(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ）フッ化水素及びフッ化アルカリの水溶液からなるフッ化剤中にステンレス鋼材料を浸せきして、その表面をフッ化する工程、（Ｂ）上記の表面をフッ化したステンレス鋼材料を、水ガラス液中に浸せきしたのち加熱し、その表面に水ガラスを焼結固着させる工程、及び（Ｃ）上記の表面に水ガラスを焼結固着したステンレス鋼材料を水中に浸せきし、表面に焼結固着された水ガラスからナトリウムを溶出してケイ素水酸化物被膜を形成させる工程、を順次施すことを特徴とするステンレス鋼材料の表面親水化処理方法。
【請求項２】
（Ａ）工程で用いるフッ化剤がｐＨ２．０〜６．５に調整された水溶液である請求項１記載のステンレス鋼材料の表面親水化処理方法。
【請求項３】
（Ｂ）工程において、水ガラスを焼結固着させる際の加熱温度が２００〜２５０℃である請求項１又は２記載のステンレス鋼材料の表面親水化処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステンレス鋼材料の表面に蒸気又は液体に対する親和性を付与し、液体を接触させた場合の分散、蒸発を促進させるステンレス鋼材料の表面親水化処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ステンレス鋼はクロムを主要合金元素とする鋼であって、オーステナイト系、フェライト系、オーステナイト・フェライト系、マルテンサイト系及び析出硬化系の５種が知られている。これらのステンレス鋼材料は耐食性、耐熱性、耐薬品性、表面輝度及び光沢、撥水性などに優れていることから、多くの分野において、原材として幅広く用いられている。
【０００３】
しかしながら、このステンレス鋼材料は、撥水性が高いために、その表面に均一な液薄膜が形成されにくく、その結果伝熱性が阻害され、蒸気の凝縮操作や液体の蒸発操作の際の物質移動及び熱移動の効率が低い上、塗装した場合に、塗膜の密着性が小さいため、その利用範囲が制限されるのを免れない。
【０００４】
しかも、ステンレス鋼材料は、表面に付着した固形物や液滴を介した電気化学的反応によって、浸食を受けやすく、耐食性が低下し、例えば塩水害の多い沿岸地域におけるステンレス鋼材料の腐食や高速トンネル内の排気ガスによる水滴形成と蒸発・凝縮の繰り返しにより生成する高濃度硝酸系や硫酸系液によるスポット腐食が問題となっている。
【０００５】
このようなステンレス鋼材料のもつ欠点を改良するために、例えばステンレス鋼材料の表面に親液性を付与し、耐食性をそこなわずに液薄膜を形成させて、伝熱特性を向上させることが試みられたが、効果が不十分である上、工業的に実施できないため、これまでほとんど実用化されていない。また、ステンレス鋼材料を着色したり、その耐食性を改善するために、塗装する場合には、塗膜の密着性を向上させるために、通常塗装前に化成処理による表面処理が施されている。このような化成処理による表面処理としては、従来リン酸塩法、クロメート法などが一般に行われているが、これらの方法においては、処理液の調製が煩雑である上、安定した効果が得られないという欠点がある。
【０００６】
【０００７】
【０００８】
【０００９】
【００１０】
ところで、濡れ壁式ガス吸収装置などにおいては、壁面で気−液接触型熱交換が行われるため、その壁面が充分な濡れ性を有していれば、熱交換が効率よく行われ、装置の小型化が可能である。壁面が十分な濡れ性を有するには、壁面に用いる金属材料表面が蒸気や液体に対する親和性を有することが必要である。
