強化用繊維の生産において、細い繊維を束ねて1本の糸とする時に、束ねる役割を果たすのがプラスチック強化繊維用バインダ—(binderforplastics-reinforcingfibers)です。このバインダーは繊維を丈夫にして取り扱いやすくするとともに、この繊維を用いて強化プラスチックにする時には、作業性向上と、できた複合材料の機械強度の向上に寄与します。

複合材料は強化用繊維、マトリックス樹脂のもっている特長を最大限に生かすように組み合わせて作られますが、強化用繊維の表面にはバインダーが付着していて両者の界面に存在するため、その性質ができあがった複合材料の性質を決定づける役割を担うこととなります。

強化繊維用バインダーの役割

・強化用繊維の生産を容易にする。
・マトリックス樹脂と組み合わせて成形する作業を容易にする。
・強化用繊維とマトリックス樹脂の界面で作用し、両者の特長を最大限に発挿させる。

ガラス繊維用バインダーの構成成分

ガラス繊維用バインダーの役割は先ほど簡単に触れました。この役割は他の薬剤との併用によってより効果的に発揮されるよう工夫されています。サイジング剤を構成する成分のうち、通常よく用いられるものは次のようなものです。

① 繊維を束ね、繊維表面を保護する成分であるバインダー(造膜剤あるいはフィルムフォーマーとも呼ばれる)
② ガイドや繊維どうしでこすられても滑りやすくしたりして、毛羽が立たないようにするための成分である潤滑剤、帯電防止剤
③ ガラス繊維とマトリックス樹脂とを化学結合で連結させ、できあがった複合材料の強度を向上させる成分であるカップリング剤

バインダー

バインダーは通常、水で希釈できる樹脂エマルションのかたちで用いられます。処理後乾燥するだけで強い粘着性もしくは皮膜形成性を発揮し、繊維どうしを束ねます。しかし、ただ単に繊維を束ねればよいというわけではありません。繊維表面を被覆している主成分であるため、マトリックス樹脂との相性が重要になります。

相性は、①マトリックス樹脂液に埋め込まれる際の含侵性、②マトリックス樹脂との相溶性や反応性、が主となります。

カップリング剤

サイジング剤成分の1つであるカップリング剤も、バインダーとの相乗効果を狙って使用され、複合材料の強度耐久性に重要な役割を果たしています。

ガラス繊維の主成分はケイ素酸化物です。これは化学的には極めて不活性で、特殊なものとしか反応せず、マトリックス樹脂と反応することは期待できません。そこで登場するのがカップリング剤です。この化合物は、分子中にガラス繊維表面と反応する部分と、マトリックス樹脂と反応する部分をもっています。ガラス繊維と反応する部分としてメトキシシリル基を、マトリックス樹脂、例えば不飽和ポリエステル樹脂と反応する部分として不飽和基を有するカップリング剤の作用機構を下図に示します。

図　カップリング剤の作用機構

強化用繊維が炭素繊維の場合でも、バインダーの役割、作用機構はガラス繊維の場合と同じです。しかし、炭素繊維は繊維自身が化学的にガラス繊維よりさらに不活性なので、カップリング剤はそれほど有効には働きません。バインダー、マトリックス樹脂との親和性を向上させるため、炭素繊維の機械的な物性を阻害しない範囲で酸化処理が施され、繊維表面に>C=O基、-COOH基などの官能基が導入されています。 

強化用繊維の種類、マトリックス樹脂の種類によって使用されるバインダーは異なります。ガラス繊維、炭素繊維それぞれの場合に使用されるバインダーの代表的なものを下表に示します。

FRPの代表的組み合わせであるガラス繊維(強化用繊維)と熱硬化性樹脂(マトリックス樹脂)のバインダーとしては、ポリ酢酸ビニルエマルションが主体となっています。ポリ酢酸ビニルエマルションは、可塑剤の添加によってフイルムの硬さを比較的容易に調整できるというメリットがあります。また、ケン化することによって親水性を与えたり、マトリックス樹脂との親和性をコントロールすることもできます。こうしたことから、同エマルションがバインダーの主体として使用されています。

ガラス繊維用バインダーを使用する場合、先に述べたように相乗効果を期待して種種の薬剤を混ぜた液として使用されます。この液をサイジング剤といって、その処方はマトリックス樹脂の種類によって異なります。

下表は熱硬化性樹脂を用いる場合のサイジング剤処方の一例です。バインダーはポリ酢酸ビニルエマルションが主体で、カップリング剤はマトリックス樹脂によって異なります。不飽和ポリエステル樹脂の場合はビニル基含有カップリング剤が、エポキシ樹脂の場合はグリシジル基またはアミノ基含有のカップリング剤が使用されます。

炭素繊維用のサイジング剤については以下ページをご参照下さい。

炭素繊維用集束剤(サイジング剤)『ケミチレン』

炭素繊維強化プラスチック(CFRP)入門

ガラス繊維用バインダーの複合材料の強度に対する具体的効果を見てみましょう。下表に、バインダーとカップリング剤の組み合わせを変えて作成したガラス繊維と、マトリックス樹脂としてナイロン66を用いて作成した複合材料の初期強度、熱水浸漬後の強度、およびその保持率を示します。バインダーとカップリング剤の相乗効果が認められる例となります。 

下表にマトリックス樹脂としてポリプロピレン樹脂を使用し、これに対して親和性、密着性の良好なバインダーとそうでないものを使用した場合の比較を示します。親和性の良いバインダーを用いた場合は複合材料物性が良好となります。

以下に、マトリックス樹脂側に酸変性PPを添加してガラス繊維の分散性を向上させた例を紹介いたします。

酸変性PPであるユーメックスを添加すると　ガラス繊維を分散させたPP樹脂の曲げ強度等の機械物性が向上します。

その他の有機系繊維
・ポリアリレート繊維：低吸湿
・PBO繊維(ポリ p-フェニレン-2,6-ベンゾビスオキサゾール繊維)：高強度、高耐熱　
・高強度ポリエチレン繊維：軽量、耐衝撃、耐薬品性　
など

その他無機繊維
・アルミナ繊維：高温での化学安定性、耐酸化性
・ボロン繊維：高圧縮強度、低熱膨張係数
・SiC繊維：耐熱性、耐酸化性、半導体領域の比抵抗
など
(参考文献：　井塚宿夫「炭素繊維　複合化時代への挑戦」　繊維社企画出版　2012)

炭素繊維には、ポリアクリロニトリル（PAN）繊維を燃やして炭素の繊維に変えるPAN系と、炭素に近いコールタールなどから繊維をつくるピッチ系があり、現在はPAN系が主流になっています。

炭素繊維自体は繊維という名が示す通り、1本数ミクロンの細い繊維から形成されます。紡いだり燃やして炭化したりする際にも、強度を出す工夫はされていますが、単体では切れやすいため、その繊維を数千〜数万本束ねた「トウ」と呼ばれる太い糸にする必要があります。その際に使用し、1本1本の炭素繊維をつなぐ役割を果たすのが炭素繊維用集束剤です。

炭素繊維用集束剤には、まず「トウ」をしっかり束ねて、糸切れによる毛羽を抑制する働きが求められます。そのうえで加工する際に必要な柔軟性も持たせなければなりません。三洋化成の『ケミチレン』はこれら相反する特長を併せ持ち、炭素繊維の取り扱い性を改善する能力に優れています。また「トウ」に加工した後、CFRPとして含浸させる樹脂とうまく混ざり合うなど、炭素繊維の強さと変形しにくさをより引き出すように設計されています。

