JP2008032430A - Method for diagnosing deterioration of film - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、塗膜劣化診断方法に係り、特に、分光分析法を用いて塗膜の劣化を定量的に診断する塗膜劣化診断方法に関するものである。 The present invention relates to a coating film deterioration diagnosis method, and more particularly to a coating film deterioration diagnosis method for quantitatively diagnosing coating film deterioration using a spectroscopic analysis method.
従来、樹脂塗膜の劣化診断方法は、インピーダンスを測る方法が主であり、その他光沢計測、目視、引き剥がし法等がある。 Conventionally, the deterioration diagnosis method of a resin coating film has mainly been a method of measuring impedance, and other methods such as gloss measurement, visual observation, and peeling method.
インピーダンス法は、送信側と受信側の電極プローブを使用し、2つの電極プローブ間で電気信号を送受信することで、電気信号が通った塗膜の負荷の影響を検出する方法である。インピーダンス法では、プローブの樹脂塗膜に接触する部分が小さいので、表面の粗い塗膜や曲げを有する塗膜の劣化診断に有用である。 The impedance method is a method for detecting the influence of the load on the coating film through which the electric signal has passed by using the electrode probe on the transmitting side and the receiving side and transmitting and receiving the electric signal between the two electrode probes. The impedance method is useful for diagnosing deterioration of a coating film having a rough surface or a coating film having a bend because the portion of the probe that contacts the resin coating film is small.
光沢計測は、目視で樹脂塗膜表面を観察し、表面の光沢の具合により、塗膜劣化を判断する方法である。 Gloss measurement is a method of visually observing the surface of a resin coating film and judging coating film deterioration based on the glossiness of the surface.
引き剥がし法は、引っ張り試験機を用いて塗膜を素地から引き剥がし、塗膜の密着強度を測定することで、塗膜劣化の程度を診断する方法である。 The peeling method is a method of diagnosing the degree of coating film deterioration by peeling the coating film from the substrate using a tensile tester and measuring the adhesion strength of the coating film.
また、目視をCCDカメラ、画像処理によって自動化した劣化診断システムもある(例えば、特許文献1参照)。 There is also a degradation diagnosis system in which visual inspection is automated by a CCD camera and image processing (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、従来の塗膜劣化診断方法は定量性がよくない。特に、インピーダンス法においては、湿気の影響を大きく受ける等、診断時の環境によって結果が大きく異なる。また、インピーダンス法は、電極プローブの接触で値が変わるために接触用のゲル剤を塗膜に塗り、さらにアース部分は塗膜を落とす必要がある等、測定に手間が掛かる。 However, the conventional coating film deterioration diagnosis method is not quantitative. In particular, in the impedance method, the result greatly varies depending on the environment at the time of diagnosis, such as being greatly affected by moisture. In addition, since the impedance method changes depending on the contact with the electrode probe, it is necessary to apply a gel agent for contact to the coating film, and it is necessary to drop the coating film on the ground portion.
光沢計測は、塗膜表面の汚れなどに影響され、定量性に欠ける。その他の方法も定性的に診断する方法であり、測定する人による誤差が大きい。 Gloss measurement is affected by dirt on the surface of the coating film and lacks quantitativeness. Other methods are also qualitative diagnosis methods, and have a large error depending on the person to be measured.
画像処理によって自動化したシステムは、そもそも素地である金属に現れた錆等の面積比を計算する方法であり、錆が生じる前の劣化状態を診断する方法とは異なる。この方法では、錆びては美観が損なわれる等、錆びる前に補修すべきかどうかの診断を行うことはできない。また、錆びた後では、補修時に錆落とし等のステップを行わなければならず、補修コストが掛かってしまう。 The system automated by image processing is a method of calculating the area ratio of rust and the like that has appeared on the metal that is the base material in the first place, and is different from the method of diagnosing the deterioration state before rust occurs. With this method, it is not possible to diagnose whether or not repairs should be made before rusting because, for example, rusting impairs the aesthetic appearance. Further, after rusting, steps such as rust removal must be performed at the time of repair, and repair costs are increased.
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、目視では判別できない塗膜の劣化を定量的に診断することができる塗膜劣化診断方法を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a coating film deterioration diagnosis method capable of solving the above-described problems and quantitatively diagnosing coating film deterioration that cannot be visually recognized.
上記目的を達成するために、請求項1の発明は診断対象とする樹脂塗膜の劣化状態を診断する方法において、光源から出射される光を樹脂塗膜に照射し、その樹脂塗膜からの反射光を分光器内に入力し、その分光器で、樹脂塗膜の劣化要因となるOH基に起因する特定波長の吸光度を測定し、その吸光度から樹脂塗膜の劣化の程度を定量的に求める塗膜劣化診断方法である。
In order to achieve the above object, the invention of
請求項2の発明は、樹脂塗膜は、ウレタン系樹脂塗膜、塩化ゴム系樹脂塗膜、またはフッ素系樹脂塗膜のいずれかである請求項1記載の塗膜劣化診断方法である。
The invention of
請求項3の発明は、光源から近赤外領域の光を照射し、波長1.21μm付近、1.41μm付近、1.93μm付近、2.17μm付近、2.29μm付近に現れる吸光度を少なくとも1つ測定する請求項1または2記載の塗膜劣化診断方法である。
The invention of
請求項4の発明は、分光器は、反射光を所定波長毎に分光する回折格子と、分光された光を波長選択的に偏向させる光反射偏向手段と、その光反射偏向手段から出力された光を検出する光検出器とを備え、吸光度は、OH基に起因する特定波長の光強度と、その特定波長の前後の波長帯域における光強度との差分から求める請求項1〜3いずれかに記載の塗膜劣化診断方法である。 According to a fourth aspect of the present invention, the spectroscope is output from a diffraction grating that divides the reflected light at a predetermined wavelength, a light reflection deflecting unit that selectively deflects the dispersed light, and the light reflecting deflection unit. A light detector for detecting light, and the absorbance is obtained from a difference between the light intensity at a specific wavelength caused by the OH group and the light intensity in a wavelength band before and after the specific wavelength. It is a coating-film deterioration diagnostic method of description.
