JP2021155617A - 流動浸漬塗装用粉体塗料 - Google Patents
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Abstract
Description
そこで、本発明の課題は、体積平均粒径D50vが20μm超え、又は気流動性エネルギーが100mJ以上である場合に比べ、流動浸漬塗装法で、薄い塗装膜を形成できる流動浸漬塗装用粉体塗料を提供することである。
<1> 体積平均粒径D50vが5μm以上20μm以下であり、
パウダーレオメータにより、50mmφの断面積のベッセルを用い、回転翼の先端スピードを100mm/sec、回転翼の進入角度を−5°、通気流量を20ml/minとする条件で測定された通気流動性エネルギーAEが5mJ以上100mJ未満である、流動浸漬塗装用粉体塗料。
<2> 体積粒度分布指標GSDvが、1.15以上1.40以下である<1>に記載の流動浸漬塗装用粉体塗料。
<3> 前記体積粒度分布指標GSDvが、1.15以上1.25以下である<2>に記載の流動浸漬塗装用粉体塗料。
<4> 流動槽に収容し、前記流動槽の底部から、前記底部の単位面積当たりの平均通気速度5mm/min以上10mm/min以下で空気を導入したとき、浮上率が10%以上20%以下である<1>〜<3>のいずれか1項に記載の流動浸漬塗装用粉体塗料。
<5> 粉体粒子と前記粉体粒子に外添された外部添加剤とを有する<1>〜<4>のいずれか1項に記載の流動浸漬塗装用粉体塗料。
<6> 前記外部添加剤が、疎水性外部添加剤である<5>に記載の流動浸漬塗装用粉体塗料。
<7> 前記外部添加剤の体積平均粒径が、5nm以上30nm以下である<5>又は<6>に記載の流動浸漬塗装用粉体塗料。
<2>、又は<3>に係る発明によれば、粉体塗料の体積粒度分布指標GSDvが、1.40超え又は1.25超えである場合に比べ、流動浸漬塗装法で、より安定して薄い塗装膜を形成できる流動浸漬塗装用粉体塗料が提供される。
<4>に係る発明によれば、流動槽に収容し、流動槽の底部から、平均通気速度5mm/min以上10mm/min以下で空気を導入したとき、浮上率が20%超えである場合に比べ、流動浸漬塗装法で、より安定して薄い塗装膜を形成できる流動浸漬塗装用粉体塗料が提供される。
なお、段階的に記載されている数値範囲において、ある数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。
また、数値範囲において、ある数値範囲で記載された上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
パウダーレオメータにより、50mmφの断面積のベッセルを用い、回転翼の先端スピードを100mm/sec、回転翼の進入角度を−5°、通気流量を20ml/minとする条件で測定された通気流動性エネルギーAEが5mJ以上100mJ未満である。
しかし、スプレー塗装では、パレットなどに被塗装物を固定して、200mm以上300mm以下離れた位置から、溶剤塗料を空間に広げて塗装するため、寸法が小さい被塗装物では塗着効率が10%以下と悪い。そのため、被塗装物の全面に塗装するには、少なくとも被塗装物を裏表2回に塗装する手法が採られている。しかも、被塗装物の裏表2回に塗装するには、被塗装物をバレットに付け直しするため、被塗装物をパレットに複数回固定するのに多くの手間がかかる。
一方で、従来の粉体塗料は、塗装膜としての連続膜が得られる最低膜厚は100μm以上と厚い。これより薄くしようとすると、表面が視認できるレベルで凸凹状態になったり不連続部分が多数視認できたりしてしまい、薄い膜状態での塗装は非常に困難であった。特に、組み立てて使用する小型の被塗装物に対しては、塗膜の厚みによる大きさのばらつきは組み立て精度ばらつきに直結し、高度な性能が要求される用途に対して流動浸漬塗装は使用でき難いのが現状である。
その原因については、粉体塗料の体積平均粒径が大きい(例えば50μm以上)こと、また、流動性が悪いことに起因するものであると考えられる。
そのため、流動槽に収容した粉体塗料に、流動槽の空気を導入したとき、粉体塗料が嵩密度を高いままに保った低浮上率で、流動状態となる。この流動状態の粉体塗料に、予熱した被塗装物を浸漬すれば、被塗装物に粉体塗料が軟化吸着したとき、粉体塗料の、緻密でかつ連続した薄い膜が形成され、その膜の状態を保ったままで、被塗装物が粉体塗料から出される。
そして、被塗装物を粉体塗料から出した後、粉体塗料の膜を加熱することで、粉体塗料が溶融し、連続で薄い塗装膜(例えば、連続で、膜厚20μm以上50μm以下の塗装膜)が形成される。
本実施形態に係る粉体塗料の体積平均粒径D50vは、5μm以上20μm以下である。
粉体塗料の体積平均D50vを20μm以下とすることで、流動浸漬塗装法で、薄い塗装膜を形成できる。一方、粉体塗料の体積平均粒径D50vを5μm未満とすると、空気流によって舞い上がった粒子がなかなか落下しないなど、安定な粉体塗料の流動状態を確保できず、連続的な流動浸漬塗装が困難となる。
粉体塗料の体積平均粒径D50vは、5μm以上15μm以下が好ましく、7μm以上12μm以下がより好ましい。