炭素繊維用集束剤(サイジング剤)​紹介ページはこちら

炭素繊維の製造方法については前述しましたが、その後に炭素繊維はCFRPの成形法や末端用途に適した中間材料に加工されます。炭素繊維の中間材料は炭素繊維トウを原料として製造された材料であり、大別すると次の2種類があります。

一つ目は、炭素繊維を織り上げた炭素繊維クロス、炭素繊維をカットした炭素繊維チョップなど、炭素繊維のみから出来ている中間材料です。
二つ目は、炭素繊維にエポキシ樹脂等のマトリックス樹脂を含浸させたプリプレグなど、炭素繊維と樹脂を複合させて出来ている中間材料＝炭素繊維複合材料です（下表）。

プルトリュージョン成形とも言われ、連続的に繊維強化プラスチック（FRP）を製造するための成形プロセスです。この方法では、繊維を液状の樹脂に浸し、加熱された金型を通して引き抜くことで、連続した形状の製品を作ります。

プロセス:

1. 繊維の準備: ガラス繊維や炭素繊維などの強化材をスプールから引き出します。
2. 樹脂含浸: 繊維を樹脂バスに通して、樹脂を含浸させます。樹脂は通常、熱硬化性樹脂が使用されます。
3. 成形・硬化: 含浸された繊維を加熱された金型に通し、形状を整えながら硬化させます。
4. 引き抜き: 硬化した製品を連続的に引き抜き、所定の長さに切断します。

特長

・高効率: 連続的な生産が可能で、大量生産に適しています。
・高強度・軽量: 繊維の方向を制御することで、特定の方向に高い強度を持たせることができます。
・コスト効果: 材料の無駄が少なく、コスト効率が良いです。

フィラメントワインディング成形は、連続した繊維を樹脂に浸し、回転するマンドレル（芯型）に巻き付けて成形するプロセスです。この方法は、特にチューブやタンクのような円筒形や球形の構造物を製造するのに適しています。樹脂槽（バス）に炭素繊維を浸しながら巻き付ける方法と、あらかじめトウを樹脂に含浸させたトウプリプレグを巻き付ける方法があります。

プロセス

1. 繊維の準備: ガラス繊維や炭素繊維などの強化材をスプール(強化材である繊維を巻き取って保管し、供給するための装置)から引き出します。
2. 樹脂含浸: 繊維を樹脂バスに通して、樹脂を含浸させます。樹脂は通常、熱硬化性樹脂が使用されます。
3. 巻き付け: 含浸された繊維を回転するマンドレルに特定のパターンで巻き付けます。巻き付けの角度やパターンは、製品の強度特性を決定します。
4. 硬化: 巻き付けた繊維を加熱して樹脂を硬化させます。
5. 脱型: 硬化後、製品をマンドレルから取り外します。

特長

高強度・高剛性: 繊維の巻き付け角度を調整することで、特定の方向に高い強度と剛性を持たせることができます。
軽量化: 繊維強化プラスチックの特性を活かし、軽量で高強度な製品を製造できます。
設計の柔軟性: 巻き付けパターンを変えることで、製品の特性を細かく調整できます。

繊維プリフォーム(成形する最終製品の形状に合わせて予備成形したもの、織物など)を金型にセットし、そこに樹脂を注入して成形する方法です。金型は、通常、上型と下型の2つのパーツから構成されます。これにより、製品の両面を成形することができます。また、樹脂が漏れないように、金型は高い密閉性を持つように設計されています。

プロセス

1. プリフォームの準備: ガラス繊維や炭素繊維などの強化材をあらかじめ形状に合わせて配置し、プリフォームを作成します。
2. 金型へのセット: プリフォームを金型にセットし、金型を閉じます。
3. 樹脂の注入: 金型内に樹脂を注入します。樹脂は通常、低粘度の熱硬化性樹脂が使用されます。
4. 硬化: 樹脂がプリフォーム全体に行き渡った後、加熱して硬化させます。
5. 脱型: 硬化した製品を金型から取り外します。

特長

・高品質な表面仕上げ: 金型を使用するため、製品の表面が滑らかで高品質に仕上がります。
・複雑な形状の成形: 複雑な形状の製品を一体成形することが可能です。
・高強度・軽量: 繊維の配置を最適化することで、軽量で高強度な製品を製造できます。

CFRPのプレス成形は、炭素繊維と樹脂を組み合わせたプリプレグやシートモールディングコンパウンド(SMC)を金型にセットし、加熱・加圧して成形するプロセスです。高強度・軽量な部品を効率的に製造するために用いられます。プリプレグとは、繊維強化材（通常は炭素繊維）に樹脂をあらかじめ含浸させたシート状の材料です。成形前に樹脂が含浸されているため、成形工程を効率化できます。

プロセス

1. プリプレグの準備: 炭素繊維に樹脂を含浸させたプリプレグを用意します。プリプレグはシート状で供給されることが多いです。
2. 金型へのセット: プリプレグを金型にセットします。必要に応じて複数の層を重ねて配置します。
3. 加熱・加圧: 金型を閉じ、加熱しながら圧力をかけて成形します。加熱により樹脂が流動し、繊維間に浸透して硬化します。
4. 冷却・脱型: 成形が完了したら冷却し、製品を金型から取り外します。

特長

・高強度・軽量: 炭素繊維の特性により、非常に高い強度と軽量性を持つ部品を製造できます。
・高い設計自由度: 繊維の方向や層数を調整することで、製品の特性を細かく制御できます。
・短いサイクルタイム: プレス成形は比較的短時間で成形が完了するため、大量生産に適しています。

オートクレーブ成形は、炭素繊維と樹脂を組み合わせたプリプレグを用い、加圧・加熱可能な密閉容器（オートクレーブ）内で成形するプロセスです。高品質なCFRP部品を製造するために用いられます。

プロセス

プリプレグの準備: 炭素繊維に樹脂を含浸させたプリプレグを用意します。
レイアップ: プリプレグを金型上に積層します。繊維の方向や層数を設計に基づいて配置します。
真空バッグの作成: 積層したプリプレグを真空バッグ(バギングフィルム)で覆い、空気を抜いて真空状態にします。これにより、樹脂の流動性が向上し、気泡の混入を防ぎます。
オートクレーブ成形: 真空バッグをオートクレーブに入れ、加熱・加圧します。通常、温度は120〜180℃、圧力は5〜7バール程度で行われます。
冷却・脱型: 成形が完了したら冷却し、製品を金型から取り外します。

特長

高品質: 高圧・高温で成形するため、気泡や欠陥が少なく、非常に高品質な製品が得られます。
高強度・軽量: 繊維の配置を最適化することで、非常に高い強度と軽量性を実現できます。
設計自由度: 繊維の方向や層数を調整することで、製品の特性を細かく制御できます。

オーブン成形は、CFRPの製造方法の一つで、プリプレグを用いてオーブン内で加熱・硬化させるプロセスです。オートクレーブ成形に比べて設備コストが低く、比較的簡便な方法です。

プロセス

プリプレグの準備:
炭素繊維に樹脂を含浸させたプリプレグを用意します。プリプレグは、繊維の方向や層数を設計に基づいて選定します。

レイアップ:
プリプレグを金型上に積層します。繊維の方向や層数を設計に基づいて配置し、製品の特性を最適化します。

真空バッグの作成:
積層したプリプレグを真空バッグで覆い、空気を抜いて真空状態にします。これにより、樹脂の流動性が向上し、気泡の混入を防ぎます。

オーブンでの加熱・硬化:
真空バッグをオーブンに入れ、設定温度で加熱します。通常、温度は80〜150℃程度で、時間は数時間から十数時間かけて硬化させます。

冷却・脱型:
成形が完了したら冷却し、製品を金型から取り外します。

特長

コスト効率:オートクレーブを使用しないため、設備コストが低く、初期投資が少なくて済みます。
柔軟性:小規模生産や試作に適しており、製品の設計変更にも柔軟に対応できます。

