(57)【要約】【課題】塗膜の劣化を早期に検出すること。【解決手段】算出部１５１が、塗膜を一定の伸びで引っ張った場合の初期応力と温度との関係の傾きを用いて、該塗膜を一定の伸びで引っ張った場合のエントロピー変化量を算出し、判定部１５２が、経時変化した塗膜のエントロピー変化量の、初期の塗膜のエントロピー変化量に対する相対値が、所定の基準値を下回った場合に、該塗膜の劣化を判定する。基準値は、劣化が始まる直前の塗膜でのエントロピー変化量を用いて規定される。判定部１５２は、塗膜の経過時間とエントロピー変化量との関係を用いて、初期の塗膜のエントロピー変化量に対する相対値が基準値を下回る時期を予測してもよい。【選択図】図４
2017090058.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出装置で実行される検出方法であって、
塗膜を一定の伸びで引っ張った場合の初期応力と温度との関係の傾きを用いて、該塗膜を前記一定の伸びで引っ張った場合のエントロピーの変化量を算出する算出工程と、
経時変化した塗膜の前記エントロピーの変化量の、初期の塗膜の前記エントロピーの変化量に対する相対値が、所定の基準値を下回った場合に、該塗膜の劣化を判定する判定工程と、
を含んだことを特徴とする検出方法。
【請求項２】
前記基準値は、劣化が始まる直前の塗膜での前記エントロピーの変化量を用いて規定されることを特徴とする請求項１に記載の検出方法。
【請求項３】
さらに、塗膜の経過時間と前記エントロピーの変化量との関係を用いて、前記初期の塗膜のエントロピー変化量に対する相対値が前記基準値を下回る時期を予測する予測工程を含んだことを特徴とする請求項１または２に記載の検出方法。
【請求項４】
塗膜を一定の伸びで引っ張った場合の初期応力と温度との関係の傾きを用いて、該塗膜を前記一定の伸びで引っ張った場合のエントロピーの変化量を算出する算出部と、
経時変化した塗膜の前記エントロピーの変化量の、初期の塗膜の前記エントロピーの変化量に対する相対値が、所定の基準値を下回った場合に、該塗膜の劣化を判定する判定部と、
を備えることを特徴とする検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出方法および検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、鉄塔や橋梁添架設備等の構造物の鋼材には、長寿命化や美観のため、防食性や防錆性に優れた重防食塗膜が適用されている。多層に厚く形成された重防食塗膜は、塗料の溶剤系、弱溶剤系、あるいは水系を問わず、鉄素地に対する密着性が高く、防食性や防錆性に優れている。
【０００３】
一方、重防食塗膜であっても、高分子材料で構成され経時的に劣化するため、適切な塗り替え時期を判定する技術が期待されている。従来、塗膜の劣化は、割れ、剥がれ、膨れ、あるいは白化現象等の異常の目視による点検や、クロスカット法やプルオフ法等のＪＩＳ規格（非特許文献１、非特許文献２参照）に則った付着力の測定等で判定されていた。なお、非特許文献３には、引張試験におけるダンベル試験片の形状の規定内容が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】ＪＩＳ  Ｋ  ５６００−５−６、「付着性（クロスカット法）」、１９９９年
【非特許文献２】ＪＩＳ  Ｋ  ５６００−５−７、「付着性（プルオフ法）」、１９９９年
【非特許文献３】「ゴムの引張試験ダンベルについて」、［online］、日本ゴム協会、［平成２７年１０月１日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：https://www.srij.or.jp/newsite/magazines/mame/mame_pdf/mame39.pdf＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の塗膜の劣化の判定は、既に塗膜が劣化している状態を検知するものであった。そのため、メンテナンス時には既に下地や構造物がダメージを受けており、修復や修理のコストが大きくなるうえに、構造物自体にも劣化が蓄積されていて完全な再生が困難な場合があった。