JP6781092B2 - コーティング基材 - Google Patents

Description

本発明は、コーティング基材に関する。

基材の表面に施すコーティングの耐久性を高める技術として、基材の表面にブラスト処理やレーザ加工により微細な凹凸形状を形成し、その凹部分に入り込んだコーティング材料が、自身が硬化するときの収縮応力によって凸部分の周囲を掴むように密着することで、基材の表面とコーティング材料との密着強度を高める方法が知られている（例えば、特許文献１の図１参照）。

特開２０００−１５８１５７号公報

さらに、コーティングの耐久性を高めるために、上記の凹凸形状に加えて、クロム酸系のプライマー（下塗り）を用いることが考えられる。しかし、クロム酸系のプライマーは、環境負荷の大きい六価クロムが含まれる上、この六価クロムが溶出するリスクがある。そこで、クロム酸系以外のプライマー（例えば、ポリマー成分のプライマー）を用いることが提案されているが、この場合には、クロム酸系のプライマーと比較すると、密着強度が劣り、長期間使用した場合にブリスター（水ぶくれ）が発生して耐久性に問題がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、プライマーの密着強度に関わらず、コーティングの耐久性を高めることができる新たな構成を備えたコーティング基材を提供することを目的とする。

本発明のコーティング基材は、表面にコーティングが施されるコーティング基材であって、前記表面に形成された、網目状の谷部、及び前記谷部で周囲が囲まれた複数の島部、を備え、前記島部は、その上面に形成されたクレータ状の窪み部を有する。

本発明によれば、コーティング基材の表面に、網目状の谷部および複数の島部からなる凹凸形状に加えて、島部の上面にもクレータ状の窪み部によって凹凸形状が形成されるため、コーティング基材の表面にコーティングを施すときに、窪み部の周囲に盛り上げる土手部分の内側（窪み部側）及び外側に位置するコーティング材料が、自身が硬化するときの収縮応力によって、前記土手部分の内側及び外側を掴むように密着する。これにより、コーティング基材の表面とコーティング材料との密着強度をさらに高めることができるので、プライマーの密着強度に関わらず、コーティングの耐久性を高めることができる。

前記コーティング基材において、前記窪み部の深さは、前記谷部の深さの１／５以上であるのが好ましい。この場合、窪み部の周囲の土手部分にコーティング材料を適切に密着させることができるので、コーティングの耐久性をさらに高めることができる。

前記コーティング基材において、前記谷部及び前記島部は、前記表面にレーザ光が照射されて形成されたものであり、前記窪み部は、前記レーザ光の照射により前記表面から溶けた部分が、前記上面の周縁部に盛り上がって形成されたものであるのが好ましい。この場合、レーザ光の照射により、谷部及び島部を形成するときに、窪み部も同時に形成することができるので、コーティング基材を効率的に製作することができる。

前記コーティング基材において、前記窪み部の深さは、前記谷部の深さの１／５以上かつ３／５以下であるのが好ましい。この場合、窪み部の周囲の土手部分にコーティング材料を適切に密着させることができ、かつコーティング膜にブリスターが発生するのを抑制することができるので、コーティングの耐久性をさらに高めることができる。

本発明のコーティング基材によれば、プライマーの密着強度に関わらず、コーティングの耐久性を高めることができる。

本発明の一実施形態に係るコーティング基材の表面を正面から撮影した顕微鏡写真を示す図面代用写真である。 コーティング基材の表面の立体形状を示す図面代用写真である。 コーティング基材の表面にコーティングを施した状態を示す拡大断面図である。 ピール試験の試験結果を示す表である。 耐食試験に用いた試験機の断面図である。 耐食試験の試験結果を示すグラフである。 耐食試験を終了したときのサンプルａのコーティング膜の状態を示す図面代用写真である。 耐食試験を終了したときのサンプルｂのコーティング膜の状態を示す図面代用写真である。 耐食試験を終了したときのサンプルｃのコーティング膜の状態を示す図面代用写真である。 耐食試験を終了したときのサンプルｄのコーティング膜の状態を示す図面代用写真である。

次に、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るコーティング基材の表面を正面から撮影した顕微鏡写真を示す図面代用写真である。図２は、そのコーティング基材の表面の立体形状を示す図面代用写真である。コーティング基材は、その表面にコーティングが施されるものである。

本実施形態のコーティング基材は、例えば、半導体や液晶の製造装置に備えられたポンプの一部材として用いられるものであり、そのポンプ内の薬液が直接触れる表面に、耐薬性のフッ素コーティングが施されるものである。なお、コーティング基材の表面には、フッ素コーティング以外の他のコーティングを施すものであってもよい。

