JP2004050764A

JP2004050764A - セルフクリーニング機能材料及びその製造方法

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Publication number: JP2004050764A
Application number: JP2002214507A
Authority: JP
Inventors: Shuji Imai; 修二今井; Masato Matsuda; 正人松田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-07-23
Filing date: 2002-07-23
Publication date: 2004-02-19

Abstract

【課題】コストアップを招くことなく、セルフクリーニング効果を十分に発揮させることができ、安全面、衛生面、環境面においても優れたセルフクリーニング機能材料及びその製造方法を提供する。
【解決手段】アルミニウム、鉄、ニッケル、銅、クロム、銀、ブロンズ、チタン、シリカのほうろう用粉末のうちの１種以上の粉末をフリットに添加したほうろう釉薬に、酸化カルシウム、酸化鉄、酸化マンガン、酸化銅のうちの１種以上の酸化触媒からなるセルフクリーニング材１２を溶融させて粉末化し、この粉末化したセルフクリーニング粉末材を水に混合させてステンレス鋼板１１に塗布して焼き付けることにより、付着した汚れを高温にて酸化分解するセルフクリーニング層１３を形成した。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステンレス鋼を基材とし、高温にて自己浄化機能を発揮するセルフクリーニング機能材料及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高温にて自己浄化機能を発揮するセルフクリーニング材としては、例えば鉄、マンガン、銅等の酸化物からなる酸化触媒があり、この酸化触媒によって下式のように有機物を高温にて酸化分解させていた。
Ｃ_ｘＨ_ｙＯ_ｚ＋ｎＯ_２→ｘＣＯ_２＋ｙＨ_２Ｏ
【０００３】
この種のセルフクリーニング材（以降はＳＣ材と称する）は、ステンレス鋼に直接塗布することが、熱膨張係数の違い等によって通常の手法では技術的課題が多く、極めて難しいものとされていた。そのため、図８に示すように、ほうろう用鋼１の両面に酸化アルミ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のグランドコート層２を形成し、さらにその外側にＳＣ材からなるセルフクリーニング層（ＳＣ層）３を形成することで、セルフクリーニング機能材料を作製していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ほうろう用鋼１にほうろうがけするには、ほうろう用鋼１にほうろう層からなるグランドコート層２を形成するための下地処理を行う必要があり、最終的にＳＣ材３を塗布するために、少なくとも２コート、２ベークの煩雑な処理を施すことになり、生産性の向上やリードタイムの短縮、低コスト化等の弊害となっていた。
【０００５】
さらに、上述のほうろうがけ処理や、他の例えばセラミックスコーティングにおいては、耐熱樹脂を溶かし込むため有機溶剤を使用する必要があり、コスト面のみならず、安全面、衛生面、環境面においても問題があった。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、コストアップを招くことなく、セルフクリーニング効果を十分に発揮させることができ、安全面、衛生面、環境面においても優れたセルフクリーニング機能材料及びその製造方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載のセルフクリーニング機能材料は、ステンレス鋼を基材とし、該基材の表面には、付着した汚れを高温にて酸化分解する酸化触媒からなるセルフクリーニング材を、ほうろう釉薬を付着材としてコーティングしてなるセルフクリーニング層が形成されていることを特徴としている。