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、塗膜の劣化を早期に検出することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る検出方法は、検出装置で実行される検出方法であって、塗膜を一定の伸びで引っ張った場合の初期応力と温度との関係の傾きを用いて、該塗膜を前記一定の伸びで引っ張った場合のエントロピー変化量を算出する算出工程と、経時変化した塗膜の前記エントロピー変化量の、初期の塗膜の前記エントロピー変化量に対する相対値が、所定の基準値を下回った場合に、該塗膜の劣化を判定する判定工程と、を含んだことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、塗膜の劣化を早期に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る検出装置による検出処理の概要を説明するための説明図である。
【図２】図２は、本実施形態の検出処理の概要を説明するための説明図である。
【図３】図３は、本実施形態の検出処理の概要を説明するための説明図である。
【図４】図４は、本実施形態の検出装置の概略構成を示す模式図である。
【図５】図５は、本実施形態の検出処理手順を示すフローチャートである。
【図６】図６は、実施例の検出処理に用いられる引張試験の測定結果を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。
【００１１】
まず、図１〜図３を参照して、本実施形態に係る検出装置による検出処理の概要を説明する。図１は、塗膜の劣化と塗膜を構成する分子鎖を取り巻く環境の変化との関係を示す模式図である。図１に示すように、塗膜を構成する分子鎖を取り巻く環境の影響を受け、塗膜は時間の経過とともに劣化して付着力や破断強度が低下する。そこで、塗膜の劣化が始まる直前の塗膜の分子鎖を取り巻く環境の指標値を基準値として規定すれば、例えば塗膜の劣化が進むほど低下する指標値であれば、測定された指標値あるいは測定値を用いて算出された指標値が基準値を下回った場合に、塗膜の劣化を早期に検出することができる。
【００１２】
本実施形態では、塗膜の分子鎖を取り巻く環境の変化を、塗膜引張時のエントロピー変化量を指標値として導出する。図２は、塗膜引張時の応力と温度との関係を例示した図である。図２には、塗膜を塑性変形のない一定の伸びで引っ張った場合の初期応力ｆと、温度Ｔとの関係が例示されている。なお、図２の例では、１０％の伸びを与えるように引っ張った。この場合に、熱力学理論により、次式（１）および（２）が成立する。ただし、Ｕは内部エネルギー、ｖは体積、ｘは伸び、Ｓはエントロピーである。
【００１３】
【数１】
2017090058.tif 000003
【００１４】
【数２】
2017090058.tif 000004
【００１５】
ここで、上記式（１）および（２）の第２項同士を比較すれば、エントロピーの変化量（減少量）ΔＳは、体積ｖおよび伸びｘが一定である場合の初期応力ｆの温度変化の比例係数、すなわち、図２の直線の勾配で表されることがわかる。
【００１６】
なお、図３は塗膜のエントロピーＳと温度Ｔとの関係を例示する図である。図３に例示するように、塗膜のエントロピーＳは、塗膜の分子鎖の状態により変化する。なお、Ｔｇはガラス転移温度を示す。塗膜の生成速度は分子鎖が平衡状態になる速度より大きいため、塗膜生成初期には分子鎖は非平衡状態である。この非平衡状態において、局所的な分子鎖は完全には凍結しておらず、分子運動により、図３に矢印で示すように、時間の経過とともに非平衡状態からより安定した平衡状態へと変化する。それにともなって分子鎖が凝集し、自由体積分率が小さくなり分子鎖の自由運動が妨げられる。これにより、塗膜のエントロピーＳは時間の経過とともに減少する。したがって、このエントロピーＳが減少した塗膜を引っ張った場合には、エントロピー変化量ΔＳも小さくなる。
【００１７】
このように、弾性や粘性等を有する高分子樹脂である塗膜の分子鎖は、生成初期には疑似的な平衡状態であり、時間の経過とともに真の平衡状態に近づこうとして分子鎖が凝集してエントロピーが減少する。これに伴い、初期に有していた高分子である塗膜の弾性や粘性が消滅して脆化する。この脆化により、各種の劣化現象が現れる。例えば、脆化により延性に欠けるようになり、割れが発生する。また、脆化により内部応力が大きくなるため、塗膜に余計に負荷がかかって素地との密着力が低下して、剥がれが発生する。割れや剥がれが生じると、塗膜が形成されている鋼材において、外界の水分、蒸気、温度、または浮遊状粒子等の影響を受けやすく、錆や腐食が容易に発生するようになる。
