JP2010234348A - 二酸化炭素塗装方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低環境負荷型の二酸化炭素塗装方法及びその装置を提供する。
【解決手段】有機溶剤系の噴霧塗装において用いられる希釈溶剤（シンナー）を、二酸化炭素で一部又は全部を代替する二酸化炭素塗装において、塗料を貯蔵するタンク、該部塗料を所定の圧力まで加圧する塗料高圧ポンプ、余剰分を塗料タンクへ返送させる塗料１次圧調整弁、液体二酸化炭素を貯蔵するタンク、該液体二酸化炭素を所定温度まで冷却する冷却器、該液体二酸化炭素を所定の圧力まで加圧する液体二酸化炭素高圧のポンプ、余剰分を同ポンプのサクションに返送させる液体二酸化炭素１次圧調整弁、加圧された塗料と加圧された二酸化炭素とを混合する混合器、及び混合後の塗料／二酸化炭素加圧混合物を大気圧下の物塗装対象へ噴霧する噴霧ガン、を有する塗装装置、及びその塗装方法。
【効果】ＶＯＣ発生を大幅に低減し得る塗装方法及び装置を提供できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、二酸化炭素塗装方法及びその装置に関するものであり、更に詳しくは、従来の有機溶剤系塗料によるスプレー塗装において大量に使用される希釈溶剤（ＶＯＣ）を極少量の二酸化炭素に替えることにより、有機溶剤系塗装と同等の、塗膜均一性、平滑性、鮮映性などの塗装仕上げ品質を確保したまま、ＶＯＣ発生を大幅に低減し得る塗装方法及び装置に関するものである。本発明は、大気中へのＶＯＣ発生を大幅に低減することを可能とする低環境負荷型の新しい塗装技術を提供するものである。

ＶＯＣ発生は、地球温暖化に繋がる有害化学物質として、２０１０年には、自主規制を含め、３割の削減が求められている。塗装工業界は、塗料に用いる粘度低下剤として、大量に有機溶剤を使用しており、塗装産業は、日本におけるＶＯＣ発生量の約１５０万トンの中で、その６０％に近いＶＯＣ発生量を占める最大のＶＯＣ発生産業となっており、ＶＯＣ対策は、塗装工業における喫緊の課題となっている。

塗装工業技術においては、この希釈溶剤を使用するスプレー塗装が主流であり、ＶＯＣ削減のために、種々の対策が講じられている。具体的には、水性塗料への転換、有機溶剤を削減した塗料、すなわちハイソリッドなど、あるいは排気された有機溶媒の回収、分解処理などの技術開発があげられる。

しかしながら、これらの対策技術のうち、特に、水性塗料への転換は、水処理装置、空調設備などの付帯設備を必要とされ、また、水性塗料は、塗装対象物が金属材料の場合には適合するが、高い塗装仕上げ品質が要求されるプラスチィック部品などへの塗装については、対応できていない、というのが現状である。

従って、塗装工業界において、特に、中小企業にあっては、上述のＶＯＣ対策に対応することは、現状の技術では、大きな設備投資を必要とするなどの課題を抱えており、そのため、現在の有機溶剤塗装、あるいは水性塗装に代わり得る、新しい塗装技術の開発が強く求められていた。

一方、米国ユニオンカーバイト社から出願された特許（特許文献１）において、粘度低下剤（希釈剤）として、有機溶媒の代わりに、超臨界流体を利用する技術が提案されている。この技術では、塗料（ポリマーと、ポリマーを溶解して流動性を持たせる真溶剤）に、超臨界流体、特に、二酸化炭素を溶解させ、噴霧可能なレベルまで粘度を低下させることで、塗装が可能であることが示されている。

それ以降、同社から、１０数件の特許が出願されており、例えば、スプレー幅の制御方法（特許文献２）、塗料組成の限定（特許文献３）、噴霧状態の改良方法（特許文献４）、閉塞の回避方法（特許文献５）、及び塗料／ＣＯ_２混合物の密度制御方法（特許文献６）の５件が、特許として登録されている。

しかしながら、これらの特許においては、プロセスフローとしては、１つのフローしか示されておらず、実用化可能なプロセスフローの構築や、具体的な運転方法については、完成度が充分でないという問題点があった。すなわち、二酸化炭素を粘度低下剤としたスプレー塗装技術は、未だ、実用化可能な工業技術という観点からは、未確立といわざるを得ない状況であった。

上記特許において示されているプロセスフローを、図１に示す。本フローでは、塗料とＣＯ_２は、空気作動式のピストンポンプで加圧され、塗料は、粘度低下を目的に、加熱され、混合器へと送られる。ＣＯ_２は、加熱されず、液体状態のまま、混合器へ送られる。そのときの塗料とＣＯ_２の供給量は、両ポンプのピストンの動きを同時に制御する機構により、容積比一定で供給される。

混合器は、流体多段分割型のスタティックミキサであり、混合物は、加熱された後、フィルターを通過し、再度、スタティックミキサにより、混合され、必要に応じて、減圧されて、噴霧ガンへと送られる。噴霧ガンでは、圧力に応じて流量が決まり、噴霧される。余剰分は、循環ラインで加圧され、１番目のスタティックミキサ後のラインに戻される。

以上が、提案されている従来の二酸化炭素塗装の概略のプロセスフローであるが、本フローを実用化可能なものとするには、塗料／ＣＯ_２供給量が、噴霧量とバランスできないことが問題点として想定され、例えば、ポンプ吐出圧力が上昇する危険性を有している。この特許では、ポンプ吐出圧力が、一定圧力以上となると、ラインに設置したリリーフ弁から、塗料／ＣＯ_２とも、大気圧下へ開放される構成をとっているが、これらの大気中への開放は、操作的に好ましいものではなく、塗料／ＣＯ_２、特に、ＣＯ_２の場合、再利用ができず、経済的にも不利となる。