【０００８】
請求項２記載のセルフクリーニング機能材料は、請求項１記載のセルフクリーニング機能材料において、前記ほうろう釉薬が、アルミニウム、鉄、ニッケル、銅、クロム、銀、ブロンズ、チタン、シリカのほうろう用粉末のうちの１種以上の粉末をフリットに添加したものであることを特徴としている。
【０００９】
請求項３記載のセルフクリーニング機能材料は、請求項１又は請求項２記載のセルフクリーニング機能材料において、前記セルフクリーニング材が、酸化鉄、酸化マンガン、酸化銅のうちの１種以上の酸化触媒からなることを特徴としている。
【００１０】
このように、請求項１〜請求項３記載のセルフクリーニング機能材料によれば、ステンレス鋼には直接付着されないセルフクリーニング材を、ほうろう釉薬を付着材としてステンレス鋼に付着させてセルフクリーニング層を形成したので、煩雑な処理によってほうろう用鋼板にセルフクリーニング材を付着させた場合と比較して、生産性の大幅改善と低コスト化を図ることができるとともに、十分なセルフクリーニング効果を維持しつつ、安全面、衛生面、環境面においても優れた性質を持たせることができる。
【００１１】
請求項４記載のセルフクリーニング機能材料は、前記基材表面に、ほうろう釉薬のグランドコート層と、セルフクリーニング材の含まれるセルフクリーニング層とがこの順で形成されていることを特徴としている。
【００１２】
この構成によれば、セルフクリーニング材を粉末状のまま付着させることができ、セルフクリーニング層の多孔質化を促進できる。これにより、セルフクリーニング層の表面積を増加させて、セルフクリーニング効果をより向上させることができる。
【００１３】
請求項５記載のセルフクリーニング機能材料の製造方法は、請求項１〜請求項３のいずれか１項記載のセルフクリーニング機能材料の製造方法であって、前記ほうろう釉薬に前記セルフクリーニング材を溶融させて粉末化したセルフクリーニング粉末材を水に混合させて前記基材に塗布して焼き付けることにより、前記セルフクリーニング層を形成することを特徴としている。
【００１４】
つまり、水に混合させて塗布して焼き付けることによりセルフクリーニング層を形成するので、有機溶剤を用いる耐熱塗装あるいはセラミックスコーティング等と比較して、安全面、衛生面、環境面においても優れたものにできる。
【００１５】
請求項６記載のセルフクリーニング機能材料の製造方法は、請求項１〜請求項４のいずれか１項記載のセルフクリーニング機能材料の製造方法であって、ほうろう釉薬に前記セルフクリーニング材を溶融させて粉末化したセルフクリーニング粉末材を、予め前記基材に塗布した前記ほうろう釉薬に付着させて焼き付けることにより前記セルフクリーニング層を形成することを特徴としている。
【００１６】
請求項７に記載のセルフクリーニング機能材料の製造方法は、請求項１〜請求項３のいずれか１項記載のセルフクリーニング機能材料の製造方法であって、前記ほうろう釉薬に前記セルフクリーニング材を溶融させて粉末化したセルフクリーニング粉末材を水に混合させて前記基材に塗布し、この塗布したセルフクリーニング粉末材に粉末状の前記セルフクリーニング粉末材を付着させて焼き付けることにより前記セルフクリーニング層を形成することを特徴としている。
【００１７】
このように、請求項６、請求項７記載のセルフクリーニング機能材料の製造方法によれば、ほうろう釉薬にセルフクリーニング材を溶融させて粉末化したセルフクリーニング粉末材を付着させて焼き付けることにより、セルフクリーニング層を多孔質化することができ、これにより、セルフクリーニング層の表面積を増加させて、セルフクリーニング効果をより向上させることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るセルフクリーニング機能材料及びその製造方法の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、セルフクリーニング機能材料の層構成を示す概略的な断面図である。