本実施形態に係る粉体塗料の通気流動性エネルギーAEは、5mJ以上100mJ未満である。
粉体塗料の通気流動性エネルギーAEを100mJ未満とすることで、粉体塗料の流動性が高く、粉体塗料の流動相が密となり、薄くて緻密な吸着層が形成され、平滑で薄く連続的な塗装膜が形成できる。
一方、粉体塗料の通気流動性エネルギーAEを5mJ以下とすると、粉体塗料の流動性が高くなりすぎて、粉体塗料の流動相が疎になりすぎて、被塗装物への付着量が少なくなるため、緻密な吸着層が形成できず、焼き付け後に薄くなりすぎて、不連続で、表面が荒れた塗膜となる。
粉体塗料の通気流動性エネルギーAEは、7mJ以上80mJ以下が好ましく、7mJ以上60以下がより好ましく、10mJ以上50mJ以下がさらに好ましい。
通気流動性エネルギーAEは、パウダーレオメータを用いて回転翼の先端スピードを100mm/sec、回転翼の進入角度を−5°、通気流量を10ml/minとする条件で測定する。
パウダーレオメータは、充填した粉体中を回転翼が螺旋状に回転することによって得られる回転トルクと垂直荷重とを同時に測定して、流動性を直接的に求める流動性測定装置である。回転トルクと垂直荷重の両方を測定することで、粉体自身の特性や外部環境の影響を含めた流動性について、高感度に検出する。また、粒子の充填の状態を一定とした上で測定を行うため、再現性の良好なデータを得られる。
また、誤差による影響を少なくするため、このコンディショニングとエネルギー測定操作のサイクルを5回行って得られた平均値を、流動性エネルギー量(mJ)とする。
本実施形態に係る粉体塗料の浮上率は、20%以下が好ましい。
浮上率を低くとすることで、空気の導入により流動槽内の粉体塗料が流動状態となっても、嵩密度を高いままに保ったままとなりやすい。そのため、緻密で薄い粉体塗料の膜が被塗装物に付着しやすくなる。その結果、流動浸漬塗装法で、薄く連続な塗装膜を形成できやすくなる。
一方、浮上率が低すぎると、空気の導入により流動槽内の粉体塗料が流動状態になり難くなる。そのため、浮上率の下限は、5%以上が好ましく、7%以上がより好ましく、10%以上がより好ましく、15%以上がさらに好ましい。
特に、浮上率は、10%以上20%以下が好ましく、15%以上20%以下がより好ましい。
そして、浮上率は、次の式Hにより算出する。
式H:浮上率(%)=(H2−H1)/H1×100
式H中、H1は、空気を導入していないときの、流動槽に収容された粉体塗料の表面の高さ(つまり、流動槽の底部から粉体塗料の表面までの高さ)を示す。
H2は、空気を導入したときの、流動槽に収容された粉体塗料の表面の高さ(つまり、流動槽の底部から粉体塗料の表面までの高さ)を示す。
一例として50mmφの断面積の流動槽では、底部面積約20mm2であり、空気量20ml/minは平均通気速度10mm/minに相当する。
粉体塗料の体積粒度分布指標GSDvは、流動浸漬塗装法で、薄い塗装膜を形成する観点から、1.15以上1.40以下が好ましく、1.15以上1.30以下が好ましく、1.15以上1.25以下がより好ましい。粒度分布が悪くても、当初は顕著な塗膜品質の劣化はないが、連続的に塗装する場合に、徐々に残留する粒径分布が変化し、品質が安定しない結果となることがある。
測定に際しては、分散剤として、界面活性剤(アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウムが好ましい)の5質量%水溶液2ml中に測定試料を0.5mg以上50mg以下加える。これを電解液100ml以上150ml以下中に添加する。
試料を懸濁した電解液は超音波分散器で1分間分散処理を行い、コールターマルチサイザーIIにより、アパーチャー径として50μmのアパーチャーを用いて1μm以上30μm以下の範囲の粒径の粒子の粒度分布を測定する。サンプリングする粒子数は50000個である。
測定される粒度分布を基にして分割された粒度範囲(チャンネル)に対して体積基準の累積分布を小径側から描いて、累積16%となる粒径を体積粒径D16v、累積50%となる粒径を体積平均粒径D50v、累積84%となる粒径を体積粒径D84vと定義する。体積粒度分布指標GSDvは(D84v/D16v)として算出される。
粉体塗料の軟化温度は、ガラス転移温度であり、測定方法は、次の通りである。ガラス転移温度は、示差走査熱量測定(DSC)により得られたDSC曲線より求め、より具体的にはJIS K7121−1987「プラスチックの転移温度測定方法」のガラス転移温度の求め方に記載の「補外ガラス転移開始温度」により求められる。
粉体塗料の溶融温度の測定方法は、次の通りである。
溶融温度は、高化式フローテスターCFT−500(島津製作所社製)を用い、ダイスの細孔の径を0.5mm、加圧荷重を0.98MPa(10kgf/cm2)、昇温速度を1℃/分とした条件下で、1cm3の試料を溶融流出させた時の流出開始点の温度として求められるものである。
本実施形態に係る粉体塗料は、例えば、粉体粒子と、外部添加剤と、を有する。
粉体粒子は、樹脂を含む。粉体粒子には、着色剤、その他添加剤を含んでもよい。
樹脂は、熱可塑性樹脂、及び熱硬化性樹脂のいずれの樹脂を適用してもよい。
