JP6274797B2 - 導電性シートの面状陽電極 - Google Patents
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- Prevention Of Electric Corrosion (AREA)
Description
外部電源方式は、直流電源装置の正極を補助陽極および負極を防食する鋼材に導体で接続して電気回路を作り、補助陽極から防食電流を鋼材へ流す。
外部電源方式は、白金等を被覆した、チタンメッシュ、チタングリッド、チタンロッド等の耐食性の高い補助陽極をコンクリートの表面または表面に溝や穴を設けて設置し、モルタルで固定する。従って、補助陽極が高価でコスト的に不利であり、施工に手数がかかる。
例えば、特許文献1には、保護カバーとして用いられるFRP容器にニッケルや白金等の酸化しにくい金属またはそれらの酸化物で被覆した炭素繊維シートからなる陽極を配し、陽極の周囲にアルカリ性水溶液を含む吸水性高分子からなるバックフィル材と、コンクリートに面接触する面状部とこの面状部から突出する凸部とからなる多孔性部材とを収容した電気防食用陽極ユニットが記載されている。
このユニットの設置に際しては、ドリル等でコンクリートに複数の穴を掘り、各穴に絶縁用チューブを挿入する。そして、バックフィル材を収容した容器をコンクリート表面に配置し、チタンピンを容器のフランジ部に設けられた穴とコンクリート表面の穴に挿入して固定する。このとき、容器の端部から外に出した陽極の一端を一対のチタンプレートで挟んで圧着し、このチタンプレートを通電点とすることが記載されている。
そのような用途に用いる具体的な海洋生物付着防止用陽極としては、例えば、特許文献3には、カーボン粉、短繊維あるいは長繊維からなるカーボン繊維等の海水に不溶解性の導電性顔料が配合された導電塗膜を積層した陽極やさらにその導電塗膜に金属箔または金属メッシュ等の給電材を積層した陽極が記載されている。
しかしながら、この陽極ユニットの電極は、通電による陽極反応、さらには空気中の二酸化炭素、窒素酸化物や硫黄酸化物等によってアルカリ性水溶液のpHが下がると、金属または金属酸化物の被覆層が劣化し、長期耐久性が得られない場合がある。
また、金属または金属酸化物を被覆した炭素繊維からなる導電性シートは高価である。
従って、電解質に正電荷を引き渡す面状電極は、被覆層を有しない炭素繊維からなることが望ましい。
しかし、炭素材料は、金属に比べると、電気抵抗が大きいので、電源に接続して給電する際、面状陽電極面内に電圧や電流密度などのばらつきが発生しやすい。そこで、面内の給電状態のばらつきを減少させるために金属の給電材を設置することが行われる。その場合に、電解質を含む水分が浸透拡散して電気分解されるので、導電性樹脂層が脆くなりやすい。その結果、給電材本体や給電材の周囲の電極面が電気化学反応により劣化する場合がある。
(1)炭素の構成比が50質量%以上である材料がシート状に成形された導電性シートからなる電極面に細長い金属の給電材が設置され、電解質に正電荷を引き渡す面状陽電極であって、
前記給電材が、前記電極面に導電性接着剤で接着され、前記給電材の少なくとも長手方向の端部以外の周囲が不透水性の樹脂層に埋め込まれ、前記不透水性の樹脂層を透して前記給電材が視認可能とされたことを特徴とする面状陽電極。
(2)前記導電性シートが炭素粒子を含む(1)に記載の面状陽電極。
(3)前記導電性接着剤が炭素粒子を含む(1)または(2)に記載の面状陽電極。
(4)前記導電性シートの前記給電材が設置されていない面に不透水性の保護層が積層された(1)ないし(3)のいずれかに記載の面状陽電極。
(5)折重ね可能に連続した二枚の金属板と導線圧着部とを有し、前記二枚の金属板に複数の金属刃が設置された圧着端子を用いて、前記二枚の金属板が前記給電材の存在する部位の前記導電性シートと前記不透水性の樹脂層とを挟んで折重ねられており、前記二枚の金属板の金属刃のいずれか一方または両方が前記導電性シートおよび前記不透水性の樹脂層のいずれか一方または両方を貫通して前記給電材に接触していると共に、導線圧着部に導線が圧着されて、前記給電材に導線が接続された(1)ないし(4)のいずれかに記載の面状陽電極。
