JP7062777B2 - 陽極酸化物および希土類酸化物を含む、金属のための疎水性コーティングおよびその適用方法 - Google Patents
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Description
一実施形態では、金属基板は、アルミニウム、チタン、およびステンレス鋼からなる群から選択される金属を含み得る。別の実施形態では、金属はアルミニウムからなり得る。これらの金属基板は、耐久性のある疎水性コーティングの設計に固有の課題を提示し得る。例えば、アルミニウム、チタン、およびステンレス鋼は、多くの疎水性ゾル-ゲルコーティングと適合しない熱膨張係数と弾性係数を有する。
陽極酸化は、酸化により金属の表面の化学的性質を変化させて、陽極酸化物層を生成する電気化学的な工程である。驚くべきことに、工程110により表面に形成された金属陽極酸化物のナノ多孔質層は、疎水性セラミックコーティングなどのゾルゲルコーティングと金属基板の表面との間に永続的な結合を作り出すのに役立つ。一実施形態では、陽極酸化工程110は、酸性溶液中で表面を陽極酸化する工程を含むことができる。別の実施形態では、酸性溶液は約5未満のpHを有することができる。別の実施形態では、酸性溶液は、酢酸、クエン酸、塩化水素、硝酸、および硫酸からなる群から選択される酸からなり得る。別の実施形態では、酸は硫酸からなり得る。
再び図1Aおよび1Cを参照する。一実施形態では、陰極化工程120は、酸化イットリウムナノ粒子のコロイド分散液中で表面を陰極化することを含むことができる。別の実施形態では、酸化イットリウムナノ粒子は、約10nmの平均粒子サイズを有することができ、量はコロイド分散液の重量の約2%~約10%であり得る。さらに別の実施形態では、酸化イットリウムナノ粒子の量は、コロイド分散液の重量の約5%であり得る。
再び図1Aおよび1Bを参照する。コーティング組成物は、工程130で、流し塗り法、浸漬法、およびスプレー法からなる群から選択される付着方法によって、表面に付着できる。適切な方法または方法の組み合わせの選択は、当業者によって一般的に理解される。例えば、流し塗りコーティングやスプレーコーティングは、大きな部品や複雑な形状、または2つの異なるコーティングが必要な場合に適し得る。例えば、浸漬コーティングは、部品全体をコーティングする場合に適し得る。
再び図1A,図1Bを参照する。一実施形態では、方法は、少なくとも2時間の硬化時間をかけて、約150℃~約300℃の硬化温度でコートされた表面を加熱する工程140を含むことができる。別の実施形態では、硬化時間は、約2時間~約24時間であり得る。さらに別の実施形態では、硬化温度は約200℃であり、硬化時間は少なくとも2時間であり得る。
再び例示的な図面の図3A~3Cを参照する。図3A~3Cは、本発明の実施形態に従って疎水性コートされた基板200を示す。図3Aを特に参照すると、一実施形態では、基板は、表面205を有する金属基板と、表面に形成された金属陽極酸化物のナノ多孔質層210と、ナノ多孔質層210に埋め込まれた酸化イットリウムナノ粒子220と、ナノ多孔質層210に結合された疎水性セラミックコーティング230とを含むことができる。図3Aに示す疎水性コートされた基板200は、図1A示す方法で形成できる。
第1のサンプルシリーズは、アセトンで洗浄したアルミニウムクーポンを使用し調製した。セラミックコーティングは、流し塗りコーティングまたはスプレーコーティングでアルミニウム基板に付着させた。セラミックコーティング組成物(このサンプルと後述するすべてのサンプルの)には、イットリウム化合物、酸化イットリウムナノ粒子の分散、水溶性ポリマー、および脱イオン水の溶媒溶液と水溶性アルコールが含有されていた。コートされた基板を、大気圧中で、約300℃で約2時間熱処理した。第1のサンプルシリーズの図を図4に示す。図4は、アルミニウム基板の表面205に形成された天然の酸化アルミニウム層206上のセラミックコーティング230を示す。
