JP3278425B2

JP3278425B2 - 金属材料の防食方法および防食装置

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Publication number: JP3278425B2
Application number: JP2000047132A
Authority: JP
Inventors: 昭藤嶋; 徹立間; 善久大古; 修一齋藤; 勝久柏崎
Original assignee: 昭藤嶋; 光陽電気工事株式会社
Priority date: 2000-02-24
Filing date: 2000-02-24
Publication date: 2002-04-30
Anticipated expiration: 2020-02-24
Also published as: JP2001234370A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鋼材等の金属材料
の防食方法および装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】金属は非常に優れた構造材料であるが、
錆による劣化という短所をもつ。最近、チタン酸化物膜
を利用した光カソード防食が新技術として提案された。
特開平６−１０１５３号公報においては、ステンレス鋼
材の表面に、チタン金属重量に換算して１ｍｇ／ｍ² 以
上のチタン酸化物を含有する被膜を形成している。そし
て、鋼材表面（つまり被膜表面）へと光を照射すると、
ステンレス鋼材がカソードとして働き、チタン酸化物被
膜がアノードとして働き、ステンレス鋼材の浸漬電位が
３００ｍＶだけ卑側へとシフトする。これによってステ
ンレス鋼材をカソード防食できると記載されている。

【０００３】また、特開平１１−７１６８４号公報にお
いては、前述のチタン酸化物被膜を形成したステンレス
鋼材において、光源の乏しい状態では腐食が進行すると
記載されている。そして、この問題点を解決するため
に、チタン酸化物を含有する表面被膜とステンレス鋼材
との中間に中間膜を設け、中間膜は、鉄、バナジウム、
銅を含有するチタン酸化物被膜とした。これによって、
鉄、バナジウム、銅の価数は、光照射時には低くなり
（還元され）、光遮断時には高くなる（酸化される）。
従って、光遮断時には鉄、銅、バナジウムから電子が発
生し、この電子がステンレス鋼材に注入され、防食効果
が持続するものと主張されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明者はこうした防
食方法を具体的に検討する過程で、次の問題点を発見し
た。即ち、前述した技術では、スパッタリング法、熱分
解法等によってステンレス鋼材の表面にチタン酸化物被
膜を形成しているが、被膜を安定して形成することが難
しく、このため光照射時の被膜の光電位がステンレス鋼
材の電位よりも高くなり、あるいは充分には低くなら
ず、このために防食作用が発現しないことがある。つま
り実際の製品によって防食作用にバラツキがある。ま
た、実際の鋼材は従来の犠牲防食被膜によって被覆する
ことが通常である。なぜなら、鋼材、例えば地中管、ガ
ードレール、街灯などは大面積の構造物であり、単なる
酸化だけではなく、有機物、パーティキュレートなどの
種々雑多な環境汚染物質に直接接触するからであり、こ
れに対して適切に保護する必要があるからである。しか
し、鋼材を犠牲防食被膜で被覆すると、鋼材に光が当た
らないので、チタン酸化物被膜による防食はできない。
こうした問題は、特開平１１−７１６８４号公報でもま
ったく認識されていない。

【０００５】本発明の課題は、チタン酸化物からなる光
カソード防食方法において、光照射時の被膜の光電位が
炭素鋼等の金属材料の電位よりも高くなり、あるいは充
分には低くならないことによる防食作用のバラツキを防
止することである。

【０００６】また、本発明の課題は、金属材料に光が直
接当たらないような現場や、金属材料上に犠牲防食被膜
が設けられているような場合においても、金属材料を効
果的に光カソード防食することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は、光照射時の
被膜の光電位が低下し、あるいは変動する原因について
検討した結果、被膜を金属材料表面に形成する際に、金
属材料から被膜中へと金属成分が拡散し、被膜の結晶性
あるいは組成を変化させていることを見出した。こうし
た結晶性や組成の変化は微妙なものであるが、防食作用
に変動を与える程度には重要である。

【０００８】そして、本発明者は、金属材料とは離れた
位置に支持部材を設け、あるいは金属材料とは別体の支
持部材を設け、支持部材上に少なくともチタン酸化物を
含む被膜を設け、この被膜と金属材料とを別の導電線に
よって電気的に接続し、被膜に対して光が照射されたと
きに被膜内で生成する電子を導電線を通して金属材料へ
と移動させることによって金属材料の電位をその酸化電
位よりも低くすることを想到した。これによって、前述
した下地金属材料からの拡散による被膜の光電位の変動
による影響を消去した。しかも、この方法によれば、金
属材料に光が直接当たらないような現場や、金属材料上
に犠牲防食被膜が設けられているような場合において
も、金属材料を効果的に光カソード防食することができ
る。

