JP2007098358A - マイクロ波加熱乾燥方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ピンホール発生を十分に抑制して塗膜品質を向上し、塗膜の平滑性を極めて良好にでき、大幅に工程時間を短縮でき、マイクロ波加熱の工程だけで塗膜乾燥を完了できるマイクロ波加熱乾燥方法を提供する。
【解決手段】マイクロ波加熱乾燥方法は、被塗物１７に塗料を塗布した後、被塗物の表面上の塗膜３１にマイクロ波を照射して当該塗膜を乾燥する方法であり、被塗物と塗膜を室温で放置するセッティング工程４１と、マイクロ波３２を塗膜に照射し、塗膜の塗膜粘度を低下させかつその後に塗膜粘度が上昇し始める前まで被塗物と前記塗膜を加熱し昇温させる昇温工程４２と、マイクロ波の塗膜への照射を継続し、塗膜の塗膜粘度をさらに上昇させて塗膜を硬化させる硬化工程４３とを有する方法である。
【選択図】図３

Description

本発明はマイクロ波加熱乾燥方法に関し、特に、自動車の車体塗装等で塗装の焼付乾燥に利用されるマイクロ波加熱乾燥方法に関する。

自動車の車体塗装では、従来、一般的には、熱風を利用した焼付方式が知られている。熱風焼付乾燥方法では、熱風を塗膜に吹き付けて乾燥を行う。熱風焼付乾燥方法によれば、熱風の循環量が増えると熱効率が上昇し、塗膜への熱供給量が増えるため、塗膜内での温度分布が良好になる。また熱風の循環量と熱風温度の上昇とに基づき、乾燥と塗膜焼付速度が速くなる。熱風焼付乾燥方法を現象的に分子構造レベルで見てみると、一定時間熱を加えることにより分子間振動を発生させ、分子間架橋反応を促す。ここで「分子間架橋反応」とは、橋をかけるごとく分子同士が結びついて硬化する反応の意味である。

また最近では、マイクロ波の加熱作用を利用して塗膜を乾燥させる方法が提案されている（特許文献１）。
特開２００４−３４４８６０号公報

従来の熱風焼付乾燥方法によれば、上記の分子間架橋の部位がほぐれにくいため、衝突確立が抑制され、架橋点ロスが発生するという問題を有する。また、熱風焼付乾燥方法で塗膜を加熱するとき、熱風を塗膜の表面側に吹き付けることにより塗膜を加熱させる。しかし、加熱時間を短縮する目的で熱風温度を急速に上げると、塗装材料が適正温度を超えてしまい、塗膜の表面に「ピンホール」という呼ばれる微少な穴が発生し、塗膜品質が低下する。

熱風焼付乾燥方法は、セッティング工程、昇温工程、硬化工程によって成り立っている。車体を急激に熱風で加熱すると、ピンホール発生が増加するので、セッティング工程が設けられる。このセッティング工程は或る程度の溶媒を塗膜内部から飛ばすための工程である。また昇温工程は熱風を吹き付けて塗膜の塗膜粘度を低下させる工程である。硬化工程は塗膜粘度が低下した塗膜を再び上昇させる工程である。熱風焼付乾燥方法では、セッティング工程と昇温工程に要する時間が長くなり、かつ塗膜粘度も十分に低い値に低下しないという問題を有している。

上記のマイクロ波を利用した乾燥方法は、熱風焼付乾燥方法の上記の問題点を解消することができる。しかしながら、特許文献１に記載されたマイクロ波加熱乾燥方法によれば、マイクロ波加熱は予備的な加熱として利用されており、これだけで乾燥を完了することができないものである。十分に塗膜を加熱乾燥するためには、マイクロ波加熱に加えて他の加熱方式との組み合わせが必要となる。さらに加熱設備の全体は大掛かりなものとなり、大幅に軽少化することは困難であった。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、ピンホールの発生を十分に抑制して塗膜の品質を向上し、完成した塗膜の平滑性を極めて良好にでき、大幅に工程時間を短縮することができ、マイクロ波加熱の工程だけで塗膜乾燥を完了することができ、温度制御性を高めて塗膜品質をさらに向上することができ、加熱乾燥設備を簡素な構造でかつ低コストで作ることができるマイクロ波加熱乾燥方法を提供することにある。