さらに、金属材料の運搬において、該材料表面に親水性を付与し、金属材料同士の付着性を向上させ、運搬を容易にすることも検討されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような事情のもとで、ステンレス鋼材料の表面に蒸気又は液体に対する親和性を付与し、液体を接触させた場合の分散、蒸発を促進させるとともに、伝熱性、塗膜密着性及び耐食性を向上させるためのステンレス鋼材料の新規な表面親水化処理方法を提供することを目的としてなされたものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、ステンレス鋼材料表面に、まず鉄フッ化物被膜を形成させたのち、この上に水ガラスを焼結固着させ、次いで該水ガラス中のナトリウムを溶出させて、ステンレス鋼材料表面にケイ素の水酸化物被膜を形成させることにより、その目的を達成しうることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。
【００１３】
すなわち、本発明は、（Ａ）フッ化水素及びフッ化アルカリの水溶液からなるフッ化剤中にステンレス鋼材料を浸せきして、その表面をフッ化する工程、（Ｂ）上記の表面をフッ化したステンレス鋼材料を、水ガラス液中に浸せきしたのち加熱し、その表面に水ガラスを焼結固着させる工程、及び（Ｃ）上記の表面に水ガラスを焼結固着したステンレス鋼材料を水中に浸せきし、表面に焼結固着された水ガラスからナトリウムを溶出してケイ素水酸化物被膜を形成させる工程、を順次施すことを特徴とするステンレス鋼材料の表面親水化処理方法を提供するものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の表面親水化処理方法は、ステンレス鋼材料に適用される。
【００１５】
このステンレス鋼材料には、オーステナイト系、フェライト系、オーステナイト・フェライト系、マルテンサイト系及び析出硬化系の５種があるが、いずれも本発明方法を適用することができる。
【００１６】
【００１７】
本発明の表面処理方法においては、まず（Ａ）工程において、フッ化剤中に、表面処理すべきステンレス鋼材料を浸せき処理することにより、その表面に鉄フッ化物被膜を形成させる。
上記フッ化剤としては、フッ素イオンとアルカリ金属又はアンモニウムイオンを含む水溶液が用いられる。これは、例えばフッ化アルカリを０．２〜２０重量％程度の濃度で含有する水溶液に、フッ化水素を加えて、ｐＨを２．０〜６．５程度に調整することにより作製することができる。この際用いるフッ化アルカリとしては特に制限はなく、フッ化ナトリウム、フッ化カリウム、フッ化アンモニウムなどの水に対して易溶性のものが好ましく挙げられ、特にフッ化カリウムが好適である。これらのフッ化アルカリは単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
【００１８】
フッ化剤中のフッ化アルカリの好ましい濃度は、フッ化ナトリウムの場合０．３〜３重量％、フッ化カリウムの場合０．５〜５重量％、フッ化アンモニウムの場合０．５〜８重量％の範囲である。フッ化アルカリの濃度が、上記範囲よりも低いと鉄フッ化物被膜の形成に長時間を要し、実用的でないし、上記範囲より高いと十分な厚さの鉄フッ化物被膜が形成されにくいため、安定化効果が不十分となる。
【００１９】
また、このフッ化剤のｐＨが２．０未満ではステンレス鋼材料表面における鉄フッ化物形成反応が急速に進行するため、均質な鉄フッ化物被膜が形成されにくいし、６．５を超えると金属フッ化物形成反応速度が遅くなり、十分な厚さの被膜が形成されない。適度な鉄フッ化物形成反応速度を有し、均質で十分な厚さの鉄フッ化物被膜を形成させる点から、このｐＨの好ましい範囲は４．５〜６．０の範囲である。上記ｐＨ範囲に調整するのに必要なフッ化水素の量は、通常、フッ化アルカリ１モルに対し、フッ化ナトリウムの場合１〜３モル、フッ化カリウムの場合０．２〜３モル、フッ化アンモニウムの場合０．２〜１モルの範囲である。
【００２０】
