JPWO2018230313A1 - 耐食性能及び絶縁性能を有する皮膜の形成用処理液 - Google Patents

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Abstract

金属材料の防錆性能及び絶縁性の両方をより高めることができる、処理液及び処理方法を提供すること。アルコキシシリル基、アルコキシシリレン基、及びシロキサン結合からなる群より選択される少なくとも1種を有するケイ素化合物、有機金属化合物、及び水を含有する、耐食性能及び絶縁性能を有する皮膜の形成用処理液。

Description

本発明は、皮膜の形成用処理液、皮膜の形成方法等に関する。
亜鉛、アルミニウム、マグネシウム、コバルト、ニッケル、鉄、銅、錫、金、これらの合金などの各種の金属材料の耐食性を有する絶縁性付与の方法として、クロムによる化成処理や陽極酸化処理、トップコート等の表面処理が施されている。
例えば、特許文献1においては、3価クロムによる化成処理後にシリカ質皮膜を形成することによる、防錆処理方法が開示されている。
しかしながら、特許文献1では絶縁性については検討されていない。上記した金属材料に対する耐食性能および絶縁性能の要求はますます高くなってきており、上記した方法では要求される耐食性能および絶縁性能を満足できないという問題点がある。
特開2015−134942号公報
本発明は、金属材料の防錆性能及び絶縁性の両方をより高めることができる、処理液及び処理方法を提供することを課題とする。好ましくは、本発明は、処理により形成される皮膜がより薄膜でありながらも、金属材料の防錆性能及び絶縁性の両方をより高めることができる、処理液及び処理方法を提供することを課題とする。
本発明者は上記課題に鑑みて鋭意研究を進めた結果、アルコキシシリル基、アルコキシシリレン基、及びシロキサン結合からなる群より選択される少なくとも1種を有するケイ素化合物、有機金属化合物、及び水を含有する、耐食性能及び絶縁性能を有する皮膜の形成用処理液を用いることによって、上記課題を解決できることを見出した。本発明者は、この知見に基づいてさらに研究を進めた結果、本発明を完成させた。
即ち、本発明は、一態様として下記の態様を包含する:
項1. アルコキシシリル基、アルコキシシリレン基、及びシロキサン結合からなる群より選択される少なくとも1種を有するケイ素化合物、有機金属化合物、及び水を含有する、耐食性能及び絶縁性能を有する皮膜の形成用処理液.
項2. 前記ケイ素化合物が樹脂を含む、項1に記載の処理液.
項3. 前記有機金属化合物が、有機金属キレート化合物及び金属アルコキシドからなる群より選択される少なくとも1種である、項1又は2に記載の処理液.
項4. 前記有機金属化合物を構成する金属が、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、及び錫からなる群より選択される少なくとも1種である、項1〜3のいずれかに記載の処理液.
項5. 前記有機金属化合物の含有量が、前記ケイ素化合物100質量部に対して0.01〜50質量部である、項1〜4のいずれかに記載の処理液.
項6. 前記水の含有量が、前記ケイ素化合物100質量部に対して1〜100質量部である、項1〜5のいずれかに記載の処理液.
項7. (工程1)項1〜6のいずれかに記載の処理液を金属材料に塗布する工程を含む、耐食性能及び絶縁性能を有する皮膜の形成方法.
項8. さらに、(工程2)工程1後に硬化処理する工程を含む、項7に記載の形成方法.
項9. 前記硬化処理が熱処理である、項8に記載の形成方法.
項10. 金属材料、及び前記金属材料の表面上の皮膜を含み、且つ
前記皮膜が、アルコキシシリル基、アルコキシシリレン基、及びシロキサン結合からなる群より選択される少なくとも1種を有するケイ素化合物の架橋構造体、及び有機金属化合物を含有する、
皮膜含有金属材料.
