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JP7768500B2 - Method for manufacturing a composite having an alloy film formed on a substrate, and the composite - Google Patents
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JP7768500B2 - Method for manufacturing a composite having an alloy film formed on a substrate, and the composite - Google Patents

Method for manufacturing a composite having an alloy film formed on a substrate, and the composite

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特許法第30条第2項適用 令和2年3月2日に、公益社団法人日本セラミックス協会発行の「2020年年会 講演予稿集」にて発表Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act is applicable. Published on March 2, 2020, in the "2020 Annual Meeting Proceedings" published by the Ceramic Society of Japan.

本発明は、剥離耐性に優れた合金膜を基材上に簡便に形成する方法、および剥離耐性に優れた合金膜が基材上に形成された複合体に関するものである。 The present invention relates to a method for easily forming an alloy film with excellent peeling resistance on a substrate, and to a composite in which an alloy film with excellent peeling resistance is formed on a substrate.

基材上に金属膜を形成する技術は、様々な技術分野で利用されてきた。例えば回路基板は、基板上に銅箔を接着剤で貼り付け、銅箔をエッチングして回路を形成することにより製造されている。しかし、例えば基板または銅箔と接着剤との親和性が低い場合には、接着剤を用いる方法では金属膜が剥離するおそれがある。 Technology for forming metal films on substrates has been used in a variety of technical fields. For example, circuit boards are manufactured by attaching copper foil to a substrate with an adhesive and then etching the copper foil to form circuits. However, if the adhesive has low affinity with the substrate or copper foil, there is a risk that the metal film will peel off when using an adhesive.

接着剤を使わずに基材上に金属膜を形成する技術としては、スパッタリングがある。スパッタリングは、真空中でArガス等の不活性ガスを導入し、成膜材料からなるターゲットにマイナスの電圧を印加してグロー放電を発生させ、不活性ガス原子をイオン化し、高速でターゲットの表面に衝突させてターゲットを構成する成膜材料の粒子を激しく弾き出し、基材の表面に付着させて金属膜を形成する技術である。しかしスパッタリングは、実施コストが高いことに加えて、真空中で行う必要があることから大きな構造物への適用やin situでの実施は難しい。 Sputtering is a technique for forming metal films on substrates without using adhesives. Sputtering involves introducing an inert gas such as Ar gas into a vacuum, applying a negative voltage to a target made of the film-forming material to generate a glow discharge, ionizing the inert gas atoms, which collide with the target surface at high speed, violently ejecting particles of the film-forming material that make up the target, which then adhere to the surface of the substrate to form a metal film. However, sputtering is expensive to implement, and because it must be performed in a vacuum, it is difficult to apply to large structures or perform in situ.

例えば港湾施設や海上の空港施設などを構成するコンクリートは、海水などに対する防食のため、表面をチタン膜で被覆し、内部の鉄筋に防食電流を供給することが行われている(特許文献1等)。しかし施設を構成する巨大なコンクリートの表面をスパッタリングにより金属で被覆することは実質的に不可能であるといえる。よって、コンクリート建材などを金属で被覆するには、一般的に、溶射法が用いられている(特許文献2等)。 For example, concrete used in port facilities and offshore airport facilities is coated with a titanium film to protect it from corrosion by seawater and other elements, and an anti-corrosion current is supplied to the reinforcing steel bars inside (see, for example, Patent Document 1). However, it is virtually impossible to coat the surface of the massive concrete structures that make up these facilities with metal by sputtering. Therefore, thermal spraying is generally used to coat concrete building materials with metal (see, for example, Patent Document 2).

また、下水中には硫化水素、硫黄、チオ硫酸イオンなどを酸化して硫酸を産生するチオバチルス属細菌が存在する場合があり、コンクリート製の下水管などを腐食させる原因となる。そこで、抗菌性金属イオンを担持した無機粉末を含有する耐蝕性ヒューム管が提案されている(特許文献3)。しかし、単に抗菌性金属イオンを原料セメントに練り込むのみでは抗菌性が十分に発揮されないおそれがあるし、抗菌性金属イオンの割合を高めれば強度が低下するおそれがある。よって、下水管などにおいても、表面を抗菌性金属で被覆することが望ましい。 Sewage may also contain Thiobacillus bacteria, which oxidize hydrogen sulfide, sulfur, and thiosulfate ions to produce sulfuric acid, causing corrosion of concrete sewer pipes and other structures. Corrosion-resistant Hume pipes containing inorganic powder carrying antibacterial metal ions have therefore been proposed (Patent Document 3). However, simply mixing antibacterial metal ions into raw cement may not fully exert antibacterial properties, and increasing the proportion of antibacterial metal ions may result in a decrease in strength. Therefore, it is desirable to coat the surfaces of sewer pipes and other structures with antibacterial metals.

ところで、純金属に対して物理的、化学的または機械的な性質の改善のために、2種以上の金属を混合した合金が利用されている。例えば銅と亜鉛の合金は黄銅や真鍮と呼ばれ、電気伝導率、熱伝導率、耐食性、加工性などの優れた特性を有し、幅広い分野で応用されている。よって、基材を合金で被覆した複合体は利用価値が高いといえる。 By the way, alloys, which are mixtures of two or more metals, are used to improve the physical, chemical, or mechanical properties of pure metals. For example, an alloy of copper and zinc is called brass, and has excellent properties such as electrical conductivity, thermal conductivity, corrosion resistance, and workability, making it applicable in a wide range of fields. Therefore, composites in which the substrate is coated with an alloy can be said to be highly useful.

特開平4-314880号公報Japanese Patent Application Publication No. 4-314880 特開平1-119576号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 1-119576 特開平9-60768号公報Japanese Patent Application Publication No. 9-60768

上述した様に、特にコンクリート建材などを金属で被覆するには、一般的に溶射法が用いられている。しかしコンクリート建材などは多孔質であり、溶射金属は細孔内に侵入し難い。よって、溶射法で形成された金属膜のコンクリート建材などに対する剥離耐性は低いといわざるを得ない。
そこで本発明は、剥離耐性に優れた合金膜を基材上に簡便に形成する方法と、本発明で製造され、剥離耐性の高い合金膜を表面に有する複合体を提供することを目的とする。
As mentioned above, thermal spraying is generally used to coat concrete building materials with metal. However, concrete building materials are porous, and the sprayed metal has difficulty penetrating into the pores. Therefore, it must be said that the metal film formed by thermal spraying has low resistance to peeling from concrete building materials.
Therefore, an object of the present invention is to provide a method for easily forming an alloy film with excellent peeling resistance on a substrate, and a composite produced by the present invention and having an alloy film with high peeling resistance on its surface.

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、特定の金属成分のキレート錯体溶液を基材に塗布して熱処理すれば、当然に金属酸化物膜が形成されると予想していたが、意外にも形成された膜は金属光沢を有し、膜を分析したところほぼ合金で形成されていることを見出して、本発明を完成した。
以下、本発明を示す。
The present inventors have conducted extensive research to solve the above problems. As a result, they have discovered that, although they had expected that a metal oxide film would naturally be formed by applying a solution of a chelate complex of a specific metal component to a substrate and then heat-treating it, the film formed had a metallic luster and, upon analysis, was found to be composed almost entirely of an alloy, leading to the completion of the present invention.
The present invention will now be described.

