JP6641990B2 - Water repellent substrate and method for producing the same - Google Patents

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Description

本発明は、アルミニウム基材に撥水性を付与した撥水性基材とその製造方法に関する。   The present invention relates to a water-repellent substrate provided with a water-repellent aluminum substrate and a method for producing the same.

電気自動車やプラグインハイブリッド車等の空調システムにおいて、空気を熱源とするヒートポンプシステム(以下、HPシステム)が用いられている。HPシステムでは、冷媒は、コンプレッサで高温高圧に圧縮された後、エバポレータにて放熱され、膨張弁を通過して低温低圧となり室外器に至る。このとき、冷媒が外気から吸熱することで、室外器が冷却され、車外が高湿度になると、室外器のアルミニウム製フィンの表面に凝縮水が発生する。凝縮水が除去されないと、やがて凍結して霜に変化する。   2. Description of the Related Art In an air conditioning system of an electric vehicle, a plug-in hybrid vehicle, or the like, a heat pump system (hereinafter, an HP system) using air as a heat source is used. In the HP system, the refrigerant is compressed to a high temperature and a high pressure by a compressor, radiated by an evaporator, passes through an expansion valve to a low temperature and a low pressure, and reaches an outdoor unit. At this time, the outdoor unit is cooled by absorbing heat from the outside air by the refrigerant, and when the outside of the vehicle becomes high in humidity, condensed water is generated on the surface of the aluminum fins of the outdoor unit. If the condensed water is not removed, it will eventually freeze and turn into frost.

室外器等の熱交換器用フィンの着霜防止技術として、基材の表面に凹凸を設けて撥水皮膜をコーティングする、皮膜方式が知られている。皮膜方式では、皮膜表面で凝縮水が超撥水状態となることで、走行風等の外力により容易に除去可能となる。例えば、特許文献1には、アルミニウム基材の表面に、ベーマイトで構成される凹凸部を形成し、フッ化アルキルシラン等からなる皮膜を形成することにより、撥水性を付与した撥水性基材が開示されている。   2. Description of the Related Art As a technique for preventing frost formation on fins for heat exchangers such as outdoor units, there is known a coating method in which unevenness is provided on the surface of a base material to coat a water-repellent coating. In the film system, the condensed water is in a super-water-repellent state on the film surface, so that it can be easily removed by external force such as running wind. For example, Patent Document 1 discloses a water-repellent substrate provided with water repellency by forming an uneven portion made of boehmite on a surface of an aluminum substrate and forming a film made of fluorinated alkylsilane or the like. It has been disclosed.

特開2013−036733号公報JP 2013-036733 A

しかしながら、皮膜方式による撥水性基材を、室外器等の熱交換器用フィンとして使用した場合に、撥水性能が徐々に低下することが判明した。その結果、発生する水滴が除去されずに凍結して霜となり、霜の量が増加すると、フィン間を通過する風量が低下する。さらに、冷媒への熱伝導性も低下するために、除霜運転が必要となり運転効率が低下する。また、所望の撥水性を得るためには、高価なフッ素系撥水材料を用いる必要があり、生産性が低下する。   However, it has been found that when a water-repellent substrate of a film type is used as a fin for a heat exchanger such as an outdoor unit, the water-repellent performance gradually decreases. As a result, the generated water droplets are frozen without being removed and become frost. When the amount of frost increases, the amount of air passing between the fins decreases. Furthermore, since the heat conductivity to the refrigerant also decreases, a defrosting operation is required, and the operation efficiency is reduced. In addition, in order to obtain desired water repellency, it is necessary to use an expensive fluorine-based water repellent material, and the productivity is reduced.

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、低温高湿度環境下で生成する凝縮水を除去し、着霜を防止する超撥水性を持続可能であり、生産性の高い撥水性基材とその製造方法を提供しようとするものである。   The present invention has been made in view of such a background, removes condensed water generated in a low-temperature and high-humidity environment, can maintain super water repellency to prevent frost formation, and has a high productivity water repellent base. It is intended to provide a material and a manufacturing method thereof.

本発明の一態様は、アルミニウム基材(2)と、
該アルミニウム基材の表面に設けられたアルマイト層(3)と、
該アルマイト層の表面に設けられた撥水皮膜(4)と、を備えており、
上記アルマイト層は、上記アルミニウム基材と一体の基層(31)と、該基層の表面に並立する多数のピン状突起(32)とからなる凹凸構造(33)を有し、該凹凸構造は、細孔(34)を有する六角形セル構造のアルマイトのエッチング処理により、上記細孔を囲む六角形セルの頂点の位置に上記ピン状突起が並立する構造であり、
上記凹凸構造の十点平均粗さRzjisに対し、上記凹凸構造の最大高さ位置からRzjisカット率20%となる高さの仮想切断面(A)において、上記ピン状突起の接触面積率が0.01以下であり、
上記撥水皮膜は、炭化水素系撥水材料からなる皮膜である、撥水性基材(1)にある。
One embodiment of the present invention provides an aluminum substrate (2),
An alumite layer (3) provided on the surface of the aluminum substrate;
A water-repellent film (4) provided on the surface of the alumite layer;
The alumite layer has a concavo-convex structure (33) composed of a base layer (31) integral with the aluminum base and a number of pin-like projections (32) arranged in parallel on the surface of the base layer . A structure in which the pin-like projections are arranged at the apexes of the hexagonal cells surrounding the pores by etching the alumite having a hexagonal cell structure having pores (34);
With respect to the ten-point average roughness Rzjis of the concavo-convex structure, the contact area ratio of the pin-like projections is 0 on the virtual cut surface (A) having a height of 20% from the maximum height position of the concavo-convex structure. .01 or less,
The water-repellent film is a film made of a hydrocarbon-based water-repellent material, which is on the water-repellent substrate (1).

本発明の他の態様は、アルミニウム基材(2)と、
該アルミニウム基材の表面に設けられたアルマイト層(3)と、
該アルマイト層の表面に設けられた撥水皮膜(4)と、を備えており、
上記アルマイト層は、上記アルミニウム基材と一体の基層(31)と、該基層の表面に並立する多数のピン状突起(32)とからなる凹凸構造(33)を有し、該凹凸構造の十点平均粗さRzjisに対し、上記凹凸構造の最大高さ位置からRzjisカット率20%となる高さの仮想切断面(A)において、上記ピン状突起の接触面積率が0.01以下であり、
上記撥水皮膜は、炭化水素系撥水材料からなる皮膜である、撥水性基材(1)の製造方法であって、
上記アルミニウム基材の表面に、アルマイト化処理とエッチング処理とにより、上記凹凸構造を有する上記アルマイト層を形成する工程と(S1、S2)、
上記炭化水素系撥水材料を含むコーティング液を調合する工程(S11)と、
上記コーティング液に、炭化水素系溶剤を添加して、水分を分離させて除去する工程(S12)と、
水分を除去した上記コーティング液に、上記アルマイト層を形成した上記アルミニウム基材を浸漬する工程(S13)と、
上記コーティング液が塗布された上記アルミニウム基材を焼成する工程(S15)と、を備える、撥水性基材の製造方法にある。
なお、括弧内の符号は、参考のために付したものであり、本発明はこれら符号により限定されるものではない。
Another embodiment of the present invention provides an aluminum substrate (2),
An alumite layer (3) provided on the surface of the aluminum substrate;
A water-repellent film (4) provided on the surface of the alumite layer;
The alumite layer has a concavo-convex structure (33) composed of a base layer (31) integral with the aluminum base and a number of pin-like projections (32) arranged in parallel with the surface of the base layer. The contact area ratio of the pin-like projections is 0.01 or less on the virtual cut surface (A) having a height of 20% Rzjis cut ratio from the maximum height position of the uneven structure with respect to the point average roughness Rzjis. ,
The method for producing a water-repellent substrate (1), wherein the water-repellent film is a film made of a hydrocarbon-based water-repellent material,
Forming the alumite layer having the concavo-convex structure on the surface of the aluminum base by alumite treatment and etching treatment (S1, S2);
Preparing a coating liquid containing the hydrocarbon-based water-repellent material (S11);
A step of adding a hydrocarbon solvent to the coating liquid to separate and remove water (S12);
A step of immersing the aluminum substrate on which the alumite layer is formed in the coating liquid from which water has been removed (S13);
Baking the aluminum substrate to which the coating liquid has been applied (S15).
In addition, the code | symbol in a parenthesis is attached for reference, and this invention is not limited by these codes.

上記態様による撥水性基材は、アルミニウム基材の表層となるアルマイト層が、接触面積率が小さい微細凹凸構造を有するので、炭化水素系撥水材料からなる撥水皮膜との組合せにより、超撥水性を発現可能となる。また、ピン状突起が並立する規則的な凹凸構造であり、撥水皮膜の未形成部位が生じにくいため、全表面で良好な撥水性が得られる。これにより、凝縮水を凹凸構造の表面に押し出し、生成する水滴を、外力等により容易に滑落させて除去できる。また、凹凸構造の内部に凝縮水が残存して、撥水性が徐々に低下することが抑制される。炭化水素系撥水材料は、フッ素系撥水材料に次いで表面自由エネルギーが低く、撥水性向上に寄与すると共に、フッ素系撥水材料より安価であり、生産性を向上させる。   In the water-repellent substrate according to the above aspect, the alumite layer serving as the surface layer of the aluminum substrate has a fine concavo-convex structure having a small contact area ratio. It becomes possible to develop aqueous properties. In addition, a regular uneven structure in which pin-like projections are arranged side by side, and a portion where a water-repellent film is not formed is unlikely to be formed, so that good water repellency can be obtained on the entire surface. Thereby, the condensed water is pushed out to the surface of the uneven structure, and the generated water droplet can be easily slid off by an external force or the like and removed. In addition, it is possible to prevent the condensed water from remaining inside the uneven structure and the water repellency from gradually decreasing. The hydrocarbon-based water-repellent material has the second lowest surface free energy next to the fluorine-based water-repellent material, contributes to improvement in water repellency, is less expensive than the fluorine-based water-repellent material, and improves productivity.

このような撥水性基材は、アルミニウム基材をアルマイト化処理とエッチング処理とにより形成した凹凸構造のアルマイト層に、水分を分離したコーティング液を用いて撥水皮膜を形成することにより、撥水性がさらに向上する。したがって、低温高湿度環境下において、発生する凝縮水を超撥水状態とすることで除去し、高い撥水性能を長期間維持して、着霜による不具合を防止できる撥水性基材が得られる。   Such a water-repellent substrate is formed by forming a water-repellent film using a coating liquid from which moisture is separated on an alumite layer having a concavo-convex structure formed by subjecting an aluminum substrate to alumite treatment and etching. Is further improved. Therefore, in a low-temperature and high-humidity environment, the condensed water generated is removed by making it super-water-repellent, and a water-repellent substrate that can maintain high water-repellent performance for a long time and prevent problems due to frosting can be obtained. .