請求項5の発明は、分光器は、参照光として光源出射光を導入する光ガイドと、その光ガイドから導入された参照光及び反射光を所定波長毎に分光する回折格子と、それぞれ分光された光を波長選択的に偏向させる光反射偏向手段と、それら光反射偏向手段から出力された光を検出する光検出器とを備え、吸光度は、反射光に基づく特定波長の光強度と参照光に基づく特定波長の光強度との差分を計測して求める請求項1〜3いずれかに記載の塗膜劣化診断方法である。 According to a fifth aspect of the present invention, the spectroscope is divided into a light guide that introduces light emitted from the light source as reference light, and a diffraction grating that separates the reference light and reflected light introduced from the light guide for each predetermined wavelength. The light reflection deflecting means for selectively deflecting the reflected light and the light detector for detecting the light output from the light reflecting deflection means, and the absorbance is the light intensity of the specific wavelength based on the reflected light and the reference light. It is a coating-film degradation diagnostic method in any one of Claims 1-3 calculated | required by measuring the difference with the light intensity of the specific wavelength based on.
請求項6の発明は、分光器には、樹脂塗膜上のそれぞれ異なる位置で反射した光を順次分光器に取り込むスキャニング装置が接続され、反射光を順次スキャニング装置を介して分光器に入力し、OH基に起因する吸光度をそれぞれ検出して塗膜劣化二次元分布を得る請求項1〜5いずれかに記載の塗膜劣化診断方法である。
According to a sixth aspect of the present invention, the spectroscope is connected to a scanning device that sequentially takes the light reflected at different positions on the resin coating film into the spectroscope, and the reflected light is sequentially input to the spectroscope via the scanning device. The coating film deterioration diagnosis method according to
本発明によれば、目視では判別できない塗膜の劣化を定量的に診断することができるという優れた効果を発揮する。 According to this invention, the outstanding effect that deterioration of the coating film which cannot be discerned visually cannot be diagnosed quantitatively is exhibited.
本発明者らは、分光分析法を用いて塗膜反射光のスペクトルについて研究した結果、塗膜劣化の状況(程度)に応じて、塗膜反射光が特定波長に吸収ピークを有することを見出した。そして、これら吸収ピークがOH基によるものであることに辿り着き、塗膜を劣化させる原因となる成分(劣化した塗膜表面及び内部に存在する因子)であるOH基の吸光度を測定することで、塗膜劣化状況を定量的に診断できることに想到し、本発明に至った。 As a result of studying the spectrum of the coating film reflected light using a spectroscopic analysis method, the present inventors have found that the coating film reflected light has an absorption peak at a specific wavelength depending on the state (degree) of coating film deterioration. It was. Then, by reaching that these absorption peaks are attributed to OH groups, by measuring the absorbance of OH groups, which are components that cause deterioration of the coating film (factors present on the surface and inside of the deteriorated coating film) The inventors have conceived that the coating film deterioration state can be quantitatively diagnosed, and have reached the present invention.
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。 Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は本発明に係る塗膜劣化診断方法に用いる診断装置の好適な実施の形態を示した概略図である。 FIG. 1 is a schematic view showing a preferred embodiment of a diagnostic apparatus used in a coating film deterioration diagnosis method according to the present invention.
図1に示される診断装置10は、診断対象とする樹脂塗膜(以下、塗膜)11の表面に光を照射する光源12と、塗膜11で反射した反射光の特定波長の吸光度を測定する分光器13と、分光器13に接続されるデータ処理装置15とを備える。
A
光源12と塗膜11と間には、塗膜11に光源出射光Lを案内する光ガイドが設けられてもよく、塗膜11と分光器13との間には、塗膜で反射した反射光L1を分光器13に入力する光ガイドが設けられてもよい。光ガイドとしては、レンズ、ミラー、光ファイバ等があり、本実施の形態では、光源12及び分光器13にそれぞれ光ファイバ14が接続されている。分光器13にはデータ処理装置15が接続されている。データ処理装置15は、分光器13から出力される結果を処理(演算)し、表示するものである。
Between the
光源12としては、光源出射光Lの波長範囲が0.9〜2.5μm(近赤外領域)を含むものが好ましく、ランプ(例えば、ハロゲンランプ)、LED、近赤外線を放出する発熱体等が挙げられる。
The
塗膜11は、例えば、橋梁や構造物の壁等、金属(例えば、鉄)製の素地16の表面に一層の厚さ2、30μm程度の樹脂塗膜の層が多層に形成されてなる。本塗膜劣化診断方法で診断される樹脂塗膜11としては、ウレタン樹脂塗膜、塩化ゴム樹脂塗膜、或いはフッ素系樹脂塗膜が挙げられる。
The
さて、本実施の形態の塗膜劣化診断方法は、光源12から出射される光Lを塗膜11に照射し、その塗膜11からの反射光L1を分光器13内に入力し、その分光器13で、塗膜11の劣化要因となるOH基に起因する特定波長の吸光度を測定し、その吸光度から樹脂塗膜の劣化の程度を定量的に求めることを特徴としている。
Now, in the coating film deterioration diagnosis method of the present embodiment, the
塗膜劣化診断方法の基本原理を説明する。 The basic principle of the coating film deterioration diagnosis method will be described.
