JP6141654B2 - Anticorrosion structure and anticorrosion method - Google Patents
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- Prevention Of Electric Corrosion (AREA)
Description
本発明は、コンクリート層で覆われる鉄筋や皮膜を有する鋼材等の防食構造および防食方法に関する。 The present invention relates to an anticorrosion structure and an anticorrosion method for a steel material or the like having a reinforcing bar or a film covered with a concrete layer.
コンクリートの表面付近に設置した電極(陽極)から、コンクリート中の鉄筋等の鋼材に電流を流すことによって、鋼材の電位を腐食しない電位にまで低下させ、鋼材腐食の進行を抑制する電気防食が知られている。電気防食としては、外部電源方式と流電陽極方式が知られている。
外部電源方式は、直流電源装置の正極を補助陽極および負極を防食する鋼材に導体で接続して電気回路を作り、補助陽極から防食電流を鋼材へ流すカソード防食である。
流電陽極方式は、電気防食の対象の鋼材よりも酸化還元電位が低い物質、例えば、亜鉛、マグネシウム、アルミニウム等の卑金属やこれらの合金からなる流電陽極(犠牲陽極)を導体で鋼材とつなぎ、鋼材の代わりに流電陽極の金属がイオン化することにより鋼材の腐食を防ぐものである。すなわち、防食する鋼材を陰極にして、鋼材よりも酸化還元電位が低い物質を陽極として電池を完成させ、両極間の電位差によって防食電流を鋼材へ流す方法である。
It is known that anti-corrosion is effective in reducing the corrosion of steel by reducing the potential of the steel to a potential that does not corrode by passing an electric current from the electrode (anode) installed near the surface of the concrete to the steel such as reinforcing steel in the concrete. It has been. As the anticorrosion, an external power supply method and a galvanic anode method are known.
The external power supply system is a cathodic protection that connects the positive electrode of the DC power supply device to the steel material that protects the auxiliary anode and the negative electrode with a conductor to create an electric circuit, and flows the anticorrosion current from the auxiliary anode to the steel material.
In the galvanic anode method, a material having a lower oxidation-reduction potential than the steel material subject to anticorrosion, for example, a galvanic anode (sacrificial anode) made of a base metal such as zinc, magnesium or aluminum or an alloy thereof is connected to the steel material by a conductor. The metal of the galvanic anode is ionized instead of the steel material to prevent corrosion of the steel material. That is, this is a method in which the battery is completed with a steel material to be anticorrosive as a cathode and a material having a lower oxidation-reduction potential than the steel material as an anode, and an anticorrosion current is caused to flow through the steel material by the potential difference between the two electrodes.
しかし、流電陽極方式は、経時に伴い酸化還元電位が低い物質を消耗させるため、流電陽極の定期的な交換が必要となるという問題がある。
一方、外部電源方式は、チタンメッシュ、チタングリッド、チタンロッド等の耐食性の高い補助陽極をコンクリートの表面または表面に溝や穴を設けて設置し、モルタルで固定するので、補助陽極の定期的な交換は不要である。しかし、外部電源方式は、商用電源を必要とするが、防食が必要とされる橋梁等の構築物は、付近に電源がない場合がある。
この様な電源確保の問題に対して、特許文献1〜3には、太陽電池を利用した外部電源方式の防食方法が提案されている。
However, the galvanic anode method has a problem in that a periodic replacement of the galvanic anode is required because a substance having a low redox potential is consumed over time.
On the other hand, in the external power supply system, auxiliary anodes with high corrosion resistance such as titanium mesh, titanium grids, titanium rods, etc. are installed with grooves or holes in the concrete surface or surface and fixed with mortar. No replacement is necessary. However, the external power supply method requires a commercial power supply, but a structure such as a bridge that requires anticorrosion may not have a power supply nearby.
With respect to such a problem of securing a power supply,
特許文献1には、コンクリート構造物中の防食対象の鋼材から所定の距離を設けて配置した複数個の電気防食用電極を有し、防食対象の鋼材と各電気防食用電極には蓄電手段を備えた太陽電池を電源として接続した電気防食装置が提案されている。
特許文献2には、バックアップ用蓄電池を有しない太陽電池電源装置として構成した電源から断続的にのみ防食電流を供給して電気防食を行う電気防食方法が提案されている。
また、特許文献3には、太陽電池を用いて断続通電が1日当たりの通電時間3〜9時間、防食電流密度2〜50mA/m2の間欠通電による鉄筋コンクリート構造物の電気防食方法が提案されている。
Further,
また、完成された太陽電池を用いるものではないが、太陽光を利用した外部電源不要の防食方法として、特許文献4には、酸化チタンなどの半導体層で生成した電子が集電されて被防食体に移動し、移動した電子がイオン導電性で半導体層に戻る回路構造とすることで電流を供給して電気防食を行う防食構造が提案されている。
Moreover, although it does not use the completed solar cell, as an anticorrosion method using solar light that does not require an external power supply,
特許文献1の提案は、複数個の電気防食用電極を用いるが、耐食性の高い補助陽極は高価なので、コスト的に不利である。また、既設のコンクリート構造物に複数の電極を設置するので、施工に手数がかかるという問題がある。
特に、既設のコンクリート構造物に複数の電極を設置する作業は、現場施工が主であり、橋梁の床盤など裏面に処理を施す場合が多い防食工事において、作業を頭上で行う必要があり、重労働となりやすい。
さらに、特許文献1の提案は、電極を連続した面状に設置することはできないので、太陽電池やバッテリーの正極から供給される電流による正の電荷の移動が、コンクリート中でイオン伝導により鉄筋に輸送する正の電荷の移動に変化する際のエネルギー障壁が大きい。この障壁により電気化学的分極が起きて、電流が流れにくい。従って、特許文献1の電極は、出力が大きく変動する太陽電池を用いた電気防食に適しているとは言えない。
The proposal of
In particular, the work of installing multiple electrodes on an existing concrete structure is mainly on-site construction, and it is necessary to perform the work overhead in anticorrosion work where the back surface such as the bridge floor is often treated. Prone to heavy labor.
Furthermore, since the proposal of
特許文献2の提案は、太陽電池などの断続的にのみ防食電流を供給可能な電源から蓄電池を用いることなく防食電流を供給して電気防食を行う電気防食方法である。しかし、その対象物が海水中や地中などのカルシウムイオンやマグネシウムイオン等の硬度成分により電解皮膜が形成される防食対象物に限られる。従って、空気中に露出しているコンクリート構造物や鉄骨構造物等を防食することはできない。
The proposal of
一方、特許文献3の提案は、鉄筋コンクリート構造物に外部電源を用いて断続通電するに際し、1日当たりの通電時間及びその際の通電電流密度を一定範囲とする防食方法である。
特許文献3の提案においては、外部電源の主電源としてソーラ電源を用いることが経済性の点から好ましいとされる。しかし、季節や天候等の外部要因や1日通電回数から、所定の通電時間及びその際の防食電流密度を維持できない場合があるので、その時には蓄電池等の補助電源を用いて所定の通電時間及びその際の防食電流密度を維持すると記載される。
そして、特許文献3には、所定の通電時間及びその際の防食電流密度を維持できない場合の検知方法、その場合の補助電源を用いた維持方法等について具体的な記載はない。従って、特許文献3の提案は、間欠通電による防食の可能性を示唆するが、太陽電池による防食を開示しない。
On the other hand, the proposal of
In the proposal of
そして、特許文献4に記載の防食構造は、半導体層−導電層−回路配線−被防食体という電子による電荷の移動経路と、半導体層−第2の電解質層−第1の電解質層−コンクリート層−被防食体というイオン導電性による電荷の移動経路とからなる。
この発明においては、電子供給シートを第1の電解質層を用いてコンクリート層に固定することができるので施工は容易である。
And the anticorrosion structure of
In this invention, since the electron supply sheet can be fixed to the concrete layer using the first electrolyte layer, the construction is easy.
この発明は、色素増感型太陽電池(DSC)の作用極に導電層を用い、対極に被防食体を用いて閉鎖回路を形成したものである。
従って、この導電層は、半導体層で生成した電子を集電して被防食体に電子を供給する電子供給シートであり、被防食体に接続される。
そして、被防食体で電子によって陽イオンが還元されるので、電気的に接続され、閉鎖回路のDSCとなる。これにより、半導体層の電子生成量が小さい場合であっても、被防食体に電流を流して電位を卑にすることができる。
しかし、防食回路を形成したときに発電層が1枚の単セル構造であり、発生電圧は低く、発生電流量も小さいので、腐食の進んだ鉄筋に対しては、適用できないおそれがある。
In the present invention, a closed circuit is formed by using a conductive layer as a working electrode of a dye-sensitized solar cell (DSC) and using an anticorrosive body as a counter electrode.
Therefore, the conductive layer is an electron supply sheet that collects electrons generated in the semiconductor layer and supplies the electrons to the object to be protected, and is connected to the object to be protected.
And since a cation is reduce | restored by an electron in a to-be-protected body, it connects electrically and becomes DSC of a closed circuit. Thereby, even if it is a case where the electron production amount of a semiconductor layer is small, an electric current can be sent through a to-be-protected body and a potential can be made into a base.
However, when the anticorrosion circuit is formed, the power generation layer has a single cell structure, the generated voltage is low, and the amount of generated current is small, so that it may not be applicable to a corroded reinforcing bar.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、施工現場での陽極設置の作業量を大幅に低減し、太陽電池を電源に使用した防食構造および防食方法を提供することを課題とする。 This invention is made | formed in view of the said situation, and makes it a subject to provide the anticorrosion structure and the anticorrosion method which significantly reduced the work amount of anode installation in a construction site, and used the solar cell for the power supply.
本発明の発明者らは、上記の課題を解決するため、鋭意検討した結果、被防食体の表面に貼着可能な粘着力を有するシート状に成形された電解質層を用いることを着想した。例えば、導電性ハイドロゲル(以下、「ハイドロゲル」ということがある。)等のゲル電解質のシートは、コンクリートに比べて豊富なゲルの溶媒(ハイドロゲルの場合は水)に含まれるイオンによって導電層との界面における電気化学的分極を小さくすることができる。しかも、ゲル電解質を構成する樹脂マトリックスの粘着性により補助陽極をコンクリートの表面に貼着することができる。これにより、ゲル電解質とコンクリート層との密着性が高くなるのでイオン伝導が起こりやすい。また、補助陽極設置に際して施工現場での作業量を低減することができる。本発明の発明者らは、これらの知見を得て本発明を完成した。 The inventors of the present invention, as a result of intensive studies to solve the above-described problems, have come up with the idea of using an electrolyte layer formed into a sheet shape having an adhesive force that can be attached to the surface of the corrosion-protected body. For example, a sheet of a gel electrolyte such as a conductive hydrogel (hereinafter sometimes referred to as “hydrogel”) is conductive by ions contained in a gel solvent (water in the case of hydrogel) that is more abundant than concrete. Electrochemical polarization at the interface with the layer can be reduced. In addition, the auxiliary anode can be adhered to the concrete surface by the adhesiveness of the resin matrix constituting the gel electrolyte. Thereby, since the adhesiveness of a gel electrolyte and a concrete layer becomes high, ion conduction tends to occur. In addition, the amount of work at the construction site can be reduced when the auxiliary anode is installed. The inventors of the present invention have obtained these findings and completed the present invention.
本発明は、以下の防食構造を提供する。
(1)シート状に成形された導電層の一面に、電解質がシート状に成形されて前記導電層および被防食体の表面層に貼着可能な粘着力を有するゲル電解質層が貼着された補助陽極を、前記ゲル電解質層を用いて被防食体の表面層に貼着し、前記補助陽極の前記導電層を、太陽電池を含む電源回路の正極に接続し、前記電源回路の負極を被防食体に接続したことを特徴とする防食構造。
(2)前記導電層が炭素素材を含む(1)の防食構造。
(3)炭素素材が繊維基材またはフィルム基材に担持された(2)の防食構造。
(4)炭素素材が炭素粉末である(3)の防食構造。
(5)前記導電層が気体の透過が可能な多数の連通孔を有する(1)〜(4)のいずれかの防食構造。
(6)前記導電層の外面が保護層で覆われた(1)〜(5)のいずれかの防食構造。
The present invention provides the following anticorrosion structure.