[1] 基材上に合金膜が形成された複合体の製造方法であって、
Cdよりイオン化傾向が小さい高標準酸化還元電位金属成分、イオン化傾向がCd以上である低標準酸化還元電位金属成分、及びキレート剤を含む金属キレート錯体溶液を前記基材に塗布する工程、並びに、
前記基材の前記金属キレート錯体溶液を塗布した部分を熱処理する工程を含み、
前記低標準酸化還元電位金属成分に対する前記高標準酸化還元電位金属成分のモル比が4以上であることを特徴とする方法。
[2] 前記金属キレート錯体溶液が更に界面活性剤を含む前記[1]に記載の方法。
[3] 前記基材がセメント硬化体である前記[1]または2に記載の方法。
[4] 前記低標準酸化還元電位金属成分がCuまたはNiである前記[1]~[3]のいずれかに記載の方法。
[5] 前記高標準酸化還元電位金属成分がZnである前記[1]~[4]のいずれかに記載の方法。
[6] 前記キレート剤がアミノカルボン酸系キレート剤である前記[1]~[5]のいずれかに記載の方法。
[7] 基材と合金膜層を含み、
前記基材がセメント硬化体であり、
前記合金膜層が、Cdよりイオン化傾向が小さい高標準酸化還元電位金属成分、及びイオン化傾向がCd以上である低標準酸化還元電位金属成分を含み、
前記基材と前記合金膜層の界面よりも前記基材側に前記高標準酸化還元電位金属成分および前記低標準酸化還元電位金属成分が存在することを特徴とする複合体。
[1] A method for producing a composite in which an alloy film is formed on a substrate, comprising:
applying a metal chelate complex solution containing a high standard oxidation-reduction potential metal component having an ionization tendency lower than that of Cd, a low standard oxidation-reduction potential metal component having an ionization tendency equal to or higher than that of Cd, and a chelating agent to the substrate;
a step of heat treating the portion of the substrate onto which the metal chelate complex solution is applied,
The method according to claim 1, wherein the molar ratio of the high standard redox potential metal component to the low standard redox potential metal component is 4 or greater.
[2] The method according to [1], wherein the metal chelate complex solution further contains a surfactant.
[3] The method according to [1] or 2, wherein the substrate is a hardened cement body.
[4] The method according to any one of [1] to [3], wherein the low standard oxidation-reduction potential metal component is Cu or Ni.
[5] The method according to any one of [1] to [4], wherein the high standard oxidation-reduction potential metal component is Zn.
[6] The method according to any one of [1] to [5], wherein the chelating agent is an aminocarboxylic acid chelating agent.
[7] A substrate and an alloy film layer,
The substrate is a hardened cement paste,
the alloy film layer contains a high standard redox potential metal component having an ionization tendency lower than that of Cd and a low standard redox potential metal component having an ionization tendency equal to or higher than that of Cd,
A composite, characterized in that the high standard oxidation-reduction potential metal component and the low standard oxidation-reduction potential metal component are present on the substrate side of the interface between the substrate and the alloy film layer.

本発明方法によれば、基材表面に合金膜を簡便に形成することが可能であり、コンクリート建材など巨大な基材も処理でき、in situでの処理も可能である。また、本発明方法では、溶射法のように溶融金属ではなく、金属キレート錯体溶液を用いるため、多孔質基材の細孔内に金属を充填することも可能であることから、多孔質の基材の表面にも剥離耐性に優れた合金膜を形成することができる。よって本発明に係る複合体は、耐食性に優れる建材などとして、産業上非常に優れている。 The method of the present invention makes it possible to easily form an alloy film on the surface of a substrate, and it is possible to treat large substrates such as concrete building materials, and in situ treatment is also possible. Furthermore, because the method of the present invention uses a metal chelate complex solution rather than molten metal as in thermal spraying methods, it is also possible to fill the pores of porous substrates with metal, making it possible to form an alloy film with excellent peel resistance even on the surface of porous substrates. Therefore, the composite of the present invention is extremely useful industrially as a building material with excellent corrosion resistance.

多結晶アルミナ基板上にCu/Znキレート錯体溶液を塗布し、水素炎で加熱して得られた金属膜のXRD分析結果である。1 shows the results of XRD analysis of a metal film obtained by applying a Cu/Zn chelate complex solution onto a polycrystalline alumina substrate and heating it with a hydrogen flame. アルミニウム合金A5052板上にCu/Znキレート錯体溶液を塗布し、水素炎で加熱して得られた金属膜のXRD分析結果である。1 shows the results of XRD analysis of a metal film obtained by applying a Cu/Zn chelate complex solution to an aluminum alloy A5052 plate and heating it with a hydrogen flame.

本発明は、基材上に合金膜が形成された複合体の製造方法に関するものである。本発明に係る複合体の製造方法は、Cdよりイオン化傾向が小さい高標準酸化還元電位金属成分、イオン化傾向がCd以上である低標準酸化還元電位金属成分、及びキレート剤を含む金属キレート錯体溶液を前記基材に塗布する工程、並びに、前記基材の前記金属キレート錯体溶液を塗布した部分を熱処理する工程を含む。以下、本発明方法を工程毎に説明するが、本発明は以下の具体例に限定されるものではない。 The present invention relates to a method for producing a composite in which an alloy film is formed on a substrate. The method for producing a composite according to the present invention includes the steps of applying a metal chelate complex solution to the substrate, the metal chelate complex solution containing a high standard redox potential metal component with an ionization tendency lower than that of Cd, a low standard redox potential metal component with an ionization tendency equal to or greater than that of Cd, and a chelating agent, and heat-treating the portion of the substrate coated with the metal chelate complex solution. Each step of the method of the present invention will be explained below, but the present invention is not limited to the specific examples below.

1.塗布工程
本工程では、Cdよりイオン化傾向が小さい高標準酸化還元電位金属成分、イオン化傾向がCd以上である低標準酸化還元電位金属成分、並びにキレート剤を含む金属キレート錯体溶液を基材に塗布する。
1. Coating Step In this step, a metal chelate complex solution containing a high standard oxidation-reduction potential metal component having an ionization tendency lower than that of Cd, a low standard oxidation-reduction potential metal component having an ionization tendency equal to or higher than that of Cd, and a chelating agent is coated onto a substrate.

イオン化傾向は、主に水溶液中で元素からイオンへのなり易さを表す相対的な指標であり、イオン化傾向が小さいほど標準酸化還元電位E゜の値は大きくなる。CdのE°は-0.4025Vであり、本発明では、E°の値がこれよりも高くイオン化傾向が小さい高標準酸化還元電位金属成分と、CdおよびE°の値がCdよりも低くイオン化傾向が大きい低標準酸化還元電位金属成分を用いる。イオン化傾向が小さい高標準酸化還元電位金属成分としては、例えば、イオン化傾向の大きいものから、Co、Ni、Mo、Sn、Pb、Sb、Bi、Cu、Hg、Ag、Pd、Ir、Pt、Auが挙げられ、イオン化傾向が大きい低標準酸化還元電位金属成分としては、イオン化傾向の小さいものから、Cd、Fe、Cr、Zn、Mn、Zr、Alが挙げられる。なお、本開示において高標準酸化還元電位金属成分と低標準酸化還元電位金属成分の高低はあくまで相対的なものである。 Ionization tendency is a relative indicator of the ease with which an element becomes ions, primarily in aqueous solution. The lower the ionization tendency, the higher the standard redox potential E°. Cd has an E° value of -0.4025 V. In this invention, we use high standard redox potential metal components with higher E° values and lower ionization tendency, and Cd and low standard redox potential metal components with lower E° values than Cd and higher ionization tendency. Examples of high standard redox potential metal components with low ionization tendency include, in descending order of ionization tendency, Co, Ni, Mo, Sn, Pb, Sb, Bi, Cu, Hg, Ag, Pd, Ir, Pt, and Au. Examples of low standard redox potential metal components with high ionization tendency include, in descending order of ionization tendency, Cd, Fe, Cr, Zn, Mn, Zr, and Al. Note that in this disclosure, the relative values of high standard redox potential metal components and low standard redox potential metal components are purely relative.

基材表面に形成された合金膜は、電極として利用できる。例えばセメント硬化体の表面に合金膜を形成し、電圧を印加すれば、合金膜は耐食性コーティングとして作用する。更に、金属元素は、その有用性から選択することができる。高標準酸化還元電位金属成分と低標準酸化還元電位金属成分は、それぞれ1種のみ選択してもよいし、2種以上選択して組み合わせてもよい。 The alloy film formed on the surface of the substrate can be used as an electrode. For example, if an alloy film is formed on the surface of a hardened cement body and a voltage is applied, the alloy film will act as a corrosion-resistant coating. Furthermore, the metal elements can be selected based on their usefulness. Only one high standard redox potential metal component and one low standard redox potential metal component may be selected, or two or more may be selected and combined.