本発明に係るマイクロ波加熱乾燥方法は、上記目的を達成するため、次のように構成される。

第１のマイクロ波加熱乾燥方法（請求項１に対応）は、被塗物に塗料を塗布した後、被塗物の表面上の塗膜にマイクロ波を照射して当該塗膜を乾燥する方法であり、被塗物と塗膜を室温で放置するセッティング工程と、マイクロ波を塗膜に照射し、塗膜の塗膜粘度を低下させかつその後に塗膜粘度が上昇し始める前まで被塗物と前記塗膜を加熱し昇温させる昇温工程と、マイクロ波の塗膜への照射を継続し、塗膜の塗膜粘度をさらに上昇させて塗膜を硬化させる硬化工程とを有する方法である。

上記のマイクロ波加熱乾燥方法では、セッティング工程と昇温工程と硬化工程の３つの工程で成立させ、マイクロ波加熱のみで乾燥工程を実行できるように構成される。マイクロ波の塗膜加熱によれば、塗膜の表面からの加熱ではなく、塗膜の外側部分と内側部分の全体を直接的に均一に加熱でき、さらに車体等の被塗物も伝熱作用ではなくマイクロ波で直接的に加熱することができる。塗膜の塗膜粘度の低下も十分に達成され、かつ短時間で望ましい塗膜粘度の低下を実現することが可能となる。

第２のマイクロ波加熱乾燥方法（請求項２に対応）は、上記の第１の方法において、好ましくは、マイクロ波を塗膜に照射するとき、マイクロ波照射出力を一定としかつマイクロ波照射時間を変化させることを特徴とする。この構成によって、マイクロ波による塗膜の加熱の制御性を高めることができ、効率よく、短時間で塗膜の昇温工程等を実行することが可能となり、さらに被塗物の昇温時間（粘度低下時間）を最適に調整することが可能となる。

第３のマイクロ波加熱乾燥方法（請求項３に対応）は、上記の方法において、好ましくは、昇温工程で、塗膜の塗膜粘度を低下させ、一定の低い塗膜粘度の状態で所定時間保持し、その後に塗膜粘度を上昇させるようにしたことを特徴とする。

上記の各マイクロ波加熱乾燥方法では、セッティング工程の条件と昇温工程の条件は、塗膜内のピンホール発生が抑制され、かつ塗膜が平滑化されるように設定される。

本発明に係るマイクロ波加熱乾燥方法によれば次の効果を奏する。
第１に、車体等の塗装における塗膜を乾燥するマイクロ波加熱乾燥方法をセッティング工程と昇温工程と硬化工程の３つの工程で構成し、マイクロ波加熱だけで乾燥を完了することができ、かつ工程時間を大幅に短縮することができる。また加熱のためのエネルギ損失を防止する工夫が不要であり、加熱乾燥設備の軽少化を実現することができる。
第２に、マイクロ波加熱乾燥方法によれば塗膜の全体が一様に加熱されるため、ピンホールが十分に抑制され、かつ、この抑制効果に基づきセッティング工程と昇温工程の各時間を熱風焼付乾燥方法に比較して短縮でき、大幅に全体工程の時間を短縮できる。マイクロ波によって塗膜と被塗物はそれぞれ直接的に加熱され、さらに塗膜の方が被塗物（金属素材）よりも早く昇温するので、塗膜硬化反応は被塗物の温度上昇の影響を受けず、ピンホール抑制効果が高まり、塗膜品質が向上する。
第３に、マイクロ波加熱乾燥方法によれば、電磁波共鳴による直接的分子間運動が励起されるため、架橋部位がよくほぐれ、衝突確率が向上し、架橋点ロスが減少する。そのため硬化反応が効率よく進み、反応開始から反応完了までの硬化時間が短縮化される。
第４に、マイクロ波照射時間の制御性を高めたため、塗膜の昇温時間（塗膜粘度低下時間）を制御でき、塗膜の表面の平滑性を向上することができる。
第５に、昇温工程で塗膜の粘度を十分に低下させかつ塗膜の粘度低下状態を一定時間保持することにより、塗膜の表面の平滑性をさらに向上することができる。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

図１に、本発明に係るマイクロ波加熱乾燥方法を実施するための装置の構成を示す。マイクロ波加熱乾燥装置１０はボックス状の容器１１を備える。容器１１の前面には被塗物出し入れ口１２と開閉蓋１３を備えている。容器１１の内部には加熱炉１４が設けられる。加熱炉１４の中には、床部に回転トレイ１５が設置されている。回転トレイ１５は床部の内部に設けられた回転駆動機構１５Ａによって任意の方向に回転自在である。回転トレイ１５の上には板状の電磁波吸収体１６が配置され、さらに当該電磁波吸収体１６の上にテストピースである被塗物１７が配置されている。被塗物１７の表面には、既に塗料が塗布された状態にある。

