JPH06508182A

JPH06508182A - ケイ酸化合物を用いた表面保護方法

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Publication number: JPH06508182A
Application number: JP5500477A
Authority: JP
Inventors: クルーズ，ネイサン　シー．，ザ　フォース; ヤング，ダニエル　エイ．; ヤング，ランス　エイ．
Original assignee: ダンカー　インコーポレイテッド
Priority date: 1991-05-22
Filing date: 1992-05-22
Publication date: 1994-09-14
Anticipated expiration: 2017-03-11
Also published as: EP0585365B1; EP0585365A4; JP3264667B2; DE69227768D1; CA2109629A1; DK0585365T3; AU2011492A; DE69227768T2; WO1992021449A1; KR100236251B1; RU2106916C1; US5205874A; AU660587B2; ATE173960T1; EP0585365A1; BR9206028A; ES2125263T3

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】ケイ酸化合物による金属および木材の表面保護方法反衝分野本発明は金属および木材の表面保護工程すなわち方法に関し、特に、このような表面に保護バリアを形成したり保護バリアを吸収させたりすることで、摩耗、腐食、熱、火炎などから表面を保護するための方法および工程に関する。

従米伎街摩耗、腐食、熱、火炎などによる金属製品や木製品の破壊は当然のことながら多くの産業界で経済的な打撃となり、このような破壊力を抑制する方法を考え出すのは極めて重要なことである。１つの方法として、製品の外気に触れる表面に保護バリアすなわち保護被膜を形成するというものがある。

使用できる保護バリアの種類は様々である。この中には、製品の表面に直接塗布するペイントやワニス、ラッカーなどの有機組成物も含まれる。保護バリアとして作用させるためには、有機組成物と処理対象となる表面との相性がよくなければならない。また、有機組成物によっては表面に対する適度な接着性および付着性を発揮するために塗布前に表面を前処理しておかなければならない場合もある。例えばアルミニウムやアルミニウム合金の表面にペイントを塗布する場合、表面にペイントを付着させるためには表面の汚れを完全に落とし、さらに「粗面処理」あるいは「酸洗い」をしておかなければならない。しかしながら、比較的稀薄なペイントを使用する場合にはペイント層の下に「粗面処理」あるいは「酸洗い」した表面が見えてしまい、用途によっては好ましくない。また、有機組成物を使用すると、多くの場合形成される保護バリアが比較的軟質で摩耗や腐食に対する耐性のないものとなる。さらに、有機組成物はそれ自体可燃成分を含有し、熱や火炎に対する保護性は低いか全くないことが多い。

様々な金属表面と化学的に結合するケイ酸化合物を使用した保護バリアもある。

いろいろなケイ酸化合物を使用して摩耗や腐食に強い硬質かつ平滑な表面を形成し得ることはよく知られている。例えば、リソグラフィ業界では、Ｃａ５ｓｏｎＪｒ、　ら（米国特許第３．６５８，６６２号）がアルミニウム材料またはアルミニウム合金材料で作られた板をケイ酸処理することで板の表面と腐食性ジアゾニウム塩やりソゲラフイエ程で使用される他の感光性被膜との間に硬質かつ平滑なバリアを形成したりソグラフィ板を開示している。ケイ酸化合物を使用することのもう１つの利点は、その耐熱性や防火性である。例えば、Ｋｉｍ（米国特許第４．８１０．７４１号）は、ケイ酸化合物すなわちケイ酸ナトリウムの他、可燃性材料に使用できる様々な成分を含有した防火性かつ非燃性の材料を生成するための合成方法を開示している。

アルミニウム製品についてみると、ケイ酸処理を施すための方法には非電界法と電界法の２つがある。非電界法を使用する場合、アルミニウム表面をケイ酸含有溶液に浸漬し、アルミニウム表面上にケイ酸化合物の層を繰り返し形成する。

残念なことに、ケイ酸アルミニウムの層とアルミニウム表面との間の結合力は弱く、一部の酸や塩基、食塩水に対して耐性を有するのみである。さらに、金属表面上の不純物、溶液のｐＨ、ケイ酸濃度、溶液の温度などの要素は一定している訳ではなく、非電界法の成果はこれらの要素に影響されるため、一様な成果を達成することは難しい。

一方、Ｃａ５ｓｏｎ　Ｊｒ、ら（米国特許第３．６５８．６６２号）に開示された電界法は、もっと複雑で時間のかかるものである。大まかに言って、この工程ではケイ酸ナトリウムなどの塩の塩基性電解質溶液とアノードとして作用するアルミニウムとを使用する。アノードとカソードとの間に電気を供給し、アノードの表面にケイ酸化合物のバリアを形成する。Ｃａ５ｓｏｎ　Ｊｒ、らにおいて、発明者らは電界によってアルミニウムの表面に改善されたケイ酸化合物バリアを形成できると報告しているが、この方法は木材など非金属製物質の表面では使用できない。

従って、金属と木材のどちらの表面にも適用でき、ケイ酸化合物含有物質の保護バリアを形成して摩耗や腐食、熱、火炎などから表面を保護するための簡単な方法が必要とされているのである。

発盟塁朋示本発明の目的は、金属または木材の表面を摩耗や腐食、熱、火炎などから保護するための比較的簡単な工程を提供することにある。

本発明の他の目的は、このような工程を提供することによって金属または木材の表面に様々なケイ酸化合物製の外側バリアを形成することにある。

本発明のさらに他の目的は、電界を使用せず、環境上問題のある化学物質や化合物を使用したり生成したりすることもない工程を提供することにある。本発明の上述したような目的および他の目的、利点などについては、本発明を実施するための最良の形態のいくつかについての添付の記載事項を読むことで当業者らが理解できるものである。

