WO2005099915A1 - 無機被膜形成方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

　耐久性にすぐれ、低コストな無機被膜を実現して、従来のワックスやポリマ加工を不要にした無機被膜形成技術に関する発明である。本発明の装置は、電荷水生成槽１、磁界処理槽２、被膜形成槽３とからなる。電荷水生成槽１は、原水供給口１１、電荷水ｂ、取出し口１２、その内部に溶出成分として少なくとも珪素、アルミニウムを含む無数のセラミック粒子１４を装填したセラミック粒子装填部１３を備えている。磁界処理槽２は、電荷水送入口２１と磁界処理水ｃ取出し口２２を備え、電磁界を形成するＳ極２３ａ、Ｎ極２３ｂとを配置し、その間に電荷水ｂの通過水路２４を有する。被膜形成槽３は、磁界処理水ｃ送入口３１と処理排水ｄ取出し口３２を備え、槽内に配置したワーク３３表面に加圧した磁界処理水ｃを噴射するノズル３４を備えている。

Description

明 細 書

無機被膜形成方法およびその装置

技術分野

[0001] 本発明は、自動車、鉄道車輛、船舶、航空機、家電製品などに用いられる鉄，アル ミニゥム、合成樹脂、ガラス、ゴムなどの表面およびそれらの塗装面を対象とした無機 被膜形成方法およびその装置に関する。

背景技術

[0002] 従来、自動車、鉄道車輛、船舶、航空機など屋外で用いられる装置の表面は、埃、 煤塵、虫などが付着しやすぐ常時清掃が必要であった。これら装置表面には、通常 、ワックス、ポリマ加工など表面被膜で被覆、保護しているものの、それら材料は有機 質精製品であるため環境汚染源となることが指摘されている。

[0003] また、これら保護被膜は、紫外線などによって風化の影響を受けやすぐ塗膜の褪 色、光沢の低下など外観や機能が低下する弱点があり、さらに保護被膜自体が軟質 なため加傷を受けやすぐ外観の保護は十分でな力つた。このため、頻繁にワックス やポリマ力卩ェを繰り返す必要があって、材料コスト、工数を要するという問題もあった

[0004] このような問題に対処するものとして、トルマリンの発生する電荷による電着作用で ホウ酸シリカ被膜を形成させる手法が提案されている。（特許文献 1を参照のこと） しかし、この方法で得られる保護被膜は被膜耐久性の点で未だ十分とは言えなか つた o

特許文献 1 :特開 2000— 192086号公報：「特許請求の範囲」段落 (0009)、 (0010) 発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] 本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、耐久性にすぐれ、 低コストな無機被膜を実現して、従来のワックスやポリマ加工を不要にし、汚染抑制、 環境保全に寄与することができる無機被膜形成方法およびその装置を提供する。さ らには、汚染物質を自体を酸化分解して除去できる浄化機能を有する無機被膜形成 方法およびその装置を提供するものである。

課題を解決するための手段

[0006] 上記の問題は、第 1発明であるところの、溶出成分として少なくとも珪素、アルミ-ゥ ムを含むセラミック粒子と原水を接触させ、この原水に電荷を帯びた前記溶出成分を 励起電流とともに溶出させて電荷水となし、この電荷水をワーク表面に噴射またはヮ ークをこの電荷水に浸漬して接触させて、その表面に前記溶出成分の酸化物を主成 分とする無機被膜を形成することを特徴とする無機被膜形成方法によって、解決する ことができる。

[0007] そして前記発明では、前記セラミック粒子として、石英斑岩、電気石、麦飯石から選 ばれた 1種の鉱石または 2種以上の鉱石を混合して含有するセラミック粒子、または それらの 1種または 2種以上の鉱石を被膜成分とした被膜を有するセラミック粒子を 用いるのが好ましい。また、前記電荷水を電磁界内を通過させ誘導電流を発生させ た後、前記被膜形成に供するようにした形態に好ましく具体化される。そして、この第 1発明は、前記珪素、アルミニウムに加えてチタニウムを溶出成分として含むセラミツ ク粒子を使用する形態に具体化することができる。

