JP2005179501A - 導電性塗料、導電性塗膜、亀裂監視用塗料及び亀裂検出用塗膜 - Google Patents

Abstract

【課題】 亀裂の検出に最適な体積抵抗率を有し現場施工が容易であり精度よく亀裂を検出することができる導電性塗料、導電性塗膜、亀裂検出用塗料及び亀裂検出用塗膜を提供する。
【解決手段】 亀裂検出用塗膜１は、カーボンブラックとエポキシ樹脂とを含む導電性塗料を塗布して形成される。この亀裂検出用塗膜１の表面に一対の電極２ａ，２ｂを配置してこれらの電極２ａ，２ｂ間に亀裂Ｃを導入すると、亀裂Ｃの長さが長くなるほど電極２ａ，２ｂ間の抵抗値の増加量が大きくなり、亀裂検出用塗膜１の幅Ｗが狭いほど微小長さの亀裂Ｃを検出可能である。例えば、亀裂検出用塗膜１を幅Ｗ＝5mm以下で塗布した場合には、1mm以下の亀裂Ｃを検出することができ、亀裂検出用塗膜１を幅Ｗ＝1mm程度で塗布した場合には、長さ0.5mm程度の亀裂Ｃを検出することができる。
【選択図】 図２

Description

この発明は、導電顔料と有機樹脂とを含む導電性塗料、塗装対象物の表面に塗布され形成された導電性塗膜、亀裂の発生が予測される検出対象物の表面に塗布され、この検出対象物の亀裂を検出する亀裂検出用塗料、及び亀裂を検出する亀裂検出用塗膜に関する。

鋼構造物には、繰り返し荷重を受けることで引張荷重のかかる部位に疲労亀裂が発生したり、接合部のリベットやボルトの緩みや脱落などの重大変状が発生したりする。このような重大変状が構造物の耐力に影響するほどの大きさに成長すると構造物の破壊に至るため、変状部位別に許容される変状程度を超えるおそれがある場合には補修や補強のための工事が行われている。鋼構造物の重大変状は、通常の状態では複数年かけて進展するため変状発生時に直ちに補修や補強を行う必要はない。また、変状の中には進展が途中で止まる場合もあるため、補修や補強の必要性を判定するためには変状発生後の進展を監視する必要がある。

鋼構造物の検査には、２年を超えない範囲で行われる定期検査と、地震などの異常時に大きな荷重を受けた場合に行われる不定期検査と、定期検査などで異常が想定された場合に実施される詳細検査とがある。定期検査と不定期検査は、巡回による検査通路からの目視検査が主体であり、この目視検査では亀裂の発生が想定される箇所に近接して防食塗膜の破断箇所を目視で観察する。鋼材の亀裂発生に伴う塗膜破断は、応力集中箇所と想定される部位から直線的に成長しているので、他の塗膜破断原因と容易に区別することができる。また、過去の経験から鋼材の疲労亀裂時に防食塗膜が破断に至ることが知られている。リベットやボルトの破断は、接合部が観察できれば双眼鏡などを用いて容易に発見することができる。リベットやボルトの緩みは、これらの周りの塗膜の破断状況を近接して観察し、ハンマーなどで叩き音の変化を確認する打音検査によって発見することができる。一方、詳細検査は、検査目的によって異なるが検査のために足場の架設を伴うことがある。巡回による目視によって変状が発見されるのは検査通路に近い部位のみであり、多くの場合には足場を架設して接近観察が必要になるが、足場の架設には多くの費用が必要になる。このため、緊急性の高い詳細検査以外では、10〜15年毎に実施されている塗替え塗装工事の塗装足場を活用して検査されている。

近年、導電性薄膜を構造物に配置しこの構造物に亀裂が発生したときにこの導電性薄膜が破断することで亀裂を検知する方法が提案されている。例えば、従来の亀裂検知材は、防水性を有する絶縁塗料をトンネルの壁面に塗布して形成された下地層と、線状模様の電気回路を形成するように下地層の表面に導電性塗料を塗布して形成された導電層と、下地層と同様の絶縁塗料を導電層及び下地層に塗布して形成されこれらを被覆する保護層とを備えている（特許文献１参照）。このような従来の亀裂検知材では、壁面にひび割れが発生して異常が発生するとこの異常箇所の周辺が剥離して導電層が断線し導電層が非通電状態になるため、センサが導電層の非通電状態を検出して壁面の異常を検出することができる。