【０００９】なお、特開平１１−７１６８４号公報にお
いては、前述のチタン酸化物被膜を形成したステンレス
鋼材において、更に光源の乏しい状態での腐食の進行を
防止しようとしているが、その解決策は、チタン酸化物
被膜と鋼材との間に別の被膜を設けることであった。こ
の開示は、本発明のように防食すべき対象である金属材
料から離れた位置に被膜を設けて光カソード防食を行う
という発想からは遠ざかる方向の開示である。

【００１０】なお、本発明方法は、光カソード防食を改
良したものであって、従来のいわゆる「外部電源方式」
とは、外部電源を要しない点で根本的に異なる。外部電
源方式は極めて高コストであるし、保守点検を要するの
で、広く実用されることは難しい。

【００１１】前記被膜は、実質的にチタン酸化物からな
っていることが好ましい。また、前記被膜は、例えば次
のようにして製造できる。（１）チタンアルコキシド、ビス（２，４−ペンタンジ
オナト）チタンオキシドエタノール溶液（アセチルアセ
トンチタンオキシドエタノール溶液）などの有機チタン
化合物のゾルを、金属材料上に塗布し、熱分解させる。（２）酸化チタン微粒子分散ゾルやスラリーを金属材料
上に塗布し、加熱することで焼き付ける。（３）溶射法、スパッタリング法などによって金属材料
上に被膜を形成する。

【００１２】この塗布方法としては、ディップコート、
スプレーコート、スピンコート、刷毛塗りなどがある。

【００１３】金属材料は限定はされないが、特にステン
レス鋼、炭素鋼、金属メッキ鋼が好ましい。メッキの材
質は、亜鉛、亜鉛−鉄、亜鉛−アルミニウム、アルミニ
ウム、クロムなどを例示できる。

【００１４】導電線の材質は限定されないが、変形容易
な金属線であることが一層好ましい。金属線の材質は、
銀、銅、鉄、アルミニウム、亜鉛等がある。金属線は、
裸線でも被覆線でもよい。

【００１５】支持部材は、金属板などの金属バルク体で
あってよい。また、本発明の支持部材は、ポリエチレ
ン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリアクリルニト
リル等のプラスチックからなるフィルムであってよい。
この場合には、フィルムを別体の適当な構造体上に貼り
つけることによって、本発明の防食装置を容易に施工で
きるし、フィルムの張り替えも容易である。こうした別
体の構造体としては、ガスタンクのような既設構造物が
ある。従来のように、防食の対象である金属材料上に直
接チタン酸化物被膜を形成する場合は、現場施工は難し
いし、被膜の張り替えも難しい。

【００１６】金属材料の表面には、他の防食被膜、特に
犠牲防食被膜を形成することができる。こうした防食被
膜の材質としては、公知のものをすべて利用できるが、
以下のものが好ましい。油性塗料（油性ペイント）：ニ
トロセルロースラッカー（クリヤラッカー、ラッカーエ
ナメル、ハイソリッドラッカー、ホットラッカー、特殊
ラッカー）：合成樹脂塗料（フタル酸樹脂塗料、アミノ
アルキド樹脂塗料、エポキシ樹脂塗料、ビニル樹脂塗
料、ポリウレタン樹脂塗料、不飽和ポリエステル樹脂塗
料、，アクリル樹脂塗料、塩化ゴム樹脂塗料、水性塗
料、珪素樹脂塗料、フッ素樹脂塗料）：特殊性能塗料
（粉体塗料、電着塗料、ビニルゾル塗料、非水ディスパ
ージョン塗料、紫外線硬化塗料、電子線硬化塗料）：特
殊外観塗料（メタリック塗料、多彩模様塗料）。

【００１７】

【実施例】（実験１）ｐＨ７の３％塩化ナトリウム水溶
液中で、炭素鋼の腐食電位（酸化電位）を３電極方式で
測定した。作用極は炭素鋼によって形成し、参照極とし
ては銀・塩化銀電極を使用し、対極としては白金電極を
使用した。図１に測定結果を示す。図１の縦軸は電流密
度であり、横軸は電位（ボルト）である。この結果、銀
・塩化銀電極に対する炭素鋼の腐食電位（酸化電位）は
−４００ｍＶであった。