(1) On one surface of a conductive layer formed into a sheet shape, an electrolyte was formed into a sheet shape, and a gel electrolyte layer having an adhesive force capable of being attached to the conductive layer and the surface layer of the corrosion-protected body was attached. An auxiliary anode is attached to the surface layer of the object to be protected using the gel electrolyte layer, the conductive layer of the auxiliary anode is connected to a positive electrode of a power circuit including a solar cell, and the negative electrode of the power circuit is covered. An anticorrosion structure characterized by being connected to an anticorrosion body.
(2) The anticorrosion structure according to (1), wherein the conductive layer contains a carbon material.
(3) The anticorrosion structure according to (2), wherein a carbon material is supported on a fiber substrate or a film substrate.
(4) The anticorrosion structure according to (3), wherein the carbon material is carbon powder.
(5) The anticorrosion structure according to any one of (1) to (4), wherein the conductive layer has a large number of communication holes through which gas can permeate.
(6) The anticorrosion structure according to any one of (1) to (5), wherein an outer surface of the conductive layer is covered with a protective layer.
また、本発明は、以下の防食方法を提供する。
(7)(1)ないし(6)のいずれかの防食構造の前記補助陽極を、前記ゲル電解質層を用いてコンクリート構造物に貼着し、前記補助陽極の前記導電層を、太陽電池を含む電源回路の正極に接続し、前記電源回路の負極をコンクリート構造物に埋設された被防食体に接続して電流を供給することを特徴とする防食方法。
(8)蓄電手段として二次電池を用いることなく前記被防食体に電流を供給する(7)の防食方法。
(9)最大電力点追尾を行うことなく太陽電池を作動させる(8)の防食方法。
Moreover, this invention provides the following anticorrosion methods.
(7) The auxiliary anode having the anticorrosion structure according to any one of (1) to (6) is attached to a concrete structure using the gel electrolyte layer, and the conductive layer of the auxiliary anode includes a solar cell. An anticorrosion method comprising: connecting to a positive electrode of a power supply circuit; and supplying a current by connecting the negative electrode of the power supply circuit to an anticorrosive body embedded in a concrete structure.
(8) The anticorrosion method according to (7), wherein a current is supplied to the subject to be protected without using a secondary battery as a power storage means.
(9) The anticorrosion method according to (8), wherein the solar cell is operated without performing maximum power point tracking.
(1)の防食構造によれば、電解質がシート状に成形されて前記導電層および被防食体の表面層に貼着可能な粘着力を有する電解質層が導電層の一面に貼着されて、積層構造とされているので、補助陽極をモルタルで埋設することなく、電解質層の導電層が貼着されていない面を用いて被防食体の表面層に貼着するだけで容易に補助陽極を設置することができる。これにより、補助陽極を設置するための施工現場での作業量を大幅に低減することができる。
また、シート状に成形された導電層とシート状に成形されたゲル電解質が、広い面積で均一に密着する。またコンクリートに比べて豊富なゲル電解質のイオンにより、太陽電池からの電荷の移動が電解質のイオン伝導に効率よく変換される。これらにより、電気化学的分極を小さくすることができる。そして、被防食体の表面とシート状に成形されたゲル電解質が広い面積で均一に密着することにより、電気防食を行う際の被防食体の表面層の電位分布が均一となる。その結果、太陽電池を用いるために補助陽極に印加する電圧を低く設定しても電流が流れやすいので、太陽電池を用いた防食が可能である。
According to the anticorrosion structure of (1), the electrolyte is formed into a sheet shape, and the electrolyte layer having an adhesive force that can be attached to the surface layer of the conductive layer and the corrosion-protected body is attached to one surface of the conductive layer, Since it has a laminated structure, the auxiliary anode can be easily attached only to the surface layer of the body to be protected using the surface of the electrolyte layer without the conductive layer attached without embedding the auxiliary anode with mortar. Can be installed. Thereby, the work amount in the construction site for installing an auxiliary anode can be reduced significantly.
In addition, the conductive layer formed into a sheet shape and the gel electrolyte formed into a sheet shape are in close contact with each other over a wide area. In addition, the abundance of gel electrolyte ions compared to concrete efficiently converts the charge transfer from the solar cell to the ionic conduction of the electrolyte. As a result, electrochemical polarization can be reduced. And the surface of the to-be-prevented body and the gel electrolyte formed into a sheet form are in close contact with each other over a wide area, so that the potential distribution of the surface layer of the to-be-prevented body becomes uniform when performing anti-corrosion. As a result, even if the voltage applied to the auxiliary anode is set low in order to use the solar cell, current flows easily, and thus corrosion protection using the solar cell is possible.
(2)の防食構造によれば、(1)の防食構造の効果に加えて、高価なチタンなどの耐食性の高い金属を補助陽極に用いなくてもよいので、コスト的に有利である。また、炭素素材は、金属に比べて軽いので、補助陽極を軽くすることができる。
(3)の防食構造によれば、(2)の防食構造の効果に加えて、合成樹脂の基材に炭素素材を担持させることができるので、耐食性が高く、導電性の調整および低コスト化が可能となる。
(4)の防食構造によれば、(3)の防食構造の効果に加えて、安価な炭素粉末を用いることができるので、コスト的に有利である。
(5)の防食構造によれば、(1)〜(4)の防食構造の効果に加えて、前記導電層が気体の透過が可能な多数の連通孔を有するので、大きな電流を流して防食する場合に、電解質層との界面で発生する気体を逃がすことができる。これにより、電解質層から導電層が部分的に剥離することを防止できる。従って、腐食が進行している鉄筋に対して、第一段階として、例えば、商用電源、乾電池や燃料電池等の一次電池、蓄電機能を有する二次電池等の電源を付加し、大きな電流が流れる電圧を印加して劣化の進行を抑制し、不動態皮膜が形成されたら、第二段階として、太陽電池を用いて水や塩化物の電気分解による気体の発生が少ない電圧を印加して防食を行うことが可能である。
(6)の防食構造によれば、(1)〜(5)の防食構造の効果に加えて、補助陽極の取扱性や施工性を低下させることなく、導電層または電解質層の物理的損傷、汚れ、雨や飛来塩分等の侵入を防止することができる。
According to the anticorrosion structure of (2), in addition to the effect of the anticorrosion structure of (1), it is not necessary to use an expensive metal such as titanium for the auxiliary anode, which is advantageous in terms of cost. Further, since the carbon material is lighter than the metal, the auxiliary anode can be lightened.
According to the anticorrosion structure of (3), in addition to the effect of the anticorrosion structure of (2), a carbon material can be supported on the base material of the synthetic resin, so that the corrosion resistance is high, the conductivity is adjusted, and the cost is reduced. Is possible.
According to the anticorrosion structure of (4), in addition to the effect of the anticorrosion structure of (3), an inexpensive carbon powder can be used, which is advantageous in terms of cost.
According to the anticorrosion structure of (5), in addition to the effects of the anticorrosion structure of (1) to (4), the conductive layer has a large number of communication holes through which gas can permeate. In this case, the gas generated at the interface with the electrolyte layer can be released. Thereby, it can prevent that a conductive layer partially peels from an electrolyte layer. Therefore, as a first step, a large current flows, for example, by adding a power source such as a commercial power source, a primary battery such as a dry battery or a fuel cell, or a secondary battery having a power storage function, to a reinforcing bar that is undergoing corrosion. When a passive film is formed by applying a voltage to suppress the progress of deterioration, as a second step, use a solar cell to apply a voltage that generates less gas due to water or chloride electrolysis to prevent corrosion. Is possible.
According to the anticorrosion structure of (6), in addition to the effects of the anticorrosion structure of (1) to (5), physical damage to the conductive layer or the electrolyte layer without reducing the handleability and workability of the auxiliary anode, Invasion of dirt, rain, and incoming salt can be prevented.
(7)の防食方法によれば、(1)〜(6)の防食構造と同様な効果が得られる。
(8)の防食方法によれば、二次電池等の蓄電手段の維持管理が不要となる。また、過充電や過放電を防止する回路や充電回路も不要となるので、電源回路が簡素となる。
(9)の防食方法によれば、最大電力点追尾のための回路が不要となるので、電源回路が簡素となる。
According to the anticorrosion method of (7), the same effect as the anticorrosion structure of (1)-(6) is acquired.
According to the anticorrosion method of (8), maintenance management of power storage means such as a secondary battery becomes unnecessary. In addition, since a circuit and a charging circuit for preventing overcharge and overdischarge are not required, the power supply circuit is simplified.
According to the anticorrosion method of (9), a circuit for tracking the maximum power point becomes unnecessary, and the power supply circuit is simplified.
以下、好適な実施の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図1に本発明の防食構造の一例の第1形態例を模式的に示す。
本形態例の防食構造1は、電解質層12をコンクリート層3の表面に貼着して補助陽極10を設置する。そして、回路配線6を用いて太陽電池を含む電源回路5の正極55を補助陽極10の導電層11に接続し、回路配線6を用いて電源回路5の負極56を被防食体4に接続して本発明の防食構造1を形成する。
なお、「貼着」とは、物体同士が粘着または接着により一体化することを意味する。粘着とは、意図的な界面での剥離は可能であるが、自然な状態では剥離しない接着強度で物体同士が一体化することを意味する。接着とは、界面での剥離が不能な接着強度で物体同士が一体化することを意味する。
The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings.
FIG. 1 schematically shows a first embodiment of an example of the anticorrosion structure of the present invention.
In the
In addition, "sticking" means that objects are integrated by adhesion or adhesion. Adhesion means that objects can be peeled off at an intentional interface, but the objects are integrated with an adhesive strength that does not peel off in a natural state. Adhesion means that the objects are integrated with an adhesive strength that does not allow separation at the interface.
本形態例に用いる電源回路5の一例を図2に示す。本形態例に用いる太陽電池51としては、結晶型やアモルファス型等のシリコン系太陽電池、GaAsやCIS等の化合物系太陽電池、色素増感太陽電池、有機薄膜太陽電池、これらが積層された多接合型太陽電池などを使用することができる。これらの太陽電池は、単セルでもよいが、複数個のセルが接続されてモジュール化ないしアレイ化されていることが好ましい。
夜間や天候不良により発電が全く不可能な状態をバックアップするために、太陽電池51は、二次電池やコンデンサ(キャパシタ)等の蓄電手段と組み合わせて用いてもよい。
An example of the
The
蓄電手段として二次電池を用いる場合は、二次電池を充電できる電圧以上の公称最大出力動作電圧(Vpm)を有する太陽電池が好ましい。この場合、太陽電池51の出力電圧は、二次電池を充電できる電圧に固定される場合があるので、太陽電池を常に最大電力点で作動するように制御する最大電力点追尾(MPPT:Maximum Power Point Tracking)を行うと太陽電池の発電能力を有効に活用できるので好ましい。二次電池等を充電できる電圧以上の出力電圧が得られない可能性のある太陽電池を用いる場合は、最大使用電圧が二次電池の充電電圧よりも大きなコンデンサに蓄電し、パルス状の電流に整流することで、二次電池に充電することが可能である。あるいは、各種のDC−DCコンバータ等の回路で昇圧して二次電池に充電してもよい。
When a secondary battery is used as the power storage means, a solar battery having a nominal maximum output operating voltage (Vpm) equal to or higher than a voltage capable of charging the secondary battery is preferable. In this case, since the output voltage of the
「電池」の名称がついているためと推定されるが、太陽電池は、光があたっているときは、一次電池の様に一定の電圧や電流を発生させるものと誤解されやすい。それ故、例えば特許文献1に記載の電気防食装置の様な、外部電源に太陽電池を採用しただけで、実際の検証が行われない電気防食の発明が生まれやすい。しかし実際に電気防食に適用した場合は、図8に示す様に、昼間の発生電圧が大きく変動する。また、電流についても、図9に示す様に、昼間の発生電流量が変動する。
電圧については、太陽電池で生成した電荷を二次電池に蓄電し、二次電池を防食の電源とすることで、容易に定電圧による防食が可能である。さらに、定電流による防食を行う場合は、定電流回路や定電流ダイオードで定電流に変換すればよい。あるいは、インバータで交流に変換し、市販の防食用定電流電源装置を利用してもよい。
従って、二次電池を防食の主電源とする場合は、太陽電池51の出力電圧は重要でなく、太陽電池51の出力電流量のみを考慮すればよい。
蓄電手段として二次電池を用いると、電圧や電流の制御が容易となるが、二次電池の維持管理が必要となる。また、過充電や過放電を防止する回路も必要となるので、電源回路5が複雑となる。
It is presumed that the name “battery” is attached, but a solar battery is easily misunderstood as generating a constant voltage or current like a primary battery when exposed to light. Therefore, for example, an anticorrosion invention in which actual verification is not performed can be born simply by adopting a solar cell as an external power source, such as the anticorrosion device described in
With respect to the voltage, the charge generated by the solar battery is stored in the secondary battery, and the secondary battery is used as the anticorrosion power source, so that the anticorrosion by the constant voltage can be easily performed. Furthermore, when performing anticorrosion by a constant current, it may be converted to a constant current by a constant current circuit or a constant current diode. Or you may convert into alternating current with an inverter and may utilize the commercially available constant current power supply for corrosion prevention.