特開2001-201477号公報（段落番号0010〜0015及び図２）

このような従来の亀裂監視材では、亀裂の検出が可能な電気抵抗の低い導電性塗料によって導電層を形成する必要がある。近年、帯電防止、電磁シールド、結露防止などを目的とする低電気抵抗の導電性塗料が知られている。例えば、従来の導電性塗料（従来技術１）は、カーボンブラックとグラファイトとをアクリル系樹脂水系分散体に混合分散させている（特許文献２参照）。この従来技術１では、電気抵抗値が最小となるようにカーボンブラックとグラファイトとの添加混合比率を調整して結露の発生を防止している。また、従来の導電性塗料（従来技術２）は、カーボンブラック顔料とエポキシ樹脂とを配合している（特許文献３参照）。この従来技術２では、カーボンブラック顔料とエポキシ樹脂との混合割合を調整して、電気抵抗値のばらつきを小さくし塗膜強度を向上させている。

特開2003-238881号公報（段落番号0018〜0024）

特開2002-302625号公報（段落番号0010〜0019）

従来技術１では、二種類の導電性顔料であるカーボンブラックとグラファイトとを体積抵抗率が低くなるような混合比率で調整する必要がある。このため、導電顔料が一種類の場合に比べて調整が困難であるとともに、亀裂検出用塗料として利用する場合には、体積抵抗率が低すぎるため亀裂の進展を十分に検出することができないという問題がある。また、従来技術２では、カーボンブラック顔料とエポキシ樹脂とを混合しているが、亀裂検出用塗料として利用する場合には体積抵抗率が高すぎるため亀裂の発生とこの亀裂の進展を十分に検出することができないという問題がある。

この発明の課題は、亀裂の検出に最適な体積抵抗率を有し現場施工が容易であり精度よく亀裂を検出することができる導電性塗料、亀裂検出用塗料及び亀裂検出用塗膜を提供することである。

この発明は、以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項１の発明は、導電顔料と有機樹脂とを含む導電性塗料であって、前記導電顔料としてカーボンブラックを含み、前記有機樹脂としてエポキシ樹脂を含み、前記導電顔料の質量に対する前記有機樹脂の質量が300〜700wt%であることを特徴とする導電性塗料である。

請求項２の発明は、導電顔料と有機樹脂とを含む導電性塗料であって、前記導電顔料としてニッケル粉を含み、前記有機樹脂としてエポキシ樹脂を含み、前記導電顔料の質量に対する前記有機樹脂の質量が20〜80wt%であることを特徴とする導電性塗料である。

請求項３の発明は、塗装対象物の表面に塗布され形成された導電性塗膜であって、請求項１又は請求項２に記載の導電性塗料が前記塗装対象物の表面に塗布され形成されていることを特徴とする導電性塗膜である。

請求項４の発明は、請求項３に記載の導電性塗膜において、前記塗装対象物の表面は、鋼構造物の絶縁層表面又はコンクリート構造物の表面であることを特徴とする導電性塗膜である。

請求項５の発明は、亀裂の発生が予測される検出対象物の表面に塗布され、この検出対象物の亀裂を検出する亀裂検出用塗料であって、請求項１又は請求項２に記載の導電性塗料を含むことを特徴とする亀裂検出用塗料である。

請求項６の発明は、請求項５に記載の亀裂検出用塗料において、前記検出対象物の表面は、鋼構造物の絶縁層表面又はコンクリート構造物の表面であることを特徴とする亀裂検出用塗料である。

請求項７の発明は、亀裂（Ｃ）を検出する亀裂検出用塗膜であって、請求項３又は請求項４に記載の導電性塗膜の電極（２ａ，２ｂ；４）間の抵抗値が200〜10000Ωであることを特徴とする亀裂検出用塗膜（１；３）である。