図１及び図２において、コーティング基材１（以下、単に「基材１」ともいう）は、例えば金属製の部材からなり、基材１の表面全体には、レーザ加工により微細な凹凸形状が形成されている。具体的には、基材１の表面には、レーザ光が照射されることによって、当該表面の一部が溶けて微細な網目状の谷部２（図１の黒色で示す部分）が形成されているとともに、この谷部２で周囲全体が囲まれた複数の微細な島部３が形成されている。

複数の島部３は、基材１の表面においてレーザ光が照射されずに残った部分であり、本実施形態の島部３は、例えば正面視において四角形状に形成されている。各島部３には、その上面全体にクレータ状の窪み部４が形成されている。本実施形態の窪み部４は、前記レーザ光の照射によって、基材１の表面から溶けた部分が、島部３の上面の周縁部に盛り上がって形成されたものである。したがって、窪み部４の周囲全体には、基材１の表面から溶けた部分によって、正面視における外形がほぼ四角形状に形成された土手部分５が形成されたものである。

図３は、基材１の表面にコーティングを施した状態を示す拡大断面図である。 同図に示すように、土手部分５の外側面５ａは、鉛直方向に対して角度θ１だけ傾斜した傾斜面とされている。同様に、土手部分５の内側面５ｂは、鉛直方向に対して角度θ２だけ傾斜した傾斜面とされている。土手部分５の外側面５ａ及び内側面５ｂは、θ２≠θ１の関係であって、θ２＞θ１又はθ２＜θ１の関係となるように形成されている。本実施形態における土手部分５の外側面５ａ及び内側面５ｂは、θ２＞θ１の関係となるように形成されている。

窪み部４の深さｈ（図３参照）は、本発明において特に限定されるものではないが、好ましくは２０μｍ以上かつ５００μｍ以下である。前記深さｈは、基材１の表面に施されたコーティングにブリスター（水ぶくれ）が発生するのを抑制するという観点では２０μｍ以上であることが望ましい。また、前記深さｈは、窪み部４内にコーティング材料を浸透し易くするという観点、および窪み部４を効率的に形成するという観点では５００μｍ以下であることが望ましい。

谷部２の深さＨ（図３参照）も、本発明において特に限定されるものではないが、好ましくは１００μｍ以上かつ５００μｍ以下である。前記深さＨは、基材１の表面に施されたコーティングにブリスターが発生するのを抑制するという観点では１００μｍ以上であることが望ましい。また、前記深さＨは、谷部２内にコーティング材料を浸透し易くするという観点、および谷部２を効率的に形成するという観点では５００μｍ以下であることが望ましい。

ここで、窪み部４の深さｈは、谷部２の深さＨの１／５以上であって、深さｈと深さＨとの差が小さくなるように設定されているのが好ましく、窪み部４の深さｈが、谷部２の深さＨに近づく値に設定されていることがより好ましい。また、窪み部４の深さｈは、本実施形態のようにレーザー光の照射によって形成する場合には、谷部２の深さＨの１／５以上かつ３／５以下に設定されているのが好ましい。

谷部２の幅Ｗ（図３参照）は、本発明において特に限定されるものではないが、好ましくは２０μｍ以上かつ３００μｍ以下である。前記幅Ｗは、コーティング材料が谷部２内に十分に充填され、空隙が生じないようにすることで、ブリスターを発生させないという観点では２０μｍ以上であることが望ましい。また、前記幅Ｗは、レーザによる加工を行うという観点では３００μｍ以下であることが望ましい。なお、本実施形態において、谷部２の幅Ｗは、例えば９３μｍに設定されている。

谷部２のピッチＰ（図３参照）は、本発明において特に限定されるものではないが、好ましくは１００μｍ以上かつ５００μｍ以下である。前記ピッチＰは、窪み部４を所定の深さｈに設定するという観点では１００μｍ以上であることが望ましい。また、前記ピッチＰは、基材１の表面に施されたコーティングにブリスターが発生するのを抑制するという観点では５００μｍ以下であることが望ましい。なお、本実施形態において、谷部２のピッチＰは、例えば３０４μｍに設定されている。

また、レーザ加工により形成された島部３の側面３ａの表面粗さは、谷部２（底面）の表面粗さ、又は窪み部４の底面４ａの表面粗さよりも高く設定されている。このように、本実施形態では、谷部２および島部３の中でも極めて面積が広い島部３の側面３ａの表面粗さが、面積の狭い谷部２の表面粗さ、又は窪み部４の底面４ａの表面粗さよりも高く設定されるため、側面３ａとコーティング材料との密着力が高くなり、コーティング膜１０の耐久性を高めることができる。

