(57)【要約】【課題】気中に露出した鉄鋼建造物外表面の電気防食に用いることができ、耐水性及び耐候性に優れた導電性塗装膜を備えた電気防食装置を提供する。【解決手段】気中に露出した鉄鋼建造物１の外表面に施された少なくとも一層の防食塗装膜２、３と、防食塗装膜の最外層又は層間に施された導電性塗装膜と、鉄鋼建造物を陰極とし導電性塗装膜を陽極として直流電流を流す電源とを備え、導電性塗装膜は、フッ素樹脂アイオノマーを主幹とし側鎖にスルホン酸基を有するグラフト重合体を組成物として含むイオン伝導性塗装膜４であることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気中に露出した鉄鋼建造物の外表面に施された少なくとも一層の防食塗装膜と、前記防食塗装膜の最外層又は層間に施された導電性塗装膜と、前記鉄鋼建造物を陰極とし前記導電性塗装膜を陽極として直流電流を流す電源とを備え、
前記導電性塗装膜は、フッ素樹脂アイオノマーを主幹とし側鎖にスルホン酸基を有するグラフト重合体を組成物として含むイオン伝導性塗装膜であることを特徴とする鉄鋼建造物外表面の電気防食装置。
【請求項２】
前記フッ素樹脂アイオノマーは、下記の化学式で表すナフィオン（デュポン社の登録商標）であることを特徴とする請求項１に記載の鉄鋼建造物外表面の電気防食装置。
【化１】
2015175002.tif 000010
ここで、化学式１におけるＲｆは、パーフルオル化されたアルキル鎖、アルキルエーテル鎖、アルキルエステル鎖、シクロアルキル鎖のいずれか１つである。
【請求項３】
前記フッ素樹脂アイオノマーは、ポリ４フッ化エチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリ３フッ化塩化エチレンポリフッ化ビニル、ポリ６フッ化プロピレン、ポリフッ化ビニリデンの群より選ばれた１種又は２種以上のモノマーの共重合体であることを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄鋼建造物外表面の電気防食装置。
【請求項４】
前記イオン伝導性塗装膜は、前記組成物１００重量部に、遷移金属酸化物を成分とする光触媒１００重量部を超えない範囲で加えて形成されてなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の鉄鋼建造物外表面の電気防食装置。
【請求項５】
金属材で形成され前記イオン伝導性塗装膜の下層の防食塗装膜の表面に絶縁性を有する接着剤で貼り付けられた陽極電極を備え、該陽極電極は、前記イオン伝導性塗装膜に少なくとも一部が埋め込まれ、前記イオン伝導性塗装膜を含む防食塗装膜の最外層の外表面に露出して設けられてなることを特徴とする請求項１に記載の鉄鋼建造物外表面の電気防食装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄鋼建造物外表面の電気防食装置に係り、具体的には、鉄鋼製のタンク、橋梁、鉄架構、配管設備、電力機器、クレーンなどの気中に露出した外表面を有する鉄鋼建造物外表面の防食技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、気中に露出した鉄鋼建造物の外表面の防食は、専ら複数層の防食塗装膜を外表面に施すことにより行われている。しかし、例えば、相対湿度が６０％以上になると、空気中の水分が防食塗装膜の表面に凝縮して水膜が形成されることが知られている。通常、塗装膜には、ピンホールなどの細孔が無数にあることから、その細孔に雨水あるいは凝縮した結露水が浸入して塗装膜下の鋼材を腐食させることになる。特に、細孔内に浸入する水に海塩が含まれていると、鋼材の腐食を速めることになる。また、防食塗装膜が紫外線などの影響を受けて経年劣化すると、防食性能が損なわれることから、防食塗装膜の補修又は塗り替えサイクルが早まるという問題がある。