シートラップ成形は、炭素繊維シートを用いて、特定の形状に巻き付けることで成形するプロセスです。この方法は、特に円筒形やパイプ状の部品の製造に適しています。

シートラップ成形のプロセス

1. 材料の準備:炭素繊維シート（プリプレグまたはドライファイバー）を用意します。プリプレグは樹脂が含浸されており、ドライファイバーの場合は後で樹脂を含浸させます。

2. マンドレルの準備:成形する形状に合わせたマンドレル（芯材）を用意します。マンドレルは通常、金属やプラスチックで作られ、成形後に取り外されます。

3. シートの巻き付け:炭素繊維シートをマンドレルに巻き付けます。巻き付ける際には、繊維の方向や張力を調整し、設計に基づいた強度特性を実現します。

4. 樹脂の含浸（ドライファイバーの場合）:ドライファイバーを使用する場合は、巻き付けた後に樹脂を含浸させます。真空バッグやインフュージョン法を用いて樹脂を均一に行き渡らせます。

5. 硬化:巻き付けたシートをオーブンやオートクレーブで加熱し、樹脂を硬化させます。温度と時間は使用する樹脂の種類に応じて設定します。

6. マンドレルの取り外し:硬化が完了したら、マンドレルを取り外して成形品を取り出します。

特長

高強度・軽量:繊維の方向を最適化することで、非常に高い強度と軽量性を実現できます。
設計自由度:繊維の巻き方を調整することで、製品の特性を細かく制御できます。
適用範囲:円筒形やパイプ状の部品に特に適しており、航空機の部品やスポーツ用品などに広く使用されます。

炭素繊維で強化されたナイロンやポリカーボネートなどの熱可塑性樹脂を炭素繊維で補強した原材料（ペレット）を加熱溶融し、射出成形機で成形するプロセスです。熱可塑性樹脂は加熱すると柔らかくなり、冷却すると固まる特性を持っています。

射出成形のプロセス

材料の準備:CFRTPペレット（炭素繊維が混合された熱可塑性樹脂の粒）を用意します。ペレットは射出成形機に投入されます。
加熱・溶融:射出成形機のスクリュー内でペレットを加熱し、溶融状態にします。温度は使用する樹脂の種類に応じて設定されます。
射出:溶融した材料を金型に射出します。金型は製品の形状に合わせて設計されており、射出された材料が金型内で冷却・固化します。
冷却・固化:金型内で材料が冷却され、固化します。冷却時間は製品の厚さや形状に応じて調整されます。
脱型:固化した製品を金型から取り出します。製品はそのまま使用するか、必要に応じて後加工が行われます。

特長

高生産性:射出成形は短時間で大量生産が可能であり、CFRTPの特性を活かした製品を効率的に製造できます。
設計自由度:複雑な形状の製品を一体成形できるため、設計の自由度が高いです。
リサイクル性:熱可塑性樹脂を使用しているため、リサイクルが容易で、環境負荷が低いです。

炭素繊維の活用は、世界的に見て年間5〜10％の比率で伸びており、今後も需要の拡大が続くと予測されています。既存の産業分野での拡大はもちろん、燃料電池車用の水素タンクなど、炭素繊維だからこそ実現できる領域での需要も確実に広がっています。

特に風力発電に使用される風車のブレードでは、ガラス繊維では重さやたわみなどの問題で50メートル程度までしか対応できなかったところ、炭素繊維では100メートル級のブレードが可能となり、発電効率を大幅に向上させることが可能となりました。風力発電の発電量は世界規模で見て、今後10年間で年率約8％伸びると予想されており、日本でも洋上風力発電の計画などが持ち上がるなど拡大傾向にあります。今後も、炭素繊維が大きな役割を果たしていくことは間違いありません。

また新たなニーズとして、航空機やドローンにも広く活用されていることから、将来的には空飛ぶクルマなど、未来の技術への活用も期待されています。 

軽量化による消費エネルギーの低減はもちろん、再生可能エネルギーの利用でも需要が伸びる炭素繊維は、エネルギーの活用や産業の発展はもちろん、ひいては気候変動への対策としても大きな役割を果たしており、まさにSDGsに大きく貢献している素材といえます。

くぎや包丁をぬれたまま置いておくと赤くさびてくるということは、だれでもが経験しています。雨ざらしのトタン製の塀やペンキがはがれたガードレールがさびているのもよく目にする光景です。特に、鉄でできた製品でさびは目につくものです。鉄は近世以降の文明で使用される金属材料のうち、最も多く(金属材料の約95%)使われています。しかし、鉄は使いやすいのですが、さびて朽ちていきます。

「さび」という日本の言葉は、鉄表面が荒れて粗雑になります、すなわち「荒れスサブ」様子から「サブ」⇒「さび」になったといわれています。
英語で「さび」のことをrustといいますが、これも粗雑という意味から出ています。「さび」(錆、銹、鏽)を『広辞苑』で見てみると「空気に触れた金属の表面に生ずる酸化物または水酸化物などで、鉄は黒色または褐色、銅は黒色または緑色を呈する」とあります。

鉄系の材料では、多くの場合、放置すると表面が荒れたガサガサのさびができるのに対して、銅、亜鉛などでは通常は一様でち密な「よいさび(自然化成膜)」ができます。銅のさびは、難溶性の塩基性硫酸銅CuSO4・3Cu(OH)2、亜鉛のさびは、塩基性炭酸亜鉛2ZnCO3・Zn(OH)2であり、あとのさびの進行を抑制する働きをします。

さびのできはじめは黄色であり、さらに山吹色(やまぶきいろ)より桧皮色(ひかわいろ)をへて、鳶茶(とびちゃ)とか焦げ茶色(こげちゃいろ)となります。しかし、私たちの目に触れる鉄製品のさびは、だいたいにおいて赤味を帯びているので赤さびといっています。

ステンレス鋼、チタン合金などの金属は、耐食性のある化学的に不活性な薄い酸化皮膜で覆われています。腐食生成物としてのさびは生じませんが、腐食されて局部的に穴があいたり、金属の結晶と結晶の境界に沿って溶解が起きたり、応力がかかっている部分で腐食割れを起こしたりします。

さびと地理条件

家屋とさび

それでは、身の回りにあるさびを眺めてみましょう。最近は樹脂製の配管の使用などで見かけることが少なくなりましたが、水道の蛇口を開けたら褐色の水が出た、という経験をしたのは一度や二度ではないと思われます。古い家屋やマンションでは、水道管が亜鉛被覆鉄管で配管されているので、10年ほどで亜鉛がなくなり、鉄がさび始めます。そして、20年もすると管はさびこぶでほとんど詰まった状態になり、ひどい場合は穴があいて水漏れします。

このように、生活にきわめて密接なビルや住宅における配管の腐食は、水やお湯の供給を妨げます。マンションなどの鉄筋コンクリートは、鉄筋がさびて膨張することによって割れを生じます。割れが生じると雨水や二酸化炭素などの侵入により、割れはいっそう大きくなり、壁面がはがれたりすることがあります。プレハブ住宅は、鉄製の骨組みをボルト締めや溶接で組み立て、それに屋根をふき、既製の壁材・窓・扉などをはめ込む工法であり、鉄の構造物が各種の合板などで囲まれているため結露が起こりやすく、湿気の多い北側で鉄材の腐食が起こりやすくなります。

マンションには必ずといっていいほどベランダがあり、安全のために手すりがついています。手すりの多くは塗装した鉄製であり、雨にあたる機会が多く、非常にさびやすくなります。海に近い建物にはぼろぼろになっている手すりを時に見かけますが、このようなところでは約3年ごとに塗り替える必要があります。また、最近では、アルマイト処理をされたアルミニウム製の手すりが多くなっていますが、これにも汚れが付着するとその下で孔食が起こります。

