JP2020062871A

JP2020062871A - 撥水構造及びその製造方法、並びにそれに用いる撥水コーティング剤

Info

Publication number: JP2020062871A
Application number: JP2019081227A
Authority: JP
Inventors: 宮田　博文; Hirobumi Miyata; 博文宮田
Original assignee: Bando Chemical Industries Ltd
Current assignee: Bando Chemical Industries Ltd
Priority date: 2018-10-11
Filing date: 2019-04-22
Publication date: 2020-04-23

Abstract

【課題】非常に高い撥水性能を得ることができる撥水構造を提供する。【解決手段】撥水構造１０は、基材１１と、その表面上に設けられた撥水層１２とを備える。撥水層１２は、その表面に露出した未造粒カーボンブラックを含有する。【選択図】図１

Description

本発明は、撥水構造及びその製造方法、並びにそれに用いる撥水コーティング剤に関する。

水や氷の付着に起因する破損等を回避する手段として、種々の物品の表面に撥水構造を構成することが行われる。例えば、特許文献１には、基材上に、カーボンブラック及びウレタン樹脂を含有する下地膜を設け、その上に更にシリカ及びシリコーン樹脂を含有する仕上げ膜を設けた撥水構造が開示されている。

特許第５８１４７７１号公報

本発明の課題は、非常に高い撥水性能を得ることができる撥水構造を提供することである。

本発明は、基材と、前記基材の表面上に設けられた撥水層とを備えた撥水構造であって、前記撥水層は、その表面に露出した未造粒カーボンブラックを含有する撥水構造である。

本発明は、基材の表面に対して撥水コーティング剤を塗工して撥水層を形成する撥水構造の製造方法であって、前記撥水コーティング剤は、未造粒カーボンブラックと、未硬化のバインダー樹脂とを含有する。

本発明は、未造粒カーボンブラックと、未硬化のバインダー樹脂とを含有する撥水コーティング剤である。

本発明によれば、撥水層が未造粒カーボンブラックを含有することにより、非常に高い撥水性能を得ることができる。

実施形態に係る撥水構造の断面図である。実施形態に係る撥水構造の製造方法の一例を示す説明図である。実施形態に係る撥水構造の製造方法の別の一例を示す説明図である。

以下、実施形態について詳細に説明する。

図１は、実施形態に係る撥水構造１０を示す。実施形態に係る撥水構造１０は、基材１１と、その基材１１の表面上に設けられた撥水層１２とを備える。

基材１１の材質としては、特に限定されるものではなく、例えば、金属、木、ガラス、樹脂、ゴム等が挙げられる。基材１１の形態としては、特に限定されるものではなく、例えば、シート状、板状、管状、塊状等が挙げられる。基材１１における撥水層１２が設けられる表面は、平滑面であってもよく、また、凹凸面であってもよい。

撥水層１２は、撥水層１２の表面に露出した未造粒カーボンブラックを含有する。実施形態に係る撥水構造１０によれば、このように撥水層１２が未造粒カーボンブラックを含有することにより、非常に高い撥水性能を得ることができる。

ここで、本出願における「未造粒カーボンブラック」とは、一次粒子が凝集した造粒物を形成していないカーボンブラックを意味する。したがって、本出願における「未造粒カーボンブラック」には、造粒剤を含まない微粉末状のカーボンブラック、造粒のための表面処理がなされていない微粉末状のカーボンブラック、造粒に寄与する酸素及び／又は水素を含む官能基を有することを意図的に排除した、そのような官能基を実質的に有さない微粉末状のカーボンブラックが含まれる。その一方、本出願における「未造粒カーボンブラック」には、造粒剤を含む粒状のカーボンブラック、造粒のための表面処理がなされた粒状のカーボンブラック、並びに造粒に寄与する酸素及び／又は水素を含む官能基が意図的に導入された粒状のカーボンブラックは含まれない。但し、これらの粒状のカーボンブラックも、焼成処理等が施されて粒状の形態を喪失して微粉末状となったものは、本出願における「未造粒カーボンブラック」に含まれる。また、本出願の未造粒カーボンブラックには、未造粒カーボンナノチューブ及び未造粒カーボングラファイトも含まれる。

未造粒カーボンブラックは、ガスクロマトグラフィー質量分析法（ＧＣＭＳ分析）により、分析温度範囲を５０℃以上８００℃以下としたとき、Ｈ_２Ｏ（−ＯＨ）、ＣＯ（ＣＨＯ、＞ＣＯ）、及びＣＯ_２（−ＣＯＯＨ）のそれぞれの強度のピークが検出されないことが好ましい。未造粒カーボンブラックは、官能基に起因する酸素含有量が、好ましくは０．０３質量％以下、より好ましくは０．０２質量％以下、更に好ましくは０．０１質量％以下である。

