JP6015208B2 - 電極、電解装置およびそれらを用いた電着塗装方法、ならびに電解液の冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、浴を効率的に冷却して浴温を安定にするための電極、電解装置およびそれらを用いた電着塗装方法に関する。

機能性や美観向上あるいは防錆を目的として、幅広い分野で電解（電着を含む）が利用されている。例えば、アルミニウムやアルミニウム合金材などで行われる電解（陽極酸化）は、耐食性や耐摩耗性の向上、あるいは着色を目的としてコンデンサーの分野などで用いられる。また電気めっきや電着塗装は、耐食性や美観付与などを目的とし、家電、建築や自動車分野などで用いられ、その適用例は幅広い。

上記電解における電解液、めっき液および電着塗装における電着塗料（以下、まとめて浴と称することもある）は、規定の膜厚を得、試料に適切な機能性を付与し、そして安全を保つためなどの観点から使用温度範囲が電解液、めっき液、および電着塗料ごとに設定されていることが多く、電解液、めっき液、および電着塗料の温度（以下、浴温と称することもある）のコントロールが非常に重要となる。実際に電解や電着塗装を行う際には、被電解試料や被電着塗装試料となる電極（作用電極）と対極となる電極の間に電流が流れジュール熱が発生し浴温が上昇するため、浴温を冷却する必要がある。例えば、装置に冷却機能を組み込み、浴温を冷却する方法があるが、浴温を一定に保つことは難しい。

上記の問題を解決するために、例えば特許文献１には、電着塗装装置において、電着液の温度が上昇あるいは低下した際に、電着液を循環させ、冷却あるいは加熱を行い、電着液の温度を制御する方法が提案されている。この際、電着液の温度が高い場合には冷却制御用バルブを介して冷却用熱交換器にて冷却を行い、電着液の温度が低い場合には加熱制御用バルブを介して加熱用熱交換器にて加熱を行うことで、電着液の温度制御が可能とされている。

また、特許文献２には、電解加工装置において、電解槽外周に冷却液を流し、さらに電解槽の外周壁から放熱フィンを突設することで接触部の面積を拡げ、冷却能力を大幅に向上することが可能とされている。

特開２００５−２５６０９６号公報 特開平５−２３９７００号公報

しかしながら、特許文献１で提案された技術では、電着液を冷却あるいは加熱するために新規の槽が必要となり、またバルブの開閉制御が必要になるなど、装置が大掛かりとなる。また、電着液を循環している際にも電着槽では反応が起こっていることから、循環後の電着液と電着槽内の電着液が混じり合った際に混じり合う前の電着液の濃度と異なる可能性があり、均一な膜厚が得られない問題がある。

特許文献２で提案された技術のように、接触面積を拡げることで冷却機能は向上することは考えられるが、電解槽を介しての冷却となるため、大幅な冷却能力の向上は望めない。

本発明は、かかる事情に鑑みなされたもので、浴を効率的に冷却しうることを可能にし浴温を安定にするための電極、電解装置およびそれらを用いた電着塗装方法を提供することを目的とする。

そこで、本発明者らは、電解槽内部に配置される対極となる電極に着目した。その結果、電極内部に冷却手段を有し、冷却機能を持たせることで浴温を効率的に制御できることを見出した。

本発明は、以上の知見に基づき鋭意研究を重ねた結果完成されたもので、その要旨は以下のとおりである。
［１］内部に冷却手段を有することを特徴とする電極。
［２］前記冷却手段は、冷媒として水を用いて冷却することを特徴とする［１］に記載の電極。
［３］前記冷却手段が下部から上部へ通水する経路を有することを特徴とする［２］に記載の電極。
［４］［１］〜［３］のいずれかに記載の電極からなる対極と、作用電極を有することを特徴とする電解装置。
［５］前記対極と前記作用電極の間の距離が変更可能であることを特徴とする［４］に記載の電解装置。
［６］［４］または［５］に記載の電解装置を用い、前記対極を陽極、前記作用電極を金属材からなる陰極とし、電着塗料を電解液として、金属材に電着塗装することを特徴とする電着塗装方法。

本発明によれば、電解槽内で濃度分布が生じることなく、ジュール熱により上昇した浴を効率良くかつ安定的に冷却することができる。その結果、例えば、鋼板などの金属材の被電解試料に均一な膜厚で電着塗装することができる。

本発明による電解装置の一実施形態の一つであり、断面概略図である。 本発明による電解装置の一実施形態の一つであり、上面概略図である。 本発明による電極内部の概略図である。 従来の電解装置の一例の概略図である。