建造物とさび

建物、橋梁、道路など鉄に関係のある建造物を眺めてみましょう。日本には65万もの道路橋がありますが、その半数弱は鋼材でつくられた鋼橋であり、残りがコンクリート橋です。鋼橋は建設が容易で軽いため、地盤的な制約が少ないなどの利点を持ちますが、腐食に注意しなければなりません。

そのために塗装が施されますが、一般的にはジンクリッチペイントという亜鉛を多量に含んだ塗料で下塗りをし、その上に塩化ゴム系の塗料を塗膜厚さが140μm程度となるよう重ね塗りをします。本四連絡橋では、ジンクリッチペイントにエポキシ樹脂系の塗料、またその上にポリウレタン系塗料が重ね塗られています。塗膜の厚さは255μmにも達します。エポキシ系は耐水性がよく、ポリウレタン系との密着性もよいし、ポリウレタン系は外気にさらされても劣化が少ない性質をもちます。

自動車とさび

日本も車社会となって久しく、最近の自動車には、樹脂、アルミニウムなどの非鉄金属が多く使用されるようになってきましたが、それでも多くが鉄で構成されており、さびとも無縁ではありません。

自動車の腐食環境で最も厳しいのは、冬季に積雪の凍結を防ぐために、岩塩や塩化カルシウムを大量に散布する地域です。北海道や新潟、外国ではカナダ、アメリカの北部、北欧などです。一方、沖縄や東南アジアの、高温多湿に加えて潮風にさらされる地域も腐食が激しくなります。

積雪地帯にしろ、海岸地带にしろ、自動車の腐食の元凶は塩素イオンを含む塩類です。海塩粒子による腐食は、一般に自動車のサイドモールより上部、例えばウィンドー周りに激しく起こり、融雪塩による腐食は車体下部で激しくなります。

さびるという言葉からは、鉄が全体に赤くさびた様子を思い浮かべますが、恐ろしいのは、外観は目立たないのに穴があいたり、割れたりしていくさびです。化学プラントの配管や貯蔵タンクに穴があくと重大な災害をもたらします。では、さびにはどのような種類があるのでしょうか？

金属が化学的または電気化学的に溶出したり侵されていく現象を腐食といい、金属に水や酸素が作用し、酸化物や水酸化物を形成したものをさびと呼びます。典型的なさびの例は次のようになります。

ここでいうすき間は、ぴったり合わせた2枚の平らな金属板の間や、金属をボルトで絞めたときのボルトと金属の間にできるような数μmオーダーのすき間です。このようなすき間でも液体は侵入します。侵入した液体は外部の液体とほとんど交換されません。すき間の中には酸素は供給されにくいので、通気差電池が形成され、腐食が起こりますが、これをすき間腐食といいます。身近な例で見られるのは、台所などで水漏れ防止用テープと金属との間にできたすき間にできるさびです。 

穴があく局部腐食を孔食といいます。孔食は、間口の大きさのわりに深い孔状になっており、開口部は円形、楕円形、これらにぎざぎざを伴ったものなどです。孔は無数に生じることもあれば、非常にまばらに生じることもあります。

スチール家具、缶詰や玩具はペンキで塗装しているものが多くありますが、これらに線状に伸びたさびを見かけることがあると思います。このように有機物で被覆した金属は、線状のさびを受けることがあります。これらのさびは、無数の曲がりくねった糸のように見えることから、糸状腐食と呼ばれています。

鋼におけるこの種のさびは、0.1〜0.5mm幅のものが多く、Fe2O3の特性である赤色をしており、その先端は緑色ないし青色で第一鉄イオンの存在を示しています。通常、この種のさびは、高い相対湿度(65〜95%)の空気中で、かつ塗膜がかなり水を通しやすい場所に発生します。

糸状腐食を模式図で示したものが下図です。糸の頭部で大気中の水分が吸収され、酸素も塗膜を通って侵入するため、頭部の周辺の酸素濃度が高くなり、すでにさびている部分との間に通気差電池ができて、さびが成長していくといわれています。 

図　糸状腐食の図
(引用文献 増子昇『さびのおはなし』日本規格協会(1990)、H.ユーリック『腐食反応とその制御』産業図書(1968))

鉄棒を折り曲げてつくったさくや、鉄板を加工してつくった箱などを観察すると、曲がった部分や直角に成形された部分がひどくさびているのを見ることができます。くぎを水に入れてさびていく状態を観察すると、加工度の大きい先っぽや頭、曲がった部分からさびが出始めます。加工することによる応力は金属の原子配列を乱し、乱れた部分は活性になっているためと考えられています。このように応力が加わった部分はさびを促進しやすくなります。

図　水中でさびるくぎ　(引用文献：井上勝也『錆との戦い』三省堂新書(1969))

ステンレス鋼やチタン合金などの耐食性の金属はさびとして目立ちませんが、応力をかけた状態で、金属をアルカリや硝酸塩水溶液などの腐食環境中に入れておくと、時間の経過とともに割れが生じます。応力や腐食それぞれの単独の作用では重大な損傷を起こさないのに、これらが共同で作用するときに割れを生じさせます。これを応力腐食割れといいます。

純金属ではほとんど発生しませんが合金にすると発生し、しかも特定の腐食性媒体で割れるのが特徴です。これらの現象は、ボイラーの溶接部や濃アルカリを貯蔵するタンクなどで見られます。金属の種類と応力腐食割れを発生させる代表的物質を下表に示します。 

異種金属が混在する半導体基板のような系では、洗浄工程中などに局部電池が形成され、腐食が進行します（ガルバニック腐食）。これを防止するために、洗浄剤に界面活性剤の添加が検討されます。

図　半導体基板配線と腐食防止技術

鉄がさびるには水と酸素が必須です。水のかからない室内でも鉄がさびるのは、大気中に水蒸気という形で水が含まれているからです。相対湿度100%以上の水蒸気は、水滴となって現れます。これを結露、その温度を露点といいます。相対湿度は次の式で表され、各温度における飽和水蒸気量は下表に示すとおりです。

相対湿度[%]=100×(空気1m3中の水蒸気量[g])/(その温度での空気1m3中の飽和水蒸気量[g])

寒い時期には朝方にガラス窓に水滴がついているのをよく見かけますが、冷えているガラスや金属の表面に温湿度の高い空気が接触すると結露が起こります。このように水の凝縮は腐食の進行に重要な役割をもっており、例えば、40℃、80%R.H.(水蒸気量39.2g/空気1m3)の室内の温度が20℃まで下がったとすると20℃の飽和水蒸気量は18g/空気1m3なので、39.2-18=21.2g/空気1m3の水が結露します。六畳間(24m3)では、24x21.2=508.8gの水が部屋に結露することになります。

しかし、相対湿度が100%以下でも水分が結露することがあります。その1つは金属表面にダストが付着した場合であり、微細なすき間や毛管ができて、ミクロ的に見れば飽和水蒸気量以上の水分が存在し結露します。磨いた鋼板の上にダストがつくとそこからさびることがありますが、紙を被せてダストの付着を防ぐだけで、かなりさびにくくなります。

一昔前は、大都会の河川がひどく汚れていろいろな問題を引き起こしました。鉄橋の上を電車が通るとき、嫌な臭いが窓から入ってきたのを記憶している方も多いと思われます。このようなくさい河川は、雑多な汚物を含んでいますが、臭いの一半は硫化水素にあり、この硫化水素は、金属を激しく腐食させます。