前記フッ素化剤含有水溶液を用いて、ステンレス鋼材料表面に鉄フッ化物被膜を形成させるには、このフッ化剤中に、表面処理すべきステンレス鋼材料を浸せきし、通常、常圧下で０〜８０℃程度、好ましくは３０〜６０℃の範囲の温度において、ステンレス鋼材料表面に十分な厚さ、すなわち０．０１〜１μｍ程度の鉄フッ化物被膜が形成されるまで保持する。これに要する時間は１〜６０分間程度である。
【００２１】
次に、（Ｂ）工程において、前記（Ａ）工程のフッ化処理により、表面に鉄フッ化物被膜が形成されたステンレス鋼材料を、水ガラス液中に浸せき処理したのち、加熱することにより該表面に水ガラスを焼結固着させる。
この際使用する水ガラス液の濃度は５〜１５重量％の範囲が適当であり、特に１０重量％近傍が好ましい。浸せき処理時間は、通常１０分ないし３６時間、好ましくは１５分ないし１０時間の範囲である。焼結は、均質加熱が可能な加熱炉中で、２００〜２５０℃の範囲の温度において、１〜６０分間程度、好ましくは５〜３０分間行うのが有利である。
【００２２】
焼結温度が２００℃未満では焼結が不十分で水ガラスがステンレス鋼材料表面から溶出し、親水性を十分に示さないおそれがあるし、２５０℃を超えると表面が変質し、親水性付与効果が十分に発揮されにくくなる。また、焼結時間が１分間未満では焼結が不十分で、水ガラスが溶出しやすく、親水性が十分に発揮されないおそれがあるし、６０分間を超えると表面が変質し、親水性が低下する原因となる。
【００２３】
最後に、（Ｃ）工程において、前記（Ｂ）工程で得られた表面に水ガラスを焼結固着してなるステンレス鋼材料を水中に１０分ないし３６時間程度浸せき処理し、水ガラス（Ｎａ2ＳｉＯ3）の構成成分であるナトリウムを溶出させ、金属材料表面に厚さ１〜１０μｍ程度の焼結したケイ素の水酸化物被膜を形成させる。この水酸化物の化学吸着水が物理吸着水と結合して親水性表面を形成する。この水ガラス中のナトリウムの溶出は、ステンレス鋼材料表面の水滴接触角がほぼ０度になるまで行う。
【００２４】
これらの反応を、反応式で示すと以下のようになる。
【００２５】
ＳＵＳ  ＋  Ｆ  →  （ＳＵＳ）・Ｆ  （１）
（ＳＵＳ）・Ｆ  ＋  Ｎａ2ＳｉＯ3・ｘＨ2Ｏ
→  （ＳＵＳ）・Ｆ・Ｎａ2ＳｉＯ3  ＋  ｘＨ2Ｏ↑  （２）
（ＳＵＳ）・Ｆ・Ｎａ2ＳｉＯ3・＋２Ｈ2Ｏ
→  （ＳＵＳ）・Ｆ・ＳｉＯ（ＯＨ）2  ＋  ２ＮａＯＨ  （３）
［ＳＵＳ：ステンレス鋼材料、（ＳＵＳ）・Ｆ：フッ化処理されたステンレス鋼材料］
【００２６】
（Ａ）工程でフッ化処理したステンレス鋼材料表面自体も親水性を示すが、この場合のフッ化処理は、（Ｂ）工程における水ガラス処理をより有効に実施するための手段として働いている。
【００２７】
水ガラス自体が親水性を示すことは周知であるが、それをステンレス鋼材料表面に密着性よく付着させることはこれまで困難であった。しかし、本発明のように、ステンレス鋼材料表面にフッ化処理を施すことにより、水ガラスのスムースな付着が可能となり、ステンレス鋼材料表面に十分な耐久性のある親水性が付与される。
【００２８】
このようにして表面処理されたステンレス鋼材料は、表面にケイ素の水酸化物からなる被膜を有するため、蒸気又は水に対する親和性に優れており、水を接触させた場合の分散、蒸発を促進させるとともに、伝熱性、塗膜密着性などを向上させ、さらに耐食性も向上させる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明方法により表面処理されたステンレス鋼材料は、物質移動及び伝熱性に優れていることから、例えば蒸留、蒸発、吸収、晶析、調湿、乾燥、抽出装置及び燃焼、冷凍設備など、具体的には醸造発酵装置、薬品製造装置、バイオ関連設備など、伝熱、物質移動に関連する用途に有用であり、また塗膜密着性に優れていることから、塗装による耐食性の向上及びカラー化や多色化が要求される用途、例えば建材、家電、車両、船舶などの塗装用金属材料として有用である。さらに、耐食性に優れることから、粉塵、腐食性微粉化液体、飛散塩水、凝縮性気体及び蒸気、凝縮・蒸発性排気ガスなどの雰囲気下で使用される耐食性建材として有用である。
