよび油を除去し、華
氏120度でオルトリン酸の10％（v/v）溶液に浸漬した。
このステップによって、ケイ酸ナトリウムが結合し得る
オルトリン酸チタンおよび酸化チタンが形成される。次
に、試料を冷水で水洗し、華氏40度の33％（v/v）ケイ
酸ナトリウム溶液に５分間浸漬した。この試料を華氏30
5度で10分かけて乾燥させ、第１のケイ酸ナトリウム層
を形成した。乾燥工程の間に、ケイ酸ナトリウムの一部
は部分的に転化して二酸化ケイ素となった。試料を室温
まで冷まし、華氏70度でオルトリン酸の25％（v/v）溶
液に５分間浸漬した（このステップは２〜７分の範囲で
変えることができる）。このステップの間に、酸性溶液
に曝露された表面の上に一様な外側の二酸化ケイ素層が
形成される。続いて試料を冷水で水洗し、33％ケイ酸ナ
トリウム溶液に再浸漬した。さらに試料を華氏305度で1
0分かけて乾燥させ、室温まで冷ました。次に試料を華
氏70度で５分間25％オルトリン酸溶液に浸漬し、最後の
二酸化ケイ素層を形成した。これらの試料を冷水で清浄
して305度で５分かけて乾燥させた。

規則通りに、本方法を実行するために必要なステップ
に関して多かれ少なかれ具体的な言葉で本発明を説明し
た。しかしながら、本願発明者らは本発明を実施する上
で好ましい方法を説明したにすぎないので本発明は上述
した具体的なステップに限定されるものではない。例え
ば、アルミニウム上に固定面を形成したり、リン酸ナト
リウムの外側の保護外層を形成したりするのに他の種類
の酸を使用してもよい。また、他の種類のケイ酸化合物
溶液を使用してケイ酸ナトリウムの保護層を形成しても
よい。このように、本発明は、本発明に相当する理論に
基づいて適宜解釈されるべき添付の請求の範囲の法的有
効範囲内であらゆる形態や部分的変更例について請求す
るものである。

産業上の利用可能性 ここに開示の方法は、スチールや銅、アルミニウム、
これらの合金を含む多種多様な金属の表面や木材の表面
を腐食や摩耗、火炎、熱などから保護することに関わる
様々な産業で広範囲に亘って適用することができる。よ
り詳細に言えば、ここに開示の方法は、腐食や摩耗、火
炎、熱などによる影響を最小限に抑える産業において広
く適用することができる。さらに、ここに開示の方法は
防火産業においても広範囲に亘って応用できる。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｃ２３Ｃ 22/78 Ｃ２３Ｃ 22/78 22/83 22/83 (72)発明者 ヤング，ダニエル エイ. アメリカ合衆国，98340 ワシントン, ハンビル，ブラント ロード ノースイ ースト 38016番地 (72)発明者 ヤング，ランス エイ. アメリカ合衆国，98340 ワシントン, ハンビル，ブラント ロード ノースイ ースト 38016番地 (56)参考文献 特開 昭62−142787（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 22/00 - 22/86 B05D 7/00 B05D 7/14

