材料 表面処理A 会場 ( 孔雀 ) 14:20~14:45 自己修復性防食コーティングの開発 広島大学大学院工学研究院物質化学工学部門准教授矢吹彰広 プレゼン技術の概要金属材料の腐食を防止する方法にコーティング処理があり, 欠陥が生じた場合に新たな防食皮膜が自然に形成する自己修復性が有効である 各種の高分子材料, ナノ粒子, ph 感受性有機補修剤, 微粒子コンポジットポリマーの特性を利用した自己修復性防食コーティングについて述べる 従来技術 競合技術との比較これまで, 自己修復皮膜としてクロメート化成処理が広く用いられてきたが, 環境規制のためにその使用が制限され, 代替処理の確立が急務となっている プレゼン技術の特徴 環境を考慮した金属材料の高機能化表面処理 ナノ材料を用いたコーティング技術 自己修復性防食コーディングの評価技術 想定される用途 自動車用鋼板の塗装 家電製品の表面塗装 化学装置の材料表面保護 43
2012/8/1 自己修復性防食コーティングの開発 広島大学大学院工学研究院 矢吹彰広 1
各分野における自己修復材料 ステンレス鋼, チタンは表面に不動態皮膜を形成する自己修復耐食金属である 保護性さび層を形成する耐候性鋼も自己修復耐食金属である アルミ電解コンデンサの電解液と接しているため誘電体酸化皮膜は, 電圧印加により常に修復される コンクリートの内部に未水和セメントをトを残存させることで, クラック発生後に浸透する水と反応を起こし, クラックを修復する http://www.kyoei-ind.co.jp ind.co.jp より http://www.sdk.co.jp/aa/news より http://www.ktr.mlit.go.jp 2 より 2
欧米における自己修復研究 米国においては, 国防総省が自己修復構造材料を21 世紀の防衛に必要な材料とし, 空軍や海軍で戦闘機用燃料タンク自己修復材料の開発を推進,NASAでは宇宙ステーション, 太陽電池パネル, スペースシャトル用自己修復材料の研究を推進している ヨーロッパにおいては, オランダのデルフト工科大学が中心になり, 大規模の自己修復材料研究プロジェクトを推進している 材料寿命延長, 信頼性向上などの環境や生活者の利便性を視点としている NASA e-architect 3
材料の損傷解析 エロージョン ( 材料の機械的損傷 ) キャビテーション エロージョンの潜伏期間の推定法ンの潜伏期間の推定法 エロージョンに及ぼすインヒビターの影響 セラミック材料のキャビテーション エロージョン 固体粒子衝突エロージョンにおける臨界衝突速度 セラミック材料, 高分子のスラリーエロージョン コロージョン ( 液流動下での腐食 ) 高温高圧液流動下 ( ボイラ ) における腐食 銅合金, アルミ合金のエロージョン コロージョン 流動シミュレーションによる材料劣化評価 製塩環境における銅合金の流れ誘起腐食 材料の表面処理 高機能化 自己修復コーティング アルミ合金の防食ポリマーコーティング( 自己修復 ) 亜鉛のフルオロカーボン表面処理 アルミ合金のナノコンポジットコーティング マグネシウムのナノ粒子と修復剤によるコーティング アルミ合金の導電性コーティングによる防食 アルミ合金の吸水性高分子自己修復コーティング 鉄鋼材料のナノファイバー自己修復コーティング インヒビター ( 腐食抑制剤 ) アルミニウムのフルオロカーボンインヒビター 鉄鋼材料のホスホン酸インヒビター( 液流動化 ) 陽極酸化 ( 高硬度 高耐食 ) 有機溶媒中でのアルミニウムの陽極酸化 有機溶媒中でのマグネシウムの陽極酸化 プリンテッドエレクトロニクス 銅ナノ粒子の導電性ペースト処理技術 銅錯体におる銅配線技術 4
予防 バリアコーティング表面処理 診断, 解析 超音波探傷腐食 劣化解析 修理, 修復 再コーティング, 設計変更自己修復性コーティング 5
金属 欠陥が生じても 自然と修復する 6
表皮血管真皮皮下組織 血液中に血小板があること 修復剤に何を使うか 血管の構造 修復剤をどのようにコーティング中に入れるか かさぶた 血液が出ること 傷が入ったときにどうやって修復剤を溶出させるか 7