ケイ酸化合物の中には、乾燥させると耐摩耗性および耐腐食性のある比較的硬質で平滑な層を形成するものが多数あることは周知である。また、ケイ酸化合物の中には、乾燥させると耐熱性および防火性になるものが多いことも周知である。

しかしながら、今まで全く知られていなかったのは、金属や木材の表面に、様々なケイ酸化合物からなる一層又はそれ以上を形成して保護バリアとする簡単な工程である。

ここに開示する工程では、ケイ酸塩からなる一層又はそれ以上の内側層と、その上の二酸化ケイ素からなる外側層とを含む保護バリアを形成する。このような保護バリアを形成するために、まず金属や木材の表面上に固定面を形成する。固定面を形成する際、最初に表面を洗剤および温水で洗浄する。金属製品を使用する場合、次に表面を固定用酸性溶液に浸漬し、表面をエツチングすなわち表面との間に化学反応を起こさせて表面上に薄膜層を形成する。薄膜層は金属酸化物などの結合物質を含む。この結合物質によって次のステップで形成するケイ酸塩の層を表面に結合させることができる。好ましい工程において、固定用の酸は、金属酸化物と金属オルトリン酸塩とを含む薄膜層を形成するリン酸である。金属製品の表面を酸に曝露した後、表面を布で拭くか加圧温水で洗浄して過剰酸や酸化物、表面に対する接着力の弱い不純物などを強制的に除去する。木製品を使用する場合には、固定面を形成するための以後のステップは必要ではない。

金属製品または木製品の表面に固定面を形成した後、これをアルカリまたはアルカリ土類金属ケイ酸塩溶液に曝露する。この工程では様々な種類のケイ酸化合物溶液を使用することができるが、好ましい工程では固定面を１８〜３３％（ｖ　／　ｖ　）のケイ酸ナトリウム溶液に曝露する。曝露後、好ましくは華氏３０２度以上の温度で固定面を完全に乾燥させ、固定面上にケイ酸塩の薄層を形成する。

乾燥ステップを行っている間にケイ酸塩の一部が転化して二酸化ケイ素になるのは自明のことである。木材の表面では言うまでもなく最初に溶液に晒している間に表面付近の木繊維がケイ酸塩溶液の一部を吸収する。吸収されるケイ酸塩溶液の量は木材の種類、木材の多孔度、暴露時間などによって変化する。

この工程の間にケイ酸塩の第一層目にひび割れや不完全な部分が生じる可能性もあるため、全工程を繰り返してケイ酸塩の層上にさらに複数のケイ酸塩の層を形成するとよい。ケイ酸塩の層数が増せば製品の摩耗や腐食、火炎、熱などに対する保護性も太き（なる。ケイ酸塩の最終層を形成して乾燥させた後、これを強酸溶液に曝露する。この間に、ケイ酸塩の最終層はケイ酸塩の内層と二酸化ケイ素の外層とからなる外側二重層構造に変わる。全工程が完了すると、保護バリアは、部分的に二酸化ケイ素に転化したケイ酸塩からなる複数の内側層と、ケイ酸塩の内層と二酸化ケイ素の外層とからなる外側二重層とを含む。

乾燥させたケイ酸塩の各層を、その上に次のケイ酸塩の層を形成する前に強酸に曝露するなど、上述した工程をさらに部分的に修正してもよい。このようにすれば、固定面上に上述した外側二重層と類似の二重層を複数形成して保護バリアの摩耗や腐食、火炎、熱などに対する耐性を向上させることができる。この方法を使用する場合、ケイ酸塩の各層は、ケイ酸塩の層と二酸化ケイ素の外層とからなる内側の二重層になる。たいていの用途では、外側二重層の下に内側二重層を形成して保護性を十分なものとする。全工程が完了すると、金属や木材の製品の上に保護バリアが形成され、製品を摩耗や腐食、熱、火炎などから保護する。

■面ｑ固単ム説朋図１は、ケイ酸塩の内側層と外側二重層とからなる保護バリアを形成した金属製品の断面図である。

図２は、ケイ酸塩の内側層二層と外側二重層とからなる保護バリアを形成した金属製品の断面図である。

図３は、二層の二重層からなる保護バリアを形成した金属製品の断面図である。

図４は、ケイ酸塩の内側層二層と外側二重層とからなる保護バリアを形成した木製品の断面図である。

図５は、ケイ酸塩の内側層と外側二重層とからなる保護バリアを形成した木製品の断面図である。

■　だめの　の７７、以下に開示の発明は、摩耗や腐食、熱、火炎などから金属および木材の表面を保護するための工程である。ここで、「金属」という用語はスチールやアルミニウム、金属合金などのの金属化合物を含有する表面を意味するものとする。また、「木材」という用語は、あらゆる種類の木材および木製品を指すものとする。金属や金属合金、木材、木製品のすべてをここに開示の工程で試験したわけではないが、本工程はアルミニウムや銅、カドミウム、マグネシウム、ニッケル、銀、スチール、チタンおよびこれらの合金で作られた物品ならびに木製品に使用できると思ってよい。また、本工程は他の材料で作られた物品にも同様に適用できるものと思ってよい。