合金としては、例えば、クルップ鋼(Ni-Cr)、パーマロイ(Ni-Fe)、クロムモリブデン鋼(Fe-Cr-Mo)、マンガンモリブデン鋼(Fe-Mn-Mo)、ステンレス鋼(Fe-Ni-Cr)、マルエージング鋼(Fe-18 - 30Ni(Co,Mo))、42アロイ(Fe-42Ni)、インバー(Fe-36Ni)、コバール(Fe-29Ni-17Co)、パーメンデュール(Fe-Co)、黄銅(Cu-Zn)、洋白(Cu-27Zn-18Ni)、ノルディック・ゴールド(89Cu-5Al-5Zn-1Sn)、クニフェ(60Cu-20Ni-20Fe)、ジュラルミン(Al-Cu)、ハステロイ(50Ni-Mo-Cr-Fe)、インコネル(72Ni-15Cr-Fe)、ニクロム(80Ni-20Cr)、サンプラチナ(85Ni-11Cr-3Ag)、形状記憶合金(Ni-Ti)、ステライト(Co-30Cr-10W)が挙げられる。 Examples of alloys include Krupp steel (Ni-Cr), Permalloy (Ni-Fe), chromium-molybdenum steel (Fe-Cr-Mo), manganese-molybdenum steel (Fe-Mn-Mo), stainless steel (Fe-Ni-Cr), and maraging steel (Fe-18- 30Ni (Co, Mo)), 42 Alloy (Fe-42Ni), Invar (Fe-36Ni), Kovar (Fe-29Ni-17Co), Permendur (Fe-Co), brass (Cu-Zn), nickel silver (Cu-27Zn-18Ni), Nordic Gold (89Cu-5Al-5Zn-1Sn), Kunife (60Cu-20Ni-20Fe), duralumin (Al-Cu), Hastelloy (50Ni-Mo-Cr-Fe), Inconel (72Ni-15Cr-Fe), Nichrome (80Ni-20Cr), Sun Platinum (85Ni-11Cr-3Ag), shape memory alloy (Ni-Ti), and Stellite (Co-30Cr-10W).

本発明においては、低標準酸化還元電位金属成分に対する高標準酸化還元電位金属成分のモル比(高標準酸化還元電位金属成分のモル数/低標準酸化還元電位金属成分のモル数)を4以上とする。当該モル比が4未満であると、合金膜に含まれる金属酸化物が過剰に多くなる。当該モル比としては、5以上または6以上が好ましく、8以上または10以上がより好ましく、15以上がより更に好ましい。当該モル比の上限は特に制限されないが、当該モル比が高過ぎると低標準酸化還元電位金属成分の特性を活用できないおそれがあるため、50以下が好ましい。 In the present invention, the molar ratio of the high standard redox potential metal component to the low standard redox potential metal component (number of moles of high standard redox potential metal component/number of moles of low standard redox potential metal component) is 4 or more. If this molar ratio is less than 4, the amount of metal oxide contained in the alloy film will be excessively large. The molar ratio is preferably 5 or more or 6 or more, more preferably 8 or more or 10 or more, and even more preferably 15 or more. There is no particular upper limit to this molar ratio, but if the molar ratio is too high, the properties of the low standard redox potential metal component may not be utilized, so it is preferably 50 or less.

キレート剤は、金属成分とキレートを形成してその溶解度を改善できるものであれば特に限定されず、例えば、エチレンジアミン四酢酸、ジエチレントリアミン五酢酸、トリエチレンテトラミン六酢酸、エチレンジアミン二酢酸、1,2-ジアミノプロパン四酢酸、1,3-ジアミノプロパン四酢酸、ヘキサメチレンジアミン四酢酸、1,2-シクロヘキサンジアミン四酢酸、ジアミノプロパノール四酢酸、ヒドロキシエチレンジアミン三酢酸、グリコールエーテルジアミン四酢酸、エチレンジアミンジ(o-ヒドロキシフェニル)酢酸、イミノ二酢酸、ヒドロキシエチルイミノ二酢酸、ニトリロ三酢酸、メチルグリシン二酢酸、エチレンジアミン二プロピオン酸、ニトリロ三プロピオン酸、エチレンジアミン二こはく酸、1,3-ジアミノプロパン二こはく酸、グルタミン酸-N,N-二酢酸、アスパラギン酸-N,N-二酢酸などのアミノカルボン酸系キレート剤;ヒドロキシエチリデンジホスホン酸、ニトリロトリスメチレンホスホン酸、エチレンジアミンテトラメチレンホスホン酸、ジエチレントリアミンペンタメチレンホスホン酸、2-ホスホノ-1,2,4-ブタントリカルボン酸、ホスホノヒドロキシ酢酸、ヒドロキシエチルジメチレンホスホン酸などのホスホン酸系キレート剤;グルコン酸、クエン酸、酒石酸、リンゴ酸などのヒドロキシカルボン酸系キレート剤などを用いることができる。 The chelating agent is not particularly limited as long as it can form a chelate with the metal component and improve its solubility. Examples include ethylenediaminetetraacetic acid, diethylenetriaminepentaacetic acid, triethylenetetraminehexaacetic acid, ethylenediaminediacetic acid, 1,2-diaminopropanetetraacetic acid, 1,3-diaminopropanetetraacetic acid, hexamethylenediaminetetraacetic acid, 1,2-cyclohexanediaminetetraacetic acid, diaminopropanoltetraacetic acid, hydroxyethylenediaminetriacetic acid, glycol ether diaminetetraacetic acid, ethylenediaminedi(o-hydroxyphenyl)acetic acid, iminodiacetic acid, hydroxyethyliminodiacetic acid, nitrilotriacetic acid, methylglycinediacetic acid, and ethylenediaminediproacetic acid. Examples of chelating agents that can be used include aminocarboxylic acid chelating agents such as pionic acid, nitrilotripropionic acid, ethylenediaminedisuccinic acid, 1,3-diaminopropanedisuccinic acid, glutamic acid-N,N-diacetic acid, and aspartic acid-N,N-diacetic acid; phosphonic acid chelating agents such as hydroxyethylidene diphosphonic acid, nitrilotrismethylenephosphonic acid, ethylenediaminetetramethylenephosphonic acid, diethylenetriaminepentamethylenephosphonic acid, 2-phosphono-1,2,4-butanetricarboxylic acid, phosphonohydroxyacetic acid, and hydroxyethyldimethylenephosphonic acid; and hydroxycarboxylic acid chelating agents such as gluconic acid, citric acid, tartaric acid, and malic acid.

キレート剤は水溶性であることが好ましい。キレート剤は、1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、後段の熱処理工程で容易に熱分解され易い点から、アミノカルボン酸系キレート剤を用いることが好ましい。好ましいアミノカルボン酸系キレート剤としては、エチレンジアミン四酢酸、ジエチレントリアミン五酢酸、トリエチレンテトラミン六酢酸、およびニトリロ三酢酸から選ばれる1種以上が挙げられ、エチレンジアミン四酢酸がより好ましい。これらのキレート剤は、低価格であり入手が容易であるとともに、これらキレート剤から形成される金属キレート錯体溶液は、金属成分を安定して溶解し、澄明な金属キレート錯体溶液を容易に調製することができる。 The chelating agent is preferably water-soluble. A single chelating agent may be used, or two or more may be used in combination. Among these, aminocarboxylic acid chelating agents are preferably used because they are easily thermally decomposed in the subsequent heat treatment step. Preferred aminocarboxylic acid chelating agents include one or more selected from ethylenediaminetetraacetic acid, diethylenetriaminepentaacetic acid, triethylenetetraminehexaacetic acid, and nitrilotriacetic acid, with ethylenediaminetetraacetic acid being more preferred. These chelating agents are inexpensive and easily available, and metal chelate complex solutions formed from these chelating agents stably dissolve metal components, making it easy to prepare clear metal chelate complex solutions.

金属キレート錯体溶液の溶媒としては、コストや取扱性の観点から、水や、水混和性有機溶媒と水との混合溶媒が好ましい。水混和性有機溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、イソプロパノール等のアルコール系溶媒が挙げられる。金属キレート錯体溶液の溶媒は少なくとも水を含むことが好ましく、例えば溶媒中の水の濃度が50質量%以上であることが好ましく、70質量%以上がより好ましく、90質量%以上または95質量%以上がより更に好ましい。溶媒としては、低環境負荷の観点から実質的に水のみを用いることが特に好ましく、従って、金属キレート錯体溶液はキレート錯体水溶液であることが好ましい。 From the standpoints of cost and ease of handling, the solvent for the metal chelate complex solution is preferably water or a mixed solvent of water and a water-miscible organic solvent. Examples of water-miscible organic solvents include alcoholic solvents such as methanol, ethanol, and isopropanol. The solvent for the metal chelate complex solution preferably contains at least water, and for example, the concentration of water in the solvent is preferably 50% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, and even more preferably 90% by mass or more or 95% by mass or more. From the standpoint of low environmental impact, it is particularly preferable to use substantially only water as the solvent; therefore, the metal chelate complex solution is preferably an aqueous chelate complex solution.

