JP2019210344A - 二酸化炭素塗装用水性塗料、コーティング組成物、及び塗装方法 - Google Patents

Abstract

【課題】二酸化炭素塗装法における塗装装置の閉塞を低減することのできる水性塗料等を提供することを目的とする。【解決手段】樹脂及び水性媒体を含む、二酸化炭素塗装用の水性塗料であって、前記水性塗料は、７．０以下のｐＨを有するエマルジョンである。【選択図】図１

Description

本発明は、二酸化炭素塗装用水性塗料等に関する。

塗装方法の一種として、塗料に二酸化炭素を混合してコーティング組成物を調製し、得られたコーティング組成物を対象物に噴霧する方法（二酸化炭素塗装法）が知られている。塗料の中でも水性塗料は、含まれる溶剤の多くが水であり、環境に好ましくない影響を及ぼす可能性のある揮発性有機化合物（ＶＯＣ）の含有量が少ないため、有望視されている。水性塗料に二酸化炭素塗装法を適用した例として、特許文献１に記載される方法がある。

特表平０９−５０２９２３号公報

特許文献１に記載される二酸化炭素塗装においては、水性塗料に含まれる樹脂がゲル化し、塗装装置が閉塞する場合があった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、塗装装置の閉塞を低減することのできる、二酸化炭素塗装用の水性塗料等を提供することを目的とする。

本発明者等は、鋭意検討したところ、７．０以下のｐＨにおいて安定的にエマルジョンを形成する水性塗料であれば、二酸化炭素塗装法により塗装した場合であっても、樹脂の析出及びゲル化が低減できることを見出し、本発明を完成させるに至った。

本発明の一形態に係る二酸化炭素塗装用の水性塗料は、樹脂及び水性媒体を含み、７．０以下のｐＨを有するエマルジョンである。

前記水性塗料は、６．０以下のｐＨを有するエマルジョンであることができる。

本発明の一形態に係るコーティング組成物は、水性塗料と、二酸化炭素と、を含む。前記水性塗料は、樹脂及び水性媒体を含み、前記コーティング組成物は、７．０未満のｐＨを有するエマルジョンである。

本発明の一形態に係る塗装方法は、水性塗料及び二酸化炭素を混合してコーティング組成物を得る工程と、前記コーティング組成物を対象物に噴霧する工程と、を備える。前記水性塗料は、樹脂及び水性媒体を含み、７．０以下のｐＨを有するエマルジョンである。

前記コーティング組成物は、７．０未満のｐＨを有するエマルジョンであることができる。

本発明によれば、塗装装置の閉塞を低減することのできる、二酸化炭素塗装用の水性塗料等が提供される。

塗装装置の一実施形態を示すブロック図である。

＜水性塗料＞
本発明の一形態に係る二酸化炭素塗装用の水性塗料は、樹脂及び水性媒体を含み、７．０以下のｐＨを有するエマルジョンである。本明細書において、エマルジョン（ディスパージョンともいう）とは、水を主成分とする水性媒体に、粒子状の樹脂が分散している形態を意味する。樹脂の粒子の径は、例えば、０．０１μｍ以上、０．０５μｍ以上、０．０５〜５μｍ、０．０５〜０．５μｍ、又は０．０５〜０．１μｍであることができる。エマルジョンは、例えば、乳化重合により形成されてよい。あるいは、乳化剤を使用すること（強制乳化）又は親水基を導入した樹脂を使用すること（自己乳化）により、エマルジョンを形成することもできる。

樹脂とは、水性塗料の乾燥後に形成する塗膜において、バインダー又はマトリクスとして機能する高分子を形成する成分である。高分子の例は、例えば、アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、ポリオール樹脂、酢酸ビニル樹脂、フッ素樹脂、シリコン樹脂、及び、複数の樹脂（プレポリマーを含む）を架橋又は重合した複合樹脂を含む。複合樹脂としては、例えば、アクリル−ウレタン樹脂、アクリル−スチレン樹脂、酢酸ビニル−アクリル樹脂、及びアクリル−シリコン樹脂が挙げられる。樹脂は、単独で又は２種以上を組み合わせて使用してもよい。