塗膜11が紫外線や風雨等により劣化するとき、加水分解等によってOH基などが塗膜表面にできる。さらに、劣化により塗膜表面に形成された微細なクラックの間には水分(OH基)が浸入する。一方、これらOH基等は、波長1〜2.5μm間の近赤外領域に吸収帯をもつ。
When the
そこで、光を塗膜11にあてて反射させた光を分光分析することで、OH基による吸収の大きさを計測すれば、塗膜劣化の程度を数量化できる。予め吸収の大きさと塗膜劣化の程度(劣化度)の関係をデータベース化しておき、分光分析により計測された吸収の大きさと劣化度とを比較し、定量的に診断する。
Then, if the magnitude | size of absorption by OH group is measured by spectroscopically analyzing the light which reflected and reflected the light to the
図2(a)及び図2(b)は、16年暴露後のウレタン樹脂塗膜を分光分析し、波長と吸光度との関係を示す吸収スペクトルである。 2 (a) and 2 (b) are absorption spectra showing the relationship between wavelength and absorbance after spectroscopic analysis of a urethane resin coating film after 16 years of exposure.
図2(a)及び図2(b)に示すように、暴露前(暴露試験前、新品)の塗膜の吸収スペクトルは、近赤外領域(0.7〜2.5μm)の全波長範囲でほどんど吸光がない。一方、16年暴露後の塗膜の吸収スペクトルは、波長1.21μm付近、1.41μm付近、1.93μm付近、2.17μm付近及び2.29μm付近に吸収ピークを有する。なお、暴露後の塗膜の吸収スペクトルが、暴露前の塗膜の吸収スペクトルに対して全体的に吸光度が大きくなっている(嵩上げされている)のは、暴露によって塗膜表面の光沢が多少失われている(反射率が低下している)ためである。 As shown in FIG. 2 (a) and FIG. 2 (b), the absorption spectrum of the coating film before exposure (before exposure test, new article) is the entire wavelength range in the near infrared region (0.7 to 2.5 μm). There is almost no light absorption. On the other hand, the absorption spectrum of the coating film after exposure for 16 years has absorption peaks at wavelengths near 1.21 μm, 1.41 μm, 1.93 μm, 2.17 μm and 2.29 μm. It should be noted that the absorption spectrum of the coating film after the exposure shows that the absorbance is generally higher (increased) than the absorption spectrum of the coating film before the exposure. This is because it is lost (reflectance is reduced).
したがって、本実施の形態では、上記の特定波長帯のうち、少なくとも一つのピークの吸収波長を選択し、その波長における吸光度を計測し、計測された吸光度を、予め作成されたデータベースを用いて劣化度に換算することで、塗膜11で反射した光の吸光度から塗膜の劣化度を求める(推定する)ことができる。また、選択する吸収ピーク波長数が多いほど、推定される劣化度の信頼性が高くなる。さらに、吸光度と劣化度の関係を重回帰分析、またはPLS等の統計処理を使用して求めてもよい。
Therefore, in the present embodiment, the absorption wavelength of at least one peak is selected from the above specific wavelength band, the absorbance at that wavelength is measured, and the measured absorbance is degraded using a database created in advance. By converting into degrees, the degree of deterioration of the coating film can be obtained (estimated) from the absorbance of the light reflected by the
図3(a)及び図3(b)は、塗膜試料(サンプル)を複数個作製し、各試料毎に、16年暴露後のウレタン樹脂塗膜の波長2290nmの吸光度を洗浄前、洗浄後にそれぞれ測定した結果を示すものである。図3中、塗膜表面とは、暴露された側の表面であり、塗膜裏面とは、直接暴露されていない側の面(裏面)である。 3 (a) and 3 (b) show that a plurality of coating film samples (samples) were prepared, and the absorbance at a wavelength of 2290 nm of the urethane resin coating film after 16 years exposure was measured for each sample before and after cleaning. The measurement results are shown. In FIG. 3, the coating film surface is the surface on the exposed side, and the coating film back surface is the surface on the side that is not directly exposed (back surface).
図3(a)及び図3(b)に示すように、塗膜表面の吸光度と塗膜裏面の吸光度を比較すると、各サンプルにおいて塗膜表面の方が吸光度が高い。これより、暴露された側は、OH基(水分)が多く存在し、塗膜裏面(塗膜内部)に比べて劣化が著しいことがわかる。 As shown in FIG. 3A and FIG. 3B, when the absorbance of the coating film surface is compared with the absorbance of the coating film back surface, the absorbance of the coating film surface is higher in each sample. From this, it can be seen that the exposed side has a lot of OH groups (moisture) and is significantly deteriorated compared to the back surface of the coating film (inside the coating film).
図4は、樹脂塗膜の暴露年数と吸光度との関係を示すグラフである。このグラフは、暴露年数が0年(新品)、6年、16年のウレタン樹脂塗膜の波長1935nmの吸光度を測定して得たものである。 FIG. 4 is a graph showing the relationship between the exposure years of the resin coating film and the absorbance. This graph was obtained by measuring the absorbance at a wavelength of 1935 nm of a urethane resin coating film with exposure years of 0 years (new), 6 years, and 16 years.
図4に示すように、暴露年数が0年の樹脂塗膜では吸光度0程度、暴露年数が6年の樹脂塗膜では吸光度0.01程度、暴露年数が16年の樹脂塗膜では吸光度0.015以上と、暴露年数(劣化度)と吸光度との関係が略線形性を有する。 As shown in FIG. 4, the absorbance is about 0 for a resin coating film with an exposure period of 0 years, the absorbance is about 0.01 for a resin coating film with an exposure period of 6 years, and the absorbance is about 0.1 for a resin coating film with an exposure period of 16 years. When the value is 015 or more, the relationship between exposure years (deterioration degree) and absorbance is substantially linear.