以下に、本発明を詳細に説明する。
図１、図２に、本発明の一実施形態である電解装置を示す。なお、図１は断面概略図であり、図２は上面概略図である。図１、２によれば、電解液１を貯留し被電解試料である作用電極２を浸漬する電解槽３と、前記作用電極２とその対極となる電極５との間に電圧を印加する直流電源４と、電解槽３の底部には電解液１を撹拌するためのスターラーなどの攪拌手段６とを備えている。前記対極（電極）５には直流電源４の陽極側が接続し、作用電極２には陰極側が接続し、両極間に電圧が印加される。

ここで、対極（電極）５は、電解液１を冷却するための手段を有しており、例えば、対極（電極）５内に冷却するための冷媒が貯留されている。冷媒としては例えば水を用いることができる。このように、内部に電解液１を冷却するための手段を有する対極（電極）５を使用することで、電解液１を効率的に冷却して浴温を制御できる。その結果、電解装置を電着塗装に用いた場合、ばらつきの少ない膜厚で電着塗装することができる。

また、対極（電極）５内部では、図３に示すように下部から上部へ通水する経路を有しており、入側より侵入した気泡などが溜まらないよう冷媒の進行方向先が少しずつ高くなるような構造とするのが好ましい。図３によれば、冷媒入側７より冷媒が流れ込み、下部から冷媒が溜まり、対極電極５の下部から上部へと流れ、冷媒出側８から流れ出る。このように、対極（電極）５内部の冷媒が対極（電極）５下部から上部へ通水することで、下部から冷媒が充填していき、冷媒内の気泡が対極（電極）５内部に滞留することがなくなり、一定の流量で安定的に冷媒を流すことができ、冷却効率が向上する。

対極（電極）５の材質については特に限定されないが、大きな電流が流れた際にも対極（電極）５自身の特性変化が小さいステンレス製が望ましい。

上記のように本発明の電解装置は、電解液１を冷却するための手段を有した対極（電極）５と作用電極２を有する。そして、対極（電極）５は、作用電極２の面に正対し、かつ、作用電極２を中心として、かつ対称的に複数配置することが好ましい。作用電極２の面に正対に配置することで、電極間距離が一定となり、安定的な膜厚を得ることができる。また、対称的に複数配置することで、作用電極２の両面に一定の膜厚を得ることができるとともに、複数の対極（電極）５が電解液１を挟み込む配置となり、電解液１を効率的かつ安定的に冷却することができる。

さらに、対極（電極）５と作用電極２の間の距離（以下、電極間距離と称す）が変更可能となるように対極（電極）５と作用電極２の位置は可変式になっていることが好ましい。電極間距離は電解液１の仕様により決まっていることが多く、作用電極２の厚みに対して適宜電極間距離を変える必要がある。そのため、対極（電極）５と作用電極２はともに対極（電極）５面または作用電極２面に対して垂直方向に位置を可変可能とすることが好ましい。

以上、本発明の電極および電解装置によれば、対極（電極）５および作用電極２に直流電源５から電流が流れることによりジュール熱が発生するが、対極（電極）５は電解液１と直接接触していることから熱交換が容易に行われ、浴温コントロールが従来と比較し大幅に容易となる。さらに、対極（電極）５の内部に下部から上部へ通水する冷却経路を有する電極を用いることで、冷却効率が向上し、従来の電解装置に比較して大幅な冷却効果を得ることができる。

本発明の電極および電解装置が適用される電解装置としては、特に制限されず、陽極酸化、電気めっき、電着塗装などの電解装置全般を対象とする。特に、本発明の電解装置を用い、対極を陽極、作用電極を被電着塗装試料からなる陰極とし、電着塗料を電解液として、金属材に電着塗装することは特に好ましい。電着塗装は浴温の電着塗装膜の膜厚への影響が大きく、浴温制御を厳密にしなければならず、本発明の電解装置は浴温制御が容易となるからである。被電着塗装試料としては、特に制限されず、金属材全般を対象とするが、特に電着塗装の適用例が多い鋼板に対して好適である。さらに、本発明の電極および電解装置を用いた電着塗装方法では、被電解試料となる鋼板の処理枚数を増やしても浴温の制御が容易であり、安定的な膜厚制御が可能であるため、ドアパネル等、自動車部材の生産ラインなどに対しても適用することが可能である。

