(57)【要約】【課題】コーティング方法、被覆物品及び皮膜を提供する。【解決手段】被覆物品は、低温部品と、低温部品上に施工されたグラフェン誘導体からなるグラフェン皮膜とを含む。コーティング方法は、グラフェン誘導体を準備する段階と、低温部品を準備する段階と、低温部品上にグラフェン誘導体を施工する段階と、グラフェン皮膜を形成する段階とを含む。グラフェン皮膜は、低温部品の腐食及び汚損を低減する。皮膜は、グラフェン誘導体と、グラフェン誘導体上の改質官能基とを含む。改質官能基は、低温部品に施工される皮膜の接着性を増大させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温部品と、
低温部品上に施工されたグラフェン誘導体からなるグラフェン皮膜と
を含む被覆物品であって、低温が約６００℃以下の温度域を含む、被覆物品。
【請求項２】
前記低温部品が回転部品である、請求項１記載の被覆物品。
【請求項３】
前記低温部品がガスタービン圧縮機ブレードである、請求項１記載の被覆物品。
【請求項４】
前記グラフェン誘導体が化学的に改質されたグラフェン誘導体である、請求項１記載の被覆物品。
【請求項５】
前記グラフェン皮膜が約０．１ｎｍ〜約２ｎｍの厚さを有する、請求項１記載の被覆物品。
【請求項６】
前記グラフェン皮膜が低抗力表面仕上げを有する、請求項１記載の被覆物品。
【請求項７】
前記グラフェン皮膜が、疎水性及び疎油性からなる群から選択される低温部品の１以上の特性を増大させる、請求項１記載の被覆物品。
【請求項８】
前記グラフェン皮膜が、低温部品の劣化を低減する、請求項１記載の被覆物品。
【請求項９】
グラフェン誘導体を準備する段階と、
低温部品を準備する段階と、
低温部品上にグラフェン誘導体を施工する段階と、
グラフェン皮膜を形成する段階と
を含むコーティング方法であって、低温が約６００℃以下の温度域を含んでおり、グラフェン皮膜が、低温部品の腐食及び汚損を低減し、回転力に抗することをさらに特徴とする、コーティング方法。
【請求項１０】
グラフェン誘導体は、グラファイト酸化物、グラフェン酸化物、グラフェン、官能化グラフェン、官能化グラフェン酸化物及び官能化グラファイト酸化物からなる群から選択される、請求項９記載のコーティング方法。
【請求項１１】
官能化グラフェン誘導体を生成させるためにグラフェン誘導体を改質する段階を含む、請求項９記載のコーティング方法。
【請求項１２】
官能化グラフェン誘導体を生成させるためにグラフェン誘導体を改質する段階が、低温部品上にグラフェン誘導体を施工する段階の前又は後いずれかに実施される、請求項１１記載のコーティング方法。
【請求項１３】
硫黄、アミン及び酸からなる群から選択される官能基の付加によってグラフェンを改質する段階をさらに含む、請求項１１記載のコーティング方法。
【請求項１４】
グラフェンの改質によって、グラフェンの耐腐食性及び耐汚損性を増大させる、請求項１３記載のコーティング方法。
【請求項１５】
グラフェンの改質によって、低温部品に対するグラフェンの接着性を増大させる、請求項１３記載のコーティング方法。
【請求項１６】
Ｃ8〜Ｃ20炭化水素、フッ素化基及びシロキサン基からなる群から選択される官能基の添加によってグラフェンを改質する段階をさらに含む、請求項１１記載のコーティング方法。
【請求項１７】
グラフェンの改質によって、グラフェンの疎水性及び疎油性を増大させる、請求項１６記載のコーティング方法。
【請求項１８】
グラフェンの疎水性及び疎油性の増大によって、グラフェンの耐汚損性を増大させる段階をさらに含む、請求項１７記載のコーティング方法。
【請求項１９】
化学気相成長、スクリーン印刷、電気泳動、溶射コーティング、スプレイ、塗装及びディップコーティングからなる群から選択される方法によってグラフェン誘導体を施工する段階をさらに含む、請求項９記載のコーティング方法。
【請求項２０】
グラフェン誘導体と、
グラフェン誘導体上の改質官能基と
