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DNTコーティング技報 No.16
技術解説­2
カレントインタラプタ法を用いた塗膜寿命予測

カレントインタラプタ法を用いた塗膜寿命予測
Forecasting Technique of a Paint Film Durability Using the Current Interrupter
Method of Electrochemical Measurements

技術開発部門
研究部 研究第一グループ
防食技術チーム
Technical Development Division.
Research Department. Research Group 1
Protective Coatings Technology Team

岩瀬嘉之

Yoshiyuki IWASE

1. はじめに２.

電気化学的測定手法

国内の社会資本の劣化が進行し、安心・安全を脅か

鋼構造物の防食塗膜は、様々な腐食環境下で様々す鋼構造物の増加が問題視されている。
それに伴い適な劣化過程をとるため、一義的な現象で説明すること切な維持管理の重要性が改めて認識されるようになっは困難であり、そのため鋼材の腐食に至る時期の予測てきた。鋼構造物の腐食対策には、各種腐食環境に応は極めて困難である。

じ塗装、電気防食、金属めっきや金属被覆など適切な防食塗膜の劣化を判定する方法には塗膜外観、付方法が適用され、その中でも防食塗装は、最も経済的着性の評価や電気化学的測定手法などがある。塗膜で効果の高い腐食対策として、幅広い分野で使用され外観や付着性の評価は簡便であることから汎用的に採ている。防食塗装が施された多くの鋼構造物の劣化判用されており、評価時点での塗膜劣化程度や鋼材腐食定は、塗膜外観の変状を目視で評価する方法が一般程度を判断するには適切かつ重要である。一方、電気的である。
しかし、目視で発錆箇所を確認した時点で塗化学的測定手法は評価時点での塗膜劣化、鋼材腐食膜下鋼材の腐食は進行していることになり、建設当初の評価のみならず、鋼材腐食の開始時期、すなわち防の鋼構造物の耐力を取り戻すことは困難で、高価な修食塗膜による防食寿命予測が可能な技術として注目さ繕になってしまう。
そのような被害を未然に防ぐ予防保れている。

全に加え、ライフサイクルコスト（LCC）を低減するためには、発錆を未然に予測し、発錆前の適切な時期に塗り替え塗装することが重要となってくる。本報では、ISO
13129に認定されている電気化学的測定手法の一つであるカレントインタラプタ法の原理と適用事例、ならびにカレントインタラプタ法による塗膜寿命予測を組み込んだ「DNT塗膜診断システム」
について紹介する。

2.1

電気化学的測定手法の種類と特長

鋼材の腐食反応は電気化学的反応に基づくものであることから、鋼材の電気化学的特性の評価は、腐食反応の機構や腐食速度の情報を得るための有効な手段である。塗装鋼の場合も同様で、塗膜を透過して鋼材界面に達した水や酸素が塗膜下鋼材腐食に及ぼす影響の評価に電気化学的評価法は効果的である。
各種電気化学的測定法の特長を検討し、表1にまとめた1）。各々の測定法には塗膜の劣化程度により、得意DNTコーティング技報 No.16
技術解説­2
カレントインタラプタ法を用いた塗膜寿命予測とする測定範囲がある。
当社では健全塗膜に近い状態から劣化過程まで広い範囲の塗膜下腐食測定が可能なカレントインタラプタ法を塗装鋼に適用してきた。

2〜7）

方法

表1

塗装鋼の電気化学的測定の特長

測定法

メリット

デメリット

直流法

直流塗膜抵
抗測定法

･測定が簡単測定情報が･高抵抗塗膜が測定できる
少ない･測定が短時間
カレントイン ･高抵抗塗膜の測定ができる(塗膜抵抗、分極抵抗などの電タラプタ法
気化学的パラメータの測定ができる)

交流法･測定が短時間
交流インピ ･塗膜のインピーダンスを測定 高抵抗塗膜ーダンス法
するの測定に限（現場測定用）（測定周波数100Hz〜1kHz） 界がある
･現場測定が可能･高抵抗塗膜のインピーダンスが測定できる
ＡＣケミカル ･塗装鋼の塗膜下腐食測定が（塗膜抵抗、分極抵抗インピーダン できるなどの電気化学的パラメータス法）の測定ができる）
現在盛んに塗装鋼を対象にした研究がされている