【０００３】
そこで、気中に露出した鉄鋼建造物の外表面に電気防食を適用する提案がなされている（特許文献１〜３）。これらによれば、複数層の防食塗装膜の１層に導電性の塗装膜を形成し、その導電性塗装膜を陽極とし、鉄鋼建造物を陰極として、それらの間に直流電流を流して鉄鋼建造物を防食するようにしている。つまり、防食塗装膜の細孔に雨水や結露水などの水が浸入しても、導電性塗装膜を電流経路にして細孔内の水を通って鉄鋼建造物に防食電流が流れ、鉄鋼建造物の電位を鉄鋼腐食の不活性領域に維持することができる。これにより、気中に露出した鉄鋼建造物外表面の電気防食を行うことができる。
【０００４】
また、特許文献３には、気中に露出した鉄鋼建造物の外表面に濡れ性の高い親水性塗装膜を形成し、その親水性塗装膜の表面に形成される水膜を陽極とし、鉄鋼建造物を陰極として、それらの間に直流電流を流して鉄鋼建造物を防食することが提案されている。すなわち、雨水や気中の凝縮水によって親水性塗装膜の表面に水膜を形成し、その水膜を電流経路にして防食塗装膜の細孔内の水を通って鉄鋼建造物に防食電流を流して電気防食することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−２６８３８８号公報
【特許文献２】特開平１１−３１４３０９号公報
【特許文献３】特開平１０−１２１２７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１〜３では、塗装膜を形成する樹脂にカーボンや金属などの電子伝導体を配合して導電性塗装膜を形成し、又は、スルホン基などの親水性を有する水溶性もしくは水分散性のアクリル系、エポキシ系などの樹脂を変成したバインダー樹脂などにより親水性塗装膜を形成している。
【０００７】
しかし、特許文献１〜３のような塗装樹脂にカーボンや金属などの電子伝導体を配合した導電性塗装膜、あるいは特許文献３の親水性塗装膜は、気中に露出した鉄鋼建造物の外表面に要求される耐水性及び耐候性（特に、耐紫外線）について、十分な配慮がなされていないという問題がある。
【０００８】
例えば、電子伝導体を配合した導電性塗装膜は、電子伝導体と塗装樹脂の結合が単なる物理的なものであるから、風雨や紫外線に曝されると塗装膜の耐水性及び耐候性が劣化し易いという問題がある。また、一般に親水性と耐水性は相反する性質であるから、親水性塗装膜は風雨や紫外線に曝されると劣化が早まるという問題がある。したがって、電子伝導体を配合した導電性塗装膜、あるいは特許文献３の親水性塗装膜は、使用期間の経過に伴って劣化すると、剥がれて浮き上がり長期の使用に耐えられないという問題がある。しかも、親水性塗装膜の外表面に形成される水膜にムラができると、必ずしも全面を防食することができないという問題がある。
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、気中に露出した鉄鋼建造物外表面の電気防食に用いることができ、耐水性及び耐候性に優れた導電性塗装膜を備えた電気防食装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するため、本発明の鉄鋼建造物外表面の電気防食装置は、  気中に露出した鉄鋼建造物の外表面に施された少なくとも一層の防食塗装膜と、前記防食塗装膜の最外層又は層間に施された導電性塗装膜と、前記鉄鋼建造物を陰極とし前記導電性塗装膜を陽極として直流電流を流す電源とを備え、前記導電性塗装膜は、フッ素樹脂アイオノマーを主幹とし側鎖にスルホン酸基を有するグラフト重合体を組成物として含むイオン伝導性塗装膜であることを特徴とする。
【００１１】