また、循環ラインが設けられているが、操作上、特に、必要ではない。更に、塗料、及び混合物の加熱に、電気加熱方式が用いられているが、その方式では、装置の運転開始時や、流量を変えたときなどに、温度を一定に制御することが困難であり、他の加熱方式の採用が望まれる。また、実際の塗装作業においては、塗装面を変えるとき、あるいは塗装対象物そのもの変えるときなどに、噴霧を瞬時的に、あるいは一定時間止めることも多々あり得る。

このような場合、提案されているプロセスフローでは、システム圧力の上昇などの問題点が想定され、現実的に操業可能なプロセスフローとするには、かなりの改良が必要とされる。更に、実際の塗装においては重要となる、塗装終了時のライン洗浄などが全く考慮されていない。このように、上述の一連の特許において示されている二酸化炭素塗装は、必ずしも実際の塗装技術として適用可能なレベルで構築された、実用化可能なプロセスフロー構成ではないことが明らかであり、当技術分野では、実用化可能なプロセスフローの構築が強く要請されていた。

特許第１９２７３２８号 特許第２０６１８４５号 特許第２６７０９０４号公報 特許第２７８５０９９号公報 特許第２７３９５４８号公報 特許第２８０７９２７号公報

このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、二酸化炭素塗装におけ
る上述の問題点を解決し、特に、実用化可能なプロセスフローの構築、及び安定な運転手法を確立することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、高圧マイクロ混合器の採用による新しいプロセスフローを構築すると共に、具体的な安定な運転方法を確立することに成功し、本発明を完成するに至った。本発明は、二酸化炭素を粘度低下剤として利用する低環境負荷型の低ＶＯＣ塗装に好適な新しい塗装方法及びその装置を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）有機溶剤系の噴霧塗装において用いられる希釈溶剤（シンナー）を、二酸化炭素で一部又は全部を代替する二酸化炭素塗装において、
塗料供給ラインとして、塗料を貯蔵するタンク、該タンクから供給される塗料を所定の圧力まで加圧する塗料高圧ポンプ、該塗料高圧ポンプの吐出圧を調整し、余剰分を塗料タンクへ返送させる塗料１次圧調整弁、を有し、
二酸化炭素供給ラインとして、液体二酸化炭素を貯蔵するタンク、該液体二酸化炭素を所定温度まで冷却する冷却器、該冷却器から供給される液体二酸化炭素を所定の圧力まで加圧する液体二酸化炭素高圧ポンプ、該液体二酸化炭素高圧ポンプの吐出圧を調整し、余剰分を同ポンプのサクションに返送させる液体二酸化炭素１次圧調整弁、を有し、
塗料／二酸化炭素混合物ラインとして、上記塗料供給ラインから供給される加圧された塗料、上記二酸化炭素供給ラインから供給される加圧された二酸化炭素とを混合する混合器、及び該混合器から供給される混合後の塗料／二酸化炭素加圧混合物を大気圧下の塗装対象物へ噴霧する噴霧ガン、を有することを特徴とする二酸化炭素を用いた塗装装置。
（２）加圧された塗料を所定温度まで加熱する塗料加熱器を有する、前記（１）記載の二酸化炭素を用いた塗装装置。
（３）液体二酸化炭素高圧ポンプのサクションに返送される余剰二酸化炭素を所定温度まで冷却する冷却器を有する、前記（１）又は（２）記載の二酸化炭素を用いた塗装装置。
（４）加圧された液体二酸化炭素を所定温度まで加熱する二酸化炭素加熱器を有する、前記（１）から（３）のいずれかに記載の二酸化炭素を用いた塗装装置。
（５）混合後の塗料／二酸化炭素加圧混合物を所定温度まで加熱する混合物加熱器を有する、前記（１）から（４）のいずれかに記載の二酸化炭素を用いた塗装方法及び装置。
（６）混合器が、塗料と二酸化炭素とを急速混合し得るマイクロ混合器である、前記（１）から（５）のいずれかに記載の二酸化炭素を用いた塗装装置。
（７）マイクロ混合器が、流路径が大きくても０．５ｍｍのＴ字型マイクロ混合器である、前記（６）記載の二酸化炭素を用いた塗装方法及び装置。
（８）マイクロ混合器が、流体を微小な空間の中心で衝突させる中心衝突型マイクロ混合器であり、二酸化炭素を上部から流入させ、塗料を複数に分割して側面の複数方向から中心部で衝突するように流入させる混合器である、前記（６）又は（７）記載の二酸化炭素を用いた塗装装置。
（９）マイクロ混合器の後段に、スタティックミキサを備えた、前記（６）から（８）のいずれかに記載の二酸化炭素を用いた塗装装置。
（１０）混合後の混合物が、塗料に二酸化炭素が溶解した１相混合物である、前記（１）から（９）のいずれかに記載の二酸化炭素を用いた塗装装置。
（１１）塗料が、紫外線硬化型塗料、一液硬化型塗料、又は二液硬化型塗料である、前記（１）から（１０）のいずれかに記載の二酸化炭素を用いた塗装装置。
（１２）前記（１）から（１１）のいずれかに記載の塗装装置を使用して二酸化炭素を用いた塗装を行う方法であって、噴霧制御を行う塗料高圧ポンプあるいはＣＯ_２高圧ポンプの吐出側の１次圧調整弁を噴霧圧に設定し、噴霧圧制御を行わない塗料高圧ポンプあるいはＣＯ_２高圧ポンプの吐出側の１次圧調整弁を噴霧圧より高い圧力に設定して運転することにより、噴霧圧制御を行わない流体の流量を一定とし、噴霧圧制御を行う流体の流量を、噴霧ノズルのオリフィスの流量特性に応じて可変として、余剰分をポンプサクションに戻すことを特徴とする二酸化炭素を用いた塗装方法。
（１３）噴霧圧制御を行う流体が、塗料である、前記（１２）に記載の塗装方法。
（１４）前記（１）から（１１）のいずれかに記載の塗装装置を使用して二酸化炭素を用いた塗装を行う方法であって、塗料高圧ポンプ、及び二酸化炭素高圧ポンプの吐出側の１次圧調整弁を噴霧圧力より高く設定して、両ポンプから吐出された流体全量を噴霧させ、噴霧圧力を、噴霧ガンのノズルオリフィスの流量特性に依存して調整することを特徴とする二酸化炭素を用いた塗装方法。
（１５）混合器後から噴霧ガンまでの滞留時間を、少なくとも１５秒とすることにより、安定した１相混合物とする、前記（１２）から（１４）のいずれかに記載の二酸化炭素を用いた塗装方法。
（１６）塗装の中断、あるいは終了時に、塗料／二酸化炭素混合物ラインを閉止し、その閉止弁と噴霧ガンとの間に、その直後、あるいは同時に、二酸化炭素を供給することで、噴霧ガン内の塗料を噴霧ガンの外へ排出させる、前記（１２）から（１５）に記載の二酸化炭素を用いた塗装方法。