[0008] また、上記の問題は、次の第 2発明である無機被膜形成装置によっても解決できる 。すなわち、第 1発明の無機被膜形成方法を行うための無機被膜形成装置であって 、原水供給口を備え、その内部には、水と接触して少なくとも珪素、アルミニウムを溶 出し得る石英斑岩、電気石、麦飯石から選ばれた 1種または 2種以上の鉱石を少なく とも表面部分に含むセラミック粒子を、原水供給口力 送入された原水が該セラミック 粒子に接触しながら通過可能に装填するとともに、生成した電荷水を取り出すための 電荷水取出し口を備えた電荷水生成槽、前記電荷水を送り込む電荷水送入口と磁 界処理水を取り出す磁界処理水取出し口を備え、内部に電磁界を形成する S極およ び N極とを配置し、その間に電荷水の通過水路を設けた磁界処理槽、および槽内に 配置したワーク表面に磁界処理水を接触させる手段を備えた被膜形成槽とから構成 されることを特徴とする無機被膜形成装置によって、解決することができる。

[0009] この発明も、前記珪素、アルミニウムにカ卩えて、チタニウムを溶出し得る石英斑岩、 電気石、麦飯石から選ばれた 1種または 2種以上の鉱石を少なくとも表面部分に含 むセラミック粒子を装填するようにした形態に具体化される。

発明の効果

[0010] 本発明の無機被膜形成方法およびその装置は、以上説明したように構成されてい て、次の特徴的原理に基づいている。

すなわち、（1)本発明の無機被膜は、第 1実施形態では SiO -A1 O系、および第

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2実施形態形態では SiO -A1 O -TiO系の鉱石 (ストーン)被膜であり、（2)ナノメ

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ータ ·レベルの超薄膜型メツキの性格を備えて ヽて、 (3)特定な手段によって実施さ れる電気化学反応メツキである。

[0011] 力べして、得られる無機被膜は、 SiO -A1 O系被膜 (第 1実施形態)の場合、低コ

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ストと優れた耐久性を実現して、従来のワックスやポリマ加工を不要にし、汚染抑制、 環境保全に寄与することができるという優れた効果がある。さらに、 SiO -A1 O -Ti

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O系被膜 (第 2実施形態)の場合、汚染物質を自体を分解して除去できるので、有機

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系の汚染抑制には特に適しているという効果がある。よって本発明は、従来の問題点 を解消した無機被膜形成方法およびその装置として、実用的価値はきわめて大なる ものがある。

図面の簡単な説明

[0012] [図 1]本発明を説明するための主要な装置の模式的ブロック図。

[図 2]本発明の噴射圧力と被膜厚さの関係を示すグラフ。

[図 3]本発明の処理時間と被膜厚さの関係を示すグラフ。

[図 4]本発明の処理面の反射率を示すグラフ。

[図 5]本発明の処理面の摩擦係数を示すグラフ。

[図 6]本発明の処理面の表面硬度を示すグラフ。

[図 7]本発明の処理面の光電子分析 (ESCA)結果を示すグラフ。

[図 8]第 2実施形態の汚染分解性を示すグラフ。

符号の説明

[0013] 1 電荷水生成槽

11 原水供給口

12 電荷水取出し口 13 セラミック粒子装填部

14 セラミック粒子

2 磁界処理槽

21 電荷水送入口

22 磁界処理水取出し口

23a S極

23b 痛

24 通過水路

3 被膜形成槽

31 磁界処理水送入口

32 処理排水取出し口

33 ワーク

34 ノズル

a 原水

b 電荷水

c 磁界処理水

d 処理排水

発明を実施するための最良の形態

[0014] 次に、本発明の無機被膜形成方法およびその装置に係る実施形態について、図 1 一 8を参照しながら説明する。

(第 1実施形態）

本発明の無機被膜形成方法の第 1実施形態について、その無機被膜形成装置とと もに説明すると、本発明の装置は図 1に例示するような、電荷水生成槽 1、磁界処理 槽 2、被膜形成槽 3とから少なくとも構成される。