すなわち、フッ素樹脂アイオノマーは、Ｃ−Ｆ結合の結合エネルギが大きく、緻密で安定した分子鎖を形成している。そのため、高結晶度であり、耐水性及び耐候性に優れ、電気化学反応に対して高度に安定であり、かつ下地の防食塗装膜との密着性に優れている。しかも、スルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）の水素イオンＨ＋が遊離してイオン伝導性を呈する。さらに、スルホン酸基は優れた親水性を呈することから、最外層に施した場合は安定な水膜を形成でき、イオン伝導性塗装膜とともに電流経路として作用する。これらのことから、本発明のイオン伝導性塗装膜によれば、鉄鋼建造物外表面の電気防食に優れた導電性塗装膜を形成することができ、かつ長期にわたって安定した電気防食を行うことができる。その結果、防食塗装膜の補修や塗替えサイクルを長期化することができる。
【００１２】
また、本発明のイオン伝導性塗装膜は、フッ素樹脂アイオノマーを主幹とし側鎖にスルホン酸基を有するグラフト重合体の組成物１００重量部に、遷移金属酸化物を主成分とする光触媒１００重量部を超えない範囲で加えて形成することができる。これによれば、光触媒によってイオン伝導性塗装膜の親水性を著しく向上させることができるから、イオン伝導性塗装膜の表面抵抗を一層低くすることができる。その結果、後述するように、イオン伝導性塗装膜に埋設する金属材からなる１つの陽極電極から、均等に流すことができる防食電流の範囲を広げることができ、外表面の面積が広い鉄鋼建造物に設ける陽極電極の個数を少なくでき、あるいは陽極電極の相互間隔を広げることができる。
【００１３】
ここで、陽極電極は、例えばアルミニウム、白金、銅などの金属材で形成され、イオン伝導性塗装膜の下層の防食塗装膜の表面に絶縁性を有する接着剤で貼り付けられ、イオン伝導性塗装膜に少なくとも一部が埋め込まれ、イオン伝導性塗装膜を含む防食塗装膜の最外層の表面に露出して設けることができる。これによれば、金属材で形成された陽極電極の少なくとも一部をイオン伝導性塗装膜内に埋め込んだことから、陽極電極とイオン伝導性塗装膜との電気的な接続面積を広くすることができ、安定して防食電流を流すことができる。なお、陽極電極の外表面は、仕上げ塗装膜により被覆することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、気中に露出した外表面を有する鉄鋼建造物の外表面の電気防食に用いることができる耐候性に優れたイオン伝導性塗装膜を備えた電気防食装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の鉄鋼建造物外表面の電気防食装置の一実施形態の構成図である。
【図２】本発明の一実施形態を適用して実施した比較試験の結果を説明する線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施形態に基づいて説明する。
【００１７】
本発明の鉄鋼建造物外表面の電気防食装置を、液体あるいは気体などの流体を貯留する鉄鋼製タンクの外表面の電気防食に適用した一実施形態に基づいて説明する。しかし、本発明の鉄鋼建造物外表面の電気防食装置は、鉄鋼製タンクの外表面に限られるものではなく、鉄鋼製の橋梁、鉄架構、配管設備、電力機器、クレーンなどの気中に露出した外表面を有する鉄鋼建造物外表面の電気防食に適用できる。
【００１８】
図１は、鉄鋼製タンクの側壁１の一部分の断面及び防食電源の系統構成を示している。図示のように、鉄鋼製タンクの側壁１の外表面１ａに、下塗りの防食塗装膜２、上塗りの防食塗装膜３、イオン伝導性塗装膜４が順次重ねて形成されている。防食塗装膜２は、周知の例えばエポキシ系防食塗料を塗布等により形成する。また、防食塗装膜３は、周知の例えば撥水性塗料を塗布等により形成する。
【００１９】
イオン伝導性塗装膜４には、陽極電極５の一部が埋め込まれて設けられている。陽極電極５は、本実施形態では平板状の金属材から形成され、電気絶縁性を有する接着材６により防食塗装膜３の外表面に接着して設けられている。陽極電極５は、電線（又はケーブル）７を介して直流電源１０の陽極側に接続されている。また、直流電源１０の陰極側は電線（又はケーブル）８を介して鉄鋼製タンクの側壁１に電気的に接続されている。
