JP2004526049A - 導電性の塗料の処理方法 - Google Patents

Abstract

塗料は最初に導電性の塗料顔料22を準備し、水性の塗料ビヒクルを準備し、塗料顔料22と塗料ビヒクルを混合して粉砕し、塗料顔料22の粒子寸法を減少して顔料混合物を形成するステップにより顔料混合物を処理することにより処理される。液体の塗料はその後、無機物の塗料バインダを与え、塗料顔料22の粒子サイズを実質上減少せずに塗料バインダ中に顔料混合物を分散するステップにより処理される。液体の塗料はその後、表面に施され、固体の塗料層20を形成するために乾燥される。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は導電性の塗料、特にこのような塗料の処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
宇宙船はサービス中に広範囲の熱環境にさらされる。宇宙船の片側は自由空間に面し、他方の側は太陽に面する。宇宙船を冷却するために熱は自由空間に放射されるが、宇宙船は直接的な太陽光で集中的に加熱される。
【０００３】
能動的および受動的な温度制御技術が人または感度の高い器機を含んでいる宇宙船の内部温度を許容可能な動作限度内に維持するために使用されている。能動的な温度制御は電気ヒータ、電気クーラ、ヒートパイプ等の機械または電気装置を通常含んでいる。本発明は受動的な温度制御を扱い、これは機械または電気装置を使用しない。
【０００４】
受動的な温度制御のために設けらた方法は典型的に宇宙船の外部表面上の“塗装”と呼ばれる表面被覆を使用する。例えば白色の塗装は低い太陽光の吸光性を有し、黒色塗装は高い太陽光の吸光性を有する。宇宙船の外部の種々の素子に対するこのような塗装の選択的な適用は非常にその温度制御を容易にする。
【０００５】
塗料は宇宙船の外部表面上で発生する静電荷を放散し、受動的な温度制御を行わなければならない。そうでなければ電荷は累積してアークを発生させ、宇宙船上または中の敏感な電子装置に損傷を与え、または妨害する。静電荷を放散するために、塗料はある程度導電性であり、平方当り約１０⁹ オーム以下程度の表面の比抵抗を有する。
【０００６】
白色で導電性の塗料が宇宙船で使用されている。その例は米国特許第5,807,909 号、第5,820,669 号、第6,099,637 号、第6,124,378 号明細書で記載されている。これらの塗料は多くの応用で非常に成功している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、このような特別な塗料の性能および製造技術を改良する要望が常に存在する。本発明はこのような改良を与える。
【０００８】
本発明の方法は導電性で静電放散性の特に白色の塗料の処理のための改良を行う。改良された処理は価格を付加せず、塗料の化学的組成を変更せずに従来の処理方法よりも非常に良好な性能を与える。その性能は優れた光学的特性を維持しながら、塗料の応用およびカバー特性、電気的性能、放射損傷に対する耐性に関して改良を与える。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、塗料を処理する方法は、導電性の塗料顔料を準備し、塗料ビヒクルを準備し、顔料混合物を形成するために塗料顔料と塗料ビヒクルを混合し粉砕するステップによって顔料混合物を処理するステップを含んでいる。その後、液体の塗料は無機物の塗料バインダを与え、塗料バインダと接触する顔料混合物を実質上粉砕せずに顔料混合物を混合し塗料バインダ中にそれを分散するステップにより処理される。液体の塗料は宇宙船の一部等、表面に施され、固体の塗料を形成するように乾燥される。
【００１０】