一方、塗装膜の強度向上の観点から、樹脂は、熱硬化性樹脂を適用することが好ましい。ただし、樹脂として、熱硬化性樹脂を適用する場合、熱可塑性樹脂を併用してもよい。例えば、全樹脂に占める熱可塑性樹脂の割合は、塗装膜の硬化密度(架橋密度)向上の観点から、5質量%以下が好ましく、1質量%以下がより好ましく、実質的に含まれていないことが好ましい。即ち、粉体粒子に含まれる樹脂は、熱硬化性樹脂のみであることが好ましい。熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂を併用する場合には、双方、同じ樹脂種であることが好ましい。
なお、樹脂として、熱硬化性樹脂を適用する場合、粉体粒子には、熱硬化剤も含む。
熱可塑性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、セルロース樹脂、ポリエーテル樹脂、変性ロジン等の非ビニル系樹脂、これらと前記ビニル系樹脂との混合物、又は、これらの共存下でビニル系単量体を重合して得られるグラフト重合体等も挙げられる。
これらの熱可塑性樹脂は、1種類単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
熱硬化性樹脂としては、熱硬化性エポキシ樹脂、熱硬化性(メタ)アクリル樹脂、熱硬化性シリコーン樹脂、熱硬化性フェノール樹脂、熱硬化性ポリイミド樹脂、熱硬化性ポリウレタン樹脂、熱硬化性メラミン樹脂、熱硬化性ユリア樹脂等が挙げられる。
なお、熱硬化性樹脂は、非水溶性(疎水性)の樹脂であることがよい。熱硬化性樹脂として非水溶性(疎水性)の樹脂を適用すると、粉体塗料(粉体粒子)の環境依存性が低減される。また、粉体粒子を凝集合一法で作製する場合、水性媒体中で乳化分散を実現する点からも、熱硬化性樹脂は、非水溶性(疎水性)の樹脂であることがよい。非水溶性(疎水性)とは、25℃の水100質量部に対する対象物質の溶解量が5質量部未満であることを意味する。
熱硬化性(メタ)アクリル樹脂は、熱硬化反応性基を有する(メタ)アクリル樹脂である。熱硬化性(メタ)アクリル樹脂への熱硬化反応性基の導入は、熱硬化反応性基を有するビニル単量体を用いることがよい。熱硬化反応性基を有するビニル単量体は、(メタ)アクリル単量体((メタ)アクリロイル基を有する単量体)であってもよいし、(メタ)アクリル単量体以外のビニル単量体であってもよい。
他のビニル単量体としては、各種のα−オレフィン(例えば、エチレン、プロピレン、ブテン−1等)、フルオロオレフィンを除く各種のハロゲン化オレフィン(例えば、塩化ビニル、塩化ビニリデン等)、各種の芳香族ビニル単量体(例えば、スチレン、α−メチルスチレン、ビニルトルエン等)、各種の不飽和ジカルボン酸と炭素数1以上18以下の1価アルコールとのジエステル(例えば、フマル酸ジメチル、フマル酸ジエチル、フマル酸ジブチル、フマル酸ジオクチル、マレイン酸ジメチル、マレイン酸ジエチル、マレイン酸ジブチル、マレイン酸ジオクチル、イタコン酸ジメチル、イタコン酸ジエチル、イタコン酸ジブチル、イタコン酸ジオクチル等)、各種の酸無水基含有単量体(例えば、無水マレイン酸、無水イタコン酸、無水シトラコン酸、無水(メタ)アクリル酸、無水テトラヒドロフタル酸等)、各種のリン酸ステル基含有単量体(例えば、ジエチル−2−(メタ)アクリロイルオキシエチルフォスフェート、ジブチル−2−(メタ)アクリロイルオキシブチルフォスフェート、ジオクチル−2−(メタ)アクリロイルオキシエチルフォスフェート、ジフェニル−2−(メタ)アクリロイルオキシエチルフォスフェート等)、各種の加水分解性シリル基含有単量体(例えば、γ−(メタ)アクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン、γ−(メタ)アクリロイルオキシプロピルトリエトキシシラン、γ−(メタ)アクリロイルオキシプロピルメチルジメトキシシラン等)、各種の脂肪族カルボン酸ビニル(例えば、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、イソ酪酸ビニル、カプロン酸ビニル、カプリル酸ビニル、カプリン酸ビニル、ラウリン酸ビニル、炭素原子数9以上11以下の分岐状脂肪族カルボン酸ビニル、ステアリン酸ビニル等)、環状構造を有するカルボン酸の各種のビニルエステル(例えば、シクロヘキサンカルボン酸ビニル、メチルシクロヘキサンカルボン酸ビニル、安息香酸ビニル、p−tert−ブチル安息香酸ビニル等)などが挙げられる。
熱硬化性(メタ)アクリル樹脂は、塗装膜の平滑性に優れる観点から、数平均分子量が1,000以上20,000以下であることが好ましく、1,500以上15,000以下であることがより好ましい。
熱硬化性ポリエステル樹脂は、例えば、多塩基酸と多価アルコールとを少なくとも重縮合した重縮合体である。熱硬化性ポリエステル樹脂への熱硬化反応性基の導入は、多塩基酸と多価アルコールとの使用量を調整することにより行う。この調整により、熱硬化反応性基として、カルボキシル基及び水酸基の少なくとも一方を有する熱硬化性ポリエステル樹脂が得られる。