ここで、ウレタン樹脂塗膜の劣化については、赤外線分光分析によって検討されており、以下のような劣化機構が考えられている。 Here, the deterioration of the urethane resin coating film has been studied by infrared spectroscopic analysis, and the following deterioration mechanism is considered.
ウレタン樹脂塗膜は、長時間暴露されていると、雨や空気中の水分によりウレタン結合部分が[化1]のように加水分解する。 When the urethane resin coating is exposed for a long time, the urethane bond portion is hydrolyzed as shown in [Chemical Formula 1] due to rain or moisture in the air.
このときにOH基が生成する。その後、[化1]で生成したイソシアネートが加水分解し、アミノ基を生成する。 At this time, OH groups are generated. Thereafter, the isocyanate produced in [Chemical Formula 1] is hydrolyzed to produce an amino group.
また、[化3]で示すように、エステル部分が加水分解してカルボキシル基が生成する。 Further, as shown in [Chemical Formula 3], the ester moiety is hydrolyzed to form a carboxyl group.
すなわち、大気に晒されているウレタン樹脂塗膜は、加水分解により結合が切れて高分子から低分子になる(劣化する)際に、OH基を有する成分を生成する。よって、ウレタン樹脂塗膜の結合が切れて低分子化する程、OH基が多く生成されているので、樹脂塗膜の劣化度とOH基を有する成分の生成量とに相関がある。 That is, the urethane resin coating film exposed to the atmosphere generates a component having an OH group when the bond is broken by hydrolysis and becomes a low molecule (deteriorates) from a polymer. Therefore, the more the OH groups are generated as the urethane resin coating film is broken and the molecular weight is lowered, the correlation between the degree of deterioration of the resin coating film and the amount of the component having an OH group is generated.
また、近赤外線領域でのOH基の吸収帯の一つである3400cm−1の吸収帯は、塗膜の劣化が進行すると吸収が増加することが確認されている。3400cm−1の吸収帯は近赤外領域では波長1.41μmの吸収帯に相当する。 In addition, it has been confirmed that the absorption band of 3400 cm −1, which is one of the OH group absorption bands in the near-infrared region, increases in absorption as the coating film deteriorates. The absorption band of 3400 cm −1 corresponds to an absorption band of wavelength 1.41 μm in the near infrared region.
ポリウレタン樹脂塗膜は、表層から[化1]〜[化3]に示される加水分解が始まり、これが塗膜内部へと進行するものと推測されている。 In the polyurethane resin coating film, hydrolysis shown in [Chemical Formula 1] to [Chemical Formula 3] starts from the surface layer, and this is presumed to proceed into the coating film.
図5は、ウレタン結合の加水分解が、どの程度塗膜の内部まで進行しているかを調べるため、表面から塗膜を削りながら、アミド吸収帯(ウレタン結合のC−N伸縮振動とN−H変角振動1520cm−1の吸光度)の減少と、暴露しても吸光度の変化を生じないCH2変角振動1520cm−1との比(図中、縦軸の吸光度比)を求め、塗膜表面からの距離(深さ)との関係を示した図である。 FIG. 5 shows the amide absorption band (CN stretching vibration and NH bond of urethane bonds) while the coating film is being scraped from the surface in order to investigate how much urethane bond hydrolysis has progressed to the inside of the coating film. The ratio (absorbance at 1520 cm -1) and the CH2 deformation vibration at 1520 cm -1 that does not change even when exposed (absorbance ratio on the vertical axis in the figure) are determined from the coating surface. It is the figure which showed the relationship with distance (depth).
図5に示すように、暴露した塗膜(図中、暴露部)及び暴露されていない塗膜(図中、非暴露部)共に、塗膜表面ほどアミド吸収帯の減少が顕著である。このように、塗膜の加水分解は、塗膜表面から進行しており、内部は進行が遅いことがわかる。 As shown in FIG. 5, both the exposed coating film (exposed part in the figure) and the unexposed coating film (non-exposed part in the figure) show a marked decrease in the amide absorption band on the coating film surface. Thus, it can be seen that hydrolysis of the coating proceeds from the surface of the coating and progress is slow inside.
また、塩化ゴム樹脂塗膜の劣化は、紫外線などにより脱塩素化がおき([化4]参照)、塩素が顔料中の鉄や亜鉛と反応して、赤錆や白錆の発生につながると考えられている。 In addition, the deterioration of the chlorinated rubber resin coating film is considered to be dechlorinated by ultraviolet rays (see [Chemical Formula 4]), and chlorine reacts with iron and zinc in the pigment, leading to the generation of red rust and white rust. It has been.
塩化ゴム樹脂塗膜の劣化において、樹脂塗膜表面での水分の有無によって劣化の進行がちがうことから、水分が劣化を助長することも知られている([化5]参照)。 In the deterioration of a chlorinated rubber resin coating film, it is known that the progress of the deterioration depends on the presence or absence of moisture on the surface of the resin coating film, so that moisture promotes the deterioration (see [Chemical Formula 5]).
図6(a)〜図6(c)及び図7(a)〜図7(c)は、それぞれウェザーメータ(環境加速試験装置)内にウレタン樹脂塗膜の試料を置き、それぞれ0時間、600時間、1200時間放置したときの塩化ゴム樹脂塗膜の表面のSEM像である。 6 (a) to 6 (c) and FIGS. 7 (a) to 7 (c), a urethane resin coating sample is placed in a weather meter (environmental acceleration test apparatus), respectively, and 0 hours and 600 respectively. It is a SEM image of the surface of the chlorinated rubber resin coating film when it is allowed to stand for 1200 hours.