金属キレート錯体溶液中の金属成分の含有量は、キレート剤により十分に溶解するよう調整することが好ましい。例えば、0.1質量%以上、15質量%以下とすることができ、10質量%以下が好ましい。金属キレート錯体溶液中のキレート剤の含有量は、金属成分に対してキレート配位する理論量以上となることが好ましく、金属成分の金属イオン量1モルに対して0.8倍モル以上、1.5倍モル以下含まれるようにすることが好ましい。当該モル比としては、0.9倍モル以上が好ましく、0.95倍モル以上がより好ましく、また、1.2倍モル以下が好ましく、1.1倍モル以下がより好ましい。金属キレート錯体溶液中の金属キレート錯体の濃度は、例えば1質量%以上、60質量%以下とすることができ、10質量%以上、40質量%以下が好ましい。
金属キレート錯体溶液は、金属元素とキレート剤の他に添加剤を含んでいてもよい。添加剤としては、特に制限されないが、界面活性剤や粘度調整剤が挙げられる。
The content of the metal component in the metal chelate complex solution is preferably adjusted so that it is sufficiently dissolved by the chelating agent. For example, it can be 0.1% by mass or more and 15% by mass or less, and preferably 10% by mass or less. The content of the chelating agent in the metal chelate complex solution is preferably equal to or greater than the theoretical amount required for chelate coordination with the metal component, and is preferably 0.8 times by mole or more and 1.5 times by mole or less per mole of metal ions of the metal component. The molar ratio is preferably 0.9 times by mole or more, more preferably 0.95 times by mole or more, and preferably 1.2 times by mole or less, and more preferably 1.1 times by mole or less. The concentration of the metal chelate complex in the metal chelate complex solution can be, for example, 1% by mass or more and 60% by mass or less, and preferably 10% by mass or more and 40% by mass or less.
The metal chelate complex solution may contain additives in addition to the metal element and the chelating agent, including, but not limited to, surfactants and viscosity modifiers.

界面活性剤により金属キレート錯体溶液の表面張力が低下し、例えば基材が多孔質なものである場合に金属キレート錯体溶液が界面活性剤を含むと、細孔内にもより容易に金属キレート錯体溶液が浸入でき、結果として細孔内にも合金が存在し、基材に対する合金膜の剥離耐性が高まる。 The surfactant reduces the surface tension of the metal chelate complex solution. For example, if the substrate is porous and the metal chelate complex solution contains a surfactant, the metal chelate complex solution can more easily penetrate into the pores. As a result, the alloy is also present in the pores, increasing the peeling resistance of the alloy film from the substrate.

界面活性剤としては、非イオン界面活性剤、陰イオン界面活性剤、陽イオン界面活性剤、両性界面活性剤を特に制限なく用いることができるが、セメント硬化体などの多孔質基材に対する親和性から、非イオン界面活性剤が好ましい。非イオン界面活性剤は、特に制限されないが、例えばアセチレン系界面活性剤、ポリアルキレングリコール型非イオン界面活性剤、シリコーン系界面活性剤などが挙げられる。 Surfactants that can be used include nonionic surfactants, anionic surfactants, cationic surfactants, and amphoteric surfactants without any particular restrictions. However, nonionic surfactants are preferred due to their affinity with porous substrates such as hardened cement. Nonionic surfactants are not particularly limited, but examples include acetylene-based surfactants, polyalkylene glycol-based nonionic surfactants, and silicone-based surfactants.

粘度調整剤は、主に金属キレート錯体溶液の粘度を高めて液だれを抑制するためのものであり、例えば、多糖類、ポリエチレングリコールやアクリルポリマー等のポリマー、アマイド等が挙げられる。 Viscosity adjusters are primarily used to increase the viscosity of the metal chelate complex solution and prevent dripping. Examples include polysaccharides, polymers such as polyethylene glycol and acrylic polymers, and amides.

添加剤の使用量は、各成分の効果が十分に得られる範囲で適宜調整すればよい。例えば界面活性剤の場合、金属キレート錯体溶液における濃度を0.01質量%以上、1質量%以下とすることができる。当該濃度としては、0.05質量%以上が好ましく、また、0.5質量%以下が好ましく、0.2質量%以下がより好ましい。また、粘度調整剤の濃度は、金属キレート錯体溶液の所望の粘度に応じて調整すればよい。 The amount of additive used may be adjusted as needed to ensure that the effects of each component are fully achieved. For example, in the case of a surfactant, its concentration in the metal chelate complex solution may be 0.01% by mass or more and 1% by mass or less. This concentration is preferably 0.05% by mass or more, and preferably 0.5% by mass or less, and more preferably 0.2% by mass or less. The concentration of the viscosity modifier may be adjusted according to the desired viscosity of the metal chelate complex solution.

金属キレート錯体溶液は、少なくとも高標準酸化還元電位金属成分を含む金属化合物と低標準酸化還元電位金属成分を含む金属化合物とキレート剤を溶媒に溶解することにより調製することができる。或いは、金属元素のキレート錯体を溶媒に溶解することにより、金属キレート錯体溶液を調製してもよい。 The metal chelate complex solution can be prepared by dissolving at least a metal compound containing a high standard redox potential metal component, a metal compound containing a low standard redox potential metal component, and a chelating agent in a solvent. Alternatively, the metal chelate complex solution may be prepared by dissolving a chelate complex of a metal element in a solvent.

高標準酸化還元電位金属成分および/または低標準酸化還元電位金属成分を含む金属化合物としては、酸化物、水酸化物、塩化物塩や臭化物塩などのハロゲン化物塩、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、リン酸塩、ホウ酸塩、ケイ酸塩などを用いることができる。これらの中でも、金属酸化物、金属水酸化物、金属炭酸塩、金属硝酸塩を使用することが好ましい。これらの金属化合物を用いて金属キレート錯体溶液を調製することにより、塗布工程と熱処理工程によって形成された合金膜中に不要な元素が混入することを抑えることができる。 Metal compounds containing high standard redox potential metal components and/or low standard redox potential metal components can include oxides, hydroxides, halide salts such as chlorides and bromides, carbonates, nitrates, sulfates, phosphates, borates, silicates, etc. Among these, metal oxides, metal hydroxides, metal carbonates, and metal nitrates are preferred. By preparing a metal chelate complex solution using these metal compounds, it is possible to prevent unwanted elements from being mixed into the alloy film formed by the coating and heat treatment processes.

金属キレート錯体溶液を調製する際に用いるキレート剤としては、上記に説明したキレート剤の遊離酸タイプやその塩を使用することができる。キレート剤の塩としては、アンモニウム塩またはアミン塩を用いることが好ましい。このようなキレート剤を用いれば、熱処理工程でアンモニウムイオンやアミン成分が容易に分解されて、合金膜中に不要な元素が混入することを抑えることができる。 The chelating agent used in preparing the metal chelate complex solution can be the free acid type or salt of the chelating agent described above. It is preferable to use an ammonium salt or an amine salt as the salt of the chelating agent. The use of such a chelating agent allows the ammonium ion or amine component to be easily decomposed during the heat treatment process, preventing unwanted elements from being mixed into the alloy film.

キレート剤の価数とキレートされる金属イオンの価数とが等しくない場合は、金属キレート錯体が電気的に中性となるようカチオンまたはアニオンを添加してもよい。カチオンとしては、アンモニウムイオンや、第四級アンモニウムカチオンが挙げられる。アニオンとしては、硝酸イオンや、塩化物イオンや臭化物イオン等のハロゲン化物イオンが挙げられるが、合金膜に残留し難いことから硝酸イオンが好ましい。 If the valence of the chelating agent is not equal to the valence of the metal ion to be chelated, a cation or anion may be added to make the metal chelate complex electrically neutral. Examples of cations include ammonium ions and quaternary ammonium cations. Examples of anions include nitrate ions and halide ions such as chloride ions and bromide ions, but nitrate ions are preferred because they are less likely to remain in the alloy film.

金属キレート錯体溶液を調製する際の温度は、溶媒の融点以上沸点以下であれば特に限定されないが、20℃以上が好ましく、35℃以上がより好ましく、50℃以上がさらに好ましく、また80℃以下が好ましく、70℃以下がより好ましい。キレート剤や金属キレート錯体が完全に溶解しない場合には、アンモニアやアミン等を加えて完全溶解させることが好ましい。 The temperature when preparing the metal chelate complex solution is not particularly limited as long as it is above the melting point and below the boiling point of the solvent, but is preferably 20°C or higher, more preferably 35°C or higher, even more preferably 50°C or higher, and preferably 80°C or lower, more preferably 70°C or lower. If the chelating agent or metal chelate complex does not dissolve completely, it is preferable to add ammonia, an amine, or the like to achieve complete dissolution.