他の単量体としては、例えば、一分子中にカルボキシル基と水酸基とを併せ有する化合物(例えば、ジメタノールプロピオン酸、ヒドロキシピバレート等)、モノエポキシ化合物(例えば、「カージュラE10(シェル社)」等の分岐脂肪族カルボン酸のグリシジルエステル)など)、種々の1価アルコール(例えば、メタノール、プロパノール、ブタノール、ベンジルアルコール等)、種々の1価の塩基酸(例えば、安息香酸、p−tert−ブチル安息香酸等)、種々の脂肪酸(例えば、ひまし油脂肪酸、ヤシ油脂肪酸、大豆油脂肪酸の等)等が挙げられる。
熱硬化性樹脂は、低温で焼き付けた場合でも塗装膜の平滑性に優れる観点から、ガラス転移温度(Tg)が65℃以下であることが好ましく、60℃以下であることがより好ましい。また、ブロッキング等の保管安定性の観点から、40℃以上であることが好ましい。
熱硬化性樹脂は、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
熱硬化性樹脂の含有量は、粉体粒子全体に対して、20質量%以上99質量%以下が好ましく、30質量%以上95質量%以下が好ましい。
なお、後述するように、粉体粒子がコア/シェル型粒子である場合、樹脂被覆部の樹脂として熱硬化性樹脂を適用する場合には、上記の熱硬化性樹脂の含有量は、芯部及び樹脂被覆部の全熱硬化性樹脂の合計含有量を意味する。
熱硬化剤は、熱硬化性樹脂の熱硬化反応性基の種類に応じて選択される。
具体的には、熱硬化性樹脂の熱硬化反応性基がエポキシ基の場合、熱硬化剤としては、例えば、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、ドデカン二酸、エイコサン二酸、マレイン酸、シトラコン酸、イタコン酸、グルタコン酸、フタル酸、トリメリット酸、ピロメリット酸、テトラヒドロフタル酸、ヘキサヒドロフタル酸、シクロヘキセン−1,2−ジカルボン酸、トリメリット酸、ピロメリット酸等の酸;これら酸の無水物;これらの酸のウレタン変性物;などが挙げられる。これらの中でも、熱硬化剤としては、塗装膜物性及び貯蔵安定性の観点から、脂肪族二塩基酸が好ましく、塗装膜物性の点から、ドデカン二酸が特に好ましい。
なお、後述するように、粉体粒子がコア/シェル型粒子である際、樹脂被覆部の樹脂として熱硬化性樹脂を適用する場合には、上記の熱硬化剤の含有量は、芯部及び樹脂被覆部の全熱硬化性樹脂に対する含有量を意味する。
着色剤としては、例えば、顔料が挙げられる。着色剤は、顔料と共に染料を併用してもよい。
顔料としては、例えば、酸化鉄(例えば、ベンガラ等)、酸化チタン、チタン黄 、亜鉛華、鉛白、硫化亜鉛、リトポン、酸化アンチモン、コバルトブルー、カーボンブラック等の無機顔料;キナクリドンレッド、フタロシアニンブルー、フタロシアニングリーン、パーマネントレッド、ハンザイエロー、インダンスレンブルー、ブリリアントファーストスカーレット、ベンツイミダゾロンイエロー等の有機顔料;などが挙げられる。
顔料としては、その他、光輝性顔料も挙げられる。光輝性顔料としては、例えば、パール顔料、アルミニウム粉、ステンレス鋼粉等の金属粉;金属フレーク;ガラスビーズ;ガラスフレーク;雲母;リン片状酸化鉄(MIO);などが挙げられる。
その他添加剤としては、粉体塗料に使用される各種の添加剤が挙げられる。具体的には、その他添加剤としては、例えば、表面調整剤(シリコーンオイル、アクリルオリゴマー等)、発泡(ワキ)防止剤(例えば、ベンゾイン、ベンゾイン誘導体等)、硬化促進剤(アミン化合物、イミダゾール化合物、カチオン重合触媒等)、可塑剤、帯電制御剤、酸化防止剤、顔料分散剤、難燃剤、流動付与剤等が挙げられる。
粉体粒子の体積平均粒径D50vは、被塗装面に粉体塗料がより均一性高く付着し、結果、塗装膜の鮮映性をより高める観点から、5μm以上20μm以下が好ましく、5μm以上15μm以下がより好ましく、7μm以上12μm以下が更に好ましい。
粉体粒子は、芯部と、該芯部の表面を被覆する樹脂被覆部と、を有するコア/シェル型粒子であってよい。この際、芯部は、樹脂の他、必要に応じて、前述した、着色剤等のその他の添加剤を含有することがよい。
樹脂被覆部は、樹脂のみで構成されていてもよいし、他の成分(芯部を構成する成分として説明した熱硬化剤、その他の添加剤等)を含んでいてもよい。
ただし、ブリードを低減させる点から、樹脂被覆部は、樹脂のみで構成されていることがよい。なお、樹脂被覆部が、樹脂以外の他の成分を含む場合でも、樹脂は樹脂被覆部全体の90質量%以上(好ましくは95質量%以上)を占めることがよい。
樹脂被覆部の樹脂として、熱硬化性樹脂を適用する場合、この熱硬化性樹脂としては、芯部の熱硬化性樹脂と同様なものが挙げられ、好ましい例も同様である。但し、樹脂被覆部の熱硬化性樹脂は、芯部の熱硬化性樹脂と同じ種類の樹脂であってもよいし、異なる樹脂であってもよい。
樹脂被覆部の被覆率は、粉体粒子表面の樹脂被覆部の被覆率はXPS(X線光電子分光)測定により求められた値である。
具体的には、XPS測定は、測定装置として日本電子社製、JPS−9000MXを使用し、X線源としてMgKα線を用い、加速電圧を10kV、エミッション電流を30mAに設定して実施する。