[0015] この電荷水生成槽 1は、水道水や井水などの原水 aを導入する原水供給口 11と処 理後の電荷水 bを取り出す電荷水取出し口 12を備え、その内部に水と接触して少な くとも珪素、アルミニウムを溶出するように溶出成分として少なくとも珪素、アルミニウム を含む無数のセラミック粒子 14を装填したセラミック粒子装填部 13から構成されてい る。

[0016] このセラミック粒子 14は、 SiO -A1 O系セラミックからなる粒径 3— 10mmの略球

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形粒子が適当であるが、後記する電荷水の生成効率を高めるには、少なくとも珪素、 アルミニウムを含む、石英斑岩、電気石、麦飯石力 選ばれた 1種または 2種以上の 鉱石を 50%以上混合して含有させたセラミック粒子がより好ましぐまたは少なくとも 珪素、アルミニウムを含む前記した 1種または 2種以上の鉱石を被膜成分として 50% 以上含む被膜を有するセラミック粒子がより好ま 、。

[0017] そして、これらセラミック粒子は、原水供給口 11から送入された原水 aが該セラミック 粒子 14に接触しながら通過可能な状態にセラミック粒子装填部 13に装填されている 。例えば、原水 aの水流によってセラミック粒子 14が流動し撹拌され、セラミック粒子 1 4と原水 aとが十分に接触するのが好ましいので、セラミック粒子 14は流動可能に装 填されるのがよい。

[0018] この電荷水生成槽 1では、原水 aが前記したセラミック粒子 14に接触すると瞬間的 に水中に放電され、その励起電流とともに、セラミック粒子 14から少なくとも珪素、ァ ルミ-ゥムの溶出成分力 S、電荷を帯びた状態で溶出して活性ィ匕した電荷水 bが得ら れる。この励起電流は、前記セラミック粒子 14から半永久的に得られるもので、本発 明の無機被膜形成のための主要な起動力となっているのである。

[0019] 次ぎに、磁界処理槽 2は、前記電荷水生成槽 1で得られた電荷水 bを送り込む電荷 水送入口 21と磁界処理水 cを取り出す磁界処理水取出し口 22を備え、内部に電磁 界を形成する S極 23aおよび N極 23bとを配置し、その間に電荷水 bの通過水路 24 を設けて構成される。

[0020] この磁界処理槽 2においては、電荷を帯びた前記電荷水 bを S極 23aと N極 23bと で形成される電磁界内を通過させるので、ファラデーの法則によって所定の誘導電 流が発生し、電荷水 bはより活性ィ匕した磁界処理水 cとして取り出される。この磁界処 理の目的には、この電磁界の強度を 0. 10-0. 80mGに設定するのが好ましぐより 好ましくは 0. 30-0. 80mGに設定するのがよい。

[0021] 本発明の無機被膜形成方法では、この磁界処理を行わなくてもある程度の無機被 膜が得られるものの、磁界処理を行った場合は、特に被膜形成の安定性、形成被膜 の耐久性などの点で好ましい結果が得られる。従って、本発明ではこの磁界処理を 行うことがより好ま 、方法である。

[0022] 次ぎに、本発明における被膜形成槽 3は、前記磁界処理槽 2で得られた磁界処理 水 cを送り込む磁界処理水送入口 31と処理排水 dを取り出す処理排水取出し口 32を 備え、槽内に配置したワーク 33の表面に磁界処理水 cを接触させる手段として、図 1 の事例では、ワーク 33表面に加圧した磁界処理水 cを噴射するノズル 34を備えて ヽ る。