C dl 、R eは塗膜下鋼材面の電気二重層容量（分極容量）と分極抵抗を示す。
これらが直列回路を形成しているとして、その結果、時定数τに顕著な差が存在すれば、塗膜と塗膜下鋼材面の分極現象を分離することが可能になる。一般には溶液抵抗は数十Ω以下であり、また塗膜回路では容量が約10 -9〜10-10F、抵抗が10 6〜107Ωであるから、塗膜の時定数τ（容量Cffと抵抗Rfの積）は約1msec程度となる。一方、塗膜下鋼材表面の時定数τ
τe は10sec程度であり、両者の時定数の間には顕著な差異が生じている。
この現象を微小定電流の印加、切断時の分極曲線として図2に示すと、両者の時定数は明らかに差があることから、塗膜の分極現象を除去して、塗膜下鋼材面の分極現象を測定することが可能である。

測定が比較
的長時間か
かる
（測定周波数0.01Hz〜60kHz）

なお、
カレントインタラプタ法は2012年にISO 13129（Paints and varnishes. Electrochemical measurement of the protection provided to steel bypaint coatings. Current interrupter technique,relaxation voltammetry technique and DC tran-Rs

CfCdl

τf

τe

Rf
ReRs ： 溶液抵抗
Cf ： 塗膜容量
Rf ： 塗膜抵抗τf ： 塗膜時定数 ： 一般に1msec程度
Cdl ： 鋼材表面分極容量
Re ： 鋼材表面分極抵抗
τe ： 鋼材表面時定数 ： 一般に10sec程度

図1sient measurements）に認定された手法であり、その原理を以下に説明する。

塗装鋼の等価回路
oﬀ Vs

電位V

2.2 カレントインタラプタ法

Vf

2.2.1 カレントインタラプタ法の原理
カレントインタラプタ法とは、測定セルに微小な定電流パルスを印加したときの試料電極の分極過渡現象を測定し、塗装鋼の塗膜下鋼材の分極抵抗、電気二重層容量（分極容量）のパラメーターを求めるものである8）。
塗膜下鋼材界面の接着力低下、さびの発生は分極抵抗の低下となって現れるので、分極抵抗を測定することにより塗膜下鋼材腐食の進行を知ることができる。
塗装鋼の等価回路を簡略化して図1に示す。
ここでR sは溶液抵抗を示し、C f 、R f は塗膜の容量と抵抗を、

21

Ve
時間 tonVs ： 溶液のIR降下による電位変化（Vf、Veに比べ非常に小さく通常無視できる）
Vf ： 塗膜の分極による電位変化
Ve： 塗膜下鋼材面の分極による電位変化

図2

定電流パルス印加、切断時の分極曲線

2.2.2

塗膜の分極塗膜の分極現象における電位Vと電流iの関係は、定電流印加の際の分極現象では、次の式で表される。

i=i Rf +i C f =V f /R f +C（dv/dt）
f（1）i f =i 0 [exp（-αnFη/RT）-exp{（1-α）nFη/RT}]（5）α：遷移係数、で表される。
ここで、i0：交換電流密度、

したがって、- t /τf ）V=iR（1fe（2）n：反応電子数、F：ファラデー定数、R：気体定数、T：絶対温度、η：過電圧を示している。
ただし式（5）は、電解開始直後や電子移動反応抵抗

ここに、
τf =R fがきわめて大きい場合に適用できるものであり、一般に電流切断時の電位減衰はは電解が進むにつれて電極界面に反応種の濃度勾配

V=iR f e - t /τf（3）ここに、
τf = C f R fができるので、電流と電位の関係は
i f =i 0（C[ 0 /C 0 *）exp（-α nFη/RT）­（C R /C R *）したがって、

exp{（1-α）nFη/RT}]（6）logV=logiR f -t/2.3τf（4）で表される。
ここで、C 0、C Rは電極上のO xおよびRed.の濃度を示す。となる。
式（4）をグラフにプロットすると図3となり、ここから時定数τf 、塗膜容量C fと塗膜抵抗R fを求めることができる。