上記条件で得られたスペクトルから、粉体粒子表面の芯部の材料に起因する成分と被覆樹脂部の材料に起因する成分をピーク分離することによって、粉体粒子表面の樹脂被覆部の被覆率を定量する。ピーク分離は、測定されたスペクトルを、最小二乗法によるカーブフィッティングを用いて各成分に分離する。
分離のベースとなる成分スペクトルは、粉体粒子の作製に用いた熱硬化性樹脂、硬化剤、顔料、添加剤、被覆用樹脂を単独に測定して得られたスペクトルを用いる。そして、粉体粒子で得られた全スペクトル強度の総和に対しての被覆用樹脂に起因するスペクトル強度の比率から、被覆率を求める。
樹脂被覆部の厚さは、次の方法により測定された値である。粉体粒子をエポキシ樹脂などに包埋し、ダイヤモンドナイフなどで切削することで薄切片を作製する。この薄切片を透過型電子顕微鏡(TEM)などで観察、複数の粉体粒子の断面画像を撮影する。粉体粒子の断面画像から樹脂被覆部の厚みを20か所測定して、その平均値を採用する。クリア粉体塗料などで断面画像において樹脂被覆部の観察が難しい場合は、染色を行って観察することで、測定を容易にすることもできる。
外部添加剤としては、例えば、無機粒子が挙げられる。無機粒子として、SiO2、TiO2、Al2O3、CuO、ZnO、SnO2、CeO2、Fe2O3、MgO、BaO、CaO、K2O、Na2O、ZrO2、CaO・SiO2、K2O・(TiO2)n、Al2O3・2SiO2、CaCO3、MgCO3、BaSO4、MgSO4等の粒子が挙げられる。
具体的には、シリカ粒子としては、例えば、ゾルゲルシリカ粒子、水性コロイダルシリカ粒子、アルコール性シリカ粒子、気相法により得られるフュームドシリカ粒子、溶融シリカ粒子が挙げられる。
疎水性外部添加剤は、表面に疎水化処理が施されている。疎水化処理は、例えば、疎水化処理剤に外部添加剤(無機粒子等)を浸漬する等して行う。疎水化処理剤は特に制限されないが、例えば、シランカップリング剤、シラン、シリコーンオイル、チタネート系カップリング剤、アルミニウム系カップリング剤等が挙げられる。これらは1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。疎水化処理剤の量は、例えば、無機粒子100質量部に対して1質量部以上10質量部以下である。
外部添加剤の疎水化度は、イオン交換水50mlに、試料となるシリカ粒子を0.2質量%入れ、マグネティックスターラーで攪拌しながらビュレットからメタノールを滴下し、試料全量が沈んだ終点におけるメタノール−水混合溶液中のメタノール質量分率を、疎水化度として求める。
外部添加剤が外添された粉体塗料を、走査型電子顕微鏡(SEM)((株)日立ハイテクノロジーズ製、S−4700)を用いて、倍率4万倍で画像を撮影、加速電圧15kV、エミッション電流20μA、WD15mmで観察する。特定した外部添加剤を画像処理解析ソフトWinRoof(三谷商事(株)製)で解析し、外部添加剤の円相当径を求め、少なくとも200個の粒子について粒径(円相当径)を測定し、粒径の体積基準の分布において小径側から累積50%となる粒径である体積平均粒径を求める。
次に、本実施形態に係る粉体塗料の製造方法について説明する。
本実施形態に係る粉体塗料は、粉体粒子を製造後、必要に応じて、粉体粒子に対して、外部添加剤を外添することで得られる。
樹脂を含む複合粒子が分散された分散液中で、前記複合粒子を凝集して第1凝集粒子を形成する第1凝集工程と、
前記第1凝集粒子が分散された第1凝集粒子分散液と、樹脂を含む第2樹脂粒子が分散された第2樹脂粒子分散液とを混合し、前記第1凝集粒子の表面に前記第2樹脂粒子を凝集して、前記第2樹脂粒子が前記第1凝集粒子の表面に付着した第2凝集粒子を形成する第2凝集工程と、
前記前記第2凝集粒子が分散された第2凝集粒子分散液に対して加熱して、前記第2凝集粒子を融合及び合一する工程と、
を経て、粉体粒子を製造することが好ましい。
なお、第2凝集工程を省略し、単層構造の粉体粒子を製造してもよい。
まず、凝集合一法で使用する各分散液を準備する。具体的には、芯部の樹脂を含む第1樹脂粒子が分散された第1樹脂粒子分散液、熱硬化剤が分散された熱硬化剤分散液、着色剤が分散された着色剤分散液、樹脂被覆部の樹脂を含む第2樹脂粒子が分散された第2樹脂粒子分散液を準備する。
以下、第1樹脂粒子、第2樹脂粒子及び複合粒子を「樹脂粒子」と総称して説明する。
水性媒体としては、例えば、蒸留水、イオン交換水等の水、アルコール類等が挙げられる。これらは、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
界面活性剤は、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
転相乳化法とは、分散すべき樹脂をその樹脂が可溶な疎水性有機溶剤中に溶解せしめ、有機連続相(O相)に塩基を加えて中和したのち、水性媒体(W相)を投入することによって、W/OからO/Wへの樹脂の変換(いわゆる転相)が行われて不連続相化し、樹脂を水性媒体中に粒子状に分散する方法である。
ポリエステル樹脂粒子分散液の場合、ポリエステル樹脂を構成する単量体を加熱溶融し減圧下で重縮合させ、得られた重縮合体に溶剤(例えば、酢酸エチル等)を加え溶解し、さらにアルカリ性水溶液を加えながら攪拌し転相乳化することによって、ポリエステル樹脂粒子が分散された樹脂粒子分散を得る。