請求項８の発明は、請求項７に記載の亀裂検出用塗膜において、前記導電性塗膜の厚みは、10〜100μmであることを特徴とする亀裂検出用塗膜である。

請求項９の発明は、請求項７又は請求項８に記載の亀裂検出用塗膜において、前記導電性塗膜の物性は、引張試験による破断時の伸びが10〜30％であることを特徴とする亀裂検出用塗膜である。

この発明によると、亀裂の検出に最適な体積抵抗率を有し現場施工が容易であり精度よく亀裂を検出することができる。

以下、この発明の実施形態について詳しく説明する。
この発明の実施形態に係る亀裂検出用塗膜は、鋼構造物などの亀裂を検出する塗膜であり、鋼構造物の絶縁層表面に亀裂検出用塗料を塗布して形成される。ここで、鋼構造物の絶縁層は、この鋼構造物に亀裂が発生したときに同時に亀裂が発生するような絶縁性塗料などによって形成されている。亀裂検出用塗料は、亀裂の発生が予測される鋼構造物の絶縁層表面に塗布され、この鋼構造物の亀裂を検出する塗料であり、導電性顔料と有機材料とを含む導電性塗料である。導電顔料としては、カーボンブラック、グラファイト、ニッケル、銅、銀などが好ましく、有機樹脂としてはエポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、アルキルシリケート樹脂などが好ましい。

亀裂検出用塗膜の厚さは、10μm以下では現場施工によって連続した塗膜が得られないおそれがあり、100μm以上では塗装したときに垂れなどの塗膜欠陥が多く発生し、この塗膜欠陥を防止するために粘度を高くすると施工性が犠牲になるおそれがある。このため、亀裂検出用塗膜の厚さは、10〜100μmが好ましく、特に30〜60μmが望ましい。亀裂検出用塗膜の物性は、引張試験による破断時の伸びが10％以下では鋼構造物の温度差による伸縮などの他の要因によって割れるおそれがあり、30％以上では鋼構造物の亀裂発生時やボルトの緩み時に亀裂検出用塗膜が同時に破壊しないおそれがある。このため、亀裂検出用塗膜の物性は、引張試験による破断時の伸びが10〜30％であることが好ましい。亀裂検出用塗膜は、亀裂の進展を検出する場合には、体積抵抗率が1〜10Ω・cmとなり、塗布後の電極間の抵抗が200〜10000Ω、好ましくは200〜2000Ωとなるように、導電顔料と有機樹脂との配合量を調整して形成されている。また、亀裂検出用塗膜は、亀裂の発生を検出する場合には亀裂の進展を検出する場合に比べて体積抵抗率が0.01〜１Ω・cmと低く、塗布後の電極間の抵抗が200〜10000Ω、好ましくは200〜2000Ωとなるように、導電顔料と有機樹脂との配合量を調整して形成することが好ましい。亀裂検出用塗料の粘度は、現場で刷毛、ローラ又はスプレーなどによって塗布できる程度に調整することが好ましい。

この発明の実施形態に係る亀裂検出用塗膜には、以下に記載するような効果がある。
(1) この実施形態では、導電性塗料がカーボンブラックとエポキシ樹脂とを含み、カーボンブラックの質量に対するエポキシ樹脂の質量が300〜700wt%である。その結果、体積抵抗率が１〜10Ω・cm程度になるため鋼構造物などに発生した亀裂の進展を検出することができる。また、この実施形態では、導電性塗料がニッケル粉とエポキシ樹脂とを含み、ニッケル粉の質量に対するエポキシ樹脂の質量が20〜80wt%である。その結果、体積抵抗率が0.01〜１Ω・cm程度になるため鋼構造物などに発生する亀裂とこの亀裂の進展とを検出することができる。

(2) この実施形態では、導電性塗膜の電極間の抵抗値が200〜10000Ω、好ましくは200〜2000Ωであるため、亀裂の発生や亀裂の進展を高精度に検出することができる。また、この実施形態では、導電性塗膜の厚みが10〜100μmであるため、現場で連続して塗膜を形成可能であり垂れなどの塗膜欠陥の発生を防ぐことができる。さらに、この実施形態では、導電性塗膜の引張試験による破断時の伸びが10〜30％であるため、鋼構造物などに亀裂が発生するのと略同時に塗膜を破断させることができるとともに、鋼構造物などの温度変化による収縮によって塗膜が割れるのを防止することができる。