セルフクリーニング機能材料１００は、例えば、高温状態となる加熱炉等を形成する板材としても用いられるもので、ステンレス鋼板１１の高温状態に晒される面に、自己浄化（セルフクリーニング）機能を有するセルフクリーニング材（ＳＣ材）が含有したセルフクリーニング層（ＳＣ層）１３を有している。このＳＣ層１３は、概略的には、セルフクリーニング機能を有するＳＣ材を、特開平９−４２６８７号に記載のステンレス鋼上へのほうろうがけが可能なほうろう釉薬に混入し、これをステンレス鋼板１１に固着させることにより形成している。ＳＣ層の形成は、基材の片面に限らず、両面、或いは特定の部分のみであってもよい。
【００１９】
ここで、ＳＣ材としては、酸化鉄、酸化マンガン、酸化銅等の酸化物からなる酸化触媒のうちの１種以上が用いられる。
また、ほうろう釉薬としては、フリット、粘土、電解質物質、水を含むスリップを調製した後に、このスリップにアルミニウム、鉄、ニッケル、銅、クロム、銀、ブロンズ、チタン、シリカ等のほうろう用粉末のうちの１種以上の粉末を添加して、この混合物をボールミル、攪拌機等で撹拌混合して調製する。なお、スリップにはさらに、顔料、止め薬、添加剤等を含んでいてもよい。
【００２０】
フリットとしては、ほうろう用のフリットとして従来から汎用されているものが使用でき、その代表的なものとしては、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｂ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＣａＯ、ＢａＯ、ＳｒＯ、Ｋ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ、Ｌｉ_２Ｏ、Ｆ_２、ＮｉＯ、ＣｏＯ、ＭｎＯ等を適宜含むものである。
電解質物質としては、含水棚砂、亜硝酸ソーダ、アルミン酸ソーダ、炭酸マグネシウム等が挙げられる。また、粘土、止め薬、顔料、添加材等はほうろう用材料として汎用されているものが通常の量で使用される。
本実施形態で用いるほうろう釉薬は、具体的には、フリット１００重量％に対してほうろう用粉末を６０±５重量％添加したものである。
【００２１】
また、基材としてのステンレス鋼板１１としては、フェライト系ステンレス（ＳＵＳ４３０等）やオーステナイト系ステンレス（ＳＵＳ３０４等）等を用いることができ、フェライト系ステンレスが低コストで好適に用いられる。
【００２２】
ここで、ステンレス鋼板１１にＳＣ層１３を形成する場合の工程を各工程内容順に説明する。
▲１▼脱脂工程
まず、ステンレス鋼板１１をアルカリ水溶液（ｐＨ１２程度）へ浸漬させて表面の脱脂を行う。
▲２▼水洗工程
アルカリ水溶液からステンレス鋼板１１を取り出し、水洗いしてアルカリ水溶液を洗い流す。その後、更に水洗を数回繰り返す。
【００２３】
▲３▼乾燥工程
水洗いしたステンレス鋼板１１を約２００℃にて約１０分間乾燥させる。
▲４▼ＳＣ材塗布工程
まず、ＳＣ材をほうろう釉薬へ溶融させてフリット化し、このフリット化したものをグラインディングして粉末化しておく。そして、この粉末化したＳＣ粉末材を水で混ぜてステンレス鋼板１１にスプレーガン等によって均等に塗布する。
【００２４】
▲５▼乾燥工程
その後、ステンレス鋼板１１を約１００℃にて約１０分間乾燥させる。
▲６▼焼き付け工程
ＳＣ材の塗布されたステンレス鋼板１１を約８１０℃にて約６分間加熱し、ステンレス鋼板１１の表面にＳＣ材１２を焼き付かせる。
【００２５】
上記▲１▼〜▲６▼の工程を行うことにより、ステンレス鋼板１１に、ＳＣ材が焼き付けられてＳＣ層１３が形成される。