[0023] この被膜形成槽 3では、ワーク 33表面に磁界処理水 cが接触することにより、磁界 処理水 c中の少なくとも珪素、アルミニウムの溶出成分力 力ソード還元析出に準じた 電気化学的反応によって、ワーク 33表面に無機被膜を形成するのである。なお、こ の無機被膜は、光電子分析 (ESCA)の結果、珪素、アルミニウムの溶出成分の酸ィ匕 物を主成分とし、それぞれの酸ィ匕物が結合した SiO -A1 O系のガラス状被膜であ

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ることが判明している。

[0024] このような、被膜形成には、ワーク 33を磁界処理水 c中に浸漬するような方法ももち ろん可能であるが、図 1に例示するような噴射ノズルを用いて、ワーク 33表面全体に 加圧した磁界処理水 cを噴射するのが好ましい。その理由は、ノズル 34から噴射して 衝撃を与えると、衝撃電流が発生し、被膜形成の効率を向上させるからである。

[0025] 本発明にお!/ヽては、前記した励起電流、誘導電流、衝撃電流の総和を 0. 05-0.

07mAに保持するのが好ましい。その理由は、後述のような耐久性にすぐれた無機 被膜が確実に形成されるからである。

[0026] また、本発明における前記噴射圧力と得られる被膜の厚さの関係は、図 2に例示す る通りであり、 10— 500NZcm²の圧力範囲において膜厚は 10— 60nmの範囲で安 定して得られることが分った。（図中の〇印は条件を変えて行った結果を示す。以下 、同様）

[0027] また、本発明の被膜形成槽 3の処理時間と得られる被膜の厚さの関係は、図 3に例 示する通りであり、瞬間的な 1秒前後でも厚さ 10— lOOnmの被膜は得られるが、 10 一 60nmの安定な被膜を得るには 10秒以上が好ましぐなお、 60秒以上は経済的 でなく不要である。また、前記電荷水を前記被膜形成に供するに際し本発明の被膜 形成槽 3における、処理液の温度を 30— 50°Cに保持するが好ましい。その理由は、 この範囲の温度において、電気化学反応が促進され、前記した短時間で被膜が形 成される力 である。

[0028] なお、本発明の処理対象には、自動車、鉄道車輛、船舶、航空機、家電製品など の構成部材として用いられる鉄、アルミニウム、合成樹脂、ガラス、ゴムなどの多品種 の部材が対象とされ得る。そして、これらワークの表面性状は、素材露出面および榭 脂塗料などの塗装面のいずれであっても、支障なく適用できるが、塗装面を対象とし た方が部材表面の保護の観点力も好ましいものである。

[0029] 次ぎに、本発明によって得られる無機被膜のいくつかの利点を図 4一 6によって説 明する。

先ず、図 4は、塗装表面の肌荒れ、退色あるいは光沢劣化を示す指標となる鏡面 反射率について、本発明の 1回処理面 f、 2回処理面 g、 5回処理面 hと、ワックス処理 面 e (以下、図 5、 6も同様)のそれぞれを比較したグラフであり、これによつても、本発 明の被膜による下地の塗装表面に対する保護効果が大であることが分る。

[0030] 図 5は、塗装表面への塵埃や汚損物の付着し難さおよび清掃のし易さの指標であ る摩擦係数 (動摩擦）について、図 4と同様な本発明処理面とワックス処理面とを比較 したグラフであり、これによつても、本発明の被膜による塵埃などの付着し難さや清掃 のし易さが格段に優れて 、ることが分る。

[0031] さらに、図 6は、塗装表面の耐久性の指標でもある表面硬度を鉛筆硬度について、 前記と同様な処理面の比較を行った結果を示したもので、この点にお!、ても顕著な 相違が認められ、耐久性にぉ 、ても優れて 、ることが理解される。

[0032] 本発明の第 1実施形態によって得られる無機被膜は、以上説明したようにワックス やそれに類似するポリマ加工に比較して優れた性能を発揮するうえ、前記したように 、本発明の無機被膜形成方法およびその装置は、消耗品がほとんど必要なぐまた 運転動力なども僅かで済むので装置の運転費用がごく軽微であり、メンテナンスも容 易なところから、その経済性は特に優れて 、るものである。