【００２０】
次に、イオン伝導性塗装膜４の構成について詳細に説明する。本実施形態のイオン伝導性塗装膜４は、下記の化１の式に示す分子構造を有するナフィオン（デュポン社の登録商標）を組成物として含む塗料を生成し、防食塗装膜３の外表面に塗布等により設けられている。具体的には、イオン伝導性塗装膜４は、フッ素樹脂アイオノマーの１種である４フッ化エチレンモノマーを主幹とし、側鎖にスルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）を有するグラフト重合体を組成物として含む塗装膜である。化１において、ｍ、ｎはいずれも任意の整数である。また、Ｒｆは、パーフルオル化されたアルキル鎖、アルキルエーテル鎖、アルキルエステル鎖、シクロアルキル鎖のいずれか１つである。パーフルオル化されたアルキル鎖に属する一例として、下記の化２の式に示す分子構造を有するパーフルオロ基を挙げることができる。
【化１】
2015175002.tif 000003
【化２】
2015175002.tif 000004
【００２１】
ナフィオン（デュポン社の登録商標）を組成物として含むイオン伝導性塗装膜４は、次に述べる特徴を有することから、鉄鋼構造物外表面の電気防食に用いる導電性塗装膜として好適である。
（１）フッ素樹脂アイオノマーの１種である４フッ化エチレンモノマーは、Ｃ−Ｆ結合の結合エネルギが大きく、緻密で安定した分子鎖を形成している。そのため、高結晶度であり、耐水性及び耐候性に優れ、電気化学反応に対して高度に安定である（プラスチック・機能性高分子材料事典：産業調査会事典出版センター発行、２００４年、第３０６ページ参照）。
（２）スルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）は、水素イオンＨ＋が遊離し、本実施形態のイオン伝導性塗装膜４の組成物であるナフィオン（デュポン社の登録商標）は、固体電解質としてイオン伝導性を有する。
（３）スルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）は優れた親水性を有する（特許文献３）。
これらのことから、本実施形態のイオン伝導性塗装膜４によれば、鉄鋼建造物外表面の電気防食に優れ、下地の防食塗装膜との密着性に優れた導電性塗装膜を形成することができ、かつ耐水性と耐候性及び導電性が安定しているから、長期にわたって安定した電気防食を行うことができる。
【００２２】
このように構成される本実施形態のイオン伝導性塗装膜４を用いた鉄鋼製タンクの側壁１の外表面１ａの電気防食装置における電気防食作用について、図１を参照して説明する。なお、本実施形態では、側壁１を例に説明するが、本発明は側壁に限らず鉄鋼製タンクの天板に適用することができるのは言うまでもない。一般に、塗装膜には、ピンホールなどの細孔が無数にあることから、その細孔に雨水あるいは凝縮した結露水が浸入して塗装膜下の鋼材を腐食させる。特に、細孔内にする水に海塩が含まれていると、鋼材を一層腐食させる。例えば、図１に模式的に示したように、下塗り防食塗装膜２、上塗り防食塗装膜３、イオン伝導性塗装膜４の間に連通する細孔９が、鉄鋼製タンクの側壁１の外表面１ａに達しているものとする。なお、細孔９は、実際には無数にあるが、図では簡単化のために１つのみを示している。この細孔９に雨水や結露水などの水が浸入して外表面１ａに達すると、側壁１の鉄が細孔９内の水にイオン化されて溶出し、腐食が進行する。
【００２３】