未造粒カーボンブラックとしては、例えば、アセチレンブラック；チャネルブラック；ＳＡＦ、ＩＳＡＦ、Ｎ３３９、ＨＡＦ、ＭＡＦ、ＦＥＦ、ＳＲＦ、ＧＰＦ、ＥＣＦ、Ｎ２３４などのファーネスブラック；ＦＴ、ＭＴなどのサーマルブラック等が挙げられる。未造粒カーボンブラックは、これらのうちの１種又は２種以上を含むことが好ましい。未造粒カーボンブラックは、高い撥水性能を得る観点から、アセチレンブラックを含むことが好ましい。市販の未造粒のアセチレンブラックとしては、例えば、デンカ社の商品名：デンカブラックの粉状品が挙げられる。

未造粒カーボンブラックの算術平均粒子径は、高い撥水性能を得る観点から、好ましくは１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、より好ましくは１５ｎｍ以上５５ｎｍ以下である。未造粒カーボンブラックの比表面積は、高い撥水性能を得る観点から、好ましくは１０ｍｍ^２／ｇ以上１７０ｍｍ^２／ｇ以下、より好ましくは３０ｍｍ^２／ｇ以上１５０ｍｍ^２／ｇ以下である。未造粒カーボンブラックのヨウ素吸着量は、高い撥水性能を得る観点から、好ましくは３０ｇｍ／ｇ以上２００ｍｇ／ｇ以下、より好ましくは４５ｍｇ／ｇ以上１８５ｍｇ／ｇ以下である。

撥水層１２は、未造粒カーボンブラックのみで構成されていてもよいが、未造粒カーボンブラックの基材１１への定着性を高める観点から、バインダー樹脂を更に含有することが好ましい。この場合、バインダー樹脂１００質量部に対する未造粒カーボンブラックの含有量は、未造粒カーボンブラックの基材１１への定着性を高め且つ高い撥水性能を得る観点から、好ましくは１０質量部以上２００質量部以下、より好ましくは５０質量部以上１２０質量部以下である。

バインダー樹脂としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、及び光硬化性樹脂が挙げられる。熱硬化性樹脂としては、例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂等が挙げられる。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂等が挙げられる。光硬化性樹脂としては、例えば、アクリル酸が付加したエポキシ化合物やウレタン化合物等が挙げられる。バインダー樹脂は、これらのうちの１種又は２種以上を含むことが好ましい。

バインダー樹脂は、未造粒カーボンブラックの基材１１への定着性を高め且つ高い撥水性能を得る観点から、シリコーン樹脂を含むことが好ましい。シリコーン樹脂としては、例えば、ポリアルキルシロキサン、ポリアルキルアルコキシシロキサン、ポリアリールシロキサン、ポリアリールアルキルシロキサン、ポリエーテルシロキサン等が挙げられる。バインダー樹脂は、これらのシリコーン樹脂のうちのポリアルキルシロキサンを含むことが好ましい。バインダー樹脂を形成する市販の未硬化シリコーン樹脂材料としては、例えば、モメンティブジャパン社製の商品名：ＴＳＥ３９２Ｃ，ＴＳＥ３８２６が挙げられる。バインダー樹脂には、撥水性能を高める観点から、フィラーが分散していてもよい。フィラーとしては、例えば、シリカ、炭酸カルシウム等が挙げられる。フィラーが分散したバインダー樹脂を形成する市販の未硬化シリコーン樹脂材料としては、例えば、モメンティブジャパン社製の商品名：ＴＮ３０８５−Ｗが挙げられる。

なお、撥水層１２は、その他に分散剤等を含有していてもよい。また、撥水層１２は、撥水性能を損なわない範囲で、造粒カーボンブラックを含有していてもよい。

撥水層１２の厚さは、高い撥水性能を得る観点から、好ましくは０．０２ｍｍ以上、より好ましくは０．０５ｍｍ以上であり、また、撥水層１２の強度を保持する観点から、好ましくは０．２ｍｍ以下、より好ましくは０．１ｍｍ以下である。