[0033] (第 2実施形態）

次ぎに本発明の無機被膜形成方法の第 2実施形態について、図 7、 8を補足して説 明すると、図 1に例示するようなに、電荷水生成槽 1、磁界処理槽 2、被膜形成槽 3と 力 構成され形成装置を用いる点は第 1実施形態と同様である。そしてその相違点 は、電荷水生成槽 1のセラミック粒子装填部 13には、水と接触して少なくとも珪素、ァ ルミ-ゥム、チタニウムを溶出するように溶出成分として珪素、アルミニウム、チタユウ ムを含む無数のセラミック粒子 14が装填される点にある。

[0034] この第 2実施形態のセラミック粒子 14は、 SiO— Al O TiO系セラミック力もなり、

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珪素、アルミニウム、チタニウムを含む、石英斑岩、電気石、麦飯石から選ばれた 1種 または 2種以上の鉱石を 50%以上混合して含有させたセラミック粒子がより好ましぐ または前記した 1種または 2種以上の鉱石を被膜成分として 50%以上含む被膜を有 するセラミック粒子がより好ましい。そして、前記鉱石にはチタニウムを酸ィ匕チタンに 換算して 0. 20-3. 0%含むものが好ましく利用できる。

[0035] この第 2実施形態でも、電荷水生成槽 1におけるセラミック粒子の装填状態や、原 水 aとセラミック粒子 14との挙動は先の場合に同じぐセラミック粒子 14力も少なくとも 珪素、アルミニウム、チタニウムの溶出成分が、電荷を帯びた状態で溶出して活性ィ匕 した電荷水 bが得られるのである。

[0036] 次ぎに、先に説明したのと同様な構成と機能を有する磁界処理槽 2によって、電荷 水 bはより活性ィ匕した磁界処理水 cとして取り出される。好ましい磁界強度も同様であ る。

また、第 2実施形態の無機被膜形成方法では、この磁界処理を行わなくてもある程度 の無機被膜が得られるものの、磁界処理を行う方が好ましい点も先の場合と同様で ある。

[0037] 次ぎに被膜形成槽 3において被膜を形成させるのであるが、ここにおける機器構成 、操作なども先の第 1実施形態の場合と同様である。第 2実施形態では、磁界処理水 c中の珪素、アルミニウム、チタニウムの溶出成分力 力ソード還元析出に準じた電気 化学的反応によって、ワーク 33表面に無機被膜を形成するのである。

[0038] また、この無機被膜は、図 7に示すように、光電子分析 (ESCA)の結果、珪素、ァ ルミ-ゥム、チタニウムの溶出成分の酸化物を主成分とし、それぞれの酸化物が結合 した SiO— Al O TiO系のガラス状被膜が最大深さが約 80nmになる NMレベル の被膜層として形成されていることが判明している。なお、図 7においては、〇は Si、 △は Tiに基づく光電子数 Z秒を示す。（参考までに、第 1実施形態の場合を參で示 してある。）

[0039] さらに、第 2実施形態においても、被膜形成には、図 1に例示するような噴射ノズル を用いて、ワーク 33表面全体に加圧した磁界処理水 cを噴射するのが好ましい。また 、励起電流、誘導電流、衝撃電流の総和を 0. 05-0. 07mAに保持するのが後記 の酸ィ匕分解機能の点からも好まし 、。

[0040] また、この第 2実施形態においても、第 1実施形態に同じぐ自動車、鉄道車輛、船 舶、航空機、家電製品などの構成部材として用いられる鉄，アルミニウム、合成樹脂、 ガラス、ゴムなどの多品種の部材が処理対象とされ得る。そして図 4、 5、 6に例示した 被膜の機能も同様に発揮するうえ、図 8に示す通り、第 2実施形態の被膜 (図中の〇 印)では、墨汁で例示されるような有機性汚染物質を屋外暴露中にお!ヽて分解除去 する浄化機能を持つ点に格別の特徴を有する。