【００２６】
そして、上記のようにＳＣ層１３が形成されたセルフクリーニング機能材料１００を用いて加熱炉を形成した場合、加熱炉の加熱昇温時において、炉内にて加熱される被加熱物から有機物が飛散し、セルフクリーニング機能材料１００に付着して、この付着物が高温に加熱されてワニス化しようとする。ところが、このセルフクリーニング機能材料１００には、セルフクリーニング機能を有するＳＣ材からなるＳＣ層１３が形成されているので、付着物は確実に高温にて酸化分解され、気化することで除去される。
【００２７】
つまり、本実施形態のセルフクリーニング機能材料１００は、通常はステンレス鋼板１１へ付着しないＳＣ材を、上述のほうろう釉薬を付着材として付着させることでＳＣ層１３を形成したことにより、従来、煩雑な処理によってＳＣ材を付着させていた厚みの厚いほうろう用鋼板を用いる場合と比較して、軽量化及び低コスト化を図ることができる。
【００２８】
また、水に混合させて塗布し、焼き付けることでＳＣ層１３を形成しているので、有機溶剤を用いるセラミックスコーティング等と比較して、安全面、衛生面、環境面においても優れたものとすることができる。
【００２９】
以上説明した本発明に係るセルフクリーニング機能材料１００は、その層構造は上記の例に限定されることなく、例えば、次に示す層構成であっても構わない。
図２に示すセルフクリーニング機能材料２００は、ステンレス鋼板１１の表面に、グランドコート層１５とＳＣ層１３とをこの順で積層した層構成となっている。このセルフクリーニング機能材料２００は、ステンレス鋼板１１上へほうろうがけが可能な前述した液状のほうろう釉薬を塗布してグランドコート層１５とし、さらに乾燥後、このほうろう釉薬の塗布面にＳＣ材１２を含んだ粉末状のＳＣ粉末材を付着させ、その後、焼き付けてＳＣ層１３を形成したものである。
【００３０】
また、図３に示すセルフクリーニング機能材料３００は、ステンレス鋼板１１の表面に、ＳＣ材を液状で塗布したＳＣ層１７と、ＳＣ材を粉体のまま塗布したＳＣ層１９をこの順で積層した層構成となっている。このセルフクリーニング機能材料３００は、ステンレス鋼板１１の表面に、ＳＣ粉末材を水に混ぜて液状にして塗布してＳＣ層１７を形成し、さらに乾燥後、塗布した面にＳＣ粉末材を付着させ、その後、焼き付けてＳＣ層１９を形成したものである。
【００３１】
上記の図２及び図３に示す層構成のように、ＳＣ材を含有するＳＣ粉末材を水と混合させずに付着させ、ＳＣ層１３，１９を形成することにより、ＳＣ層１３，１９の多孔質化を一層促進させることができる。ＳＣ層１３，１９の構造が多孔質化することで、ＳＣ層１３，１９の表面積が増加し、これにより、ＳＣ層１３，１９によるセルフクリーニング効果をより向上させることができる。
【００３２】
【実施例】
本発明のセルフクリーニング機能材料に相当する各種のコーティングを施した複数の試験片について、セルフクリーニングの効果の試験を行い比較した。以下にその詳細を説明する。なお、ここでのほうろう釉薬は、前述したステンレス鋼板上へのほうろうがけが可能なほうろう釉薬である。
【００３３】
（１）試験片
▲１▼試験片Ａ（実施例１）
ＳＣ材とほうろう釉薬とを溶融させてフリット化し、グラインディングして粉末状にしたＳＣ粉末材を水に混合させ、その混合液をステンレス鋼板の表面に塗布し、焼き付けてＳＣ層（膜厚約１００μｍ）を形成したもの（図４（ａ）参照）。
▲２▼試験片Ｂ（実施例２）
ほうろう釉薬をステンレス鋼板の表面に塗布し（膜厚５０μｍ）、乾燥後、さらにＳＣ粉末材をほうろう釉薬塗布面に付着させて焼き付け、多孔質のＳＣ層（膜厚約１２０μｍ）を形成したもの（図４（ｂ）参照）。
【００３４】
▲３▼試験片Ｃ（比較例１）
ほうろう用鋼板の表面に酸化アルミ等のグランドコート層（膜厚５０μｍ）を形成し、さらにグランドコート層にＳＣ粉末材を塗布してＳＣ層（膜厚約１００μｍ）を形成したもの（図４（ｃ）参照）。