図6(a)〜図6(c)及び図7(a)〜図7(c)に示すように、EPMA(Electron Probe Micro-Analysis)を用いた観察結果(図ではSEM像)によれば、ウェザーメータ1200時間程度たつと表面に割れが認識できる。この割れによって塗膜内部が大気中に露呈されることになるので、割れの断面が表面と同じことになり、劣化が加速していくものと考えられる。このとき、水分子が細かい割れ(クラック)に固着して、間隙水のような状態で存在すると考えられ、この水(間隙水のような水)のOH基などが近赤外領域の光を吸収していくものと推定される。なお、この水は狭い隙間に入り込んでいるので、自由に行動できず、簡単に蒸発しない状態にある。 As shown in FIGS. 6 (a) to 6 (c) and FIGS. 7 (a) to 7 (c), according to the observation results (SEM image in the figure) using EPMA (Electron Probe Micro-Analysis). The crack can be recognized on the surface after about 1200 hours of weather meter. Since the inside of the coating film is exposed to the atmosphere by this crack, it is considered that the cross section of the crack becomes the same as the surface, and the deterioration is accelerated. At this time, it is considered that water molecules are fixed to fine cracks (cracks) and exist in a state like pore water, and the OH groups of this water (water like pore water) radiate light in the near infrared region. It is estimated that it will absorb. Since this water has entered a narrow gap, it cannot act freely and is not easily evaporated.
このように、塗膜に存在するOH基は、塗膜分子に化学結合しているもの、間隙水のような状態の水、自由に動ける水(通常の水分)などがあり、塗膜劣化の進展具合によってその量が多くなっていくものと考えられる。 In this way, OH groups present in the coating include those that are chemically bonded to the coating molecules, water in the state of pore water, water that can move freely (normal moisture), etc. The amount is expected to increase with progress.
次に、上記の特定波長がOH基の吸収ピークであることについて説明する。 Next, the fact that the specific wavelength is an absorption peak of OH group will be described.
図8は、土壌の近赤外スペクトルを示すグラフである(尾崎幸洋・河田聡編「日本分光学会 測定法シリーズ32 近赤外分光」,1996年,学会出版センター,より抜粋)。
FIG. 8 is a graph showing the near-infrared spectrum of soil (excerpted from Yukihiro Ozaki and Satoshi Kawada, “The Spectroscopic Society of Japan,
図8からわかるように、波長1.41μm、1.935μm、2.165μmの吸収帯は、図2(a)及び図2(b)に示したグラフと同様に吸収ピークを有する。 As can be seen from FIG. 8, the absorption bands at wavelengths of 1.41 μm, 1.935 μm, and 2.165 μm have absorption peaks similar to the graphs shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b).
波長1.21μm、波長2.29μm の吸収帯についてはCHの振動も考えられる。しかしながら、赤外線吸収分析の結果によれば、CHの吸収は劣化進行と共に小さくなることが確認されており、また、元々新品状態で吸収がみられないことから、CHの吸収ではないものと判断される。そのためOH基に関連する吸収帯であると予測している。 Regarding the absorption band having a wavelength of 1.21 μm and a wavelength of 2.29 μm, vibration of CH is also conceivable. However, according to the results of infrared absorption analysis, it has been confirmed that the absorption of CH becomes smaller as the deterioration progresses, and since no absorption is originally seen in a new state, it is determined that the absorption is not CH. The Therefore, it is predicted that this is an absorption band related to OH groups.
以下、本実施の形態の塗膜劣化診断方法について具体的に説明する。 Hereinafter, the coating film deterioration diagnosis method of the present embodiment will be specifically described.
図9(a)〜図9(c)に示すように、光源12に接続される光ファイバ61と分光器13に接続される光ファイバ62は、一本の光ファイバケーブル63で束ねられている。例えば、光ファイバケーブル63は、ケーブル内周部に、各々光源出射光Lを出射する複数本の出力用光ファイバ61を備え、ケーブル外周部に、塗膜反射光L1を入射する複数の入力用光ファイバ62を備え、これら複数本の光ファイバ61,62が一体に被覆されている。光ファイバケーブル63の先端には塗膜接触用のプローブ64が設けられている。プローブ64は、塗膜表面のある位置に接触させ、その位置での反射光を採取するためのものであり、プローブ64を塗膜表面に接触させたとき、光ファイバ61,62の入出力光(塗膜反射光)の光強度のずれを小さくするべく、光ファイバケーブル63の先端が塗膜11の表面から所定距離(例えば、数mm)離れて位置するように設けられている。
As shown in FIGS. 9A to 9C, the
さらに、図10に示すように、プローブ64の周囲または先端(図では周囲)に磁石65を設けてもよい。磁石65は、素地16が金属であるから塗膜11の表面に固定されるので、プローブ64を塗膜11に固定させることができる。
Further, as shown in FIG. 10, a
図11に示すように、分光器13は、光ファイバ62の他端側に光学的に接続され、光の伝搬方向上流側から、回折格子31、光反射偏向手段32、アパチャ33、集光手段34、光検出器35の順に設けられてなる。
As shown in FIG. 11, the
回折格子31には、光ファイバ62を経て出射された光L1が照射され、反射されると共に、各所定の波長ごとに分光される。光反射偏向手段32には、回折格子31で分光された光L1が照射され、反射、偏向される。この光反射偏向手段32は、後に詳述するが、分光された光L1を所定の波長ごとに掃引、変調するMEMSアクチュエータを有する。
The
アパチャ33は、偏向された光L1の通過/遮断を行う遮光絞りである。偏向された光L1が、遮断体33aに照射されると伝搬遮断となる。また、偏向された光L1が、隣接する遮断体33a間の開口部に向けて照射されると通過となる。遮断体33aの形状は、特に限定するものではなく、矩形状の他に、円形状であってもよい。開口部は、遮断体33a自体に設けた溝(スリット)であってもよい。
The
集光手段34は、分光器14内で拡径した光を光検出器35に集光させる部材であり、慣用の集光レンズを用いている。
The condensing means 34 is a member that condenses the light expanded in the
光検出器35は、集光手段34によって集光された光L1を検出し、光L1の光強度を出力するものである。光検出器35には、ACアンプ等を介してデータ処理装置15が接続されている。
The
図11の分光器13を用いた劣化診断方法について説明する。
A deterioration diagnosis method using the
まず、診断対象とする塗膜表面上のゴミ、水分(ここでは、目視で確認できる程度の大きさのもの)を除去する。ゴミ等を除去した後、光源から塗膜に光を照射し、塗膜で反射した光を分光器に入力させる。 First, dust and moisture on the surface of the coating film to be diagnosed (here, having a size that can be visually confirmed) are removed. After removing dust and the like, the coating film is irradiated with light from the light source, and the light reflected by the coating film is input to the spectroscope.