金属キレート錯体を金属キレート錯体溶液の原料として用いる場合は、上記のように調製した金属キレート錯体溶液から金属キレート錯体を固体として析出させ、これを金属キレート錯体溶液の原料として用いればよい。金属キレート錯体の析出は、金属キレート錯体溶液への貧溶媒の添加、金属キレート錯体溶液の加熱、濃縮、冷却などにより行えばよく、必要に応じて、濾別、乾燥、洗浄、再結晶などの処理を更に施してもよい。 When using the metal chelate complex as a raw material for the metal chelate complex solution, the metal chelate complex can be precipitated as a solid from the metal chelate complex solution prepared as described above, and this can be used as the raw material for the metal chelate complex solution. The metal chelate complex can be precipitated by adding a poor solvent to the metal chelate complex solution, or by heating, concentrating, or cooling the metal chelate complex solution. If necessary, further treatments such as filtration, drying, washing, or recrystallization may be performed.

金属キレート錯体溶液を塗布する基材は、後段の熱処理工程で加熱されても変質や変形しない程度に十分な熱耐性を有するものであれば特に限定されず、主に無機物から構成されることが好ましい。そのような観点から、基材としては、セメント硬化体、鉱物、セラミック、金属が好ましく用いられる。基材は、構造物などの不動産であってもよく、土管や建材などであってもよい。不動産の基材としては、例えば、トンネル、地下街、港湾などの構造物の壁や天井、ビル等の建築物の壁や天井、道路、橋梁、崖などが挙げられる。 The substrate to which the metal chelate complex solution is applied is not particularly limited as long as it has sufficient heat resistance so that it will not change or deform when heated in the subsequent heat treatment process, and is preferably composed primarily of inorganic materials. From this perspective, hardened cement paste, minerals, ceramics, and metals are preferably used as substrates. The substrate may also be real estate such as a structure, or may be a clay pipe or building material. Examples of real estate substrates include the walls and ceilings of structures such as tunnels, underground shopping malls, and ports, the walls and ceilings of buildings such as buildings, roads, bridges, and cliffs.

セメントは、主に酸化カルシウム(CaO)、二酸化ケイ素(SiO2)、酸化アルミニウム(Al23)、および酸化鉄(III)(Fe23)を主成分とするものであり、セメントのうちポルトランドセメントは、ケイ酸三カルシウム(エーライト,3CaO・SiO2)、ケイ酸二カルシウム(ビーライト,2CaO・SiO2)、カルシウムアルミネート(アルミネート,3CaO・Al23)、カルシウムアルミノフェライト(フェライト,4CaO・Al23・Fe23)、および硫酸カルシウム(石膏,CaSO3・2H2O)を含む。セメントは、酸化カルシウムが水酸化カルシウムになったり、その他の成分が水和物になることによる化学反応により硬化する。セメントには、ポルトランドセメントの他、ポルトランドセメントに加えて高炉スラグ、フライアッシュ、またはシリカ質混合材を混合した混合セメントがある。モルタルは、細骨材である砂とセメントと水とを練り混ぜて硬化させたものであり、コンクリートは、砂、砂利、水などをセメントで凝固させた硬化物である。セメントは上記の通り水和反応により硬化し、反応に関与しない水分は揮発するため、一般的なセメント硬化体は多孔質である。 Cement is primarily composed of calcium oxide (CaO), silicon dioxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and iron(III) oxide (Fe 2 O 3 ). Portland cement contains tricalcium silicate (alite, 3CaO·SiO 2 ), dicalcium silicate (belite, 2CaO·SiO 2 ), calcium aluminate (aluminate, 3CaO·Al 2 O 3 ), calcium aluminoferrite (ferrite, 4CaO·Al 2 O 3 ·Fe 2 O 3 ), and calcium sulfate (gypsum, CaSO 3 ·2H 2 O). Cement hardens through chemical reactions in which calcium oxide becomes calcium hydroxide and other components become hydrated. In addition to Portland cement, there are also blended cements, which are made by mixing Portland cement with blast furnace slag, fly ash, or silica-based admixtures. Mortar is made by mixing sand, which is a fine aggregate, with cement and water and then hardening it, while concrete is a hardened product made by solidifying sand, gravel, water, etc. with cement. As mentioned above, cement hardens through a hydration reaction, and the water that is not involved in the reaction evaporates, so typical hardened cement products are porous.

セメント硬化体は、上記の通り水和により硬化したものであることから、水、特に海水により劣化する傾向があり、また、水酸化カルシウムを含むことから酸により劣化する傾向がある。しかし本発明方法によれば、セメント硬化体基材の一部または全部の表面を合金膜で被覆できることから、セメント硬化体の耐性を高めることができる。 As mentioned above, hardened cement pastes are hardened by hydration and therefore tend to be degraded by water, particularly seawater, and because they contain calcium hydroxide, they also tend to be degraded by acids. However, the method of the present invention can coat part or all of the surface of the hardened cement paste substrate with an alloy film, thereby increasing the durability of the hardened cement paste.

鉱物としては、大理石などの石灰石、硅石、大谷石などが挙げられる。セラミックとしては、アルミナ、ジルコニア、チタン酸バリウム、シリカなどの金属酸化物;ハイドロキシアパタイト等の金属水酸化物;炭化ケイ素などの金属炭化物;窒化ケイ素などの金属窒化物が挙げられる。基材を構成する金属としては、合金膜を形成する金属以外の金属が挙げられる。例えば、鉄;炭素鋼、ステンレス鋼、クロムモリブデン鋼、マンガンモリブデン鋼などの鉄合金;ジュラルミン等のアルミ合金;ハステロイやモネル等のニッケル合金などが挙げられる。 Minerals include limestone such as marble, silica, and Oya stone. Ceramics include metal oxides such as alumina, zirconia, barium titanate, and silica; metal hydroxides such as hydroxyapatite; metal carbides such as silicon carbide; and metal nitrides such as silicon nitride. Metals that make up the substrate include metals other than those that form alloy films. Examples include iron; iron alloys such as carbon steel, stainless steel, chromium-molybdenum steel, and manganese-molybdenum steel; aluminum alloys such as duralumin; and nickel alloys such as Hastelloy and Monel.

金属キレート錯体溶液の基材への塗布方法は特に限定されず、例えば塗料による塗装のように刷毛やローラーを用いた塗布や、スプレー塗布などを採用することができる。また、基材の大きさによっては、ディップ法やスピンコート法による塗布も可能である。 The method for applying the metal chelate complex solution to the substrate is not particularly limited; for example, application using a brush or roller, as with paint, or spray application can be used. Depending on the size of the substrate, application by dipping or spin coating is also possible.

金属キレート錯体溶液は基材の表面の全部に塗布してもよく、一部のみに塗布してもよい。また、2種以上の金属キレート錯体溶液を用いそれぞれ異なる部分に塗布することにより、塗布部分の意匠性を高めてもよい。更に、合金膜の所望の膜厚によっては、金属キレート錯体溶液の塗布と乾燥を複数回繰り返したり、粘度の高い金属キレート錯体溶液を厚く塗ること等により、金属キレート錯体の塗膜厚さを厚くすることも可能である。 The metal chelate complex solution may be applied to the entire surface of the substrate, or to only a portion of it. Two or more types of metal chelate complex solutions may be used and applied to different areas to enhance the design of the applied areas. Furthermore, depending on the desired thickness of the alloy film, it is possible to increase the thickness of the metal chelate complex coating by repeatedly applying and drying the metal chelate complex solution, or by applying a thicker layer of a more viscous metal chelate complex solution.

金属キレート錯体溶液を基材表面に塗布した後の乾燥条件は、主に金属錯体キレート溶液の溶媒に応じて適宜調整すればよい。例えば、40℃以上、80℃以下程度で5分間以上、1時間以下加熱してもよい。或いは、塗膜が乾燥するまで、常温で放置してもよい。 The drying conditions after applying the metal chelate complex solution to the substrate surface can be adjusted appropriately depending mainly on the solvent used in the metal complex chelate solution. For example, the solution can be heated at a temperature of 40°C or higher and 80°C or lower for 5 minutes or longer and 1 hour or shorter. Alternatively, the solution can be left at room temperature until the coating is dry.