実施形態に係る撥水構造１０の撥水性の指標となる水との接触角は、好ましくは１３０°以上、より好ましくは１４０°以上、更に好ましくは１４５°以上、より更に好ましくは１５０°以上である。ここで、この水との接触角は、接触角計（例えば協和界面科学社製のＤＭ−５００）を用い、それに０．５μＬの水を滴下して測定される静的接触角である。

このような実施形態に係る撥水構造１０は、例えば、図２に示すように、基材１１の表面に対して、未造粒カーボンブラックと未硬化のバインダー樹脂とを含有する撥水コーティング剤２０を塗工して基材１１の表面上に撥水層１２を形成することにより得ることができる。

撥水コーティング剤２０は、高い撥水性能を発現する均一な撥水層１２を形成する観点から、未造粒カーボンブラックを分散させ且つ未硬化のバインダー樹脂を溶解させる有機溶剤を更に含有することが好ましい。

かかる有機溶剤としては、脂肪族炭化水素溶媒、芳香族炭化水素溶媒、アルコール系溶媒、ケトン系溶媒、エステル系溶媒等が挙げられる。脂肪族炭化水素溶媒としては、例えば、ｎ−ヘキサン、イソヘキサン、シクロヘキサン、ｎ−オクタン、イソオクタン、デカン、ドデカン等が挙げられる。芳香族炭化水素溶媒としては、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン等が挙げられる。アルコール系溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、イソプロパノール等が挙げられる。ケトン系溶媒としては、例えば、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等が挙げられる。エステル系溶媒としては、例えば、酢酸エチル、酢酸イソブチル等が挙げられる。

有機溶剤は、これらのうちの１種又は２種以上を含むことが好ましい。バインダー樹脂がシリコーン樹脂の場合、有機溶剤は、高い撥水性能を発現する均一な撥水層１２を形成する観点から、脂肪族炭化水素溶媒を含むことが好ましく、飽和脂肪族炭化水素溶媒を含むことがより好ましく、ｎ−ヘキサン、イソヘキサン、及びシクロヘキサンのうちの１種又は２種以上を含むことが更に好ましく、ｎ−ヘキサンを含むことが特に好ましい。

撥水コーティング剤２０における有機溶剤以外の固形分濃度は、高い撥水性能を発現する均一な撥水層１２を形成する観点から、好ましくは１質量％以上１５質量％以下、より好ましくは４質量％以上７質量％以下である。なお、この固形分濃度は、撥水コーティング剤２０が所望の粘度になるように、上記数値範囲外に設定してもよい。

基材１１の表面への撥水コーティング剤の塗工手段としては、例えば、マイヤーバーコート、アプリケーターコート、スプレーコート、ローラーコート、グラビアコーターコート、ダイコーターコート、リップコーターコート、コンマコーターコート、ナイフコーターコート、リバースコ−ターコート、スピンコーターコート、刷毛塗り等が挙げられる。塗工手段は、施工性が良好であるという観点から、これらのうちのスプレーコートが好ましい。

また、実施形態に係る撥水構造１０は、例えば、基材１１の表面に対して、アセチレンガスを燃焼させたアセチレン炎を照射し、アセチレンが熱分解した煤で構成された未造粒カーボンブラックを定着させて撥水層１２を形成することによっても得ることができる。この場合、撥水層１２は、未造粒カーボンブラックのみにより構成されることとなるが、この上から接着剤をスプレーコート等し、それにより未造粒カーボンブラックの基材１１への定着性を高めてもよい。また、アセチレン炎を照射する前に、基材１１の表面に予め耐熱性接着剤をスプレーコート等しておいてもよい。基材１１が例えば燃焼容易な樹脂シートのような場合には、図３に示すように、基材１１の裏面側に冷却水Ｗを接触させながらアセチレン炎Ｆを照射すればよい。

さらに、実施形態に係る撥水構造１０は、例えば、基材１１の表面に対して、予め接着剤をスプレーコート等しておき、その上に未造粒カーボンブラックをスプレーコート等して撥水層１２を形成することによっても得ることができる。

そして、以上の構成の実施形態に係る撥水構造１０は、例えば、水の抵抗を低減するための船舶の船底塗装に適用することができる。また、実施形態に係る撥水構造１０は、ハイドロプレーニング現象を抑制するための自転車、二輪車、自動車等のタイヤの溝の撥水処理に適用することができる。さらに、実施形態に係る撥水構造１０は、水害対策のための排水溝の撥水処理に適用することができる。実施形態に係る撥水構造１０は、その他、通行人や車両の通行に影響する道路や橋の氷結抑制、豪雪地の一般家庭の屋根や電線などへの積雪抑制、下水配管などにおける水の抵抗低減、サーフィン、スキー、スノーモービル、船舶プロペラなどのブレード表面処理、コンベアベルトの表面の撥水処理、フィルムやシートの表面の撥水処理等にも適用することができる。