Therefore, when the secondary battery is used as the main power source for corrosion prevention, the output voltage of the
When a secondary battery is used as the power storage means, control of voltage and current becomes easy, but maintenance of the secondary battery is required. Further, since a circuit for preventing overcharge and overdischarge is required, the
常時通電して防食する場合、外部電源方式による電気防食に必要な電流密度は、1〜30mA/m2程度とされている。従って、常時通電する場合の太陽電池51の最大出力動作電流(Ipm)は、防食する面積、回路構成や環境にもよるが、夜間の発電が全く不可能な状態を想定し、防食に必要な電流密度の上限の10倍程度の300mA/m2以上の電流密度が得られることが好ましい。
特許文献2や3には、間欠通電による電気防食の可能性が示唆されている。間欠通電の場合の太陽電池51の発生電流量は小さくてもよいが、安全性を考慮すると、外部電源方式による電気防食に必要な電流密度の上限の2倍程度の60mA/m2以上が得られるものであることが好ましい。
In the case of corrosion prevention by always energizing, the current density necessary for the anticorrosion by the external power supply method is about 1 to 30 mA / m 2 . Therefore, the maximum output operating current (Ipm) of the
ところで、特許文献2の段落0020に記載されるように、従来は、太陽電池を電源とする防食は、天候不良の昼間は、夜間と同様に、防食対象の電位が上昇すると考えられていた。
ところが本発明においては、図7や図14を見ると、天候が良くない日があった筈なのに、鉄筋の電位が下がらない日がないことが判る。この理由は、電気防食は、必要とされる電流密度が小さいこと、及び本発明の補助陽極は、コンクリートに比べて豊富なゲル電解質のイオンにより、太陽電池からの電荷の移動が電解質のイオン伝導に効率よく変換されるためと考えられる。
従って、本発明においては、天候不良による発生電流量の変動は、重要な要素ではないことが判る。
By the way, as described in paragraph 0020 of
However, in the present invention, it can be seen from FIG. 7 and FIG. 14 that there was no day when the potential of the reinforcing bars did not drop, although there were days when the weather was not good. The reason for this is that cathodic protection requires a small current density, and the auxiliary anode of the present invention has an abundance of gel electrolyte ions compared to concrete, so that the transfer of charge from the solar cell is responsible for the ionic conduction of the electrolyte. This is thought to be because of efficient conversion.
Therefore, in the present invention, it can be understood that the fluctuation of the generated current amount due to bad weather is not an important factor.
蓄電手段として二次電池を用いないで、アルミ電解コンデンサや電気二重層キャパシタ等の大型のコンデンサを用いることもできる。この場合は、電圧や電流を一定とするためには専用の回路や定電圧ダイオード等が必要となるが、維持管理が容易である。また、過充電や過放電を防止する回路も不要とすることもできるので、電源回路5を簡素とすることができる。コンデンサの容量によっては、間欠通電となることが起こり得るが、後述するように間欠通電でも防食は可能である。
この場合に用いる太陽電池51としては、0.3V〜5V程度の発生電圧が得られるものであることが好ましい。
太陽電池51の発生電圧がこの範囲よりも大きくても回路で調整が可能である。回路で調整せず、印加する電圧が大きすぎると、コンクリート中の水分が電気分解して水素が発生し、鉄筋等の被防食体に水素脆弱が起きたり、電解質層12中の水分が電気分解して散逸したりする場合がある。太陽電池51の発生電圧がこの範囲よりも小さくても昇圧回路で調整が可能であるが、防食に必要な電流密度が得られない場合がある。
本発明においては、電解質層12が貼着された補助陽極10を用いて、被防食体4の表面に貼着するので、電流が流れやすく、低い発生電圧で十分な防食電流を得ることが可能である。
A large capacitor such as an aluminum electrolytic capacitor or an electric double layer capacitor can be used without using a secondary battery as the power storage means. In this case, in order to make the voltage and current constant, a dedicated circuit, a constant voltage diode, and the like are required, but maintenance and management are easy. In addition, since a circuit for preventing overcharge and overdischarge can be eliminated, the
As the
Even if the generated voltage of the
In the present invention, the
本形態例においては、電源回路5は、図2に示すように、夜間に被防食体4に腐食電流が流れることを防止するために、太陽電池51と補助陽極10の間にダイオード52を直列に接続する。ダイオード52としては、PNダイオード等の整流機能を有する半導体素子が好ましい。また、太陽電池51の発生電圧が高い場合は、降圧回路やツェナーダイオード等を用いて電圧を制限することが好ましい。
また、ダイオード52と補助陽極10の間において、コンデンサ53を太陽電池51と並列に接続する。このコンデンサ53は、昼間に太陽電池51によって蓄電され、夜間に蓄えられた電荷により被防食体4に電流を流すためのものである。コンデンサとしては、電解コンデンサや電気二重層コンデンサ等の容易に大容量が得られるものが好ましい。
そして、被防食体4と補助陽極10との間の電流をモニタするために、太陽電池51と被防食体4との間に抵抗54を直列に接続し、電圧計57により抵抗54の両端の電圧を測定して電流を確認する。電流は無抵抗電流計を直列に接続して直接測定してもよい。また、図2に示すように電圧計58を設けて、太陽電池51の正極55と負極56間のダイオード52による電圧降下を無視した電圧(被防食体4に印加する発生電圧)を測定できるようにしておくことが好ましい。
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the
Further, a
And in order to monitor the electric current between the to-
導電層11は、電源回路5により供給される電流を、電解質層12の表面に均一に供給する面状電極であって、通電時に発生する酸素や塩素などの気体および電解質溶液に対する耐久性(耐食性)が高い材料をシート状に成形したものである。
導電層11に用いられる耐食性が高い材料としては、白金、チタン、ニッケル、鉛やステンレス等の金属および炭素素材を挙げることができる。
耐食性が高い金属の中では、チタンとステンレスは耐食性に優れるので好ましい。特にチタンは、軽くて軟らかいので好ましい。また、ステンレスはコスト的に有利なので好ましい。チタンやステンレスは、白金やルテニウムがメッキされていると、耐食性および導電性に優れるのでより好ましい。
The
Examples of the material having high corrosion resistance used for the
Among metals having high corrosion resistance, titanium and stainless steel are preferable because they are excellent in corrosion resistance. Titanium is particularly preferable because it is light and soft. Stainless steel is preferable because of its cost advantage. Titanium and stainless steel are more preferable when platinum or ruthenium is plated because they are excellent in corrosion resistance and conductivity.
導電層11に金属を用いる場合は、金属箔、開口を有するまたは開口を有しない金属リボン、金属繊維の織布やエキスパンドメタルなどの金属メッシュ等をシート状に成形したものを用いることができる。開口を有する金属リボンや金属メッシュは、軽くて低コストであるが、電解質層12との接着強度が劣る場合がある。したがって、導電層11に用いる金属は、金属箔が好ましい。
金属箔を用いる場合、その厚さは、任意である。入手しやすさ、剛性、重量、コストなどを考慮して決まればよい。例えば、チタン箔を用いる場合は、20μm〜500μmの範囲とするのが好ましい。ステンレス箔を用いる場合は、10μm〜300μmの範囲とするのが好ましい。この範囲より厚いと、導電層が重くなりすぎて長期の使用時に電解質層12から剥離する可能性が出てくる。また、剛性が高くて加工しにくい。
なお、金属リボンを用いる場合は、幅を広くするために、複数枚を並べて用いることができる。この場合は、金属リボン同士を導電体で電気的に接続しておくことが好ましい。
When a metal is used for the
When using metal foil, the thickness is arbitrary. It may be determined in consideration of availability, rigidity, weight, cost, and the like. For example, when a titanium foil is used, it is preferably in the range of 20 μm to 500 μm. When using stainless steel foil, it is preferable to set it as the range of 10 micrometers-300 micrometers. If it is thicker than this range, the conductive layer becomes too heavy, and there is a possibility of peeling from the
In the case of using a metal ribbon, a plurality of sheets can be used side by side in order to widen the width. In this case, it is preferable to electrically connect the metal ribbons with a conductor.
導電層11に用いられる耐食性が高い材料の内、炭素素材は、軽く、柔軟性の付与も容易で、調整により導電性の確保と低コスト化の両立が可能なので好ましい。
導電層11に炭素素材を用いる場合は、黒鉛をシート状に加工したグラファイトシート、有機繊維を炭化した炭素繊維の織布、不織布、編布などの導電性を有する炭素素材からなるシート、導電性を有するカーボン混抄紙、フィルム基材や織布、不織布、編布、紙などのシート状の繊維基材に炭素の短繊維や炭素粉末等の導電性を有する炭素素材を塗布および/または含浸した炭素含有シートを用いることができる。炭素繊維のシートは、繊維の一部が炭素繊維でなくともよい。
Among the materials having high corrosion resistance used for the
In the case where a carbon material is used for the
ここで、塗布および/または含浸とは、塗布または含浸する場合と塗布および含浸する場合とを含む。塗布とは炭素素材を主に基材の表面に付着させることであり、含浸とは炭素素材を基材の表面に付着させ、かつ内部に浸透させることであるが、本明細書においては、特に厳密に区別して解釈する必要はない。要は、基材に炭素素材が少なくともその表面に実用上十分な程度に剥離しにくく付着していれば良いのであり、必ずしも炭素素材が基材内部にまで浸透していなくても良い。しかしながら、繊維基材の場合は、導電層11の導電性が高くなるので、炭素素材が繊維基材の隙間にも浸透していることが好ましい。以下、含浸することを含めて「塗布」と表現することがある。
Here, the application and / or impregnation includes application and impregnation and application and impregnation. The application means that the carbon material is mainly attached to the surface of the base material, and the impregnation means that the carbon material is attached to the surface of the base material and penetrates into the inside. There is no need to interpret them strictly. In short, it is only necessary that the carbon material adheres to the substrate at least on its surface with a practically sufficient degree of separation, and the carbon material does not necessarily penetrate into the substrate. However, in the case of a fiber base material, since the conductivity of the
導電層11として、炭素素材を塗布した炭素含有シートを用いると、コスト的に有利であり、導電性の調整が容易なので好ましい。
炭素含有シートの炭素素材を担持するフィルム基材や繊維基材の材料は、金属、炭素素材、合成樹脂、ガラス、綿、麻、羊毛や絹等が使用可能である。
これらのうち、金属からなる基材は、導電性に優れるので好ましいが、通電時に発生する酸素や塩素などの気体および電解質溶液(電解液)で腐食することがある。このため、耐食性の高い白金やチタン等を用いる必要があり、コスト的に不利である。したがって、炭素含有シートは、合成樹脂の基材に炭素素材を担持させると、耐食性が高く、導電性の調整および低コスト化が可能となるので好ましい。
It is preferable to use a carbon-containing sheet coated with a carbon material as the
Metal, carbon material, synthetic resin, glass, cotton, hemp, wool, silk, etc. can be used as the material of the film substrate or fiber substrate carrying the carbon material of the carbon-containing sheet.
Among these, a base material made of a metal is preferable because it is excellent in conductivity, but it may be corroded by a gas such as oxygen or chlorine generated during energization and an electrolyte solution (electrolytic solution). For this reason, it is necessary to use platinum, titanium, etc. with high corrosion resistance, and it is disadvantageous in cost. Therefore, it is preferable that the carbon-containing sheet has a high corrosion resistance when a carbon material is supported on a synthetic resin base material, because the conductivity can be adjusted and the cost can be reduced.