本発明の面状陽電極を電気防食の補助陽極に用いる場合は、軽いので、導電性ゲルを用いてコンクリート表面に貼着することができる。これにより、施工が容易で、陽電極が被防食体の表面層から剥離するおそれがない。そして、導電性ゲル表面に印加される電圧のばらつきが小さくなるので、導電性ゲル内のイオン伝導が円滑となり、コンクリート中のイオン伝導も円滑となる。また、海洋生物付着防止用陽極に用いる場合は、通電点付近に電流が集中し、防汚範囲が狭くなることを防止する。
また、給電材の位置が目視で確認できるので、面状陽電極を電源等の回路に容易かつ確実に接続できる。
請求項3の発明によれば、請求項1〜2の発明の効果に加えて、導電性接着剤層が炭素粒子を含むので、電解質を含む水分が浸み込んできても導電性接着剤層が劣化しにくい。これにより、導電性シートと給電材との良好な導通を長期間維持できる。
請求項4の発明によれば、請求項1〜3の発明の効果に加えて、不透水性の保護層により、導電性シートの裏面を保護することができる。そして、例えば、バックフィル材に埋め込まれている電気防食の補助陽極に用いる場合は、電解質を含む水分による裏面から給電材が存在する部位の導電シートの劣化を防止できる。また、金属製の船体や構造物の海洋生物付着防止用陽極に用いる場合は、保護層を絶縁層として機能させることもできる。
請求項5の発明によれば、請求項1〜4の発明の効果に加えて、圧着端子により給電材と導線との接続作業が簡易になるので、面状陽電極を電源等の回路に容易かつ確実に接続できる。
図1〜図3に本発明の面状陽電極の一例を模式的に示す。
本形態例の面状陽電極1は、導電性シート2を面電極とし、電極面に金属リボン等の細長い金属からなる給電材3が導電性接着剤層4により導電性シート2に電気的に接続された状態で設置されている。そして、カバーテープ5の基材51と基材51に積層された樹脂層52とで給電材3の長手方向の周囲が封止されている。
導電性シート2に用いられる炭素材料としては、炭素シート、炭素繊維の織布、不織布、編布などの炭素材料そのものであってもよい。あるいは、コスト的に有利なので、炭素材料ではないフィルム基材、炭素材料ではない織布、不織布、編布、紙などの繊維基材に炭素粒子を塗布および/または含浸して担持させたシートを用いてもよい。
金属からなる基材は、導電性に優れるが、電解質を含む水分によって腐食する場合がある。したがって、樹脂フィルム等の非金属の基材に炭素粒子を担持させると、耐食性に優れ、導電性およびコスト的に有利なので好ましい。
また、導電性シート2の裏面が保護層6により電気的に絶縁された構成とすることもできる。この場合、金属製の船体や構造物に貼着するに際し、裏面の保護層6を絶縁層として利用することができる。
なお、フィルム基材の片面に炭素粒子層を塗布形成したカーボン塗布シートにおいて、フィルム基材を保護層6、炭素粒子層を導電性シート2とする場合、カーボン塗布シートを保護層6付導電性シート2として用いることができる。カーボン含浸シートや、フィルム基材の両面に炭素粒子層を塗布形成したカーボン塗布シートからなる導電性シートに保護層を設ける場合、カーボン含浸シートの繊維基材やカーボン塗布シートのフィルム基材とは別に不透水性のフィルム基材を用意して、導電性シートの裏面に積層してもよい。
カーボン塗布シートに用いられるフィルム基材の厚さは、物理的強度が確保される限り制限はないが、通常は、10μm〜100μm程度とすることができる。
導電性カーボンとしては、例えば、グラファイト;ケッチェンブラック、サーマルブラック、アセチレンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック等の各種のカーボンブラック;カーボンナノチューブ等を用いることができる。これらのうち、導電性が高いことから、グラファイト、ケッチェンブラックおよびカーボンナノチューブが好ましく、安価で高い導電性を有するグラファイトが特に好ましい。