次に、この発明の実施例を説明する。
（抵抗測定実験１）
図１は、この発明の実施例に係る亀裂検出用塗膜の抵抗測定実験１の構成図であり、図１（Ａ）は平面図であり、図１（Ｂ）は正面図である。
図１は、亀裂の発生が予測される検出対象物上に絶縁層を塗布し、その上に亀裂検出用塗膜１を塗布した状態の図である。この亀裂検出用塗膜１が検出対象物の亀裂を検出する塗膜である。亀裂検出用塗膜１は、亀裂検出用塗料を帯状に塗布して形成されており、亀裂の発生に応じて電気抵抗が変化する。亀裂検出用塗膜１は、導電顔料としてカーボンブラックを含み、有機材料として液状エポキシを含む樹脂／顔料割合が500%の導電性塗料を塗布して形成されている。電極２ａ，２ｂは、亀裂検出用塗膜１に電流を流す部分であり、距離Ｌ₁＝700mm間隔をあけて亀裂検出用塗膜１の表面に形成されている。図１に示す亀裂検出用塗膜１を長さＬ＝720mm、厚さｔ＝0.06mmで形成し、亀裂検出用塗膜１を幅Ｗ＝1〜300mmまで変化させ、亀裂検出用塗膜１の一方の長辺から亀裂Ｃを導入して電極２ａ，２ｂ間の電気抵抗を測定した。

図２は、この発明の実施例に係る亀裂検出用塗膜の抵抗測定実験１の測定結果を示すグラフである。図３は、この発明の実施例に係る亀裂検出用塗膜を幅＝50mmで塗布したときの亀裂長さと抵抗値の増加量との関係を示すグラフである。
図２及び図３に示すグラフは、亀裂検出用塗膜１の亀裂長さと抵抗値の増加量との関係を示し、横軸は亀裂Ｃの長さ(mm)であり、縦軸は電極２ａ，２ｂ間の抵抗値増加量(Ω)である。図２及び図３に示すように、亀裂Ｃの長さが長くなるほど電極２ａ，２ｂ間の抵抗値の増加量が大きくなり、図２に示すように亀裂検出用塗膜１の幅Ｗが狭いほど微小長さの亀裂Ｃを検出可能であると考えられる。例えば、図２に示すように、亀裂検出用塗膜１を幅Ｗ＝5mm以下で塗布した場合には、1mm以下の亀裂Ｃを検出することができ、亀裂検出用塗膜１を幅Ｗ＝1mm程度で塗布した場合には、長さ0.5mm程度の亀裂Ｃを検出することができる。また、亀裂検出用塗膜１を幅Ｗ＝10mm程度で塗布した場合には、長さ5mm程度の精度で10mm近くの亀裂長さを検出することができる。

（抵抗測定実験２）
図４は、この発明の実施例に係る亀裂検出用塗膜の抵抗測定実験２の構成図であり、図４（Ａ）は平面図であり、図４（Ｂ）は正面図である。
図４に示す亀裂検出用塗膜３は、亀裂の発生が予測される検出対象物の絶縁層上に塗布されこの検出対象物の亀裂を検出する塗膜である。亀裂検出用塗膜３は、厚さ3.0mmの基板の表面に長さＬ＝1800mm、幅Ｗ＝900mmにわたり亀裂検出用塗料を面状に厚さｔ＝0.06mmで塗布して形成されており、亀裂の発生に応じて電気抵抗が変化する。亀裂検出用塗膜３は、図１に示す亀裂検出用塗膜１と同様の導電性塗料を塗布して形成されている。電極４は、亀裂検出用塗膜３に電流を流す部分であり、亀裂検出用塗膜３の短辺から距離Ｌ₁＝400mm、長辺から距離Ｌ₂＝225mmの位置に、縦方向の間隔Ｄ₁＝225mm及び横方向の間隔Ｄ₂＝500mmで形成されている。図４に示す亀裂検出用塗膜３の中央に亀裂Ｃを導入して各電極４間の電気抵抗を測定した。