図１に示すように、ここに開示の工程を使用して金属製品１０の固定面１２上に保護バリア１４を形成する。本工程を使用すると、保護バリア１４はケイ酸塩材料からなる内側層１８を覆う外側二重層構造２２を含む。金属製品１０の処理に本工程を使用する場合、まず物品１０の上に固定面１２を形成する。最初に、処理対象となる表面を清浄して乾燥させる。清浄および乾燥にはこれといって特に好ましい工程があるわけではなく、温水と洗剤を使用すれば十分である。次に表面をエラ五ングすなわち表面と化学的に反応する固定用酸性溶液にこの表面を曝露し、表面」二に薄膜層１６を形成する。薄膜層１６は金属酸化物などの結合物質を含有し、この結合物質によって後で形成するケイ酸塩の層を表面に結合させる。好ましい工程において、固定用酸性溶液は３〜１０分間表面上においた２０％〜２５％リン酸である。リン酸を使用する場合、リン酸は表面をエツチングして表面と化学的に反応し、金属オルトリン酸および金属酸化物塩からなる薄膜層１６か形成される。固定用酸性溶液として他の酸を使用してもよいが、リン酸を使用した場合に限ってリン酸以外の酸を使用した時に形成される金属酸化物などの塩よりも表面１２にしっかりと結合する金属オルトリン酸塩が形成される。また、塩酸などのリン酸よりも強い酸を使用すると表面が必要以上に酸化してしまうことにも注意されたい。固定面１２をリン酸に曝露する方法も特に問わないが、物品１０を酸性浴中に完全に沈めてしまうと好ましい。好ましくは、リン酸浴を華氏１２０〜１４０度に加熱して反応速度を増し、表面の外観がより一様になるようにする。しかしながら、酸性溶液の濃度が上下すればこれに伴って反応時間および温度も変化する。

表面上に薄膜層１６を形成した後、この表面を布で拭くか温水で洗浄して余分な酸や不純物などを強制的に除去する。一般に粉ふき物質と称される不純物は、表面上に形成される様々な酸化物やリン酸塩（一般に銅およびマグネシウムの塩）からなる。粉ふき物質は保護バリアを形成したり保護バリアの機能を発揮させたりする時に悪影響を及ぼすとは思えないので、除粉と呼ばれるこの洗浄ステップは単に外見を良くするだけのために実行するものである。好ましい工程において、除粉は薄膜層１６を華氏１２０〜１４０度の温水すなわち湯で洗浄して行う。

他の除粉工程の場合と同様に圧力をかけてこすってもよい。粉ふき物質は使用するアルミニウム合金の種類とその酸化状態によって濃灰色から黒色をしている。

清浄・洗浄後、薄膜層１６を乾燥させる。

次に、薄膜層１６をアルカリ金属またはアルカリ土類金属ケイ酸塩溶液に曝露し、固定面１２上にケイ酸塩の内側層を形成する。アルカリ金属ケイ酸塩溶液は、ケイ酸カリウム、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸リチウムからなる群から選択する。

アルカリ土類金属ケイ酸塩溶液は、ケイ酸ベリリウム、ケイ酸マグネシウム、ケイ酸カルシウムからなる群から選択する。好ましい工程において、薄膜層１６を浸漬または噴霧によって１８〜３３％（ｖ　／　ｖ　）のケイ酸ナトリウム溶液に曝露する。金属製品１０の場合、ケイ酸ナトリウム溶液中での曝露時に薄膜層１６に認められる金属オルトリン酸すなわち金属酸化物と溶液中のケイ酸ナトリウムとが化学的に結合し、内側のケイ酸塩の層１８を形成する。実際のケイ酸塩溶液中での曝露時間は物品の種類と処理した表面によって１〜１０分となる。例えば、くぼみのある表面やざらざらした表面よりも平滑な表面の方が必要な曝露時間は短くなる。また、アルミニウムやアルミニウム合金の表面とマグネシウムやマグネシウム合金の表面とでは前者の方が曝露時間は短くてすむ。

薄膜層１６をケイ酸ナトリウムの溶液に曝露した後、十分に高い温度でケイ酸塩の層１８を完全に乾燥させる。本工程の以後のステップに移る前に薄膜層１６を完全に乾燥させることが大切である。好ましい工程において、乾燥ステップは華氏３０２度以上の温度でオーブンにて行う。この温度では、２〜３０分で完全に乾燥させることができる。ケイ酸ナトリウムを華氏３０２度以上の温度で乾燥させると、ケイ酸ナトリウムの一部は転化して二酸化ケイ素となり、この二酸化ケイ素ができることで摩耗や腐食に対する内側の層１８の耐性が増すことが分かっている。温度や乾燥時間を増減することで、ケイ酸ナトリウムの二酸化ケイ素への転化量を増減することができ、耐摩耗性および耐腐食性の異なる層を形成することができる。

内側の層１８を完全に乾燥させた後、これを１〜３分間１８〜３３％（ｖ　／　ｖ　）のケイ酸ナトリウム溶液に曝露し、さらに上述したような工程で乾燥させて第１の内側層１８の上に第２のケイ酸塩の層２０を形成する。内側層１８を形成するために使用したケイ酸ナトリウム溶液中での曝露とは異なり、第２の層を形成するためのケイ酸ナトリウム溶液中での曝露時間は重要な要素ではない。繰り返すが、乾燥温度および乾燥時間を調節することで、二酸化ケイ素に転化するケイ酸ナトリウムの量を効果的に調節することができる。

第２の層２０を完全に乾燥させたら、これを酢酸、ホウ酸、炭酸、塩酸、硝酸、リン酸および硫酸からなる群から選択した酸性溶液に曝露する。曝露中、第２の層２０は転化して一様な二重層２２となる。二重層２２は、第２の層２０の下側部分と外側の二酸化ケイ素層２４とからなる。酸性溶液への曝露中、第２の層２０中のケイ酸塩と酸とが化学的に反応し、外側の二酸化ケイ素層２４が形成される。好ましい工程において、１２０〜１４０度に加熱した２０〜２５％リン酸に第２の層２０を曝露する。酸をこの温度まで加熱した場合の曝露時間は１５〜３０秒である。酸の温度が室温程度である場合には曝露時間は２〜７分となる。

外側の二酸化ケイ素層２４は硬質かつ平滑であり、外観も一様である。この層はケイ酸ナトリウムよりも硬いので、摩耗や腐食に対する耐性はケイ酸ナトリウムの層だけの場合よりも二重層構造２２で形成された保護バリア１４の方が大きい。