基材１の表面に施されたコーティング膜１０は、プライマー層１１、中間層１２、及びトップ層１３がこの順に基材１の表面に積層されてなる。プライマー層１１は、コーティング材料として、例えばポリマー成分のプライマーが用いられており、基材１の表面において谷部２、島部３及び窪み４の凹凸形状が残るように薄く形成されている。なお、プライマー層１１には、環境負荷が小さいものであれば、ポリマー成分以外のプライマーを用いてもよい。

中間層１２は、コーティング材料として、充填剤を含むフッ素樹脂が用いられており、プライマー層１１の上側に形成されている。中間層１２の上面には、基材１の表面の凹凸形状とは異なる微細な凹凸形状１２ａが形成されている。なお、中間層１２は、塗布及び焼付けの工程を複数回繰り返してもよく、この場合、中間層１２が積層された状態となる。
トップ層１３は、コーティング材料として、高純度のフッ素樹脂が用いられており、中間層１２の上側に形成されている。

次に、本実施形態のコーティング基材１により得られる効果を検証するために、本発明者らが行ったピール試験（剥離試験）および耐食試験について説明する。
ピール試験では、以下の５種類の基材Ａ〜Ｅについて、各基材Ａ〜Ｅの表面にポリマー成分のプライマーを含むコーティングを施した後、そのコーティング膜を汎用の引張試験機によって引き剥がし、その引き剥がし荷重である密着強度（ピール強度）を測定する試験を、それぞれ５回ずつ行い、その平均値を算出した。
基材Ａ：表面が未処理の基材
基材Ｂ：表面に従来のブラスト処理を行った基材
基材Ｃ：表面に本実施形態のレーザ加工を行った基材であって、谷部の幅Ｗ＝１００μｍ，谷部のピッチＰ＝９００μｍ，谷部の深さＨ＝１６０μｍ，窪み部の深さｈ＝５０μｍ（＝０．３１Ｈ）
基材Ｄ：表面に本実施形態のレーザ加工を行った基材であって、谷部の幅Ｗ＝１００μｍ，谷部のピッチＰ＝６００μｍ，谷部の深さＨ＝１６０μｍ，窪み部の深さｈ＝５０μｍ（＝０．３１Ｈ）
基材Ｅ：表面に本実施形態のレーザ加工を行った基材であって、谷部の幅Ｗ＝１００μｍ，谷部のピッチＰ＝３００μｍ，谷部の深さＨ＝１６０μｍ，窪み部の深さｈ＝５０μｍ（＝０．３１Ｈ）

図４は、上記ピール試験の試験結果を示す表である。図４に示すように、未処理の基材Ａ及びブラスト処理の基材Ｂでは、コーティング膜において、プライマー層に対して中間層が剥がれたり、基材の表面に対してプライマー層が剥がれたりする層間剥離が生じている。この層間剥離は、コーティング膜の密着強度が塗膜強度を下回っている場合に生じる現象であり、層間剥離が生じたときの基材Ａ及びＢとコーティング膜との密着強度の平均値は、それぞれ４．８ｋｇｆ／ｃｍ、及び４．９ｋｇｆ／ｃｍとなった。

これに対して、レーザ加工の基材Ｃ〜Ｅでは、コーティング膜が積層方向に破断する塗膜破断が生じている。この塗膜破断は、コーティング膜の密着強度が塗膜強度を上回っている場合に生じる現象であり、塗膜破断が生じたときの基材Ｃ〜Ｅとコーティング膜との密着強度の平均値は、それぞれ６．２ｋｇｆ／ｃｍ、６．６ｋｇｆ／ｃｍ、及び６．９ｋｇｆ／ｃｍとなった。

上記ピール試験の結果より、本実施形態のレーザ加工を行った基材Ｃ〜Ｅに対するコーティング膜の密着強度は、従来のブラスト処理を行った基材Ｂよりも密着強度が高いことが分かる。また、基材Ｃ，Ｄ，Ｅの窪み部の深さｈが０．３１Ｈに設定されているので、上述したとおり前記深さｈを谷部の深さＨの１／５以上に設定することで、密着強度が高くなることも分かる。また、基材Ｃ，Ｄ，Ｅは、この順に谷部のピッチＰが短くなるに従って、コーティング膜の密着強度の平均値が高くなっているのが分かる。