分光器13内へ入射した光L1は回折格子31で所定波長ごとの光に分光されて、光反射偏向手段32へ向かう。
The light L1 that has entered the
分光された反射光L1は光反射偏向手段32で反射、偏向される。光反射偏向手段32は、例えば、MEMS型プログラマブル回折格子であり、このMEMS型プログラマブル回折格子はMEMSアクチュエータを備える(以下、MEMSと称する)。MEMSに到達した光L1は、所定の角度範囲で高速で反射、偏向されアパチャ33へと向かう。この反射、偏向によって、反射光L1のうち、分光された各波長の光ごとに光強度が調整される。
The reflected reflected light L1 is reflected and deflected by the light reflection deflecting means 32. The light reflection deflecting means 32 is, for example, a MEMS programmable diffraction grating, and the MEMS programmable diffraction grating includes a MEMS actuator (hereinafter referred to as MEMS). The light L1 that has reached the MEMS is reflected and deflected at a high speed in a predetermined angle range and travels toward the
例えば、図12(a)に示すように、MEMSは、基板41上に静止電極42a・・・42n(図12(a)中では42aのみ図示)が設けられ、各静止電極42a・・・42nと離間して移動電極43a・・・43n(図12(a)中では43aのみ図示)を設けられたものである。各移動電極43a・・・43nは、各静止電極42a・・・42nに対して当接、離間自在(図12(a)中では上下方向移動自在)に設けられる。また、各移動電極43a・・・43nは、基板41に設けられる脚部44a,44bと、電極本体部(ミラー部)45と、一端が脚部44a,44bに固定して設けられ、他端が電極本体部45を吊設するフレキシブル接続部46a,46bとを有している。フレキシブル接続部46a,46bの厚さD1は、電極本体部45の厚さD2よりも薄く(例えば、約1/3)形成しておくことで、フレキシブル接続部46a,46bは自在に屈曲される。電極本体部45は剛直で、屈曲しない。各静止電極42a・・・42nは、それぞれが制御手段(例えば、コンピュータ(図示せず))に独立して接続されている。
For example, as shown in FIG. 12A, the MEMS is provided with
各静止電極42a・・・42nと各移動電極43a・・・43n間の電圧(電位差)を、制御手段によりそれぞれ制御することで、各移動電極43a・・・43nを独立させて駆動させることができる。その結果、各静止電極42a・・・42nと各移動電極43a・・・43n間の離間距離H1・・・Hn(図12(a)中ではH1のみ図示)を、それぞれ無段階に自在に調節することができる。電圧と離間距離H1・・・Hnとの関係は予め検量線を作成しておき、この検量線に基づいて、離間距離H1・・・Hnを調節する。このように、静止電極と移動電極の各離間距離H1・・・Hnを、それぞれ無段階に自在に調節することができる。また、MEMSは、各移動電極43a・・・43nが並ぶ方向と回折格子31の溝が並ぶ方向とが平行になるよう配置され、回折格子31で分光された光L1のうち、それぞれ波長の異なる光がそれぞれ異なる移動電極にて反射される。したがって、アパチャ33を通過する光の強度を波長帯ごとに調節することができる。また、MEMSの各移動電極43a・・・43nの制御は、高速で、かつ、制御手段によって同期させて行われる。
Each
具体的には、図12(b)に示すように、全ての移動電極43a・・・43nを動かさず、静止電極42a・・・42nから離間させたままとすることで(全ON時)、アパチャ33において、全ての波長帯の光(図12(b)中では光49a〜49c)が全て通過する。また、図12(c)に示すように、全ての移動電極43a・・・43nを静止電極42a・・・42nと当接させることで(全OFF時)、全ての波長帯の光(図12(c)中では光49a〜49c)がアパチャ33間で遮断される。また、図12(d)に示すように、移動電極43a・・・43nの一部を静止電極42a・・・42nと当接又は近接させ、残部の移動電極43a・・・43nを動かさず、離間させたままとすることで(光強度調整時)、当接又は近接させる静止電極と対応したある波長帯の光(図12(d)中では光49b,49c)だけが、光強度を調整されてアパチャ33を通過する。当接させたままの静止電極と対応したある波長帯の光(図12(d)中では光49a)は、アパチャ33で遮断される。
Specifically, as shown in FIG. 12B, by not moving all the moving
アパチャ33を通過した光L1は集光手段34に入射する。集光手段34に入射した光L1は、集光してMEMSの移動電極の上下により選択された所定の波長帯ごとの光が光検出器35で受光される。受光された光L1は、データ処理装置15に電気信号として出力される。データ処理装置15では、この光L1に基づく電気信号から、塗膜表面、内部に存在するOH基(水分)に基づく吸光度が算出される。
The light L1 that has passed through the
この時、光源出射光Lに対して反射光L1は、OH基に起因する吸収によって減衰する。ここで、OH基によって吸収される吸収強度を、光検出器で受光される受光強度から以下の式(1)のように定義する。ここで扱う吸収強度を、「吸光度」と称している。 At this time, the reflected light L1 is attenuated by the absorption caused by the OH group with respect to the light emitted from the light source L. Here, the absorption intensity absorbed by the OH group is defined as the following formula (1) from the received light intensity received by the photodetector. The absorption intensity handled here is referred to as “absorbance”.