図２に示すように、第２のケイ酸塩の層２０を二重層構造２２に転化させずに第２のケイ酸塩の層２０の上に第３のケイ酸塩の層２６を形成し、保護バリア１４よりも保護力の大きい第２の保護バリア２５を形成することも可能である。第２の保護バリア２５を形成するために、第２の層２０を形成するための上述したステップを使用して第３の層２６を形成する。完全に乾燥させた後第２の層２０をリン酸に曝露するのではなく、１８〜３３％のケイ酸ナトリウム溶液に曝露する。乾燥後、第３のケイ酸塩の層２６が形成され、これを２０〜２５％リン酸に曝露して外側二重層２８を形成する。二重層２２と同様に、二重層２８も第３のケイ酸ナトリウムの層２６の下側と外側の二酸化ケイ素層２９とからなる。

全工程が終了すると、物品１０の表面には比較的平滑で硬い保護バリア１４および２５が形成される。これらの保護バリアは、それぞれ外側二重層２２．２８に転化する一層または二層のケイ酸塩の層１８および２０からなる。保護バリア１４および２５は、酸性、塩基性、塩水などの作用による腐食や摩耗に対する耐性が高く、外観上はガラスのようであり、この上にペイントやワニスなど他の有機組成物を被覆することもできる。

上述した工程を使用すると、時としてケイ酸ナトリウムの各内側層１８．２０の上面にひび割れや孔が生じ、保護バリア１４および２５の全体としての機能発揮に影響することが分かっている。この問題をなくすために、各ケイ酸塩の下層１８または２０上に次のケイ酸塩の層を形成する前にこの下層をリン酸に曝露すれば、固定面１２上に複数の二重層を形成できることが分かっている。

図３は、物品１０の露出面上に形成され、物品１０の固定面１２に形成された二層の二重層５２および５５からなる第３の保護バリア５０を示している。保護バリア１４および２５を形成するための上述のステップを使用して、固定面１２上の二重層５２および５５を形成する。まず固定面１２上に薄膜層１６を形成する。次に第１のケイ酸塩の層１８と第１の二酸化ケイ素層５４とからなる内側二重層５２を固定面１２上に形成する。内側二重層５２を形成した後、この上に第２のケイ酸塩の層２０と外側の二酸化ケイ素層５７とからなる外側二重層５５を形成する。しかしながら、用途によってはさらに保護性を高める必要もあり、このような場合には固定面１２上にさらに二重層（図示せず）を形成してもよい。

物品１０に保護バリア５０を形成するために、まず上述した工程を使用して固定面１２、薄膜層１６および第１のケイ酸塩の層１８を物品１０に形成する。第１の層１８を完全に乾燥させ、部分的に二酸化ケイ素に転化させた後、これを華氏１２０〜１４０度に加熱した温かいリン酸に１５〜３０秒間浸漬し、内側の二酸化ケイ素層５４を形成する。内側の層５４は保護バリア１４を形成する際にできた外層２４と同様の層である。冷却後、内側二重層５２を１８〜３３％（ｖ、、 ’ｖ）ケイ酸ナトリウム溶液に１〜３分間曝露して乾燥させ、第２のケイ酸ナトリウム層２０を形成する。第２の層を温めたリン酸に１５〜３０秒間浸漬し、外側の二酸化ケイ素層５７を形成する。この工程が完了すると、物品１０には内側と外側の二重層５２および５５が形成される。

上述した工程は、様々な木材の表面に摩耗や腐食、熱、火炎などに対する保護性を付与するために使用することもできる。図４において示されるように、本工程を使用して木製の物品３０の露出面上に保護バリア３４を形成することができる。金属製品で使用した工程と同様、保護バリア３４が物品３０に適宜付着するように、まず物品３０に固定面３２を形成しなければならない。この時、最初に物品を湯または温水と洗剤で数分間洗浄、清浄し、木材の孔から汚れた粒子や不純物をすべて除去してから固定面３２を形成する。木材はたいていの金属製品よりも孔が多いので、木材表面の洗浄と不純物の除去は金属表面の場合よりも重要である。金属表面に使用した工程とは異なり、固定面３２を形成する際に酸は使用しない。

固定面３２を下処理した後、金属製品１ｏの処理に使用した上述のシリケート溶液に曝露する。好ましい工程では固定面３２を１８〜３３％ケイ酸ナトリウム溶液に１〜３分間曝露する。このステップの間、ケイ酸ナトリウム溶液は木材の孔や表面のひび割れ部分に吸収され、第１のケイ酸塩の層３６となる。曝露後、第１のケイ酸ナトリウムの層３６を室温前後の温度で乾燥させる。物品の木材が耐えられるようであればこれより高い温度を使用してもよい。ケイ酸ナトリウム溶液での曝露の間にナトリウム溶液は木繊維に吸収され、乾燥するにつれて硬度を増して木繊維間に結晶構造が形成されるのは自明のことである。また、ケイ酸ナトリウムの一部は転化して二酸化ケイ素となることも言うまでもない。この結果、ケイ酸塩の第１の層３６は比較的硬質で固定面３２にしっかりと結合する。

第１の層３６の形成後、続いて第１の層３６の上に第２および第３のケイ酸塩の層３８および４０を形成する。金属製品の処理に使用した工程と同様、第２および第３のケイ酸塩の層３８および４０を十分に乾燥させ、次のステップに進む前に必要な量だけ二酸化ケイ素を形成しておくことが重要である。