塩基性化合物としてはアンモニア、沸点が250℃以下の有機アミン化合物等が挙げられるが、使用される塩基性化合物の全量に対し、10モル%以上がアンモニアであることが好ましく、25モル%以上がアンモニアであることがより好ましく、50モル%以上がアンモニアであることが更に好ましい。上記中和反応をアンモニアを用いて行うことにより、粉体塗料における上記アンモニウムイオン量が調整される。好ましい有機アミン化合物の例としては、トリエチルアミン、N,N−ジエチルエタノールアミン、N,N−ジメチルエタノールアミン、アミノエタノールアミン、N−メチル−N,N−ジエタノールアミン、イソプロピルアミン、イミノビスプロピルアミン、エチルアミン、ジエチルアミン、3−エトキシプロピルアミン、3−ジエチルアミノプロピルアミン、sec−ブチルアミン、プロピルアミン、メチルアミノプロピルアミン、ジメチルアミノプロピルアミン、メチルイミノビスプロピルアミン、3−メトキシプロピルアミン、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、モルホリン、N−メチルモルホリン、N−エチルモルホリン等が挙げられる。
塩基性化合物は、熱硬化性ポリエステル樹脂中に含まれるカルボキシ基に応じて、少なくとも部分中和し得る量、すなわち、カルボキシル基に対して0.2倍当量以上9.0倍当量以下を添加することが好ましく、0.6倍当量以上2.0倍当量以下を添加することがより好ましい。0.2倍当量以上であれば、塩基性化合物添加の効果が認められ易い。9.0倍当量以下であれば、油相の親水性が過剰に増すことが抑制されるためと思われるが、粒径分布が広くなりにくく良好な分散液を得られやすい。
樹脂粒子の体積平均粒径は、レーザ回折式粒度分布測定装置(例えば、LA−700、堀場製作所)の測定によって得られた粒度分布を用い、分割された粒度範囲(チャンネル)に対し、体積について小粒径側から累積分布を描き、全粒子に対して体積50%となる粒径を体積平均粒径D50vとする。他の分散液中の粒子の体積平均粒径も同様に測定される。
次に、第1樹脂粒子分散液と、熱硬化剤分散液と、着色剤分散液と、を混合する。
そして、混合分散液中で、第1樹脂粒子と熱硬化剤と着色剤とをヘテロ凝集させ目的とする粉体粒子の径に近い径を有する、第1樹脂粒子と熱硬化剤と着色剤とを含む第1凝集粒子を形成する。
次に、得られた第1凝集粒子が分散された第1凝集粒子分散液と、第2樹脂粒子分散液とを混合する。第2樹脂粒子は第1樹脂粒子と同種であってもよいし、異種であってもよい。
上記pH調整を、アンモニアの添加によって行うことにより、粉体粒子における上記アンモニウムイオン濃度が調整される。
上記アンモニアはアンモニア水として添加することが好ましい。
アンモニアの添加量は、混合分散液中のアンモニウムイオン濃度が、0.0001質量%以上0.005質量%となるように添加することが好ましい。
これにより、第1凝集粒子の表面に第2樹脂粒子が付着するようにして凝集した第2凝集粒子が得られる。
次に、第2凝集粒子が分散された第2凝集粒子分散液に対して、例えば、第1及び第2樹脂粒子のガラス転移温度以上(例えば、第1及び第2樹脂粒子のガラス転移温度より10から30℃高い温度以上)に加熱して、第2凝集粒子を融合合一し、粉体粒子を形成する。
融合合一工程において、加熱前のpHを8.0以上とした後に加熱することにより、0.0≦(Xb/(Xc+Xo))/((Xrb/(Xrc+Xro))≦0.01を満たす粉体塗料が得られる。上記pHは8.5以上であることが好ましく、9.0以上であることがより好ましい。
得られた粉体粒子を含む溶液に対し、アンモニアを添加することにより、粉体粒子における上記アンモニウムイオン濃度が調整される。
上記アンモニアはアンモニア水として添加することが好ましい。
アンモニアの添加量は、粉体粒子を含む溶液中のアンモニウムイオン濃度が、0.0001質量%以上0.005質量%となるように添加することが好ましい。
本実施形態に係る流動浸漬塗装法は、粉体塗料を収容した流動槽の底部から空気を導入した状態で、予熱した被塗装物を粉体塗料の少なくとも一部に浸漬し、粉体塗料から出した後、前記被塗装物に付着した粉体塗料の膜を加熱する方法である。そして、粉体塗料として、上記本実施形態に係る粉体塗料を適用する。
本実施形態に係る流動浸漬塗装法は、周知の流動浸漬塗布装置を利用して実施することができる。
被塗装物を粉体塗料に浸漬する前、又は、浸漬している間、粉体塗料に振動を付与してもよい。
被塗装物を粉体塗料に浸漬している間、被塗装物は、静止状態でもよいが、例えば、10〜20mm/secで直線状又は円弧を描くように移動させてもよい。
被塗装物は、一部を粉体塗料に浸漬しても、全部を粉体塗料に浸漬してもよく、塗装膜を形成する領域に応じて選択する。
平均通気速度が少すぎると、粉体塗料の流動性が確保できず、被塗装物に不連続に粉体塗料が接着し、塗装膜が連続膜にならないことがある。一方、平均通気速度が大きすぎると、必要な嵩密度(およそ80%以上)が確保できず、軟化接着膜の緻密さが失われ、凹凸が激しかったり欠陥ができて、溶融後の塗装膜の品質が悪くなることがある。
