JPH08510507A - 金属の洗浄方法 - Google Patents

金属の洗浄方法

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Abstract

(57)【要約】 ある種のアミノ酸(例えばポリアスパラギン酸又はアスパラギン酸/グルタミン酸コポリマー)を含む水性組成物が7以下のpHで少なくとも部分的にプロトン化すると、鉄金属面が、前記組成物との接触により効果的に洗浄される。

Description

【発明の詳細な説明】 金属の洗浄方法 発明の背景 発明の分野 本発明者らによる1990年2月6日付け米国特許出願第07/475,50 5号及び1993年7月19日付け米国特許出願第08/092,932号は主 に、一般に少なくとも約8.9のアルカリ性pH値で完全にイオン化すると腐食 防止活性を示すある種の組成物による鉄金属の腐食防止に関する。しかしながら 、同明細書には、同じ組成物が比較的低いpHでは腐食防止剤として効かないだ けでなく、実際に腐食剤としての活性を示すことも開示されている。本明細書で は、低pHでポリアスパラギン酸が緩やかに腐食し得ることに基づき、これらの 組成物を金属洗浄剤として使用することをクレームする。 本発明は、新規な改良された金属洗浄組成物、生分解性洗浄組成物の鉄金属へ の予想外の新たな使用、及び表面が汚れやすい鉄金属面の改良された洗浄方法に 関する。本発明は特に、環境に優しい組成物を用い且つ鉄金属から腐食した部分 又は付着した被膜を好都合に除去するのに効果的な金属洗浄ポリアミノ酸の使用 方法に関する。関連技術の説明 金属洗浄の重要な機構は、表面の劣化部や沈積物を除去することからなり、腐 食速度を均一にすることにより達成される。不運にも、ある種の慣用的な金属洗 浄化合物(例えば金属洗浄剤用化合物として広く使用されている強酸)が、公共 衛生や周辺の環境にとって危険であることは知見されている。このような危険物 を安全に廃棄することは複雑であり、コストもかかる。このような例のひとつは 、Shumakerの米国特許第3,847,663号に記載されている。同特 許は、エチレンジアミンテトラ酢酸、トリメチレンジアミンテトラ酢酸、ニトリ ロトリ酢酸等のようなキレート化剤により補強された(supported)組成物を開 示している。Leveskisの米国特許第4,470,920号では、硝酸、 スルファミン酸及びアミノ酸をキレート化剤として含む水溶液を開示している。 従って、生物適合性及び/又は生分解性の化合物の金属洗浄性を検討すること が望まれるようになってきた。このような化合物が無毒で、高純度での製造が簡 単で、生分解性であれば、除去又は再循環操作は大幅に容易になり得る。アミノ 酸を限定された用途に用いることが提案されている。 アスパラギン酸が弱アルカリ性pH条件で本来腐食性であることは知られている 。K.Ramakrishnaiah“Role of Some Biolo gically Important Compounds on the C orrosion of Mild Steel and Copper in Sodium Chloride Solutions”(Bulletin of Electrochemistry(1),7−10(1986) )を参照されたい。この中で、pH8のアスパラギン酸が実際に腐食を加速する と開示されていた。実際には、パパベリンのような優れた軟鋼用腐食防止剤と一 緒に使用しても、アスパラギン酸が存在するため、溶液の腐食性は維持される。 α−アミノ酸が熱縮合して、水が脱離してポリマーが生成することは長年にわ たり知られていた。これらの方法では当初、前生物的ポリペプチドの生成の理論 に関心があった。このような理論を確かめるため、実験室での実験では、粉末状 L−アスパラギン酸を使用し通常これをフラスコ底部に充填し、酸の融点以下に 加熱した。このような反応は遅く、何時間にもわたって生起した。このような例 のひと つは、Kokufuta等がBulletin of the Chemica l Society of Japan 51巻(5)1555−1556(1 978)“Temperature Effect on theMolecu lar Weight and the Optical Purity of Anhydropolyaspartic Acid Prepared b y Thermal Polycondensation”に報告している。