本発明の方法は複数の導電性塗料顔料と、これらの顔料から作られる塗料に適用可能である。好ましい塗料顔料はＡ［ｘＡｌ（１−ｘ）Ｇａ］₂ Ｏ₄ （Ｄ）の組成を有し、ここでＡは亜鉛、カドミウム、マグネシウムからなるグループから選択され、Ｄは＋２よりも大きいイオン原子価を有する陽イオンドープ剤と陰イオンドープ剤からなるグループから選択されたドープ剤であり、ｘの値は０から１であり、その値は０から約０．２である。塗料ビヒクルは好ましくは水である。無機物の塗料バインダは好ましくはケイ酸カリウムである。
【００１１】
本発明の重要な特徴は、無機物の塗料バインダが顔料と共に粉砕されないことである。“１ステップ”と呼ばれる従来の方法では、塗料顔料と、塗料ビヒクルと、無機物の塗料バインダとは共に混合され共に粉砕される。“２ステップ”と呼ばれる本発明の方法では塗料顔料と塗料ビヒクルは共に粉砕され、この粉砕された混合物はその後、塗料顔料をさらに粉砕することなく塗料バインダ中に分散される。１ステッププロセスにおける無機物の塗料バインダと一緒の塗料顔料の粉砕は塗料の特性に悪影響を与え、この欠点は２ステッププロセスでは避けられることが発見されている。
【００１２】
したがって、塗料顔料が無機物の塗料バインダと接触するとき、混合および分散ステップは塗料顔料の粒子サイズを減少せずに行われることが好ましい。無機物の塗料バインダ、特にケイ酸カリウムの塗料バインダは機械粉砕中に塗料顔料の粒子表面を侵蝕し、最終的な塗料の電気的特性およびその他の特性に悪影響を与えることが決定されている。このような影響を防止するために、塗料顔料の粒子サイズの減少は塗料顔料が無機物の塗料バインダにより接触されない状態である混合および粉砕ステップ中に行われる。
【００１３】
本発明の方法は塗料バインダが存在する場合に塗料顔料の粉砕を避けることにより最終的な塗料の特性の大きな改良を実現する。本発明のその他の特徴および利点は例示により本発明の原理を示している添付図面を伴った好ましい実施形態の以下の詳細な説明から明白であろう。しかしながら、本発明の技術的範囲はこの好ましい実施形態に限定されるものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は本発明にしたがって処理された塗装層20を示している。塗装層20は塗料バインダ24と混合された顔料粒子22を有する。乾燥前には、塗料ビヒクルも存在するが、塗料ビヒクルは乾燥動作中に蒸発される。塗装層の処理について以下詳細に説明する。
【００１５】
図２は基板26に施された塗装層20を示している。塗料は熱制御用に使用され電荷の放散を行うために塗料に導電性を必要とする。最も好ましくは、図３で示されている衛星30等の宇宙船上の被覆として使用される。使用中は静止軌道に位置する通信衛星として示されている宇宙船30は本体32を具備し、その本体32は本体32または本体32から外方向に突出している翼36、またはその両者に取付けられている太陽パネル34を有する。本体32と翼36は金属、非金属または複合材料から作られ、下に位置する骨格構造により支持されているスキン38を有する。太陽パネルではない本体32および／または翼36のスキン38の少なくとも幾つかのそれらの外方向に面する部分は、前述したように最初は液体の形態でその後固体形態に乾燥された塗料の層20によって被覆されている。（ここで使用するとき“液体”塗料は固体の顔料粒子を含んでいるスラリー形状の流体の塗料である。）それによって宇宙船のスキンは塗装層20が施される基板26として機能している。塗装層20は被覆された部分で受動的な熱制御および静電荷放散を行う。塗料は１５年以上の長期の任務飛行に使用するのに十分な耐性であり、その特性で安定である。
【００１６】
図４は粒子22を処理し、塗装層20で使用される塗料材料を処理し、基板を塗装する好ましい方法を示している。
【００１７】