次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、従来の有機溶剤系塗料によるスプレー塗装において、大量に使用される希釈溶剤（ＶＯＣ）を、極少量の二酸化炭素に替えることにより、有機溶剤系塗装と同等の、塗装仕上げ品質、すなわち塗膜均一性、平滑性、鮮映性などを確保したまま、ＶＯＣの発生を大幅に低減し得る低環境負荷型の新しい塗装方法及びその装置を提供することを特徴とするものである。

本発明は、有機溶剤系の噴霧塗装において用いられる希釈溶剤（シンナー）を、二酸化炭素で一部又は全部を代替する二酸化炭素塗装において、塗料供給ラインとして、塗料を貯蔵するタンク、該タンクから供給される塗料を所定の圧力まで加圧する塗料高圧ポンプ、該塗料高圧ポンプの吐出圧を調整し、余剰分を塗料タンクへ返送させる塗料１次圧調整弁、を有し、二酸化炭素供給ラインとして、液体二酸化炭素を貯蔵するタンク、該液体二酸化炭素を所定温度まで冷却する冷却器、該冷却器から供給される液体二酸化炭素を所定の圧力まで加圧する液体二酸化炭素高圧ポンプ、該液体二酸化炭素高圧ポンプの吐出圧を調整し、余剰分を同ポンプのサクションに返送させる液体二酸化炭素１次圧調整弁、を有し、塗料／二酸化炭素混合物ラインとして、上記塗料供給ラインから供給される加圧された塗料、上記二酸化炭素供給ラインから供給される加圧された二酸化炭素とを混合する混合器、及び該混合器から供給される混合後の塗料／二酸化炭素加圧混合物を大気圧下の塗装対象物へ噴霧する噴霧ガン、を有することからなる二酸化炭素を用いた塗装装置、である。

本発明は、上記の塗装装置を使用して二酸化炭素を用いた塗装を行う方法であって、噴霧制御を行う塗料高圧ポンプあるいはＣＯ_２高圧ポンプの吐出側の１次圧調整弁を噴霧圧に設定し、噴霧圧制御を行わない塗料高圧ポンプあるいはＣＯ_２高圧ポンプの吐出側の１次圧調整弁を噴霧圧より高い圧力に設定して運転することにより、噴霧圧制御を行わない流体の流量を一定とし、噴霧圧制御を行う流体の流量を、噴霧ノズルのオリフィスの流量特性に応じて可変として、余剰分をポンプサクションに戻すことからなる方法、である。

また、本発明は、上記の塗装装置を使用して二酸化炭素を用いた塗装を行う方法であって、塗料高圧ポンプ、及び二酸化炭素高圧ポンプの吐出側の１次圧調整弁を噴霧圧力より高く設定して、両ポンプから吐出された流体全量を噴霧させ、噴霧圧力を、噴霧ガンのノズルオリフィスの流量特性に依存して調整することからなる二酸化炭素を用いた塗装方法、である。

本発明では、加圧された塗料を所定温度まで加熱する塗料加熱器を有すること、液体二酸化炭素高圧ポンプのサクションに返送される余剰二酸化炭素を所定温度まで冷却する冷却器を有すること、加圧された液体二酸化炭素を所定温度まで加熱する二酸化炭素加熱器を有すること、混合後の塗料／二酸化炭素加圧混合物を所定温度まで加熱する混合物加熱器を有すること、混合器が、塗料と二酸化炭素とを急速混合し得るマイクロ混合器であること、を好ましい実施の態様としている。

また、本発明では、噴霧圧制御を行う流体が、塗料であること、塗料高圧ポンプ、及び二酸化炭素高圧ポンプの吐出側の１次圧調整弁を噴霧圧力より高く設定して、両ポンプから吐出された流体全量を噴霧させ、噴霧圧力を、噴霧ガンのノズルオリフィスの流量特性に依存して調整すること、混合器後から噴霧ガンまでの滞留時間を、少なくとも１５秒とすることにより、安定した１相混合物とすること、を好ましい実施の態様としている。

一般に、有機溶剤系塗装では、重量基準で、塗料、すなわち、ポリマーと、ポリマーを溶解して流動性を持たせる真溶剤の５０から１５０％の希釈溶剤、例えば、トルエン、キシレンなどを加えて、噴霧が可能な粘度まで低下させることが必要とされる。そして、その低粘度化された塗料／希釈溶剤の混合物は、空気を霧化媒体としたエアースプレー方式や、霧化エアーを使用しない高圧噴霧方式により、微細液滴として噴霧され、塗装対象物に塗布される。