【００１８】（実験２）次に、ｐＨ７の３％塩化ナトリ
ウム水溶液中で、酸化チタンの分極電位を測定した。具
体的には、導電性ガラス（ＩＴＯ）上に日本曹達株式会
社製の「低温硬化型酸化チタンNDC110C 」を３回ディッ
プコートして成膜した。１回コートする毎に、110 ℃で
乾燥した。乾燥時間は15分である。酸化チタン被膜の膜
厚と光強度との双方を、図２および表１に示すように変
更した。被膜の膜厚は、ディップコートの回数と引き上
げ速度とによって調節した。こうして得られた酸化チタ
ン電極を作用極とした。参照極として銀・塩化銀電極を
使用し、対極として白金電極を使用した。そして、光照
射下（水銀−キセノン灯：波長３６０ｎｍ）において、
分極曲線を測定した。この結果を図２および表１に示
す。

【００１９】

【表１】

【００２０】（実験３）次に、ｐＨ７の３％塩化ナトリ
ウム水溶液中に、炭素鋼と、前述した導電性ガラス付き
の酸化チタン被膜と電線とを投入し、この際炭素鋼と酸
化チタン被膜とを電線によって電気的に接続した。浸漬
時間は２時間である。酸化チタン被膜の製法は実験２と
同様であり、その膜質は１μｍに調節した。波長３６０
ｎｍの紫外線を、０．５−２５ｍＷｃｍ^-2の光強度で照
射した。炭素鋼の水溶液中への溶出量（腐食量）と光強
度との関係を図３および表２に示す。腐食量は、紫外線
ｖｉｓ分光機を使用してチオシアン酸塩法によって定量
した。

【００２１】

【表２】

【００２２】本発明の一実施形態においては、金属材料
が地中に埋設された構造物であり、支持部材および被膜
が地上に設けられている。図４はこの一例である。地上
に支柱３によって支持板２が支持されており、支持板２
の上面に複数枚のチタン酸化物被膜１が形成されてい
る。各被膜１は互いに電気的に接続されており、かつ電
線４を通して地盤５中の構造物、例えば地中管６に対し
て接続されている。地中構造物６は光が当たらないの
で、これまではチタン酸化物を利用した光カソード防食
は不可能であり、複雑な外部電源装置が必要であった。

【００２３】本発明の他の実施形態においては、金属材
料、例えばガスタンクやガードレールのような既設構造
物の少なくとも一部がチタン酸化物とは別の第二の防食
被膜によって被覆されており、この第二の防食被膜によ
って金属材料への光照射が防止されている。図５はこの
一例である。ガードレール９の本体７の表面は、周知の
とおり白色の防食塗料によって被覆されている。本発明
では、これに加えて、本体７上に支柱３を介して支持部
材２を設置し、支持部材２の表面にチタン酸化物被膜１
を貼りつける。そして被膜１を電線４を通してガードレ
ール本体７へと電気的に接続し、白色塗料の下のガード
レール本体を光カソード防食する。

【００２４】本発明の好適な実施形態においては、金属
材料が照明装置の構成材料であり、照明装置が発光した
ときに、この光がチタン酸化物を含む被膜に照射される
ようにする。本実施形態においては、照明装置それ自体
からの光を、照明装置に取り付けられた被膜において利
用するので、照明装置が発光している限りは、照明装置
本体を構成する金属材料を光カソード防食できる。

【００２５】この実施形態において特に好ましくは、照
明装置が太陽光の強度低下に応じて発光する照明装置で
あり、例えば街灯である。例えば図６においては、街灯
１０の金属材料製の本体８の先端の傘２を支持部材とし
て利用し、傘２の表面に本発明の被膜１を取り付ける。
そして被膜１から電線４を延ばし、本体８に接続する。
こうした実施形態では、更に次の作用効果がある。即
ち、街灯は、通常太陽光を感知し、太陽光が照射してい
る間は発光しない。従って、太陽光が照射している間
は、被膜１で太陽光を利用して街灯本体８を光カソード
防食できる。一方、太陽光の強度が一定値以下にまで低
下すると、太陽光は利用できなくなるが、このときには
街灯が発光し、被膜１に光エネルギーを供給する。しか
も、こうした作用効果は、既存の街灯をまったく改変す
ることなしに、街灯に本発明の防食装置を単に取り付け
ることだけによって得られるのである。

【００２６】なお、例えば図７、図８において、支持部
材２は既存のガードレールあるいは街灯に既に存在して
いるものであるので、これらの既存の支持部材２上にチ
タン酸化物被膜１を取り付けることができる。この場合
には、チタン酸化物膜１を前述のようにフィルムの表面
に予め形成しておき、このフィルムを粘着剤、接着剤、
マジックテープ等の接合手段によって支持部材２上に貼
りつけることができ、これは特に施工、補修、交換が容
易である。