第３のケイ酸塩の層４０を乾燥させた後、これを金属製品１０の処理に使用した群から選択した酸に曝露する。好ましい工程では、華氏１２０〜１８０度に加熱した２０〜２５％リン酸を３分間使用する。金属製品１０に使用した工程と同様、外側層４０は転化して二酸化ケイ素の外層４２と内側層４０の内層とからなる二重層４１になる。二酸化ケイ素の外層４２を乾燥させると、物品３０の固定面３２上に硬質かつ平滑な保護バリア３４が形成される。この保護バリアは二重層４１に覆われた内側のケイ酸塩の層３６．３８である内側の二層を含む。保護バリア３４は、耐食性、耐摩耗性、耐熱性、耐火性であるので、物品３０を十分保護することができる。

図５に示されるように、用途によってはケイ酸塩の内側層３６の一層と、二重層４１の一層とからなる保護バリア４５を形成する必要のある場合もある。

木材表面に対する耐熱性および耐火性は、ひとつには高温に曝露する際に木材表面上で起こる化学的プロセスによって得られるものでもある。華氏３０２度以上の温度になると、第１および第２のケイ酸塩の層は化学的に二酸化ケイ素と水尖施例よ本発明を使用してアルミニウムまたはアルミニウム合金の表面を処理する代表的な方法は以下の通りである。

２枚のアルミニウムパネル試料を処理した。試料１は２０２４　Ｔ−３素材からなり、試料２は６０６１　Ｔ−６素材からなるものとした。両パネルは寸法３インチ（Ｗ）　Ｘ　１０インチ（Ｌ）で厚さ０．０３９インチであった。まず、試料１および２を洗剤と水で洗浄し、華氏１４０度でオルトリン酸の２５％溶液に３分間浸漬した。この酸性溶液を加熱して反応速度を増し、外観をより一様なものとした。次に、試料１および２を酸性溶液から取り出したところ、試料１には濃黒色の粉ふき皮膜が形成され、試料２には明るい灰色の粉ふき皮膜が形成されていた。各試料をスポンジと湯で拭いて両試料の粉ふき皮膜を除去した。皮膜を除去してしまうと、試料１および２の表面ははっきり異なる銀白色をしていた。

この色は各試料の表面上にオルトリン酸アルミニウムが形成されたために生じたものと思われる。試料１および２を華氏６０度の浴に１分間浸して冷却した。これらの試料がまだ濡れているうちに１６％ケイ酸ナトリウム溶液に入れて１分おいた。続いて試料１および２をケイ酸ナトリウム溶液から取り出して華氏２００〜３１５度に加熱したオーブンに入れ、約３０分かけて乾燥させた。１０分後、試料１をオーブンから取り出し、室温にて冷却した。試料１および２のいずれも平滑でガラス様の表面を有していたことに注意されたい。冷却後、試料１および２を１８％ケイ酸ナトリウム溶液に戻して３分おいた。この試料１および２をオーブンに戻して３０分おき、続いてオーブンから取り出して室温まで冷ました。

冷めた試料１および２を再び２５％オルトリン酸に入れて３分おいた。

試料１および２の表面は、硬質かつ平滑でガラス様に見える。ＡＳＴＭ　Ｂ−１１７又はＭｉ１仕様Ｃ−５５４１によって試料１および２の耐食性を試験した。

試料１および２のペイント付着性もＭｉ！仕様Ｃ−５５４１に対して試験した。

試料１および２の両方が各試験の仕様に合格した。

各試料の耐熱性および耐火性については、同様のアルミニウム片で未処理の物と処理試料との燃焼性を比較して試験した。処理試料および未処理試料を華氏２０００〜２５００度で燃焼するアセチレン火炎に曝露した。未処理試料は約３０秒で灰になった。残留物は全くたまっていなかった。一方、処理したアルミニウム試料１および２は曝露数秒後に屈曲した。約２分８秒後、アルミニウム材料は皮膜層の両側間から徐々に燃えていった。この時点で試験を終了した。アルミニウム灰残留物は全（認められなかった。

爽施健業上述した工程を使用してスチールまたは合金で作られた物品の表面を処理するための代表的な方法は以下の通りである。

寸法４インチ（Ｗ）および６インチ（Ｌ）で厚さ０．０４１インチの４１３０スチール製スチールパネル試料１〜３を処理した。まず、試料１〜３を洗剤と湯で洗浄してグリースおよび油を除去し、オルトリン酸の２５％（容量）溶液に浸漬して華氏１２０度で維持した。このステップによってケイ酸ナトリウムと結合し得るオルトリン酸鉄が形成される。次に試料１〜３を冷水で水洗して３３％（容量）ケイ酸ナトリウム溶液に浸漬し、華氏４０度で維持した。試料１〜３を華氏３０５度、３０分で乾燥させ、露出面上で部分的に二酸化ケイ素に転化したケイ酸ナトリウムの第１の層を形成した。試料１〜３を室温まで冷まし、華氏１２０度で約１５秒オルトリン酸の２５％（ｖ　／　ｖ　）溶液に浸漬した。このステップによって、ケイ酸ナトリウムの第１の層の上に硬質かつ不溶性の二酸化ケイ素層が形成され、表面を二重層構造で被覆した形となる。続いて試料１〜３を水洗して冷却し、３３％ケイ酸ナトリウム溶液に再度浸漬して露出面上にケイ酸ナトリウムの第２の層を形成した。試料１〜３を華氏３０５度で約３０分かけて乾燥させ、室温まで冷ました。この試料１〜３を華氏１２０度で約１５秒２５％オルトリン酸溶液に浸漬し、試料上に二酸化ケイ素とケイ酸ナトリウムの二重層構造を形成した。次に試料１〜３を冷水で水洗し、華氏３０５度で５分かけて乾燥させた。試料１〜３をＡＳＴＭ−Ｂ１１７塩噴霧試験で試験したところ、１／２時間、１時間、２時間、２４時間の各試験に無事に合格した。このことから、本工程で形成された保護バリアは標準的な試験条件下では腐食抑制物として作用していることが分かる。