Claims (19)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】物品を処理する方法であって、 a.前記物品上に固定面を形成するステップと、 b.前記固定面上に複数のケイ酸塩の層を形成するステッ
   プと、 c.前記ケイ酸塩の最上層を酸性溶液にさらし、前記ケイ
   酸塩の層の上に二酸化ケイ素の外側層を形成し、これに
   よって前記物品に保護バリアを形成するステップとを含
   む、 表面処理方法。
2. 【請求項２】前記酸性溶液は20〜30％リン酸を含むこと
   を特徴とする請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】前記リン酸を華氏120〜140度に加熱して、
   その後前記ケイ酸塩の最上層を15〜30秒間さらすことを
   特徴とする請求項２記載の方法。
4. 【請求項４】前記複数のケイ酸塩の層は、ケイ酸カリウ
   ム、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸リチウム、ケイ酸ベリリ
   ウム、ケイ酸マグネシウムからなる群から選択されるケ
   イ酸塩を含む溶液に前記固定面をさらし、そして前記表
   面を完全に乾燥させることことにより形成されることを
   特徴とする請求項１記載の方法。
5. 【請求項５】ケイ酸ナトリウム溶液は18〜33％（v/v）
   の濃度を有するように選択されたものであることを特徴
   とする請求項４記載の方法。
6. 【請求項６】前記ケイ酸ナトリウムの層中のケイ酸ナト
   リウムの50〜80％が二酸化ケイ素に転化するような温度
   及び時間で、ケイ酸ナトリウムの各層を乾燥させること
   を特徴とする請求項５記載の方法。
7. 【請求項７】前記乾燥温度は華氏302度以上であり、前
   記乾燥時間は最低９分であることを特徴とする請求項６
   記載の方法。
8. 【請求項８】前記ケイ酸ナトリウム層をケイ酸ナトリウ
   ムの内側層と二酸化ケイ素の外側層とを含む二重層へ転
   化するように、形成されたケイ酸ナトリウム層の少なく
   とも一層をリン酸にさらすステップ（ｂ−２）をさらに
   含むことを特徴とする請求項５記載の方法。
9. 【請求項９】前記物品は、アルミニウム、銅、カドミウ
   ム、マグネシウム、ニッケル、銀、スチール、チタン及
   び、これらの金属からなる群より選択される２またはそ
   れ以上の金属の混合物である合金を含む群から選択され
   る金属で作られる請求項１記載の方法。
10. 【請求項１０】前記物品を完全に洗浄し、続いて前記表
    面を固定用の酸性溶液にさらすことで前記固定面を前記
    物品上に形成することを特徴とする請求項９記載の方
    法。
11. 【請求項１１】前記固定用の酸性溶液は、酢酸、ホウ
    酸、炭酸、塩酸、硝酸、リン酸、硫酸からなる群から選
    択される何れか一つである請求項10記載の方法。
12. 【請求項１２】前記物品が木材製である場合、前記物品
    の表面を完全に洗浄することで前記固定面を形成するこ
    とを特徴とする請求項１記載の方法。
13. 【請求項１３】物品の表面を処理するための方法であっ
    て、 a.前記物品上に固定面を形成するステップと、 b.前記固定面をケイ酸ナトリウム溶液にさらすステップ
    と、 c.前記ケイ酸ナトリウムが乾燥して前記固定面上にケイ
    酸ナトリウムの層が形成されるまで前記固定面を十分乾
    燥させるステップと d.ステップ（ｂ）および（ｃ）を繰り返し、前記固定面
    上に複数のケイ酸ナトリウムの層を形成するステップ
    と、 e.前記ケイ酸ナトリウムの最上層をリン酸溶液にさら
    し、前記固定面上に二酸化ケイ素の外側層を形成するス
    テップと、 f.前記二酸化ケイ素の外側層を完全に乾燥させるステッ
    プと、 を含む表面処理方法。
14. 【請求項１４】前記物品が金属製である場合、前記物品
    の表面を水および洗剤で洗浄した後、前記表面をリン酸
    溶液にさらすことにより、前記固定面を形成することを
    特徴とする請求項13記載の方法。
15. 【請求項１５】ステップ（ｂ）において前記ケイ酸ナト
    リウム溶液は18〜33％（v/v）であることを特徴とする
    請求項14記載の方法。
16. 【請求項１６】ステップ（ｃ）において前記ケイ酸ナト
    リウムの各々の層の乾燥を華氏3302度以上で少なくとも
    ９分かけて行うことを特徴とする請求項15記載の方法。
17. 【請求項１７】ステップ（ｅ）において前記リン酸の濃
    度は20〜25％であり、前記リン酸へさらす時間は15〜30
    秒であることを特徴とする請求項16記載の方法。
18. 【請求項１８】物品の表面に保護層を形成させるように
    物品を処理する方法であって、 a.前記物品の表面をケイ酸を含む溶液をさらして被膜層
    を形成させるステップと、 b.前記表面に乾燥したケイ酸の固定層を形成するように
    前記ケイ酸を含む溶液の前記被膜層を乾燥させるステッ
    プと、 c.ケイ酸材料の前記固定層を酸にさらし、これによって
    前記表面上に保護層を形成させるステップと、 を含む処理方法。
19. 【請求項１９】保護バリアを有する物品であって、前記
    バリアは、 a.前記物品の表面をケイ酸を含む溶液にさらして被膜層
    を形成させ、 b.前記表面に乾燥したケイ酸の固定層を形成するように
    前記ケイ酸を含む溶液の前記被膜層を乾燥させ、 c.ケイ酸材料の前記固定層を酸にさらし、これによって
    前記表面上に保護層を形成させることにより形成される
    ことを特徴とする物品。