実施形態1における、撥水性基材の概略構造を示す要部拡大断面図。FIG. 2 is an enlarged sectional view of a main part showing a schematic structure of a water-repellent substrate in the first embodiment. 実施形態1における、撥水性基材のアルマイト層の凹凸構造を模式的に示す要部拡大斜視図。FIG. 2 is an enlarged perspective view of a main part schematically showing a concavo-convex structure of the alumite layer of the water-repellent substrate in the first embodiment. 実施形態1における、撥水性基材の撥水皮膜分子構造を示す模式的な図。FIG. 2 is a schematic diagram showing a water-repellent film molecular structure of a water-repellent substrate in the first embodiment. 実施形態1における、接触面積率の測定方法を模式的に示すアルマイト層の要部拡大斜視図。FIG. 3 is an enlarged perspective view of a main part of the alumite layer schematically showing a method of measuring a contact area ratio in the first embodiment. 実施形態1における、アルミニウム基材のアルマイト化工程とエッチング工程によるアルマイト層形成工程を示す拡大斜視図。FIG. 3 is an enlarged perspective view showing an alumite layer forming step by an alumite forming step and an etching step of the aluminum base material in the first embodiment. 実施形態1における、撥水性基材の表面に水滴が付着した状態を示す要部拡大断面図。FIG. 2 is an enlarged sectional view of a main part showing a state in which water droplets adhere to the surface of the water-repellent substrate in the first embodiment. 実施形態1における、接触面積率と対水接触角との関係を示す図。FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between a contact area ratio and a contact angle with water according to the first embodiment. 実施形態1における、アルマイト層の凹凸構造と発生する凝縮水の排出性との関係を示すモデル図。FIG. 4 is a model diagram showing a relationship between the concavo-convex structure of the alumite layer and drainage of generated condensed water in the first embodiment. 実施形態1における、アルミニウム基材に形成したアルマイト層を撥水皮膜で被覆する工程を示す図。FIG. 3 is a diagram showing a step of covering an alumite layer formed on an aluminum substrate with a water-repellent film in the first embodiment. 実施形態1における、撥水性基材の表面に付着した水滴の滑落性を示す動的θ差の算出方法を示すモデル図。FIG. 4 is a model diagram showing a method for calculating a dynamic θ difference indicating the sliding property of a water droplet attached to the surface of a water-repellent substrate in the first embodiment. 実施形態1における、撥水性基材の表面に付着した水滴の挙動を示す要部断面図。FIG. 5 is a cross-sectional view of a main part showing behavior of water droplets attached to the surface of the water-repellent substrate in the first embodiment. 実験例1における、実施例1のアルマイト層の凹凸構造の画像観察方法を示す要部拡大断面図。FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of a principal part showing a method for observing an image of the concavo-convex structure of the alumite layer of Example 1 in Experimental Example 1. 実験例1における、実施例1の凹凸構造の表面形状を示す、図12のXIV矢視方向から見た走査型電子顕微鏡による傾斜観察画像。FIG. 13 is a tilt observation image obtained by a scanning electron microscope viewed from the direction of arrow XIV in FIG. 12, showing the surface shape of the concave-convex structure of Example 1 in Experimental Example 1. 実験例1における、実施例1の凹凸構造の断面形状を示す、図12のXIV−XIV断面の透過型電子顕微鏡による断面観察画像。13 is a cross-sectional observation image of the XIV-XIV cross section of FIG. 12 by a transmission electron microscope, showing a cross-sectional shape of the concavo-convex structure of Example 1 in Experimental Example 1. 実験例1における、比較例1のベーマイト層の凹凸構造の画像観察方法を示す要部拡大断面図。FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of a principal part showing a method for observing an image of a concave-convex structure of a boehmite layer in Comparative Example 1 in Experimental Example 1. 実験例1における、比較例1の凹凸構造の表面形状を示す、図15のXVI矢視方向から見た走査型電子顕微鏡による表面観察画像。FIG. 16 is a surface observation image by a scanning electron microscope viewed from the direction of arrow XVI in FIG. 15, showing the surface shape of the uneven structure of Comparative Example 1 in Experimental Example 1. 実験例1における、比較例1の凹凸構造の断面形状を示す、図15のXVII−XVII断面の透過型電子顕微鏡による断面観察画像。FIG. 16 is a cross-sectional observation image of the XVII-XVII cross section of FIG. 15 by a transmission electron microscope, showing a cross-sectional shape of the concavo-convex structure of Comparative Example 1 in Experimental Example 1. 実験例1における、Rzjisカット率と接触面積率との関係を示す図。The figure which shows the relationship between Rzjis cut rate and contact area rate in Experimental example 1. 実験例2における、凝縮水試験回数と最大凝縮水滴直径との関係を示す図。The figure which shows the relationship between the condensed water test frequency and the maximum condensed water droplet diameter in Experimental example 2. 実験例2における、比較例1の撥水性基材の表面に付着した水滴の挙動を示す要部断面図。FIG. 9 is a cross-sectional view of a principal part showing the behavior of water droplets attached to the surface of the water-repellent substrate of Comparative Example 1 in Experimental Example 2. 実験例2における、実施例1と比較例1、2の撥水性基材について、凝縮水試験1回〜3回実施後の表面の最大凝縮水滴直径の変化を示す、走査型電子顕微鏡による表面観察画像。Surface observation by a scanning electron microscope showing the change of the maximum condensed water droplet diameter on the surface of the water-repellent substrates of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 in Experimental Example 2 after performing the condensed water test once to three times. image. 実験例3における、アルキル基の炭素数と動的θ差との関係を示す図。FIG. 9 is a diagram showing a relationship between the number of carbon atoms of an alkyl group and a dynamic θ difference in Experimental Example 3. 実験例3における、撥水皮膜を構成する主剤のモル比率であるCモル比と、動的θ差との関係を示す図。The figure which shows the relationship between C molar ratio which is the molar ratio of the main agent which comprises a water-repellent film in Experiment 3, and a dynamic (theta) difference.

(実施形態1)
次に、撥水性基材の実施形態について、図面を参照して説明する。本形態の撥水性基材は、例えば、熱交換器用のフィン材として使用することができ、車載用ヒートポンプシステムの室外機等に適用されて、低温高湿度の環境下における着霜を防止する。図1に示すように、撥水性基材1は、板状のアルミニウム基材2と、アルミニウム基材2の表面に形成されるアルマイト層3と、アルマイト層3の表面に形成される撥水皮膜4とから構成される。アルミニウム基材2は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる。
(Embodiment 1)
Next, an embodiment of a water-repellent substrate will be described with reference to the drawings. The water-repellent substrate of the present embodiment can be used, for example, as a fin material for a heat exchanger, and is applied to an outdoor unit or the like of a vehicle-mounted heat pump system to prevent frost formation in a low-temperature and high-humidity environment. As shown in FIG. 1, a water-repellent substrate 1 is a plate-shaped aluminum substrate 2, an alumite layer 3 formed on a surface of the aluminum substrate 2, and a water-repellent film formed on a surface of the alumite layer 3. And 4. The aluminum base 2 is made of aluminum or an aluminum alloy.

アルマイト層3は、アルミニウム基材2の表層を形成し、アルミニウム基材2と一体の基層31と、多数のピン状突起32とからなる。多数のピン状突起32は、基層31の表面からアルミニウム基材2の厚さ方向Xに、略平行に突出している。隣り合うピン状突起32の間には、空気層11が形成される。図2に示すように、アルマイト層3は、基層31と、この基層31の表面に並立する多数のピン状突起32とからなる、所定の凹凸構造33を有している。   The alumite layer 3 forms a surface layer of the aluminum base 2 and includes a base layer 31 integrated with the aluminum base 2 and a large number of pin-like projections 32. The numerous pin-like projections 32 project from the surface of the base layer 31 in the thickness direction X of the aluminum base material 2 in a substantially parallel manner. The air layer 11 is formed between the adjacent pin-shaped projections 32. As shown in FIG. 2, the alumite layer 3 has a predetermined concavo-convex structure 33 composed of a base layer 31 and a large number of pin-like projections 32 juxtaposed on the surface of the base layer 31.

撥水皮膜4は、炭化水素系撥水材料からなり、アルミニウム基材2の最表層を形成する。撥水皮膜4は、アルマイト層3の基層31の表面と、多数のピン状突起32の表面とを被覆して、凹凸構造33の全表面を覆っている。図3に示すように、撥水皮膜4は、具体的には、アルキル基43を有する金属アルコキシドからなる主剤41と、有機シランからなる架橋剤42を含み、フッ素を含有しない炭化水素系撥水材料を用いて構成される。このような炭化水素系撥水材料は、金属アルコキシドと有機シランとが、共加水分解・脱水縮合することにより、三次元マトリクス構造を有する、有機−無機ハイブリッド皮膜となる。   The water-repellent film 4 is made of a hydrocarbon-based water-repellent material, and forms the outermost layer of the aluminum substrate 2. The water-repellent film 4 covers the surface of the base layer 31 of the alumite layer 3 and the surfaces of the numerous pin-like projections 32, and covers the entire surface of the uneven structure 33. As shown in FIG. 3, the water-repellent film 4 specifically includes a main agent 41 made of a metal alkoxide having an alkyl group 43 and a cross-linking agent 42 made of an organic silane, and is a hydrocarbon-based water-repellent containing no fluorine. It is configured using materials. Such a hydrocarbon-based water-repellent material becomes an organic-inorganic hybrid film having a three-dimensional matrix structure by co-hydrolysis and dehydration condensation of a metal alkoxide and an organic silane.

撥水皮膜4は、有機−無機ハイブリッド皮膜の最表面に、疎水性のアルキル基43が多数配置されることで、撥水性を呈し、凝縮水の排出を促進する。主剤41の分子長は、アルキル基43の分子運動性に影響し、分子間隔dは、主剤41と架橋剤42のモル比に応じて決まり、アルキル基43の長さと隣り合うアルキル基43の間隔に相当する。例えば、図3においては、主剤41:架橋剤42=1:3であり、主剤41の比率が25モル%となる構造が例示されている。
以下に、撥水性基材1の詳細構造について、詳述する。
The water-repellent film 4 exhibits water repellency by arranging a large number of hydrophobic alkyl groups 43 on the outermost surface of the organic-inorganic hybrid film, and promotes discharge of condensed water. The molecular length of the main agent 41 affects the molecular mobility of the alkyl group 43, and the molecular interval d is determined according to the molar ratio between the main agent 41 and the crosslinking agent 42, and the distance between the length of the alkyl group 43 and the adjacent alkyl group 43. Is equivalent to For example, FIG. 3 illustrates a structure in which the ratio of the main agent 41 to the crosslinking agent 42 is 1: 3 and the ratio of the main agent 41 is 25 mol%.
Hereinafter, the detailed structure of the water-repellent substrate 1 will be described in detail.

図2において、ピン状突起32の幅W、ピン状突起32の高さHと、隣り合うピン状突起32間の突起間隔Dとは、アルマイト層3における凹凸構造33を決定する。このとき、個々のピン状突起32の高さHは、凹凸構造33の深さを表し、アルマイト層3の成膜厚さとエッチング深さによって制御される。幅Wと突起間隔Dは、凹凸構造33の大きさを表し、突起間隔Dは、ピン状突起32の間の空気層11の幅に相当する。ピン状突起32が規則的に配置され、その間に空気層11が深さ方向に均質に形成されることで、空気層11で発生する凝縮水の排出が適切になされ、撥水性が良好に維持される。   In FIG. 2, the width W of the pin-shaped protrusion 32, the height H of the pin-shaped protrusion 32, and the protrusion interval D between the adjacent pin-shaped protrusions 32 determine the uneven structure 33 in the alumite layer 3. At this time, the height H of each pin-shaped protrusion 32 represents the depth of the concavo-convex structure 33, and is controlled by the film thickness of the alumite layer 3 and the etching depth. The width W and the projection interval D represent the size of the concavo-convex structure 33, and the projection interval D corresponds to the width of the air layer 11 between the pin-shaped projections 32. Since the pin-like projections 32 are regularly arranged, and the air layer 11 is uniformly formed in the depth direction between the pin-like projections 32, the condensed water generated in the air layer 11 is appropriately discharged, and the water repellency is maintained well. Is done.