ここでは、低電流密度を短時間印加することにより、電極界面の反応種の温度勾配の発生を極力除去したこと、またこの式の単純化を図り、その取り扱いを容易にする意図から、式（5）をもって論じる。
定電流印加の際、
i=C dl（dη/dt）+i 0iR[exp（αnFη/RT）-exp{（1-α）nFη/RT}]（7）logVi）nFη/RT 1のとき （η 10mV）
傾き-1/2.3τ

式（7）の指数関数を展開して近似すると、0＜α＜1であるから

電位22DNTコーティング技報 No.16
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i=C d（dη/dt）+i 0（[ 1+αnFη/RT）l­ {1-（ 1-α）nF/RT}]=C d（dη/dt）+i0nFη/RTl
時間 t

図32.2.3

電位と時間の関係

塗膜下鋼材面の分極塗膜下鋼材面では、定電流印加時に電解液を介して電極反応、すなわち腐食反応が起こる。
このとき、Ox+ne⇄Red.なる酸化還元系の電極反応の電位と電流の関係は、電極表面の反応種の濃度が、沖合濃度と平衡になっているとき、ファラデー電流 if は、（8）式（8）の微分方程式を解いて
η=（i/i 0 ）（RT/nF）{1-exp（-t/τ）}

（9）

ここに
τ= C d l RT/nFi 0 =CR e（10）

R e =RT/nFi 0（11）DNTコーティング技報 No.16
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i 0 =RT/R e nF

（12）

C d l =τ/ R e

（13）

23スター
得られたターフェル係数と分極抵抗R eとから、ンの式（式（18））
より腐食速度が決まる。

i co r r . =b a ･b c /2.3R e（b a +b c ）（18）

ただし、式（18）は過電圧η<10mVの範囲で成立すtが非常に小さい場合は
i=C d l [dη/dt] t =0（14）る。
ここに、
b a =2.3RT/αnF（19）b c =2.3RT/（ 1-α）nF（20）

また、式（9）は式（4）と同様に扱うことができるので、図3のグラフから時定数τおよび分極抵抗Reが求まり、分極容量Cdlが算出される。RT/nFが既知であれば、ioすなわち腐食速度も求めることができる。
ii）nFη/RT 1のとき

アノード分極の場合はカソード電流が無視できるので
i=C d（dη/dt）+i 0 exp（αnFη/dt）（15）l2.3 カレントインタラプタ法の検証例
2.3.1 さびの発生と腐食電流および分極抵抗の相関
佐藤らはアクリル塗膜のさびのレイティングNo.と腐食電流の相関および腐食電流とカレントインタラプタ法

電流切断の際の減衰はi=0とおけるのでで測定した分極抵抗の相関を検討した8）。図5・図6は、

C dl（dη/dt）＝-i 0 exp（αnFη/dt）

目視でさびが認められなかった塗装鋼の腐食電流はこの微分方程式を解くと

t=（CRT/i 0αnF）exp（-αnFη/RT）（16）

10 -2μA以下であり、その値は分極抵抗が5.5 10 6Ω以上に相当するとした。塗膜下でさびが発生するかどうか腐食の程度の判断は、分極抵抗値として5.5 106Ω

したがって、が境界線と考えられる。

η=（-RT/αnF）lnt+（RT/αnF）ln（CRT/i 0αnF）（17）
10となり、図4のη-log tの関係からターフェル係数が求9まる。

8過電圧η

ターフェル係数

7

点さびの数

η

654321010-3

時間

図4log time

電位減衰における電位と時間の相関

10-210-1

100101log Icorr.