2.熱処理工程
本工程では、基材の金属キレート錯体溶液を塗布した部分を熱処理することにより、合金膜を形成する。より詳しくは、金属キレート錯体溶液の塗布部分を加熱することにより、キレート剤や界面活性剤などの有機成分を熱分解して除去し、且つ、おそらく本発明ではイオン化傾向が比較的小さい高標準酸化還元電位金属成分を用いることにより、金属酸化物ではなく高標準酸化還元電位金属の膜が形成されると共に、イオン化傾向が比較的大きい低標準酸化還元電位金属成分の全部または大部分も金属酸化物ではなく金属膜を形成すると考えられる。
2. Heat Treatment Step In this step, the portion of the substrate coated with the metal chelate complex solution is heat-treated to form an alloy film. More specifically, by heating the portion coated with the metal chelate complex solution, organic components such as chelating agents and surfactants are thermally decomposed and removed. Furthermore, it is believed that, due to the use of a high standard oxidation-reduction potential metal component with a relatively low ionization tendency in the present invention, a film of the high standard oxidation-reduction potential metal is formed rather than a metal oxide, and that all or most of the low standard oxidation-reduction potential metal component with a relatively high ionization tendency also forms a metal film rather than a metal oxide.

本工程の温度は、有機成分が熱分解される範囲で調整する。例えば、1000℃以上、3500℃以下とすることができる。当該温度としては、1200℃以上が好ましく、1300℃以上がより好ましい。加熱には、例えば燃焼性ガスを燃焼させて得られる炎を用いることができる。燃焼性ガスとしては、特に制限はなく、例えば水素、アセチレン、プロパン、ブタン等を用いることができる。なお、本発明者らは、当初、合金膜の形成には還元性を有する水素炎での加熱が必要であると考えていたが、本発明方法によれば、アセチレン炎やブタン炎でも合金膜を形成することが可能である。また、熱処理時間も適宜調整すべきであり、例えば、合金膜の形成が認められれば、金属酸化物への酸化を防ぐために加熱処理を停止すべきである。合金膜の形成は、金属イオンからの変色や、金属特有の光沢の発現などにより確認することができる。 The temperature in this process is adjusted within a range that allows the organic components to thermally decompose. For example, it can be set to 1000°C or higher and 3500°C or lower. A temperature of 1200°C or higher is preferred, with 1300°C or higher being more preferred. Heating can be performed using a flame obtained by burning a combustible gas. The combustible gas is not particularly limited, and examples include hydrogen, acetylene, propane, and butane. The inventors initially believed that a reducing hydrogen flame was necessary to form an alloy film. However, the method of the present invention makes it possible to form an alloy film using an acetylene or butane flame. The heat treatment time should also be adjusted appropriately. For example, if the formation of an alloy film is observed, the heat treatment should be stopped to prevent oxidation to metal oxide. The formation of an alloy film can be confirmed by discoloration from metal ions or the appearance of a metallic luster.

熱処理は、火炎ではなくレーザーを用いて行ってもよい。レーザーとは、指向性(直進性)、単色性および可干渉性を有する光であり、レーザーを対象物に照射することにより対象物の表面温度を急激に高めることができ、加工が可能になる。本発明においては、金属キレート錯体溶液を塗布した部分にレーザー光を照射し、表面温度を上記範囲に調節することにより、反応を進行させる。使用するレーザーは、合金膜を形成できる範囲で適宜選択すればよいが、例えば、レーザー加工に汎用されるYAGレーザーやCO2レーザーを用いることができる。 The heat treatment may be carried out using a laser instead of a flame. A laser is a light that is directional (linear), monochromatic, and coherent, and by irradiating a target object with a laser, the surface temperature of the target object can be rapidly increased, making processing possible. In the present invention, the reaction is caused to proceed by irradiating the area coated with the metal chelate complex solution with laser light and adjusting the surface temperature to the above range. The laser to be used may be selected appropriately within the range that allows the formation of an alloy film, and for example, a YAG laser or CO2 laser, which are commonly used for laser processing, can be used.

レーザーの照射条件は、金属キレート錯体溶液を塗布した部分に合金膜が形成される範囲で調節すればよい。例えば、照射レーザーのエネルギーが高いほど熱処理時間は短縮できるが、形成された合金膜が損傷するほど高エネルギーのレーザーを用いることは好ましくない。具体的には、例えば、1.06μmや10.6μmといった比較的長波長で、0.01msec以上、1msec以下程度の比較的低エネルギーのレーザーを用い、パルス数を1pps以上、100pps以下程度にすることが好ましい。また、レーザーの照射時間は、塗布面が金属光沢を帯びるまでとすればよい。 The laser irradiation conditions can be adjusted so that an alloy film is formed on the area where the metal chelate complex solution is applied. For example, the higher the energy of the irradiated laser, the shorter the heat treatment time, but it is not desirable to use a laser with such high energy that it damages the formed alloy film. Specifically, it is preferable to use a laser with a relatively long wavelength, such as 1.06 μm or 10.6 μm, and a relatively low energy of 0.01 msec or more and 1 msec or less, with a pulse rate of approximately 1 pps or more and 100 pps or less. The laser irradiation time can be adjusted until the coated surface acquires a metallic luster.

基材は、炎中または炎がのびる先に設置することが好ましい。炎を形成するバーナーから基材までの距離は、例えば30mm以上、300mm以下の範囲で調整すればよい。熱処理工程は、基材および/またはバーナーを10mm/秒以上、200mm/秒以下の相対速度(互いに対する相対速度)で移動させながら基材を炎で炙ることが好ましく、これにより基材の破損や劣化を防ぎつつ、基材表面に合金膜を好適に形成しやすくなる。このように基材および/またはバーナーを移動させる場合、基材を炎で炙る処理は1回のみ行ってもよく、複数回行ってもよい。後者の場合、例えば基材および/またはバーナーを往復移動させながら、基材を炎で炙ることが簡便である。レーザーを用いる場合には、例えば、塗布面に付与されるエネルギー量や照射面積が適切なものとなるよう、レーザー加工機の集光系と塗布面との距離を調整することが好ましい。 The substrate is preferably placed in the flame or at the end of the flame. The distance from the burner that generates the flame to the substrate can be adjusted, for example, within a range of 30 mm to 300 mm. In the heat treatment process, the substrate is preferably heated by the flame while the substrate and/or burner are moved at a relative speed (relative to each other) of 10 mm/sec to 200 mm/sec. This prevents damage or deterioration of the substrate and facilitates the formation of an alloy film on the substrate surface. When the substrate and/or burner are moved in this manner, the substrate may be heated by the flame once or multiple times. In the latter case, it is convenient to heat the substrate by the flame while moving the substrate and/or burner back and forth, for example. When a laser is used, it is preferable to adjust the distance between the focusing system of the laser processing machine and the surface to be coated, for example, so that the amount of energy and irradiation area applied to the surface to be coated are appropriate.

上記のようにして、基材上に合金膜が形成された複合体を得ることができる。本発明の製造方法によれば、金属キレート錯体溶液を基材に塗布し、炎やレーザーを当てて熱処理することにより、基材上に合金膜を簡便に形成することができる。即ち、本発明に係る複合体とは、基材と合金膜層を含み、基材の少なくとも一部が合金膜層により被覆されているものをいう。このように形成された合金膜は、薄い膜状に形成することができるため、金属の塗布や形成にかかるコストを低減することが可能となる。合金膜の厚さとしては、特に制限されないが、例えば0.5μm以上、100μm以下とすることができる。また、本発明の製造方法によれば、土木構造物や建築物など容易に動かせない基材であっても、in situで基材上に簡単に合金膜を形成することができる。 As described above, a composite having an alloy film formed on a substrate can be obtained. According to the manufacturing method of the present invention, an alloy film can be easily formed on a substrate by applying a metal chelate complex solution to the substrate and then heat-treating it with a flame or laser. In other words, the composite of the present invention refers to a composite comprising a substrate and an alloy film layer, with at least a portion of the substrate being coated with the alloy film layer. The alloy film thus formed can be formed as a thin film, thereby reducing the costs associated with applying and forming metal. The thickness of the alloy film is not particularly limited, but can be, for example, 0.5 μm or more and 100 μm or less. Furthermore, according to the manufacturing method of the present invention, an alloy film can be easily formed in situ on a substrate, even if it is an immovable substrate such as a civil engineering structure or building.