アルマイト層3は、凹凸構造33の繰り返し周期に対して、ピン状突起32の幅Wが小さいほど、水分が凝縮して生成する水滴との接触面積が小さくなり、撥水性が高くなる。そのため、アルマイト層3は、凹凸構造33の最外表面においてピン状突起32が占める面積率が小さいほどよい。そこで、アルマイト層3の表面における接触面積率を、以下のように定義する。すなわち、凹凸構造33の十点平均粗さをRzjisとし、凹凸構造33の最表面となる最大高さ位置から深さ方向への高さのカット率を、Rzjisカット率とする。このとき、最大高さからRzjisカット率20%となる高さに仮想切断面を設定し、この仮想切断面におけるピン状突起32の単位面積当たりの接触面積を、接触面積率とする。なお、十点平均粗さRzjisは、JIS B0601−2001に準じて測定される表面粗さである。   In the alumite layer 3, the smaller the width W of the pin-shaped projections 32 with respect to the repetition period of the concavo-convex structure 33, the smaller the contact area with water droplets generated by condensation of water and the higher the water repellency. Therefore, the smaller the area ratio of the pin-shaped projections 32 on the outermost surface of the uneven structure 33, the better the alumite layer 3 is. Therefore, the contact area ratio on the surface of the alumite layer 3 is defined as follows. That is, the ten-point average roughness of the concavo-convex structure 33 is Rzjis, and the cut rate of the height from the maximum height position, which is the outermost surface of the concavo-convex structure 33, in the depth direction is Rzjis cut rate. At this time, a virtual cut surface is set to a height at which the Rzjis cut rate becomes 20% from the maximum height, and a contact area per unit area of the pin-shaped projection 32 on the virtual cut surface is defined as a contact area ratio. The ten-point average roughness Rzjis is a surface roughness measured according to JIS B0601-2001.

具体的には、図4に示すように、凹凸構造33の最表面からRzjisカット率20%の高さ位置において、アルマイト層3をアルミニウム基材2の板面と平行に切断した仮想切断面内に、所定の測定エリアAを設定する。そして、測定エリアAに現れるピン状突起32の総面積から、下記式1を用いて、Rzjisカット率20%における接触面積率を算出することができる。
式1:接触面積率=[測定エリアA内のピン状突起32の総面積(単位:μm2)]/[測定エリアAの面積(単位:μm2)]
この接触面積率が、0.01以下、好適には、0.005以下となるように構成することで、最表層となる撥水皮膜4との組み合わせにより、超撥水性を発現することができる。
接触面積率と超撥水性の関係については、後述する。
Specifically, as shown in FIG. 4, the alumite layer 3 is cut at a height of 20% Rzjis cut rate from the outermost surface of the concavo-convex structure 33 in a virtual cutting plane parallel to the plate surface of the aluminum base material 2. Then, a predetermined measurement area A is set. Then, from the total area of the pin-shaped protrusions 32 appearing in the measurement area A, the contact area ratio at an Rzjis cut rate of 20% can be calculated using the following equation 1.
Formula 1: Contact area ratio = [total area of pin-shaped projections 32 in measurement area A (unit: μm 2 )] / [area of measurement area A (unit: μm 2 )]
By configuring the contact area ratio to be 0.01 or less, preferably 0.005 or less, super-water repellency can be exhibited by combination with the water-repellent film 4 which is the outermost layer. .
The relationship between the contact area ratio and the super water repellency will be described later.

アルマイト層3は、アルミニウム基材2を表面処理することにより形成される、多孔質の酸化アルミニウム(すなわち、Al23)からなる層である。図5に示すように、アルマイト層3は、アルマイト化処理工程S1と、エッチング処理工程S2と、により形成される。図5の左図に示すように、アルマイト化処理により生成するアルマイトは、細孔34を有する六角形セル構造を有し、アルミニウム基材2の表面から、その厚さ方向Xに成長する。図5の中図に示すように、アルマイトの細孔34がエッチング処理されることにより、徐々に拡径されて、図5の右図に示すように、多数のピン状突起32が並立する層となる。このとき、多数のピン状突起32は、アルマイトの六角形セルの頂点に位置することになり、規則的な凹凸構造33が形成される。 The alumite layer 3 is a layer made of porous aluminum oxide (that is, Al 2 O 3 ) formed by performing a surface treatment on the aluminum substrate 2. As shown in FIG. 5, the alumite layer 3 is formed by an anodizing process step S1 and an etching process step S2. As shown in the left diagram of FIG. 5, the alumite generated by the alumite treatment has a hexagonal cell structure having pores 34, and grows from the surface of the aluminum substrate 2 in the thickness direction X thereof. As shown in the middle diagram of FIG. 5, the pores 34 of the alumite are etched to be gradually expanded, and as shown in the right diagram of FIG. Becomes At this time, the many pin-shaped projections 32 are located at the apexes of the hexagonal cells of alumite, and a regular uneven structure 33 is formed.

具体的には、アルマイト化処理工程S1では、予めアルミニウム基材2の表面を酸洗浄した後、燐酸浴中で電圧を印加して陽極酸化する。これにより、該表面の全面に、六角形セル構造のアルマイト層が成膜される。酸洗浄用の薬剤としては、例えば、硝酸が用いられる。陽極酸化では、下記反応式に示すアルマイト成膜反応が進行し、多数の六角形セル内には、その軸芯に沿って細孔34が形成される。
[アルマイト成膜反応式]
・陽極:2Al+3H2O→Al23+6H+6e
・陰極:2H+2e→H2
Specifically, in the alumite treatment step S1, the surface of the aluminum substrate 2 is washed with an acid in advance, and then anodized by applying a voltage in a phosphoric acid bath. Thus, an alumite layer having a hexagonal cell structure is formed on the entire surface. As the acid cleaning agent, for example, nitric acid is used. In anodic oxidation, an alumite film forming reaction represented by the following reaction formula proceeds, and pores 34 are formed in many hexagonal cells along their axis.
[Alumite film formation reaction formula]
Anode: 2Al + 3H 2 O → Al 2 O 3 + 6H + + 6e -
・ Cathode: 2H + + 2e → H 2

エッチング処理工程S2では、アルマイト化処理工程にて形成されたアルマイト層を、燐酸浴中でエッチングする。これにより、細孔34が内側からエッチングされて、細孔34が拡がり、隣接する六角形セルを区画する壁部が薄くなる。このように、アルマイト化とエッチングを繰り返すことにより、アルマイト層の薄い壁部が除去されると、六角形セルの頂点の位置に、ナノオーダーのピン状突起32が並立する、ナノピン構造の凹凸が形成される。   In the etching step S2, the alumite layer formed in the alumite processing step is etched in a phosphoric acid bath. As a result, the pores 34 are etched from the inside, the pores 34 are expanded, and the walls defining adjacent hexagonal cells are thinned. As described above, when the thin wall portion of the alumite layer is removed by repeating the alumite-forming and etching, the nano-order pin-shaped protrusions 32 are arranged at the apexes of the hexagonal cells, and the irregularities of the nano-pin structure are formed. It is formed.

図6に示すように、撥水性基材1は、アルマイト層3の凹凸構造33と、その表面の撥水皮膜4とにより、超撥水性を発現する。撥水性基材1の表面において、水分が凝縮して生成する凝縮水は、最表層の撥水皮膜4により、最外表面に押し出されて、水滴5となる。このとき、隣接するピン状突起32の間には、空気層11が形成され、水滴5は、アルマイト層3の凹凸構造33の最外表面において、撥水皮膜4で被覆されたピン状突起32に点接触して支持される。一般に、撥水性基材1の表面が超撥水状態にあるとき、撥水性基材1の表面と水滴5の表面とのなす角である対水接触角θは150°以上で、水滴5は、例えば自重や送風等の外力によって、表面から滑落可能となる。   As shown in FIG. 6, the water-repellent substrate 1 exhibits super-water-repellency due to the uneven structure 33 of the alumite layer 3 and the water-repellent film 4 on the surface. Condensed water generated by condensation of water on the surface of the water-repellent substrate 1 is extruded to the outermost surface by the outermost water-repellent film 4 to become water droplets 5. At this time, the air layer 11 is formed between the adjacent pin-shaped projections 32, and the water droplets 5 are applied to the pin-shaped projections 32 covered with the water-repellent film 4 on the outermost surface of the uneven structure 33 of the alumite layer 3. Are supported in point contact with Generally, when the surface of the water-repellent substrate 1 is in a super-water-repellent state, a contact angle θ with respect to water, which is an angle formed between the surface of the water-repellent substrate 1 and the surface of the water droplet 5, is 150 ° or more, and the water droplet 5 For example, it is possible to slide down from the surface by an external force such as its own weight or blowing.

撥水性基材1が、表面に凹凸を有するとき、対水接触角θは、以下の式2によって求められる。
式2:cosθ=[A1/(A1+A2)]cosθ1+[A2/(A1+A2)]cosθ2
式中、A1:撥水皮膜4の水滴5に対する接触面積、A2:空気層11の水滴5に対する接触面積、θ1:撥水皮膜4の凹凸がない表面の対水接触角、θ2:空気層11の対水接触角
アルマイト層3は、ピン状突起32が並立する規則正しい凹凸構造33を有するので、A1、A2は略一定であり、撥水性基材1の表面の撥水性は均一となる。また、θ1、θ2は定数であり、例えば、θ2=180°(すなわち、cosθ2=−1)であるから、最表層となる撥水皮膜4に撥水性の高い材料を用い、A2に対するA1の面積比率を小さくすると、対水接触角θは大きくなる。
このとき、式3に示すように、式2の第1項の係数は、撥水性基材1の接触面積率であり、最外表面において水滴5と接触する撥水皮膜4の接触面積率である。
式3:撥水性基材1の接触面積率=A1/(A1+A2)
この接触面積率は、上述したアルマイト層3の凹凸構造33の接触面積率と相関があり、Rzjisカット率20%の接触面積率が小さいほど、撥水性基材1の接触面積率も小さくなる。
When the water-repellent substrate 1 has irregularities on its surface, the contact angle θ with respect to water can be obtained by the following equation 2.
Equation 2: cos θ = [A1 / (A1 + A2)] cos θ1 + [A2 / (A1 + A2)] cos θ2
In the formula, A1: the contact area of the water-repellent film 4 with the water droplet 5, A2: the contact area of the air layer 11 with the water droplet 5, θ1: the contact angle of water on the surface of the water-repellent film 4 with no unevenness, θ2: the air layer 11 Since the alumite layer 3 has a regular uneven structure 33 in which the pin-like projections 32 are juxtaposed, A 1 and A 2 are substantially constant, and the water repellency of the surface of the water repellent substrate 1 is uniform. Further, since θ1 and θ2 are constants, for example, θ2 = 180 ° (that is, cos θ2 = −1), a highly water-repellent material is used for the water-repellent film 4 as the outermost layer, and the area of A1 with respect to A2 The smaller the ratio, the larger the water contact angle θ.
At this time, as shown in Expression 3, the coefficient of the first term of Expression 2 is the contact area ratio of the water-repellent substrate 1 and the contact area ratio of the water-repellent film 4 in contact with the water droplet 5 on the outermost surface. is there.
Formula 3: Contact area ratio of water-repellent substrate 1 = A1 / (A1 + A2)
This contact area ratio has a correlation with the above-mentioned contact area ratio of the concavo-convex structure 33 of the alumite layer 3, and the smaller the contact area ratio of the Rzjis cut ratio of 20%, the smaller the contact area ratio of the water-repellent substrate 1.