導電性の塗料顔料はブロック39で与えられる。顔料または粒子22を処理するために、ブロック40でコンポーネントが与えられ、共に混合される。塗料顔料の処理の詳細を最も好ましい顔料、即ちＭ２材料について説明する。一般的な形態では、Ｍ２顔料粒子はＡ［ｘＡｌ（１−ｘ）Ｇａ］₂ Ｏ₄ （Ｄ）の組成を有する。Ａは亜鉛（好ましい）、カドミウムまたはマグネシウムであり、Ｄは＋２よりも大きいイオン原子価を有する陽イオンドープ剤または陰イオンドープ剤であり、ｘの値は０から１であり、その値は０から約０．２である（即ち２０原子百分率）。ドープ剤Ｄは存在する場合、好ましいのはインジウムであり、インジウム酸化物として供給される。粒子の組成はこの配合から選択され、この範囲内の任意の組成でよい。これらの組成は米国特許第5,802,669 号および第6,099,637 号明細書にさらに詳しく記載されている。
【００１８】
好ましい配合手順では、容易に入手可能なコンポーネントＺｎＯ、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、Ｇａ₂ Ｏ₃ 、およびＩｎ₂ Ｏ₃ が出発材料として使用される。すなわち、ＺｎＡｌ₂ Ｏ₄ を処理するために、適切な量のＺｎＯとＡｌ₂ Ｏ₃ が共に混合される。ＺｎＧａ₂ Ｏ₄ を処理するために、適切な量のＺｎＯとＧａ₂ Ｏ₃ が共に混合される。Ｚｎ［ｘＡｌ（１−ｘ）Ｇａ］₂ Ｏ₄ を処理するために、適切な量のＺｎＯと、Ａｌ₂ Ｏ₃ と、Ｇａ₂ Ｏ₃ とが共に混合される。任意のこれらの組成がインジウムでドープされる場合には、適切な量のＩｎ₂ Ｏ₃ が混合物に付加される。後に除去される混合媒体がコンポーネントの混合を促進するために付加されてもよい。混合媒体としては水が使用されることが好ましい。
【００１９】
コンポーネントと混合媒体はブロック42で機械的な混合物を形成するために共に粉砕される。粉砕の完了後、混合媒体はブロック44で蒸発により除去される。
【００２０】
乾燥された混合物はブロック46でコンポーネントを共に化学反応させるために好ましくは約１０００℃から約１３００℃の範囲の温度で加熱される。好ましい加熱処理は空気中における６時間、１１７０℃の加熱である。混合物はその後、例えば１０００℃の僅かに低い温度で数時間加熱して焼鈍されてもよい。随意的な焼鈍は正常な逆スピネル不規則化の程度に影響する。
【００２１】
冷却後、加熱／焼鈍によって得られた凝集した塊はブロック48で乳鉢と乳棒で軽く粉末化される。結果的な粒子は約０．１ミリメートルから約５ミリメートルの範囲の寸法を有する。粒子顔料の処理が完了する。
【００２２】
塗料を処理するために、ブロック49で、塗料ビヒクルはブロック52で顔料粒子と共に溶液またはスラリーを形成するために与えられる。１つの好ましい塗料ビヒクルは水であり、これは後に蒸発されるとき環境的に悪影響を与えない。塗料ビヒクルの量は所望の方法により塗料の適用を許容する調和性を与えるように選択される。例えばスプレーによる応用はブラシまたはローラによる応用よりも多くの塗料ビヒクルの使用を必要とする。
【００２３】
顔料粒子と塗料ビヒクルは顔料混合物を形成するためブロック54で共に混合される。混合では、コンポーネントは混合物を形成するために機械的に結合され、ブレンドされ、分散される。粉砕工程では、顔料粒子は小さい粒子と新しい表面区域を生成するために粉砕される。塗料バインダは最終的な塗料の導電特性に悪影響するように顔料粒子の新しく生成された表面と化学的および物理的に反応することができるので、ステップ54で粉砕された塗料粒子と塗料ビヒクルの混合物に塗料バインダが実質上存在しないことが重要である。顔料粒子と塗料ビヒクルの混合および粉砕は固体粒子の粉砕と、塊の破壊と、凝集物の破壊により中間的な粒子の寸法に減少させる。混合および粉砕は平均的な粒子寸法が約１２マイクロメートルに満たないかまたはヘグマンの粉砕スケールで少なくとも７のヘグマングラインドになるまで典型的に約１から約８時間、継続される。スラリーの粉砕は粒子を所望の寸法へ減少させ、これは液体がない場合には困難であり、また粒子へ塗料ビヒクルを濡らす。