を含む皮膜であって、改質官能基が、回転力に抗しながら、低温部品に施工された皮膜の接着性を増大させ、低温が約６００℃以下の温度域を含む、皮膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、皮膜、コーティング方法及び被覆物品に関する。具体的には、本発明は、グラフェン皮膜、低温部品上にグラフェン皮膜を形成する方法並びにグラフェン被覆物品に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン部品、特にガスタービン圧縮機ブレードは、部品の汚損及び／又は腐食を起こすおそれのある様々な粒子、流体、温度、圧力及び流体速度にさらされる。作動中、ガスタービンに取り込まれる吸気によって、湿気及び様々な微粒子が持ち込まれ、圧縮機ブレードと接触する。ある種の微粒子は圧縮機ブレード上で凝集して、堆積或いは圧縮機ブレードの汚損（ファウリング）を生じる。
【０００３】
圧縮機ブレードの汚損は堆積物下腐食（under-deposit corrosion）を起こすおそれがあるが、これは圧縮機ブレードの汚損の下側での腐食である。さらに、吸気中の微粒子は圧縮機ブレードに対する異物損傷（ＦＯＤ）を起こすおそれがあり、腐食を起こすおそれもある。圧縮機ブレード上に堆積した微粒子を除去するため、水洗サイクルが頻繁に実施される。しかし、水洗サイクルによって、圧縮機ブレードが暴露される水の量が増し、圧縮機ブレード並びにＦＯＤ損傷部分の腐食を招きかねない。さらに、水洗サイクルでは、複雑な微粒子堆積物を除去するため化学薬品を使用することもある。化学薬品は、圧縮機ブレードの腐食、メインテナンス費用の増加を招くおそれがあり、複雑な微粒子堆積物に適合させるのが困難なこともある。
【０００４】
圧縮機ブレードでの空気流に由来する汚損、腐食及びエロージョンは、ガスタービンの効率を低下させる。上述の短所の１以上が解消された被覆圧縮機ブレードがあれば、当技術分野において望ましいであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１２／０２８９６１３号明細書
【発明の概要】
【０００６】
例示的な実施形態では、被覆物品は、低温部品と、低温部品上に施工されたグラフェン誘導体からなるグラフェン皮膜とを含む。
【０００７】
別の例示的な実施形態では、コーティング方法は、グラフェン誘導体を準備する段階と、低温部品を準備する段階と、低温部品上にグラフェン誘導体を施工する段階と、グラフェン皮膜を形成する段階とを含む。グラフェン皮膜は、低温部品の腐食及び汚損を低減する。
【０００８】
別の例示的な実施形態では、皮膜は、グラフェン誘導体と、グラフェン誘導体上の改質官能基とを含む。改質官能基は、低温部品に施工される皮膜の接着性を増大させる。
【０００９】
本発明のその他の特徴及び利点については、本発明の原理を例示する図面と併せて好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明を参照することによって明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本開示の実施形態に係るコーティング方法のプロセス図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図面を通して、同じ部材にはできるだけ同じ符号を用いた。
【００１２】
コーティング方法、被覆物品並びにコーティングを提供する。本開示の実施形態は、本明細書に開示する特徴の１以上を採用しない方法及び物品と比較して、部品の腐食の低減、部品の汚損の低減、物品でのクロム基金属の量の低減、メインテナンスに必要な化学添加剤の量の低減、メインテナンス費用の低減、効率の増大又はこれらの組合せをもたらす。
【００１３】
図１を参照すると、一実施形態では、コーティング方法は、グラフェン誘導体を準備する段階（段階１１０）と、低温部品を準備する段階（段階１２０）と、低温部品上にグラフェン誘導体を施工する段階（段階１３０）と、グラフェン皮膜を形成する段階（段階１４０）とを含む。別の実施形態では、コーティング方法は、官能化グラフェン誘導体を生成させるためにグラフェン誘導体を化学的に改質する段階（段階１５０）を含む。グラフェン誘導体としては、グラファイト酸化物、グラフェン酸化物、グラフェン、官能化グラファイト酸化物、官能化グラフェン酸化物、官能化グラフェン又はこれらの組合せが挙げられるが、これらに限定されない。別の実施形態では、低温部品上に形成されるグラフェン皮膜は、低温部品の耐用年数及び／又は作動効率を増大させる。別の実施形態では、グラフェン皮膜は、水分並びに塩及びシリカ微粒子のような不純物に起因する腐食及び汚損を低減する。一実施形態では、グラフェン皮膜は、非常に高い回転力を受ける回転部品の表面に付着したままの状態を保つのに十分な接着性を有する。