【００２７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、チ
タン酸化物からなる光カソード防食方法において、光照
射時の被膜の光電位がステンレス鋼材の電位よりも高く
なり、あるいは充分には低くならないことによる防食作
用のバラツキを防止でき、また、金属材料に光が直接当
たらないような現場や、金属材料上に犠牲防食被膜が設
けられているような場合においても、金属材料を効果的
に光カソード防食できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ｐＨ７の３％塩化ナトリウム水溶液中で、炭素
鋼の電位を３電極方式で測定して得られた分極曲線であ
る。

【図２】ｐＨ７の３％塩化ナトリウム水溶液中での、酸
化チタン被膜の酸化電位と光強度および被膜の膜厚との
関係を示すグラフである。

【図３】ｐＨ７の３％塩化ナトリウム水溶液中での、炭
素鋼の腐食量と光強度との関係を示すグラフである。

【図４】地中構造物６の光カソード防食装置を示す模式
図である。

【図５】防食塗料が塗られた構造物であるガードレール
本体７の防食装置を示す模式図である。

【図６】照明装置である街灯の防食装置を示す模式図で
ある。

【符号の説明】

１少なくともチタン酸化物を含む被膜２支
持部材３支柱４電線（導電線）５地盤
６地中の構造物７防食塗料が塗ら
れた構造物（ガードレール）本体８街灯の本体９防食塗料が塗られた構造
物（ガードレール）１０街灯

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き特許法第30条第１項適用申請有り平成11年９月９日光化学協会等発行の「光化学討論会要旨集」（第202頁) に発表特許法第30条第１項適用申請有り平成11年10月20日財団法人神奈川科学技術アカデミー発行の「光触媒技術情報Ｎｏ．１」（第30頁、第41頁）に発表 (72)発明者齋藤修一栃木県宇都宮市宝木町２丁目880番地光陽電気工事株式会社内 (72)発明者柏崎勝久栃木県宇都宮市宝木町２丁目880番地光陽電気工事株式会社内 (56)参考文献特開平10−317178（ＪＰ，Ａ) 特開平６−10153（ＪＰ，Ａ) 特開平10−158860（ＪＰ，Ａ) 特開平11−158665（ＪＰ，Ａ) 特開平７−316850（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23F 13/00 C23F 15/00 C23C 30/00 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】金属材料をカソード防食する方法であっ
て、支持部材と、この支持部材上に設けられた少なくと
もチタン酸化物を含む被膜と、この被膜と前記金属材料
とを電気的に接続する導電線とを備える防食装置を使用
し、前記被膜に対して光が照射されたときに前記被膜内
で生成する電子を前記導電線を通して外部電源からの電
圧を印加することなく前記金属材料へと移動させること
によって、前記金属材料の電位をその酸化電位よりも低
くすることを特徴とする、金属材料の防食方法。
【請求項２】前記金属材料が地中に埋設された構造物で
あり、前記支持部材および前記被膜が地上に設けられて
いることを特徴とする、請求項１記載の金属材料の防食
方法。
【請求項３】前記金属材料の少なくとも一部が前記被膜
とは別の第二の防食被膜によって被覆されていることを
特徴とする、請求項１記載の金属材料の防食方法。
【請求項４】前記金属材料が照明装置の構成材料であ
り、前記チタン酸化物を含む被膜に対して前記照明装置
の発光が照射されることを特徴とする、請求項１記載の
金属材料の防食方法。
【請求項５】金属材料をカソード防食するための防食装
置であって、支持部材と、この支持部材上に設けられた少なくともチ
タン酸化物を含む被膜と、この被膜と前記金属材料とを
電気的に接続する導電線とを備えており、前記被膜に対
して光が照射されたときに前記被膜内で生成する電子を
前記導電線を通して外部電源からの電圧を印加すること
なく前記金属材料へと移動させることによって前記金属
材料の電位をその酸化電位よりも低くすることを特徴と
する、金属材料の防食装置。
【請求項６】前記金属材料が地中に埋設された構造物で
あり、前記支持部材および前記被膜が地上に設けられて
いることを特徴とする、請求項５記載の金属材料の防食
装置。
【請求項７】前記金属材料の少なくとも一部が前記被膜
とは別の第二の防食被膜によって被覆されていることを
特徴とする、請求項５記載の金属材料の防食装置。
【請求項８】前記金属材料が照明装置の構成材料であ
り、前記チタン酸化物を含む被膜に対して前記照明装置
の発光が照射されることを特徴とする、請求項５記載の
金属材料の防食装置。