尖施丞ｌ上述した工程を使用して銅または銅合金の表面を処理するための代表的な方法は以下の通りである。

鋼管試料を試験した。管の寸法は１２インチ（Ｌ）ＸＩ／２インチ（１，／Ｄ） ×１／８側面厚であった。まず、洗剤と湯で試料を洗浄してグリースおよび油を除去し、華氏１２０度でオルトリン酸の２５％溶液に浸漬した。このステップによって試料の露出面上にオルトリン酸銅の薄膜層が形成される。もちろんケイ酸ナトリウムはこの層に結合し得る。次に試料を冷水で水洗し、華氏４０度で３３％ケイ酸ナトリウム溶液に浸漬した。さらに、試料を華氏３０５度で約３０分乾燥させ、薄膜層の上に第１のケイ酸ナトリウム層を形成した。続いて試料を室温まで冷まし、華氏１２０度で１５分２５％オルトリン酸溶液に浸漬した。このステップによって第１のケイ酸ナトリウム層の上に不溶性の二酸化ケイ素層が形成される。次に、試料を冷水で清浄して再度３３％ケイ酸ナトリウム溶液に浸漬し、表面上に第２のケイ酸ナトリウム層を形成した。さらに試料を華氏３０５度で約３０分乾燥させた後、室温まで冷ました。続いて試料を華氏１２０度で約１５秒２５％オルトリン酸溶液に浸漬し、第２のケイ酸ナトリウム層の上に外側の二酸化ケイ素層を形成した。次に試料を冷水で清浄して華氏３０５度で５分かけて乾燥させた。試料１〜３をＡＳＴＭ−Ｂ１１７塩噴霧試験で試験したところ４８時間の試験に無事に合格し、本工程で形成された保護バリアは標準的な試験条件下で腐食抑制物として作用していることが分かった。

実施側ま本発明を使用して木材の表面を処理する代表的な方法は以下の通りである。

松で作った木材試料を寸法２インチ（Ｗ）ｘ４インチ（Ｌ）Ｘ６インチ（Ｈ）に裁断する。ケイ酸ナトリウムの２０％溶液を１８インチ（Ｈ）×直径６インチの容器に注ぐ。この容器は空気弁（ｒｓｈｒａｄｅｒＪ弁とも呼ばれる）および密閉用のふたを備えており、容器を閉じた時に内部の圧力を保持できるようになっている。容器をケイ酸ナトリウム溶液を満たし、その中に木材試料を置く。次にこの容器を閉じてしっかりと密閉した。空気弁に空気ホースをつないで空気を強制的に容器内に送り、内圧的７０ｐｓ　ｉとした。木材試料を加圧下で１０分間保持した後に容器から取り出し、華氏９０度で２時間かけて乾燥させた。木材試料が乾燥したらケイ酸ナトリウム溶液中に戻し、上述した圧力下に置いた。次に、木材試料を華氏９０度で２時間かけて乾燥させた。乾燥後、木材試料を華氏１４０度で５分間２５％オルトリン酸溶液中に置いた。続いて木材試料を酸性溶液から取り出し、冷たい水道水で水洗して余分な酸を洗い流した。この木材を２時間以上かけて乾燥させた。乾燥後、試料は見た目が若干黒っぽくなった。他に表面の変化は全く認められなかった。

木材試料の耐熱性および耐火性を以下のようにして試験した。処理木材試料および未処理試料を華氏２０００〜２５００度で燃焼するアセチレン火炎に曝露した。処理試料および未処理試料を１分間火炎に曝露した。曝露して数秒で未処理試料ははっきりと分かる火炎と煙りにまかれて連続的に燃焼した。燃焼は約１゜分間継続した。処理試料では火炎に曝露してから数秒後に燃焼が起こった。しかしながら、火炎を消すと３秒以内に燃焼は止まり、１５秒で全く煙りも出なくなった。３０秒後には処理試料の表面は触ってみて若干熱をもっている程度であった。

実施伝ｉ本発明を使用してマグネシウム合金の表面を処理する方法は以下の通りである。

３枚のマグネシウム板試料を処理した。いずれもマグネシウムとニッケルの合金で寸法４インチ（Ｗ）Ｘ６インチ（Ｌ）×厚さ０．０４１インチであった。まず、試料１〜３を洗剤と湯で洗浄してグリースおよび油を除去し、華氏１２０度でオルトリン酸の２５％（Ｖ／Ｖ）溶液に浸漬した。このステップによって、ケイ酸ナトリウムが結合し得るオルトリン酸マグネシウムが形成される。次に、試料を冷水で水洗し、華氏４０度の３３％（ｖ　／　ｖ　）ケイ酸ナトリウム溶液に５分間浸漬した。この試料を華氏３０５度で１０分かけて乾燥させ、第１のケイ酸ナトリウム層を形成した。これらの板を室温まで冷まし、華氏１２０度で１５分間オルトリン酸の２５％（Ｖ　／　Ｖ　）溶液に浸漬した（このステップは１５〜４５秒の範囲で行うことができる）。このステップの間に、酸性溶液に曝露された表面の上に一様な外側の二酸化ケイ素層が形成された。続いて試料を冷水で水洗し、３３％ケイ酸ナトリウム溶液に再浸漬した。さらに試料を華氏３０５度で３０分かけて乾燥させ、室温まで冷ました。次に試料を華氏１２０度で１５秒間２５％オルトリン酸溶液に浸漬し、最後の二酸化ケイ素層を形成した。これらの試料を冷水で清浄して華氏３０５度で５分かけて乾燥させた。