本発明によれば、金属材料の防錆性能及び絶縁性の両方をより高めることができる、処理液及び処理方法を提供することができる。また、本発明によれば、該処理方法により得られ得る防錆皮膜含有金属材料を提供することもできる。
本明細書中において、「含有」及び「含む」なる表現については、「含有」、「含む」、「実質的にからなる」及び「のみからなる」という概念を含む。
本発明は、その一態様において、アルコキシシリル基、アルコキシシリレン基、及びシロキサン結合からなる群より選択される少なくとも1種を有するケイ素化合物、有機金属化合物、及び水を含有する、耐食性能及び絶縁性能を有する皮膜の形成用処理液(本明細書において、「本発明の処理液」と示すこともある。)、本発明の処理液を用いた皮膜形成方法、及び本発明の処理液を用いて得られ得る皮膜含有金属材料に関する。以下に、これらについて説明する。
アルコキシシリル基は、少なくとも1つのアルコキシ基を有するアルコキシシリル基である限り特に制限されない。アルコキシシリル基としては、例えば、一般式(1):(R(RO)3−mSi−(式中、Rは官能基、Rは低級アルキル基である。mは0〜2の整数である)で表される基が挙げられる。
で示される官能基としては、メチル、ジメチル、フェニル、ジフェニル、ヘキシル、デシル、1、6−ビス(トリメトキシシリル)、トリフルオロプロピル、ビニル、3−グリシドキシプロピル、3−グリシドキシプロピルメチル、2−(3、4−エポキシシクロヘキシル)エチル、p−スチリル、3−メタクリロキシプロピル、3−メタクリロキシプロピルメチル、3−アクリロキシプロピル、3−アミノプロピル、N−2−(アミノエチル)−3−アミノプロピル、N−2−(アミノエチル)−3−アミノプロピルメチル、3−トリエトキシシリル―N−(1、3−ジメチルーブチリデン)プロピルアミン、N―フェニル―3−アミノプロピル、N−(ビニルベンジル)−2−アミノエチル―3−アミノプロピル、トリス―(トリメトキシシリルプロピル)イソシアヌレート、3−ウレイドプロピル、3−メルカプトプロピル、3−メルカプトプロピルメチル、ビス(トリエトキシシリルプロピル)テトラスルフィド、3−イソシアネートプロピル、3―プロピルコハク酸無水物等を例示できる。
で示される低級アルキル基としては、具体的には、メチル、エチル、n−プロピル、イソプロピル、n−ブチル、イソブチル、tert−ブチル、sec−ブチル、n−ペンチル、1−エチルプロピル、イソペンチル、ネオペンチル等の炭素数1〜6程度の直鎖状又は分岐鎖状のアルキル基を挙げることができる。
アルコキシシリレン基は、少なくとも1つのアルコキシ基を有するアルコキシシリレン基である限り特に制限されない。アルコキシシリレン基としては、例えば、一般式(2):(R(RO)2−nSi=(式中、Rは官能基、Rは低級アルキル基である。nは0〜1の整数である)で表される基が挙げられる。
で示される官能基としては、Rで示される官能基と同様のものが挙げられる。
で示される低級アルキル基としては、Rで示される低級アルキル基と同様のものが挙げられる。
ケイ素化合物としては、部分構造として、アルコキシシリル基、アルコキシシリレン基、及びシロキサン結合からなる群より選択される少なくとも1種を有するケイ素化合物である限り、特に制限されない。ケイ素化合物としては、例えば、樹脂、アルコキシシランオリゴマー、アルコキシシラン等が挙げられる。これらの中でも、好ましくは樹脂が挙げられる。
樹脂としては、例えば、シリコーン樹脂のみならず、アルコキシシリル基が導入された各種樹脂(例えばアクリル樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、メラミン樹脂等)等が挙げられる。これらの中でも、好ましくはアルコキシシリル基が導入されたアクリル樹脂、シリコーン樹脂等が挙げられ、より好ましくはアルコキシシリル基が導入されたアクリル樹脂が挙げられる。
樹脂の重量平均分子量は、特に制限されないが、例えば11000〜200000、好ましくは11000〜100000、より好ましくは11000〜70000、更に好ましくは11000〜50000である。