無 水ポリアスパラギン酸の構造はJ.Kovacs等 J.O.C.S.26巻 1084−1091(1961)のように徹底的に研究されている。 近年では、無水ポリアミノ酸について多数の用途が提案されている。このよう なポリアミドは、Neuse等 Die Angewandte Makron molekulare Chemie 192 35−50(1991)“Wa ter−soluble polyamidesas potential d rug carriers.”で薬剤キャリヤーとしての可能性が提案されてい る。ポリアミドは更に、特にSarig等が、National Counci l on Research and D evelopment(NRCD 8−76,Seawater Desali nation 150−157(1977)に記載しているように、天然海水や 硫酸カルシウムに対するスケール抑制剤として試験されている。ポリアスパラギ ン酸が洗剤配合物中へ固体粒子を分散させる能力を備えていることはよく知られ ており、多数の特許に分散剤として記載されてきた。このような特許のいくつか として米国特許第4,363,497号、第4,333,844号、第4,40 7,722号、及び第4,428,749号がある。洗剤配合物におけるポリア スパラギン酸の一般的な使用方法から離れたものとしては、オーストラリア特許 公開第14775/92号に、ポリアミドを洗液に添加して、その場で加水分解 させると、生分解性ポリペプチドビルダーに変換することが記載されている。更 には、Kalota等の米国特許第4,971,724号に記載されているよう に、アスパラギン酸のようなポリアミノ酸を含む組成物がアルカリ性pHでイオ ン化すると、水性媒質の存在下で鉄金属の腐食を効果的に防止することが知見さ れている。分子上の反応性部位に結合した基により種々の属性が与えられたポリ アミノ酸の様々な誘導体も製造され てきた。このような例のひとつは、Fujimoto等の米国特許第3,846 ,380号に開示されている。 無水ポリアミノ酸には様々の可能性のある用途があるため、このような化合物 (特にポリアスパラギン酸)の大容量での製造方法に対する関心は増している。 このように関心が高いため、その結果、この数年、流動層系に関する特許が発行 されている。このような特許としては、特にCassataの米国特許第5,2 19,986号がある。このような特許としては他に、Koskanの米国特許 第5,057,597号及びKoskan等の米国特許第5,221,733号 が挙げられる。 付加的なカルボキシル基を有するポリアミノ酸(例えばポリアスパラギン酸) により、該アミノ酸のpHが低い条件下で様々な種類の金属を洗浄する方法は、 驚くべき予想外の発見であり、長年業界で希求されてきた安全で尚かつ効果的な 生分解性洗浄剤の必要性に応えるものである。 発明の要約 ある種のアミノ酸、特にアスパラギン酸ポリマー及びコポリマーが予想外にも 、使用条件下で比較的低いpHであれば、鉄金属の金属洗浄剤として効果的に機 能することが 知見された。驚くべきことに、この洗浄作用は、多くの種類の鉄金属面で好都合 に達成される。本発明のポリアミノ酸化合物の金属洗浄力は、水溶液中の酸濃度 及び溶液温度に関係する。大抵の場合、濃度と温度とは逆の関係にある。即ち、 温度が高いときは低濃度になるほど効果的になるというように溶液の洗浄力の量 は温度に依存する。 図面の簡単な説明 添付図面は、アスパラギン酸及びポリアスパラギン酸の脱プロトン化%を室温 での水溶液pHの関数として比較したものである。この関係は、pHの関数とし てのこれらの化合物の挙動の相違を理解するのに役立つ。 発明の詳細な説明 多数のカルボキシル基を有するポリアミノ酸が本発明で有用である。これらの 化合物が“遊離”アミノ基に対して過剰のカルボキシル基を有することが好まし い。適切なアミノ酸は、以下の式: [式中、R1は水素及びM(Mはアルカリ金属又はアルカリ土類金属である)か らなる群の中から選択され、R2はOH及びOMからなる群の中から選択され、 yは0〜2の整数であり、xは0〜2の整数であるが、但しyが1又は2のとき にxは0であり、yが0のときにXは1又は2であり、nは約3〜約1000の 整数である]で表される。 適切な化合物の例はアスパラギン酸ポリマー及びグルタミン酸とアスパラギン 酸とのコポリマーである。 