そこで、これら式2、式3に基づいて、超撥水性を有する条件を検討した。
炭化水素系撥水皮膜4の凹凸がない表面に対する対水接触角をθ1=90°とすると、図7に示されるように、撥水性基材1の接触面積率が小さいほど、対水接触角θが大きくなり、理論上は、接触面積率0.13以下で、対水接触角θが150°以上となる。つまり、ピン状突起32が一定間隔で配置されるとき、水滴5に接するピン状突起32の幅Wをより小さくし、突起間隔Dをより大きくするのがよく、ピン状突起32を覆う撥水皮膜4の接触面積がより小さくなる。具体的には、上述したRzjisカット率20%の接触面積率が、0.01以下であるとき、炭化水素系撥水材料からなる撥水皮膜4との組み合わせにより、対水接触角θを150°より大きくすることができる。
Then, based on these formulas 2 and 3, the conditions having super water repellency were studied.
Assuming that the contact angle of water with respect to the surface of the hydrocarbon-based water-repellent coating 4 having no irregularities is θ1 = 90 °, as shown in FIG. becomes large, and theoretically, the contact angle θ with respect to water becomes 150 ° or more when the contact area ratio is 0.13 or less. That is, when the pin-shaped projections 32 are arranged at regular intervals, it is preferable that the width W of the pin-shaped projections 32 in contact with the water droplets 5 be smaller and the projection interval D be larger. The contact area of the coating 4 becomes smaller. Specifically, when the contact area ratio of the above-described Rzjis cut rate of 20% is 0.01 or less, the water contact angle θ is set to 150 by combination with the water-repellent film 4 made of a hydrocarbon-based water-repellent material. ° can be larger.

また、図8に示すように、アルマイト層3の凹凸構造33のモデル図を用いたシミュレーションによって、凝縮水51が良好に排水される条件が判明している。
図8左図において、対向壁間に空気層11を形成する凹状部12について、ピン状突起32に相当する対向壁が、表面から深さ方向に均一な間隔を有して配置されるとき、凝縮水51が生成する空気層11の幅w(すなわち、突起間隔Dに相当)が排出性に影響する。例えば、高さhの凹状部12を含む立方体の一辺の長さLx、Lyが、Lx=Ly=2hの関係にあり、h:w=20:2〜13の範囲で変化させたとき、図8右図に示すように、目詰まりや滞留を生じずに、凝縮水51が排出される幅w(例えば、w2=6)が存在する。幅wがこれより小さいと、凝縮水51が目詰まりし(例えば、w1=3)、幅wがこれより大きいと、凝縮水51が滞留する(例えば、w3=11)。
Further, as shown in FIG. 8, a simulation using a model diagram of the concavo-convex structure 33 of the alumite layer 3 has revealed the conditions under which the condensed water 51 is drained well.
In the left diagram of FIG. 8, when the opposing walls corresponding to the pin-shaped projections 32 are arranged at a uniform interval in the depth direction from the surface, with respect to the concave portions 12 forming the air layer 11 between the opposing walls, The width w of the air layer 11 generated by the condensed water 51 (that is, equivalent to the protrusion interval D) affects the discharge performance. For example, when the lengths Lx and Ly of one side of the cube including the concave portion 12 having a height h are in a relationship of Lx = Ly = 2h, and are changed in the range of h: w = 20: 2 to 13, FIG. 8 As shown in the right diagram, there is a width w (for example, w2 = 6) from which the condensed water 51 is discharged without causing clogging or stagnation. If the width w is smaller than this, the condensed water 51 is clogged (for example, w1 = 3), and if the width w is larger than this, the condensed water 51 stays (for example, w3 = 11).

このシミュレーション結果に基づいて、凹凸構造33の突起間隔Dを変更した試験片により凝縮水の滑落性を調べた試験結果から、好適には、突起間隔Dが、D=75nm〜100nmであるときに、高い撥水性が得られることが確認されている。また、ピン状突起32の幅Wと、高さHについては、W=20nm以下、H=200nm〜600nmの範囲にあるとよい。アルマイト層3の凹凸構造33は、アルマイト層3を形成するためのアルマイト化処理と、エッチング処理の条件を調整することにより、所望の突起間隔D、幅W、高さHに形成することができる。   Based on the simulation result, based on the test result of examining the sliding property of the condensed water using the test piece in which the protrusion interval D of the concave-convex structure 33 is changed, it is preferable that the protrusion interval D is D = 75 nm to 100 nm. It has been confirmed that high water repellency can be obtained. Further, the width W and the height H of the pin-shaped protrusion 32 are preferably W = 20 nm or less and H = 200 nm to 600 nm. The irregular structure 33 of the alumite layer 3 can be formed to have a desired projection interval D, width W, and height H by adjusting the conditions of the alumite treatment for forming the alumite layer 3 and the etching treatment. .

撥水性基材1の最表層となる撥水皮膜4の材質は、上記式2におけるθ1を決定する。具体的には、炭化水素系撥水材料を用いて構成された有機−無機ハイブリッド皮膜が、自由端面となる最表面に、疎水性のアルキル基43を有し、熱エネルギーにより分子運動して水滴5を移動、滑落させる。炭化水素系撥水材料の主剤41は、側鎖にアルキル基43を有する金属アルコキシドであり、好適には、主鎖にシロキサン結合(すなわち、Si−O−Si結合)を有するアルキルアルコキシシランが用いられる。また、架橋剤42となる有機シランとしては、テトラエトキシシラン(以下、TEOSと称する)を用いることができる。このような皮膜は、フッ素系撥水材料からなる皮膜に次いで撥水性が高く、上記式2における対水接触角θを大きくする方向に作用する。   The material of the water-repellent film 4 as the outermost layer of the water-repellent substrate 1 determines θ1 in the above equation (2). More specifically, an organic-inorganic hybrid film composed of a hydrocarbon-based water-repellent material has a hydrophobic alkyl group 43 on the outermost surface serving as a free end surface, and undergoes molecular motion by thermal energy to form water droplets. Move 5 and slide down. The main agent 41 of the hydrocarbon-based water-repellent material is a metal alkoxide having an alkyl group 43 in a side chain, preferably an alkylalkoxysilane having a siloxane bond (that is, a Si—O—Si bond) in the main chain. Can be In addition, tetraethoxysilane (hereinafter, referred to as TEOS) can be used as the organic silane serving as the crosslinking agent 42. Such a film has the second highest water repellency next to a film made of a fluorine-based water-repellent material, and acts in the direction of increasing the contact angle θ with respect to water in the above equation (2).

撥水皮膜4の撥水性には、最表面に位置する主剤41の分子長と分子間隔dが影響する。例えば、主剤41の分子長が短く、分子間隔dが広い方が、アルキル基43が動きやすく、水滴5は移動しやすい。架橋剤42に含まれる水酸基に、水滴5が水素結合しやすくなる。そのために、主剤41の分子長を決めるアルキル基43の炭素数と、架橋剤42との配合割合を、所望の滑落性が得られるように、適切に設定するとよい。   The water repellency of the water repellent film 4 is affected by the molecular length and the molecular interval d of the main agent 41 located on the outermost surface. For example, when the molecular length of the main agent 41 is short and the molecular interval d is wide, the alkyl group 43 is easy to move and the water droplet 5 is easy to move. The water droplet 5 is easily hydrogen-bonded to the hydroxyl group contained in the crosslinking agent 42. For this purpose, the number of carbon atoms of the alkyl group 43 that determines the molecular length of the main agent 41 and the mixing ratio of the crosslinking agent 42 may be appropriately set so as to obtain a desired sliding property.

例えば、主剤41に含まれるアルキル基43は、炭素数が3個〜18個(すなわち、C3〜C18)の範囲の鎖状アルキル基であることが望ましい。好適には、アルキル基43の炭素数が5個〜11個(すなわち、C5〜C11)の分子長を有する鎖状アルキル基であるとよい。C3〜C18のアルキル基43を有する主剤41は、常温において液体であり、アルミニウム基材2を浸漬するためのコーティング液の調整が容易になる。アルキル基43の炭素数が、C5〜C11の範囲であると、水滴5の付着力を示す動的θ差が0.01以下と小さくなり、水滴5の滑落性が高まるため、より望ましい。   For example, the alkyl group 43 included in the main agent 41 is preferably a chain alkyl group having 3 to 18 carbon atoms (that is, C3 to C18). Preferably, the alkyl group 43 is a chain alkyl group having a molecular length of 5 to 11 carbon atoms (that is, C5 to C11). The main agent 41 having the C3 to C18 alkyl group 43 is a liquid at room temperature, and the adjustment of the coating liquid for immersing the aluminum base material 2 is facilitated. When the carbon number of the alkyl group 43 is in the range of C5 to C11, the dynamic θ difference indicating the adhesive force of the water droplet 5 is reduced to 0.01 or less, and the sliding property of the water droplet 5 is improved, which is more preferable.

このような主剤41として、具体的には、トリメトキシプロピルシラン(すなわち、C3)、ヘキシルトリメトキシシラン(すなわち、C6)、オクチルトリエトキシシラン(すなわち、C8)、デシルトリメトキシシラン(すなわち、C10)、ドデシルトリエトキシシラン(すなわち、C12)、オクタデシルトリエトキシシラン(すなわち、C18)が挙げられる。   As the main agent 41, specifically, trimethoxypropylsilane (ie, C3), hexyltrimethoxysilane (ie, C6), octyltriethoxysilane (ie, C8), decyltrimethoxysilane (ie, C10) ), Dodecyltriethoxysilane (ie, C12), octadecyltriethoxysilane (ie, C18).

撥水皮膜4は、これら主剤41及び架橋剤42を溶剤に溶解したコーティング液に、凹凸構造33のアルマイト層3を形成したアルミニウム基材2を浸漬することにより形成される。具体的には、図9に示すように、コーティング液を調合する調合工程S11と、コーティング液中の水分を除去する脱水工程S12と、コーティング液にアルミニウム基材2を浸漬する浸漬工程S13と、コーティングしたアルミニウム基材2を洗浄する洗浄工程S14と、アルミニウム基材2を焼成する焼成工程S15を経て、アルマイト層3の凹凸構造33の表面が、撥水皮膜4により被覆される。   The water-repellent film 4 is formed by immersing the aluminum base material 2 on which the alumite layer 3 of the uneven structure 33 is formed in a coating solution in which the main agent 41 and the crosslinking agent 42 are dissolved in a solvent. Specifically, as shown in FIG. 9, a preparation step S11 for preparing a coating liquid, a dehydration step S12 for removing moisture in the coating liquid, and a dipping step S13 for dipping the aluminum base material 2 in the coating liquid, After a washing step S14 for washing the coated aluminum substrate 2 and a firing step S15 for firing the aluminum substrate 2, the surface of the uneven structure 33 of the alumite layer 3 is covered with the water-repellent film 4.