耐食試験（ライニングテスト）では、以下の５種類のサンプルａ，ａ’，ｂ，ｃ，ｄについて、専用の試験機を用いて、これらのサンプルのコーティング膜においてブリスターの発生具合を比較した。
サンプルａ：基材の表面に、本実施形態のレーザ加工と、ポリマー成分のプライマーを含むコーティングを施したもので、谷部の深さＨ＝３００μｍ，窪み部の深さｈ＝１６０μｍ（＝０．５３Ｈ）
サンプルａ’：基材の表面に、本実施形態のレーザ加工と、ポリマー成分のプライマーを含むコーティングを施したもので、谷部の深さＨ＝２００μｍ，窪み部の深さｈ＝１００μｍ（＝０．５０Ｈ）
サンプルｂ：基材の表面に、本実施形態のレーザ加工と、ポリマー成分のプライマーを含むコーティングを施したもので、谷部の深さＨ＝１５０μｍ，窪み部の深さｈ＝５０μｍ（＝０．３３Ｈ）
サンプルｃ：基材の表面に、本実施形態のレーザ加工と、ポリマー成分のプライマーを含むコーティングを施したもので、谷部の深さＨ＝７５μｍ，窪み部の深さｈ＝５０μｍ（＝０．６７Ｈ）
サンプルｄ：基材の表面に、従来のブラスト処理と、ポリマー成分のプライマーを含むコーティングを施したもの

図５は、耐食試験に用いた試験機５０の断面図である。この試験機５０は、筒状に形成されたガラス筒５１と、ガラス筒５１の軸方向両側（図中の左右両側）に配置された一対の外板５２と、ガラス筒５１の内部に配置されたヒータ５３と、ガラス筒５１の内部に連通するエア配管５４とを備えている。ガラス筒５１の軸方向両側それぞれには、上記サンプルａ〜ｄのうちのいずれかのサンプルである試験片５５が、ガスケット５６を介して配置されている。各試験片５５は、その表面に施したコーティング膜が内側（ガラス筒５１側）を向いた状態となるように配置されており、一対の外板５２により挟持された状態で複数のボルト５７等によって固定されている。

ガラス筒５１の内部には、濃度１０％の塩水５８が封入されており、この塩水５８の温度は、ヒータ５３により１００℃に維持されている。また、塩水５８内にはエア配管５４の下端部からエアを供給している。これにより、塩水５８内に気泡を発生させ、試験片５５のコーティング膜に塩水５８が浸透するのを促進している。本試験では、この状態で１週間経過する毎に、試験機５０から試験片５５を取り外して、試験片５５の重量を測定するとともに、コーティング膜におけるブリスターの発生具合を観察する作業を１２週間目まで行った。

図６は、上記耐食試験の試験結果を示すグラフである。また、図７〜図１０は、耐食試験を終了したときの各サンプルａ，ｂ，ｃ，ｄのコーティング膜の状態を示す図面代用写真である。図６に示すグラフは、試験期間の経過に伴う、各サンプルａ，ａ’，ｂ，ｃ，ｄの試験片の重量変化を示している。

図６に示すように、ブラスト処理のサンプルｄは、耐食試験を開始してから終了するまで、継続的に重量が増加した。これは、コーティング膜にブリスター７０（図９等参照）が発生し、そのブリスター７０内に塩水５８が浸入することによって重量が増加したと考えられる。図１０に示すように、実際に、サンプルｄのコーティング膜を観察していても、１週間目から複数のブリスター７０が発生した。そして、試験終了時における図７〜図１０の各サンプルａ〜ｄのコーティング膜を比較すると、図１０のサンプルｄのコーティング膜において、最もブリスター７０の個数が多く、かつ個々のブリスター７０のサイズも大きくなった。

これに対して、レーザ加工のサンプルａ，ａ’，ｂは、耐食試験を開始してから終了するまで、継続的な重量の増加はなかった。実際に、サンプルａ，ｂのコーティング膜を観察していても、図７及び図８に示すように、試験終了までコーティング膜にブリスター７０が発生することはなかった。なお、サンプルａ’のコーティング膜については、サンプルａと同等の状態であったため、図面代用写真を省略している。

また、図９に示すように、レーザ加工のサンプルｃは、図６に示すように、耐食試験を開始してから終了するまで、継続的に重量が増加している。これは、ブラスト処理のサンプルｄと同様に、サンプルｃのコーティング膜にブリスター７０が発生し、そのブリスター７０内に塩水５８が浸入することによって重量が増加したと考えられる。しかし、試験終了時におけるサンプルｃの重量はサンプルｄの重量よりも軽いことから、サンプルｃのほうが、ブラスト処理を行わない分だけサンプルｄよりもブリスター７０の発生が抑制されていると考えられる。