樹脂が、アルコキシシリル基が導入された樹脂である場合、アルコキシシリル基の含有量は、例えば1〜70質量%、好ましくは2〜60質量%、より好ましくは3〜50質量%、さらに好ましくは4〜45質量%、よりさらに好ましくは5〜40質量%である。
アルコキシシランとしては、例えばSi(OCH、Si(OC、CHSi(OCH、CHSi(OC、CSi(OCH、CSi(OC、CHCHSi(OCH、CHCHOCHO(CHSi(OCH、CHC(CH)COO(CHSi(OCH、CHCHCOO(CHSi(OCH、NH(CHSi(OCH、SH(CHSi(OCH、NCO(CHSi(OCを挙げることができる。
アルコキシシランオリゴマーは、アルコキシシランを加水分解し、縮重合させたものである。アルコキシシランオリゴマーとしては、例えば、アルコキシシランオリゴマーの重量平均分子量として、500〜10000程度のものを用いることができる
ケイ素化合物は、1種単独であってもよく、2種以上の組み合わせであってもよい。
ケイ素化合物の含有量は、本発明の処理液100質量%に対して、例えば3〜70質量%、好ましくは5〜30質量%、より好ましくは8〜25質量%である。
本発明の処理液においては、アルコキシシリル基、アルコキシシリレン基、及びシロキサン結合を有しない樹脂(非ケイ素系樹脂)を含んでいてもよい。非ケイ素系樹脂としては、例えばエポキシ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、メラミン樹脂等が挙げられる。これらの中でも、好ましくはエポキシ樹脂が挙げられ、より好ましくはビスフェノールA型エポキシ樹脂が挙げられる。
本発明の処理液においては、皮膜形成成分として、アルコキシシリル基、アルコキシシリレン基、及びシロキサン結合からなる群より選択される少なくとも1種を有する樹脂(成分A)と、アルコキシシラン、アルコキシシランオリゴマー、及び非ケイ素系樹脂からなる群より選択される少なくとも1種の成分(成分B)との組み合わせを含有することが好ましい。
成分Aとしては、好ましくはアルコキシシリル基が導入されたアクリル樹脂、シリコーン樹脂等が挙げられ、より好ましくはアルコキシシリル基が導入されたアクリル樹脂が挙げられる。
成分Bとしては、好ましくは非ケイ素系樹脂が挙げられ、より好ましくはエポキシ樹脂が挙げられ、さらに好ましくはビスフェノールA型エポキシ樹脂が挙げられる。
成分Aと成分Bとの含有比は、特に制限されないが、例えば成分A100質量部に対して、成分Bが、例えば30〜200質量部、好ましくは60〜150質量部、より好ましくは80〜120質量部、よりさらに好ましくは90〜110質量部である。
有機金属化合物としては、縮合反応の触媒として機能し得るものである限り特に制限されない。有金属化合物としては、例えば、金属成分として、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、錫などを含む水溶性の有機金属キレート化合物、金属アルコキシド等を用いることができる。これらの内で、有機チタン化合物としては、テトライソプロピルチタネート、テトラノルマルブチルチタネート、ブチルチタネートダイマー、テトラターシャリーブチルチタネート、テトラオクチルチタネート等のチタンアルコキシド化合物;チタンジイソプロポキシビスアセチルアセトネート、チタンテトラアセチルアセトネート、チタンジオクチロキシビスエチルアセトアセトネート、チタンオクチレングリコレート、チタンジイソプロポキシビスエチルアセチルアセトネート、チタンラクテート、チタンラクテートアンモニウム塩、チタンジイソプロポキシビストリエタノールアミネート等のチタンキレート化合物等を例示でき、有機ジルコニウム化合物としては、ノルマルプロピルジルコネート、ノルマルブチルジルコネート等のジルコニウムアルコキシド化合物;ジルコニウムテトラアセチルアセトネート、ジルコニウムトリブトキシモノアセチルアセトネート、ジルコニウムジブトキシビスエチルアセトアセテート、ジルコニウムトリブトキシモノステアレート等のジルコニウムキレート化合物を例示でき、有機アルミニウム化合物としては、アルミニウムイソプロピレート、モノブトキシアルミニウムジイソプロピレート、アルミニウムブチレート等のアルミニウムアルコキシド化合物;、エチルアセトアセテートアルミニウムジイソプロピレート、アルミニウムトリスエチルアセテート、アルキルアセトアセテートアルミニウムジイソプロピレート、アルミニウムモノアセチルアセトネートビスエチルアセトアセテート等のアルミニウムキレート化合物等を例示できる。