【００１４】
低温部品としては、回転部品、圧縮機ブレード、導管、伝熱装置（熱交換など）、フラッシュドラム、蒸発器、結晶化装置、反応器、蒸留塔、６００℃以下の流体用の流体保存装置、６００℃以下の流体用の流体輸送装置又はこれらの組合せが挙げられるが、これらに限定されない。一実施形態では、低温部品は新品であってもよいし、再生部材であってもよい。再生又は補修部材には、修理作業、改良又はこれらの組合せを受けた部材が包含されるが、これらに限定されない。本明細書で用いる低温とは、周囲温度乃至約６００℃の温度域、好ましくは周囲温度乃至約５００℃、さらに好ましくは周囲温度乃至約４００℃、或いはこれらの任意の組合せ又は二次的組合せ又は範囲又は部分範囲をいう。周囲温度には、室温が包含される。本明細書で用いる「室温」とは、約２０℃〜約２５℃をいう。
【００１５】
一実施形態では、グラファイトを酸化剤で酸化してグラファイト酸化物を形成する。好適な酸化剤としては、Ｈ2ＳＯ4、ＫＭｎＯ4、Ｈ2Ｏ2又はこれらの組合せが挙げられるが、これらに限定されない。グラファイトの酸化に際して、エポキシ架橋、ヒドロキシル基、一対のカルボキシル基又はこれらの組合せを始めとする様々な官能基がグラファイト上に形成される。官能基はグラファイト酸化物の溶解性を増大させ、液体、好ましくは水に添加すると、グラファイト酸化物は分散系を形成する。一実施形態では、グラファイト酸化物分散系中の固形分は約０．５ｍｇ／ｍＬ〜約１５ｍｇ／ｍＬである。その他の好適な液体として、水とアルコールの混液、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）のような有機液体又はこれらの組合せが挙げられるが、これらに限定されない。一実施形態では、グラファイト酸化物の十分な分散を達成するため、有機液体に１種以上の界面活性剤を添加してもよい。１種以上の界面活性剤としては、ドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム（ＳＤＢＳ）、エチレンオキサイド−プロピレンオキサイド（ＥＯ−ＰＯ）コポリマー界面活性剤、シリコーン系界面活性剤、ペルフルオロオクタンスルホン酸及びペルフルオロオクタン酸のようなフルオロ界面活性剤、セチルトリメチルアンモニウムブロマイド（ＣＴＡＢ）並びにＴｒｉｔｏｎ−Ｘ１００が挙げられるが、これらに限定されない。
【００１６】
別の実施形態では、酸化後に、グラファイト酸化物を音波処理してグラフェン酸化物を形成する。音波処理としては、液体中のグラファイト酸化物を例えば超音波処理によって剥離させることが挙げられる。さらに別の実施形態では、グラフェン酸化物を次いで適当な還元剤で還元してグラフェンを形成する。好適な還元剤としては、ＫＯＨ、Ｎ2Ｈ4又はこれらの組合せが挙げられるが、これらに限定されない。一実施形態では、グラフェンは、ハニカム結晶格子に密充填されたｓｐ2結合炭素原子からなる単原子厚の平面シートである。別の実施形態では、グラフェンは約１．７ｇ／ｃｍ3の密度を有する。
【００１７】
一実施形態では、グラフェン誘導体は低温部品の作業現場で施工される（段階１３０）。別の実施形態では、グラフェン誘導体は、サービス施設その他の遠隔施設で施工される（段階１３０）。別の実施形態では、グラフェン誘導体は、適当な施工法によって、低温部品の適当な表面に施工される（段階１３０）。低温部品の好適な表面としては、基材、基材上のベースコート、基材上の複数の皮膜又はこれらの組合せが挙げられるが、これらに限定されない。好適な施工法としては、化学気相成長（ＣＶＤ）、スクリーン印刷、電気泳動、溶射コーティング、低温施工法又はこれらの組合せが挙げられるが、これらに限定されない。低温施工法としては、スプレイコーティング、塗装、ディップコーティング又はこれらの組合せが挙げられるが、これらに限定されない。
【００１８】