【００２４】
粒子を共に最終的なプロダクトで粘着するために、無機物の塗料バインダがブロック50で与えられる。塗料バインダは許容可能な物理的特性により、粒子は相互に対しておよび下に位置する基板に対しての粒子の良好な接着性を与えるように選択される。塗料バインダは宇宙環境等のような、塗料が露出される環境に耐えられなければならない。宇宙応用の好ましい無機物塗料バインダはケイ酸カリウム（ケイ酸のカリウム塩）であるが、ケイ酸ナトリウムおよび、ケイ酸カリウムとケイ酸ナトリウムの混合物等の他の無機物の塗料バインダも同様に使用されてもよい。塗料バインダは動作可能な量で存在する。典型的なケースでは、塗料バインダは重量で全粒子と塗料バインダの比率が約５；１以下である量で存在する。この比が約５：１よりも大きいならば、臨界的な顔料の容積濃度（ＣＰＶＣ）は超過され、塗料は不十分な機械的な強度を有し、乾燥時に塗料はバラバラになる。好ましくは粒子と塗料バインダの重量比は約３：１から約５：１である。
【００２５】
顔料粒子と塗料ビヒクルがステップ54で共に混合され粉砕された後、ブロック55で塗料バインダは顔料粒子と塗料ビヒクルの混合され粉砕された混合物に付加される。新しく形成された混合物は顔料粒子を塗料バインダと塗料ビヒクル全体に分散するためにさらに混合される。幾らかの少量の偶発的な粉砕は許容されるが、ステップ55では実質上、顔料粒子の寸法を減少し新しい表面区域を生成する顔料粒子の粉砕は存在しない。混合および分散は典型的に約１０から約２０分の期間中存在する混合材料との混合を必要とする。
【００２６】
液体の導電性塗料の処理は完了された。
【００２７】
液体塗料はブロック57で与えられる。被覆される基板26はブロック56で与えられ、ブロック58で清浄にされる。基板のタイプについての限定は知られていない。基板の表面は洗剤容積での洗浄および洗濯、生水での濯ぎ、脱イオン水での濯ぎ、空気中での乾燥のような好ましい連続的なステップ等の、任意の動作可能な技術により清浄にされる。
【００２８】
塗料はブロック60で基板表面に施される。適用の最初において、基板の表面は塗料の接着性を改良するために下塗りされる。下塗りは無機物の塗料バインダを含んでいる塗料をアルミニウム等の金属表面に適用するのに好ましい。好ましくは下塗りはそれが使用されるならば、表面との良好な接触を実現するために少量の液体塗料を綺麗な布を使用して表面を擦り付けることにより行われる。
【００２９】
塗装層はその後、スプレーであることが好ましい任意の動作可能な技術により施される。先に示したように、塗料中に存在する塗料ビヒクルの量は好ましい方法による適用を許容するように選択される。この時点で、塗料は液体材料の薄膜である。
【００３０】
塗料はまたプラズマスプレー技術等により適用されてもよく、ここで顔料および塗料バインダの混合物はプラズマ等の加熱された領域へ与えられ、基板に向けて誘導される。顔料および塗料バインダのプラズマ加熱された混合物は基板に衝突し、そこで凝固する。
【００３１】
塗料はブロック62で固体の材料の薄膜を残すために必要な乾燥をされる。乾燥は好ましくは１４日間、周囲温度で５０％以上の湿度で行われる。乾燥は蒸発により塗料ビヒクルを除去する。さらに硬化可能な無機物の塗料バインダが使用される場合には、乾燥ステップは任意の硬化可能なコンポーネントの硬化度を実現する。塗装層は好ましくは約０．００３から約０．００６インチの厚さである。
【００３２】