この点、本実施形態によれば、イオン伝導性塗装膜４内に埋め込まれた陽極電極５には電線７を介して直流電源装置１０の陽極電圧が印加され、一方の陰極を構成する鉄鋼製タンクの側壁１には、電線８を介して直流電源装置１０の陰極電圧が印加されている。この状態で細孔９に雨水や結露水などの水が浸入して外表面１ａに達していると、一般に水は導電性を有するから、直流電源装置１０から陽極５、イオン伝導性塗装膜４、細孔９内の水、鉄鋼製タンクの側壁１に至る電流経路が形成されて直流電流が流れる。この直流電流により、鉄鋼製タンクの側壁１の電位が鉄鋼腐食の周知の不活性領域に低下すると、細孔９内の水へ側壁１の鉄がイオン化して溶出するのを抑制あるいは阻止して鉄鋼の腐食が防止される。このとき流れる電流を、側壁１の電位を鉄鋼腐食の不活性領域に維持するのに要する防食電流を流すように、直流電源装置１０の直流電圧を調整する。
【００２４】
このようにして、本実施形態によれば、防食塗装膜２，３の細孔９に雨水や結露水などの水が浸入しても、イオン伝導性塗装膜４を電流経路にして細孔内の水を通して鉄鋼製タンクの側壁１に防食電流が流れ、側壁１の電位を鉄鋼腐食の不活性領域に維持することができるから、気中に露出した鉄鋼製タンクである鉄鋼建造物の外表面の電気防食を行うことができる。
【００２５】
図２及び表１を参照して、本実施形態を適用して実施した比較試験の結果を説明する。比較試験は、同一に形成した長方形の平板を試験片とし、表１に示すように試験片Ｎｏ.１、２に示す比較例１，２及び試験片Ｎｏ.３に示す実施形態のように、それぞれ異なる塗装膜を形成した。また、各試験片Ｎｏ.１〜３には、平板の長手方向の一端部に陽極電極を絶縁性の接着材により貼付し、他端部の塗装膜に傷をつけて人工的に欠陥部を形成した。また、各試験片Ｎｏ.１〜３に塩水噴霧（２時間、３５℃、５％ＮａＣｌ）→乾燥（４時間、６０℃、２０〜３０％ＲＨ）→湿潤（２時間、５０℃、＞９５％ＲＨ超）からなる複合サイクルを繰り返した。なお、ＲＨは相対湿度である。そのサイクル過程で、試験片Ｎｏ.１〜Ｎｏ.３について、陽極電極と各試験片の塗装部と欠陥部に直流電流を流して、それぞれの直流電流を計測記録した。その試験結果を、図２のグラフに示す。図２は、横軸が時間、縦軸が電流ｍＡである。また、陽極と各試験片の塗装部又は欠陥部の陰極との間に印加した直流電圧は１２Ｖである。
【表１】
2015175002.tif 000005
【００２６】
図２において、試験片Ｎｏ.１の比較例１は、塗装膜表面に形成された水膜を電流経路として電流を流している。また、試験片Ｎｏ.２の比較例２は、撥水性塗装膜を形成したため、水分を弾き、電流経路としての水膜が形成されないので、必要な電流値が満たされてない。一方、試験片Ｎｏ.３の実施形態は、イオン伝導性塗装膜を形成したので、人工欠陥部には０．８ｍＡ以上、塗装部には０．２ｍＡ程度の防食電流が流れている。なお、この比較試験において、塗装部には細孔などの塗装欠陥が少ないために、防食電流は小さくなっている。ちなみに、計算によると欠陥部に必要な防食電流密度は６４ｍＡ／ｍ２であり、欠陥の少ない塗装部の防食電流密度は１．９ｍＡ／ｍ２であった。この比較試験によれば、本実施形態のイオン伝導性塗装膜を用いることにより、気中に露出した鉄鋼建造物の外表面の電気防食を効果的に行うことができることが分かる。
【００２７】
なお、上述した比較試験の電流値は、主として各試験片の相対値として意味を有するものであり、人工欠陥部の欠陥の大きさ及び塗装部の細孔の数などに応じて、さらに印加する直流電圧に依存して変動することは、周知のとおりである。
【００２８】
上述したとおり、本実施形態のナフィオン（デュポン社の登録商標）を組成物として含むイオン伝導性塗装膜４によれば、気中に露出した鉄鋼建造物の外表面の電気防食を効果的に行うことができる。しかし、スルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）は強酸性である。そこで、アルカリ金属の水酸化物（例えば、ＮａＯＨ、ＬｉＯＨ、ＫＯＨ等）と反応させて、下式のように例えば−ＳＯ３Ｎａに置換することが望ましい。