汚れた水の中で適度な温度、適度な酸性度、養分などが整えば、バクテリアはよく増殖します。さびに関係するバクテリアは、二価の鉄イオンを水中の酸素と化合させて酸化させ、三価の鉄イオンにする働きがあります。酸化されて生じた三価の鉄イオンが菌体と混ざって、赤っぽい水アカをつくり、増殖がひどいときには配管を詰まらせたりします。

汚水や土壌の中のバクテリアは、通常、初めは好気性バクテリアが水中の酸素を使い有機物を養分にして増殖します。すると当然水中の酸素がなくなり、次には酸素のないほうが増殖しやすい嫌気性バクテリアの活動が始まります。

イオウバクテリアと呼ばれるバクテリアもさびに関係する好気性バクテリアであり、硫化水素を養分とする特徴があります。まず硫化水素と酸素とを化合させることにあずかり、イオウを遊離します。遊離したイオウは、バクテリアの体内にごく小さい粒子となって蓄積されることが多くあります。この種のバクテリアの中には、遊離したイオウをさらに酸化してイオウの酸化物をつくるものがあります。イオウ酸化物は水と反応して硫酸となり、金属を腐食させます。
H2S + 1/2O2 →S + H2O 
S + 3/2 O2 +H2O →H2SO4

H2SO4 + 硫酸塩還元バクテリア　→　H2S + 2O2

脱気した自然水中では、鉄はあまりさびないのが普通ですが、硫酸塩を含む汚水や土壌では、溶存酸素が少なくても大きなさびが見られます。これは、バクテリアが硫酸塩を分解還元しながら増殖し、一方において硫化水素を発生して鉄をさびさせるためです。このバクテリアは、通気の乏しい、pHが5.5〜8.5の状態でのみ増殖し、硫酸塩還元バクテリアと呼ばれています。硫酸塩還元バクテリアによる著しいさびは、特に、油井用ケーシング、埋設パイプライン、水冷圧延機、深井戸の鋼管などに見られます。

金属のさびを防ぐにも腐食環境から保護すればよく、防錆油、塗装、ライニング、めっきなどで被覆するとよいと考えられます。保護膜以外のさびを防ぐ方法としては、電気防食による方法や腐食環境に適した金属材料を選定することなども有効な方法といえます。

腐食環境でもさびない金属材料を使えば、何のさび止め対策もいらないので、最も簡単な防食対策といえます。鋼、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム、銅などの金属は、微量元素を添加したり、熱処理をすると、耐食性や機械的強度が大きく変化することが多いです。いくら耐食性がよくても、機械的強度が低かったり高価であれば使いにくくなります。したがって最も目的に合った安価な材料を選定する必要があります。

普通の鋼を炭素鋼と呼びますが、これに少量の銅やクロムなどを加えたものを耐候性鋼といい、屋外で雨ざらしで使っても、防食性のさびが数年で表面を覆い、それ以降は腐食があまり進みません。塗装しなくてもよいという利点があるため、橋梁をはじめ鉄塔、建物、産業機械など屋外建造物に使用されています。護岸に用いる鋼矢板や鋼管杭は、海面直上の部分が打ち寄せる波のしぶきを受けて非常にさびやすいため、銅、クロム、リンを含む耐海水鋼が使用されています。

耐食合金として最も知られているのがステンレス鋼です。ステンレス鋼といえばキッチン台の18-8ステンレスを思い浮かべますが、ステンレス鋼にもいろいろな種類(下表)があります。金属組織のうえからフェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼の3つに分けられますが、これら以外にも、組織が混在した2相系ステンレス鋼があります。鉄にクロムを11.5～13%以上加えたフェライト系は低い炭素含有量であり、熱処理によっても硬化せず、磁性を有しています。

マルテンサイト系は、鉄にクロムを11.5～13%以上加えたものですが、炭素含有量がフェライト系より多く、熱処理により硬化し、フェライト系よりも耐食性が劣ります。オーステナイト系は、鉄にクロムとニッケルを加えたものであり、熱処理による硬化はなく、磁性もありません。18-8ステンレスは、鉄にクロム18%、ニッケル8%を加えたオーステナイト系ステンレス鋼(SUS304)であり、最も一般的に用いられています。

塗装によるさび止めは、最も頻繁に用いられる方法であり、腐食対策費用の60%が塗装によるといわれています。橋梁、建築物、鉄塔、各種プラント、護岸構造物、船舶、自動車、家電製品など、さび止めを塗装に頼っているものは多くあります。

塗料は、塗膜を形成する物質(ビヒクル)中に着色顔料・粒子や防錆顔料粒子を懸濁させたものです。これに溶剤を加えて流動性の液体にして金属に塗布し、溶剤が揮発すると塗膜が形成されます。塗装による塗膜の厚さは、実用的には数百μmまでです。厚さが1mmを超えるような被覆をライニングと呼んでおり、樹脂などで厚く被覆することを有機ライニングといいます。ライニング材としては、ゴム、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、エポキシ樹脂、ふっ素樹脂などがあります。

塗料の耐食性にとって重要なものは、防錆顔料です。鉛丹(Pb3O4)、クロム酸亜鉛(ZnCrO4)が代表的なものであり、下塗り塗料に加えられ、塗膜を透過してきた水に溶け込んで、さび防止皮膜を形成してさびを防ぎます。このように防錆顔料は、水に溶けてさび止め作用を示すことが大切であり、水に対する溶解度が低すぎると働かず、高すぎると短期間に溶け出してしまうので、水に対する適度な溶解性をもっていることが必要です。下表に顔料別の防錆塗料の種類、重防食に使用されるビヒクルの種類をそれぞれ示します。

最も身近で歴史の古い下塗り塗料は、油性防錆塗料です。これは、天然産の油脂を原料にしたビヒクルに、鉛丹などの防錆顔料を加えたものです。

油性塗料で鋼構造物の防錆塗料の上に塗り重ねられる代表的なものは、フタル酸樹脂系です。塗装された金属であっても、ピンホールなどの欠陥や、使用中に機械的な作用を受けて生じる傷部などを起点としてさび始めます。また、長期間のうちには、塗膜自体が熱や光によって劣化を起こし、防錆性能が低下します。塗膜は傷や欠陥がなく、優れた防錆性能をもつ皮膜であることが大切です。同時に、さびを周囲へ広がらせないためには、塗料の素地への密着性が優れていることがたいへん重要なこととなります。

金属表面を他の耐食性の高い金属で被覆して、表面の耐食性と下地金属の材料特性の性質を併せもたせるのがめっきです。工業的に多いのは亜鉛めっきおよびスズめっきで、前者は大気や水など自然環境での鋼のさび止めに、後者は缶詰、20ℓ缶など各種缶類に用いられます。

防錆剤によるさび止めは、他のさび止め方法に比べて設備投資をほとんど必要とせず、さび止め対象となるものの形状に左右されず使用できるため応用範囲も広いですが、その使用にあたっては環境条件を十分認識したうえで行う必要があります。防錆剤は、一般的には①水溶性防錆剤、②油溶性防錆剤、③気化性防錆剤の3種に分類できます。

水溶性防錆剤は、中性水中や酸性水中に少量添加して使用したり、大気中の一時防錆を目的として、水溶液を塗布して使用されます。水中で防錆剤がさびを抑制する作用機構は、防錆剤の種類によって異なりますが、主として次の3つのタイプに分けられます。