繊維基材に炭素素材を塗布した炭素含有シートからなる導電層(以下、「繊維導電層」という場合がある。)は、繊維基材表面の凹凸により導電層11と電解質層12との接触面積が大きくなるので好ましい。そして、電解質層12に粘着性を有し、柔軟で凹凸への追従性に優れたゲル電解質層を用いる場合に、ゲルの一部が繊維基材の隙間に浸入し、密着性が増大する。これにより、ゲル電解質が電源回路5の正極から送られる正の電荷を効率よくイオン化して受け取り、被防食体4の表面層3へイオン伝導で効率よく移動させることができる。また、繊維基材の隙間が気体の透過が可能な連通孔となるように炭素素材を塗布することで、繊維基材の隙間から、防食時に大きな電流を用いたときに発生する気体を逃がすことができる。
A conductive layer made of a carbon-containing sheet in which a carbon material is applied to a fiber base (hereinafter sometimes referred to as “fiber conductive layer”) is a contact area between the
繊維導電層の繊維基材としては、金属繊維や炭素繊維などの導電性繊維、および、ガラス繊維、動物性繊維、植物性繊維、合成樹脂繊維等の非導電性の繊維を織布、不織布、編布、紙などのシートに加工した繊維基材を用いることができる。これらの繊維基材は、導電性繊維と非導電性の繊維基材との併用を含めて、複数を併用してもよい。
金属繊維からなる繊維基材は、導電性に優れるが、電解質溶液や気体の発生に伴い経時的に腐食する場合がある。このような場合は、耐食性に優れる炭素素材を塗布することが好ましい。この場合は、繊維導電層全体が導電性となるので導電性が高い。
繊維導電層の繊維基材の内、合成樹脂繊維からなる繊維基材は、耐食性が高いので好ましい。
As the fiber base material of the fiber conductive layer, conductive fibers such as metal fibers and carbon fibers, and non-conductive fibers such as glass fibers, animal fibers, vegetable fibers, synthetic resin fibers, woven fabrics, nonwoven fabrics, A fiber base material processed into a sheet such as knitted fabric or paper can be used. A plurality of these fiber base materials may be used in combination, including the combined use of conductive fibers and non-conductive fiber base materials.
Although the fiber base material which consists of metal fibers is excellent in electroconductivity, it may corrode over time with generation | occurrence | production of electrolyte solution or gas. In such a case, it is preferable to apply a carbon material having excellent corrosion resistance. In this case, since the whole fiber conductive layer becomes conductive, the conductivity is high.
Of the fiber base materials of the fiber conductive layer, a fiber base material made of synthetic resin fibers is preferable because of its high corrosion resistance.
繊維基材となる合成樹脂繊維を構成する樹脂としては、ポリエチレンテレフタレート(PET)やポリエチレンナフタレート(PEN)等のポリエステル樹脂;ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)やエチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)等のフッ素系樹脂:アクリル系樹脂;ポリエチレン(PE)やポリプロピレン(PP)等のポリオレフィン樹脂;ナイロン等のポリアミド樹脂、テトラアセチルセルロース(TAC);ポリエステルスルフォン(PES);ポリフェニレンスルフィド(PPS);ポリカーボネート(PC);ポリアリレート(PAr);ポリスルフォン(PSF);ポリエーテルイミド(PEI);ポリアセタール;ポリイミド系ポリマー;ポリエーテルサルフォンなどを挙げることができる。 Examples of the resin constituting the synthetic resin fiber serving as a fiber base material include polyester resins such as polyethylene terephthalate (PET) and polyethylene naphthalate (PEN); polytetrafluoroethylene (PTFE) and ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE). ) And other fluorine resins: acrylic resins; polyolefin resins such as polyethylene (PE) and polypropylene (PP); polyamide resins such as nylon, tetraacetyl cellulose (TAC); polyester sulfone (PES); polyphenylene sulfide (PPS); Polycarbonate (PC); Polyarylate (PAr); Polysulfone (PSF); Polyetherimide (PEI); Polyacetal; Polyimide polymer; Polyethersulfone and the like can be mentioned.
フィルム基材に炭素素材を塗布した炭素含有シートからなる導電層(以下、「フィルム導電層」という場合がある。)は、炭素素材の塗布量を精度よく制御できるので好ましい。また、炭素素材がフィルムの裏側に透過しないので、汎用の簡易な塗工装置で塗布することができる。
しかし、基材がフィルムであると、炭素素材を厚く塗布することが難しい場合がある。そのような場合は、フィルムの両面に炭素素材を塗布してもよい。この場合、フィルムを多孔性としたり、表裏を導電テープで接続したりして、表裏の炭素塗布層を導通させることが好ましい。また、繊維基材を炭素塗布層中に埋設して、炭素塗布層を補強してもよい。
A conductive layer made of a carbon-containing sheet obtained by applying a carbon material to a film substrate (hereinafter sometimes referred to as “film conductive layer”) is preferable because the amount of the carbon material applied can be accurately controlled. Moreover, since a carbon material does not permeate | transmit the back side of a film, it can apply | coat with a general purpose simple coating apparatus.
However, if the substrate is a film, it may be difficult to apply the carbon material thickly. In such a case, a carbon material may be applied to both sides of the film. In this case, it is preferable to make the carbon coating layers on the front and back conductive by making the film porous or connecting the front and back with a conductive tape. Moreover, a carbon base material may be embed | buried in a carbon coating layer and a carbon coating layer may be reinforced.
フィルム導電層は、フィルム基材によっては、気体を透過させにくいことがある。通常、防食時に2V以下の小さな電圧を印加する場合には、気体の発生量は、極めて小さく、発生した気体がフィルム基材を透過するので、問題にはならない。しかし腐食が進行している鉄筋を防食するために脱塩処理や再アルカリ化が可能な電流量が必要とされる場合には、フィルム導電層に多数の貫通孔15を設けることで、発生する気体を逃がすことができる。この場合、貫通孔15の内径は、気体の透過が可能であれば小さい程好ましい。しかし、基材フィルムと炭素塗布層の両者を穿孔するので、目詰まりしないように、例えば0.1〜1mm程度の大きさとすることが好ましい。また、炭素塗布層の厚みが大きい場合には、貫通孔15の径も相対的に大きくすることが好ましい。
Depending on the film substrate, the film conductive layer may be difficult to transmit gas. Usually, when a small voltage of 2 V or less is applied at the time of anticorrosion, the amount of gas generated is extremely small, and the generated gas permeates the film base material, which is not a problem. However, when the amount of current that can be desalted or realkalized is required to prevent corrosion of reinforcing steel bars, it is generated by providing a large number of through
貫通孔15の形成には、パンチ打ち抜き、レーザー光線、熱針や冷針を用いた穿孔など公知の方法を採用することができる。パンチによる打ち抜き穿孔は、熱針や冷針を用いた穿孔に比べて比較的径の大きな孔が得られる。冷針を用いた穿孔は、孔の周囲が不規則に裂開された状態となり、明確な開孔となりにくいが、気体の透過が可能である。レーザー光線や熱針を用いた溶融穿孔は、孔の周縁が溶融固化して明確な開孔となり、高い密度で孔を設けても比較的導電層11の強度低下が小さいので好ましい。
貫通孔15の形状は、円形、楕円形、正方形、長方形、多角形、不定形、その他任意の形状とすることができる。
For forming the through
The shape of the through
フィルム導電層に用いられるフィルム基材としては、耐食性に優れ、フィルムへの成形が容易なことから、樹脂フィルムが好ましい。樹脂フィルムを形成する樹脂としては、上述した繊維基材を構成する樹脂と同様な樹脂を挙げることができる。
フィルム導電層に用いられるフィルム基材の厚さは、物理的強度が確保される限り制限はないが、通常は、10μm〜100μm程度とすることができる。
As the film substrate used for the film conductive layer, a resin film is preferable because it has excellent corrosion resistance and can be easily formed into a film. As resin which forms a resin film, resin similar to resin which comprises the fiber base material mentioned above can be mentioned.
The thickness of the film substrate used for the film conductive layer is not limited as long as the physical strength is ensured, but can usually be about 10 μm to 100 μm.
繊維導電層およびフィルム導電層の基材に塗布する炭素素材は、導電性カーボンからなる炭素粉末が好ましい。
導電性カーボンとしては、例えば、グラファイト;ケッチェンブラック、サーマルブラック、アセチレンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック等の各種のカーボンブラック;カーボンナノチューブ等を用いることができる。これらのうち、導電性が高いことから、グラファイト、ケッチェンブラックおよびカーボンナノチューブが好ましい。特に安価で高い導電性を有するグラファイトが好ましい。
なお、炭素粉末は、炭素の短繊維を含んでいてもよい。
導電性粒子として、炭素素材を用いることにより、白金や金等の貴金属を導電性粒子に用いる場合に比べると安価であり、ニッケルや亜鉛等の卑金属を導電性粒子に用いる場合に比べると化学的安定性に優れる。これにより、繊維導電層またはフィルム導電層からなる導電層11の電解質溶液や電流の発生に伴う経時的な腐食に対する耐久性を高くすることができる。
The carbon material applied to the substrate of the fiber conductive layer and the film conductive layer is preferably carbon powder made of conductive carbon.
Examples of the conductive carbon include graphite; various carbon blacks such as ketjen black, thermal black, acetylene black, channel black, and furnace black; carbon nanotubes and the like. Of these, graphite, ketjen black and carbon nanotubes are preferred because of their high conductivity. In particular, graphite that is inexpensive and has high conductivity is preferable.
The carbon powder may contain short carbon fibers.
By using a carbon material as the conductive particles, it is cheaper than when noble metals such as platinum and gold are used for the conductive particles, and chemically compared to when using base metals such as nickel and zinc for the conductive particles. Excellent stability. Thereby, durability with respect to corrosion with time accompanying the electrolyte solution of the
炭素素材を繊維基材やフィルム基材に塗布する方法としては、例えば、炭素粉末や炭素の短繊維等を有機溶剤や水等の溶媒に分散させてペースト状にし、得られたカーボンペーストを、例えば、浸漬、グラビアコート、バーコート、スクリーンコート等のコート方法により塗布して乾燥させる方法が挙げられる。カーボンペーストには、炭素素材の分散性向上のため、分散剤等の添加物を配合しても良い。また、カーボンペーストには、塗布および層の形成を容易にするために、バインダーとして樹脂成分が配合されていてもよい。バインダーは、添加量が多い程、層の形成には好ましいが、溶媒が揮発したときに導電層11中に残り、導電性粒子同士の接触を阻害する場合がある。従って、カーボンペーストは、導電性を考慮してバインダーを配合することが好ましい。
As a method of applying a carbon material to a fiber base material or a film base material, for example, carbon powder or carbon short fibers are dispersed in a solvent such as an organic solvent or water to make a paste, and the obtained carbon paste is For example, the method of apply | coating and drying by coating methods, such as immersion, a gravure coat, a bar coat, a screen coat, is mentioned. In the carbon paste, additives such as a dispersant may be blended in order to improve the dispersibility of the carbon material. Moreover, in order to make application | coating and formation of a layer easy in carbon paste, the resin component may be mix | blended as a binder. The larger the amount of the binder added, the better for the formation of the layer, but there are cases where the binder remains in the
電解質層12は、正負の電荷を有するイオンを含むシート状に固体化された電荷移動層である。電解質層12中に含まれるイオンが移動したり、これらのイオン間を電荷が移動したりしてイオン伝導により電荷を移動させる。電解質層12に用いる主な電解質としては、電解質溶液を樹脂マトリックスに保持させたゲル電解質、イミダゾリウムイオン、ピリジニウムイオンなどの陽イオンと、BF4 −、PF6 −などの陰イオンから成るイオン液体(有機室温溶融塩)を樹脂マトリックスに保持させたイオンゲルやポリエーテル系樹脂にビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウム(LiTFSI)のようなリチウム塩を保持させた真性ポリマー電解質等のポリマー電解質を挙げることができる。
これらのうち、ゲル電解質は、イオン伝導度が高く、柔軟性を付与しやすいので好ましい。ゲル電解質は、ポリマー添加、オイルゲル化剤添加、多官能モノマー類を含む重合、
ポリマーの架橋反応等により電解質を樹脂マトリックス中にゲル化(固体化)させたものである。
The
Among these, the gel electrolyte is preferable because it has high ionic conductivity and easily imparts flexibility. Gel electrolyte is polymer addition, oil gelling agent addition, polymerization including polyfunctional monomers,
An electrolyte is gelled (solidified) in a resin matrix by a polymer crosslinking reaction or the like.