樹脂は、塗装前の水性塗料の状態で既に高分子である化合物であってもよいし、塗装前の水性塗料の状態では高分子でないが、塗装後に乾燥すると重合、架橋等して高分子を形成する、主剤（モノマー又はプレポリマー）と硬化剤との混合物であってもよい。後者の場合、樹脂は１液型であってもよく、２液型であってもよい。この場合、主剤の粒子と硬化剤の粒子は、別々に水性媒体に分散していることができる。主剤と硬化剤との組み合わせとしては、アクリルポリオールとポリイソシアネートの組み合わせが例示できる。この場合、水性塗料から水性媒体が蒸発すると、アクリルウレタン樹脂が形成する。

水性媒体は、水を主成分とする１相の液体媒体である。水性媒体は、水であってもよいし、水以外の水溶性の溶剤を含む混合溶剤であってもよい。

水性塗料中の樹脂の量は、樹脂と水性媒体の合計量を基準として、例えば、２５〜８０質量％、３０〜７５質量％、３５〜７０質量％、又は４０〜６５質量％であってよい。

水性塗料は水以外の溶剤を含んでもよいが、水性塗料に含まれる溶剤のほとんどは水である。水の含有量は、水性塗料中の溶剤の全量を基準として、例えば、５０質量％以上、６０質量％以上、７０質量％以上、７５質量％以上、８０質量％以上、８５質量％以上、９０質量％以上、９５質量％以上、９８質量％以上、又は９９質量％以上であることができる。水性塗料は、水以外の溶剤を含まなくてもよい。

水以外の溶剤としては、例えば、メチルエチルケトン、プロピレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノ−ｎ−ブチルエーテル（ブチルセロソルブ）、プロピレングリコール、エタノール、メタノール、イソプロピルアルコール、ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、ジメチルスルホキシド、エチレングリコール、ジエチレングリコール、グリセロール、１−メトキシ−２−プロパノール、ジエチレングリコールモノブチルエーテル（ブチルカルビトール）、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート（ブチルカルビトールアセテート）、プロピレングリコールモノメチルエーテル、２，２，４−トリメチル１，３−ペンタンジオールモノイソブチレート、２−アミノ−２−メチル−１−プロパノール等、多数の有機溶剤が例示される。水以外の溶剤のうち、水溶性の溶剤は、水に溶解して上述の水性媒体を構成することができる。

水性塗料は、必要に応じて添加剤をさらに含んでいてもよい。例えば、水性媒体は、乳化剤、分散剤、ｐＨ調整剤、凍結防止剤（例えば、プロピレングリコール）、造膜助剤、消泡剤、顔料、顔料分散剤、防腐剤、紫外線吸収剤、光安定剤、レベリング剤、密着性付与剤、レオロジーコントロール剤等、塗料に通常添加される添加剤を含んでいてもよい。

水性塗料のｐＨは、７．０以下であり、７．０未満、６．５以下、６．０以下、５．５以下、５．０以下、４．７以下、４．６以下、４．５以下、４．４以下、又は４．０以下であることができる。水性塗料は、このようなｐＨにおいてエマルジョンとして存在している。すなわち、水性塗料において、樹脂は水性媒体に分散した状態で存在する。添加剤は、水性媒体に溶解していてもよく、水性媒体に分散されていてもよい。本発明では、このようなｐＨの範囲でエマルジョンが安定に形成されている水性塗料を選択することが肝要である。

＜塗装方法＞
本発明の一形態に係る塗装方法は、上述の水性塗料及び二酸化炭素を混合してコーティング組成物を得る工程（混合工程）と、コーティング組成物を対象物に噴霧する工程（噴霧工程）と、を備える。

（１．混合工程）
本工程では、水性塗料と二酸化炭素とを混合してコーティング組成物を得る。

二酸化炭素の量は、特に制限されず、例えば、水性塗料１００質量部に対して、０．５質量部以上、１．０質量部以上、１．５質量部以上、２質量部以上、５質量部以上、６質量部以上、又は１０質量部以上であることができる。二酸化炭素の量が水性塗料１００質量部に対して０．５質量部以上であると、細かいミストを形成することができる。二酸化炭素の量は、水性塗料１００質量部に対して、例えば、６０質量部以下、５０質量部以下、４０質量部以下、３０質量部以下、２０質量部以下、又は１０質量部以下であることができる。

混合温度は、特に制限されず、例えば、０℃〜６０℃又は１０℃〜３０℃であることができる。水性塗料が２液型の場合は、混合温度が６０℃以下であると、コーティング組成物の使用可能時間（ポットライフ）が良好となる傾向がある。