▲４▼試験片Ｄ（比較例２）
ステンレス鋼板の表面にフッ素樹脂（膜厚１２μｍ）をコーティングしたもの（図４（ｄ）参照）。
▲５▼試験片Ｅ（比較例３）
従来のＳＣ層であって、ほうろう用鋼板の表面に酸化アルミ等のグランドコート層（膜厚５０〜６０μｍ）を塗装・焼き付けして形成し、さらに、ＳＣ材を一般的に用いられる湿式塗装により付着させ、その後、焼き付けてＳＣ層（膜厚１００μｍ）を形成したもの（図４（ｅ）参照）。
【００３５】
（２）試験方法
ＩＳＯ　８２９１に規定の標準試験方法に基づいて、次の手順で試験を行った。
（イ）各試験片のコーティング面上に、図５に示すように、食用油をスポイト等により合計５箇所に滴下して、コーティング面に食用油をしみ込ませる。
（ロ）食用油の滴下された試験片を加熱炉内に入れて２５０℃に加熱し、１時間保持する。
（ハ）加熱炉から試験片を取り出し、試験片に滴下した食用油のワニス化の有無を目視にて確認する。
（ニ）上記（イ）〜（ハ）の処理を５箇所のうちいずれかにワニス化が発生するまで繰り返し行い、その繰り返し回数を記録する。
【００３６】
さらに、セルフクリーニング効果の温度依存性を調べるために、上記２５０℃の加熱温度に加え、３００℃、３５０℃の温度に対しても同様の試験を行った。
【００３７】
（３）試験結果
各試験片Ａ〜Ｅに対する各加熱温度２５０℃、３００℃、３５０℃における試験結果を表１に示す。
【００３８】
【表１】

【００３９】
本発明に相当する実施例１，２の試験片Ａ，Ｂは、繰り返し回数が従来品である比較例３の試験片Ｅに対して高めとなり、高温になるにつれて優れたセルフクリーニング効果を発揮することが認められ、特に、ＳＣ層の構造を多孔質化させた試験片Ｂは極めて優れたセルフクリーニング効果が認められた。
また、比較例１の試験片Ｅにおいても、繰り返し回数が試験片Ｂに次いで高くなっているが、基材として加熱時の変形防止のため、厚めのほうろう用鋼板を用いているので、重量が嵩み、その製造方法も２コート、２ベークといった煩雑なものとなる。
【００４０】
一方、ＳＣ層を含まないフッ素樹脂コートされた試験片Ｄに対しては、セルフクリーニング効果がないために、滴下した食用油を繰り返しの度に除去し、加熱により食用油がフッ素樹脂コート面に強く密着するまでの繰り返し回数で表している。試験片Ｄの試験結果は、２５０℃程度の温度に対してはフッ素樹脂のコーティング効果により食用油に対する濡れ性が低く、加熱後の食用油を簡単に除去できたが、フッ素樹脂コートの連続使用耐熱温度２６０℃を超える３００℃以上の高温になると、焼き付きを起こして極端に繰り返し回数が低下した。
【００４１】
このように、ステンレス鋼板上にＳＣ層を有する試験片Ａ、Ｂでは、２５０℃程度の温度でも、実用上十分な繰り返し回数が得られ、いずれも高温になるにつれてセルフクリーニング効果が向上する傾向が認められた。従って、これら板体を使用する際には、コーティングしたＳＣ層を高温に加熱することで、十分なセルフクリーニング効果を得ることができる。
【００４２】
以上説明したように、ステンレス鋼板上にＳＣ層を形成したセルフクリーニング機能材料を高温環境下に設置することで、ＳＣ材本来のセルフクリーニング効果を十分に引き出すことが可能となる。なお、ＳＣ層の膜厚は、要求するセルフクリーニング効果とコスト及び密着性との観点から、１００μｍ〜１５０μｍがよい。また、粉末状としてＳＣ材を付着させて焼き付ける場合には、ＳＣ層の構造が多孔質化し易く、表面積増加により各温度におけるセルフクリーニング効果を一層向上させることができる。
【００４３】