電解質層12は、コンクリート層や塗料皮膜などの被防食体4の表面に存在するイオン透過性の表面層3に補助陽極10を貼着させるとともに、電源回路5の正極55から導電層11に供給される電流による電子の移動(電子伝導)をイオン伝導に変換して、被防食体4の表面層3に電荷を移送する層である。電解質層12が柔軟な粘着剤層であるゲル電解質であると、補助陽極10を被防食体4の表面層、例えばコンクリート層3に貼着する場合に、コンクリート層3の微小な凹凸に電解質層の一部が入り込んで、高い接着強度と広い接触面積で電解質層が接触して貼着させることができるので好ましい。
電解質層12に用いるゲル電解質層の厚さは、特に制限はないが、100μm〜1000μmとすることが好ましい。電解質層12がこの範囲より厚くても特に問題はないが、コスト的に不利である。電解質層12がこの範囲より薄いとゲル電解質中の電解質溶液がコンクリート層3に吸収されたときに、電荷の移動能力が下がることがある。
The
The thickness of the gel electrolyte layer used for the
電解質層12に用いるゲル電解質は、重合性単量体に架橋性単量体を共重合させた樹脂マトリックス内に、溶媒と電解質塩、好ましくはさらに湿潤剤を保持させた粘着性を有する導電性の高分子ゲル電解質であることが好ましい。高分子ゲル電解質は、高分子鎖同士が物理的または化学的に結合した高分子鎖の三次元網目構造に液体である溶媒等を保持し、形状を維持できることが必要である。
電解質層12に用いる高分子ゲル電解質は、高分子三次元網目構造を適切に設計することで、柔軟な高分子三次元網目構造の骨格(樹脂マトリックス)を形成することができる。このような骨格を持つ高分子ゲル電解質は、適度な凝集力を有し、被着体表面への濡れが良好なので、被着体物との接触部分を分子レベルで接近させることができる。また、高分子ゲル電解質の適度な凝集力により、ゲルに圧縮強度、引っ張り強度が付与されるので、相互の分子間力により、高い接着性が得られる。
電解質層12に用いる高分子ゲル電解質の樹脂マトリックスは、凝集力を高めるために、架橋剤にて架橋処理を施したり、重合性単量体と架橋性単量体とを重合して架橋させたりしておくことが好ましい。高分子鎖が三次元に架橋された樹脂マトリックスは、溶媒や湿潤剤を保持する能力に優れる。これにより、樹脂マトリックス内に電解質塩を分子レベルで溶解した状態で保持することが可能である。
The gel electrolyte used for the
The polymer gel electrolyte used for the
The resin matrix of the polymer gel electrolyte used for the
樹脂マトリックスを形成する重合性単量体としては、分子内に重合性を有する炭素−炭素二重結合を1つ有する単量体であれば特に制限されない。例えば、(メタ)アクリル酸、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸、クロトン酸、(ポリ)エチレングリコール(メタ)アクリレート、(ポリ)プロピレングリコール(メタ)アクリレート、(ポリ)グリセリン(メタ)アクリレート等の(メタ)アクリル酸誘導体;(メタ)アクリルアミド、N−メチル(メタ)アクリルアミド、N−エチル(メタ)アクリルアミド、N−プロピル(メタ)アクリルアミド、N−ブチル(メタ)アクリルアミド、N,N−ジメチル(メタ)アクリルアミド、ダイアセトンアクリルアミド、N,N−ジメチルアミノプロピル(メタ)アクリルアミド、t−ブチルアクリルアミドスルホン酸等の(メタ)アクリルアミド誘導体及びその塩;N−ビニルピロリドン、N−ビニルホルムアミド、N−ビニルアセトアミド等のN−ビニルアミド誘導体;ビニルスルホン酸、アリルスルホン酸等のスルホン酸系単量体及びその塩等を挙げることができる。なお、(メタ)アクリルは、アクリルまたはメタクリルを意味する。 The polymerizable monomer that forms the resin matrix is not particularly limited as long as it is a monomer having one polymerizable carbon-carbon double bond in the molecule. For example, (meth) acrylic acid, maleic acid, fumaric acid, itaconic acid, crotonic acid, (poly) ethylene glycol (meth) acrylate, (poly) propylene glycol (meth) acrylate, (poly) glycerin (meth) acrylate, etc. (Meth) acrylic acid derivatives; (meth) acrylamide, N-methyl (meth) acrylamide, N-ethyl (meth) acrylamide, N-propyl (meth) acrylamide, N-butyl (meth) acrylamide, N, N-dimethyl ( (Meth) acrylamide, diacetone acrylamide, N, N-dimethylaminopropyl (meth) acrylamide, (meth) acrylamide derivatives such as t-butylacrylamide sulfonic acid and their salts; N-vinylpyrrolidone, N-vinylformamide, N-vinylacetoa N- vinylamide derivatives such as de, vinyl sulfonic acid, and sulfonic acid monomers such as allyl sulfonic acid and salts thereof. In addition, (meth) acryl means acryl or methacryl.
重合性単量体と重合して架橋させる架橋性単量体としては、分子内に重合性を有する二重結合を2以上有している単量体を使用することが好ましい。具体的には、メチレンビス(メタ)アクリルアミド、エチレンビス(メタ)アクリルアミド、N,N−メチレンビスアクリルアミド、N−メチロールアクリルアミド等の多官能(メタ)アクリルアミド系単量体;(ポリ)エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、(ポリ)プロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、グリセリンジ(メタ)アクリレート、グリセリントリ(メタ)アクリレート、グリシジル(メタ)アクリレート等の多官能(メタ)アクリレート系単量体;テトラアリロキシエタン;ジアリルアンモニウムクロライド等を挙げることができる。これらのうち、多官能(メタ)アクリルアミド系単量体が好ましく、N,N−メチレンビスアクリルアミドがより好ましい。なお、これらの架橋性単量体は単独で用いられてもよいし、二種以上が併用されてもよい。 As the crosslinkable monomer that is polymerized and cross-linked with the polymerizable monomer, it is preferable to use a monomer having two or more double bonds having a polymerizable property in the molecule. Specifically, polyfunctional (meth) acrylamide monomers such as methylenebis (meth) acrylamide, ethylenebis (meth) acrylamide, N, N-methylenebisacrylamide, N-methylolacrylamide; (poly) ethylene glycol di ( Polyfunctional (meth) acrylate monomers such as (meth) acrylate, (poly) propylene glycol di (meth) acrylate, glycerin di (meth) acrylate, glycerin tri (meth) acrylate, glycidyl (meth) acrylate; tetraallyloxy Ethane; diallylammonium chloride and the like. Of these, polyfunctional (meth) acrylamide monomers are preferred, and N, N-methylenebisacrylamide is more preferred. In addition, these crosslinkable monomers may be used independently and 2 or more types may be used together.
架橋性単量体の含有量としては、重合性単量体と架橋性単量体を重合架橋した樹脂マトリックス100重量部に対して0.005〜10重量部が好ましい。樹脂マトリックス中の架橋性単量体の含有量が少ないと、主鎖間を結ぶ網目架橋点が少なく、保形性に優れる高分子ゲル電解質が得られないことがある。架橋性単量体の含有量が多いと、主鎖間を結ぶ網目架橋点が増大し、見かけ上保形性の高い高分子ゲル電解質が得られるが、高分子ゲル電解質が脆くなり、引張り力や圧縮力による高分子ゲル電解質の切断や破壊が生じ易くなることがある。また、架橋点の増加によりポリマー主鎖が疎水化し、網目構造中に封じ込めた溶媒を安定して保持することが困難になり、ブリードが起こり易くなることがある。
高分子ゲル電解質の溶媒や湿潤剤を保持する能力や凝集力を高くするために、予め重合した樹脂マトリックスに、新たに重合性単量体と架橋性単量体を含浸させ、再度重合させて異なる樹脂マトリックス同士を互いに貫通させた三次元構造を形成してもよい。予め重合した樹脂マトリックスは、架橋していても架橋していなくてもよい。
The content of the crosslinkable monomer is preferably 0.005 to 10 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the resin matrix obtained by polymerizing and crosslinking the polymerizable monomer and the crosslinkable monomer. When the content of the crosslinkable monomer in the resin matrix is small, there are few network crosslinking points connecting the main chains, and a polymer gel electrolyte excellent in shape retention may not be obtained. If the content of the crosslinkable monomer is large, the network cross-linking points connecting the main chains will increase, and a polymer gel electrolyte with high apparent shape retention will be obtained, but the polymer gel electrolyte will become brittle and will have a tensile force. In some cases, the polymer gel electrolyte is likely to be cut or broken due to the compression force. In addition, the polymer main chain becomes hydrophobic due to an increase in the number of cross-linking points, making it difficult to stably hold the solvent encapsulated in the network structure, and bleeding may easily occur.
In order to increase the ability to retain the solvent and wetting agent and the cohesive force of the polymer gel electrolyte, a prepolymerized resin matrix is newly impregnated with a polymerizable monomer and a crosslinkable monomer, and polymerized again. You may form the three-dimensional structure which mutually penetrated different resin matrices. The prepolymerized resin matrix may or may not be cross-linked.
高分子ゲル電解質に使用可能な溶媒としては、沸点が高く、常温で蒸気圧が低く、重合性単量体および架橋性単量体と相溶性のある極性溶媒が好ましい。
そのような溶媒としては、水、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類、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブなどのセロソルブ類、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N’−ジメチル−2−イミダゾリジノン、N−メチル−2−ピロリドンなどのアミド類、スルホラン、ジメチルスルホキシド等を挙げることができる。これらの溶媒成分は、混合して用いてもよい。
高分子ゲル電解質に含まれる溶媒は5〜50重量%であることが好ましく、より好ましくは5〜40重量%である。この範囲未満では高分子ゲル電解質の可撓性が低く、電解質塩をほとんど添加できないので、良好な導電性を得ることができない。また、この範囲を超えると高分子ゲル電解質の平衡溶媒保持量を大きく超えるため、溶媒のブリード等が生じることがある。また、保持しきれない溶媒が流れ出て、経時的物性の変化が大きくなることがある。
The solvent that can be used for the polymer gel electrolyte is preferably a polar solvent having a high boiling point, a low vapor pressure at room temperature, and compatibility with the polymerizable monomer and the crosslinkable monomer.
Examples of such solvents include water, alcohols such as methanol, ethanol and isopropanol, cellosolves such as methyl cellosolve, ethyl cellosolve and butyl cellosolve, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, N, N′-. Examples thereof include amides such as dimethyl-2-imidazolidinone and N-methyl-2-pyrrolidone, sulfolane and dimethyl sulfoxide. These solvent components may be used as a mixture.
The solvent contained in the polymer gel electrolyte is preferably 5 to 50% by weight, more preferably 5 to 40% by weight. If it is less than this range, the flexibility of the polymer gel electrolyte is low, and an electrolyte salt can hardly be added, so that good conductivity cannot be obtained. In addition, exceeding this range greatly exceeds the equilibrium solvent retention amount of the polymer gel electrolyte, which may cause bleeding of the solvent. In addition, a solvent that cannot be retained flows out, and the change in physical properties over time may increase.
電解質層12に用いる高分子ゲル電解質としては、親水性の樹脂マトリックス内に、溶媒としての水と電解質塩、好ましくはさらに湿潤剤を保持させたハイドロゲルであるとコンクリート層3中の水分と溶媒が共通する。そのため、コンクリート層3と電解質層12との界面でイオン伝導が起こりやすいので、好ましい。
ハイドロゲルは、樹脂マトリックス内に電解質塩を分子レベルで水に溶解した状態で保持することが可能である。また、電解質水溶液により電荷の移動速度が速く、柔軟性と粘着性とを容易に付与することができる。
電解質層12に用いるハイドロゲルの含水率は、通常、5〜50重量%、好ましくは10〜30重量%である。含水率が低いと、ハイドロゲルの柔軟性が低下することがある。また、イオン伝導性が低下し、電荷を移動させる能力に劣る場合がある。ハイドロゲルの含水率が高いと、ハイドロゲルの保持可能な水分量を超えた水分が離脱や乾燥してゲルが収縮したり、イオン伝導性等の物性の変化が大きくなったりすることがある。また、柔軟すぎて保形性に劣る場合がある。
The polymer gel electrolyte used for the
The hydrogel can hold the electrolyte salt dissolved in water at the molecular level in the resin matrix. In addition, the aqueous electrolyte solution has a high charge transfer speed and can easily impart flexibility and adhesiveness.