上述したように、セメント硬化体は水和反応などの化学反応により硬化したものであり、また、強度向上のため比較的粒径の大きい砂や砂利を含むため、一般的には多孔質である。セメント硬化体としては、セメント自体の硬化体の他、セメントと砂との混合物の硬化体であるモルタルや、更に比較的粒子径の大きい砂利を含む混合物の硬化体であるコンクリートが挙げられる。これらはいずれも多孔質である。それに対して、例えば溶融金属を用いる溶射法ではセメント硬化体の細孔内へ金属を充填することができず、形成された合金膜の剥離耐性は劣っているといえるが、本発明方法では液体である金属キレート錯体溶液を用いるため、細孔内へも金属キレート錯体溶液を侵入させることができ、結果として剥離耐性に優れた合金膜を形成することができる。界面活性剤を含み、表面張力が低減された金属キレート錯体溶液であれば、より小さな細孔へも溶液の浸入はより容易である。 As mentioned above, hardened cement pastes are generally porous because they are formed through chemical reactions such as hydration and contain relatively large-particle sand and gravel to enhance strength. Examples of hardened cement pastes include hardened cement itself, mortar, which is a hardened mixture of cement and sand, and concrete, which is a hardened mixture containing relatively large-particle gravel. All of these are porous. In contrast, thermal spraying methods using molten metal, for example, are unable to fill the pores of hardened cement pastes with metal, resulting in poor peeling resistance for the formed alloy film. However, the method of the present invention uses a liquid metal chelate complex solution, which allows the metal chelate complex solution to penetrate into the pores, resulting in the formation of an alloy film with excellent peeling resistance. A metal chelate complex solution containing a surfactant and reduced surface tension allows the solution to more easily penetrate even smaller pores.

具体的には、基材がセメント硬化体である本発明に係る複合体は、基材と合金膜の界面よりも基材側に金属成分が存在することから、合金膜の剥離耐性は高い。基材と金属膜の界面とは、例えば、複合体を合金膜の平面方向と垂直の方向に切断し、断面を走査型電子顕微鏡などで1000倍以上、10000倍以下程度に拡大観察し、100μmの基準長さにおける平均線をいう。ここでの平均線は、粗さ曲線のためのろ波うねり曲線を最小二乗法により直線におきかえた線をいう(JIS B 0601-1994)。 Specifically, in the composite of the present invention, in which the substrate is a hardened cement paste, the metal component is present closer to the substrate than to the interface between the substrate and the alloy film, resulting in high peeling resistance of the alloy film. The interface between the substrate and the metal film refers to the average line at a reference length of 100 μm when the composite is cut in a direction perpendicular to the planar direction of the alloy film and the cross section is observed at a magnification of 1000x or more and 10,000x or less using a scanning electron microscope or the like. The average line here refers to the line obtained by converting the filtered waviness curve for the roughness curve into a straight line using the least squares method (JIS B 0601-1994).

以下に、実施例を示すことにより本発明を更に詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではない。 The present invention will be explained in more detail below by showing examples, but the scope of the present invention is not limited to these examples.

実施例1: 多結晶アルミナ板上へのCu-Zn合金膜の形成
(1)金属キレート錯体水溶液の調製
容量500mLのビーカーにエチレンジアミン四酢酸(150.7g,0.516mol)を入れ、更に蒸留水を加えて総量を350gとした。更に25%アンモニア水(70.2g)及び、酸化銅(II)(41.1g,0.516mol)を加え、90℃で4時間撹拌を続けることにより完全に溶解させた。その後、蒸留水を加えて希釈することにより、EDTA・Cu・(NH42の40質量%水溶液を得た。
同様に、容量500mLのビーカーにエチレンジアミン四酢酸(150.0g,0.514mol)を入れ、更に蒸留水を加えて総量を350gとした。更に25%アンモニア水(69.9g)と酸化亜鉛(41.3g、0.514mol)を加え、80℃で3時間撹拌を続けることにより完全に溶解させた。その後、蒸留水を加えて希釈することにより、EDTA・Zn・(NH42の40質量%水溶液を得た。
得られた各溶液を、Cu:Zn=0.61:0.39,0.71:0.29,0.80:0.20,0.90:0.10,又は0.95:0.05(モル比)となるように混合し、更に非イオン界面活性剤(「オルフィン(R)EXP.4300」日信化学工業社製)をその濃度が0.1質量%になるよう添加した。
Example 1: Formation of Cu—Zn alloy film on polycrystalline alumina plate (1) Preparation of metal chelate complex aqueous solution Ethylenediaminetetraacetic acid (150.7 g, 0.516 mol) was placed in a 500 mL beaker, and distilled water was added to bring the total volume to 350 g. 25% aqueous ammonia (70.2 g) and copper(II) oxide (41.1 g, 0.516 mol) were then added, and the mixture was stirred at 90°C for 4 hours to completely dissolve the solution. Distilled water was then added to dilute the solution, yielding a 40% by mass aqueous solution of EDTA.Cu.( NH4 ) 2 .
Similarly, ethylenediaminetetraacetic acid (150.0 g, 0.514 mol) was placed in a 500 mL beaker, and distilled water was added to bring the total volume to 350 g. 25% aqueous ammonia (69.9 g) and zinc oxide (41.3 g, 0.514 mol) were then added, and the mixture was stirred at 80°C for 3 hours to completely dissolve the EDTA.Zn.(NH4) 2 . The mixture was then diluted with distilled water to obtain a 40% by mass aqueous solution of EDTA.Zn.( NH4 ).
The obtained solutions were mixed to give a Cu:Zn molar ratio of 0.61:0.39, 0.71:0.29, 0.80:0.20, 0.90:0.10, or 0.95:0.05, and a nonionic surfactant ( Olfine® EXP.4300, manufactured by Nissin Chemical Industry Co., Ltd.) was added to the mixture to give a concentration of 0.1% by mass.

(2)Cu-Zn合金膜の形成
5cm×2.5cmの多結晶アルミナ基板上に、単位面積あたり0.012g/cm2の塗布量で前記各金属キレート錯体水溶液を塗布し、65℃で20分間乾燥させた。
次に、スプレーガン(「6P-II」Sulzer Metco社製)を用い、水素を32.5L/min、酸素を43.0L/minの速度で供給し、13cmの距離からスプレーガンを50mm/sの速度で移動させながら基材正面を3回走査して塗膜を加熱した。
得られた被膜を、X線回折装置(「Ultima IV」Rigaku社製)を用いてX線回折法で分析した。結果を図1に示す。図1中、(a)~(e)はCu:Zn(モル比)を示す。具体的には、Cu:Zn=0.61:0.39(a),0.71:0.29(b),0.80:0.20(c),0.90:0.10(d),0.95:0.05(e)(モル比)である。
(2) Formation of Cu—Zn Alloy Film Each of the metal chelate complex aqueous solutions was applied to a 5 cm×2.5 cm polycrystalline alumina substrate in an amount of 0.012 g/cm 2 per unit area, and dried at 65° C. for 20 minutes.
Next, using a spray gun ("6P-II" manufactured by Sulzer Metco), hydrogen was supplied at a rate of 32.5 L/min and oxygen at a rate of 43.0 L/min, and the spray gun was moved at a speed of 50 mm/s from a distance of 13 cm, scanning the front surface of the substrate three times to heat the coating.
The resulting coating was analyzed by X-ray diffraction using an X-ray diffraction apparatus ("Ultima IV" manufactured by Rigaku Corporation). The results are shown in Figure 1. In Figure 1, (a) to (e) indicate Cu:Zn (molar ratio). Specifically, Cu:Zn = 0.61:0.39 (a), 0.71:0.29 (b), 0.80:0.20 (c), 0.90:0.10 (d), and 0.95:0.05 (e) (molar ratio).