なお、流動槽の底部から、単位時間(min)当たりに導入する空気の体積を流動槽の底部(その空気導入面)の面積で割った値が、平均通気速度である。
浮上率が少すぎると、粉体塗料の流動性が確保できず、被塗装物に不連続に粉体塗料が接着し、塗装膜が連続膜にならないことがある。一方、浮上率が大きすぎると、必要な嵩密度(およそ80%以上)が確保できず、軟化接着膜の緻密さが失われ、凹凸が激しかったり欠陥ができて、溶融後の塗装膜の品質が悪くなることがある。
なお、浮上率は、上述した式Hにより算出する。
被塗装物の温度を上記範囲とすることで、必要な粉体塗料の軟化接着が生じ、連続薄膜塗装を実現できる易くなる。
特に、被塗装物を粉体塗料に浸漬直後から、5秒以上、被塗装物の表面温度が粉体塗料の軟化温度以上融解温度以下の範囲を保つことが好ましい。
なお、被塗装物の温度とは、被塗装物を粉体塗料に浸漬した時の被塗装物の表面温度である。
予熱温度が低すぎかつ再加熱がなされない場合は、必要な粉体塗料の軟化接着時間経過を待たずに被塗装物の温度が下がりすぎてしまい、塗着不足が発生することがある。同じく、予熱温度が高すぎる場合、浸漬開始時に被塗装物表面に溶融液滴ができてしまうことがある。そのため、連続した塗装膜が得られない。
なお、粉体塗料の軟化温度及び溶融温度の測定方法は、後述する通りである。
(熱硬化性アクリル樹脂粒子分散液(A1)の調製)
・スチレン: 160質量部
・メタクリル酸メチル: 200質量部
・n−ブチルアクリレート: 140質量部
・アクリル酸: 12質量部
・メタクリル酸グリシジル: 100質量部
・ドデカンチオール: 12質量部
上記成分を混合溶解したモノマー溶液Aを調製した。
この状態で、重合用フラスコ中に、定量ポンプを介して過硫酸アンモニウム9質量部をイオン交換水43質量部に溶解した溶液を20分かけて滴下した後、さらに、単量体乳化液Aを定量ポンプを介して200分かけて滴下した。滴下終了後、ゆっくりと攪拌を続けながら重合用フラスコを75℃に、3時間保持して重合を終了し、固形分量が42%のアニオン性の熱硬化性アクリル樹脂粒子分散液(A1)を得た。
アニオン性の熱硬化性アクリル樹脂粒子分散液(A1)中に含まれる熱硬化性アクリル樹脂粒子は、体積平均粒径220nm、ガラス転移温度は55℃、重量平均分子量は24000であった。
・ドデカンニ酸: 50質量部
・ベンゾイン: 1質量部
・アクリルオリゴマー(アクロナール4F、BASF社): 1質量部
・アニオン性界面活性剤(ダウケミカル社製、ダウファクス): 5質量部
・イオン交換水: 200質量部
上記成分を圧力容器中で140℃に加熱して、ホモジナイザー(IKA社製:ウルトラタラックスT50)を用いて分散した後、マントンゴーリン高圧ホモジナイザ(ゴ−リン社)で分散処理し、平均粒径が0.24μmである硬化剤及びその他添加剤を分散させてなる熱硬化剤分散液(D1)(硬化剤濃度:23%)を調製した。
−凝集工程−
・熱硬化性アクリル樹脂粒子分散液(A1): 200質量部(樹脂84質量部)
・熱硬化剤分散液(D1): 91質量部(硬化剤21質量部)
・10%ポリ塩化アルミニウム: 1質量部
上記成分を丸型ステンレス製フラスコ中でホモジナイザー(IKA社製、ウルトラタラックス T50)で十分に混合・分散した後、加熱用オイルバスでフラスコを攪拌しながら48℃まで加熱し、48℃で60分間保持し、凝集粒子を8.8μmまで成長させた後、シェル系成分である熱硬化性アクリル樹脂粒子分散液(A1)を68質量部(樹脂28.56質量部)追加して緩やかに攪拌した。
その後、0.5モル/リットルの水酸化ナトリウム水溶液でフラスコ内のpHを5.0に調整した後、攪拌を継続しながら95℃まで加熱した。フラスコ内を95℃まで加熱し終えた後、この状態を4時間維持した。温度を95℃に保持した際のpHは4.0程度であった。
反応終了後、フラスコ内の溶液を冷却し、濾過することにより固形分を得た。次に、この固形分を、イオン交換水で十分に洗浄した後、ヌッチェ式吸引濾過で固液分離し、再度固形分を得た。
次に、この固形分を40℃のイオン交換水3リットル中に再分散し、15分、300rpmで攪拌、洗浄した。この洗浄操作を5回繰り返し、ヌッチェ式吸引濾過で固液分離して得られた固形分を12時間真空乾燥させた。
その後、固形分の粉体粒子100質量部に対して、疎水性シリカ粒子(体積平均粒径8nm)0.5質量部を外部添加剤として混合して、アクリル樹脂制のクリア粉体塗料(PCA1)を得た。
クリア粉体塗料をエポキシ樹脂に包埋し後、切削し、粒子の断面像を透過型電子顕微鏡で観察したところ、粉体粒子表面が被覆樹脂部で被覆されていることが確認された。
乾燥後の粉体粒子100部に、体積平均粒径8nmの疎水性シリカ粒子0.51部を外添し、粉体塗料を得た。
実施例1と同じ方法で、凝集過程において時間を延ばし、凝集粒子を12μmまで成長させたのちに、シェル系成分を加え、合一融合させ、ろ過乾燥後、体積平均粒径16.7μm、GSDv1.19、平均円形度Caが0.95の粉体粒子を得た。