本発明の実施例を説明する。約１／２パイントの液体塗料を処理準備するために、約１．８５重量％のインジウム酸化物（ロット９０１４）でドープされた前述の２５０グラムのＭ２塗料顔料と１４３．６グラムの脱イオン水は約０．３ガロンの容量のセラミックジャーミル中に位置されて、手作業で混合された。直径１／２インチの大きさの円筒形のセラミックミルの３３容量％の充填がジャーミルに付加され、蓋が閉じられた。混合物は約７．５−８のヘグマン粉砕まで約１１５分間粉砕されて、ブロック54が完了する。その後、全体で７５．８グラムのＫａｓｉｌ（商標名）２１３５のケイ酸カリウムの塗料バインダ溶液がジャーミルに付加され、混合物は実質的な粉砕なしに２０分間混合されて、ステップ55を完了する。
【００３３】
従来の１ステップ処理技術と本発明の２ステップ処理技術により処理される塗料について直接的な比較を行う。１ステップ処理技術では、Ｍ２顔料粒子、塗料ビヒクル、無機物の塗料バインダは共に粉砕され、それによって顔料粒子と無機物の塗料バインダとは粉砕中に接触した。図４で示されているような２ステップ処理技術では、同じＭ２顔料粒子と塗料ビヒクルは共に粉砕され、その後、この粉砕された混合物は塗料バインダと結合され、分散を実現するために混合されるが塗料顔料の粉砕量を実質的に付加しない。即ち、２ステップ処理技術では、塗料バインダは顔料が粉砕されたときに顔料と接触しない。塗料はそれぞれ１ステップ処理技術と２ステップ処理技術を使用する点を除いて前の段落で説明したような材料および量で準備された。
【００３４】
塗料は比較のために噴霧適性ついて評価された。噴霧適性は塗料のチキソトロピー特性に関連し、チキソトロピーの減少は良好な流動特性と改良された噴霧適性を示している。塗料がスプレーされ、スプレー性能は５段階のスケール１−５で評価され、１の格付けは最良の性能であり、５の格付けは最低の性能である。１ステッププロセスにより処理されたロット９０１４の塗料は実質的に程度の可変性を有するが、幾つかの試験では平均２．５であり、２ステッププロセスにより処理された塗料は一貫して１に格付けされた。２ステップ方法により処理された塗料は非常にスムースであり、塗装層の厚さは１ステッププロセスで処理された塗料よりも制御が容易である。２ステッププロセスにより処理された塗料は１ステッププロセスで処理された塗料よりも均一で基板に対して良好な接着性を有する。２ステッププロセスで処理された塗料はしたがって１ステッププロセスで処理された塗料よりも市場の応用実施で優れている。
【００３５】
１ステッププロセスで処理された塗料は塗料顔料の化学組成の小さい変化の関数として噴霧適性に対して評価された。同一の公称組成の塗料の幾つかのバッチは１ステッププロセスにより処理され、その同一の公称組成の塗料の幾つかのその他のバッチは２ステッププロセスにより処理された。塗料の種々のロットは全て同一の公称組成で処理されたが、公称上の研究所の実施結果として０．１−１．０％程度の組成変化の僅かな差が存在した。１ステッププロセスにより処理された塗料では、塗料の噴霧適性は１−５の全ての範囲にわたりバッチにより異なっていた。２ステッププロセスにより処理された塗料では、塗料の噴霧適性は格付け１で実質上どのバッチも同一であった。この結果は市場での塗料の利用にとって重要である。２ステッププロセスにより処理された塗料は塗料顔料の組成の小さい変化に敏感ではない。スプレー動作の製造は最適化され、塗料の種々のバッチで変化されない。
【００３６】
ロット９０１４のＭ２塗料顔料の光学的性能は２ステッププロセスと１ステッププロセスにより処理された塗料に対して評価された。乾燥した厚さ０．０３８インチの１ステッププロセスの塗装層は０．０９１の太陽光吸光度であった。乾燥した厚さ０．０３５インチの２ステッププロセスの塗装層は０．０８６の太陽光吸光度であった。
【００３７】