The water content of the hydrogel used for the
電解質層12に用いるハイドロゲルに、湿潤剤を含ませると、ハイドロゲルの含水率の低下を抑制することができる。粘着性や保形性の点からは湿潤剤を5〜80重量%、好ましくは20〜70重量%程度の範囲に調整することが好ましい。ハイドロゲル中の湿潤剤の含有量が少ないと、ハイドロゲルの保湿力が乏しくなり、水分が蒸散しやすくなってハイドロゲルの経時安定性に欠けたり、柔軟性に乏しくなって粘着性が低下したりすることがある。湿潤剤の含有量が多いと、ハイドロゲルの製造時に粘度が高くなり過ぎて取り扱い性が低下し、ハイドロゲルの成形時に気泡が混入することがある。また、相対的に樹脂マトリックスや水の含有率が小さくなり、保形性やイオン伝導性が低下する恐れがある。
When a wetting agent is included in the hydrogel used for the
湿潤剤としては、溶媒の保持力を向上させるものであれば、特に制限されず、例えば、エチレングリコール、プロピレングリコール、ブタンジオール、グリセリン、ペンタエリスリトール、ソルビトール等の多価アルコール類;これら多価アルコールの一種又は二種以上を単量体として重合されたポリオール類;ブドウ糖、果糖、ショ糖、乳糖等の糖類等を挙げることができる。湿潤剤は単独で用いられても二種以上が併用されてもよい。また、多価アルコール類の分子内あるいは分子の末端にエステル結合、アルデヒド基、カルボキシル基等の官能基を有していてもよい。これらのうち、多価アルコール類は、水分を保持する作用に加え、ハイドロゲルに弾力性も付与するので好ましい。多価アルコール類のうち、長期保水性の面でグリセリンが特に適している。多価アルコール類は、これらの中から1種または2種以上を選択して使用することができる。多価アルコール類の内、常温で液状のものは、ハイドロゲルの弾力性向上や製造時の取扱性に優れるのでより好ましい。ハイドロゲルの弾力性を上げる必要がある場合には、酸化チタン、炭酸カルシウム、タルク等の公知の充填剤を添加してもよい。 The wetting agent is not particularly limited as long as it improves the retention of the solvent. For example, polyhydric alcohols such as ethylene glycol, propylene glycol, butanediol, glycerin, pentaerythritol, sorbitol; these polyhydric alcohols Polyols polymerized using one or more of these as monomers; saccharides such as glucose, fructose, sucrose, and lactose. The wetting agent may be used alone or in combination of two or more. Moreover, you may have functional groups, such as an ester bond, an aldehyde group, and a carboxyl group, in the molecule | numerator of polyhydric alcohol, or the terminal of a molecule | numerator. Of these, polyhydric alcohols are preferred because they impart elasticity to the hydrogel in addition to the action of retaining moisture. Of the polyhydric alcohols, glycerin is particularly suitable in terms of long-term water retention. Polyhydric alcohols can be used by selecting one or more from these. Among the polyhydric alcohols, those which are liquid at normal temperature are more preferable because they are excellent in improving the elasticity of the hydrogel and handling in production. When it is necessary to increase the elasticity of the hydrogel, known fillers such as titanium oxide, calcium carbonate, and talc may be added.
電解質層12に用いるハイドロゲルに含まれる電解質塩としては、電荷輸送用として慣用されている電解質塩の中から任意に選ぶことができる。このような塩としては、ハイドロゲルにイオン伝導性を付与することができれば、特に制限されず、例えば、NaClなどのハロゲン化ナトリウム、KClなどのハロゲン化カリウム等のハロゲン化アルカリ金属塩、ハロゲン化マグネシウム、ハロゲン化カルシウム等のハロゲン化アルカリ土類金属塩、LiClなどのその他の金属ハロゲン化物;K2SO4、Na2SO4のような各種金属の硫酸塩、硝酸塩、燐酸塩、塩素酸塩、過塩素酸塩、次亜塩素酸塩、亜塩素酸塩、アンモニウム塩、LiPF6、LiBF4、LiTFSIなどのフッ素含有電解質塩、各種錯塩等の無機塩類;酢酸、安息香酸、乳酸等の一価有機カルボン酸塩;フタル酸、コハク酸、アジピン酸、酒石酸、クエン酸等の多価カルボン酸の一価または二価以上の塩;スルホン酸、アミノ酸等の有機酸の金属塩;有機アンモニウム塩;ポリ(メタ)アクリル酸、ポリビニルスルホン酸、ポリt−ブチルアクリルアミドスルホン酸、ポリアリルアミン、ポリエチレンイミン等の高分子電解質の塩等が挙げられる。なお、ハイドロゲルの作製時には不溶性或いは分散状態であっても、時間経過とともにハイドロゲル中に溶解するものも使用することができ、このようなものとしては、珪酸塩、アルミン酸塩、金属酸化物、金属水酸化物等が挙げられる。
The electrolyte salt contained in the hydrogel used for the
ハイドロゲル中の電解質塩の含有率は、0.01〜20質量%であることが好ましく、0.1〜10重量%であることがより好ましい。この範囲より高いと、電解質塩の水に対する完全な溶解が困難となってハイドロゲル内に結晶として析出したり、他の成分の溶解を阻害したりすることがある。この範囲より低いと、イオン伝導性に劣ることがある。
電解質層12に用いるハイドロゲルは、電解質を含んでいれば、イオン伝導性となり、電荷の移動が可能であるが、酸化還元剤も含むと、電荷の移動がより円滑となる。その様な酸化還元剤としては、キノン−ヒドロキノン混合物などの有機系のものや、S/S2−、I2/I−のような無機系のものを挙げることができる。また、LiI、NaI、KI、CsI、CaI2のような金属ヨウ化物や、テトラアルキルアンモニウムヨージド、ピリジニウムヨージド、イミダゾリンヨージドのような第四級アンモニウム化合物などのヨウ素化合物も好適に用いられる。
また、ハイドロゲルのpHを調整するために、NaOHやKOH等のアルカリを含んでいてもよい。
The content of the electrolyte salt in the hydrogel is preferably 0.01 to 20% by mass, and more preferably 0.1 to 10% by weight. If it is higher than this range, it is difficult to completely dissolve the electrolyte salt in water, and it may be precipitated as crystals in the hydrogel, or the dissolution of other components may be inhibited. If it is lower than this range, the ion conductivity may be inferior.
If the hydrogel used for the
Moreover, in order to adjust pH of hydrogel, alkalis, such as NaOH and KOH, may be included.
電解質層12に用いるハイドロゲルの製造方法としては、例えば、重合性単量体、架橋性単量体、湿潤剤、重合開始剤および電解質塩を加えたものを水中に溶解または分散させて架橋、重合させる方法、重合性単量体、架橋性単量体、湿潤剤および重合開始剤を水中に溶解または分散させて架橋、重合させて得られた樹脂マトリックス中に電解質塩を含浸させる方法、重合性単量体のみを水中に分散させて湿潤剤の存在下で重合させた直鎖状高分子に電解質を溶解または分散させた分散液に架橋剤を添加して直鎖状高分子と架橋剤とを架橋反応させて樹脂マトリックスを生成する方法等が挙げられる。
電解質層12に用いるハイドロゲルには、必要に応じて、防腐剤、防黴剤、防錆剤、酸化防止剤、安定剤、界面活性剤、着色剤等を適宜添加してもよい。
As a method for producing a hydrogel used for the
If necessary, the hydrogel used for the
電解質層12の積層方法は、公知の方法を採用することができる。例えば、グラビアコート、バーコート、スクリーンコート等のコート方法で導電層11の上に塗布する方法を挙げることができる。
電解質層12として、予めシートに成形されたハイドロゲルを用いる場合は、ハイドロゲルのシートが粘着性を有するので、ハイドロゲルのシートを、そのまま導電層11に貼着することができる。この方法は、ロール巻回体の導電層11およびロール巻回体のハイドロゲルのシートを用いて、補助陽極10をロールtoロールで大量生産する場合に好ましい。
導電層11が枚葉である場合は、重合性単量体、架橋性単量体、湿潤剤、重合開始剤および電解質塩を加えたものを水中に溶解または分散させたものを導電層11の上に塗布してゾル状の電解質層を形成し、その後ラジカル重合することによってゲル化させてもよい。
補助陽極10をロールtoロールで大量生産するに際し、電解質層12を一体化してロールに巻き取る場合、あるいは枚葉に裁断して重ねる場合は、電解質層12の外側に露出する面に剥離紙を積層しておくことが好ましい。
A known method can be adopted as a method of laminating the
In the case where a hydrogel previously formed into a sheet is used as the
When the
When the
本形態例の補助陽極10は、導電層11の上に、保護層14が積層されている。保護層14は、補助陽極10の表面に位置して水や空気を遮断して、導電層11や電解質層12が汚れたり、劣化したり、破損したりすることを防止する。したがって、保護層14は、導電層11および電解質層12の全面を覆うように形成されることが好ましい。
保護層14は、導電層11が金属箔や炭素含有シートの場合は、樹脂フィルムをドライラミネートしたものや樹脂を押出ラミネートしたものが好ましい。導電層11が金属メッシュやパンチングメタルなどの凹凸を有する場合は、樹脂を予めシートや板等の平らな部材に成形しておき、その周囲をエポキシ系接着剤等で接着することが好ましい。
In the
When the
保護層14を形成する樹脂としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)やエチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)等のフッ素系樹脂、エポキシ系樹脂やメチルメタクリレート(MMA)等のアクリル系樹脂が汚染防止性や耐候性に優れるので好適である。その他、ポリエチレンテレフタレート(PET)やポリエチレンナフタレート(PEN)などのポリエステル、テトラアセチルセルロース(TAC)、ポリエーテルスルフォン(PES)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリカーボネート(PC)、ポリアリレート(PAr)、ポリスルフォン(PSF)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリアセタール、透明ポリイミド、ポリエーテルサルフォンなどの樹脂を挙げることもできる。
これらの樹脂の内、フッ素系樹脂は、耐候性に優れるので、好ましい。また、フッ素系樹脂は、気体のバリア性が低いので、多数の孔を設けるなどの加工を施すことなく、10mA〜30mA程度の電流を流して防食する場合に発生する酸素や塩素などの気体を排出する保護層14とすることができる。
保護層14は、これらの樹脂がフィルムに成形されていると、ドライラミネートで積層することができ、補助陽極10をロールtoロールで大量生産する場合に好ましい。この様なフィルムは、強度を高めるために延伸されていることが好ましい。
Examples of the resin for forming the
Of these resins, a fluororesin is preferable because it is excellent in weather resistance. In addition, since the fluororesin has a low gas barrier property, a gas such as oxygen or chlorine generated when a current of 10 to 30 mA is applied to prevent corrosion without processing such as providing a large number of holes. The
When these resins are formed into a film, the
保護層14の厚さとしては、物理的強度が満たされる限り、防食時に発生する酸素や塩素などの気体の排出性やコスト面から薄いことが好ましい。具体的には、保護層14の厚さは、10〜200μm、好ましくは20〜100μmの範囲が選ばれる。保護層14は、同種または異種の樹脂が複数層積層されていてもよい。
保護層14は、着色されていてもよいし、文字情報や模様等の意匠が付されていてもよい。特に、コンクリート層3の表面の色に似た灰色系統の色に着色されていると、補助陽極10が目立たないので、好ましい。
保護層14の形成方法は、通常、フィルムに成形して導電層11に接着剤を用いて積層される。導電層11がフィルム導電層である場合は、フィルム基材の電解質層12が貼着されていない面を保護層14として兼用してもよい。
As long as the physical strength is satisfied, the thickness of the
The
A method for forming the
本発明の補助陽極10が好適に適用される被防食体4としては、鋼材などの鉄を含むもの(ステンレスなど)のほか、ニッケル、チタン、銅や亜鉛を含むものなども防食が可能である。また、コンクリート層や塗料の塗膜に覆われた金属や剥き出しの金属の表面に直接または表面に存在する錆等のイオン透過性の酸化物皮膜からなる表面層に補助陽極10を貼着して、これらに対しても防食できる。
被防食体4がコンクリート層3中に埋設されている場合、コンクリート層3中の極めて小さい空隙中には水分を含んだゲル状の物質がある。このゲル状の物質中に含まれるイオンとしては、OH−、Na+、Ca2+、K+などが主なものである。また、防食の必要性の高い海に近い場所にある構造物のコンクリート層には、塩化ナトリウムが浸み込んでくる。つまり、コンクリート層3は、インピーダンスが著しく大きい固体の電解質層であり、これらのイオンによるイオン伝導性の層として機能することができる。そして、コンクリート層3中の水分は、乾燥により空気中へ水分を放出したり、あるいは雨水や気温の日較差により空気中の水分を吸収したりするので、コンクリート層3が絶乾状態になることはない。
As the to-
When the to-
また、本発明の補助陽極10が適用可能な被防食体4は、表面に塗料の塗膜が形成された被防食体にも適用が可能である。塗料の塗膜は、絶縁層に見えるが、電気防食を必要とする塗膜の表面には、腐食の原因となる水分が侵入するクラックや微細な孔が多数存在する。これらのクラックや孔は、被防食体にまで貫通している。このクラックや孔の部分は、水分や空気を遮断することができないので、水分が存在している。したがって、イオンがこの部分を移動でき、イオン伝導性となるので、本発明の補助陽極10を塗料の塗膜に貼着して防食が可能である。そして、この防食は、このクラックや微細な孔の部分に対して行えばよいので、極めて狭い面積を防食することになる。したがって、補助陽極10からの電子の供給量が小さくても、極めて有効な防食が可能となる。
しかも、電解質層12としてハイドロゲルを用いた場合は、ハイドロゲルの一部が表面のクラックや微細な孔に侵入して、被防食体に接する、もしくは極めて近くに位置することになるので、より確実に防食できる。
また、ハイドロゲルは、樹脂マトリックスを有するので、塗料皮膜を有する金属を防食する場合に、補助陽極10を被防食体4となる金属の表面に直接接着させても、導電層11が金属に接触しないので、短絡することがない。
Moreover, the to-
In addition, when a hydrogel is used as the
Further, since the hydrogel has a resin matrix, the
本形態例のコンクリート構造物の防食構造1は、補助陽極10を、電解質層12を用いてコンクリート構造物の表面層3に貼着し、補助陽極10の導電層11を電源回路5の正極に接続し、電源回路5の負極を被防食体4に回路配線6を用いて接続する。
回路配線6は、アノード溶解に対する耐腐食性を有するものが好ましく、例えば、炭素、チタン、ステンレス、白金、タンタル、ジルコニウム、ニオビウム、ニッケル、モネルやインコネル等のニッケル合金が挙げられる。これらのうち、チタンは、入手しやすく、広い範囲の電位に亘ってアノード溶解に耐性があるので好ましい。
また、アルミ線や銅線などのアノード溶解に耐性がないものでも樹脂層で被覆して用いることができる。
The
The
Also, an aluminum wire or copper wire that is not resistant to anodic dissolution can be used by being coated with a resin layer.