これらの化合物は多数のソースから容易に入手でき、化学合成又は微生物発酵 により製造することができる。例えば、Whitman等,Industria l and Engineering Chemistry16(7),65 5−670(1924)及びHurlen等、Journal of Elec tronanalytical Chemistry180,511−526 (1984)を参照されたい。 前記式で、ポリアミノ酸又はポリアミノ酸塩は、アスパラギン酸(好ましくは L−アスパラギン酸)のホモポリマーであってもよいし、アスパラギン酸とグル タミン酸との混合物の重合の結果物であってもよい。従って、反復する 各単位は独立して、アスパラギン酸単位又はグルタミン酸単位の中から選択され る。通常、前記式で表されるコポリマーの生成におけるアスパラギン酸とグルタ ミン酸とのモル比は約1:1〜約3:1、通常は約1:0.5〜約3:2である 。加熱生成したときのポリアスパラギン酸単位の大半がβ形態であり、γ形態の 単位が少数であることが知見された。特にアスパラギン酸ホモポリマーについて 、β形態を最大にするような重合条件を選択することが好ましい。 前記式で慣用的なアルカリ金属は元素周期表の第I族金属であり、最も慣用的 なものはナトリウム、カリウム及びリチウムである。前記式のアルカリ土類金属 は元素周期表の第IIa族元素であり、最も慣用的なものはカルシウム、マグネシ ウム及びバリウムである。 完全にイオン化した状態のときに腐食抑制剤として有用なこれらの化合物は、 pH7以下になると金属洗浄剤となる。しかしながら、これらの化合物が、十分 にアルカリ性の使用条件下で完全にイオン化すると、鉄金属の腐食度を大幅に逆 行させることが知見された。一般には、温度や使用する特定の化合物によって、 少なくとも約2から約7ま でのpH値が洗浄組成物として適切である。このような使用条件下では、温度が 上昇すれば、表面酸化物がよく除去される。本発明の組成物は、洗浄水溶液が3 0℃〜約100℃のとき効果的な洗浄度を示す。 本発明の洗浄剤は、0.1%の低濃度から35%を超える高濃度(重量%)で (水性媒質中で)使用され得る。本発明の金属洗浄剤を約1〜約5重量%の濃度 で使用することが特に好ましい。しかしながら、多量の洗浄剤を使用しても、洗 浄剤が使用される系に有害でない限り、所望とあれば洗浄剤を5.0重量%より 高い濃度で使用することができることを理解されたい。 温度が金属の腐食を加速することは知られているが、温度が上昇しただけでは 基本的には、又はひとりでには本発明の組成物の洗浄力が改善されないことを銘 記されたい。しかしながら、温度が室温よりも高くなると、低濃度の洗浄剤を効 果的に使用できるという意味で有益である。水溶液の沸点までの温度が使用され 得る。例えば、系のpHが約7よりも高い範囲であれば、温度が上昇しても本発 明の化合物に、金属洗浄力は備わらない。このようにpHが高いと、本発明の組 成物の洗浄力は損なわれる。プロトン化 形態のポリアミノ酸のpKも、温度上昇と共に減少する。 本発明の金属洗浄組成物の使用条件下での水性媒質pHは、周囲温度又は室温 (約25℃)で測定した場合で約2〜約7、好ましくは約3〜約5で変動し得る 。本発明の組成物を周囲温度又は室温で測定した場合で約5以下のpHで使用す ることが特に好ましい。しかしながら、前述したように、pHは測定温度によっ て異なる。 水性媒質pHは、適切な酸又はアルカリ金属水酸化物のような塩基(例えば硫 酸のような無機酸又は水酸化ナトリウム及び水酸化カリウムのような塩基)を添 加して調整することができる。本発明で使用され得る酸又は塩基には、更に塩酸 、リン酸等、アルカリ金属炭酸塩、ヒドロカルビルアミン、アルカリ土類金属水 酸化物及び水酸化アンモニウムが含まれる。 金属洗浄剤が、種々の無機物質及び/又は有機物質、特に水処理産業、自動車 産業、その他で使用される全ての成分又は物質を含む水性媒質でも使用され得る ことは本発明の範囲内である。金属洗浄は、金属から外面層を除去することによ り行う。通常、除去することが望ましい表面層は、種々の強さで金属に付着した 酸化物又は硫化物のスケール 又はデポジットである。スケール等の付着した強さは金属の種類や、金属のさら された環境によって異なる。金属面の外層の効果的な除去は金属を軽度に腐食さ せることからなり、実際上価値があるようにするためには、この腐食は軽度であ るとともに表面で均一でなければならない。