図5発生さびと腐食電流の関係 9）μA

DNTコーティング技報 No.16
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カレントインタラプタ法を用いた塗膜寿命予測24以上の結果より、塗膜下腐食とカレントインタラプタ法で測定した分極抵抗値には大きな相関があり、塗装100鋼の耐久性評価および劣化判断に効果的であると考

腐食電流の対数（μA）

える。
10-1

2.3.2

塗膜の膜厚が防食性に及ぼす影響

塗膜を厚く塗れば一般的に防食性を長期発揮することは周知である。永井らはカレントインタラプタ法を用10-2

いて下塗り塗膜の膜厚と分極抵抗値の関係を検討した10）。図８から、膜厚が60μm以下では分極抵抗値の10-3低下が著しく、100μm以上、特に150μm塗装すると長期間高抵抗値を維持していることがわかる。

図6105106107

分極抵抗の対数（Ω）

3% 食塩水中の塗装鋼板の分極抵抗と腐食電流の関係 9）

また、著者らは、ポリウレタン樹脂塗装系で塗装した試験片を腐食環境の異なる海岸地域、田園地域で暴
露 試 験 を 実 施し 、外 観 変 状（ さび 評 点：A S T M
D601-01のさび面積率）とカレントインタラプタ法による分極抵抗値との関係について確認した。約51ヵ月間、暴露試験に供した塗装試験片の分極抵抗値は、
目

分極抵抗（Ω･c㎡）

10-4
1041010109

150μm

108107106

100μm

105104060μm

20μm

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
浸漬時間（hr）

図8

3％食塩水浸漬における各種膜厚の分極抵抗経時変化

視による塗膜外観の発錆より早い段階で、塗膜劣化および塗膜下腐食の進行を把握することができたとしている9）。
さび評点（海岸地域/高耐久塗装系）
分極抵抗値（海岸地域/高耐久塗装系）
分極抵抗値（田園地域/高耐久塗装系）

442200

図701229

暴露期間（月）51

分極抵抗値と塗膜外観のさび評点

タ法による電気化学的測定の結果を蓄積してきた。
そび塗膜下鋼材表面の劣化の程度を経年で示すことを886な腐食環境下で暴露試験を実施し、カレントインタラプの膨大な結果から、ある時点での点測定でも、塗膜およ10

さび評点

分極抵抗値
［log(Ω・c㎡）］

106

DNT塗膜診断システム

当社では、多種の塗装仕様で塗装した試験片を様々さび評点（田園地域/高耐久塗装系）123.

可能にした。
すなわち、鋼構造物の防食塗膜の寿命予測を可能としている。
カレントインタラプタ法による電気化学的測定手法を組み込んだ「ＤＮＴ塗膜診断システム」
は、塗膜健全度および塗膜下鋼材の腐食状況から塗り替えの時期を判定でき、最適な塗装仕様を提案することで鋼構造物の安全性の確保や計画的な維持管理、ひいてはライフサイクルコスト（LCC）の低減に役立てることを目的とし

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カレントインタラプタ法を用いた塗膜寿命予測ている。と、塗膜内に過度な応力の発生によるはく離や、カレントそのフローを図9、ならびに概要を以下に示す。

インタラプタ法による電気化学的測定において異常値25の原因に繋がる。
旧塗膜の膜厚測定は不可欠な項目としている。
③塗膜下金属腐食診断装置（図10参照）
を用いた電気化学的評価
ISO 13129で認定されたカレントインタラプタ法を採用した塗膜下金属腐食診断装置（国内特許取得）
を用いた電気化学的測定によって、塗膜抵抗と塗膜容量、塗膜下鋼材表面の分極抵抗と電気二重層容量（分極容量）が代表的な値として得られる。

図 10

図 9 『ＤＮＴ塗膜診断システム』のフロー①目視評価
塗膜外観の目視による評価は、構造物全体の劣化を把握することができるため、重要な調査である。
その結果から、診断対象となる鋼構造物における塗膜劣化や塗膜下金属腐食診断装置

図11は、カレントインタラプタ法による電気化学的測定を実施した診断日の分極抵抗値と、これまで蓄積してきた劣化曲線を組み込むことで、塗り替え時期は診断日以降3〜5年と推定したものである。

鋼材腐食している部位を見出し、次に説明する現場評

診断日

本に塗膜表層の劣化程度を判定するが、要望に応じて膨れ・白亜化・変退色の測定を追加する。
②旧塗膜の膜厚測定
塗り替えが繰り返されると、膜厚は厚くなっていく。塗分極抵抗