本発明は、上記の有機溶剤系塗装で使用される希釈溶剤を、二酸化炭素で一部又は全部を代替する塗装方式を提供するものである。本発明で対象とされる塗料は、大別して、紫外線硬化型塗料、一液硬化型塗料、及び二液硬化型塗料の３種に分けられる。紫外線硬化塗料とは、紫外線で硬化し、造膜する塗料であり、高硬度、耐摩耗性、耐擦傷性、耐化学薬品性、耐溶剤性などに優れ、例えば、携帯電話などのハードコートとして用いられる。

上記塗料は、紫外線（ＵＶ）をエネルギーとして、アクリル系オリゴマー、モノマー配合品が、ラジカル重合して、塗膜を形成する塗料である。また、一液硬化型塗料とは、無希釈で、あるいはシンナーなどの希釈剤（粘度調整剤）だけを調合して用いる塗料であり、主に、家電製品、例えば、ＴＶキャビネットなどや、自動車部品、工業部品などに用いられる。

上記塗料は、アクリル樹脂を主成分とし、硬化剤を使用しなくても、塗膜形成される塗料である。ニトロセルロースがブレンドされていることで、速乾性で、硬度が高く、耐摩耗性が優れている。適用素材は、ポリスチレン樹脂、ＡＢＳ樹脂、ＡＳ樹脂、ノリル樹脂、硬質塩化ビニール樹脂、ポリカーボネート樹脂など、巾広い用途に使用される。

一方、二液硬化型塗料とは、硬化剤を使用前に混合し、化学反応で硬化し、乾燥する塗料であり、耐アルコール性、耐磨耗性に優れ、主に、自動車内装、精密機器、光学機器などに用いられる。この塗料は、アクリル樹脂を主成分とし、ポリイソシアネート化合物を硬化剤とする、二液反応硬化型のアクリルウレタン塗料である。

本発明では、塗料に、二酸化炭素を混合、溶解させるが、その条件は、温度は３０〜７０℃、好ましくは３５から４５℃、圧力は５〜２０ＭＰａ、好ましくは７〜１０ＭＰａである。従って、塗料を加圧する必要があるが、一般的に、粘度が５０〜５００ｃｐと高く、塗料高圧ポンプとして、ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプなどが用いられる。

塗料粘度が充分に高ければ、ギヤポンプの採用も可能となる。一方、二酸化炭素高圧ポンプとしては、ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプに加え、プランジャーポンプの採用も可能である。ただし、二酸化炭素の加圧に際しては、液体二酸化炭素での加圧が有利であり、この場合、ポンプの前段での冷却が必要とされる。

本発明では、加熱器の型式は、特に限定されないが、装置の運転開始時や、流量を変えたときなどに、温度をなるべく早く一定に制御することや、塗装面の切り替えなどで噴霧を一時的に停止し、再度噴霧を開始するときなどに、それぞれの流体の温度が大きく変化しないことが求められる。そのため、一般的に使用される電気加熱式加熱器よりは、加熱媒体（通常は、水）の満たされたタンクに、流体の通過する高圧配管をコイル状に浸漬したタンク／コイル式の熱交換器が好適に用いられる。

本発明では、上記塗料と、二酸化炭素を効率的に混合し、塗料中に、二酸化炭素を溶解していくことが必要である。従来、この目的ためには、インラインミキサである流体多段分割原理を応用したスタティックミキサ（静的混合器）が用いられてきたが、必ずしも充分な混合、溶解が実現できていない。本発明では、マイクロ混合の原理を利用した高圧マイクロ混合器が使用される。

高圧マイクロ混合器の型式は、特に限定されないが、塗料の粘性が高いことや、閉塞性があることなどを勘案すると、拡散距離を極めて短くして、２流体を混合するインターディジタルチャネル構造、例えば、ドイツ、ＩＭＭ社が提供する層流型マイクロキミサよりは、流体の乱流混合効果を利用したマイクロ混合器の方が、望ましい。

これらの混合器としては、例えば、流路径が０．５ｍｍ以下のＴ字型混合器、旋回流を利用したスワール型マイクロ混合器、流体を微小な空間の中心で衝突させる中心衝突型マイクロ混合器及び内管の内径が０．５ｍｍ以下の二重管式マイクロ混合器、などがあげられる。

また、これらのマイクロ混合器の後段に、従来から用いられてきたスタティックミキサを連結することで、塗料への二酸化炭素の充分な溶解が実現でき、安定した一相混合物を形成することが可能となる。条件によっては、混合器以降、噴霧ガンまでの間で、塗料と二酸化炭素の二相形となることもあり、その場合、両流体の粘性が大きく異なるため、噴霧が安定せず、きれいな塗布が実現できない危険性がある。塗料への二酸化炭素の溶解度は、塗料の種類、温度・圧力により大きく変動するが、混合器の構成によっても、大きな影響を受けることになる。

後記する実施例における実験結果によると、マイクロ混合器によって、塗料と二酸化炭素が完全に混合されても、塗料中へ、二酸化炭素が完全に溶解するまでには、一定の保持時間が必要となることが、判明し、この保持時間が、重要である。

本発明で用いる噴霧ガンは、エアレスタイプの高圧噴霧ガンであれば良いが、噴霧流量、噴霧圧力、及び噴霧パターンの最終的な制御は、この噴霧ガンに装着されている高圧ノズルオリフィスの開口径（相当径）とその形状に依存するため、極めて重要である。噴霧流量は、単位時間当たりの塗装量をどのくらいに設定するかで、大きく異なるが、塗料の流量として、一般的に、５０〜５００ｇ／ｍｉｎの範囲が選択される。