図５は、この発明の実施例に係る亀裂検出用塗膜の抵抗測定実験２の測定結果を示すグラフである。
図５に示すグラフは、亀裂検出用塗膜３の亀裂長さと抵抗値の増加量との関係を示し、横軸は亀裂検出用塗膜３の短辺の長さ(mm)に対する亀裂長さ(mm)の比であり、縦軸は電極４間の抵抗増加量(Ω)である。ここで、αは、図４に示す電極位置Ｐ_I，Ｐ_i間及び電極位置Ｐ_III，Ｐ_iii間の抵抗増加量の平均値である。βは、電極位置Ｐ_II，Ｐ_i間、電極位置Ｐ_II，Ｐ_iii間、電極位置Ｐ_I，Ｐ_ii間及び電極位置Ｐ_III，Ｐ_ii間の抵抗増加量の平均値である。γは、電極位置Ｐ_I，Ｐ_iii間及び電極位置Ｐ_III，Ｐ_i間の抵抗増加量の平均値である。図５に示すように、亀裂Ｃの進展方向と同一方向で互いに対向する電極位置Ｐ_A，Ｐ_B間では亀裂Ｃの大きさに関わらず抵抗値増加量に変化がない。一方、亀裂Ｃの進展方向と交差する方向で互いに対向する電極位置Ｐ_II，Ｐ_ii間などでは亀裂Ｃが大きくなるほど抵抗変化量も大きくなる。その結果、亀裂Ｃの進展方向と交差する方向に配置された電極位置Ｐ_II，Ｐ_ii間などの抵抗値の変化を検出することで亀裂Ｃの発生とこの亀裂Ｃの長さを検出することができるとともに、亀裂Ｃの進展方向を検出することができる。

（実施例１）
図６は、この発明の実施例１に係る亀裂検出用塗料の樹脂／顔料割合と体積抵抗率との関係を示すグラフである。
図６に示す横軸は、樹脂／顔料割合(wt%)であり、縦軸は体積抵抗率（固有抵抗率)(Ω・cm)である。ここで、樹脂／顔料割合は、顔料の質量に対する樹脂の質量の割合を示し、数値が小さいほど樹脂量の少ない塗膜であることを示す。実施例１は、導電顔料としてカーボンブラック（電気化学工業（株）製、商品名：デンカブラック）を含み、有機材料として液状エポキシ樹脂（大日本インキ化学工業（株）製、商品名：エピクロン）を含む亀裂検出用塗料である。

表１は、カーボンブラック／液状エポキシ樹脂の体積抵抗率の測定結果を示す。実施例１は、図６及び表１に示すように、樹脂含有量が低下すると体積抵抗率が小さくなり導電性が向上している。亀裂の進展を検出するための亀裂進展検出用塗膜として実施例１の亀裂検出用塗料を使用する場合には、体積抵抗率が1〜10Ω・cm程度になるように、導電顔料の質量に対する有機樹脂の質量を300〜700wt％程度に調整することが望ましい。

（実施例２）
図７は、この発明の実施例２に係る亀裂検出用塗料の樹脂／顔料割合と体積抵抗率との関係を示すグラフである。
図７に示す横軸は、樹脂／顔料割合(wt%)であり、縦軸は体積抵抗率(mΩ・cm)である。実施例２は、導電顔料としてニッケル粉（関東化学（株）製の試薬）を含み、有機材料として液状エポキシ樹脂（大日本インキ化学工業（株）製、商品名：エピクロン）を含む亀裂検出用塗料である。

表２は、ニッケル粉／液状エポキシ樹脂の体積抵抗率の測定結果を示す。実施例２は、図７及び表２に示すように、実施例１と同様に樹脂含有量が低下すると体積抵抗率が小さくなり導電性が向上している。亀裂の進展を検出するための亀裂進展検出用塗膜や、亀裂の発生を検出する亀裂発生検出用塗膜として実施例２の亀裂検出用塗料を使用する場合には、体積抵抗率が0.01〜0.04Ω・cm程度になるように、導電顔料の質量に対する有機樹脂の質量を20〜80wt％程度に調整することが望ましい。