[0041] なお、図 8のグラフは、白色ガラス板に本発明の被膜形成を行い、その上に墨汁液 を汚染物質として塗布し、屋外に暴露し退色していく状況を透明度 (完全透明 = 100 、不透明 =0とした)で表したものであり、〇は本発明の第 2実施形態の場合、△は第 1実施形態、口は、酸化チタン光触媒を塗布したケース、 Xは無処理のケースを示し ている。これによれば、第 2実施形態の皮膜は、酸化チタン光触媒に匹敵する分解 特性を持つことが分力つた。

Claims

請求の範囲

[1] 溶出成分として少なくとも珪素、アルミニウムを含むセラミック粒子と原水を接触させ

、この原水に電荷を帯びた前記溶出成分を励起電流とともに溶出させて電荷水とな し、この電荷水をワーク表面に噴射またはワークをこの電荷水に浸漬して接触させて 、その表面に前記溶出成分の酸化物を主成分とする無機被膜を形成することを特徴 とする無機被膜形成方法。

[2] 前記セラミック粒子として、石英斑岩、電気石、麦飯石から選ばれた 1種の鉱石また は 2種以上の鉱石を混合して含有するセラミック粒子、またはそれら鉱石を被膜成分 とした被膜を有するセラミック粒子を用いる請求項 1に記載の無機被膜形成方法。

[3] 前記電荷水を電磁界内を通過させ誘導電流を発生させた後、前記被膜形成に供 するようにした請求項 1または 2に記載の無機被膜形成方法。

[4] 前記電荷水を前記被膜形成に供するに際して、前記電荷水を 10— 500NZcm² の圧力に調整してノズルから噴射して衝撃を与え、衝撃電流を発生させる請求項 3に 記載の無機被膜形成方法。

[5] 前記電荷水を前記被膜形成に供するに際して、液温を 10— 50°Cに保持する請求 項 1一 4の 、ずれかに記載の無機被膜形成方法。

[6] 前記電荷水をワークに接触させる時間を 1一 60秒とし、形成させる無機被膜の厚さ を 10— lOOnmとする請求項 1一 5のいずれか〖こ記載の無機被膜形成方法。

[7] 前記珪素、アルミニウムにカ卩えてチタニウムを溶出成分として含むセラミック粒子を 使用する請求項 1一 6にいずれかに記載の無機被膜形成方法。

[8] 請求項 1一 6に記載の無機被膜形成方法を行うための無機被膜形成装置であって 、原水供給口を備え、その内部には、水と接触して少なくとも珪素、アルミニウムを溶 出し得る石英斑岩、電気石、麦飯石から選ばれた 1種または 2種以上の鉱石を少なく とも表面部分に含むセラミック粒子を、原水供給口力 送入された原水が該セラミック 粒子に接触しながら通過可能に装填するとともに、生成した電荷水を取り出すための 電荷水取出し口を備えた電荷水生成槽、前記電荷水を送り込む電荷水送入口と磁 界処理水を取り出す磁界処理水取出し口を備え、内部に電磁界を形成する S極およ び N極とを配置し、その間に電荷水の通過水路を設けた磁界処理槽、および槽内に 配置したワーク表面に磁界処理水を接触させる手段を備えた被膜形成槽とから構成 されることを特徴とする無機被膜形成装置。

[9] 前記被膜形成槽内に配置したワーク表面に磁界処理水を噴射するノズルを備えた 請求項 7に記載の無機被膜形成装置。

[10] 前記珪素、アルミニウムに加えて、チタニウムを溶出し得る石英斑岩、電気石、麦飯 石力 選ばれた 1種または 2種以上の鉱石を少なくとも表面部分に含むセラミック粒 子を装填するようにした請求項 8または 9に記載の無機被膜形成装置。