例えば、噴霧流量が、１００ｇ／ｍｉｎ程度の場合、その時の圧力を５〜１０ＭＰａとすると、オリフィスの相当直径は、０．１〜０．２ｍｍが選択される。オリフィスの形状については、求められる噴霧スプレーパターンにより異なるが、フラットスプレーであれば、楕円形のオリフィス形状となる。また、オリフィス形状が円形であれば、フルコーンスプレーとなるが、噴出直後に空気などを吹き付けて、スプレーパターンを制御することにより、フルコーンスプレーをフラットスプレーに変えることも可能である。

次に、添付図面を参照し、本発明の実施の形態を具体的に説明する。図２に示す装置は、本発明に係る二酸化炭素塗装装置の好適な実施形態の一例である。図中の符号は、以下に示す手段を示す。すなわち、１：塗料タンク、２：塗料フィルター、３：塗料高圧ポンプ、４：塗料背圧弁（一次圧調整）、５：塗料加熱器、６：ＣＯ_２ボンベ、７：ＣＯ_２フィルター、８：ＣＯ_２冷却器、９：ＣＯ_２高圧ポンプ、１０：ＣＯ_２加熱器、１１：ＣＯ_２背圧弁（一次圧調整）、１２：ＣＯ_２冷却器２、１３：塗料逆止弁、１４：ＣＯ_２逆止弁、１５：混合器、１６：混合物加熱器、１７：混合物ストップ弁、１８：ＣＯ_２ストップ弁、１９：噴霧ガン、を示す。

上記装置、及びその動作について詳しく説明すると、塗料は、塗料タンク１に充填され、必要に応じて、窒素ガスなどにより加圧（数気圧）されて、フィルター２を経由して、塗料高圧ポンプ３のサクションに供給される。通常、フィルター２の目開きは、クリア塗料であれば、数十μｍで良いが、有色塗料の場合には、固形物顔料を含有しているため、数百μｍとすることが望ましい。

塗料高圧ポンプ３は、容積式のポンプであり、吐出圧力が２０ＭＰａ程度まであれば良く、一般的には、ダイアフラムポンプ、好ましくは脈動対策として、２連式のダイアフラムポンプが選定される。塗料によっては、プランジャーポンプでも可能であるが、プランジャーシール部が塗料で固着する危険性があるため、通常は、選択されない。対応策として、プランジャーシール部を、溶剤で浸漬することも適宜行うことができる。

ポンプ駆動源は、装置の設置場所により、空気作動式、電動式が適宜選択される。塗料は、塗料高圧ポンプ３で、通常、１０ＭＰａ前後に加圧され、必要に応じて、塗料加熱器５で、４０℃前後に加熱されて、混合器１５に送られる。このとき、定圧運転操作の場合には、噴霧流量（圧力とノズルオリフィスで決まる）より多いポンプ流量を設定し、余剰分を、背圧弁４から塗料タンク１に戻す操作を行う。このとき、定圧運転操作の制御圧力（システム圧力）は、この背圧弁４の一次圧力となる。

一方、ＣＯ_２は、ボンベ６の液体部分を吸い込み、フィルター７を通り、冷却器８で、飽和温度以下に冷却されて、ＣＯ_２高圧ポンプ９のサクションに供給される。この液体ＣＯ_２は、ＣＯ_２高圧ポンプ９で加圧され、更に、ＣＯ_２加熱器１０で、臨界温度（３１℃）以上、通常、４０℃の超臨界ＣＯ_２に加熱されて、混合器１５に送られる。

ここで、ＣＯ_２高圧ポンプとしては、通常、ダイヤフラムポンプや、プランジャ−ポンプなどが選定されるが、塗料の場合と同様に、脈動防止のため、２連式ポンプの採用が望ましい。また、通常、ＣＯ_２供給の必要量は、塗料の３０％以下と少量である。そのため、噴霧流量が少ない場合には、プランジャーポンプが採用される。

加圧、加熱された塗料、及びＣＯ_２は、混合器１５で瞬時に混合され、塗料／ＣＯ_２混合物となる。混合器の構造としては、迅速混合性や、完全混合性を考慮して、マイクロ混合器の採用が望ましい。例えば、流路径が０．５ｍｍ以下のＴ字型混合器、旋回流を利用したスワール型マイクロ混合器、流体を微小な空間の中心で衝突させることを可能とする中心衝突型マイクロ混合器、及び内管の内径が０．５ｍｍ以下の二重管式マイクロ混合器などが好適に使用される。

中心衝突型マイクロ混合器の構造を、図３〜４に示す。図で、ＣＯ_２は、上部の入口から導入され、混合状態を調整するニードル回りの環状部を下向きに流れる。一方、塗料は、下部入口から導入され、内部で複数の流れに分割（通常は、２分割あるいは４分割）されて、ニードル先端部の微小空間で、ＣＯ_２と塗料が中心衝突して、瞬時に混合される。塗料／ＣＯ_２混合物は、必要に応じて、混合物加熱器１６で加熱され、ストップ弁１７を経由して、噴霧ガン１９で、塗装対象物に向けて噴霧される。

塗料／ＣＯ_２混合物は、噴霧直後にＣＯ_２が離脱し、塗料の微細粒子となる。この塗料粒子の粒径は、温度、圧力、そして噴霧ガンの構造、代表的には、ノズルオリフィス口径などに依存するが、通常、１０〜５０μｍの範囲にある。塗装対象物が立体的な形状の場合には、噴霧ガンが、３次元ロボットに搭載されて、塗装が行われるが、塗装面を切り替えるときなどには、ストップ弁１７が閉となり、直後に、ストップ弁１８が開となって、超臨界ＣＯ_２が噴霧ガンのノズルに供給されて、瞬時に洗浄が行われる。