マイクロ波加熱乾燥装置１０の容器１１の天井部には導波管２１が設けられている。導波管２１の先端の開口部２１ａは、容器１１の天井部のほぼ中央に位置している。導波管２１の基部は、例えば２つの発振管（マグネトロン、クライストロン、またはジャイラトロン等）２２のアンテナ２３と接続されている。発振管２２に対しては電源部２４が設けられ、さらに電源部２４の電力供給動作を制御する制御部２５が設けられている。制御部２５で電源部２４の動作を制御することにより、発振管２２から導波管２１を経由して被塗物１７に照射されるマイクロ波の供給・導入の状態を制御する。被塗物１７へのマイクロ波照射の制御は、制御部２５で用意されたプログラムによって実行される。

発振管２２がそのアンテナ２３を介して出力するマイクロ波の周波数は、例えば２．４５ＧＨｚ、２８ＧＨｚ等であり、好ましくは２８ＧＨｚである。ただしマイクロ波の周波数帯域は、一般的に３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚであり、上記の周波数に限定されるものではない。

上記の電磁波吸収体１６は、マイクロ波が被塗物１７に照射されたときに、当該被塗物１７でアークが発生するのを抑制する作用を有している。また周波数が２８ＧＨｚのマイクロ波は、通常、大気圧の条件でアークが発生しにくいと知られているので、その点で好都合である。さらに、誘電体損失による発熱量は周波数に比例して大きくなるので、２８ＧＨｚのマイクロ波の方が乾燥時間を短縮できる観点でも好ましい。

図２を参照してマイクロ波加熱乾燥のメカニズムを説明する。図２では、被塗物１７の表面部分の一部１７ａと、当該一部の表面部分１７ａに塗布された塗料による塗膜３１を示している。ここで被塗物１７は、金属素材で作られているものとする。さらに塗膜３１の外側表面に当る矢印３２は、塗膜３１に対して照射されるマイクロ波の状態を示している。マイクロ波３２が塗膜３１に照射されると、塗膜３１の内部では内側および外側に関係なく一様に均一な誘電体損失による発熱が生じる。図２で塗膜３１内の複数の符号３３で示された部分は、誘電体損失による発熱状態の一例を示している。またマイクロ波３１が照射されることにより、金属素材で作られた被塗物１７の表面部分１７ａ内にも電磁誘導による発熱が生じる。電磁誘導による発熱は、うず電流損失とヒステリシス損失に基づいている。図２で表面部分１７ａ内の複数の符号３４で示された部分は電磁誘導による発熱状態の一例を示している。塗膜３１における発熱と被塗物１７の表面部分１７ａの発熱では、塗膜３１の方がより高い温度に発熱するので、矢印３５に示すごとく、塗膜３１の側から被塗物１７の表面部分１７ａの側に向って熱伝導の流れが生じる。

次に、図３を参照して本発明のマイクロ波加熱乾燥方法の第１実施形態を説明する。図３では、座標系においてグラフが示され、座標系の横軸は時間を示し、座標系の縦軸では温度（下側）の軸と塗膜粘度η（上側）の軸とがそれぞれ示されている。さらに、横軸の時間軸に沿って３つの工程、すなわちセッティング工程４１と昇温工程４２と硬化工程４３が分割して示されている。セッティング工程４１は時間間隔ｔ１〜ｔ２であり、昇温工程４２は時間間隔ｔ２〜ｔ３であり、硬化工程４３は時間間隔ｔ３〜ｔ４である。ここでｔ１〜ｔ４についてはｔ１＜ｔ２＜ｔ３＜ｔ４の大小関係がある。

図３の座標系では、本実施形態に係るマイクロ波加熱乾燥方法に基づく塗膜３１の温度変化を表すグラフ５１と、塗膜３１の塗膜粘度（η）の変化を表すグラフ５２が示されている。マイクロ波加熱乾燥方法についてのグラフ５１，５２に関して、本発明の第１実施形態に係るマイクロ波を利用して塗膜３１を急速に加熱する工程５０が示される。急速加熱（急昇温）の工程５０では、上記のセッティング工程４１と昇温工程４２と硬化工程４３が示され、併せて塗膜３１内でピンホールの発生が抑制される区間５３と塗膜３１が硬化反応する区間５４が示されている。ピンホール抑制区間５３はセッティング工程４１と昇温工程４２の両方に対応して、硬化反応区間５４は硬化工程４３に対応している。