図1に示される結果の通り、Cuに対するZnの相対的モル比が小さいほど、ZnOのピーク強度は小さくなり、Cu:Zn=0.80:0.20(c)で分析上はZnOのピークは検出されたが、肉眼ではピークが認められないほどであった。また、International Centre for Diffraction Data(ICDD)が刊行している粉末X線回折データベースによれば、Cu(111)とCu(200)の回折ピーク角度(2θ)(ICDD-00-050-1333)はそれぞれ43.2970°と50.4330°、Cu0.951Zn0.049(111)と(200)の回折ピーク角度(2θ)(ICDD-00-050-1333)はそれぞれ43.2690°と50.3930°、Cu0.75Zn0.25(111)と(200)の回折ピーク角度(2θ)(ICDD-01-071-7924)はそれぞれ42.6735°と49.6865°、Cu0.64Zn0.36(111)と(200)の回折ピーク角度(2θ)(ICDD-00-050-1333)はそれぞれ42.4350°と49.2751°であり、Cu-Zn合金の回折ピーク角度はZnの割合が多いほど低角側にシフトしていく傾向があり、本実施例の測定結果でもCu:Zn=0.95:0.05(e)と0.90:0.10(d)(111)の回折ピーク角度(2θ)が43.14°、Cu:Zn=0.80:0.20(c)~0.61:0.39(a)(111)の回折ピーク角度(2θ)が43.12°、Zn=0.95:0.05(200)の回折ピーク角度(2θ)が50.28°、Cu:Zn=0.90:0.10(200)の回折ピーク角度(2θ)が50.26°、Cu:Zn=0.80:0.20~0.61:0.39(200)の回折ピーク角度(2θ)が50.24°と、同様にZnの割合が多いほど回折ピーク角度が低角側にシフトする傾向が認められた。よって、特にCuに対するZnのモル比が4以上である場合に、Cu-Znの合金膜が良好に形成されていることが示された。 As shown in the results in Figure 1, the smaller the relative molar ratio of Zn to Cu, the smaller the ZnO peak intensity. At Cu:Zn = 0.80:0.20 (c), a ZnO peak was detected analytically, but the peak was not visible to the naked eye. According to the powder X-ray diffraction database published by the International Centre for Diffraction Data (ICDD), the diffraction peak angles (2θ) of Cu(111) and Cu(200) (ICDD-00-050-1333) are 43.2970° and 50.4330°, respectively, the diffraction peak angles (2θ) of Cu 0.951 Zn 0.049 (111) and (200) (ICDD-00-050-1333) are 43.2690° and 50.3930°, respectively, and the diffraction peak angles (2θ) of Cu 0.75 Zn 0.25 The diffraction peak angles (2θ) of (111) and (200) (ICDD-01-071-7924) are 42.6735° and 49.6865°, respectively, and the diffraction peak angles (2θ) of Cu 0.64 Zn 0.36 (111) and (200) (ICDD-00-050-1333) are 42.4350° and 49.2751°, respectively. The diffraction peak angles of Cu-Zn alloys tend to shift to lower angles as the Zn content increases. In the measurement results of this example, the diffraction peak angles (2θ) of (111) of Cu:Zn = 0.95:0.05 (e) and 0.90:0.10 (d) are 43.14°, and Cu:Zn = 0.80:0.20 (c) to 0.61 The diffraction peak angle (2θ) of Cu:Zn=0.95:0.39(a)(111) was 43.12°, the diffraction peak angle (2θ) of Zn=0.95:0.05(200) was 50.28°, the diffraction peak angle (2θ) of Cu:Zn=0.90:0.10(200) was 50.26°, and the diffraction peak angle (2θ) of Cu:Zn=0.80:0.20-0.61:0.39(200) was 50.24°, and similarly, a tendency was observed in which the diffraction peak angle shifted to a lower angle as the Zn content increased. Therefore, it was shown that a Cu—Zn alloy film was formed well, particularly when the molar ratio of Zn to Cu was 4 or more.

実施例2: アルミニウム合金板上へのCu-Zn合金膜の形成
金属キレート錯体水溶液におけるCu:Zn(モル比)を0.61:0.39,0.71:0.29,0.90:0.10,又は0.95:0.05とした以外は実施例1と同様にして、アルミニウム合金板上にCu-Zn合金膜を形成した。
得られた被膜を、X線回折装置(「Ultima IV」Rigaku社製)を用いてX線回折法で分析した。結果を図2に示す。図2中、(a)~(d)はCu:Zn(モル比)を示す。具体的には、Cu:Zn=0.61:0.39(a),0.71:0.29(b),0.90:0.10(c),0.95:0.05(d)(モル比)である。
Example 2: Formation of Cu—Zn alloy film on aluminum alloy plate A Cu—Zn alloy film was formed on an aluminum alloy plate in the same manner as in Example 1, except that the Cu:Zn (molar ratio) in the metal chelate complex aqueous solution was changed to 0.61:0.39, 0.71:0.29, 0.90:0.10, or 0.95:0.05.
The obtained coating was analyzed by X-ray diffraction using an X-ray diffraction apparatus ("Ultima IV" manufactured by Rigaku Corporation). The results are shown in Figure 2. In Figure 2, (a) to (d) indicate Cu:Zn (molar ratio). Specifically, Cu:Zn = 0.61:0.39 (a), 0.71:0.29 (b), 0.90:0.10 (c), and 0.95:0.05 (d) (molar ratio).

図2に示される結果の通り、ZnOの回折ピークが認められたのはCu:Zn=0.61:0.39(a)のみであった。また、Cu:Zn=0.71:0.29(b)と0.61:0.39(a)で(111)と(200)の回折ピーク角度(2θ)が高角側に向かうものの、Cu:Zn=0.95:0.05(d)(111)の回折ピーク角度(2θ)が42.80°、Cu:Zn=0.90:0.10(c)(111)の回折ピーク角度(2θ)が42.74°であり、Cu:Zn=0.95:0.05(d)(200)の回折ピーク角度(2θ)が49.96°、Cu:Zn=0.90:0.10(c)(200)の回折ピーク角度(2θ)が49.90°であることから、やはりCuに対するZnのモル比が4以上である場合に、Cu-Znの合金膜が良好に形成されていると考えられた。 As shown in Figure 2, only Cu:Zn = 0.61:0.39 (a) exhibited ZnO diffraction peaks. Furthermore, while the (111) and (200) diffraction peak angles (2θ) tended to be higher for Cu:Zn = 0.71:0.29 (b) and 0.61:0.39 (a), the (111) diffraction peak angle (2θ) for Cu:Zn = 0.95:0.05 (d) was 42.80°, and the (111) diffraction peak angle (2θ) for Cu:Zn = 0.90:0.10 (c) was 42. 74°, the diffraction peak angle (2θ) for Cu:Zn = 0.95:0.05 (d) (200) was 49.96°, and the diffraction peak angle (2θ) for Cu:Zn = 0.90:0.10 (c) (200) was 49.90°. This suggests that a Cu-Zn alloy film is formed well when the molar ratio of Zn to Cu is 4 or higher.

本発明方法によれば、トンネル、地下街、港湾など、水分や海水による劣化が懸念されるコンクリート建材や、水分に加えて微生物が生産する酸による劣化が懸念される下水管などとして利用可能な耐食性や抗菌性に優れた合金膜被覆複合体を簡便に製造することができる。 The method of the present invention makes it possible to easily produce alloy film-coated composites with excellent corrosion resistance and antibacterial properties that can be used for concrete building materials in tunnels, underground shopping malls, ports, and other areas where deterioration due to moisture and seawater is a concern, as well as for sewer pipes where deterioration due to moisture and acids produced by microorganisms is a concern.

Claims (6)

基材上に合金膜が形成された複合体の製造方法であって、
Cu、Zn、キレート剤、及び界面活性剤を含む金属キレート錯体溶液を前記基材に塗布する工程、並びに、
前記基材の前記金属キレート錯体溶液を塗布した部分を熱処理する工程を含み、
前記Znに対する前記Cuのモル比が4以上であることを特徴とする方法。
A method for producing a composite in which an alloy film is formed on a substrate, comprising:
applying a metal chelate complex solution containing Cu, Zn, a chelating agent, and a surfactant to the substrate; and
a step of heat treating the portion of the substrate onto which the metal chelate complex solution is applied,
The method according to claim 1, wherein the molar ratio of Cu to Zn is 4 or greater.
前記基材がセメント硬化体である請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the substrate is a hardened cement paste. 前記Znに対する前記Cuのモル比(前記Cuのモル数/前記Znのモル数)が4以上、50以下である請求項1または2に記載の方法。 The method of claim 1 or 2, wherein the molar ratio of Cu to Zn (number of moles of Cu/number of moles of Zn) is 4 or more and 50 or less. 前記金属キレート錯体溶液が、溶媒として、水、または水混和性有機溶媒と水との混合溶媒を含む請求項1~3のいずれかに記載の方法。 The method of any one of claims 1 to 3, wherein the metal chelate complex solution contains water or a mixed solvent of water and a water-miscible organic solvent as the solvent. 前記金属キレート錯体溶液の前記Cuおよび前記Znの含有量が0.1質量%以上、15質量%以下である請求項1~4のいずれかに記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the Cu and Zn contents of the metal chelate complex solution are 0.1% by mass or more and 15% by mass or less. 前記キレート剤がアミノカルボン酸系キレート剤である請求項1~5のいずれかに記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the chelating agent is an aminocarboxylic acid chelating agent.
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