【００１８】
したがって、本実施形態では、塗膜引張時のエントロピー変化量が小さくなり所定の基準値を下回った場合に、塗膜の劣化が始まったと判定される。
【００１９】
［検出装置の構成］
次に、図４を参照して、本実施形態に係る検出装置の概略構成を説明する。検出装置１は、ワークステーションやパソコン等の汎用コンピュータで実現され、入力部１１と、出力部１２と、通信制御部１３と、記憶部１４と、制御部１５とを備える。
【００２０】
入力部１１は、キーボードやマウス等の入力デバイスを用いて実現され、操作者による入力操作に対応して、制御部１５に対して各種指示情報を入力する。出力部１２は、液晶ディスプレイなどの表示装置、プリンター等の印刷装置、情報通信装置等によって実現され、後述する検出処理の結果等を操作者に対して出力する。
【００２１】
通信制御部１３は、ＮＩＣ（Network  Interface  Card）等で実現され、ＬＡＮ（Local  Area  Network）やインターネットなどの電気通信回線を介した外部の装置と制御部１５との通信を制御する。本実施形態の検出装置１は、試験装置から通信制御部１３を介して引張試験の測定結果を取得する。
【００２２】
記憶部１４は、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）、フラッシュメモリ（Flash  Memory）等の半導体メモリ素子、または、ハードディスク、光ディスク等の記憶装置によって実現される。記憶部１４には、検出装置１を動作させる処理プログラムや、処理プログラムの実行中に使用されるデータなどが予め記憶され、あるいは処理の都度一時的に記憶される。なお、記憶部１４は、ＬＡＮやインターネットなどの電気通信回線を介して制御部１５と通信する構成でもよい。本実施形態では、後述するように、塗膜の劣化を判定する際の基準値が記憶部１４に記憶される。また、試験装置から取得された引張試験の測定結果が記憶部１４に記憶されてもよい。また、後述するように、各塗膜について算出されたエントロピー変化量が記憶部１４に記憶されてもよい。
【００２３】
制御部１５は、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）等の演算処理装置がメモリに記憶された処理プログラムを実行することにより、図４に例示するように、算出部１５１および判定部１５２として機能する。
【００２４】
算出部１５１は、塗膜を一定の伸びで引っ張った場合の初期応力と温度との関係の傾きを用いて、該塗膜を一定の伸びで引っ張った場合のエントロピー変化量を算出する。
【００２５】
具体的に、算出部１５１は、まず、外部の試験装置における引張試験の測定結果を取得する。試験装置として、例えば、東陽精機製ストログラフが用いられる。引張試験においては、測定対象の塗膜に一定の伸びεを与えた場合の初期応力σが、温度Ｔを変えて複数回測定される。また、引張試験は、初期の塗膜、後述する劣化の判定の際の基準値を規定するための規定用の塗膜、および劣化の判定対象の塗膜が測定対象とされる。算出部１５１はこの測定結果を、例えば、通信制御部１３を介して取得する。また、算出部１５１は、予め取得した測定結果を記憶部１４に格納しておいて、以下の処理の際に記憶部１４から読み出して用いてもよい。
【００２６】
算出部１５１は、取得した測定結果を用いて、図２に例示したように初期応力σと温度Ｔとの関係を求め、その勾配を算出する。上記のとおり、算出された初期応力σと温度Ｔとの関係の勾配は、この塗膜を一定の伸びεで引っ張った場合のエントロピー変化量ΔＳに相当する。したがって、算出部１５１は、初期応力σと温度Ｔとの関係の勾配を、この塗膜を一定の伸びεで引っ張った場合のエントロピー変化量ΔＳとして算出する。
【００２７】
なお、算出部１５１は、初期の塗膜、後述する基準値の規定用の塗膜、および劣化の判定対象の塗膜について、それぞれの塗膜を一定の伸びεで引っ張った場合のエントロピー変化量ΔＳを算出する。また、算出部１５１は、算出した各塗膜についてのエントロピー変化量を記憶部１４に記憶させておいてもよい。
【００２８】
判定部１５２は、経時変化した塗膜のエントロピー変化量の、初期の塗膜のエントロピー変化量に対する相対値が、所定の基準値を下回った場合に、該塗膜の劣化を判定する。
【００２９】