第5のサンプルシリーズでは、上記実施に従ってアルミニウムクーポンを洗浄し、0.2M硫酸中で約10Vで約1時間、陽極酸化した。陽極酸化処理後、クーポンを脱イオン水で洗浄した。陽極酸化した表面を図2A,2Bに示す。
第7のサンプルシリーズでは、第2のサンプルシリーズで説明した工程に従って、アルミニウムクーポンを洗浄し、陽極酸化し、セラミックコーティングでコーティングした。セラミックコーティングは約300℃で硬化した。
第9のサンプルシリーズでは、アルミニウムクーポンを第8サンプルシリーズと同一の構成で調整した。しかしながら、疎水性セラミックコーティングを施す前に、陽極酸化したクーポンは、第6サンプルシリーズに関して上記したように、酸化イットリウムナノ粒子のコロイド分散中で陽極酸化した。第9のサンプルシリーズを図3Aに示す。図3Aは、表面205に形成された金属陽極酸化物のナノ多孔質層210と、ナノ多孔質層210に埋め込まれた酸化イットリウムナノ粒子220と、ナノ多孔質層210に結合された疎水性セラミックコーティング230とを示す。図6を参照すると、第9のサンプルシリーズは、約90度以上の水の接触角を示した。
Claims (33)
- アルミニウムからなる金属基板の表面に金属陽極酸化物のナノ多孔質層を陽極酸化する工程と、
前記表面を陽極酸化した後、前記表面に流し塗り法、浸漬法、およびスプレー法からなる群から選択される付着方法でセラミックコーティング組成物を付着させる工程と、
コートした前記表面を150℃~300℃の硬化温度で少なくとも2時間加熱する工程と
を含む、アルミニウムからなる金属基板の表面にコーティングを施す方法であって、
前記セラミックコーティング組成物は、
イットリウム化合物と、
酸化イットリウムナノ粒子の分散と、
水溶性ポリマーと、
脱イオン水と水溶性アルコールの溶媒溶液とを含有する、
アルミニウムからなる金属基板の表面にコーティングを施す方法。 - 前記表面に前記セラミックコーティング組成物を付着させる前に、酸化イットリウムナノ粒子のコロイド分散中で前記表面を陰極化する工程をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- アルミニウムからなる金属基板の表面に金属陽極酸化物のナノ多孔質層を陽極酸化する工程と、
前記表面を陽極酸化した後、酸化イットリウムナノ粒子のコロイド分散中で前記表面を陰極化する工程と、
前記表面を陰極化した後、前記表面に流し塗り法、浸漬法、およびスプレー法からなる群から選択される付着方法でセラミックコーティング組成物を付着させる工程と、
前記セラミックコーティング組成物を付着させた前記表面を150℃~300℃の硬化温度で少なくとも2時間加熱する工程と
を含む、アルミニウムからなる金属基板の表面にコーティングを施す方法であって、前記セラミックコーティング組成物は、
イットリウム化合物と、
酸化イットリウムナノ粒子の分散と、
水溶性ポリマーと、
脱イオン水と水溶性アルコールの溶媒溶液とを含有する、
アルミニウムからなる金属基板の表面にコーティングを施す方法。 - 前記金属陽極酸化物は陽極酸化アルミニウムからなる、請求項1~3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記陽極酸化する工程は、前記表面を0.1M~0.3Mの濃度を有する酸性溶液中で、8V~12Vの陽極化電圧で20分~90分間陽極酸化する工程を含む、請求項1~4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記酸性溶液のpHは、5未満である、請求項5に記載の方法。
- 前記酸性溶液は、酢酸、クエン酸、塩化水素、硝酸、および硫酸からなる群から選択される酸を含有する、請求項5に記載の方法。
- 前記酸は硫酸からなる、請求項7に記載の方法。
- 前記濃度は0.2Mである、請求項8に記載の方法。
- 前記陽極酸化する電圧は10Vである、請求項9に記載の方法。
- 前記陽極酸化する時間は30分~60分である、請求項10に記載の方法。
