2019 Fiscal Year Research-status Report
セルロースナノファイバーによる鉄錆の強化と既設鋼構造物補修用塗料への応用
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17K06838
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
花木 宏修 大阪大学, 工学研究科, 招へい准教授 (20336829)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
倉敷 哲生 大阪大学, 工学研究科, 教授 (30294028)
山下 正人 大阪大学, 工学研究科, 招へい教授 (60291960)
藤本 愼司 大阪大学, 工学研究科, 教授 (70199371)
向山 和孝 大阪大学, 工学研究科, 助教 (80743400) [Withdrawn]
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 鉄鋼インフラ / 寿命延伸 / セルロースナノファイバー / 錆のナノ構造制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では,経年劣化した鋼構造物の補修，寿命延伸を目的とした機能性塗料を開発している．開発する塗料は母材となる水溶性樹脂にセルロースナノファイバー(CNF)を分散させる．さらに，顔料として申請者らが研究してきた錆のナノ構造を制御する種々のイオンを添加する．CNF は大気中の酸素や水を鋼材表面に供給するための経路であり，同時に錆を成長させる培養地としての役割を担う．すでに錆が生成した鋼材表面に本塗料を塗布することにより，CNF を通じて供給された水や酸素，添加イオン種が鉄イオンと反応し，熱力学的に安定なゲーサイトを中心とする錆が再構築される．これにより鋼構造物の寿命延伸を図る．
本年度は，前年に引き続きCNF分散機能性塗料を試作し，腐食試験によりその特性を評価した．腐食試験に伴い鋼材表面に生成する錆の様相や電気化学特性，結晶構造の変化を，走査型電子顕微鏡観察やX 線回折による構造解析，電気化学的測定により調査した．
本年度の主な進捗として,(1)既に錆が発生した鋼材への適用,(2)有効イオン種を添加した水系樹脂の塗料化が挙げられる.(1)に関しては,既設構造物への適用を考慮している.飛来塩分量の多い日本海側の海岸地帯（研究分担者が施設を所有）に3か月間事前に大気暴露した試験片を準備した.本試験片を実際の施工を想定した3 種ケレンにより表面の浮き錆や汚れを落とした後にCNF分散機能性塗料を塗布し,SAEJ233に規定される腐食促進試験を実施した.(2)に関しては,前年度で明らかになった課題への対策である.前年度において水系樹脂に有効イオン種（AlおよびNi）を添加した際,樹脂の粘度が急激に増加し塗料化できない問題があった.本年度は使用する樹脂の選定及びPhのコントロールにより課題を解決した.
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度の進捗状況は以下の通りである.
(1) 既に錆が生成している鋼板にCNF分散樹脂を塗布しSAEJ233に規定される腐食促進試験を実施し、有効性を確認した.外観観察結果および錆層断面のSEM観察結果より，錆が既に生成している鋼材にCNF分散樹脂を塗布した場合，錆のない状態から始める場合と比較して新たな錆が生成しにくい傾向が得られた．また，XRDの結果からCNF分散樹脂を塗布した試験片はもとの錆の組成から変化しており，同様にα-FeOOHの生成が確認された．
(2) 水系樹脂に有効イオン種（AlおよびNi）を添加した際,樹脂の粘度が急激に増加し塗料化できない問題を解決した.使用する樹脂の選定及びPhのコントロールにより課題を解決した.試作した塗料を用いて,同様にSAEJ233に規定される腐食促進試験を実施した.XRDの結果から，既存の錆の有無にかかわらず，CNF添加の増加によりFe3O4が低減し，α-FeOOHが増大する傾向が確認できた．通常，塗膜下では酸素の供給が不足しFe3O4を中心とした錆構造になることが知られているが，CNFの添加により酸素が供給され，また添加イオンの影響によりα-FeOOHの生成が開始されていると考えられる．しかしながら，腐食環境中に直接イオンを添加した前年度の結果と比較してα-FeOOHの生成量は少なく，Alイオンの供給方法などを今後検討する必要があると考えられる．
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度に引き続き，得られた知見に基づく機能性塗料を試作し，実用化に向けた改良を実施する．使用する試験片は既設構造物への適用を想定し,すでに錆が発生している大気暴露試験片を用いる．試作した機能性塗料を大気暴露錆鋼板に塗布し，クロスカットを付与した後に腐食試験を実施する．腐食試験は大気暴露試験とSAEJ2334よる加速試験を実施する．大気暴露試験は研究期間中を通じて可能な範囲で長期間実施する．所定の期間の試験後に外観観察，SEM による断面観察やXRD による構造解析を実施する．
本研究で開発する機能性塗料では,鋼材と塗膜の界面における腐食反応を制御することが重要である.反応においては界面近傍において生成する鉄イオンやCNFを通じて供給される有効イオン種,酸素,水の量が重要となる.これらを最適化するため,最終年度ではCNFの添加量や有効イオン種の供給方法をパラメータとして幅広く実験による検討を実施する.CNFにおいては添加量や分散方法により樹脂の透水性,ガス透過性をコントロールすることが可能であると期待される.また,有効イオン種の供給方法やその量についても検討する.最後に,得られた実験結果を総括し,本研究で提案する機能性塗料の設計指針を構築する.
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| Causes of Carryover |
今年度は添加元素や母材となる樹脂の影響に関して幅広く実験を実施したため，試薬や試験用鋼板などの消耗品の購入が大部分となり，設備の購入を見送ったため次年度使用額が生じた.なお，次年度使用額についてはできるだけ幅広い条件における実験を実施するため、薬品などの消耗品とSAEJ2334よる加速試験にかかる人件費に充当する予定である.
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