本発明の電解装置を用いて、鋼板（冷延鋼板）に電着塗装を行った。

電着塗装の前処理として、まず冷延鋼板試験片に４０℃のアルカリ脱脂液：ＦＣ−Ｅ２００１（日本パーカライジング（株）製、アルカリ度：１８．３ｐｔまたは１８．５ｐｔ）に１２０秒間浸漬する脱脂処理を施した。その後、表面調整処理およびりん酸亜鉛処理を順次施し、片面当たりの付着量が３ｇ／ｍ^２となる化成皮膜を形成した。表面調整処理は、前記脱脂処理後の試験片を、室温の表面調整剤：ＰＬ−ＺＴＨ（日本パーカライジング（株）製）に２０秒間浸漬することにより行った。また、りん酸亜鉛処理は、３５℃のＰＢ−ＳＸ３５（日本パーカライジング（株）製、全酸度２１．５ｐｔ、遊離酸度０．７ｐｔ、促進剤濃度４．０ｐｔ）に１２０秒間浸漬することにより行った。

上記前処理を施した後、図１に示す電解装置と、電解液としてカチオン電着塗料を用いて、電着塗装を行った。対極（電極）５には直流電源４の陽極側が接続し、化成皮膜が形成された冷延鋼板試験片を作用電極２とし、作用電極２には陰極側が接続し、両極間に電圧が印加される。上記のように電圧が印加されることで、電気泳動により作用電極２にカチオン電着塗料中のカチオン塗料粒子が引き寄せられ、電着塗膜が鋼板上に形成される。なお、各条件は以下の通りである。
電着塗装条件
電着塗料：商品名ＧＴ−１００（関西ペイント（株）製）
初期の電着塗料の温度（浴温）：３０℃
負荷電圧：１００Ｖ、１６０Ｖ、２２０Ｖ
通電方法：３０秒スロースタート＋２分３０秒定電圧通電
通電時間：３分（スロースタート30秒を含む）
極比：（冷延鋼板試験片（作用電極）の面積：対極の面積）は（１：２）
極間距離：１５ｃｍ
焼付け温度：１７０℃（到達鋼板温度）×２０分
対極の冷却条件
冷媒：水（３０℃）
冷媒の流量：０．１Ｌ／ｓ
冷媒の流速：０．８８ｍ／ｓ
なお、比較例１として図４の従来の電解装置を用いて、他の条件は上記実施例と同様に電着塗装を行った。なお、図４の従来の電解装置では、電解槽３の外側に冷却槽を設け、冷媒を用いて冷却した。また、比較例２として、図１の装置を用いて、対極（電極）５内部に冷媒を流さず、他の条件は上記実施例と同様に行い、電着塗膜を形成した。

試験は１０回行い、浴温の温度変化率を調べた。温度変動率は（１０回目の浴温−１回目の浴温）÷初期浴温（３０℃）×１００（％）で算出した。

また、浴温が変化すると電着塗膜厚も変化するため、１回目と１０回目の電着塗膜厚を測定した。電着塗膜厚の測定は、電磁式膜厚計（ＬＺ−２００、（株）ケット科学研究所製）を用いて行い、試験片中央部の１箇所を測定した。

以上により得られた結果を表１に示す。

表１より、本発明例では、浴温が安定し、その結果、均一な電着塗装膜厚が得られた。一方、比較例では、浴温が安定せず、電着塗装膜厚がばらついた。

１：電解液
２：作用電極（被電解試料）
３：電解槽
４：直流電源
５：対極（電極）
６：攪拌手段
７：冷媒入側
８：冷媒出側

Claims (6)

1. 内部に下部から上部へ冷媒が流れる経路を有する冷却手段を有し、
   前記経路は、冷媒が水平方向の一方向に進行した後、当該一方向とは逆の方向に進行し、
   かつ、冷媒の進行方向先が、冷媒が水平方向に進行するにつれて高くなる構造であることを特徴とする電極。
2. 前記冷却手段は、冷媒として水を用いて冷却することを特徴とする請求項１に記載の電極。
3. 請求項１または２に記載の電極からなる対極と、作用電極を有することを特徴とする電解装置。
4. 前記対極と前記作用電極の間の距離が変更可能であることを特徴とする請求項３に記載の電解装置。
5. 請求項３または４に記載の電解装置を用い、前記対極を陽極、前記作用電極を金属材からなる陰極とし、電着塗料を電解液として、金属材に電着塗装することを特徴とする電着塗装方法。
6. 電極内部に下部から上部へ、冷媒が水平方向の一方向に進行した後、当該一方向とは逆の方向に進行し、かつ、冷媒の進行方向先が、冷媒が水平方向に進行するにつれて高くなるように冷媒を流すことで、電極と接する電解液を冷却することを特徴とする電解液の冷却方法。

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