これがないと、ノズル先端部の閉塞の可能性が高まる。このとき、塗料高圧ポンプ３は、運転を継続しているが、定圧運転モードであれば、操作圧力のまま、背圧弁４により、塗料が循環される。定量運転モードで操作している場合には、背圧弁４の設定を、操作圧力よりわずかに高くしておくことにより、少しの圧力上昇で、塗料が循環される。

塗装を再開するときは、ストップ弁１８を閉とし、ストップ弁１７を開とすれば、噴霧が再開される。本方式は、ストップ弁１７、１８が共にともが閉となっても、塗料の場合と同様、ＣＯ_２も、背圧弁１１により、余剰分をＣＯ_２高圧ポンプ１０のサクションにも戻すことが可能であり、特に、運転上問題はない。ただし、背圧弁１１により、減圧されるため、液体状態を確保するために、冷却器１２で、ＣＯ_２は冷却されることが好ましい。

本発明により、次のような効果が奏される。
（１）ＶＯＣ発生を大幅に低減することが可能な低環境負荷型の新しい塗装装置、及びその塗装方法を提供することができる。
（２）従来の有機溶剤系塗料によるスプレー塗装において、大量に使用される希釈溶剤（ＶＯＣ）を極少量の二酸化炭素に代替することが可能となる。
（３）希釈溶剤（ＶＯＣ）の大気中への排出を防止した塗装技術を提供することができる。
（４）塗料の粘度が高いことに起因する装置の閉塞性の問題を確実に抑制し得る実用化可能な塗装技術を提供することができる。

先行特許に示された塗装装置のプロセスフローを示す。 本発明に係る二酸化炭素塗装装置の実施形態の一例を示す。 中心衝突型混合器の概要を示す。 中心衝突型混合器の断面図を示す。 ＣＯ_２の溶解度測定系フローを示す。 実施例９の塗装結果を示す。

次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。

（混合器の性能比較）
塗料とＣＯ_２の初期混合を行う混合器として、混合後の流路径が１．３ｍｍの１／１６インチＴ字継手（スタンダードＴ字継手、ＳＴＤ−Ｔと略記とする）、混合後の流路径が０．３ｍｍの１／１６インチＴ字継手（ローデッドボリュームＴ字継手、ＬＤＶ−Ｔと略記する）、及び混合後の流路径が１ｍｍの中心衝突型混合器、を用いて、紫外線硬化型クリア塗料へのＣＯ_２の溶解度を、高圧可視化窓で、混合物の状態を直接観察することにより、評価した。溶解度測定系のフローを図５に示す。

具体的には、塗料高圧ポンプの流量を、５０ｇ／分で一定とし、ＣＯ_２高圧ポンプの流量を徐々に増加させ、透明な一相状態から気液二相状態に変化するところを、その混合器での限界溶解度として評価した。この際、温度は、４０℃で一定とし、圧力を６ＭＰａと１０ＭＰａとした。実験結果を表１に示す。

上記表より、１０ＭＰａでの条件では、限界溶解度に関して、混合器の型式で、大きな違いが見られなかったが、６ＭＰａでは、ＳＴＤ−Ｔでは１９％しか溶解しないのに対して、中心衝突型では３４％、ＬＤＶ−Ｔでは５２％と、混合性に大きな違いが認められた。この結果から、初期混合性は、ＬＤＶ−Ｔ＞中心衝突＞ＳＴＤ−Ｔの順に良好であることが分かった。

（初期混合後のスタティックミキサの効果）
塗料とＣＯ_２の初期混合を行う混合器として、ＬＤＶ−Ｔを用いて、その後段に、従来から用いられているスタティックミキサ（エレメント外径２．４ｍｍ×エレメント数６０、ＳＭと略記する）を用いた場合と、用いない場合とを比較した。評価系・方法は、実施例１と同様とした。その結果を表２に示す。

上記表より、初期混合として、ＬＤＶ−Ｔを用いれば、先行特許で採用されているＳＭの効果は、ほとんど認められないことが明確となった。

（初期混合〜高圧可視化窓までの時間の効果）
塗料とＣＯ_２の初期混合を行う混合器として、ＬＤＶ−Ｔを用いて、その直後から高圧可視化窓までの時間（混合時間）を、１／４インチ配管を用いて種々変えて、その効果を検証した。実施例１及び２での混合時間は、約３７秒であった。評価系・方法は、実施例１と同様とした。

その結果、混合時間により、限界溶解度に大きな差は認められなかったが、詳細な観察の結果、混合時間が１５秒より短い場合には、溶解領域においても、一相と二相を交互に繰り返す状況が認められた。これは、塗料／ＣＯ_２が物理的にほぼ完全に混合されたとしても、溶解までには、一定の時間が必要であることを意味しており、噴霧の安定性という観点から、非常に重要である。

（塗装実験１）
塗料として、市販の紫外線硬化型クリア塗料（シンナー無添加）を対象に、塗装実験を行った。代表的な塗料組成は、樹脂成分４９％、真溶剤４７％、添加剤４％であり、樹脂成分は、多官能アクリレートを主成分に、熱可塑性アクリレート、ウレタンアクリレートを、それぞれ含んでいる。真溶剤は、含有量の多い順に、トルエン、酢酸ブチル、ｎ−ブチルアルコール、キシレン、エチルベンゼンからなり、添加剤としては、光重合開始剤のほか、微量の紫外線吸収剤、及び表面調整剤が含まれている。

塗料高圧ポンプ３としては、２連式ダイヤフラムポンプを、ＣＯ_２高圧ポンプ９としては、２連式プランジャーポンプを用いて、加熱器５，１０を、４０℃に制御し、混合器１５としては、ＬＤＶ−Ｔを用いて、ＬＤＶ−Ｔから噴霧ガン１９までの混合時間を、３７秒として、７ＭＰａの定圧運転モードで操作した。