調合工程S11において、コーティング液を調合する際には、主剤41となるアルキルアルコキシシランと、架橋剤42となるTEOSとの配合比を、例えば、所望の分子間隔dとなるように設定する。例えば、主剤41:架橋剤42=5〜15:95〜85のモル比とすると、水滴5の付着力を示す動的θ差が小さくなり、水滴5の滑落性が高まるので好ましい。より好適には、主剤41:架橋剤42=7〜13:93〜87の範囲(すなわち、主剤41のモル比率が、7モル%〜13モル%)とするとよい。   In the preparation step S11, when preparing the coating liquid, the mixing ratio between the alkylalkoxysilane serving as the main agent 41 and the TEOS serving as the cross-linking agent 42 is set, for example, so as to have a desired molecular interval d. For example, a molar ratio of the main agent 41: crosslinking agent 42 = 5 to 15:95 to 85 is preferable because the dynamic θ difference indicating the adhesive force of the water droplet 5 becomes small, and the sliding property of the water droplet 5 increases. More preferably, the ratio of the main agent 41 to the crosslinking agent 42 is 7 to 13: 93 to 87 (that is, the molar ratio of the main agent 41 is 7 to 13 mol%).

ここで、撥水皮膜4の撥水性の指標となる、水滴の滑落性を表す動的θ差について、説明する。図10に示すように、例えば、縦壁Wに付着した水滴5の付着力Fは、以下の式4で表され、重力mgに対する付着力Fが小さいほど、滑落しやすい。
式4:F=kwγ(cosθR−cosθA)
式中、k:係数、w:接触幅、γ:表面張力、cosθA:前進接触角、cosθR:後退接触角
式4から、重力mgが作用する側の前進接触角cosθAとその逆側の後退接触角cosθRとの差である、動的θ差(すなわち、cosθR−cosθA)が小さいほど、付着力Fが小さくなり、滑落しやすくなる。このとき、成長する凝縮水は、例えば、熱交換器用のフィン間の通路を閉塞しないように、フィン間隔より小さいことが望ましい。好適には、水滴直径が、フィン間隔の半分の大きさ(例えば、0.7mm)以下であればよく、例えば、動的θ差が0.01以下であるとき、水滴直径は0.7mmより十分小さくなる。
Here, a description will be given of a dynamic θ difference that indicates the sliding property of a water droplet, which is an index of the water repellency of the water repellent film 4. As shown in FIG. 10, for example, the adhesive force F of the water droplet 5 attached to the vertical wall W is expressed by the following Expression 4, and the smaller the adhesive force F with respect to the gravity mg, the more easily it slides down.
Formula 4: F = kwγ (cos θR−cos θA)
In the formula, k: coefficient, w: contact width, γ: surface tension, cos θA: advancing contact angle, cos θ R: receding contact angle From Equation 4, from the equation 4, the advancing contact angle cos θA on the side where gravity mg acts and the receding contact on the opposite side. The smaller the dynamic θ difference (ie, cos θR−cos θA), which is the difference from the angle cos θR, the smaller the adhesive force F, and the easier it is to slide down. At this time, the condensed water that grows is desirably smaller than the fin interval, for example, so as not to block the passage between the fins for the heat exchanger. Preferably, the water droplet diameter is not more than half the size of the fin interval (for example, 0.7 mm). For example, when the dynamic θ difference is 0.01 or less, the water droplet diameter is smaller than 0.7 mm. It will be small enough.

コーティング液を調合するための溶剤には、例えば、エタノールを用いることができる。また、溶剤に対する主剤41と架橋剤42の合計含有量は、40〜60質量%となるようにするとよい。コーティング液には、主剤41と架橋剤42とを架橋重合させるための触媒として、所定濃度の塩酸が混合される。このとき、コーティング液に含まれる多量の水分が、撥水皮膜4に取り込まれることを回避するために、塩酸の添加後に、炭化水素系溶剤を添加して、水分を除去する脱水工程S12を設けるとよい。   As a solvent for preparing the coating liquid, for example, ethanol can be used. Further, the total content of the main agent 41 and the crosslinking agent 42 with respect to the solvent is preferably set to 40 to 60% by mass. A predetermined concentration of hydrochloric acid is mixed into the coating liquid as a catalyst for crosslinking and polymerizing the main agent 41 and the crosslinking agent 42. At this time, in order to prevent a large amount of water contained in the coating liquid from being taken into the water-repellent film 4, a dehydration step S12 of adding a hydrocarbon solvent after adding hydrochloric acid to remove water is provided. Good.

浸漬工程S13において、脱水したコーティング液にアルミニウム基材2を浸漬し、凹凸構造33の表面全体に塗布した後、洗浄工程S14ですすぎを行い、余剰のコーティング液を除去する。その後、焼成工程S15で、所定温度にて焼成することで、水分を含まない撥水皮膜4が得られ、撥水性をさらに向上させる。   In the immersion step S13, the aluminum substrate 2 is immersed in the dehydrated coating liquid, applied to the entire surface of the uneven structure 33, and then rinsed in the cleaning step S14 to remove excess coating liquid. After that, in the firing step S15, by firing at a predetermined temperature, the water-repellent film 4 containing no water is obtained, and the water repellency is further improved.

図11に示すように、このようにして得られる撥水性基材1は、アルミニウム基材2の表層に、微細な凹凸構造33を有するアルマイト層3が形成されており、基層31と規則的に並立するピン状突起32からなる凹凸構造33の全表面を、炭化水素系撥水材料からなる撥水皮膜4で被覆することで、超撥水性皮膜を構成している。そのため、撥水性基材1は、低温高湿度環境において、所定の突起間隔Dで並ぶピン状突起32間に、凝縮水51が生成すると(例えば、図11(a)参照)、ピン状突起32の形状による効果で空気層11から最外表面に押し出され、水滴5が生成する(例えば、図11(b)参照)。最外表面において、水滴5は、凹凸構造33の接触面積率と撥水皮膜4の組成による効果で超撥水状態となり、式4の水滴の滑落性を示す動的θ差が小さくなる効果で、容易に滑落する(例えば、図11(c)参照)。次いで、同様にして再び水滴5が生成し(例えば、図11(d)参照)、滑落することを繰り返す。   As shown in FIG. 11, the water-repellent substrate 1 obtained in this manner has an alumite layer 3 having a fine concavo-convex structure 33 formed on a surface layer of an aluminum substrate 2, and is regularly formed with the base layer 31. The entire surface of the concavo-convex structure 33 composed of the pin-like projections 32 arranged in parallel is covered with a water-repellent film 4 made of a hydrocarbon-based water-repellent material, thereby forming a super water-repellent film. Therefore, when condensed water 51 is generated between the pin-shaped protrusions 32 arranged at a predetermined protrusion interval D in a low-temperature and high-humidity environment (for example, see FIG. 11A), the water-repellent substrate 1 Is pushed out of the air layer 11 to the outermost surface by the effect of the shape of the water droplet 5 to generate a water droplet 5 (for example, see FIG. 11B). On the outermost surface, the water droplet 5 becomes a super water repellent state by the effect of the contact area ratio of the concavo-convex structure 33 and the composition of the water repellent film 4, and the dynamic θ difference indicating the sliding property of the water droplet of the formula 4 is reduced. Easily slide down (for example, see FIG. 11C). Next, water drops 5 are generated again in the same manner (see, for example, FIG. 11D), and sliding down is repeated.

このとき、アルマイト化とエッチングにより形成されるアルマイト層3は、凹凸構造33の内部、特に基層31に近い表面まで、撥水皮膜4が均一形成されるので、繰り返し凝縮水が生成しても、内部に残留することがない。したがって、比較的安価な炭化水素系撥水材料を用いても、十分高い撥水性が得られ、凹凸構造33からの良好な排出性と滑落性を長期間維持して、撥水性の低下を防止する。よって、熱交換器用フィン等に用いられて、超撥水性と高生産性を兼ね備え、着霜を防止して運転効率を向上させる撥水性基材1となる。   At this time, in the alumite layer 3 formed by anodizing and etching, the water-repellent film 4 is uniformly formed inside the uneven structure 33, particularly, up to the surface near the base layer 31, so that even if condensed water is repeatedly generated, Does not remain inside. Therefore, even if a relatively inexpensive hydrocarbon-based water-repellent material is used, sufficiently high water-repellency can be obtained, and good dischargeability and slipperiness from the concavo-convex structure 33 can be maintained for a long period of time to prevent a decrease in water-repellency I do. Accordingly, the water-repellent substrate 1 is used as a heat exchanger fin or the like, has both super water repellency and high productivity, prevents frost formation, and improves operation efficiency.

次に、本形態の撥水性基材1について、アルマイト層3の凹凸構造33と撥水皮膜4による撥水性能を評価した。比較のために、従来のベーマイト化処理によるベーマイト層を設けた例についても、同様の評価を行った。これら実験例について説明する。   Next, with respect to the water-repellent substrate 1 of the present embodiment, the water-repellent performance of the uneven structure 33 of the alumite layer 3 and the water-repellent film 4 was evaluated. For comparison, the same evaluation was performed for an example in which a boehmite layer was formed by a conventional boehmite treatment. These experimental examples will be described.

(実験例1)
上記図5に示した方法で、アルマイト化処理工程S1とエッチング処理工程S2とを順に実施して、アルミニウム基材2の表面に、基層31と多数のピン状突起32からなるアルマイト層3を形成した。アルミニウム基材2には、熱交換器用のフィン材に用いられるAl−Mg−Si系アルミニウム合金(例えば、BA4104)を用いた。まず、アルマイト化処理工程S1において、アルミニウム基材2の表面を酸洗浄した。酸洗浄用の薬剤としては、硝酸(例えば、濃度67質量%)を用い、常温で1分間浸漬処理した。その後、燐酸浴中で電圧を印加して陽極酸化することにより、アルミニウム基材2の表面の全面に、六角形セル構造のアルマイト層3を形成した。陽極酸化は、以下に示す条件で行った。
[陽極酸化]
・薬剤:燐酸、濃度2質量%
・電圧:50V
・時間:50秒
(Experimental example 1)
By the method shown in FIG. 5 described above, the alumite treatment step S1 and the etching treatment step S2 are sequentially performed to form an alumite layer 3 composed of a base layer 31 and a number of pin-shaped projections 32 on the surface of the aluminum base material 2. did. As the aluminum substrate 2, an Al-Mg-Si-based aluminum alloy (for example, BA4104) used for a fin material for a heat exchanger was used. First, in the alumite treatment step S1, the surface of the aluminum substrate 2 was acid-cleaned. Nitric acid (for example, a concentration of 67% by mass) was used as an acid cleaning agent, and immersion treatment was performed at room temperature for 1 minute. Thereafter, by applying a voltage in a phosphoric acid bath and performing anodization, an alumite layer 3 having a hexagonal cell structure was formed on the entire surface of the aluminum substrate 2. Anodizing was performed under the following conditions.
[anodization]
・ Drug: phosphoric acid, concentration 2% by mass
・ Voltage: 50V
・ Time: 50 seconds

アルマイト化処理したアルミニウム基材2の表面を、純水ですすぎ、次いで、エッチング処理工程S2において、燐酸浴中でエッチングして、アルマイト層3の細孔33を拡径した。エッチング処理は、以下の条件で行った。
[エッチング]
・薬剤:燐酸、濃度2質量%
・温度:40℃
・時間:10分
このアルマイト化とエッチングを繰り返し行って、アルミニウム基材2の表面に、凹凸構造33を有するアルマイト層3を形成した(すなわち、実施例1)。
The surface of the anodized aluminum substrate 2 was rinsed with pure water, and then etched in a phosphoric acid bath in an etching step S2 to expand the pores 33 of the alumite layer 3. The etching process was performed under the following conditions.
[etching]
・ Drug: phosphoric acid, concentration 2% by mass
・ Temperature: 40 ° C
Time: 10 minutes The alumite and etching were repeatedly performed to form the alumite layer 3 having the uneven structure 33 on the surface of the aluminum substrate 2 (that is, Example 1).