災施偲１本発明を使用してニッケルまたはニッケル合金の表面を処理する代表的な方法は以下の通りである。

ニッケルメッキを施した管試料を処理した。試料は寸法１２インチ（Ｌ）　ｃ１／２インチ（０，Ｄ、　）および側壁厚１／８インチのニッケルメッキ管であった。まず、試料を洗剤と湯で洗浄してグリースおよび油を除去し、華氏１２０度でオルトリン酸の２５％（Ｖ／Ｖ）溶液に浸漬した。このステップによってケイ酸ナトリウムが結合し得るオルトリン酸ニッケルが形成される。次に、試料を冷水で清浄し、華氏４０度の３３％（ｖ　／　ｖ　）ケイ酸ナトリウム溶液に５分間浸漬した。この試料を華氏３０５度で１０分かけて乾燥させ、第１のケイ酸ナトリウム層を形成した。乾燥工程の間、ケイ酸ナトリウムの一部は部分的に転化して二酸化ケイ素となった。試料を室温まで冷ました後、華氏１２０度で２５％（ｖ　／　ｖ　）溶液に１５秒浸漬した（このステップは１５〜４５秒の範囲で行うことができる）。このステップの間に、酸性溶液に曝露された表面の上に一様な外側の二酸化ケイ素層が形成された。続いて試料を冷水で水洗し、３３％ケイ酸ナトリウム溶液に再浸漬した。さらに試料を華氏３０５度で１０分かけて乾燥させ、室温まで冷ました。次に試料を華氏７０度で５分間２５％オルトリン酸溶液に浸漬し、最後の二酸化ケイ素層を形成した。これらの試料を冷水で清浄して３０５％で５分かけて乾燥させた。

犬施何ヱ本発明を使用して銀または銀合金の表面を処理するための代表的な方法は以下の通りである。

銀メッキを施した管試料を処理した。試料は寸法１２インチ（Ｌ）　ＣＩ／２インチ（０，Ｄ、　）および側壁厚１／８インチであった。まず、試料を洗剤と湯で洗浄してグリースおよび油を除去し、華氏１２０度でオルトリン酸の２５％（ｖ／ｖ）溶液に浸漬した。このステップによってケイ酸ナトリウムが結合し得る硝酸銀が形成される。次に、試料を冷水で清浄し、華氏４０度の３３％（ｖ　／　ｖ　）ケイ酸ナトリウム溶液に５分間浸漬した。この試料を華氏３０５度で１０分かけて乾燥させ、第１のケイ酸ナトリウム層を形成した。乾燥工程の間、ケイ酸ナトリウムの一部は部分的に転化して二酸化ケイ素となった。試料を室温まで冷ました後、華氏７０度で２５％（ｖ　／　ｖ　）溶液に５分間浸漬した（このステップは２〜７分の範囲で行うことができる）。このステップの間に、酸性溶液に曝露された表面の上に一様な外側の二酸化ケイ素層が形成された。続いて試料を冷水で水洗し、３３％ケイ酸ナトリウム溶液に再浸漬した。さらに試料を華氏３０５度で１０分かけて乾燥させ、室温まで冷ました。次に試料を華氏７０度で５分間２５％オルトリン酸溶液に浸漬し、最後の二酸化ケイ素層を形成した。これらの試料を冷水で清浄して３０５度で５分かけて乾燥させた。

実施例１本発明を使用してチタンまたはチタン合金の表面を処理する代表的な方法は以下の通りである。

チタン板試料を処理した。試料は寸法３インチ（Ｌ）Ｘ３インチ（Ｗ）×厚さ０．０２インチであった。まず、試料を洗剤と湯で洗浄してグリースおよび油を除去し、華氏１２０度でオルトリン酸の１０％（Ｖ／Ｖ）溶液に浸漬した。このステップによって、ケイ酸ナトリウムが結合し得るオルトリン酸チタンおよび酸化チタンが形成される。次に、試料を冷水で水洗し、華氏４０度の３３％（ｖ　／　ｖ　）ケイ酸ナトリウム溶液に５分間浸漬した。この試料を華氏３０５度で１０分かけて乾燥させ、第１のケイ酸ナトリウム層を形成した。乾燥工程の間に、ケイ酸ナトリウムの一部は部分的に転化して二酸化ケイ素となった。試料を室温まで冷まし、華氏７０度でオルトリン酸の２５％（Ｖ／Ｖ）溶液に５分間浸漬した（このステップは２〜７分の範囲で変えることができる）。このステップの間に、酸性溶液に曝露された表面の上に一様な外側の二酸化ケイ素層が形成される。

続いて試料を冷水で水洗し、３３％ケイ酸ナトリウム溶液に再浸漬した。さらに試料を華氏３０５度で１０分かけて乾燥させ、室温まで冷ました。次に試料を華氏７０度で５分間２５％オルトリン酸溶液に浸漬し、最後の二酸化ケイ素層を形成した。これらの試料を冷水で清浄して３０５度で５分かけて乾燥させた。

規則通りに、本方法を実行するために必要なステップに関して多かれ少なかれ具体的な言葉で本発明を説明した。しかしながら、本願発明者らは本発明を実施する上で好ましい方法を説明したにすぎないので本発明は上述した具体的なステップに限定されるものではない。例えば、アルミニウム上に固定面を形成したり、リン酸ナトリウムの外側の保護外層を形成したりするのに他の種類の酸を使用してもよい。また、他の種類のケイ酸化合物溶液を使用してケイ酸ナトリウムの保護層を形成してもよい。このように、本発明は、本発明に相当する理論に基づいて適宜解釈されるべき添付の請求の範囲の法的有効範囲内であらゆる形態や部分的変更例について請求するものである。

産業！の利里可能性ここに開示の方法は、スチールや銅、アルミニウム、これらの合金を含む多種多様な金属の表面や木材の表面を腐食や摩耗、火炎、熱などから保護することに関わる様々な産業で広範囲に亘って適用することができる。より詳細に言えば、ここに開示の方法は、腐食や摩耗、火炎、熱などによる影響を最小限に抑える産業において広く適用することができる。さらに、ここに開示の方法は防火産業においても広範囲に亘って応用できる。