その時の塗料流量は、４５ｇ／分、ＣＯ_２は、９ｇ／分（塗料流量の２０％）であり、高圧可視化窓により塗料／ＣＯ_２混合物が、一相状態であることを確認し、噴霧ガンは、ノズルオリフィス相当径０．１５ｍｍを用いて、プラスチック板に、手吹き塗装を行なった。

このとき、塗料／ＣＯ_２混合物は、ＣＯ_２添加前１１〜１２ｃｐが、添加後１〜２ｃｐの粘度に低下していることを、オンライン粘度計で確認した。塗装後のプラスチック板は、５分間室温で保持した後、５０℃の乾燥器内で、１０分間乾燥を行い、その後、紫外線照射機で、塗膜を硬化させた後、塗膜面の評価を行った。

その結果、平均膜厚は２０μｍ、平均粗さは０．４μｍであり、塗料と同量のシンナー加えて行う有機溶剤エアスプレーと同等で、実用レベルの塗膜であると評価された。なお、同じ紫外線硬化型クリア塗料を、シンナー無添加で、エアスプレー塗装した結果、膜厚は２０μｍで、平均粗さは０．９μｍとなり、２倍以上の粗さとなることを確認した。これは、二酸化炭素塗装の優位性が立証された結果を示すものである。

（塗装実験２）
紫外線硬化型クリア塗料について、更に、１種類、塗装実験を実施した。組成は、樹脂（多官能アクリレート）約８０％、真溶剤（イソプロピルアルコール）約２０％と、少量の光重合開始剤からなる、新規な塗料を用いた。塗装装置、及び塗装方法は、実施例４とほぼ同等のものを用いたが、噴霧ガンは、２次元塗装ロボットに搭載して、塗装を行った。

塗料／ＣＯ_２混合物の粘性は、ＣＯ_２添加前４０ｃｐが、添加後、数ｃｐに低下した。塗装後、実施例４と同等の処理を行ない、塗膜面を観察した結果、実用上問題のない塗膜が形成されていることを確認した。本塗料は、樹脂分が、８０％と高く、シンナー無希釈であるので、ＶＯＣ削減効果は、非常に高いことが明らかである。

（塗装実験３）
紫外線硬化型クリア塗料について、更に、もう１種類、塗装実験を実施した。組成は、樹脂（多官能アクリレート）約７５％、真溶剤（プロピレングリーコールモノメチルエーテル）約２０％と、約５％の光重合開始剤からなる、塗料を用いた。塗装装置、及び塗装方法は、実施例５と同様とした。塗料／ＣＯ_２混合物の粘性は、ＣＯ_２添加前６０ｃｐが、添加後、数ｃｐに低下し、その結果、実用上問題のない塗膜が形成されていることを確認した。

（塗装実験４）
次に、２液硬化型アクリルウレタンクリア塗料について、塗装実験を行った。主剤組成は、樹脂（アクリルポリオール）が４２％、真溶剤が５８％（内トルエンが主成分、酢酸イソブチルを含む）であり、硬化剤組成は、樹脂が５５％（ポリイソシアネートプレポリマー）、真溶剤が４５％（トルエンのほかプロピレングリーコールモノメチルエーテルアセテート、酢酸エチルを含む）である。

実験は、主剤と硬化剤を５：１の配合比で事前に混合し、塗料タンク１に充填して行った。塗料（主剤＋硬化剤）に対して、重量比で２０〜３０％のＣＯ_２を添加して、塗装を行った。その他の条件、及び方法は、上記実施例の通りである。塗料粘性は、ＣＯ_２添加前５０〜６０ｃｐが、添加後、数ｃｐに低下した。塗装後のプラスチック板は、５分間室温で保持した後、５０〜６０℃の乾燥器内で３０分間乾燥を行い、塗膜を硬化させた後、塗膜面の評価を行った。

その結果、塗膜は、形成されているものの、平滑性に問題が残った。そのため、塗膜のレベリング性能をあげるべく、上記配合比の塗料に、専用の希釈シンナーを重量比で２０％添加して、同様の塗装操作、及び後処理を行った結果、実用上問題のない塗膜が形成されていることを確認した。

（塗装実験５）
次に、１液硬化型アクリルクリア塗料について、塗装実験を行った。塗料組成は、樹脂が２８％、真溶剤が７２％である。樹脂成分は、主成分がアクリルであり、他に、ニトロセルロース含み、真溶剤は、含有量の多い順に、エステル系、アルコール系、炭化水素系、そして、ケトン系からなる。実験は、塗料に対して、重量比で２０％のＣＯ_２を添加して、塗装を行った。その他の条件、及び方法は、上記実施例の通りである。

塗料粘性は、ＣＯ_２添加前１２０〜１４０ｃｐが、添加後、２０ｃｐ以下に低下した。しかしながら、短時間の塗装（噴霧）は行えたものの、プラスチック板表面に、塗料塊が多数付着した状況であり、均一な塗膜の形成には至らなかった。

そのため、レベリング性を良くするために、上記塗料に、真溶剤成分のみを重量比で２０〜４０％添加して、同様の塗装操作、及び後処理（実施例７と同様）を行った。その結果、均一な塗膜が形成され、実用上問題のない塗膜と評価された。

（塗装実験６）
２液硬化型アクリルウレタン塗料、及び１液硬化型アクリル塗料に、カーボンブラック、その他の顔料を混合して、有色塗装実験を行った。実験条件、及び方法は、上記の実施例とそれぞれ同様とした。結果を図６に示す。その結果、赤、ピンク、青などの均一な有色塗膜が形成され、実用上問題のない塗膜と評価された。