実施例1のアルマイト層3について、図12に示すように、得られた凹凸構造33の表面形状と断面構造の画像観察を行った。図13に示すように、アルマイト層3の表面の凹凸構造を、走査型電子顕微鏡(以下、SEMと称する)を用いて傾斜観察した画像において、多数のピン状突起32が規則的に並立する構造が確認された。また、図14に示すように、アルマイト層3の断面構造を、透過型電子顕微鏡(以下、TEMと称する)を用いて観察した画像において、ピン状突起32の幅W、高さH、突起間隔Dを測定した。その結果、W=8nm、H=600nm、D=100nmとなり、所望の高さを有し、突起間隔Dに対して幅Wが十分小さい、凹凸構造33が得られた。   With respect to the alumite layer 3 of Example 1, as shown in FIG. 12, an image observation of the surface shape and the cross-sectional structure of the obtained concavo-convex structure 33 was performed. As shown in FIG. 13, in the image obtained by obliquely observing the uneven structure of the surface of the alumite layer 3 using a scanning electron microscope (hereinafter, referred to as SEM), a structure in which many pin-like projections 32 are regularly arranged. Was confirmed. Further, as shown in FIG. 14, in an image obtained by observing the cross-sectional structure of the alumite layer 3 using a transmission electron microscope (hereinafter, referred to as a TEM), the width W, the height H, and the interval D was measured. As a result, W = 8 nm, H = 600 nm, and D = 100 nm, and the concavo-convex structure 33 having a desired height and a width W sufficiently smaller than the protrusion interval D was obtained.

比較のため、従来のベーマイト化処理工程によって、アルミニウム基材2の表面に、酸化アルミニウムからなるベーマイト層61を形成し、その凹凸構造63を同様にして評価した(比較例1)。ベーマイト化処理は、アルミニウム基材2を、80℃〜100℃の範囲の温度の水に、約5分間浸漬することにより行った。   For comparison, a boehmite layer 61 made of aluminum oxide was formed on the surface of the aluminum substrate 2 by a conventional boehmite-forming process, and the uneven structure 63 was similarly evaluated (Comparative Example 1). The boehmite treatment was performed by immersing the aluminum substrate 2 in water at a temperature in the range of 80C to 100C for about 5 minutes.

比較例1のベーマイト層61について、図15に示すように、得られた凹凸構造63の表面形状と断面構造の画像観察を行った。図16に示すように、ベーマイト層61の表面の凹凸構造63を、SEMを用いて観察した画像において、多数の針状突起62を有する構造が確認された。また、図17に示すように、ベーマイト層61の断面構造を、TEMを用いて観察した画像において、多数の針状突起62が、不規則な方向に延びる凹凸構造63を有し、アルミニウム基材2側の下層611において、表面側の上層612よりも、針状突起62の幅が細くなっている、狭窄構造を有することが判明した。   As for the boehmite layer 61 of Comparative Example 1, as shown in FIG. 15, an image observation of the surface shape and the sectional structure of the obtained concavo-convex structure 63 was performed. As shown in FIG. 16, in the image obtained by observing the uneven structure 63 on the surface of the boehmite layer 61 using an SEM, a structure having a large number of needle-like projections 62 was confirmed. Further, as shown in FIG. 17, in an image obtained by observing the cross-sectional structure of the boehmite layer 61 using a TEM, a large number of needle-like projections 62 have an uneven structure 63 extending in an irregular direction. It has been found that the lower layer 611 on the second side has a constriction structure in which the width of the needle-like projections 62 is smaller than that of the upper layer 612 on the front side.

また、比較例2として、実施例1と同様の方法で、アルミニウム基材2の表面にアルマイト層3を形成し、アルマイト化処理とエッチング処理の回数を低減することにより、接触面積率が異なる凹凸構造33とした。実施例1と同様にして、比較例2のアルマイト層3の断面構造を、TEMを用いて観察したところ、ピン状突起32が並立する凹凸構造33であることが確認された。ただし、ピン状突起32の突起間隔Dが100nm前後であるのに対して、幅Wは40nm前後と広く、高さHは400nmより低い。   Further, as Comparative Example 2, by forming the alumite layer 3 on the surface of the aluminum base material 2 in the same manner as in Example 1, and reducing the number of times of the alumite treatment and the etching treatment, the irregularities having different contact area ratios were obtained. Structure 33 was adopted. When the cross-sectional structure of the alumite layer 3 of Comparative Example 2 was observed using a TEM in the same manner as in Example 1, it was confirmed that the cross-sectional structure was a concavo-convex structure 33 in which the pin-like projections 32 were juxtaposed. However, while the projection interval D of the pin-like projections 32 is around 100 nm, the width W is wide, around 40 nm, and the height H is lower than 400 nm.

これら実施例1、比較例1、2について、上記図4に示した方法で、Rzjisカット率10%〜50%における接触面積率を測定した。まず、実施例1のアルマイト層3について、走査型プローブ顕微鏡(以下、SPMと称する)を用いて、凹凸構造33の表面を走査することにより、三次元凹凸画像を得た。得られた三次元凹凸画像に基づいて、十点平均粗さRzjisを算出し、最大高さからRzjisカット率10%〜50%の各仮想切断面において、測定エリアAにおけるピン状突起32の接触面積率を算出した。同様にして、比較例1、比較例2についても、Rzjisカット率10%〜50%における接触面積率を測定した。   For these Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, the contact area ratio at an Rzjis cut rate of 10% to 50% was measured by the method shown in FIG. First, with respect to the alumite layer 3 of Example 1, a three-dimensional uneven image was obtained by scanning the surface of the uneven structure 33 using a scanning probe microscope (hereinafter, referred to as SPM). The ten-point average roughness Rzjis is calculated based on the obtained three-dimensional unevenness image, and the contact of the pin-shaped projection 32 in the measurement area A at each virtual cut surface with the Rzjis cut rate of 10% to 50% from the maximum height. The area ratio was calculated. Similarly, for Comparative Examples 1 and 2, the contact area ratio at an Rzjis cut ratio of 10% to 50% was measured.

図18に示すように、Rzjisカット率10%〜50%の全範囲において、実施例1の接触面積率が最も小さくなっており、Rzjisカット率20%接触面積率は、0.002であった。また、実施例1、比較例1、2のいずれも、Rzjisカット率10%において接触面積率が最も小さく、Rzjisカット率の上昇に伴い接触面積率が大きくなっているが、実施例1の接触面積率の増加は、比較例1、2に対して比較的緩やかである。そのため、Rzjisカット率10%においては、実施例1、比較例1、2共に、接触面積率0.01以下であるが、Rzjisカット率20%、30%においては、実施例1のみが、接触面積率0.01以下となっている。   As shown in FIG. 18, in the entire range of the Rzjis cut ratio of 10% to 50%, the contact area ratio of Example 1 was the smallest, and the Rzjis cut ratio of 20% was 0.002. . In both Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, the contact area ratio was the smallest at an Rzjis cut rate of 10%, and the contact area rate increased with an increase in the Rzjis cut rate. The increase in the area ratio is relatively slow compared to Comparative Examples 1 and 2. Therefore, at the Rzjis cut rate of 10%, the contact area ratio is 0.01 or less in both the example 1 and the comparative examples 1 and 2. However, at the Rzjis cut rate of 20% and 30%, only the example 1 has the contact area rate. The area ratio is 0.01 or less.

このように、比較例1、2では、接触面積率が全体に大きくなっている。特に、比較例1のベーマイト層61の凹凸構造63は、Rzjisカット率10%においては、比較例2より僅かに小さいが、Rzjisカット率20%で逆転している。これは、凹凸構造33、63の高さにバラツキがあり、Rzjisカット率10%においては、測定エリアAに現れないピン状突起32、針状突起62があると考えられる。比較例1のベーマイト層61は、上層612の針状突起62の幅がより太く、不規則であるために、Rzjisカット率20%以降で、接触面積率が増大するものと思われる。   As described above, in Comparative Examples 1 and 2, the contact area ratio is large as a whole. In particular, the concavo-convex structure 63 of the boehmite layer 61 of Comparative Example 1 is slightly smaller than that of Comparative Example 2 at an Rzjis cut ratio of 10%, but reversed at an Rzjis cut ratio of 20%. This is thought to be due to the unevenness in the height of the uneven structures 33 and 63, and the pin-like projections 32 and the needle-like projections 62 that do not appear in the measurement area A when the Rzjis cut rate is 10%. In the boehmite layer 61 of Comparative Example 1, since the width of the needle-like protrusions 62 of the upper layer 612 is larger and irregular, it is considered that the contact area ratio increases after the Rzjis cut rate of 20% or more.

(実験例2)
実験例1で得られた、実施例1のアルミニウム基材2に、さらに、上記図9に示した工程で、アルマイト層3の凹凸構造33を被覆する、撥水皮膜4を形成した。まず、調合工程S11において、以下に示すように、エタノールを溶剤として用い、主剤41として、炭素数C8のオクチルアルコキシシランと、架橋剤42であるTEOSを添加して、30分間攪拌した(すなわち、S111)。さらに、触媒として0.05mol/Lの塩酸を添加して30分間攪拌し、主剤41と架橋剤42を架橋反応させて、ゲル化した(すなわち、S112)。
溶剤:エタノール(例えば、和光純薬工業(株)製)
主剤41:オクチルトリエトキシシラン(例えば、L04407;ジョンソン・マッセイ・ジャパン合同会社製、商品名)
架橋剤42:TEOS(例えば、KBE−04;信越化学工業(株)製、商品名)
触媒:塩酸0.05mol/L(例えば、和光純薬工業(株)製)
(Experimental example 2)
On the aluminum base material 2 of Example 1 obtained in Experimental Example 1, a water-repellent coating 4 for covering the uneven structure 33 of the alumite layer 3 was further formed in the step shown in FIG. First, in the preparation step S11, as shown below, ethanol was used as a solvent, octylalkoxysilane having C8 carbon atoms and TEOS as a crosslinking agent 42 were added as the main agent 41, and the mixture was stirred for 30 minutes (ie, S111). Furthermore, 0.05 mol / L hydrochloric acid was added as a catalyst, and the mixture was stirred for 30 minutes to cause a cross-linking reaction between the main agent 41 and the cross-linking agent 42 to gel (ie, S112).
Solvent: ethanol (for example, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
Main agent 41: octyltriethoxysilane (for example, L04407; manufactured by Johnson Matthey Japan GK, trade name)
Crosslinking agent 42: TEOS (for example, KBE-04; manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., trade name)
Catalyst: hydrochloric acid 0.05 mol / L (for example, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)

主剤41と架橋剤42のモル比は、オクチルアルコキシシラン:TEOS=10:90(すなわち、主剤41のモル比率10%)とした。溶剤と触媒を含む全体の質量に対する、主剤41と架橋剤42の質量の割合であるゲル濃度は、50質量%とした。   The molar ratio between the main agent 41 and the crosslinking agent 42 was octylalkoxysilane: TEOS = 10: 90 (that is, the molar ratio of the main agent 41 was 10%). The gel concentration, which is the ratio of the mass of the main agent 41 and the mass of the crosslinking agent 42 to the total mass including the solvent and the catalyst, was 50% by mass.