有機金属化合物は、1種単独であってもよく、2種以上の組み合わせであってもよい。
有機金属化合物の含有量は、特に限定的ではないが、ケイ素化合物100質量部に対して、通常、0.01〜50質量部程度とすればよく、0.1〜30質量部程度とすることが好ましく、1〜30質量部がより好ましく、5〜30質量部がさらに好ましく、10〜25質量部がよりさらに好ましく、15〜25質量部がよりさらに好ましい。
本発明の処理液においては、有機金属化合物以外の触媒を含有することも許容される。ただ、好ましくは、本発明の処理液は、有機金属化合物以外の触媒を含有しない。
水の含有量は、特に限定的ではないが、ケイ素化合物100質量部に対して、例えば1〜100質量部、好ましくは10〜100質量部、より好ましくは20〜100質量部である。
本発明の処理液には、上記成分以外に、溶媒を含有することが好ましい。溶媒としては、親水性を有する溶媒である限り特に制限されず、例えばアルコール系、グリコール系、グリコールエーテル系、エーテル系、エーテルアルコール系、ケトン系などの有機溶剤を単独で、或いは必要に応じて適宜組み合わせて用いることができる。これらの中でもグリコールエーテル系溶媒がより好ましい。
グリコールエーテル系溶媒としては、例えば一般式(3):HO−R−O−R(式中、Rは低級アルキレン基を示す。Rはアルキル基を示す。)で表される溶媒が挙げられる。
で示される低級アルキレン基は、特に制限されず、直鎖状又は分岐鎖状(好ましくは分岐鎖状)のいずれのものも包含する。該アルキレン基の炭素原子数は、例えば1〜6、好ましくは1〜5、より好ましくは2〜4、さらに好ましくは3である。該アルキレン基の具体例としては、メチレン基、エチレン基、n−プロピレン基、イソプロピレン基、n−ブチレン基、イソブチレン基等が挙げられる。
で示されるアルキル基は、特に制限されず、直鎖状又は分岐鎖状(好ましくは直鎖状)のいずれのものも包含する。該アルキル基の炭素原子数は、例えば1〜6、好ましくは1〜4、より好ましくは1〜2、さらに好ましくは1である。該アルキル基の具体例としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、tert−ブチル基、sec−ブチル基等が挙げられる。
本発明の処理液は、上記成分以外に、他の成分を含有していてもよい。他の成分の含有量は、本発明の処理液100質量%に対して、例えば0〜20質量%、好ましくは0〜10質量%、より好ましくは0〜5質量%、さらに好ましくは0〜1質量%、よりさらに好ましくは0質量%である。
本発明の処理液の製造方法は、特に限定されず、各成分を適宜混合して得ることができる。本発明の処理液は、好ましくは、ケイ素化合物及び必要に応じて溶媒を混合した後、そこへ水及び有機金属化合物を添加及び混合することにより得られる。
本発明の処理液においては、皮膜形成成分の分子間及び/又は分子内が、一部架橋された状態であってもよい。
本発明の処理液を金属材料に塗布することにより、金属材料表面に、耐食性能及び絶縁性能を有する皮膜を形成することができる。
金属材料は、その少なくとも一部の表面が金属で構成されている材料である限り特に制限されない。金属としては、例えば、亜鉛、アルミニウム、マグネシウム、コバルト、ニッケル、鉄、銅、錫、金、これらの合金などの各種の金属が挙げられ、好ましくは亜鉛が挙げられる。金属材料として、より具体的には、金属のみからなる物品、金属以外のその他の物品(例えば、セラミックス材料、プラスチックス材料等)と金属とが組み合わされた複合品、表面に金属めっき皮膜を有するめっき処理品(例えば、表面に亜鉛めっき皮膜又は亜鉛合金めっき皮膜を有する鋼のめっき処理品)等が挙げられる。また、金属材料の表面を構成している金属は、未処理の金属であってもよく、脱脂処理や酸活性処理等の前処理が施された金属であってもよい。