図３の座標系では、前述のグラフ５１，５２のそれぞれに対比させる目的で、同じ乾燥条件に従って、従来の熱風焼付乾燥方法に基づく塗膜の温度変化を表すグラフ６１と、塗膜３１の塗膜粘度（η）の変化を表すグラフ６２が示されている。熱風焼付乾燥方法についてのグラフ６１，６２に関して、熱風焼付乾燥方法に係る加熱工程６０が示される。熱風焼付乾燥方法に係る加熱工程６０では、上記の工程５０と同様に、セッティング工程６３と昇温工程６４と硬化工程６５が示され、併せて、塗膜内でピンホールの発生が抑制される区間６６と塗膜が硬化反応する区間６７が示されている。ここで、この場合のセッティング工程６３は時間間隔ｔ０〜ｔ２であり、昇温工程６４は時間間隔ｔ２〜ｔ４であり、硬化工程６５はｔ４から始まる所要の時間間隔である。なおｔ０，ｔ１についてはｔ０＜ｔ１の大小関係がある。ピンホール抑制区間６６はセッティング工程６３と昇温工程６４の両方に対応して、硬化反応区間６７は硬化工程６５に対応している。

次に本実施形態に係るマイクロ波加熱乾燥方法に係る加熱（昇温）の仕方を説明する。被塗物１７に塗布された塗料の塗膜３１は、塗布後、必要な一定時間の間、常温で放置される。このとき「常温」はいわゆる室温であって、通常２５±５℃の温度範囲に含まれる温度であり、好ましくは２５±２℃の温度範囲に含まれる温度である。本実施形態に係るマイクロ波加熱乾燥方法におけるセッティング工程４１は、塗膜３１を所定期間（ｔ１〜ｔ２）の間放置する工程である。セッティング工程４１は、急速加熱の場合には例えば約１分であり、標準加熱の場合には例えば約７分である。

時刻ｔ２になると、導波管２１を経由してマイクロ波が導入され、被塗物１７の塗膜３１に照射され、昇温工程４２に入る。マイクロ波の塗膜３１への照射は比較的に急速に行われ、その結果、グラフ５１に示されるごとく塗膜３１の温度は比較的に急速に立ち上がって上昇する。時間間隔ｔ２〜ｔ３の昇温工程４２で塗膜３１の温度は室温から１２０℃程度まで上昇する。昇温工程４２において、塗膜３１の塗膜粘度ηは、グラフ５２に示されるように、或る任意の高い値の塗膜粘度値ａ１からマイクロ波による加熱で低下し、時刻ｔ３で最低の塗膜粘度値ａ２になる。換言すれば、昇温工程４２の時間間隔は、その最終時点で塗膜粘度が最低値となるように設定される。このマイクロ波が照射されてグラフ５１に示すごとく塗膜３１の温度が上昇すると、被塗物１７の表面に塗布された塗膜３１は急速に溶融して所要の塗膜粘度を有する液状になる。このとき、マイクロ波による加熱および温度上昇であるため、塗膜３１はその全体が一様に加熱され、全体が同時に溶融する。従って、表面から溶融しかつ硬化されるわけではないので、短時間のセッティング工程および昇温工程であっても、ピンホールの発生が極めて抑制される。上記の昇温工程４２は、急速加熱の場合には例えば５分であり、標準加熱の場合には例えば９分である。

昇温工程４２から硬化工程４３に移行する。この間、マイクロ加熱乾燥装置１０でのマイクロ波の導入、および被塗物１７へのマイクロ波の照射は継続される。従って、グラフ５１に示すごとく、硬化工程４３においても塗膜３１の温度は上昇し続ける。硬化工程４３の最後の時点ｔ４に近くなると、最終的に塗膜３１の温度は１４０℃程度になり、ほぼ一定の温度状態になる。硬化工程４３に入る時点ｔ３で塗膜３１の塗膜粘度は最定値から上昇し始め、硬化工程４３の間に塗膜粘度は次第に上昇する。こうして硬化工程４３によって塗膜３１は十分に硬化し、被塗物１７の塗装が完了する。塗膜３１は、十分に低い塗膜粘度ａ２から再び硬化して所要の硬度の塗膜粘度を得るので、塗膜３１の平滑性は良好なものになる。硬化工程４３は、急速加熱の場合、標準加熱の場合のいずれも例えば２０分である。

上記の本実施形態に係るマイクロ波加熱乾燥方法に対して、熱風焼付乾燥方法６０の場合には、グラフ６１，６２で明らかなように、セッティング工程６３、昇温工程６４、硬化工程６５のそれぞれの時間間隔が相対的に長く、効率が悪いものであった。またグラフ６２で明らかなように、昇温工程６４が時間的に長いにも拘らず、塗膜粘度の最低値ａ３は十分に低下せず、ピンホールを発生しやすい状態が保持される。