【００３０】
【実施例】
次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定されるものではない。なお、各例における水滴接触角は、次のようにして測定した。
【００３１】
水滴接触角の測定方法；
サンプル（２０×５０ｍｍ）を接触角計にセットし、注射液から水滴を滴下して測定する。
【００３２】
実施例１
フッ化カリウム２．５重量％を含有し、かつフッ化水素を用いてｐＨ５．０に調整した水溶液中に、厚さ２ｍｍで、５０×１００ｍｍサイズのＳＵＳ３０４ステンレス鋼材料（バフ＃３２０で表面仕上げしたもの）を浸せきし、４０℃で１５分間保持したのち、引き上げ、水洗した。表面に形成されたフッ化物被膜の厚さは約０．１μｍであった。次いで１０重量％濃度の水ガラス液中に、上記のフッ化処理ステンレス鋼材料を浸せきし、２５℃で１０時間保持したのち、引き上げ、加熱炉にて、２３０℃で１０分間加熱することにより、表面に水ガラスを焼結固着させた。
次に、このようにして処理されたステンレス鋼材料を２５℃の水中に１０時間浸せきして、水ガラス中のナトリウムを溶出させることにより、表面に厚さ５μｍのケイ素の水酸化物被膜を有するステンレス鋼材料が得られた。
このものについて水滴接触角を求めたところ、ほぼ０度であり、親水性は良好であった。
【００３３】
実施例２
実施例１において、ステンレス鋼材料として、バフ＃４００で表面仕上げしたものを用いた以外は実施例１と同様にして表面処理を行った。
この表面処理ステンレス鋼材料の水滴接触角は２０度であり、実施例１のものに比べて親水性に劣っていた。
これを水ガラス焼結固着後、２５℃の水中で約３０時間（実施例１の約３倍）浸せきしたところ、水滴接触角は、ほぼ０度になった。
【００３４】
実施例３
ステンレス鋼材料として、厚さ２ｍｍのＳＵＳ３０４（バフ＃３２０で表面仕上げしたもの）製の径１００ｍｍ、高さ２００ｍｍの円筒状のものを用い、実施例１と同様にして表面親水化処理を行った。このものを水中に浸せきし、それに気泡をゆっくりと接触させたところ、気泡は全く付着しなかった。これに対し、未処理のものは気泡の付着が認められた。
【００３５】
実施例４
実施例１で得られた表面親水化処理ステンレス鋼材料について、以下に示す親水性の耐久性実験を行った。
すなわち、表面親水化処理ステンレス鋼材料を一定時間水中に浸せきしたのち、一定時間乾燥状態に放置する乾湿サイクルを繰り返し、親水性を評価した。親水性の評価は、乾燥状態直後に一度水に浸せきし、直ちに取り出し、濡れを観察した。その後は、再び水中に浸せきする。なお、基本条件は、表面親水化処理ステンレス鋼材料を１日のうち、連続して１６時間水中に浸せきしたのち、連続して８時間乾燥状態に放置する条件である。別の条件は特記する。
結果を以下に示す。
１回目；基本条件／満遍なく全面濡れ性示す。
２回目；同上。
３回目；同上（水を交換）。
４回目；同上。
５回目；４回目終了後、１２日間乾燥状態で放置。同様の濡れを示す（水を交換）。
６回目；基本条件／満遍なく全面濡れ性示す。
７回目；同上。
８回目；同上。
９回目；同上。
１０回目；同上（水を交換）。
１１回目；同上。
１２回目；同上。
１３回目；同上。
１４回目；同上。
１５回目；同上。
１６回目；同上。
１７回目；１６回目終了後２日間乾燥状態で放置。同様の濡れを示す（水を交換）。
１８回目；１７回目終了後３日間乾燥状態で放置。同様の濡れを示す（水を交換）。
１９回目；１８回目終了後１４日間乾燥状態で放置。同様の濡れを示す（水を交換）。