以上、詳述したように、本発明は、二酸化炭素塗装方法及びその装置に係るものであり、本発明により、ＶＯＣ発生を大幅に低減することが可能な低環境負荷型の新しい塗装装置、及びその塗装方法を提供することができる。本発明では、従来の有機溶剤系塗料によるスプレー塗装において、大量に使用される希釈溶剤（ＶＯＣ）を極少量の二酸化炭素に代替することが可能となり、本発明は、希釈溶剤（ＶＯＣ）の大気中の排出を防止した新しい塗装技術を提供することを可能とする。本発明により、塗料の粘度が高いことに起因する装置閉塞性の問題を確実に抑制し得る実用化可能な塗装技術を提供することができる、という格別の作用効果が得られる。本発明は、大気中へのＶＯＣの排出を防止する低環境負荷型の新しい塗装方法及びその装置を提供するものして有用である。

Claims (16)

1. 有機溶剤系の噴霧塗装において用いられる希釈溶剤（シンナー）を、二酸化炭素で一部又は全部を代替する二酸化炭素塗装において、
   塗料供給ラインとして、塗料を貯蔵するタンク、該タンクから供給される塗料を所定の圧力まで加圧する塗料高圧ポンプ、該塗料高圧ポンプの吐出圧を調整し、余剰分を塗料タンクへ返送させる塗料１次圧調整弁、を有し、
   二酸化炭素供給ラインとして、液体二酸化炭素を貯蔵するタンク、該液体二酸化炭素を所定温度まで冷却する冷却器、該冷却器から供給される液体二酸化炭素を所定の圧力まで加圧する液体二酸化炭素高圧ポンプ、該液体二酸化炭素高圧ポンプの吐出圧を調整し、余剰分を同ポンプのサクションに返送させる液体二酸化炭素１次圧調整弁、を有し、
   塗料／二酸化炭素混合物ラインとして、上記塗料供給ラインから供給される加圧された塗料、上記二酸化炭素供給ラインから供給される加圧された二酸化炭素とを混合する混合器、及び該混合器から供給される混合後の塗料／二酸化炭素加圧混合物を大気圧下の塗装対象物へ噴霧する噴霧ガン、を有することを特徴とする二酸化炭素を用いた塗装装置。
2. 加圧された塗料を所定温度まで加熱する塗料加熱器を有する、請求項１記載の二酸化炭素を用いた塗装装置。
3. 液体二酸化炭素高圧ポンプのサクションに返送される余剰二酸化炭素を所定温度まで冷却する冷却器を有する、請求項１又は２記載の二酸化炭素を用いた塗装装置。
4. 加圧された液体二酸化炭素を所定温度まで加熱する二酸化炭素加熱器を有する、請求項１から３のいずれかに記載の二酸化炭素を用いた塗装装置。
5. 混合後の塗料／二酸化炭素加圧混合物を所定温度まで加熱する混合物加熱器を有する、請求項１から４のいずれかに記載の二酸化炭素を用いた塗装方法及び装置。
6. 混合器が、塗料と二酸化炭素とを急速混合し得るマイクロ混合器である、請求項１から５のいずれかに記載の二酸化炭素を用いた塗装装置。
7. マイクロ混合器が、流路径が大きくても０．５ｍｍのＴ字型マイクロ混合器である、請求項６記載の二酸化炭素を用いた塗装方法及び装置。
8. マイクロ混合器が、流体を微小な空間の中心で衝突させる中心衝突型マイクロ混合器であり、二酸化炭素を上部から流入させ、塗料を複数に分割して側面の複数方向から中心部で衝突するように流入させる混合器である、請求項６又は７記載の二酸化炭素を用いた塗装装置。
9. マイクロ混合器の後段に、スタティックミキサを備えた、請求項６から８のいずれかに記載の二酸化炭素を用いた塗装装置。
10. 混合後の混合物が、塗料に二酸化炭素が溶解した１相混合物である、請求項１から９のいずれかに記載の二酸化炭素を用いた塗装装置。
11. 塗料が、紫外線硬化型塗料、一液硬化型塗料、又は二液硬化型塗料である、請求項１から１０のいずれかに記載の二酸化炭素を用いた塗装装置。
12. 請求項１から１１のいずれかに記載の塗装装置を使用して二酸化炭素を用いた塗装を行う方法であって、噴霧制御を行う塗料高圧ポンプあるいはＣＯ_２高圧ポンプの吐出側の１次圧調整弁を噴霧圧に設定し、噴霧圧制御を行わない塗料高圧ポンプあるいはＣＯ_２高圧ポンプの吐出側の１次圧調整弁を噴霧圧より高い圧力に設定して運転することにより、噴霧圧制御を行わない流体の流量を一定とし、噴霧圧制御を行う流体の流量を、噴霧ノズルのオリフィスの流量特性に応じて可変として、余剰分をポンプサクションに戻すことを特徴とする二酸化炭素を用いた塗装方法。
13. 噴霧圧制御を行う流体が、塗料である、請求項１２に記載の塗装方法。
14. 請求項１から１１のいずれかに記載の塗装装置を使用して二酸化炭素を用いた塗装を行う方法であって、塗料高圧ポンプ、及び二酸化炭素高圧ポンプの吐出側の１次圧調整弁を噴霧圧力より高く設定して、両ポンプから吐出された流体全量を噴霧させ、噴霧圧力を、噴霧ガンのノズルオリフィスの流量特性に依存して調整することを特徴とする二酸化炭素を用いた塗装方法。
15. 混合器後から噴霧ガンまでの滞留時間を、少なくとも１５秒とすることにより、安定した１相混合物とする、請求項１２から１４のいずれかに記載の二酸化炭素を用いた塗装方法。
16. 塗装の中断、あるいは終了時に、塗料／二酸化炭素混合物ラインを閉止し、その閉止弁と噴霧ガンとの間に、その直後、あるいは同時に、二酸化炭素を供給することで、噴霧ガン内の塗料を噴霧ガンの外へ排出させる、請求項１２から１５に記載の二酸化炭素を用いた塗装方法。