三洋化成の水溶性防錆剤へのリンク

図　水中でのさび止め皮膜の種類

酸化被膜型

酸化皮膜型の防錆剤は、不動態化を促進することによりさびを防止します。鉄に対して、水の中でこのような作用をする物質は、酸化能力をもっているクロム酸塩、モリブデン酸塩、タングステン酸塩や亜硝酸塩です。クロム酸塩は防錆剤の中でも、非常にさび止め能力の優れたものとして、かつては非常に広く用いられていましたが、環境問題に関する規制で使用量はきわめて少なくなっています。亜硝酸塩もまた2級アミンと発がん性のニトロソアミンをつくるということで使用が避けられています。モリブデン酸塩やタングステン酸塩は、水中に溶存酸素が共存してはじめて効果を発揮することと、高価なため特殊な目的にしか使用されていません。

沈殿皮膜型

沈殿皮膜型の防錆剤は、鉄表面に防錆剤自体や防錆剤と水中の成分が結びついた皮膜を形成してさびを防ぎます。重合リン酸塩やホスホン酸塩を水に加えると、それら白体が水中のカルシウムイオンあるいは別途加えた亜鉛イオンなどと結合して、鉄表面に不溶性の皮膜を形成します。このような皮膜は、厚く、多孔質の水酸化物または酸化物で、溶存酸素が鉄表面に拡散するのを防ぎます。 

吸着皮膜型

吸着皮膜型の防錆剤は、鉄表面に吸着してそれらの分子による皮膜をつくることによってさびを防ぎます。このタイプの防錆剤は分子内に金属に吸着する極性基と水や酸素を遮断する疎水基を有しており、有機アミンや脂肪族カルボン酸、アルキルリン酸エステル塩などがあります。有機アミンは、窒素を含む部分、脂肪族カルボン酸はカルボニルを含む部分の極性基が金属表面に吸着しやすく、炭素と水素でできた疎水基が上図のように配列し水を寄せつけません。有機アミンのような防錆剤は、主として、熱間圧延されて黒皮をもつ鋼材を塩酸などに浸し、黒皮を除き去るため酸洗いを行うときに鉄素地が酸によって侵されるのを防ぐために用いられます。また、脂肪族カルボン酸などは機械部品の加工後に短期的にさびを防ぐのに用いられます。

②油溶性防錆剤

③気化性防錆剤

気化性防錆剤は、一般にVPI(vapor phase inhibitor)、VCI(volatile corrosion inhibitor)などと称され、軽度の気化性を有する防錆剤です。それ自体が、しようのうやナフタリンのように常温において気化し、金属表面上にきわめて薄い皮膜を形成するとともに空気中にも充満飽和し、空気中の水分が金属表面に凝縮する際、この水の中に溶解して、さびを防ぐものです。したがって、気化性防錆剤は、製品に直接塗布する必要がなく、後処理としての脱脂洗浄をほとんど必要としない特徴をもっています。紙に含浸させてシート状にして包装したり、粉末を対象物に直接吹きかけたり、小袋に入れて包装出荷のときに封入して使用されます。気化性防錆剤の代表的なものがDICHAN(ジシクロヘキシルアンモニウム•ナイトライト)であり、内容積30㎝3の鉄鋼製の箱に対して1gで防錆効果を示します。

よく知られている防錆剤を下表に示します。

生活環境の中で金属製品がさびたり、変色したりしているのを日常よく見かける。また、製品がさびてクレームがつき戻ってきたりします。

さびが原因で重大な事故を起こすこともあります。これらの事態に対して、われわれは、使用環境が適切か、使用方法が間違っていないか、適切な材料であるかなどさびの原因を考えたりします。製品が出荷される前には、使用材料や表面処理皮膜が十分耐食性があるかを調べなければなりません。そのためには、使用される環境の要因を知る必要があります。試験もそれに応じた環境を想定して行うのがよく、それぞれの用途の中でJIS化された試験方法もあります。以下に金属材料の一般的なさび試験方法の一例をあげます。

腐食度[mddまたはg/m2/y] = 腐食減量[mgまたはg]/(試験面積[dm2またはm2]×試験日数[dまたはy])

侵食度[mm/y] = 腐食減量[g]/(試験面積[cm2]×金属の密度[g/cm3]×試験年数[y])

高湿度の雰囲気でのさび発生の状態をみる方法で、JIS K 2246「さび止め油」の中に設定されています。温度49℃、相対湿度95%以上の湿潤箱の中で試験片をつり下げて、さびるまでの時間または試験片のさびている割合を測定します。防錆処理をしていない鋼板は、1〜2時間でさびてきます。

この方法は、大気中に浮遊する海塩粒子による金属材料のさび発生を人為的に再現させることから始められ、大気中での金属材料の耐食性試験として基本的なものです。したがって、その利用範囲も広く、めっき、塗装皮膜、防錆油などの標準的な試験法です。温度35℃に保った試験槽の中に試験片を立てかけて5%食塩水を噴霧し、さびがでるまでの期間を測定します。湿潤試験よりも厳しい雰囲気であり、さび止め皮膜が厚いものに適した試験といえます。

製品、材料を大気中に暴露し、大気環境に対する抵抗性を測定する試験で、大気腐食試験などとも呼ばれます。この方法は、暴露時期の違いによって生ずる季節差や暴露環境の違いによる地域差の問題をもっており、標準的な暴露場所の設定が必要となります。

その他の試験法には、屋外暴露の促進法としてのウェザーメーター試験や二酸化硫黄腐食試験、応力割れ腐食試験など種々のものがあります。 

鉄鉱石から自動車ができるまでには、下図に示しますように鋳造から圧延、塗装、組み立てなどの長い工程を通ります。この工程の中で、防錆剤はいたるところで使用されており(下図の実線で囲んだ工程で防錆剤が使用されています)、その具体例をあげます。

図　鉄鉱石から自動車ができるまで(防錆剤の使われ方)

鉄は、鉄鉱石とコークス、石灰石を高炉に入れ、熱風を吹き込み還元してつくります。銑鉄は、転炉または平炉などで酸化して、炭素その他の不純物を除去して粗鋼とします。粗鋼は熱間圧延、酸洗い、冷間圧延、洗浄、焼鈍、調質圧延を経て鋼板になります。

鋼板を熱間圧延すると鋼板表面にさびの一種である黒皮ができます。また、次の工程までにさびが発生するので黒皮除去、さび落としのために塩酸、硫酸などの酸の水溶液に鋼板を浸せきしますが、鉄素地を溶解させすぎて表面を荒くさせないために腐食抑制剤(インヒビター)を添加します。

防錆効果が大きいものはN原子、S原子、またはこの両方の原子を含む、比較的分子量が大きい化合物で、ヘキサデシルアミン、ロジンアミンやそれらのエチレンオキシド付加物、ヘキサデシルアンモニウムクロライド、ドデシルアンモニウムクロライド、オレイルイミダゾリンなどがあげられ、これらを2種以上組み合わせて使用します。

薄板にするときの冷間圧延には、ワークロールの摩耗防止や鋼板の仕上げ面をよくするために、牛脂またはパーム油などに乳化剤を配合した圧延油が水で10～20倍に希釈して使用されます。これに鋼板がさびるのを防ぐ目的で防錆剤を配合しておきます。圧延油の処方の配合例を以下に示します。

製品として仕上がった鋼板は、防錆油を塗布して出荷されており、船に積んで赤道直下を通過してもさびが発生しないように工夫されています。

防錆油は、石油系の油に防錆剤を添加したものであり、石油系の基剤によって、①防錆剤を石油系溶剤に溶解し、さらに油膜調整剤を添加したもの、②防錆剤を潤滑油基油に添加したもの、③基油にペトロラタムを用い防錆剤を添加した半固体形のもの、の3種類に分類できます。そしてこれらは、防錆油のJIS規格(K2246)でさらにいくつかに分類されています。わが国における防錆油の分野別構成は、下表のように鉄鋼用と自動車用でそれぞれ3分の1ずつを占め、あとは精密機械、一般機械の順に需要量があります。鋼板用防錆油は、一般には40°C動粘度が6～20mm2/s程度のオイルタイプであり、耐オイルステイン性、脱脂性などが要求されます。鋼板は塗装やめっきの前段階として、水溶性のアルカリ脱脂剤による脱脂が行われます。