次いで、脱水工程S12において、炭化水素系洗浄剤(商品名NSクリーン、JX日鉱日石エネルギー(株)製)を添加して、30分間攪拌し、10分間静置した(すなわち、S121)。その後、上澄み液を抽出して、水分を分離し、得られた抽出液をコーティング液とした(すなわち、S122)。浸漬工程S13では、得られたコーティング液に、実施例1のアルミニウム基材2を、30分間浸漬した。さらに、洗浄工程S14にて、アルミニウム基材2を、炭化水素系洗浄剤を用いて、1分間洗浄した。その後、焼成工程S15において、150℃で30分間、焼成することにより、アルマイト層3の表面が撥水皮膜4で被覆された撥水性基材1を得た。   Next, in the dehydration step S12, a hydrocarbon-based cleaning agent (trade name: NS Clean, manufactured by JX Nippon Oil & Energy) was added, stirred for 30 minutes, and allowed to stand for 10 minutes (ie, S121). Thereafter, the supernatant was extracted and water was separated, and the obtained extract was used as a coating liquid (that is, S122). In the immersion step S13, the aluminum substrate 2 of Example 1 was immersed in the obtained coating liquid for 30 minutes. Further, in the cleaning step S14, the aluminum substrate 2 was cleaned for 1 minute using a hydrocarbon-based cleaning agent. Thereafter, in a firing step S15, the water-repellent substrate 1 in which the surface of the alumite layer 3 was coated with the water-repellent film 4 was obtained by firing at 150 ° C. for 30 minutes.

このようにして得られた、実施例1の撥水性基材1について、上記図10に示した動的θ差により、水滴5の滑落性を評価した。動的θ差の測定には、拡張収縮法を用いた接触角測定装置(すなわち、DM−501、協和界面科学(株)製)を用いた。その結果、動的θ差=0.0003となり、比較例1で得られた値である0.001以下の滑落性を有することが確認された。   With respect to the water-repellent substrate 1 of Example 1 thus obtained, the sliding property of the water droplet 5 was evaluated by the dynamic θ difference shown in FIG. For the measurement of the dynamic θ difference, a contact angle measuring device using an expansion-shrinkage method (that is, DM-501, manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd.) was used. As a result, the dynamic θ difference was 0.0003, and it was confirmed that the sample had a sliding property of 0.001 or less, which is the value obtained in Comparative Example 1.

さらに、実施例1の撥水性基材1に、乾湿繰り返しによる凝縮水試験を実施して、最大凝縮水直径を測定した。凝縮水試験では、撥水性基材1のテストピースを0℃以下(例えば、−5℃以下)に冷却して、高湿度の恒温恒湿槽に入れ、テストピースの表面に送風しながら(例えば、風速1m/秒)、表面に発生する凝縮水を、CCDカメラを用いて60分間観察した。このとき、発生する凝縮水の最大直径を測定し、その後、テストピースを再度冷却して、表面の凝縮水を観察することを繰り返し行った。   Further, a condensed water test was performed on the water-repellent substrate 1 of Example 1 by repeating dry and wet to measure the maximum condensed water diameter. In the condensed water test, the test piece of the water-repellent substrate 1 is cooled to 0 ° C. or less (for example, −5 ° C. or less), placed in a high-humidity constant temperature and humidity chamber, and blown to the surface of the test piece (for example, , Wind speed 1 m / sec), and condensed water generated on the surface was observed for 60 minutes using a CCD camera. At this time, the maximum diameter of the condensed water generated was measured, and then the test piece was cooled again, and observation of the condensed water on the surface was repeatedly performed.

比較のため、比較例1のアルミニウム基材2について、ベーマイト層61の表面にフッ素系撥水材料からなるフッ素系撥水皮膜を形成した。フッ素系撥水皮膜は、パーフルオロポリエーテルを含むシラン化合物を主剤とする撥水材料(オプツールDSX;ダイキン工業(株)製、商品名)を用い、同様にして調合したコーティング液に浸漬して、焼成することにより形成した。また、比較例2のアルミニウム基材2について、アルマイト層3の凹凸構造33の表面に、実施例1と同様の炭化水素系撥水皮膜4を形成した。比較例1、2について、得られた撥水性基材のテストピースを作製し、同様にして、凝縮水試験を実施した。   For comparison, a fluorine-based water-repellent film made of a fluorine-based water-repellent material was formed on the surface of the boehmite layer 61 for the aluminum substrate 2 of Comparative Example 1. The fluorine-based water-repellent film is immersed in a coating liquid prepared in the same manner using a water-repellent material (OPTOOL DSX; manufactured by Daikin Industries, Ltd., trade name) mainly containing a silane compound containing perfluoropolyether. , And formed by firing. Further, with respect to the aluminum substrate 2 of Comparative Example 2, a hydrocarbon-based water-repellent film 4 similar to that of Example 1 was formed on the surface of the uneven structure 33 of the alumite layer 3. For Comparative Examples 1 and 2, test pieces of the obtained water-repellent substrate were produced, and a condensed water test was performed in the same manner.

図19に示すように、実施例1の撥水性基材1は、凝縮水試験1回後の最大凝縮水滴直径が、0.4mmであり、凝縮水試験3回後においても、熱交換器用のフィン材に要求される0.7mm以下を満足した。これに対して、ベーマイト層61にフッ素系撥水皮膜を形成した比較例1では、乾湿繰り返し試験1回後の最大凝縮水滴直径は、実施例1と同等であったが、凝縮水試験を繰り返しにより凝縮水直径が大きくなり、凝縮水試験3回後の最大凝縮水滴直径は、2.0mm近傍に増大した。   As shown in FIG. 19, the water-repellent substrate 1 of Example 1 had a maximum condensed water droplet diameter of 0.4 mm after one condensed water test, and even after three condensed water tests, 0.7 mm or less required for the fin material was satisfied. In contrast, in Comparative Example 1 in which a fluorine-based water-repellent film was formed on the boehmite layer 61, the maximum condensed water droplet diameter after one dry / wet repetition test was equal to that in Example 1, but the condensed water test was repeated. As a result, the condensed water diameter increased, and the maximum condensed water droplet diameter after three times of the condensed water test increased to around 2.0 mm.

図20に示すように、比較例1のベーマイト層61は、凹凸構造63を構成する針状突起62が、下層611に狭窄部を有しているために、フッ素系撥水材料からなる皮膜が、凹凸構造63となる表面全面を覆うことは難しい。そのため、低温高湿度環境において、針状突起62間に、凝縮水51が生成すると(例えば、図20(e)参照)、当初は、凹凸構造63とフッ素系撥水皮膜による効果で、最外表面に押し出されて水滴5が生成し(例えば、図20(f)参照)し、容易に滑落する(例えば、図20(g)参照)。ところが、これを繰り返すことにより、凝縮水が凹凸構造63の内部に残留していき(例えば、図20(h)参照)、撥水性が低下すると考えられる。   As shown in FIG. 20, the boehmite layer 61 of Comparative Example 1 has a film made of a fluorine-based water-repellent material because the needle-like projections 62 constituting the concavo-convex structure 63 have constrictions in the lower layer 611. It is difficult to cover the entire surface of the concavo-convex structure 63. Therefore, when condensed water 51 is generated between the needle-like projections 62 in a low-temperature and high-humidity environment (see, for example, FIG. 20E), the outermost surface is initially formed by the effect of the uneven structure 63 and the fluorine-based water-repellent film. The water droplets 5 are extruded onto the surface to form (for example, see FIG. 20 (f)) and slide down easily (for example, see FIG. 20 (g)). However, by repeating this, it is considered that the condensed water remains inside the uneven structure 63 (for example, see FIG. 20 (h)), and the water repellency decreases.

また、接触面積率が大きいアルマイト層3に炭化水素系の撥水皮膜4を形成した比較例2では、凝縮水試験1回後の最大凝縮水滴直径が、1.0mmを超えており、3回後の最大凝縮水滴直径は、1.5mm程度まで大きくなった。図21に比較して示すように、凝縮水試験を3回繰り返したとき、実施例1の撥水性基材1の表面に生成する凝縮水直径は、比較例1より小さく、試験回数が1回〜3回まで増えても大きく変わらない。これに対して、比較例1では、凝縮水試験の繰り返しにより凝縮水直径が大きくなって、撥水性が低下している。   In Comparative Example 2 in which the hydrocarbon-based water-repellent coating 4 was formed on the alumite layer 3 having a large contact area ratio, the maximum condensed water droplet diameter after one condensed water test exceeded 1.0 mm, and three times. The subsequent maximum condensed water droplet diameter increased to about 1.5 mm. As shown in comparison with FIG. 21, when the condensed water test is repeated three times, the diameter of the condensed water generated on the surface of the water-repellent substrate 1 of Example 1 is smaller than that of Comparative Example 1, and the number of tests is one. It does not change much even if it increases up to 3 times. On the other hand, in Comparative Example 1, the diameter of the condensed water was increased by repeating the condensed water test, and the water repellency was reduced.

(実験例3)
実験例1で得られた、実施例1のアルミニウム基材2に、実験例2と同様の方法で、撥水皮膜4を形成した。このとき、調合工程S11において、撥水皮膜4の主剤41として、以下に示すように、炭素数の異なるアルキルアルコキシシランを用いた。
炭素数C3:トリメトキシプロピルシラン(例えば、B21033;ジョンソン・マッセイ・ジャパン合同会社製、商品名)
炭素数C6:ヘキシルトリメトキシシラン(例えば、KBM−3063;信越化学工業(株)製、商品名)
炭素数C8:オクチルトリエトキシシラン(例えば、L04407;ジョンソン・マッセイ・ジャパン合同会社製、商品名)
炭素数C10:デシルトリメトキシシラン(例えば、KBM−3103;信越化学工業(株)製、商品名)
炭素数C12:ドデシルトリエトキシシラン(例えば、D3383;東京化成工業(株)製、商品名)
炭素数C18:オクタデシルトリエトキシシラン(例えば、S12325;和光純薬工業(株)製、商品名)
(Experimental example 3)
A water-repellent coating 4 was formed on the aluminum base material 2 of Example 1 obtained in Experimental Example 1 in the same manner as in Experimental Example 2. At this time, in the preparation step S11, as the main agent 41 of the water-repellent film 4, alkylalkoxysilanes having different numbers of carbon atoms were used as shown below.
Carbon number C3: trimethoxypropylsilane (for example, B21033; manufactured by Johnson Matthey Japan GK, trade name)
Carbon number C6: hexyltrimethoxysilane (for example, KBM-3063; manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., trade name)
Carbon number C8: octyltriethoxysilane (for example, L04407; manufactured by Johnson Matthey Japan GK, trade name)
Carbon number C10: decyltrimethoxysilane (for example, KBM-3103; manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., trade name)
Carbon number C12: dodecyltriethoxysilane (for example, D3383; trade name, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.)
Carbon number C18: octadecyltriethoxysilane (for example, S12325; trade name, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)

実験例2と同様にして調合したコーティング液に、実施例1のアルミニウム基材2を浸漬し、焼成して、炭素数の異なる撥水皮膜4を形成した撥水性基材1とした。得られた撥水性基材について、上記した接触角測定装置を用いて動的θ差を測定して、水滴5の滑落性を評価した。   The aluminum substrate 2 of Example 1 was immersed in a coating liquid prepared in the same manner as in Experimental Example 2 and baked to obtain a water-repellent substrate 1 on which water-repellent films 4 having different carbon numbers were formed. With respect to the obtained water-repellent substrate, the dynamic θ difference was measured using the contact angle measuring device described above, and the sliding property of the water droplet 5 was evaluated.