- 前記陰極化する工程は、前記表面を酸化イットリウムナノ粒子のコロイド分散中で、8V~12Vの陰極化電圧と、0.05mA~0.15mAの電流とで、30分~90分間陰極化する工程を含む、請求項2又は3に記載の方法。
- 前記コロイド分散中の酸化イットリウムナノ粒子は10nmの平均粒子サイズを有し、その量は、前記コロイド分散の重量の2%~10%である、請求項12に記載の方法。
- 前記コロイド分散中の酸化イットリウムナノ粒子の量は、前記コロイド分散の重量の5%である、請求項13に記載の方法。
- 前記陰極化する電圧は10Vであり、電流は0.1mAである、請求項14に記載の方法。
- 前記陰極化する時間は60分間である、請求項15に記載の方法。
- 前記表面を陰極化した後、前記表面からナノ粒子を除去する工程をさらに含む、請求項12~16のいずれか一項に記載の方法。
- 前記除去する工程は、前記表面をイソプロパノールで拭く工程を含む、請求項17に記載の方法。
- 前記基板の前記表面の前記セラミックコーティング組成物を1時間乾燥する工程をさらに含む、請求項1~3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記硬化温度は200℃である、請求項1~3及び19のいずれか一項に記載の方法。
- 前記イットリウム化合物は、酢酸イットリウムを含有し、
前記酸化イットリウムナノ粒子の分散の量は、前記コーティング組成物の重量の0.5%~1%であり、
前記水溶性ポリマーは、前記コーティング組成物の重量の1%~5%でポリビニルアルコールを含有し、
前記水溶性アルコールは、イソプロピルアルコールからなり、
前記脱イオン水と前記水溶性アルコールとは、2:1の比率で前記溶媒溶液中に存在する、請求項1~3、19及び20のいずれか一項に記載の方法。 - 表面を有し且つアルミニウムからなる金属基板と、
前記表面に形成された金属陽極酸化物のナノ多孔質層と、
前記ナノ多孔質層に結合されたセラミックコーティング組成物と
を含む、コートされた基板であって、
前記セラミックコーティング組成物は、
イットリウム化合物と、
酸化イットリウムナノ粒子の分散と、
水溶性ポリマーと、および
脱イオン水と水溶性アルコールの溶媒溶液を含有する、
コートされた基板。 - 前記ナノ多孔質層に埋めこまれた酸化イットリウムナノ粒子をさらに含む、請求項22に記載の基板。
- 表面を有し且つアルミニウムからなる金属基板と、
前記表面に形成された金属陽極酸化物のナノ多孔質層と、
前記ナノ多孔質層に埋めこまれた酸化イットリウムナノ粒子と、
前記ナノ多孔質層に結合されたセラミックコーティング組成物をさらに含み、
前記セラミックコーティング組成物は、
イットリウム化合物と、
酸化イットリウムナノ粒子の分散と、
水溶性ポリマーと、および
脱イオン水と水溶性アルコールの溶媒溶液を含有する、
コートされた基板。 - 金属陽極酸化物の前記ナノ多孔質層はナノピペットを含む、請求項22~24のいずれか一項に記載の基板。
- 前記ナノピペットは、10nm~100nmの平均直径を有する、請求項25に記載の基板。
- 前記ナノピペットは、20nm~50nmの平均直径を有する、請求項26に記載の基板。
- 前記ナノピペットは、100nm~10μmの平均長さを有する、請求項25~27のいずれか一項に記載の基板。
- 前記ナノピペットは、1.5μm~8μmの平均長さを有する、請求項28に記載の基板。
- 前記酸化イットリウムナノ粒子は、10nmの平均粒子サイズを有する、請求項23又は24に記載の基板。
- 前記金属陽極酸化物の前記ナノ多孔質層は、ナノピペットを含んでおり、前記酸化イットリウムナノ粒子は、前記ナノピペットに埋め込まれている、請求項23、24及び30のいずれか一項に記載の基板。
- 前記セラミックコーティングは、酢酸イットリウムを含有する、請求項22~24のいずれか一項に記載の基板。
- 前記金属陽極酸化物は、陽極酸化アルミニウムからなる、請求項22~32のいずれか一項に記載の基板。
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