なお、上記実施形態では、基材１１の直上に撥水層１２が設けられた構成としたが、特にこれに限定されるものではなく、必要に応じて基材１１と撥水層１２との間に下地層が介設されていてもよい。

（カーボンブラック）
未造粒カーボンブラック（デンカ社製デンカブラックＬｉ−１００算術平均粒子径：３５ｎｍ、比表面積：６８ｍ^２／ｇ、ヨウ素吸着量：９２ｍｇ／ｇ）と、造粒カーボンブラックＰ（三菱ケミカル社製＃４０００Ｂ）、造粒カーボンブラックＱ（三菱ケミカル社製＃４３５０Ｂ）、造粒カーボンブラックＲ（ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ社製ケッチェンブラックＥＣ３００Ｊ）、及び造粒カーボンブラックＳ（デンカ社製粒状品）とを準備した。

（カーボンブラック水没試験）
上記未造粒カーボンブラック及び造粒カーボンブラックＰ〜Ｔのそれぞれの試料をカップに入れ、その上から水を注いで水没させて撹拌した。そして、それらを一昼夜放置した後に試料を抽出し、それぞれの表面の水への濡れ具合を目視で確認した。その結果、未造粒カーボンブラックは、表面の水による濡れは確認されなかったが、造粒カーボンブラックＰ〜Ｔのいずれも、表面の水による濡れが確認された。

（撥水構造水没試験）
ｎ−ヘキサンに、上記未造粒カーボンブラックと、未硬化のシリコーン樹脂（モメンティブジャパン社製ＴＳＥ３９２Ｃ）とを投入して撹拌することによりコーティング剤を調製した。コーティング剤は、未造粒カーボンブラックの含有量が、未硬化のシリコーン樹脂１００質量部に対して７０質量部となり、且つそれらの固形分濃度が６質量％となるように調製した。このコーティング剤を、ポリカーボネート樹脂板の表面にスプレーコートして乾燥させることによりコーティング層を形成し、これを実施例１とした。

また、未硬化のシリコーン樹脂として、フィラーが分散したもの（モメンティブジャパン社製ＴＮ３０８５−Ｗ）を用いたコーティング剤を調製し、同様に、それをポリカーボネート樹脂板の表面にスプレーコートして乾燥させることによりコーティング層を形成し、これを実施例２とした。

さらに、未造粒カーボンブラックの代わりに造粒カーボンブラックＰ及び造粒カーボンブラックＳをそれぞれ用いたコーティング剤も調製し、同様に、それらをポリカーボネート樹脂板の表面にスプレーコートして乾燥させることによりコーティング層を形成し、それぞれ比較例１及び２とした。

そして、これらの実施例１及び２並びに比較例１及び２を水槽に水没させ、水槽の横から、それらの表面状態を目視で確認した。その結果、実施例１及び２では、コーティング層上に空気層が形成されているのが確認された。比較例１では、コーティング層の表面が水に濡れているのが確認された。比較例２では、コーティング層上に部分的に空気層が形成されているのが確認された。

本発明は、撥水構造及びその製造方法並びにそれに用いる撥水コーティング剤の技術分野について有用である。

１０撥水構造
１１基材
１２撥水層
２０撥水コーティング剤
Ｗ水
Ｆアセチレン炎

Claims

基材と、
前記基材の表面上に設けられた撥水層と、
を備えた撥水構造であって、
前記撥水層は、その表面に露出した未造粒カーボンブラックを含有する撥水構造。
請求項１に記載された撥水構造において、
前記撥水層は、バインダー樹脂を更に含有する撥水構造。
請求項２に記載された撥水構造において、
前記バインダー樹脂には、フィラーが分散している撥水構造。
基材の表面に対して撥水コーティング剤を塗工して撥水層を形成する撥水構造の製造方法であって、
前記撥水コーティング剤は、未造粒カーボンブラックと、未硬化のバインダー樹脂と、を含有する撥水構造の製造方法。
未造粒カーボンブラックと、未硬化のバインダー樹脂と、を含有する撥水コーティング剤。
請求項５に記載された撥水コーティング剤において、
前記未造粒カーボンブラックを分散させ且つ前記未硬化のバインダー樹脂を溶解させる有機溶剤を更に含有する撥水コーティング剤。