修復剤は? 修復剤の入れ方 修復開始をどうする? どんな修復形態? 8
単層 多層 多孔質 構造と 担持方法混合粒子担持カプセル封入 修復開始 ph の上昇電位の変化 水や空気の接触 太陽光,UV 修復形態 酸化型 ( 無機膜 ) 吸着型 ( 有機膜 ) 遮断型 9
マグネシウムの特徴 利点 欠点 軽い ( 比重 :1.75(Mg), 2.70(Al), 7.86(Fe)) 金属光沢 耐食性に劣る 表面処理法 化成処理, 陽極酸化 etc 従来法 ( 化成処理 ) 方法電解液有害 クロム系クロム, フッ素化合物含有有 リン酸マンガン系リン酸, マンガン, フッ素化合物含有有 環境対応型皮膜プロセス 10
カゼイン ( ミルクプロテイン ) ph4 ph5 ph7 ph10 ph12 カゼイン チタニア粒子 ph 上昇 phの変化によってミセルの凝集と分散が生じる チタニア構造膜にカゼインを担持させた自己修復膜を作製する カゼイン溶液のpHの影響を調べる 11
試験片 AZ31 (Mg 96.3%,Al 2.8%,Zn 0.81%) チタニア粒子 カゼイン ( 液中で担持 ) ( ディップ法 ) phcid 調整 粒子濃度引き上げ速度焼成 ( 空気中 ) チタニア粒子 (270 nm) ) 1 wt% 10 mm/sec 120, 30 min 濃度 ph 1 wt% 12 10 12 7 12 5 12 4 浸漬時間 4 h 12
自己修復性試験 スクラッチ付与 0.9 mm /s 交流インピーダンス測定 ポテンシォスタット 10 g 周波数応答解析装置 0.0005 M 食塩水 (35, 空気飽和 ) 測定時間 48 hr 試験片によりスクラッチ部の面積が違う 規格化 腐食抵抗比 各時間の腐食抵抗浸漬直後の腐食抵抗 13
4 腐食試験液 :0.0005 M NaCl 3 チタニア膜 + カゼイン (ph5) 腐食食抵抗比 R/R 0 / - 2 1 ph7 ph10 ph4 0 0 10 20 30 40 50 時間 / h 14
3 μm 3 μm 3 μm スクラッチ直後 4 時間浸漬後 48 時間浸漬後 15
凝集 カゼイン ph 上昇 分散 アノード反応 カソード反応 2 Mg Mg + + 2 1 2 e O 2 2 + H + 2O 2e OH カゼイン チタニア粒子 ph 上昇 マグネシウム合金 16
アルミニウム ステンレス鋼 銅 チタン 利点 軽量熱伝導性コスト防食ポリマーコート ( 海水環境下 ) 多管式熱交換器 従来技術バリアコートバリアコートプライマーアルミニウム合金 高耐食化 ( 自己修復 ) 単層化 ( 熱伝導性 ) ( コスト ) アルミニウム合金 17
バリア性 自己修復性 粒子を添加した場合の効果を調べる 自己修復 修復 金属粒子 or 金属酸化物粒子 ポリマー中に微粒子を混合したコンポジット材を材料表面にコートして自己修復性の検討をする 18
試験条件 基材 : アルミニウム合金 A5083 ポリマー : ビニルエステル樹脂 ( 膜厚約 50 μm) 添加粒子 : ニッケル粒子, チタニア粒子, シリカ粒子 ( 添加量 0-10vol%) 試験時間 :48 時間 試験および評価方法 コーティング 導線 Al 合金 自然乾燥 スクラッチ付与 腐食抵抗の測定ポテンショスタット FRA 塗料 粒子埋込樹脂試験片によりスクラッチ部の面積が異なる 人工海水 (30,pH8.2, 空気飽和 ) 腐食抵抗比 各時間の腐食抵抗浸漬直後の腐食抵抗 19
腐食食抵抗比 R/R 0 / - 10 8 6 腐食液 : 人工海水 ( 空気飽和,30 ) 粒子添加量 :3 vol% 膜厚 : 約 50 μm 樹脂 + チタニア粒子 4 樹脂 + ニッケル粒子 2 樹脂のみ 0 基材 0 10 20 30 40 50 浸漬時間 / h 20
埋込樹脂 塗膜 皮膜 基材 20 μm 100 μm 21 21
アノード反応カソード反応 3 Al Al + + 3 O 2 2 H 2 O + 4e 4 e + OH 低 ph 高 ph O 2 ph 上昇 OH - 修復 22
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