まず、間欠通電による防食効果の確認実験を行うために供試体を作成した。
供試体のコンクリートは、普通コンクリート24−8−20Nとした。なるべく早期に鉄筋を腐食させるため、水セメント比は65%とし、塩分を10kg/m3添加した。
供試体の寸法は、厚さ80mm、幅340mm、長さ400mmとし、φ19mm、長さ300mmの鉄筋1本埋設した。コンクリート打設後の養生は、水中1日と気中28日間とした。
供試体は、何もしないブランクの無防食共試体2体とケレン処理を行った表面に電子供給シートを貼着した防食供試体1体を作製した。
養生後の無防食供試体の1体を解体し、社団法人 日本コンクリート工学協会の規準集JCI−SC1の「コンクリート中の鋼材の腐食評価方法」を参考に、鉄筋の腐食した部分に着色剤を塗布し、紙に転写した。腐食した部分の表面積は、全表面積の8.2%であった。
First, a specimen was prepared in order to conduct an experiment for confirming the anticorrosion effect by intermittent energization.
The concrete of the specimen was ordinary concrete 24-8-20N. In order to corrode the reinforcing bars as early as possible, the water-cement ratio was set to 65%, and 10 kg / m 3 of salt was added.
The dimensions of the specimen were 80 mm thick, 340 mm wide, and 400 mm long, and one rebar with a diameter of 19 mm and a length of 300 mm was embedded. Curing after concrete placement was 1 day in water and 28 days in air.
As the test specimens, two blank non-corrosive anti-corrosion specimens and one anti-corrosion specimen having an electron supply sheet attached to the surface subjected to the kelen treatment were prepared.
Disassemble one of the non-corrosion-proof specimens after curing, and apply a colorant to the corroded part of the rebar with reference to the “Method for evaluating corrosion of steel in concrete” in JCI-SC1 of the Japan Concrete Institute. It was applied and transferred to paper. The surface area of the corroded portion was 8.2% of the total surface area.
間欠通電の電源として、特許文献4の防食構造の実施例2に記載された電子供給シートの試験体に準じて作製した300mm平方の電子供給シートを用いた。即ち、第1の導電性ハイドロゲルのシートと、目付が25g/m2のPET不織布に付着量が乾燥重量で約60g/m2のカーボンペーストを塗布して乾燥させた孔を有する導電層と、アナターゼ型酸化チタンのペーストを乾燥重量で15g/m2塗布して乾燥させた半導体層と、第2のハイドロゲルのシートと、25μmのエチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)フィルムと、をこの順序で有する電子供給シートを用いた。
As a power supply for intermittent energization, a 300 mm square electron supply sheet prepared according to the specimen of the electron supply sheet described in Example 2 of the anticorrosion structure of
もう一体の無防食供試体と防食供試体を屋外に暴露した。防食供試体には、照合電極として二酸化マンガン電極をコンクリート層の裏面(ケレン処理しない面)に埋設してモルタルで固定し、導線を用いてエレクトロメータに接続した。防食供試体は、電子供給シートを上に向けて水平に暴露した。
防食供試体の鉄筋に取り付けられた鉄筋電位測定用導線に導線を用いてエレクトロメータを接続し、埋め込んだ照合電極による鉄筋電位の計測、無抵抗電流計による発生電流密度を観察した。観測した発生電流密度を図3に、SCE(飽和カロメル電極)に換算した鉄筋電位を図4に示す。
Another uncorrosion-proof specimen and anti-corrosion specimen were exposed outdoors. In the anticorrosion specimen, a manganese dioxide electrode was embedded as a reference electrode on the back surface (the surface not subjected to keren treatment) of the concrete layer, fixed with mortar, and connected to an electrometer using a lead wire. The anticorrosion specimen was exposed horizontally with the electron supply sheet facing up.
An electrometer was connected to the reinforcing bar potential measuring lead attached to the reinforcing bar of the corrosion protection specimen, and the reinforcing bar potential was measured with the embedded reference electrode, and the generated current density was observed with a non-resistance ammeter. The observed generated current density is shown in FIG. 3, and the rebar potential converted to SCE (saturated calomel electrode) is shown in FIG.
図3の発生電流密度はプラス方向、図4の鉄筋電位はマイナス方向に変化している程、鉄筋を防食していると考えられる。図3の発生電流密度は、日の出とともに光に敏感に反応して発電し、夜間は全く発電していない状態となっている。鉄筋電位は、夜間は徐々に自然電位の方向に変化し、昼間はマイナス方向に変化して、再度防食されることを繰り返した。防食供試体は、昼間は概ね1〜3mA/m2の電流が発生し、昼夜での鉄筋電位の変化量は、150mV程度で、土木学会で防食可能とされる常時通電時の変化量100mVを上回っていた。
無防食供試体は、屋外暴露六ヶ月後にひび割れが発生したため、鉄筋の腐食が進んだものと判断し、防食供試体と共に解体して鉄筋の腐食した部分に着色剤を塗布し、紙に転写した。無防食供試体は、腐食した部分の表面積が全表面積の51.3%であったが、防食供試体は、6.2%であった。
これらの結果から、間欠通電でも防食効果を有することが確認された。
It can be considered that the more the generated current density in FIG. 3 is in the positive direction and the more the rebar potential in FIG. The generated current density in FIG. 3 is in a state in which power is generated in response to light sensitively at sunrise and no power is generated at night. The rebar potential gradually changed in the direction of the natural potential at night, changed in the negative direction during the day, and repeated corrosion prevention. The anticorrosion specimen generates a current of approximately 1 to 3 mA / m 2 during the day, and the amount of change in rebar potential during the day and night is about 150 mV. It was higher.
The anticorrosion specimen was cracked after six months of outdoor exposure, so it was judged that the corrosion of the reinforcing bars had progressed, and was disassembled together with the anticorrosion specimen, and the colorant was applied to the corroded portions of the reinforcing bars and transferred to paper. . In the corrosion-free specimen, the surface area of the corroded portion was 51.3% of the total surface area, whereas the corrosion-proof specimen was 6.2%.
From these results, it was confirmed that even with intermittent energization, it has an anticorrosive effect.
以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。
以下の手順により、図1に示す防食構造1の実施例1に用いる、図2に示す簡易な電源回路5を作製した。
主電源として、シリコン面の大きさが64mm平方で公称出力がVpm:4V、Ipm:70mAの単結晶シリコン太陽電池51を用意した。
太陽電池51の正極に、夜間に被防食体4に腐食電流が流れることを防止するために、ダイオード52を接続した。また、被防食体4と補助陽極10との間の電流をモニタするために、太陽電池51と被防食体4との間に抵抗54を直列に接続し、電圧計57で抵抗54の両端の電圧を測定して発生電流量を確認できるようにした。
また、ダイオード52と補助陽極10の間において、容量1200μFの電解コンデンサ53を太陽電池51と並列に接続した。このコンデンサ53は、昼間に太陽電池51によって充電され、夜間に充電された電荷により、被防食体4に電子を供給するためのものである。そして、コンデンサ53と被防食体4の間に電圧計58を並列に接続して鉄筋4に印加される電圧を測定できるようにした。
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples.