(吸収強度) = −log(受光強度)・・・ (1)
一般に、吸収波長付近の吸光度を得るには、吸収スペクトルを検出し、そのスペクトルから特定波長の吸光度を求める。本実施の形態では、MEMSを備えた分光器13を用いて、OH基の吸収ピーク波長付近の吸光度のみ得ている。
(Absorption intensity) = -log (Reception intensity) (1)
Generally, in order to obtain the absorbance near the absorption wavelength, an absorption spectrum is detected, and the absorbance at a specific wavelength is obtained from the spectrum. In the present embodiment, only the absorbance in the vicinity of the absorption peak wavelength of the OH group is obtained using the
図12(a)〜図12(d)、及び図13(a)に示される吸収スペクトルの例を用いて、分光器14で反射光L1のスペクトルから吸収ピーク波長の吸光度の検出方法について説明する。
A method for detecting the absorbance of the absorption peak wavelength from the spectrum of the reflected light L1 by the
まず、予め任意の光を分光器に入射させる。分光器13内では、入射した光は、回折格子31で分光され、分光された各光は波長毎に回折角が異なり、MEMSに到達する際に、それぞれ異なる移動電極43a・・・43nで反射される。したがって、分光器13に導入された光の波長と移動電極43a・・・43nの位置との関係、すなわち、吸収ピーク波長に対応した移動電極の位置を知ることができる。
First, arbitrary light is previously incident on the spectroscope. In the
次に、塗膜11で反射した反射光L1を分光器13に入力し、OH基の吸収ピークの波長に対応した移動電極のみをONにし、他の移動電極をOFFにする。これにより、OFFの移動電極で反射された光は、アパチャ33で遮断され、ONの移動電極で反射された光のみが光検出器35に到達する。
Next, the reflected light L1 reflected by the
各移動電極43a・・・43nを制御することで、所定波長の光の光強度を選択的に計測することができる。この特徴を利用して、反射光L1の吸収スペクトル70から、それぞれ特定波長のみのスペクトル(吸収ピークの光強度)71だけを抽出して検出することができる。具体的には、特定波長λaのスペクトル71の波長付近に対応した移動電極のみをONにし、残りの移動電極を全てOFFにする。光検出器35では、ONの移動電極で反射された光のみが検出される。光検出器35は順次1つの移動電極で反射した光を検出するために、高速でONにする移動電極を順次切り換えている。
By controlling each of the moving
図13(a)に示すスペクトル70とは異なり、図13(b)に示すスペクトル72のように、吸収ピークの前後で基準(ベース)となる光強度が異なる場合には、スペクトル72の吸光度の検出は、波長λb,λdの光強度B、Dをそれぞれ検出し、それら光強度B、Dを結んだ直線をベースライン73とし、波長λcでの光強度Cと、波長λcのベースライン73上の光強度Eとの差分を求め、その差分74を吸光度とする。
Unlike the
本実施の形態の劣化診断方法によれば、目視で判別できる白亜化、チョーキング化、或いは、水が素地である金属に到達して発生する錆が起こる前段階において、OH基を有する成分及び目視では判別できない程の水分が、塗膜中にどの程度保水されているかによって、塗膜劣化を検出することができるので、目視試験より早い段階で劣化状況を診断することができる。これより、早期の劣化予測、診断への応用につながる。例えば、塗膜の補修を検討する際の予備診断に適用して、塗膜の余寿命を判断することができる。 According to the deterioration diagnosis method of the present embodiment, the components having an OH group and the visual inspection can be performed before the whitening, choking, or rust generated when water reaches the base metal. Since it is possible to detect coating film deterioration depending on how much moisture is retained in the coating film, it is possible to diagnose the deterioration state at an earlier stage than the visual test. This leads to early deterioration prediction and diagnostic applications. For example, the remaining life of the coating film can be determined by applying it to a preliminary diagnosis when examining the repair of the coating film.
また、本塗膜劣化診断方法は、基本的に、塗膜に光を当てて反射をとるだけといった単純なステップで計測できるので、劣化診断経験を有する作業員だけでなく誰でも簡単に実施することができる。さらに、劣化の程度と対応する塗膜のOH基含有量(水分含有量)を検出しているので、塗膜劣化の程度を定量的に診断することができ、個人差の少ない計測ができる。 In addition, this coating film deterioration diagnosis method can be measured by simple steps such as applying light to the coating film and taking reflections, so it can be easily carried out by anyone, not just workers with deterioration diagnosis experience. be able to. Furthermore, since the OH group content (water content) of the coating film corresponding to the degree of deterioration is detected, the degree of coating film deterioration can be diagnosed quantitatively and measurement with little individual difference can be performed.
上述のMEMSを備えた分光器13を用いて吸光度を高速に計測しているので、診断時間を非常に短くすることができる。ひいては、吸光度の積算平均を多くとっても短時間(1分程度)で結果が得られ、誤差を低減した診断を行うことができる。
Since the absorbance is measured at high speed using the
本実施の形態の塗膜劣化診断方法では、分光器13に塗膜反射光L1のみを入力し、図13(a)または図13(b)で説明した方法で塗膜反射光L1の吸光度を求めたが、参照光を分光器13に導入してもよい。例えば、劣化のない新品の塗膜に光源出射光Lを照射し、その反射光の光強度を計測して参照受光強度とする。
In the coating film deterioration diagnosis method of the present embodiment, only the coating film reflected light L1 is input to the
このとき、吸光度(吸収強度)は以下の式(2)で定義される。 At this time, the absorbance (absorption intensity) is defined by the following formula (2).