本実施形態に係るマイクロ波加熱乾燥方法による塗装粘度の変化グラフ５２と、従来の熱風焼付乾燥方法による塗装粘度の変化グラフ６２とを比較すると、本実施形態の場合には矢印７１で示されるように塗膜粘度が低減し、さらに矢印７２に示されるごとく昇温工程の時間間隔を短縮することができる。

次に、図４を参照して、本発明のマイクロ波加熱乾燥方法の第２実施形態を説明する。図４では、図３と同様な座標系において、温度上昇の変化グラフと塗膜３１の塗膜粘度ηの変化グラフが示されている。図４において、図３で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

第２実施形態に係るマイクロ波加熱乾燥方法で特徴的な点は、昇温工程４２においてマイクロ波の照射出力について、その出力強度を固定して一定値に保ち、照射時間を適宜に変化（可変制御）させるようにした点である。従って、図４に示した塗膜３１の温度上昇の変化グラフ８１において、昇温工程４２での変化特性８１ａは変則的な変化を生じさせている。上記のマイクロ波の照射時間の可変制御は、塗膜３１の塗膜粘度ηの変化グラフ８２において、塗膜粘度の最低値になったとき、当該最低値が所要の時間の間保持されるために行われる。このように、塗膜３１の塗膜粘度の最低値を所要時間の間保持することにより、硬化時における塗膜３１の平滑性をさらに高めることができ、塗装の品質を高めることができる。

図４に示すごとく、本実施形態に係るマイクロ波加熱乾燥方法（可変制御）の工程８３によれば、昇温工程４２の時間間隔は長くなるが、これに対応してピンホール抑制および平滑性の区間５３’を設定することができる。その他の構成、作用効果については前述した第１実施形態に係るマイクロ波加熱乾燥方法に実質的に同一である。

図４において、区間８４は、塗膜３１の塗膜粘度が低下し塗膜３１が溶融して被塗物１７の表面上を流れる領域（フロー領域）を示し、区間８５は、溶融した塗膜３１が流れる時間帯域を示している。溶融した塗膜が流れる時間は、第１実施形態の場合に比較して、延長される。

上記の実施形態の説明では、被塗物１７は金属素材の例を説明したが、被塗物１７の材質は金属に限定されず、樹脂素材等であってもかまわない。

以上の実施形態で説明された構成等については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

本発明に係るマイクロ波加熱乾燥方法は、自動車の車体塗装等における塗膜の乾燥に利用される。

本発明に係るマイクロ波加熱乾燥方法が実施される装置を示す構成図である。 本発明に係るマイクロ波加熱乾燥方法による加熱の原理を説明する図である。 本発明に係るマイクロ波加熱乾燥方法の第１実施形態を説明するための変化特性を示すグラフと工程図である。 本発明に係るマイクロ波加熱乾燥方法の第２実施形態を説明するための変化特性を示すグラフと工程図である。

符号の説明

１０ マイクロ波加熱乾燥装置
１１ 容器
１４ 加熱炉
１５ 回転トレイ
１６ 電磁波吸収体
１７ 被塗物
２１ 導波管
２２ 発振管
３１ 塗膜
３２ マイクロ波
４１ セッティング工程
４２ 昇温工程
４３ 硬化工程

Claims (3)

1. 被塗物に塗料を塗布した後、前記被塗物の表面上の塗膜にマイクロ波を照射して前記塗膜を乾燥する方法であり、
   前記被塗物と前記塗膜を室温で放置するセッティング工程と、
   前記マイクロ波を前記塗膜に照射し、前記塗膜の塗膜粘度を低下させかつその後に塗膜粘度が上昇し始める前まで前記被塗物と前記塗膜を加熱し昇温させる昇温工程と、
   前記マイクロ波の前記塗膜への照射を継続し、前記塗膜の塗膜粘度をさらに上昇させて前記塗膜を硬化させる硬化工程と、
   を有することを特徴とするマイクロ波加熱乾燥方法。
2. 前記マイクロ波を前記塗膜に照射するとき、マイクロ波照射出力を一定としかつマイクロ波照射時間を変化させることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波加熱乾燥方法。
3. 前記昇温工程で、前記塗膜の塗膜粘度を低下させ、一定の低い塗膜粘度の状態で所定時間保持し、その後に塗膜粘度を上昇させるようにしたことを特徴とする請求項１記載のマイクロ波加熱乾燥方法。

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