塗布方法としては、例えばディップコート、スプレーコート、ロールコート、スピンコート、バーコート等の公知の方法を採用することができる。
塗布後は、さらに硬化処理を行うことが好ましい。硬化処理は、本発明の処理液中の皮膜形成成分を硬化させ得る処理である限り特に制限されない。硬化処理として、好ましくは熱処理が挙げられる。
熱処理の温度は、特に制限されないが、例えば20℃以上、好ましくは50〜300℃、より好ましくは100〜250℃、さらに好ましくは150〜250℃である。
熱処理の時間は、特に制限されないが、例えば5分間〜2時間、好ましくは10分間〜1時間、より好ましくは20分間〜40分間である。
斯かる処理により、金属材料表面に、耐食性能及び絶縁性能を有する皮膜を形成することができる。換言すれば、金属材料、及び前記金属材料の表面上の皮膜を含み、且つ前記皮膜が、アルコキシシリル基、アルコキシシリレン基、及びシロキサン結合からなる群より選択される少なくとも1種を有するケイ素化合物の架橋構造体、及び有機金属化合物を含有する、皮膜含有金属材料を得ることができる。
耐食性能を有するとは、塩水噴霧試験(JIS Z2371)を行い、試料表面積に対する赤錆の発生面積比率が10%となるまでの時間が、例えば30時間以上、好ましくは40時間以上、より好ましくは100時間以上、さらに好ましくは150時間以上、よりさらに好ましくは200時間以上、よりさらに好ましくは250時間以上である。
絶縁性能を有するとは、耐電圧試験により電圧を印加して絶縁破壊を起こさない最大電圧が、例えば1200V以上、好ましくは1500V以上である。
皮膜の厚みは、より薄いことが好ましく、例えば0.1〜100μm、好ましくは0.5〜50μm、より好ましくは1〜30μmである。
以下に、実施例に基づいて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。
実施例1
シリコーン樹脂(信越化学工業社製、重量平均分子量:約1.1万〜10万)20質量%、メチルトリメトキシシランオリゴマー10質量%、及びプロピレングリコールモノメチルエーテル70質量%からなる混合液を調製した。次に、該混合液100質量部に対して水を10質量部、チタンジイソプロポキシビスエチルアセチルアセトネート5質量部加えて、皮膜形成用処理液を調製した。
次いで、ニッケルめっきを施した鋼板(大きさ100×60×0.3mm)を金属材料として用い、アルカリ脱脂処理を行なった後、上記において調製した処理液をスプレー塗布し、乾燥機を用いて200℃で30分間熱処理を行ってシロキサン結合を有する皮膜を形成した。
実施例2
アクリルシリコーン樹脂(大成ファインケミカル株式会社製、重量平均分子量:約2万、アルコキシシリル基含有量40質量%)15質量%、テトラメトキシシラン15質量%、及びプロピレングリコールモノエチルエーテル70質量%からなる混合液を調製した。次に、該混合液100質量部に対して水を30質量部、チタンジイソプロポキシビスエチルアセチルアセトネート5質量部加えて、皮膜形成用処理液を調製した。
次いで、実施例1と同様にして、ニッケルめっきを施した鋼板(大きさ100×60×0.3mm)を金属材料として用い、アルカリ脱脂処理を行なった後、上記において調製した処理液をスプレー塗布し、乾燥機を用いて200℃で30分間熱処理を行ってシロキサン結合を有する皮膜を形成した。
実施例3
アクリルシリコーン樹脂(大成ファインケミカル株式会社製、重量平均分子量:約2万、アルコキシシリル基含有量40質量%)10質量%、ビスフェノールA型エポキシ樹脂10質量%、及びプロピレングリコールモノエチルエーテル80質量%からなる混合液を調製した。次に、該混合液100質量部に対して水を3質量部、アルミニウムモノアセチルアセトネートビスエチルアセトアセテート2質量部加えて、皮膜形成用処理液を調製した。
次いで、実施例1と同様にして、ニッケルめっきを施した鋼板(大きさ100×60×0.3mm)を金属材料として用い、アルカリ脱脂処理を行なった後、上記において調製した処理液をスプレー塗布し、乾燥機を用いて200℃で30分間熱処理を行ってシロキサン結合を有する皮膜を形成した。