−ＳＯ３Ｈ＋ＮａＯＨ→−ＳＯ３Ｎａ＋Ｈ２Ｏ
これにより、強い酸性を示すスルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）を中性ないしは弱アルカリ性に変えることができる。なお、イオン伝導体は元々のＨ＋に、Ｎａ＋が加わる。
【００２９】
また、本発明のイオン伝導性塗装膜は、フッ素樹脂アイオノマーを主幹とし側鎖にスルホン酸基を有するグラフト重合体の組成物１００重量部に、遷移金属酸化物を主成分とする光触媒１００重量部を超えない範囲で加えて形成することができる。これによれば、光触媒によってイオン伝導性塗装膜の親水性を著しく向上させることができるから、イオン伝導性塗装膜の表面抵抗を一層低くすることができる。その結果、後述するように、イオン伝導性塗装膜に埋設する金属材からなる１つの陽極電極から、均等に流すことができる防食電流の外表面の領域を広げることができ、外表面の面積が広い鉄鋼建造物に設ける陽極電極の個数を少なくすることができる。
【００３０】
また、陽極電極は、アルミニウムなどの金属材で形成され、イオン伝導性塗装膜の下層の防食塗装膜の表面に絶縁性を有する接着剤で貼り付けられ、イオン伝導性塗装膜に少なくとも一部が埋め込まれ、イオン伝導性塗装膜を含む防食塗装膜の最外層の表面に露出して設けることができる。これによれば、金属材で形成された陽極電極の少なくとも一部をイオン伝導性塗装膜内に埋め込んだことから、陽極電極とイオン伝導性塗装膜との電気的な接続面積を広くすることができ、安定して防食電流を流すことができる。なお、陽極電極の外表面は、仕上げ塗装膜により被覆することができる。なお、陽極電極の全部を塗装膜内に埋め込んだときは、電線を接続する端子を塗装膜外に突出させることは言うまでもない。
【００３１】
また、上記の実施形態では、本発明のフッ素樹脂アイオノマーとして、４フッ化エチレンを採用したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、４フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）、化式３に示すポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、化式４に示すポリ３フッ化塩化エチレン（ＰＣＴＦＥ）、化式５に示すポリフッ化ビニル（ＰＦＥ）、化式６に示すポリ６フッ化プロピレン（ＨＦＥＰ）の群より選ばれた１種又は２種以上のモノマーの共重合体を使用することができる。これらの共重合体は、４フッ化エチレンモノマーと同様、結合エネルギが大きいＣ−Ｆ結合を有するので、緻密で安定した分子鎖を形成して高結晶度であり、耐水性及び耐候性に優れ、電気防食に伴う電気化学反応に対して高度に安定であり、かつ下地の防食塗装膜との密着性に優れている。
【化３】
2015175002.tif 000006
【化４】
2015175002.tif 000007
【化５】
2015175002.tif 000008
【化６】
2015175002.tif 000009
【００３２】
以上、本発明を一実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の主旨の範囲で変形又は変更された形態で実施することが可能であることは、当業者にあっては明白なことであり、そのような変形又は変更された形態が本願の特許請求の範囲に属することは当然のことである。
【符号の説明】
【００３３】
１  側壁
２  防食塗装膜
３  防食塗装膜
４  イオン伝導性塗装膜
５  陽極電極
７、８  電線
１０  直流電源装置
１０ａ  直流電源
１０ｂ  電流計
１０ｃ  電圧計
【図１】
2015175002.tif 000011
【図２】
2015175002.tif 000012