混合圧力は、特に制限されず、例えば、２ＭＰａ以上、５ＭＰａ以上、又は２ＭＰａ〜２５ＭＰａであることができる。

混合の仕方は特に限定されず、混合は、例えば、インラインミキサーを使用したラインブレンド法による混合であることができる。

水性塗料と二酸化炭素を混合することにより得られたコーティング組成物は、水性塗料及び二酸化炭素を含有する。上記に述べたとおり、水性塗料は樹脂及び水性媒体を含み、７．０以下のｐＨを有するエマルジョンである。コーティング組成物全体としては、７．０未満のｐＨを有するエマルジョンであることができる。この場合、二酸化炭素は水性媒体に溶解されていてもよい。コーティング組成物のｐＨは、例えば、７．０未満、６．５以下、６．０以下、５．５以下、５．０以下、４．７以下、４．６以下、４．５以下、４．４以下、又は４．０以下であることができる。

本実施形態において、水性塗料は７．０以下のｐＨにおいて安定的にエマルジョンを形成しているため、二酸化炭素を混合してｐＨがさらに酸性側に傾いても、エマルジョンの形態が維持されて樹脂の析出を低減することができるためか、塗装装置の閉塞が低減できる。

（２．噴霧工程）
本工程では、上記コーティング組成物を噴霧する。コーティング組成物を、例えばノズル又はオリフィスから噴霧すると、加圧状態から解放されたコーティング組成物中の二酸化炭素は瞬時に気化して、その体積が大幅に膨張する。膨張により生じるエネルギーにより、コーティング組成物は細かい霧状の塗料（ミスト）になる。

噴霧時の温度は、特に制限されないが、例えば、０〜６０℃、又は１０℃〜３０℃であることができる。噴霧時の温度及び圧力は、積極的に制御しなくてもよく、混合時の温度及び圧力と同じであってもよいし、適宜調節されてもよい。噴霧を可能にする観点から、噴霧圧力は２ＭＰａ以上又は５ＭＰａ以上であることが好ましい。

噴霧工程において形成されたミストは対象物に付着し、対象物の表面に液膜（水性塗料の膜）を形成する。その後、液膜を乾燥させて水性媒体を除去することにより、水性媒体中に分散されていた樹脂の粒子同士が接近し、場合によっては架橋反応が生じ、対象物の表面に塗膜を形成することができる。

＜塗装装置＞
上記の方法による塗装は、例えば、図１に示す塗装装置を用いて行うことができる。塗装装置は、塗料タンク１、高圧ポンプ２、加熱器３、二酸化炭素ボンベ４、冷却器５、高圧ポンプ６、加熱器７、混合器８、及び、ノズル９を有する。塗料タンク１に貯蔵された水性塗料は、高圧ポンプ２によって所定の圧力まで加圧され、加熱器３によって所定の温度まで加温されてから、混合器８へと供給される。一方、二酸化炭素ボンベ４に貯蔵された二酸化炭素は、冷却器５によって冷却されて液化し、高圧ポンプ６（例えば、プランジャーポンプなどの定容ポンプ）によって所定の圧力まで加圧される。加圧された二酸化炭素は、加熱器７によって所定の温度まで加温されてから、混合器８へと供給される。混合器８内で水性塗料及び二酸化炭素が混合され、コーティング組成物となる。混合器８としては、例えば、インラインミキサーを使用できる。このように調製されたコーティング組成物は、ノズル９を通して対象物に向けて噴霧される。

混合器８における圧力は、高圧ポンプ２及び高圧ポンプ６の吐出圧力により調節することができる。また、混合器８における温度は、加熱器３により加熱される水性塗料の温度、及び、加熱器７により加熱される二酸化炭素の温度により調節することができる。水性塗料及び二酸化炭素の量比も、各ポンプの吐出量及び図示しない流量調節弁により調節できる。

塗装装置は、図１に示す装置に限定されない。例えば、図１に示す装置では、混合時の温度は加熱器３及び７並びに冷却器５により調節されるが、これらの構成は必須ではない。例えば、加熱器３及び７並びに冷却器５に代えて、熱交換器などの温度調節部を混合器８の内部に設けることにより、混合時の温度を調節してもよい。また、図１に示す装置では、混合時の圧力は高圧ポンプ２及び６により調節されるが、これらの構成は必須ではない。例えば、高圧ポンプ２及び６にかえて、ポンプ、減圧バルブ等の圧力調節部を混合器８の内部に設けることにより、混合時の圧力を調節してもよい。さらに、混合器８とノズル９とを結ぶライン上に温度調節部及び／又は圧力調節部を設けて、噴霧時の温度及び／又は圧力を制御してもよい。