比較例1
アクリルシリコーン樹脂(大成ファインケミカル株式会社製、重量平均分子量:約2万、アルコキシシリル基含有量40質量%)15質量%、テトラメトキシシラン15質量%、及びプロピレングリコールモノエチルエーテル70質量%からなる混合液を調製した。次に、該混合液100質量部に対して水を0.1質量部、チタンジイソプロポキシビスエチルアセチルアセトネート3質量部加えて、皮膜形成用処理液を調製した。
次いで、実施例1と同様にして、ニッケルめっきを施した鋼板(大きさ100×60×0.3mm)を金属材料として用い、アルカリ脱脂処理を行なった後、上記において調製した処理液をスプレー塗布し、乾燥機を用いて200℃で30分間熱処理を行ってシロキサン結合を有する皮膜を形成した。
比較例2
ビスフェノールA型エポキシ樹脂20質量%、及びプロピレングリコールモノエチルエーテル80質量%からなる混合液を調製した。次に、該混合液100質量部に対して水を0.1質量部、アルミニウムモノアセチルアセトネートビスエチルアセトアセテート2質量部加えて、皮膜形成用処理液を調製した。
次いで、実施例1と同様にして、ニッケルめっきを施した鋼板(大きさ100×60×0.3mm)を金属材料として用い、アルカリ脱脂処理を行なった後、上記において調製した処理液をスプレー塗布し、乾燥機を用いて200℃で30分間熱処理を行って皮膜を形成した。
試験例1:耐食性試験
上記した実施例1〜3及び比較例1〜2において得られた皮膜を形成したニッケル鋼板に対して、塩水噴霧試験(JIS Z2371)を行い、試料表面積に対する赤錆の発生面積比率が10%となるまでの時間を測定した。当該試験の結果を下記表1に示す。
試験例2:絶縁性試験
上記した実施例1〜3及び比較例1〜2において得られた皮膜を形成したニッケル鋼板に対して、耐電圧試験により電圧を印加して絶縁破壊を起こさない最大電圧を測定した。当該試験の結果を下記表1に示す。
Figure 2018230313
以上の結果から明らかなように、本発明の処理液を用いて形成したシロキサン結合を有する皮膜は、優れた耐食性能及び絶縁性を有していることが分かった。

Claims (10)

  1. アルコキシシリル基、アルコキシシリレン基、及びシロキサン結合からなる群より選択される少なくとも1種を有するケイ素化合物、有機金属化合物、及び水を含有する、耐食性能及び絶縁性能を有する皮膜の形成用処理液。
  2. 前記ケイ素化合物が樹脂を含む、請求項1に記載の処理液。
  3. 前記有機金属化合物が、有機金属キレート化合物及び金属アルコキシドからなる群より選択される少なくとも1種である、請求項1又は2に記載の処理液。
  4. 前記有機金属化合物を構成する金属が、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、及び錫からなる群より選択される少なくとも1種である、請求項1〜3のいずれかに記載の処理液。
  5. 前記有機金属化合物の含有量が、前記ケイ素化合物100質量部に対して0.01〜50質量部である、請求項1〜4のいずれかに記載の処理液。
  6. 前記水の含有量が、前記ケイ素化合物100質量部に対して1〜100質量部である、請求項1〜5のいずれかに記載の処理液。
  7. (工程1)請求項1〜6のいずれかに記載の処理液を金属材料に塗布する工程
    を含む、耐食性能及び絶縁性能を有する皮膜の形成方法。
  8. さらに、
    (工程2)工程1後に硬化処理する工程
    を含む、請求項7に記載の形成方法。
  9. 前記硬化処理が熱処理である、請求項8に記載の形成方法。
  10. 金属材料、及び前記金属材料の表面上の皮膜を含み、且つ
    前記皮膜が、アルコキシシリル基、アルコキシシリレン基、及びシロキサン結合からなる群より選択される少なくとも1種を有するケイ素化合物の架橋構造体、及び有機金属化合物を含有する、
    皮膜含有金属材料。
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