(吸収強度) = −log(受光強度)/(参照受光強度) ・・・(2)
計測した参照受光強度は、データ処理装置15に記憶させ、後に検出される塗膜反射光L1の受光強度と共に用いて吸光度を算出してもよく、また、光検出器35で検出される参照光受光強度が0となるようにMEMSの各電極を調整した後、塗膜反射光L1の光強度を検出して、その検出された光強度を参照受光強度に対する差分としてもよい。
(Absorption intensity) = -log (Received light intensity) / (Reference received light intensity) (2)
The measured reference received light intensity may be stored in the
また、分光器13内に光反射偏向手段32、アパチャ33を2組ずつ設け、塗膜反射光L1と同時に、参照光として光源出射光Lを直接(塗膜で反射させず)に入力し、参照光の受光強度と比較して、反射光L1の吸光度を測定してもよい。分光器に参照光を導入し、反射光L1と比較しながら反射光L1の吸光度を得ることで、バックグランドノイズを除去した計測を高速に行うことができる。
Also, two sets of light reflection deflecting means 32 and
本実施の形態では、光ファイバ61,62とその光ファイバ61,62に接続されるプローブ64を用いて、塗膜反射光L1を分光器13内に導入したが、スキャニング装置を用いて塗膜反射光L1を分光器内に導入してもよい。
In the present embodiment, the coating film reflected light L1 is introduced into the
図14(a)に示すように、スキャニング装置80は、分光器13と光ファイバ62を介して光学的に接続され、樹脂塗膜表面Cから反射された光のうち、樹脂塗膜表面C内に並ぶ複数の点のうち一点(計測点p)からの反射光を順次分光器13に取り込むものである。
As shown in FIG. 14A, the
具体的には、図14(b)に示すように、スキャニング装置80は、ポリゴンミラー81及びガルバノミラー82を備えている。ポリゴンミラー81は、回転軸の周囲に一連の平面ミラーを備えた回転多面体からなる偏向器であり、ガルバノミラー82は、単一のミラーに軸を付け、電気信号に応じてミラーの回転角を変えられるようにした偏向器である。ポリゴンミラー81は図14(b)中紙面に垂直な軸を回転軸として回転して、樹脂塗膜表面Cを横方向(図14(a)中i方向)に走査し、ガルバノミラー82が図14(b)中紙面に平行な軸を回動軸として回動して、樹脂塗膜表面Cを縦方向(図14(a)中j方向)に走査するように構成している。
Specifically, as shown in FIG. 14B, the
まず、光源11から樹脂塗膜表面Cに光Lを照射する。光源11から照射された光Lは、樹脂塗膜表面Cで反射され、反射光L1として出射する。その際、スキャニング装置80は、ポリゴンミラー81及びガルバノミラー82の角度を調整して樹脂塗膜表面C内の計測点p(1,1)からの反射光L1を捉える。具体的には、光ファイバ62に反射光L1が入射されるようポリゴンミラー81及びガルバノミラー82と反射光L1の光軸が合致するように光軸の調整がなされる。スキャニング装置80によって光軸の合わせられた反射光L1は光ファイバ62を経由して分光器13へ入力される。入力後は上述した方法で吸光度を求め、異なる計測点p(例えば(2,1))に反射光L1の光軸が合致するようにポリゴンミラー81の光軸を調整し、同様に吸光度を計測する。この計測点の移動(スキャニング装置80による樹脂塗膜表面Cの走査)と吸光度の測定を繰り返してで塗膜劣化二次元分布が得られる(データ処理装置15のディスプレイに表示される)。
First, the light L is irradiated from the
本実施の形態では、ハロゲンランプ等の光源を用い、光源出射光が塗膜で反射し、反射光が分光器内で認識される程度の光強度を有する距離で行った。これに対して、光源出射光として、日光を利用し、日光の塗膜での反射光を分光器に導入して劣化診断を行ってもよい。 In this embodiment, a light source such as a halogen lamp is used, and the light source emission light is reflected by the coating film, and the distance is such that the reflected light is recognized by the spectroscope. On the other hand, deterioration diagnosis may be performed by using sunlight as the light source emission light and introducing reflected light from the sunlight coating film into the spectrometer.
10 樹脂塗膜診断装置
11 樹脂塗膜
12 光源
13 分光器
15 データ処理装置
DESCRIPTION OF
Claims (6)
光源から出射される光を上記樹脂塗膜に照射し、その樹脂塗膜からの反射光を分光器内に入力し、その分光器で、上記樹脂塗膜の劣化要因となるOH基に起因する特定波長の吸光度を測定し、その吸光度から樹脂塗膜の劣化の程度を定量的に求めることを特徴とする塗膜劣化診断方法。 In the method of diagnosing the deterioration state of the resin coating film to be diagnosed,
The resin film is irradiated with light emitted from a light source, and the reflected light from the resin film is input into the spectroscope. The spectroscope is caused by OH groups that cause deterioration of the resin film. A method for diagnosing coating film deterioration, comprising measuring the absorbance at a specific wavelength and quantitatively determining the degree of deterioration of the resin coating film from the absorbance.
The spectroscope is connected to a scanning device that sequentially takes the light reflected at different positions on the resin coating film into the spectroscope. The method for diagnosing coating film deterioration according to claim 1, wherein the resulting absorbance is detected to obtain a two-dimensional distribution of coating film deterioration.
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