この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。例えば、この実施形態では、検出対象物として鋼構造物を例に挙げて説明したが、コンクリート構造物などの他の構造物についてもこの発明を適用することができる。この場合には、コンクリート構造物の表面に亀裂検出用塗料を塗布することができる。また、この実施形態では、樹脂自体が液状である液状エポキシ樹脂によって亀裂検出用塗料を製造する場合を例に挙げて説明したが、液状エポキシ樹脂に比べて分子量が高く常温で固体である固形エポキシ樹脂によって亀裂検出用塗料を製造することもできる。さらに、この実施形態では、ニッケル粉によって亀裂検出用塗料を製造する場合を例に挙げて説明したがこれに限定するものではない。例えば、酸化物によって表面が覆われたニッケル粉以外の他の金属顔料であっても、樹脂中で粉砕することで導電性塗膜を形成できる場合には、このような他の金属顔料によって亀裂検出用塗料を製造することもできる。

この発明の実施例に係る亀裂検出用塗膜の抵抗測定実験１の構成図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は正面図である。 この発明の実施例に係る亀裂検出用塗膜の抵抗測定実験１の測定結果を示すグラフである。 この発明の実施例に係る亀裂検出用塗膜を幅＝50mmで塗布したときの亀裂長さと抵抗値の増加量との関係を示すグラフである。 この発明の実施例に係る亀裂検出用塗膜の抵抗測定実験２の構成図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は正面図である。 この発明の実施例に係る亀裂検出用塗膜の抵抗測定実験２の測定結果を示すグラフである。 この発明の実施例１に係る亀裂検出用塗料の樹脂／顔料割合と体積抵抗率との関係を示すグラフである。 この発明の実施例２に係る亀裂検出用塗料の樹脂／顔料割合と体積抵抗率との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 亀裂検出用塗膜
２ａ，２ｂ 電極
３ 亀裂検出用塗膜
４ 電極

Claims (9)

1. 導電顔料と有機樹脂とを含む導電性塗料であって、
   前記導電顔料としてカーボンブラックを含み、
   前記有機樹脂としてエポキシ樹脂を含み、
   前記導電顔料の質量に対する前記有機樹脂の質量が300〜700wt%であること、
   を特徴とする導電性塗料。
2. 導電顔料と有機樹脂とを含む導電性塗料であって、
   前記導電顔料としてニッケル粉を含み、
   前記有機樹脂としてエポキシ樹脂を含み、
   前記導電顔料の質量に対する前記有機樹脂の質量が20〜80wt%であること、
   を特徴とする導電性塗料。
3. 塗装対象物の表面に塗布され形成された導電性塗膜であって、
   請求項１又は請求項２に記載の導電性塗料が前記塗装対象物の表面に塗布され形成されていること、
   を特徴とする導電性塗膜。
4. 請求項３に記載の導電性塗膜において、
   前記塗装対象物の表面は、鋼構造物の絶縁層表面又はコンクリート構造物の表面であること、
   を特徴とする導電性塗膜。
5. 亀裂の発生が予測される検出対象物の表面に塗布され、この検出対象物の亀裂を検出する亀裂検出用塗料であって、
   請求項１又は請求項２に記載の導電性塗料を含むこと、
   を特徴とする亀裂検出用塗料。
6. 請求項５に記載の亀裂検出用塗料において、
   前記検出対象物の表面は、鋼構造物の絶縁層表面又はコンクリート構造物の表面であること、
   を特徴とする亀裂検出用塗料。
7. 亀裂を検出する亀裂検出用塗膜であって、
   請求項３又は請求項４に記載の導電性塗膜の電極間の抵抗値が200〜10000Ωであること、
   を特徴とする亀裂検出用塗膜。
8. 請求項７に記載の亀裂検出用塗膜において、
   前記導電性塗膜の厚みは、10〜100μmであること、
   を特徴とする亀裂検出用塗膜。
9. 請求項７又は請求項８に記載の亀裂検出用塗膜において、
   前記導電性塗膜の物性は、引張試験による破断時の伸びが10〜30％であること、
   を特徴とする亀裂検出用塗膜。
   
   

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