グラフェン誘導体は、低温部品上に施工され、所望の厚さのグラフェン皮膜を形成する（段階１４０）。例えば、一実施形態では、グラフェン皮膜は、単原子層乃至７６５００ｎｍ（３ミル）の厚さを有する。好ましくは、グラフェン皮膜は、２〜２０ｎｍの厚さを有する。最も好ましくは、グラフェン皮膜は、０．１〜２ｎｍの厚さを有する超薄皮膜である。グラフェン皮膜の厚さの低減によって、従来の皮膜を有する部品に比べて、被覆低温部品が軽量化される。被覆低温部品の軽量化によって、被覆低温部品を有するシステムの効率が増大する。例えば、一実施形態では、圧縮機ブレード上に形成された（段階１４０）グラフェン皮膜は、タービンシステムの効率を増大させ、運転コストを低減する。別の実施形態では、グラフェン皮膜の厚さの低減によって、従来の皮膜を有する部品に比べて、低温部品の冷却速度が増大する。
【００１９】
一実施形態では、グラフェンの平面シートの端部は、化学的改質（段階１５０）に適したヒドロキシル基、エポキシ基及びカルボキシル基を含んでいる。化学的改質（段階１５０）には、化学的改質（段階１５０）を受ける材料の１以上の特性を変化させる官能基の付加が包含される。別の実施形態では、グラファイト酸化物、グラフェン酸化物又はグラフェンの化学的改質（段階１５０）によって、それぞれ、官能化グラファイト酸化物、官能化グラフェン酸化物又は官能化グラフェンを生成させる。官能基としては、酸、アミン、シロキサン、硫黄、リン、脂肪族アミン、ヘキサミン、ドデシルアミン、ヘキサデシルアミン、オクタデシルアミン、有機イソシアネート、炭化水素、フッ素化基又はこれらの組合せが挙げられるが、これらに限定されない。
【００２０】
硫黄、リン、酸及び／又はアミンの付加によって、金属基材に対するグラフェン誘導体の接着性が増大し、被覆金属基材の耐腐食性能が向上する。例えば、金属組成を有する圧縮機ブレード上にアミンを有するグラフェン誘導体を施工する（段階１３０）と、圧縮機ブレードの腐食が低減又は解消する。Ｃ8〜Ｃ20炭化水素基、フッ素化基、シロキサン基その他の長鎖官能基を付加すると、グラフェン誘導体の官能化容量、疎水性及び／又は疎油性が増大して、低温部品の腐食及び／又は汚損を低減又は解消する。例えば、一実施形態では、圧縮機ブレード上にシロキサンを含むグラフェン誘導体を施工して（段階１３０）、超疎水性及び増大した官能化容量の増大をもたらす。別の例では、アミン及びシロキサンの両方を含むグラフェン誘導体を金属基材上に施工して（段階１３０）、腐食を低減又は解消し、増大した疎水性及び疎油性をもたらす。
【００２１】
一実施形態では、分散グラフェン酸化物及びグラフェンから複合皮膜を形成する（段階１４０）。例えば、グラフェン酸化物とグラフェンを、樹脂、シロキサン又はこれらの組合せのような高分子溶液中で混合する。複合皮膜を低温部品上に堆積させて、超薄皮膜を得て、低温部品の汚損の低減、低温部品の腐食の低減、低減した抗力表面仕上げ、効率の増大又はこれらの組合せをもたらす。
【００２２】
グラフェンの疎水性の増大は、低温部品の汚損の低減に寄与する。疎水性の増大によって、グラフェンに対する水、及び水中の有害粒子、その他の親水性粒子の付着性が低減する。付着性の低減によって、グラフェン上での粒子の凝集が低減して、汚損並びに汚損に関連した劣化が低減する。一実施形態では、グラフェン誘導体から形成されるグラフェン皮膜及び／又は複合皮膜は、抗汚損・低抗力表面仕上げを有していて、効率をさらに増大させる。好適な抗汚損・低抗力表面仕上げは、限定されるものではないが、約５マイクロインチ〜約２０マイクロインチの平均粗さのグラフェン皮膜を包含する。抗汚損・低抗力表面仕上げは、タービンシステムの効率をさらに増大させ、低温部品を流れる空気流に起因するエロージョンを低減する。さらに、グラフェンでの低減した汚損によって、低温部品上での凝集粒子の除去のために設計された水洗サイクルが低減又は解消される。水洗サイクルの低減によって、低温部品の水分及び／又は化学添加剤への曝露が低減し、低温部品の腐食が低減する。
【００２３】
本発明を好ましい実施形態に関して説明してきたが、本発明の範囲を逸脱することなく、その要素を種々変更させることができ、均等物で置換することができることは当業者には明らかであろう。さらに、特定の状況又は材料に適応させるために、その本質的範囲から逸脱することなく、本発明の教示に多くの修正を行うことができる。したがって、本発明は、本発明を実施するための最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。
【図１】
2015048534.tif 000003