評価はさび・はがれ・割れの程度を数値化することを基iog Ω・c㎡
iog価を実施する部位の特定や測定件数を決定する。
目視121110987654➔塗膜の機能が健全な領域

適正な塗り替え時期
診断日から3〜5年後➔塗膜の機能が塗膜の機能が不健全な領域（塗り替え推奨時期）➔鋼材が腐食する領域

り替え時に旧塗膜を除去しないことが原因であるが、旧5101520

共用期間（年）

塗膜の除去には大きな費用を伴うため、塗り替え時における活膜は残す場合が多い。膜厚が過剰に厚くなる

発錆時期

図 11

分極抵抗値による劣化曲線例

26

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カレントインタラプタ法を用いた塗膜寿命予測④旧塗膜の付着性評価

数値化し、報告書に記載する。

塗膜と鋼材の付着力、塗膜間の層間付着力および各塗膜の凝集力は、新設当時と比較すると経年劣化する傾向にある。付着力が低下すると弱い衝撃でも塗膜は簡単にはく離し、塗り替え塗装が繰り返されると、経年による付着力の低下だけではなく、劣化塗膜の上に新規な塗料を塗装することで応力が発生し、その応力により付着力が限界に達することでも塗膜ははく離する。付着性の評価は塗膜の劣化を診断する上で重要な項目の一つになるとともに、目視評価では確認できない塗膜⑧適正な塗り替え時期・周期の解析と塗り替え塗装仕様の提案数値化した劣化状況を独自開発した診断ソフトに入力することで、防食塗膜の寿命予測に加え、LCCを考慮した最適な塗り替え時期や周期を解析する。
その解
析結果から、塗り替え時の素地調整のグレードおよび要望に合った経済性、環境対応や高耐久性などの各種塗装仕様が選定できるようになっている。

下の鋼材腐食を発見することにもつながる重要な評価方法である。

4. まとめ⑤画像処理解析による発錆面積の算出
目視による発錆面積の算出は、個人や経験により差が生じやすく、また、さびの大きさや頻度を表現しにくカレントインタラプタ法を適用することで、塗膜およびい。
そこで、高解像度のデジタルカメラで評価対象とな塗膜下鋼材界面の劣化を数値化することができるようる部位を撮影し、コンピューターを用いた画像処理によになり、鋼材が腐食する前に塗膜寿命を予測し適切なる正確な発錆面積率、ならびに可視化を実施している塗り替え時期を推定することができるようになった。
さ（図12参照）。

らに従来の調査方法を加えることで、LCCの低減を可能とする部位の特定や塗り替え塗装仕様を提案するこ

被塗物撮影 ➔ 画像処理 ➔ 発錆面積定量とを述べてきた。
『ＤＮＴ塗膜診断システム』の活用によ
りLCCの低減だけではなく、安心・安全の観点からも被➔➔発錆面積算出結果

0.9％

発錆部：■
測定部外観

図 12

画像処理後

画像処理解析による発錆面積率の算出⑥旧塗膜の化学分析
旧塗膜によっては塗り重ねができない塗装仕様があり確認が必要となる。塗装履歴が不明確な場合には、診断対象の塗膜の一部を採取して、マイクロスコープを用いた塗膜の断面観察による過去の塗装回数および赤外顕微鏡（FT-IR）を用いた塗膜の樹脂分析により、塗装履歴を明確にすることも重要である。
⑦塗膜および塗膜下鋼材界面の劣化評価
これらの結果を基に、現状の劣化状況を部位ごとに害を未然に防ぐ予防保全につながる。既にプラントの鋼構造物、集合住宅の鋼製設備、橋梁や高架橋などで実績があり、本システムは維持管理に活用していただけると考える。
なお、本報は色材協会誌に「塗膜診断による鋼構造物の維持管理」11）として著者が発表したものを元に、加筆修正した内容であることをお断りしておく。

DNTコーティング技報 No.16
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カレントインタラプタ法を用いた塗膜寿命予測

参考文献
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11）岩瀬嘉之：
J.Jpn.Soc.Colour Mater., 88, 85（2015）27