導電ペーストには、炭素粒子の分散性向上のため、分散剤等の添加物を配合しても良い。また、導電ペーストには、塗布および層の形成を容易にするために、バインダーとして樹脂成分(樹脂バインダー)が配合されていてもよい。バインダーは、添加量が多い程、層の形成には好ましいが、溶媒が揮発したときに、バインダーが導電性シート2中に残り、導電性粒子同士の接触を阻害する場合があるので、導電性粒子が重量比で主成分となるように配合することが好ましい。導電性シート2に用いる樹脂バインダーは、後述する給電材3の接着に用いる導電性接着剤のバインダーと同一もしくは同種の樹脂、またはそれらを含む樹脂でもよく、導電性接着剤のバインダーとは異なる樹脂でもよい。
給電材3は、電極面内の給電状態のばらつきを小さくするためのものである。例えば、電源の正極に接続された面状陽電極1から導電性ゲルを介して一定の電流をコンクリート表面に供給する場合に、面状陽電極1からコンクリート表面に印加される電圧のばらつきを小さくする。これにより、水分や塩分の電気分解を少なくして防食電流を流すことができる。また、海洋生物付着防止用陽極であれば、通電端子付近に電流が集中し、防汚範囲が狭くなることを防止する。
導電性接着剤層4は、導電性シート2と給電材3との導電性を確保して固定する接着剤である。導電性接着剤層4を形成する接着剤は、導電性であれば特に制限はないが、金属や炭素等の導電性粒子を接着剤中に分散させたものが好ましい。
給電材3は、カバーテープ5の樹脂層52で固定されるので、導電性接着剤層4の接着力は、小さくてもよい。また、導電性接着剤層4は、体積抵抗率が低くなくても導電性シート2と給電材3との導電性を確保できるので、薄く形成することが好ましい。これらにより、導電性接着剤層4の導電性粒子として、体積抵抗率が比較的大きい炭素粒子も用いることができる。
なお、一般的には、「接着」は剥離不能に固着し、「粘着」は剥離可能に固着することであるが、本明細書においては、これらを区別することなく、「接着」と言う。
導電性接着剤には、導電性シート2と同様、塗布および層の形成を容易にするために、バインダーが配合されていてもよい。導電性接着剤のバインダーは、固化時に体積収縮して内部の導電性粒子同士の間隔が狭まり、接触やバインダー壁の絶縁破壊が起こりやすくなって導電性が高まるものが好ましい。バインダーとしては、接着力を得やすいので、通常有機バインダーが用いられる。有機バインダーとしては、エポキシ樹脂が一般的であるが、要求特性等に応じてウレタン、シリコーン、アクリル、ポリイミド、その他の熱、紫外線や電子線等のエネルギー線で硬化する硬化性樹脂や熱可塑性樹脂が使用される。
給電材3の端部が電極面2から突出しておらず、かつ電極面2の端部に至らない場合は、給電材3の端部がカバーテープ5の樹脂層52で封止されていてもよい。また、給電材3の端部が電極面2の端部と一致している場合は、面状陽電極1を形成するに際し、長尺な導電性シートを用いて、給電材を設置した後、切断して個々の面状陽電極1を形成することができるので、生産効率が良い。なお、この様にして形成した面状陽電極1の端部のカバーテープ5と電極面2の一部を除去して、給電材3の端部を突出させてもよい。
なお、この圧着端子7を用いると、電極面2から突出した給電材3の場合であっても、給電材3が二枚の金属板73、73に挟まれるので、確実で容易に接続できる。
なお、給電材3を圧着端子7のランスに食い込ませてから、導線8を圧着端子7の導線圧着部71に圧着してもよい。
また、図4の圧着端子7では、二枚の各金属板73、73にそれぞれ5つ(中央および4隅)のランスを有する(上側の金属板73ではランスの裏側の窪みが図示されている)が、ランスの個数および配置は適宜変更可能である。
樹脂層52は、カバーテープ5を用いることなく、例えば、コーキングガンの様な器具を用いて、給電材3の周囲に充填して形成してもよい。しかし、図2に示すように、予めカバーテープ5の基材51に樹脂層52を積層しておき、給電材3が導電性接着剤層4で固定された電極面2上に積層して形成することによって、容易にかつ確実に給電材3の周囲が封止されるので好ましい。
従って、基材51の材質は、電解質との電気化学反応に耐えて劣化しにくければ特に制限されないが、一般的に合成樹脂は、そのような特性を有し、加工性も高いことから、合成樹脂が好ましい。
基材51となる樹脂は、上述した導電性シート2がカーボン塗布シートである場合に用いられるフィルム基材と同様なものを用いることができる。
樹脂層52を透して給電材3を視認可能とするために、樹脂層52に配合する導電性粒子の比率を下げたり、樹脂層52を薄くしたりしてもよい。