実際に、サンプルｃのコーティング膜を観察していても、５週間目で初めて１個のブリスター７０が発生しており、サンプルｄでのブリスター７０の発生時期（１週間目）よりも遅かった。さらに、図９及び図１０に示すように、試験終了時におけるサンプルｃ及びｄの各コーティング膜を比較すると、サンプルｃのほうが、コーティング膜に発生したブリスター７０の個数が少なく、個々のブリスター７０のサイズも小さかった。

上記耐食試験の結果より、本実施形態のレーザ加工を行ったサンプルａ，ａ’，ｂ，ｃは、従来のブラスト処理を行ったサンプルｄよりも、ブリスター７０の発生を抑制できることが分かる。また、サンプルａ，ｂ，ｃを比較することで、谷部の深さＨを高くしたほうが、ブリスター７０の発生を抑制できることが分かる。さらに、窪み部の深さｈを谷部の深さＨの１／５以上かつ３／５以下としたサンプルａ，ｂは、前記深さｈを前記深さＨの３／５以上としたサンプルｃよりも、ブリスター７０の発生を抑制できることが分かる。また、図６〜図８の結果から、サンプルａ，ａ’，ｂは、所定の密着強度を確保できていることが分かる。

以上、本実施形態のコーティング基材１によれば、その表面に網目状の谷部２および複数の島部３からなる凹凸形状が形成されるため、従来のブラスト処理等により形成された凹凸形状と同様に、コーティング基材１の表面とコーティング膜１０との密着強度を高めることができる。さらに、本実施形態では、島部３の上面にもクレータ状の窪み部４によって凹凸形状が形成されるため、コーティング基材１の表面にコーティングを施すときに、窪み部４の周囲に盛り上げる土手部分５の内側（窪み部４側）及び外側に位置するコーティング材料は、自身が硬化するときの収縮応力によって、土手部分５の内側及び外側を掴むように密着する。これにより、コーティング基材１の表面とコーティング膜１０との密着強度をさらに高めることができるので、プライマーの密着強度に関わらず、コーティング膜１０の耐久性を高めることができる。

また、レーザ光を照射してコーティング基材１の表面に谷部２および島部３を形成するときに、その表面から溶けた部分が島部３の上面の周縁部に盛り上がることによって窪み部４も同時に形成することができるので、コーティング基材１を効率的に製作することができる。

また、窪み部４の深さｈは、谷部２の深さＨの１／５以上かつ３／５以下に設定されているので、窪み部４の周囲の土手部分５にコーティング材料を適切に密着させることができ、かつコーティング膜１０にブリスター７０が発生するのを抑制することができるので、コーティング膜１０の耐久性をさらに高めることができる。

［その他］
上記実施形態における窪み部４は、レーザ光の照射によって谷部２および島部３を形成すると同時に形成されているが、例えば、前記レーザ光を照射して島部を形成した後に、島部の上面に再びレーザ光を照射して当該上面を溶かして窪み部を形成するなど、他の方法により窪み部を形成してもよい。また、本発明のコーティング基材は、上記のように表面にコーティングが施されるものであるため、コーティング前の状態であってもよいし、コーティング後の状態であってもよい。

また、上記実施形態では、島部３は、正面視において四角形状に形成されているが、この形状に限定されるものではない。例えば、島部３は、正面視において三角形状、五角形状、六角形状、或いは円形状等の他の形状としてもよいし、正面視において２種類以上の形状（例えば五角形状と六角形状）の島部３を組み合わせたものとしてもよい。また、谷部２は、等間隔を繰り返す網目状としているが、ランダムな間隔で網目状としてもよい。

なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ コーティング基材
２ 谷部
３ 島部
４ 窪み部
１０ コーティング膜
Ｈ 谷部の深さ
ｈ 窪み部の深さ

Claims (4)

1. 表面にコーティングが施されるコーティング基材であって、
   前記表面に形成された、網目状の谷部、及び前記谷部で周囲が囲まれた複数の島部、を備え、
   前記島部は、その上面に形成されたクレータ状の窪み部を有し、
   前記窪み部の深さは、前記谷部の深さよりも浅い、コーティング基材。
2. 前記窪み部の深さは、前記谷部の深さの１／５以上である、請求項１に記載のコーティング基材。
3. 前記谷部及び前記島部は、前記表面にレーザ光が照射されて形成されたものであり、
   前記窪み部は、前記レーザ光の照射により前記表面から溶けた部分が、前記上面の周縁部に盛り上がって形成されたものである、請求項１又は２に記載のコーティング基材。
4. 前記窪み部の深さは、前記谷部の深さの１／５以上かつ３／５以下である、請求項３に記載のコーティング基材。