１ステッププロセスと２ステッププロセスにより処理されたＭ２顔料ベースの塗料のＥＳＤ電気性能が静止衛星の地球軌道の最悪に近いケースである放射嵐環境をシミュレートした状態で比較された。電気的性能の測定として、標本が９５および９９百分位数の放射嵐環境を受けている状態で塗料の表面電圧が測定された。（即ち９９百分位数では９９％の放射嵐環境は過酷さが少ない）。２ステッププロセスにより処理された塗料について測定された表面電圧は、両者の放射嵐環境において、１ステッププロセスにより処理された塗料で測定された表面電圧の１／３−１／４であることが測定され顔料を処理するための２ステッププロセスの使用から劇的な改良が得られた。
【００３８】
本発明の特別な実施形態を例示の目的で詳細に説明したが、種々の変形および強化が本発明の技術的範囲を逸脱せずに行われることができる。したがって本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】塗装層の側面図。
【図２】基板に施されたときの図１の塗装層の側面図。
【図３】塗装層が施されている宇宙船の斜視図。
【図４】本発明にしたがった白色塗料の処理および基板の塗装方法のブロックフロー図。

Claims (12)

1. 塗料を処理する方法において、
   導電性の塗料顔料（22）を準備し、
   塗料ビヒクルを準備し、
   顔料混合物を形成するために塗料顔料（22）と塗料ビヒクルを混合し粉砕するステップにより顔料混合物を処理し、その後、
   無機物塗料バインダを準備し、
   塗料バインダと接触する顔料混合物を実質上粉砕せずに顔料混合物を塗料バインダ中に混合し、分散させることにより液体塗料を処理するステップを含んでいる塗料処理方法。
2. 導電性の塗料顔料（22）を準備するステップは、
   Ａ［ｘＡｌ（１−ｘ）Ｇａ］₂ Ｏ₄ （Ｄ）の組成を有する顔料粒子（22）を準備するステップを含んでおり、上記組成中でＡは亜鉛、カドミウム、マグネシウムからなるグループから選択され、Ｄは＋２よりも大きいイオン原子価を有する陽イオンドープ剤と陰イオンドープ剤からなるグループから選択されたドープ剤であり、ｘの値は０から１であり、その値は０から約０．２である請求項１記載の方法。
3. 塗料ビヒクルは水である請求項１記載の方法。
4. 塗料バインダはケイ酸カリウムを含んでいる請求項１記載の方法。
5. 液体塗料を表面に施し、
   固体塗料（20）を形成するために液体の塗料を乾燥させる付加的なステップを含んでいる請求項１記載の方法。
6. 表面は宇宙船（30）の一部分である請求項５記載の方法。
7. 混合および分散ステップ中に塗料顔料（22）の粒子サイズの減少は実質上生じさせない請求項１記載の方法。
8. 塗料を処理する方法において、
   導電性の塗料顔料（22）を準備し、
   水を含む塗料ビヒクルを準備し、
   塗料顔料（22）の粒子サイズを減少させ、顔料混合物を形成するため塗料顔料（22）と塗料ビヒクルを混合し粉砕するステップにより顔料混合物を処理し、その後、
   無機物塗料バインダを準備し、
   塗料顔料（22）の粒子サイズを実質上減少せずに顔料混合物を塗料バインダと混合し分散するステップにより液体塗料を準備するステップを含んでいる塗料処理方法。
9. 導電性の塗料顔料（22）を準備するステップは、
   Ａ［ｘＡｌ（１−ｘ）Ｇａ］₂ Ｏ₄ （Ｄ）の組成を有する顔料粒子を準備するステップを含んでおり、上記組成においてＡは亜鉛、カドミウム、マグネシウムからなるグループから選択され、Ｄは＋２よりも大きいイオン原子価を有する陽イオンドープ剤と陰イオンドープ剤からなるグループから選択されたドープ剤であり、ｘの値は０から１であり、その値は０から約０．２である請求項８記載の方法。
10. 塗料バインダはケイ酸カリウムを含んでいる請求項８記載の方法。
11. 液体の塗料を表面に施し、
    固体塗料（20）を形成するために液体塗料を乾燥させる付加的なステップを含んでいる請求項８記載の方法。
12. 表面は宇宙船（30）の一部分である請求項１１記載の方法。

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