樹脂層52が導電性を有しない場合は、高い透明性や低いヘイズが容易に得られるので、給電材3を容易に視認可能とすることができる。
基材51は、導電性を有していてもよい。基材51と樹脂層52が共に導電性を有すると、電極面2の導電性が高くなる。この場合、電解質が浸透しやすくなることがあるので、それぞれに含まれる導電性粒子の含有率は、基材51の方が樹脂層52より低いことが好ましい。
なお、基材51の樹脂は、給電材3を積極的に隠蔽するために、着色されていてもよい。また、基材51は、複数層設けられていてもよい。
面状陽電極1の形成に際しては、導電性シート2、給電材3やカバーテープ5は、ロールに巻かれた長尺品であってもよいし、枚葉に断裁された平板でもよい。
以下の手順により、外部電源方式の電気防食に用いる面状陽電極1の実施例1に用いる導電性シート2を作製した。
カーボングラファイト粉末を有機溶剤に分散させ、バインダーを配合して固形分が28%の導電性のカーボンペーストを調合した。カーボンペースト主剤96重量部に硬化剤4重量部を添加したカーボンペーストを厚さ38μmの広幅の二軸延伸PETフィルムの片面に塗布して乾燥させた。カーボンペーストを塗布したPETフィルムを幅330mmにスリットし、長さ1000mmに切断して保護層6付導電性シート2を作製した。カーボンペーストの付着量は約20g/m2であった。なお、付着量は全て乾燥重量である。
導線8を図4に示す圧着端子7(商品名ターミホイル)の導線圧着部71に圧着して、圧着端子7付導線8を二本用意した。面状陽電極1の長辺の両端において、面状陽電極1をめくって、対向する2本の給電材3、3の存在を目視で確認して、面状陽電極1の導電性シート2とカバーテープ5を、給電材3、3を含むように圧着端子7、7で挟んだ。そして、圧着端子7の二枚の金属板73、73をハンマーでたたいて、図3に示すようにそれぞれの給電材3、3を圧着端子7、7のランス(金属刃74)に食い込ませて、面状陽電極1に接続した。
そして、二本の導線8、8を電源の正極に接続し、電源の負極をコンクリート中の鉄筋に接続した。
本形態例では、保護層6付導電性シート2としてカーボン塗布シートを採用したので、基材のPETフィルムをそのまま残した。これにより、面状陽電極1の裏側が保護されたり、絶縁されたりするという利点がある。基材が不要な場合は、これを剥離可能に構成してもよいし、導電性シート2としてカーボン含浸シートを採用して、始めから基材を設けなくてもよい。
また、本形態例では、給電材3に接触して導線8を接続する圧着端子7は、二枚の金属板73、73が導線圧着部71で折重ね可能に連結したものを用いたが、二枚の金属板が導線圧着部に連結しない一辺を軸として折重ね可能に連結されたものを用いてもよい。
Claims (5)
- 炭素の構成比が50質量%以上である材料がシート状に成形された導電性シートからなる電極面に細長い金属の給電材が設置され、電解質に正電荷を引き渡す面状陽電極であって、
前記給電材が、前記電極面に導電性接着剤で接着され、前記給電材の少なくとも長手方向の端部以外の周囲が不透水性の樹脂層に埋め込まれ、前記不透水性の樹脂層を透して前記給電材が視認可能とされたことを特徴とする面状陽電極。 - 前記導電性シートが炭素粒子を含む請求項1に記載の面状陽電極。
- 前記導電性接着剤が炭素粒子を含む請求項1または2に記載の面状陽電極。
- 前記導電性シートの前記給電材が設置されていない面に不透水性の保護層が積層された請求項1ないし3のいずれかに記載の面状陽電極。
- 折重ね可能に連続した二枚の金属板と導線圧着部とを有し、前記二枚の金属板に複数の金属刃が設置された圧着端子を用いて、前記二枚の金属板が前記給電材の存在する部位の前記導電性シートと前記不透水性の樹脂層とを挟んで折重ねられており、前記二枚の金属板の金属刃のいずれか一方または両方が前記導電性シートおよび前記不透水性の樹脂層のいずれか一方または両方を貫通して前記給電材に接触していると共に、導線圧着部に導線が圧着されて、前記給電材に導線が接続された請求項1ないし4のいずれかに記載の面状陽電極。
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