このような金属洗浄作用によって、 表面は一様に外被膜のない状態になり、比較的平滑な金属外面が得られる。 金属洗浄性能は通常、特定の条件下で問題の金属の表面の腐食度を測定するこ とにより決定される。本明細書で使用する腐食度の測定方法は、標準金属クーポ ン質量損失試験といい、静的浸漬試験とも称する。他の標準試験としては、NA CE Sandard TM−01−69“Laboratory Corro sion Testingof Metals for the Proces s Industries”又はASTM G−31“Laboratory Immersion Corrosion Testing of Metal s”が含まれる。 標準金属クーポン質量損失試験モードでは、既知質量の金属クーポンを、腐食 抑制特性を決定すべき水溶液中に浸漬する。水性媒質を特定時間、特定の条件下 で維持する。 暴露時間終了後、水溶液からクーポンを取り出し、超音波浴中にてセッケン溶液 で洗浄し、脱イオン水で濯ぎ、アセトンで濯ぎ、リントフリーなペーパータオル でたたいて乾燥し、窒素流又は空気流でブローし、計量して質量損失を調べ、適 当な倍率の立体鏡で検査して、洗浄作用による金属面の浸食を調べる。 本発明を簡単明瞭に理解するために、現在最もよく知られている本発明の実施 方法に関する以下の特定の実施例を詳しく説明する。しかしながら、本発明の範 囲内での様々な変化や変形は当業者には本発明の以下の詳細な説明により自明で あろうから、この詳細な説明は好ましい実施態様を示しているが、これは単に例 示するものであって、本発明を限定するものではないと理解されたい。 図面の詳細な説明 添付図面には、ポリアスパラギン酸及びアスパラギン酸モノマーの、室温及び 一連のpHレベルでの脱プロトン化(又は反対にプロトン化)のパーセントを示 す。曲線1はL−アスパラギン酸を用いて得られた結果であり、曲線2はピーク 分子量が約9200のポリアスパラギン酸を用いて得られた結果である。これら 2種の化合物が1〜11の pH域で大幅に異なることが容易に理解できる。ポリアスパラギン酸はpH7を 超えると大幅に脱プロトン化するが、モノマーは同じpHで半分も脱プロトン化 しない。このような挙動は、2種の化合物間だけでなく、ポリアスパラギン酸自 体に様々なpHレベルで金属に対する活性の違いが観察されることを示している 。実験結果は、約7までのpH域でのポリアスパラギン酸の金属洗浄活性を示し ている。 以下の実施例では、特に明記しない限り、全ての部及びパーセンテージは重量 により、全ての温度は℃とし、pHは25℃で測定し、“質量損失”は“浸食度 ”を意味するものとする。 実施例1 更に試験を実施して、溶接部分を含む鋼鉄に対する本発明の金属洗浄水溶液の 濃度、温度及びpHの関係を調べた。処理温度は以下の表3に示すように35℃ 〜93℃で変えた。個々の試料のpHを、ポリアスパラギン酸(ピーク分子量9 200)を含む溶液中、硫酸で調整した。重硫酸ナトリウムを使用して、ブラン ク溶液のpHを調整した。腐食度はmpy単位で表し、濃度は重量%で表す。目 的は、申し分のない金属洗浄剤に必要な属性である腐食の均一性 がどうであるか、またどのような濃度/温度条件下で均一になるかを調べること であった。備考には、処理溶液から取り出して、洗浄した後の金属クーポンの腐 食の状態を記載する。 実施例2 表面の変色した15個の軟鋼クーポンを、金属洗浄剤:ポリアスパラギン酸( ピーク分子量9200)を異なる量含んでいる別個の水溶液試料に浸漬して、洗 浄試験を実施した。様々な温度、及び試験溶液のpHで示される様々なプロトン 化度を使用した。試験条件及び試験結果を以下の表2に示す。 クーポンを水溶液に浸漬し、金属上に付着した酸化物被膜を形成してクーポン を変色させた。234.8gの50%水酸化ナトリウムを234.4gの水に溶 解して、溶液を調製した。次いで、21.38gの硝酸ナトリウム、5.08g の亜硝酸ナトリウム及び2.54gのリン酸ナトリウムを沸騰溶液に添加した。 鋼鉄クーポンを沸騰溶液に45分間浸漬した。クーポンの表面上には黒色の被膜 が付着して形成された。次いで、これらの被処理クーポンを前述の試験で使用し た。 以下の表2に試験結果を示す。表2では、試験中の金属洗浄剤の量を重量%で 示し、洗浄量を腐食度(Corr.)ミル/年(mpy)で示す。色の記載は洗 浄の成功度に関連する。“黒”色の記載は洗浄がうまくいかなかったこと を意味し、“グレー”は洗浄がうまくいったことを意味する。