塗装やめっき工程で、鋼板表面にわずかでも防錆油膜が存在していると、塗料はじきやめっきむらの原因になるので、脱脂性の評価は厳しく行われます。近年は、洗浄工程を省く目的で、防錆油が付着した状態でプレス加工ができるように、加工性を付与した鋼板用防錆油が使われるようになってきた。防錆油に添加される防錆剤は油溶性のものが多く、酸化パラフィン、脂肪酸、ナフテン酸、アビエチン酸、ダイマー酸、アルケニルコハク酸およびその金属塩やアミン塩、石油スルホン酸およびアルキルナフタレンスルホン酸とこれらのNa、Ba、Ca塩、ソルビタンモノオレエートなどのエステル類が使われます。防錆油の配合例を以下に示します。

自動車のエンジン、ギアやブレーキなどの部品は、鋳鉄、鋼、合金鋼、アルミニウム合金、黄銅などさまざまな金属材料に穴をあけたり、ネジを切ったり、面を切り出したりしてつくります。

これらの加工には、冷却と潤滑性を付与する目的で切削油を使用し、工具寿命の延長と製品の仕上げ精度をよくすることがはかられています。切削油は、十数年前までは鉱物油を主体とした非水系切削油が多くありました。しかし、近年は経済性、火災防止の面から、水で10-50倍に希釈して使用する水溶性切削油が主流を占めるようになってきています。水溶性切削油は水を使用するので、機械や加工した金属部品は、格段にさびやすい環境に置かれることになり、さび止めに対する配慮が一段と必要となっています。

水溶性切削油は、通常、次の3つのタイプに分けられ、それぞれ特性が異なります。その1つは鉱物油を主体としたエマルションタイプで、潤滑性に優れています。2番目は界面活性剤を主体としたソリュブルタイプで、防錆性が良好です。3番目は水溶性の潤滑基剤を主体としたソリューションタイプで、耐腐敗性が良好です。これらの水溶性切削油に使われる防錆剤は、切削油がノズルから吐出され循環使用されるため、泡立ちの少ないものが好まれます。また、種々の金属を加工することから、それぞれに効果のある防錆剤を組み合わせながら使用します。エマルションタイプの切削油の配合例を以下に示します。

さび止めには、組み立て終了後の完成品のさび止めと、そこに至るまでの加工工程間のさび止めがあります。後者は、部品の機械加工における工程間のさび止めであり、一時防錆または中間防錆などと呼ばれます。これらのさび止め期間は1週間〜数か月単位であり、時には2～3日の場合もあります。したがって、防錆剤には長期間の防錆力は要求されず、短期間の場合は、水溶性の防錆剤を水に数％添加して塗布または浸せき処理します。

これらに使用される防錆剤としては、脂肪酸アミン塩、アルケニルコハク酸アミドおよびアミン塩、アルキルリン酸エステル塩、芳香族カルボン酸塩、一塩基酸アミン塩、アルキルアミンエチレンオキシド付加物などがあります。

自動車のエンジンを冷却するために、水を通してラジエーターで放熱して冷却します。また、冬季は水の凍結を防ぐためエチレングリコールなどの不凍液を入れるが、当然ながら水やエチレングリコールの水溶液だけでは、ラジエーターにさびが発生します。さびが発生するとラジエーターに穴が開くなどしてエンジンのオーバーヒートなどを招きます。そこで不凍液などには防錆剤があらかじめ配合してあります。不凍液は、JIS規格(K2234)で決められており、6種類の金属に対するさび止め試験に合格しなければなりません。

以前は、亜硝酸塩とアルカノールアミンを主成分としたものを添加していましたが、現在では発がん性の問題から非亜硝化が進み、亜硝酸塩はほとんど使用されなくなりました。また、最近ではアミンも規制を実施している国が出てきており、ノンアミンの開発を進めるメーカーも多くなっています。通常、不凍液に使用されるさび止め剤としては、トリエタノールアミン、アルキルアミンエチレンオキシド付加物、アジピン酸、セバチン酸などの二塩基酸、芳香族カルボン酸、ベンゾトリアゾールなどが挙げられます。

自動車の耐久品質の1つである車両さび止め品質の確保は、安全性とのかかわりも大きく重要です。車両さび止め品質確保の背景としては、①融雪塩散布による腐食環境の悪化、②自動車の平均寿命が伸びたこと、③ユーザーの関心度、要求レベルの高まりなどがあげられます。

このような状況をふまえ、米国、カナダ、北欧においては、自動車の安全性の面からさび止め基準が発表され、これに伴い自動車メーカーは床下用、ボックスセクション(袋構造部)、エンジンルーム内用として防錆剤を使いはじめました。一方で耐食性のよい表面処理鋼板の使用、塗料の改善などの手も打たれています。

おわりに

操業の停止、生産性の低下、付加価値のロスなど、わが国におけるさびや腐食を原因とする経済的な損失はばく大なものです。

人に不老不死がないのと同じように、鉄もさびて朽ちないようにするのは難しいことです。人が疲労やストレスを避け、健康管理をするように、金属疲労やストレス(応力腐食割れ)、さびを管理し、いかに長持ちさせるかが、資源の有効利用やエネルギーの節減に役立ち、さらには、安全や保全の面からも重要です。さびを防ぐにはさまざまな手段があり、腐食環境や経済性などから適正な方法を選択していくことが肝要です。 

界面活性剤・抗菌剤・分散剤に関するアドバイザー紹介はこちら

界面活性剤の機能紹介動画の構成
0:00　界面活性剤の機能紹介 　
0:21　パート①　洗浄性（布の洗浄実験） 　
1:05　パート②　浸透性（疎水性繊維への浸透性付与の実験、不織布への浸透性付与の実験）
2:15　パート③　分散性（無機顔料の分散実験）　
3:00　パート④　起泡性（起泡剤添加の実験）　
3:25　パート⑤　消泡性（消泡剤添加の実験）　
3:44　パート⑥　平滑性（シートベルトの平滑性テスト）
4:25　パート⑦　抗菌性（抗菌剤添加の実験）

図　　ラウリルジメチルベタインの生成反応

ラウリルジメチルベタインは水に透明に溶解してよく泡だち、洗浄力もすぐれています。ベタイン型両性界面活性剤の代表と考えて差し支えありません。ベタイン型両性界面活性剤がアミノ酸型両性界面活性剤と比較していちばん違うところは、ベタイン型は酸性でも中性でもあるいはアルカリ性でも水によく溶けるということです。そのため、ベタイン型は等電点でも沈殿の心配がほとんどなく、あらゆるpH域で使用できる利点があります。

図　やし油脂肪酸アミドプロピルベタインの合成経路

図　ラウリルイミダゾリニウムベタインの合成経路

界面活性剤・抗菌剤・分散剤に関するアドバイザー紹介はこちら

たとえば、ラウリルアミン(C12H25NH2)は水に溶けない白色のろう状の固体ですが、これを60～70°Cくらいに加熱して溶かして液状にしておいて、理論量の酢酸をよくかきまぜながら加えると、発熱しながら中和が進みラウリルアミン酢酸塩ができます。こうしてできたラウリルアミン酢酸塩は水によく溶ける立派な界面活性剤です。

ここでとくに注意しておかねばならないことは、高級アルキルアミンを高級脂肪酸のような水に溶けにくい酸で中和すると水に溶けないアミン塩ができてしまうということです。

では、以上に述べたようなカチオン界面活性剤の原料になるアミン類にはどのようなものがあるのでしょうか？直接に界面活性剤になる高級アルキルアミン類のほかに間接的に重要な低級アミン類も一緒に下表に記載します。