具体的に、判定部１５２は、まず、判定対象の塗膜のエントロピー変化量の初期の塗膜についてのエントロピー変化量に対する相対値を算出し、所定の基準値と比較する。
【００３０】
ここで基準値は、予め劣化の度合いがわかっている規定用の塗膜についてのエントロピー変化量を算出する等して、予め、劣化が始まる直前の塗膜でのエントロピー変化量を用いて規定され、記憶部１４に記憶される。例えば、予め算出された塗膜の付着力とエントロピー変化量との関係において、付着力が正常値から例えば１ＭＰａ未満に急激に低下した塗膜、すなわち劣化した塗膜の示すエントロピー変化量より、やや正常値寄りの値が基準値とされる。この基準値は、例えば、初期の塗膜についてのエントロピー変化量の３０％というように規定され、塗膜の塗り替え等の修復作業が必要になる時期の判定に利用される。
【００３１】
次に、判定部１５２は、算出した判定対象の塗膜のエントロピー変化量の初期の塗膜についてのエントロピー変化量に対する相対値が基準値を下回った場合に、この判定対象の塗膜の劣化が始まったものと判定する。この判定は、例えば、塗膜の塗り替え等の修復作業の必要性の判定に利用される。
【００３２】
なお、判定部１５２は、塗膜の経過時間とエントロピー変化量との関係を用いて、初期の塗膜のエントロピー変化量に対する相対値が基準値を下回る時期を予測してもよい。具体的に、判定部１５２は、初期の状態からの経過時間がわかっている複数の塗膜のエントロピー変化量の算出値を算出部１５１から取得して、塗膜の経過時間とエントロピー変化量との関係を求めておく。求められた関係により、判定部１５２は、初期の塗膜のエントロピー変化量に対する相対値が基準値に達する経過時間を予測することができ、塗膜の劣化時期を予測できる。
【００３３】
［検出処理］
次に、図５を参照して、検出装置１による検出処理手順について説明する。図５のフローチャートは、例えば、入力部１１を介して検出処理の開始を指示する入力があったタイミングで開始となる。
【００３４】
まず、算出部１５１が、試験装置における測定結果を取得して（ステップＳ１）、初期の塗膜と判定対象の塗膜とのエントロピー変化量を算出する（ステップＳ２）。
【００３５】
次に、判定部１５２が、判定対象の塗膜とのエントロピー変化量の、初期の塗膜のエントロピー変化量に対する相対値を算出し、この値が所定の基準値を下回っている場合に、判定対象の塗膜の劣化が始まっているものと判定する（ステップＳ３）。これにより、一連の検出処理が終了する。
【００３６】
以上、説明したように、本実施形態の検出装置１では、算出部１５１が、塗膜を一定の伸びで引っ張った場合の初期応力と温度との関係の傾きを用いて、該塗膜を一定の伸びで引っ張った場合のエントロピー変化量を算出する。そして、判定部１５２が、経時変化した塗膜のエントロピー変化量の、初期の塗膜のエントロピー変化量に対する相対値が、所定の基準値を下回った場合に、該塗膜の劣化を判定する。
【００３７】
これにより、検出装置１は、塗膜引張時のエントロピー変化量が小さくなり所定の基準値を下回った場合に、塗膜の劣化が始まったと判定する。このように、本実施形態の検出装置１によれば、塗膜の劣化を早期に検出することができる。したがって、鉄塔や橋梁添架設備等の構造物に適用されている重防食塗膜の塗り替え等の修復作業の必要性を早期に判定することができるので、修理や修復のコストを最小限に抑えて、設備の劣化を防止する適切な保守管理を行うことが可能となる。
【００３８】
特に、基準値は、劣化が始まる直前の塗膜でのエントロピー変化量を用いて規定される。これにより、より適切な時期に塗膜の劣化を検出することができる。
【００３９】
また、判定部１５２は、塗膜の経過時間とエントロピー変化量との関係を用いて、初期の塗膜のエントロピー変化量に対する相対値が基準値を下回る時期を予測でき、塗膜の劣化時期を予測できる。
【００４０】
なお、本発明の処理対象は重防食塗膜に限定されず、屋外で用いられる高分子素材で構成されるプラスチック部材にも適用可能である。
【００４１】
［実施例］
以下に説明する実施例において、劣化の判定対象の重防食塗膜は、下塗りおよび中塗りの塗膜が水系のエポキシ樹脂で構成され、上塗りの塗膜が水系のウレタン樹脂で構成される。なお、下塗りの塗膜の膜厚は５０μｍ、中塗りの塗膜の膜厚は５０μｍ、上塗りの塗膜の膜厚は５０μｍである。この重防食塗膜に対して、以下の人工的な加速劣化環境においてヒートサイクルを加えることにより、塗膜を人工的に劣化させた。すなわち、例えば、恒温恒湿槽を用いて、９０％の相対湿度において、−３０℃から７０℃の間のヒートサイクルを、１サイクル当り１２時間で１００サイクルまで繰り返した。