フロントページの続き（８１）指定国　ＥＰ（ＡＴ、ＢＥ、ＣＨ，ＤＥ。

ＤＫ、ＥＳ、ＦＲ，ＧＢ、ＧＲ，ＩＴ、ＬＵ、ＭＣ，ＮＬ、ＳＥ）、０Ａ（ＢＦ、ＢＪ、ＣＦ、ＣＧ、ＣＩ、ＣＭ、ＧＡ、ＧＮ、ＭＬ、ＭＲ，ＳＮ、ＴＤ、ＴＧ）、ＡＴ、　ＡＵ、　ＢＢ、　ＢＧ、　ＢＲ，ＣＡ、　ＣＨ，ＣＳ、　ＤＥ。

ＤＫ、ＥＳ、ＦＩ、ＧＢ、ＨＵ、ＪＰ、ＫＰ、ＫＲ，ＬＫ、　ＬＵ、　ＭＧ、　ＭＮ、　ＭＷ、　ＮＬ、　Ｎｏ、　ＰＬ、　Ｒ○、　ＲＵ、　ＳＤ、５Ｅ（７２）発明者　ヤング、ダニエル　エイ。

アメリカ合衆国、　９８３４０　ワシントン、ハシビル、プラント　ロード　ノースイースト３８０１６番地（７２）発明者　ヤング、ランス　エイ。

アメリカ合衆国、　９８３４０　ワシントン、ハンピル、プラント　ロード　ノースイースト３８０１６番地

Claims

【特許請求の範囲】

１．金属または木材で作られた物品の表面を処理する方法であって、ａ．前記物品上に固定面を形成するステップと、ｂ．前記固定面上に複数のケイ酸塩の層を形成するステップと、ｃ．前記ケイ酸塩の最上層を酸性溶液に曝露し、前記ケイ酸塩の層の上に二酸化ケイ素の外側層を形成するステップとを含み、これによって前記物品に保護バリアを形成する表面処理方法。
２．前記酸性溶液は２０〜３０％リン酸を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
３．前記リン酸を華氏１２０〜１４０度に加熱し、前記ケイ酸塩の最上層を１５〜３０秒曝露することを特徴とする請求項２記載の方法。
４．ケイ酸カリウム、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸リチウム、ケイ酸ベリリウム、ケイ酸マグネシウム、ケイ酸カルシウムからなる群から選択されるケイ酸塩を含む溶液に前記表面を曝露することによって前記複数のケイ酸塩の層を形成した後、前記固定面を完全に乾燥させることを特徴とする請求項１記載の方法。
５．ケイ酸ナトリウム溶液は１８〜３３％（ｖ／ｖ）の濃度を有するように選択されたものであることを特徴とする請求項４記載の方法。
６．前記層中の所望の量の前記ケイ酸塩が二酸化ケイ素に転化するような温度で十分な乾燥時間をかけてケイ酸ナトリウムの各層を乾燥させることを特徴とする請求項５記載の方法。
７．前記乾燥温度は華氏３０２度以上であり、前記乾燥時間は最低９分であることを特徴とする請求項６記載の方法。
８．形成されたケイ酸ナトリウム層のうち少なくとも一層をリン酸に曝露し、前記ケイ酸ナトリウム層をケイ酸ナトリウムの内層と二酸化ケイ素の外層とを含む二重層に転化させるステップ（ｂ−２）をさらに含むことを特徴とする請求項５記載の方法。
９．前記物品は、アルミニウム、銅、カドミウム、マグネシウム、ニッケル、銀、スチール、チタン、これらの合金を含む群から選択される金属を含む請求項１記載の方法。
１０．前記物品を完全に洗浄し、続いて前記表面を固定用の酸性溶液に曝露することで前記固定面を前記物品上に形成することを特徴とする請求項９記載の方法。
１１．前記固定用の酸性溶液は、酢酸、ホウ酸、炭酸、塩酸、硝酸、リン酸、硫酸からなる群より選択される請求項１０記載の方法。
１２．前記物品が木材製である場合、前記物品の表面を完全に洗浄することで前記固定面を形成することを特徴とする請求項１記載の方法。
１３．金属または木材で作られた物品の表面を処理するための方法であって、ａ．前記物品上に固定面を形成するステップと、ｂ．前記固定面をケイ酸ナトリウム溶液に曝露するステップと、ｃ．前記ケイ酸ナトリウムが乾燥して前記固定面上にケイ酸ナトリウムの層が形成されるまで前記固定面を十分に乾燥させるステップと、ｄ．ステップ（ｂ）および（ｃ）を繰り返し、前記固定面上に複数のケイ酸ナトリウムの層を形成するステップと、ｅ．前記ケイ酸ナトリウムの最上層をリン酸に曝露し、前記固定面上に二酸化ケイ素の外側層を形成するステップと、ｆ．前記二酸化ケイ素の外側層を完全に乾燥させるステップと、を含む表面処理方法。
１４．前記物品が金属製である場合、前記物品の露出面を水および洗剤で洗浄して前記固定面を形成した後、前記表面をリン酸溶液に曝露することを特徴とする請求項１３記載の方法。
１５．ステップ（ｂ）において前記ケイ酸ナトリウム溶液は１８〜３３％（ｖ／ｖ）であることを特徴とする請求項１４記載の方法。
１６．ステップ（ｃ）において前記ケイ酸ナトリウムの各々の層の乾燥を華氏３０２度以上で少なくとも９分かけて行うことを特徴とする請求項１５記載の方法。
１７．ステップ（ｅ）において前記リン酸の濃度は２０〜２５％であり、前記リン酸への曝露の時間は１５〜３０秒であることを特徴とする請求項１６記載の方法。