勿論、“ピット” が観察されることは腐食の均一性欠如を示している。比較のために、ポリアスパ ラギン酸の代わりにL−アスパラギン酸を用いて、表2の試験No.16及び試 験No.17を実施した。 表2のデータは、ポリアスパラギン酸の温度とプロトン化度との強い関係を示 している。これは、クーポンNo.5及びクーポンNo.6で得られた結果を比 較すれば分かる。同一濃度では、温度が上昇すると、mpy及びクーポンの色が 大幅に変化する。表2のデータでは他のクーポンでも同様の比較が可能である。 表2において、“グレー”色を示す試験結果では、クーポンは、金属クーポン 上の外被膜の除去により比較的平滑で清浄な金属面が残る均一な軽度の腐食を示 した。“黒”色を示す試験結果では、外被膜が除去されないためクーポンは洗浄 されていない。“ピット”を示す試験では、クーポンは、洗浄工程では望ましく ない局所的で不均一な金属の侵食を含んでいた。 実施例3 336.7g(2.529mol)のL−アスパラギン酸を250.2g(1 .7mol)のグルタミン酸と合わせてアスパラギン酸とグルタミン酸とのコポ リマーを製造した。この混合物を皿に置き、強制通風炉にて230℃の温度で4 .5時間反応させた。凝固した生成物の重量は421.1g(理論量の97%) であった。1357gの水 及び121.5gの水酸化ナトリウムに305gの生成物を添加して、コポリマ ーを加水分解した。各別個の溶液のpHを水酸化ナトリウム又は硫酸で調整して 、6種の溶液を調製した。各溶液の濃度を以下の表4に示すように変えた。 まず以下のような溶液を調製して炭素鋼クーポンを酸化した。成分量はgで表 す: 成分 量 水産化ナトリウム 93.2 硝酸ナトリウム 17.1 亜硝酸ナトリウム 4.1 リン酸ナトリウム 3.3(第二リン酸塩、七水和物) 水 270.3 金属クーポンをセッケン水で洗浄し、アセトンで濯ぎ、乾燥した。乾燥した直 後に、クーポンを沸騰させた前記溶液中に45分間浸漬した。酸化鉄被膜が形成 されたクーポンを溶液から取り出した後に、水及びアセトンで濯いだ。以下の表 3に記載する試験溶液200g分を8個のジャーに入れ、濯いだ金属クーポンを そこに24時間浸漬させた。金属クーポンを含む溶液を温度やpHレベルを変え て保持 した。金属クーポンを取り出した後に、水で濯ぎ、軟いブラシで洗い、水及びア セトンで濯ぎ、乾燥し、評価した。試験結果を以下の表3に示す。表中、コポリ マー濃度は重量%、温度は℃、腐食度(Corr.rate)はミル/年で表す 。 上記表4から、全ての溶液が表に示す条件下で金属クーポンの酸化物被膜を洗 浄したことが判明し得る。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.鉄金属面を有効量の水性洗浄組成物と約7以下のpHで接触させることから なる鉄金属面の洗浄方法であって、前記組成物が、 (a)式: [式中、R1は水素及びM(Mはアルカリ金属又はアルカリ土類金属である)か らなる群の中から選択され、R2はOH及びOMからなる群の中から選択され、 yは0〜2の整数であり、xは0〜2の整数であるが、但しyが1又は2のとき にxは0とし、yが0のときにXは1又は2とし、nは約3〜約1000の整数 である]で表されるポリアミノ酸を含んでなる前記方法。 2.アミノ酸基が、アスパラギン酸、グルタミン酸及びこれらの塩からなる群の 中から選択される請求項1に記載の方法。 3.アミノ酸基がアスパラギン酸及びその塩である請求項 1に記載の方法。 4.使用条件下での水性媒質中のポリアミノ酸濃度が約1〜約35重量%またそ れ以上になるのに十分な量のポリアミノ酸が存在する請求項1に記載の方法。 5.使用条件下での水性媒質中のポリアミノ酸濃度が約3〜約30重量%になる のに十分な量のポリアミノ酸が存在する請求項4に記載の方法。 6.使用条件下での水性媒質中のpHが約3.5〜約5である請求項1に記載の 方法。 7.水性媒質が実質的に静的な条件下にある請求項1に記載の方法。 8.水性媒質が動的流動条件下にある請求項1に記載の方法。 9.Mがアルカリ金属である請求項1に記載の方法。 10.アルカリ金属がナトリウムである請求項9に記載の方法。 11.Mがアルカリ土類金属である請求項1に記載の方法。 12.アルカリ土類金属がカルシウムである請求項11に記載の方法。
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