【００４２】
人工的に劣化させた重防食塗膜より、以下の条件で切り出して試験片を作製した。試験片の形状は、縦３５ｍｍ、横６ｍｍ、標線間距離１２ｍｍ、標線間部最小幅２ｍｍのダンベル状７号形（非特許文献３参照）とした。第１試験片は人工的に劣化させていない初期の重防食塗膜より切り出した。第２試験片は、ヒートサイクル２５回の重防食塗膜より切り出した。第３試験片は、ヒートサイクル５０回の重防食塗膜より切り出した。第４試験片は、ヒートサイクル７５回の重防食塗膜より切り出した。第５試験片は、ヒートサイクル１００回の重防食塗膜より切り出した。各試験片について、プルオフ試験により、付着力を測定した（非特許文献２参照）。
【００４３】
引張試験は、１０℃、３０℃、および５０℃の温度にて、各試験片に対して１０％の伸びおよび０．５ｍｍ／ｍｉｎの引張速度にて実施された。図６は、引張試験の測定結果を例示する図である。図６に示すように、初期応力と温度とは直線的な関係であることが確認された。検出装置１は、図６に例示する測定結果を用いて、各試験片の初期応力と温度との関係の勾配から各試験片のエントロピー変化量ΔＳを算出した。図６に示すように、ヒートサイクル回数が多く人工的な劣化が進んでいる試験片ほど、勾配が小さくなりエントロピー変化量ΔＳが小さくなることが確認された。
【００４４】
表１は、以上の測定結果および算出結果を示し、塗膜の劣化状況とエントロピー変化量ΔＳとの関係を示す。なお、表１において、エントロピー変化量ΔＳは、初期の塗膜であるヒートサイクル０回の試験片を１００とした相対的な値で表されている。また、劣化の判定に用いられる基準値は初期の塗膜の３０％すなわち３０とした。
【００４５】
【表１】
2017090058.tif 000005
【００４６】
表１に示すように、ヒートサイクル０回の試験片では、４．３ＭＰａの十分な付着力があり、エントロピー変化量ΔＳは１００であり、塗膜の劣化は見られない。ヒートサイクル２５回の試験片では、付着力は４．６ＭＰａであるが、エントロピー変化量ΔＳは７９に減少しており、塗膜の劣化の進行が示唆される。ヒートサイクル５０回の試験片では、付着力は４．７ＭＰａと良好であるが、エントロピー変化量ΔＳはさらに６１に減少しており、塗膜の劣化の進行が示唆される。ヒートサイクル７５回の試験片では、付着力は４．５ＭＰａと良好に維持されているが、エントロピー変化量ΔＳはさらに３２に減少しており、塗膜の劣化の進行が示唆される。ヒートサイクル１００回の試験片では、付着力が１．０ＭＰａを下回り、かつ、エントロピー変化量ΔＳが２１にまで減少しており、塗膜の劣化が確認された。
【００４７】
ここで、ヒートサイクル１００回の試験片では、塗膜の劣化が既に大きいことがわかる。一方、ヒートサイクル７５回の試験片では、付着力は良好であるものの、エントロピー変化量ΔＳが基準値の３０に近い。これにより、ヒートサイクル７５回の試験片の塗膜の内部では、分子鎖同士が凝集し、初期の弾力性や粘性が消滅し、脆化が進行していることが推測される。このように、エントロピー変化量ΔＳの減少により、塗膜の劣化の様子をとらえて事前に劣化の度合いを推測することができることが確認された。
【００４８】
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述および図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施形態、実施例および運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
【符号の説明】
【００４９】
１  検出装置
１１  入力部
１２  出力部
１３  通信制御部
１４  記憶部
１５  制御部
１５１  算出部
１５２  判定部
【図１】
2017090058.tif 000006
【図２】
2017090058.tif 000007
【図３】
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【図４】
2017090058.tif 000009
【図５】
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【図６】
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