A simple
As a main power source, a single crystal silicon
A
Further, an
以下の手順により、防食構造1の実施例1に用いる補助陽極10を二枚作製した。
厚さ38μmのPETフィルム111に粉末状のグラファイトを有機溶剤に分散させ、バインダーを配合した導電性のカーボンペースト112を塗布して乾燥し、幅350mm、長さ500mmの導電層11を二枚作成した。炭素粉末の付着量は、乾燥重量で約20g/m2であった。導電層11の厚みは、15μmであった。
得られた導電層11をPETフィルム面から熱針で穿孔し、導電層11に貫通孔15を多数形成した。導電層11のPETフィルム面に顔料を配合して灰色に着色した厚さ25μmのETFEフィルムをドライラミネートして保護層14とした。ドライラミネートに際し、接着剤13,13,・・は、点状にグラビアコートし、導電層11と保護層14との間からガス抜きを可能とした。なお、鉄筋4に印加される電圧が小さく、コンクリート中や電解質層12中の水分が電気分解して発生する気体の量が少ない場合は、貫通孔15を設けなくてもよい。また、接着剤13を全面に塗布してもよい。
Two
Powdered graphite is dispersed in an organic solvent on a 38 μm
The obtained
電解質層12として厚さ約0.8mm、幅300mm、長さ約500mmの二枚のハイドロゲルのシート(積水化成品工業製「テクノゲルSR−R」)を用いた。それぞれの電解質層12にそれぞれの導電層11の炭素粉末面を、導電層11の長辺の周囲の余白が均等になるように重ねて密着し、図1に示す補助陽極10を作製した。
得られたそれぞれの補助陽極10の両側において長さ25mmで露出した導電層11の一方に、長手方向の一辺に沿って幅10mmの銅テープを導電性接着剤で貼り付けた。この銅テープは、電流の排流点(電源回路5の正極接続部)の設置場所である。また、導電層11の排流点から遠い部分と近い部分の通電時にかかる電圧差を小さくする給電材である。
As the
A copper tape having a width of 10 mm was attached to one side of the
補助陽極10の電解質層12を用いて、φ19mmの格子状の鉄筋からなる被防食体4が層の中央に埋設された厚さ300mm、幅800mm、高さ700mmのコンクリート層3の表面に幅方向に100mmの間隔をあけて二枚の補助陽極10を平行に並べて接着した。
コンクリート層3には、セメントは普通ポルトランドセメントを使用した。モルタルの仕様は、JIS R 5201「セメントの物理試験方法」に記載のあるモルタルの配合に従い、質量比でセメント1、標準砂3、水0.5とした。この配合における水セメント比は0.50である。
Using the
For the
電源回路5の正極を樹脂で被覆された銅線からなる導線6でそれぞれの補助陽極10が並列となるように、それぞれの導電層11の銅テープに接続し、電源回路5の負極を同様な導線6で鉄筋4に接続した。
コンクリート層3の裏面に貼付け型のAgCl照合電極を貼り付けた。
それぞれの補助陽極10の保護層14の周囲と導電層11の銅テープおよび銅線6の各接続部を、フッ素系樹脂フィルムおよびエポキシ系接着剤を用いて封止し、図1に示すコンクリート構造物の防食構造1の実施例1とした。
太陽電池51を正午に太陽を向くように垂直に固定し、約20度水平方向に傾けた。電圧計と照合電極をエレクトロメータに接続して回路電圧(発生電圧)と鉄筋4の電位を測定した。また、抵抗54の両端の電圧を計測し、鉄筋4に流れる電流量(発生電流量)を測定した。それらの値を、小型データロガーを用いて1時間に1回の頻度で記録した。それらの結果を図5〜図10に午前0時を起点として示す。測定を12月上旬から開始し、図5〜図7は0〜300日以上の計測結果であり、図8〜図10は290〜300日の計測結果である。
The positive electrode of the
A pasting type AgCl reference electrode was pasted on the back surface of the
The periphery of the
The
図5によれば、太陽電池51により発生した電圧(鉄筋4に印加される電圧)のピークは、300日間以上にわたって3V〜3.5Vで安定している。しかし、よく見るとスタートから140日位までは発生ピーク電圧が高く、その後、260日位までは低い。これは、測定を12月初旬に開始したため、当初は日中の気温が低く、その後、日中の気温が上昇したためと推定される。なお、100日目から130日目までの間はデータが採取されていないが、これは、他の実験に使用するためにデータロガーを取り外したためである。
According to FIG. 5, the peak of the voltage (voltage applied to the reinforcing bar 4) generated by the
図6によれば、300日間以上にわたって電流は流れているものの、図5の電圧に比べると日毎のばらつきが大きい。この原因は、太陽電池の動作電流が動作電圧に比べて天候の影響を受けやすいためと推定される。また、140日目から240日目までの間は発生ピーク電流量が大きいので、春から夏にかけて発生電流量が増えていることが判る。
そして、その後、発生電流量が徐々に低下している。この原因は、防食が進んだ結果、鉄筋4に防食皮膜が形成されたり、コンクリート中のイオン分布が変化したりコンクリートの含水率が低下したりして、インピーダンスが上昇したためと推定される。
なお、図6は、発生電流量の実測値を示したもので、電解質層12の面積が0.15m2の補助陽極を二枚使用したので、防食面積をハイドロゲルの面積とすると、幅300mm×長さ500mm×2枚=0.3m2となるから、発生電流のピークが0.3mAの場合は、発生電流密度のピークは、1mA/m2となる。
According to FIG. 6, although the current flows for 300 days or more, the daily variation is larger than the voltage of FIG. This is presumably because the operating current of the solar cell is more susceptible to the weather than the operating voltage. Further, since the generated peak current amount is large from the 140th day to the 240th day, it can be seen that the generated current amount increases from spring to summer.
After that, the amount of generated current gradually decreases. The cause of this is presumed that as a result of the progress of anticorrosion, an anticorrosion film is formed on the reinforcing
FIG. 6 shows the actual value of the generated current amount. Since two auxiliary anodes having an
図7によれば、鉄筋電位は300日間以上にわたって100mV以上変化しているものの、徐々に変化量が減少しており、今後、100mV未満となる日が来る可能性がある。しかし、図8によれば、鉄筋4に印加される電圧が3V〜3.5Vで、ピーク電圧が安定しているのであるから、コンクリートの含水率が上昇したり、腐食させるイオンが鉄筋4の周りに近づいたりして、腐食しやすい環境が発生した場合は、電流が流れやすくなるので、防食は可能であると考えられる。
According to FIG. 7, although the rebar potential has changed by 100 mV or more over 300 days or more, the amount of change gradually decreases, and there is a possibility that the day when it becomes less than 100 mV will come in the future. However, according to FIG. 8, the voltage applied to the reinforcing
図8によれば、電圧の最低値は0.4V位であり、0Vではない。この理由は、導電層11/電解質層12の界面などに残留していた電荷やダイオード52の逆電流防止効果による影響と推定される。しかし、図9によれば、夜間は電流値が0mAになっているので、防食可能な電流は流れていない。従って、夜間の積極的な防食効果は期待できないが、逆電流(腐食電流)の発生を抑制する方向に作用すると推定される。
According to FIG. 8, the minimum value of the voltage is about 0.4V and not 0V. This reason is presumed to be due to the charge remaining at the interface of the
図8を参考に防食に必要な電流が得られるときの電圧を概略3Vとし、図9を参考に夜間の防食に必要な電流を0.2mAとすると、容量C=1200μF(1.2mF)の電解コンデンサ53に蓄えられる電力量W・s=CV2/2であるから、電力量W・s=1.2×3×3/2=5.4mJ(5.4mW・s)となる。
そして、防食構造1の実施例1が消費する電力は、3V×0.2mA=0.6mWとなるから、定電圧で電力を消費したとすると、5.4mW・s/0.6mW=9秒となる。電圧が直線的に降下しつつ、電力を消費したとしても18秒となる。
つまり、この防食構造1の実施例における容量1200μFの電解コンデンサ53は、容量が小さく、夜間に防食可能な電流を鉄筋4に流すことができる程の蓄電機能は有していない。しかし、上述した間欠通電による鉄筋4に電圧が印加されない夜間でも防食効果が確認された結果から、腐食の程度の軽い鉄筋が埋設されたコンクリート構造物や新規に構築されたコンクリート構造物の防食が可能と考えられる。
With reference to FIG. 8, the voltage when the current required for corrosion prevention is obtained is approximately 3V, and the current necessary for corrosion prevention at night is 0.2 mA with reference to FIG. 9, the capacity C = 1200 μF (1.2 mF). since a power amount W · s = CV 2/2 to be accumulated in the
And since the electric power consumed in Example 1 of the
That is, the
次に、以下の手順により、図11に示す防食構造1の実施例2に用いる電源回路5を作製した。
主電源として、シリコン面の大きさが12mm×156mmのセルを18枚直列に接続し公称出力がVpm:18V、Ipm:277mAの多結晶シリコン太陽電池51を用意した。ダイオード52と補助陽極10の間に容量120Fの電気二重層キャパシタ53を太陽電池51と並列に接続した。また、ツェナーダイオード59とトランジスタ60を組み合わせて可変抵抗61で電流量の調整が可能な電流制御回路を設けた。
これらのこと以外は、防食構造1の実施例1に用いる電源回路5と同様とした。
Next, the
As a main power source, a polycrystalline silicon
Except for these, the
ハイドロゲルシートを幅300mm、長さ約350mmとしたこと以外は、防食構造1の実施例1に用いる補助陽極10と同様にして、防食構造1の実施例2に用いる補助陽極10を1枚作製した。
防食構造1の実施例1と同様にして、φ10mmの格子状の鉄筋からなる被防食体4が層の中央に埋設された厚さ50mm、幅400mm、長さ600mmのコンクリート層3を作製した。電解質層12を用いて、幅方向を揃えて補助陽極10をコンクリート層3の表面中央に接着した。
防食構造1の実施例1と同様にして、太陽電池51を防食構造1の実施例2に用いる電源回路5を接続し、図1に示すコンクリート構造物の防食構造1の実施例2とした。
A single
In the same manner as in Example 1 of the
In the same manner as in Example 1 of the
太陽電池51を水平に設置し、記録を10分間に1回としたこと、測定を7月上旬から開始したこと以外は、防食構造1の実施例1と同様にして、発生電圧と発生電流量と鉄筋電位を記録した。なお、6日目までは電源回路5の調整に費やした。6日目の夜にキャパシタ53を接続し、17日目の正午まで電流量を制御することなく常時通電として測定した。その後、キャパシタ53を取り外して間欠通電とすると共に、21日目の午前10時まで電流量を0.5mAに制御した。その後、24日目の10時まで電流量を0.6mAに制御した。その後、59日目まで電流量を1mAに制御した。それらの結果を図12〜図14に午前3時を起点として示す。また、45〜55日目の結果を拡大して図15〜図17に示す。
The generated voltage and generated current amount were the same as in Example 1 of the
図12によれば、キャパシタ53を使用している間は、小さな変動はあるものの、夜間も0.8V程度の電圧が印加されており、図13から、夜間も0.2mA程度の電流が流れていることが判る。なお、図13は、電流の実測値を示したもので、防食面積は、ハイドロゲルの面積が幅300mm×長さ350mm=0.105m2となるから、発生電流0.2mAは、発生電流密度約2mA/m2に相当する。そして、図14によれば、夜間に鉄筋電位が170mV程度変化しているので、常時通電で十分に防食されていることが判る。
According to FIG. 12, while using the
図13から、電流制御回路を設ければ、太陽電池を主電源とする電源回路であっても定電流の間欠通電で防食が可能なことが判る。この電流制御回路とこの供試体の組合せの場合、回路電圧を1.3V程度以下に抑えることができるので、防食構造1の実施例2による間欠通電の防食は、水や塩化物の電気分解が起こりにくい。なお、図13の間欠通電による防食時の電流量1mAは、発生電流密度約10mA/m2に相当する。その結果、鉄筋電位の変化量のピークが350mV程度と大きいが、間欠通電であれば、過防食は起こりにくいと考えられる。
また、キャパシタ53を使用せず、間欠通電とした時に、発生電流のない日は存在しないことから、日中が曇りや雨の場合の発生電流量でも防食電流が流れることが判る。
From FIG. 13, it can be seen that if a current control circuit is provided, even a power supply circuit using a solar cell as a main power source can be prevented from corrosion by intermittent energization with a constant current. In the case of the combination of this current control circuit and this specimen, the circuit voltage can be suppressed to about 1.3 V or less. Therefore, the corrosion prevention of intermittent energization according to Example 2 of the
In addition, when the
そして、キャパシタ53を使用した場合は、図14から、夜間も鉄筋の電位が100mV以上低下しているので、夜間も防食されていることが判る。そして、図13、図12を参考に、夜間の防食に必要な電流を0.2mA、その時の電圧を0.8Vとすると、防食構造1の実施例2が消費する電力は、0.8V×0.2mA=0.16mWとなる。また、容量C=120Fのコンデンサ53に蓄えられる電力量W・s=CV2/2であるから、電力量W・s=120×0.8×0.8/2=38.4ジュール(W・s)となる。
夜間にコンデンサ53が定電圧で電力を供給したとすると、38.4W・s/0.16mW=240000秒=約67時間となる。従って、図16から、発生電流のない時間帯は、10時間程度であるが、さらに長くても、余裕を持って夜間に防食電流を供給できることが判る。
And when the capacitor |
Assuming that the
また、防食構造1の実施例1における間欠通電ならびに実施例2における常時通電および間欠通電によれば、いずれも最大電力点追尾を行うことなく太陽電池を作動させて電気防食が可能なことが判る。
In addition, according to the intermittent energization in Example 1 of the
1…本発明の防食構造、3…表面層(コンクリート層)、4…被防食体(鉄筋)、5…電源回路、51…太陽電池、52…ダイオード、53…コンデンサ(キャパシタ)、54…抵抗、55…電源回路の正極、56…電源回路の負極、6…回路配線(導線)、10…補助陽極、11…導電層、12…電解質層、14…保護層、15…連通孔(貫通孔)。
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