ここで、図６に試験片Ａの断面を表す顕微鏡写真、図７に試験片Ｃの断面を表す顕微鏡写真を示した。図６に示すＳＣ層は、液状で塗布して形成したものであり、図７に示すＳＣ層は、ＳＣ粉末材を粉体のまま塗布して形成したものである。これらを比較すると、液状で塗布したＳＣ層より粉体のまま塗布したＳＣ層の方が、多孔性の性状を強く有しており、ＳＣ材の表面積の増加に伴って、ＳＣ層によるセルフクリーニング効果が大きくなることがわかる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明のセルフクリーニング機能材料及びその製造方法によれば、ステンレス鋼には直接付着しないセルフクリーニング材を、ほうろう釉薬を付着材としてステンレス鋼に付着させてセルフクリーニング層を形成したので、コストアップを招くことなく、セルフクリーニング効果を十分に発揮させることができ、安全面、衛生面、環境面においても優れた性能が発揮される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセルフクリーニング機能材料の層構成を示す概略的な断面図である。
【図２】セルフクリーニング機能材料の他の層構成を示す概略的な断面図である。
【図３】セルフクリーニング機能材料の他の層構成を示す概略的な断面図である。
【図４】セルフクリーニングの効果の比較試験に用いた試験片Ａ〜Ｅの断面図である。
【図５】各試験片のコーティング面上に食用油を滴下する様子を示す説明図である。
【図６】試験片Ａの断面を表す顕微鏡写真である。
【図７】試験片Ｃの断面を表す顕微鏡写真である。
【図８】従来のセルフクリーニング機能材料の概略的な構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１１　ステンレス鋼板
１３　セルフクリーニング層（ＳＣ層）
１００，２００，３００　セルフクリーニング機能材料

Claims

ステンレス鋼を基材とし、該基材の表面には、付着した汚れを高温にて酸化分解する酸化触媒からなるセルフクリーニング材を、ほうろう釉薬を付着材としてコーティングしてなるセルフクリーニング層が形成されていることを特徴とするセルフクリーニング機能材料。
前記ほうろう釉薬が、アルミニウム、鉄、ニッケル、銅、クロム、銀、ブロンズ、チタン、シリカのほうろう用粉末のうちの１種以上の粉末をフリットに添加したものであることを特徴とする請求項１記載のセルフクリーニング機能材料。
前記セルフクリーニング材が、酸化鉄、酸化マンガン、酸化銅のうちの１種以上の酸化触媒からなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のセルフクリーニング機能材料。
前記基材表面に、ほうろう釉薬のグランドコート層と、セルフクリーニング材の含まれるセルフクリーニング層とがこの順で形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項記載のセルフクリーニング機能材料。
請求項１〜請求項３のいずれか１項記載のセルフクリーニング機能材料の製造方法であって、
前記ほうろう釉薬に前記セルフクリーニング材を溶融させて粉末化したセルフクリーニング粉末材を水に混合させて前記基材に塗布して焼き付けることにより、前記セルフクリーニング層を形成することを特徴とするセルフクリーニング機能材料の製造方法。
請求項１〜請求項４のいずれか１項記載のセルフクリーニング機能材料の製造方法であって、
ほうろう釉薬に前記セルフクリーニング材を溶融させて粉末化したセルフクリーニング粉末材を、予め前記基材に塗布した前記ほうろう釉薬に付着させて焼き付けることにより前記セルフクリーニング層を形成することを特徴とするセルフクリーニング機能材料の製造方法。
請求項１〜請求項３のいずれか１項記載のセルフクリーニング機能材料の製造方法であって、
前記ほうろう釉薬に前記セルフクリーニング材を溶融させて粉末化したセルフクリーニング粉末材を水に混合させて前記基材に塗布し、この塗布したセルフクリーニング粉末材に粉末状の前記セルフクリーニング粉末材を付着させて焼き付けることにより前記セルフクリーニング層を形成することを特徴とするセルフクリーニング機能材料の製造方法。