比較のため、上記図9に示した方法において、脱水工程S12と洗浄工程S14を省略した以外は同様の工程(すなわち、図中左側に示される工程)にて、実施例1のアルミニウム基材2に撥水皮膜4を形成し、比較例3の撥水性基材とした。このとき、撥水皮膜4の主剤41には、上記した炭素数6〜18のアルキルアルコキシシランを用いた。得られた撥水性基材について、上記した接触角測定装置を用いて動的θ差を測定して、水滴5の滑落性を評価した。   For comparison, in the method shown in FIG. 9 above, the aluminum substrate 2 of Example 1 was subjected to the same steps (that is, the steps shown on the left side in the drawing) except that the dehydration step S12 and the washing step S14 were omitted. A water-repellent film 4 was formed on the substrate to obtain a water-repellent substrate of Comparative Example 3. At this time, the above-mentioned alkylalkoxysilane having 6 to 18 carbon atoms was used as the main agent 41 of the water-repellent film 4. With respect to the obtained water-repellent substrate, the dynamic θ difference was measured using the contact angle measuring device described above, and the sliding property of the water droplet 5 was evaluated.

図22に示すように、調合したコーティング液の脱水とコーティング後の洗浄を実施しない比較例3では、得られた撥水性基材の動的θ差がいずれも0.01を超えている。これに対して、実施例1の撥水性基材1は、同じ炭素数の主剤41を用いた比較例3に比べて、動的θ差が小さくなっており、炭素数5、8、10のものは、動的θ差が0.01以下となった。   As shown in FIG. 22, in Comparative Example 3 in which dehydration of the prepared coating liquid and cleaning after coating were not performed, the dynamic θ difference of the obtained water-repellent substrate exceeded 0.01. On the other hand, in the water-repellent substrate 1 of Example 1, the dynamic θ difference is smaller than that of Comparative Example 3 using the main agent 41 having the same carbon number. In those, the dynamic θ difference was 0.01 or less.

さらに、実施例1の撥水性基材1について、撥水皮膜4を構成する主剤41と架橋剤42のモル比を、オクチルアルコキシシラン:TEOS=5〜30:95〜70の範囲で変更し、それ以外は、同様の方法により、撥水性基材1を作製した。得られた撥水性基材について、上記した接触角測定装置を用いて動的θ差を測定して、水滴5の滑落性を評価した。   Further, with respect to the water-repellent substrate 1 of Example 1, the molar ratio of the main agent 41 and the crosslinking agent 42 constituting the water-repellent film 4 was changed in the range of octylalkoxysilane: TEOS = 5 to 30:95 to 70, Otherwise, the water-repellent substrate 1 was produced in the same manner. With respect to the obtained water-repellent substrate, the dynamic θ difference was measured using the contact angle measuring device described above, and the sliding property of the water droplet 5 was evaluated.

図23に示すように、撥水皮膜4に含まれる主剤41のモル比率(すなわち、図中のCモル比)によって、動的θ差が変化している。Cモル比が10%前後であるときに、動的θ差が最小となり、これより小さくても、大きくても動的θ差は増加する傾向にある。具体的には、主剤41のCモル比が7%〜13%の範囲にあるときに、動的θ差が0.01以下となっている。   As shown in FIG. 23, the dynamic θ difference changes depending on the molar ratio of the main agent 41 contained in the water-repellent film 4 (that is, the C molar ratio in the figure). When the C molar ratio is around 10%, the dynamic θ difference becomes the minimum, and the dynamic θ difference tends to increase even if it is smaller or larger than this. Specifically, when the C molar ratio of the main agent 41 is in the range of 7% to 13%, the dynamic θ difference is 0.01 or less.

本発明の撥水性基材1は、上記実施形態や上記実施例に記載した内容に限定されるものではなく、本発明の趣旨を超えない範囲で、種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、車載用の空調システムに用いられるHPシステムへの適用例として説明したが、車載用以外の空調システムや、給湯器用のHPシステムの室外機、その他の熱交換器用フィンとして好適に使用される。また、熱交換器用フィン以外の用途にも、任意に使用することができる。   The water-repellent substrate 1 of the present invention is not limited to the contents described in the embodiment and the examples, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. For example, in the above embodiment, the description has been given as an application example to an HP system used for a vehicle air conditioning system. However, as an air conditioning system other than a vehicle, an outdoor unit of an HP system for a water heater, and other fins for a heat exchanger. It is preferably used. Further, it can be arbitrarily used for applications other than the heat exchanger fins.

1 撥水性基材
2 アルミニウム基材
3 アルマイト層
32 ピン状突起
33 凹凸構造
4 撥水皮膜
43 アルキル基
5 凝縮水
A 仮想切断面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Water-repellent base material 2 Aluminum base material 3 Alumite layer 32 Pin-shaped projection 33 Uneven structure 4 Water-repellent film 43 Alkyl group 5 Condensed water A Virtual cut surface

Claims (7)

アルミニウム基材(2)と、
該アルミニウム基材の表面に設けられたアルマイト層(3)と、
該アルマイト層の表面に設けられた撥水皮膜(4)と、を備えており、
上記アルマイト層は、上記アルミニウム基材と一体の基層(31)と、該基層の表面に並立する多数のピン状突起(32)とからなる凹凸構造(33)を有し、該凹凸構造は、細孔(34)を有する六角形セル構造のアルマイトのエッチング処理により、上記細孔を囲む六角形セルの頂点の位置に上記ピン状突起が並立する構造であり、
上記凹凸構造の十点平均粗さRzjisに対し、上記凹凸構造の最大高さ位置からRzjisカット率20%となる高さの仮想切断面(A)において、上記ピン状突起の接触面積率が0.01以下であり、
上記撥水皮膜は、炭化水素系撥水材料からなる皮膜である、撥水性基材(1)。
An aluminum substrate (2);
An alumite layer (3) provided on the surface of the aluminum substrate;
A water-repellent film (4) provided on the surface of the alumite layer;
The alumite layer has a concavo-convex structure (33) composed of a base layer (31) integral with the aluminum base and a number of pin-like projections (32) arranged in parallel on the surface of the base layer . A structure in which the pin-like projections are arranged at the apexes of the hexagonal cells surrounding the pores by etching the alumite having a hexagonal cell structure having pores (34);
With respect to the ten-point average roughness Rzjis of the concavo-convex structure, the contact area ratio of the pin-like projections is 0 on the virtual cut surface (A) having a height of 20% from the maximum height position of the concavo-convex structure. .01 or less,
The water-repellent film is a film made of a hydrocarbon-based water-repellent material.
上記接触面積率が、0.005以下である、請求項1に記載の撥水性基材。   The water-repellent substrate according to claim 1, wherein the contact area ratio is 0.005 or less. 上記炭化水素系撥水材料は、アルキル基(43)を有する金属アルコキシドからなる主剤(41)と有機シランからなる架橋剤(42)を含む、請求項1又は2に記載の撥水性基材。   The water-repellent substrate according to claim 1 or 2, wherein the hydrocarbon-based water-repellent material includes a main agent (41) composed of a metal alkoxide having an alkyl group (43) and a crosslinking agent (42) composed of an organic silane. 上記金属アルコキシドは、炭素数3〜18のアルキル基を有するアルキルアルコキシシランであり、上記有機シランは、テトラアルコキシシランである、請求項3に記載の撥水性基材。   The water-repellent substrate according to claim 3, wherein the metal alkoxide is an alkylalkoxysilane having an alkyl group having 3 to 18 carbon atoms, and the organic silane is a tetraalkoxysilane. 上記主剤と上記架橋剤のモル比は、7〜13:93〜87である、請求項3又は4項に記載の撥水性基材。   The water-repellent substrate according to claim 3 or 4, wherein the molar ratio of the main agent and the crosslinking agent is 7 to 13:93 to 87. アルミニウム基材(2)と、
該アルミニウム基材の表面に設けられたアルマイト層(3)と、
該アルマイト層の表面に設けられた撥水皮膜(4)と、を備えており、
上記アルマイト層は、上記アルミニウム基材と一体の基層(31)と、該基層の表面に並立する多数のピン状突起(32)とからなる凹凸構造(33)を有し、該凹凸構造の十点平均粗さRzjisに対し、上記凹凸構造の最大高さ位置からRzjisカット率20%となる高さの仮想切断面(A)において、上記ピン状突起の接触面積率が0.01以下であり、
上記撥水皮膜は、炭化水素系撥水材料からなる皮膜である、撥水性基材(1)の製造方法であって、
上記アルミニウム基材の表面に、アルマイト化処理とエッチング処理とにより、上記凹凸構造を有する上記アルマイト層を形成する工程と(S1、S2)、
上記炭化水素系撥水材料を含むコーティング液を調合する工程(S11)と、
上記コーティング液に、炭化水素系溶剤を添加して、水分を分離させて除去する工程(S12)と、
水分を除去した上記コーティング液に、上記アルマイト層を形成した上記アルミニウム基材を浸漬する工程(S13)と、
上記コーティング液が塗布された上記アルミニウム基材を焼成する工程(S15)と、を備える、撥水性基材の製造方法。
An aluminum substrate (2);
An alumite layer (3) provided on the surface of the aluminum substrate;
A water-repellent film (4) provided on the surface of the alumite layer;
The alumite layer has a concavo-convex structure (33) composed of a base layer (31) integral with the aluminum base and a number of pin-like projections (32) arranged in parallel with the surface of the base layer. The contact area ratio of the pin-like projections is 0.01 or less on the virtual cut surface (A) having a height of 20% Rzjis cut ratio from the maximum height position of the uneven structure with respect to the point average roughness Rzjis. ,
The method for producing a water-repellent substrate (1), wherein the water-repellent film is a film made of a hydrocarbon-based water-repellent material,
Forming the alumite layer having the concavo-convex structure on the surface of the aluminum base by alumite treatment and etching treatment (S1, S2);
Preparing a coating liquid containing the hydrocarbon-based water-repellent material (S11);
A step of adding a hydrocarbon solvent to the coating liquid to separate and remove water (S12);
A step of immersing the aluminum substrate on which the alumite layer is formed in the coating liquid from which water has been removed (S13);
Baking the aluminum substrate to which the coating liquid has been applied (S15).
上記アルマイト層を形成する工程において、上記アルミニウム基材の表面を陽極酸化することによりアルマイト化処理する工程(S1)と、アルマイト化処理した上記アルミニウム基材をエッチング処理する工程(S2)と、を繰り返し行う、請求項6記載の撥水性基材の製造方法。   In the step of forming the alumite layer, the step of anodizing the surface of the aluminum base by anodizing (S1) and the step of etching the aluminum base after the anodization (S2) The method for producing a water-repellent substrate according to claim 6, wherein the method is repeated.
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