ところで、これまで述べてきた方法だと、たしかにトリアルキルアンモニウムクロライド(第三級アミン塩酸塩)まではつくれますが、テトラアルキルアンモニウムクロライド(第四級アンモニウムクロライド)はつくることができないことに気がつきます。どんなアミンを塩酸で中和しても、中央の窒素にアルキル基が4個結合したものはできるはずがないからです。

第四級アンモニウム塩型のカチオン界面活性剤をつくるのによく用いられるアルキル化剤の代表的な例を下表に示します。これらアルキル化剤は、たとえば、次のように反応して第四級アンモニウム塩をつくります。

第一級アミン塩、第二級アミン塩および第三級アミン塩をまとめてアミン塩型と呼びます。というのは、この型のものは性質がよく似ていて、はっきり区別できず、第一級アミンも第二級アミンも一緒に入っているような製品が多いからです。

この型のものもやはり界面活性剤ですから、炭素数C12-18のアルキル基を疎水基としてもっているものが圧倒的に多いのですが、このアミン塩型のカチオン界面活性剤はその界面活性を本来の表面張力を下げる目的ではあまり用いられません。順次実例について紹介いたします。

脂肪族高級アミンは脂肪酸または脂肪酸エステルとアンモニアを加熱して脂肪族ニトリルをつくり、これを水素で還元して合成されます。

工業的には、このような反応によってやし油からのラウリルアミン(C12)を主成分とするやしアミンや、牛脂からのステアリルアミン(C18)を主成分とする硬化牛脂アミンなどがつくられています。また、ロジン酸からつくられるロジンアミンなども安価なアミンとして使用されます。

すでに述べたように、これらのアミンを酢酸とか塩酸のような酸で中和すると簡単に界面活性剤になります。しかし、高級アルキルアミン塩として市販される量は比較的少なくなります。

非イオンにカチオンをプラスした構造はそのまま性能に現れるので特殊な用途に用いられ、染色助剤などとしてかなり広く使用されています。

高級アルキルアミンはかなり高価なので、何か安価な原料からカチオン界面活性剤を合成できないだろうかということが問題になってきます。そこでステアリン酸やオレイン酸などに低級アミンを反応させてカチオン界面活性剤がつくられています。この方法を用いると種々の変わった構造のものを容易につくることができます。 

この系統のものはたいてい安価で、しかもすぐれた性能を示すものが多くあります。繊維の柔軟剤としてのカチオン界面活性剤は大部分がこの系統に属しています。

米国のアーノルドホフマン社が1940年代に初めて発表した一連のカチオン性柔軟剤アーコベルのうちの代表的なものが"アーコベルA"です。これはステアリン酸とアミノエチルエタノールアミンとを加熱縮合させて、これにさらに尿素を縮合させたものを酢酸で中和した複雑な化合物です。 

これらのアーコベル型の製品は繊維の柔軟剤としてきわめてすぐれた性能をもっているので、日本国内でもたくさん製造されています。また、アミンとしてジエチレントリアミンなどを用いたものもあります。このような繊維用柔軟剤として市販されるカチオン界面活性剤はたいてい20~40%くらいの濃度に水で乳化して白色ペースト状にしてあるので、温湯を加えてかきまぜるとすぐに細かい均一な粒子のエマルションにすることができます。

アミノエチルエタノールアミンやポリエチレンポリアミン類と脂肪酸との反応を、160〜180°Cくらいで行うと、前記のようにアミドの形をしたアミンになりますが、さらに温度を上げて200~250℃付近で反応させると、イミダゾリン誘導体と呼ばれる新しいアミンができます。オレイン酸とアミノエチルエタノールアミンから合成されるイミダゾリン誘導体について次式に示しましたが、実際にはイミダゾリン環の開裂などによって複雑な化合物になっています。

脂肪酸としてオレイン酸を用いたものは乳化破壊剤などにも用いられますが、さらに加工して第四級アンモニウム塩型のカチオンあるいは両性界面活性剤を合成する原料にも用いられています。

この型の繊維用柔軟剤としてはリファインドオニックス社の"オニクサンHSB"が有名ですが、その性質はアーコベルGとよく似ています。また、ラウリン酸を用いたものは両性界面活性剤の合成原料として使用されます。

第四級アンモニウム塩型のカチオン界面活性剤は第三級アミンとアルキル化剤の反応によってつくられるので、その組み合わせによって実にたくさんの種類があります。

第三級アミンとしてアルキルジメチルアミンを用い、アルキル化剤としてベンジルクロライドを用いて得られる、特別に殺菌性の強い第四級アンモニウム塩です。アルキル基にはC12のラウリル基あたりが適しています。この化合物は塩化ベンザルコニウムともいわれ、殺菌消毒剤としてかなり多量に製造されています。水に透明に溶けてよく泡立ちます。フェノールの約500倍の殺菌力があり、しかもにおいや手荒れが少ないので病院などで広く使用されています。

低級アミンと安価な疎水基から第四級アンモニウム塩をつくることも可能です。この場合には特別な構造や性能をもたらすことができるので、この型のものは大いに利用されています。

界面活性剤・抗菌剤・分散剤に関するアドバイザー紹介はこちら

まず、界面とは異なった性質を持つ２つの物質の間に存在する境界面のことで、液体と固体、液体と液体、液体と気体の間に界面が存在します。​
この界面において洗浄や乳化、分散、湿潤、浸透などの機能を発揮して性能を高めるのが界面活性剤です。​

界面 ＝ 異なった性質を持つ２つの物質の間に存在する境界面
液体と固体 ： コップとコーヒー、機械と潤滑油​
液体と液体 ： 水と油​
液体と気体 ： 海水と大気、シャボン玉

界面活性剤の役割例
洗浄     　　・・・  汚れを落とす​
乳化・分散  ・・・  混ざり合わないものを混ざりやすくする
湿潤・浸透  ・・・  濡れやすく、しみ込みやすくする

・界面活性剤は分子中に親油基（油になじむ部分）と​親水基（水になじむ部分）という異なる性質を持つ構造を有しています。
・界面活性剤には親水基の構造によって、ノニオン系、アニオン系、カチオン系、両性系（アニオンとカチオンを両方有する）４つに大別されます。

界面活性剤の機能紹介動画の構成
0:00　界面活性剤の機能紹介 　
0:21　パート①　洗浄性（布の洗浄実験） 　
1:05　パート②　浸透性（疎水性繊維への浸透性付与の実験、不織布への浸透性付与の実験）
2:15　パート③　分散性（無機顔料の分散実験）　
3:00　パート④　起泡性（起泡剤添加の実験）　
3:25　パート⑤　消泡性（消泡剤添加の実験）　
3:44　パート⑥　平滑性（シートベルトの平滑性テスト）
4:25　パート⑦　抗菌性（抗菌剤添加の実験）

ジアルキルスルホこはく酸エステル塩のなかでは、米国で発明された“エアロゾルOT”という製品がもっとも有名です。

りん酸エステル塩型界面活性剤として、もっとも広く使用されているのは、高級アルコールEO付加物のりん酸エステル塩です。この型のものは、ポリエチレングリコール鎖があるために水溶性も良好で、帯電防止能も高級アルコールりん酸エステル塩よりも一般にすぐれています。

ナトリウム塩あるいはアミン塩の形で、それぞれ工夫をこらしたものが利用されています。とくにトリエステル型のものは、アニオン界面活性剤ではなく、非イオン界面活性剤です。アニオンがきらわれるような特殊な用途に使用されます。