以上説明したように、本実施形態に係る塗装方法において、水性塗料は７．０以下のｐＨを有するエマルジョンである。水性塗料が７．０以下のｐＨを有するエマルジョンであると、二酸化炭素塗装装置中のラインの閉塞を低減することができる。本発明者等は、この理由を以下のように推察している。

二酸化炭素が水に溶けると、溶けた二酸化炭素の一部が炭酸となり、さらに、炭酸の一部が解離して水素イオンを放出する。したがって、二酸化炭素と水性塗料とを混合してコーティング組成物を形成した際に、コーティング組成物中の水性媒体のｐＨは、混合前の水性塗料のｐＨよりも少し酸性側に傾く。
エマルジョンにおいて、水性媒体が酸性であるかアルカリ性であるかは、エマルジョンの分散安定性に大きな影響を及ぼすと考えられる。アルカリ性条件下で安定的にエマルジョンを形成する水性塗料を二酸化炭素と混合する場合、二酸化炭素との混合に伴うコーティング組成物中の水性媒体のｐＨの低下により、水性媒体のｐＨがアルカリ性から酸性に変わり、エマルジョンが安定に形成できなくなると考えられる。この場合、水性媒体中に分散されている樹脂同士が接近して析出し、析出した樹脂は塗装装置のラインを閉塞させる原因になると考えられる。これに対し、本発明の一形態によれば、ｐＨ７．０以下で安定的にエマルジョンを形成している水性塗料を使用するため、二酸化炭素を混合することによりｐＨがさらに酸性になった場合でも、水性媒体のｐＨがアルカリ性から酸性に変わるような、水性媒体の性質の大きな変動が起こらないため、エマルジョンが安定的に維持され、樹脂の析出を低減することができると考えられる。このように、本発明によれば樹脂の析出が低減されるため、塗装装置の閉塞が低減できると考えられる。

以下、実施例に基づき発明を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されない。

図１に示すような二酸化炭素塗装装置において、塗料タンク１に表１に示す塗料成分（樹脂、溶剤、及び顔料）を仕込み、混合器８内での水性塗料と二酸化炭素との混合比が表１に示す混合比（組成）となるように、高圧ポンプ２及び６の流量を設定した。混合器８内の温度及び圧力は、表１に示す温度及び圧力に調節した。表１において、各成分の量の単位は質量部である。

使用した塗料成分の詳細を表２に示す。表２において、ＮＶは、塗料成分中の非揮発成分（樹脂など）の質量割合を意味し、ＮＶが１００％でない場合には、塗料成分中に揮発性の溶剤が含まれる。溶剤の大部分は水である。

塗装試験を行い、対象物をコーティング組成物で５分間塗装した。結果を表１に示す。「塗装試験」の評価について、表１における○及び×は、それぞれ次を意味する。
○：塗装装置中のラインが閉塞することなく、対象物を塗装できた。
×：塗装装置中のラインが閉塞した。

二酸化炭素と混合する前の水性塗料のｐＨが７．０以下であった実施例１〜６では、塗装装置中のラインが閉塞することなく、対象物を塗装できた。二酸化炭素と混合する前の塗料のｐＨが７．０より大きかった比較例１及び２では、塗装装置中のラインが閉塞した。

１…塗料タンク、２，６…高圧ポンプ、３，７…加熱器、４…二酸化炭素ボンベ、５…冷却器、８…混合器、９…ノズル。

Claims (5)

1. 樹脂及び水性媒体を含む、二酸化炭素塗装用の水性塗料であって、
   前記水性塗料は、７．０以下のｐＨを有するエマルジョンである、水性塗料。
2. ６．０以下のｐＨを有するエマルジョンである、請求項１に記載の水性塗料。
3. 水性塗料と、二酸化炭素と、を含むコーティング組成物であって、
   前記水性塗料は、樹脂及び水性媒体を含み、
   前記コーティング組成物は、７．０未満のｐＨを有するエマルジョンである、コーティング組成物。
4. 水性塗料及び二酸化炭素を混合してコーティング組成物を得る工程と、
   前記コーティング組成物を対象物に噴霧する工程と、を備え、
   前記水性塗料は、樹脂及び水性媒体を含み、７．０以下のｐＨを有するエマルジョンである、塗装方法。
5. 前記コーティング組成物が、７．０未満のｐＨを有するエマルジョンである、請求項４に記載の塗装方法。

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