得られた粉体粒子100部に対して、体積平均粒径8nmの疎水性シリカ粒子0.47部を外添し、クリア粉体塗料(PCA2)を得た。
実施例1と同じ方法で、5μmまで成長させたのちに、シェル系成分を加え、合一融合させ、ろ過乾燥後、体積平均粒径6.1μm、GSDv1.24、平均円形度Caが0.99の粉体粒子を得た。
得られた粉体粒子100部に対して、体積平均粒径8nmの疎水性シリカ粒子0.61部を外添し、クリア粉体塗料(PCA3)を得た。
混練粉砕法により製造された市販のポリエステル製粉体塗料(商品名「783−900クリア粉体粒子」久保孝社製)をターボミルR型T400−4RS110(フロイント・ターボ社製)にて回転速度2500min−1にて粉砕し、エルボージェットLABO(日鉄鉱業社製)にて中径分を分級して、体積平均粒径11.5μm、GSDv1.37、平均円形度Caが0.93の粉体粒子を得た。
得られた粉体粒子100部に対して、体積平均粒径8nmの疎水性シリカ粒子0.61部を外添してクリア粉体塗料(PCA4)を得た。
実施例4と同じ操作で、ターボミルの回転数を2050min−1として更に分級し、体積平均粒径14.8μm、GSDv1.23、平均円形度Caが0.91の粉体粒子を得た。
得られた粉体粒子100部に対して、体積平均粒径8nmの疎水性シリカ粒子0.55部を外添して、クリア粉体塗料(PCA5)を得た。
実施例4と同じ操作で、エルボージェットの回転数を1800min−1として更に分級し、体積平均粒径18.9μm、GSDv1.20、平均円形度Caが0.90の粉体粒子を得た。
得られた粉体粒子100部に対して、体積平均粒径8nmの疎水性シリカ粒子0.70部を外添して、クリア粉体塗料(PCA6)を得た。
実施例4において、エルボージェットで分級カットされた微粉を更に分級して、体積平均粒径4.8μm、GSDv1.41、平均円形度Caが0.95の粉体粒子を得た。
得られた粉体粒子100部に対して、体積平均粒径8nmの疎水性シリカ粒子0.90部を外添して、粉体塗料(PCC1)を得た。
実施例4において、エルボージェットで分級カットされた粗粉を更に分級して、体積平均粒径21μm、GSDv1.19、平均円形度Caが0.90の粉体粒子を得た。
得られた粉体粒子100部に対して、体積平均粒径8nmの疎水性シリカ粒子0.40部を外添して、粉体塗料(PCC2)を得た。
疎水性シリカ粒子を外添しない実施例4で得た粉体粒子を、粉体塗料(PCC3)とした。
実施例3で得た粉体粒子100部に対して、体積平均粒径8nmの疎水性シリカ粒子1.8部を外添し、粉体塗料(PCC4)とした。
(粉体塗料の各種特性)
記述の方法に従って、粉体塗料の各種特性を調べた。その結果を表中に示す。
・体積平均粒径D50v
・体積粒度分布指標GSDv
・平均円形度Ca
・通気流動性エネルギーAE
・浮上率
なお、表には、外部添加剤の体積平均粒径(表中は単に「粒径」と表記)も示す。
底部として円盤状の上面が2,300メッシュ(目開き5μm)のステンレス製空気導入面を有する金属治具と、側部として内径50mmΦ(断面積約2,000mm2)のガラス管(厚み3mm)と、で構成される流動槽を準備した。
次に、流動槽に粉体塗料を、容積が80mLになるように投入した。
次に、流動槽の底部から、空気導入後の粉体塗料の嵩が90mL(浮上率12.85%)近傍になるように空気を導入した。実施例1〜6の粉体塗料では、流動性が高く20mL/minの空気量、すなわち10mm/minの平均通気速度で、10〜18%の浮上率が得られた。流動状態の安定化のために、流動槽に、100Hzの振動を付与した。
次に、ホットプレートで加熱したアルミ基板(縦35mm×横75mm×厚さ3mmのアルミ基材)を浸漬した。アルミ基材の予熱温度はホットプレートの設定温度として110℃とした。また、アルミ基材は、粉体塗料に浸漬している間、10〜20mm/secでゆっくり円弧を描くように移動させた。
次に、浸漬してから10秒経過後、アルミ基材を粉体塗料から引き上げた。
そして、アルミ基材に付着した粉体塗料の膜を、180℃30分間加熱して、焼き付けて、塗装膜を形成した。
A:塗装膜が、連続な平滑膜となった。
B:多少表面凹凸はあるものの連続な膜となった
C:下地が見える不連続膜となった。
D:ほとんど、粉体塗料が塗着しなかった
また、比較例1の粉体塗料では、粒径が小さすぎて、塗膜の膜厚が薄く連続膜が得られなかった。浮上率が大きすぎるとやはり連続膜が得られなかった。
また、比較例3の粉体塗料は、外部添加剤を外添していないため、AEが大きくなることから塗着し難くなっていた。
比較例4の粉体塗料は、小径の粉体粒子に多量に外部添加剤を外添しているため、AEが小さく流動性が非常によくなるが浮上率が高くなって塗着しにくかった。
なお、通常の流動浸漬塗装と同様に、予熱温度を粉体塗料の溶融温度越える160℃に上げると、いずれの粉体塗料も100μmを越える厚膜として連続膜は得られた。
Claims (7)
- 体積平均粒径D50vが5μm以上20μm以下であり、
パウダーレオメータにより、50mmφの断面積のベッセルを用い、回転翼の先端スピードを100mm/sec、回転翼の進入角度を−5°、通気流量を20ml/minとする条件で測定された通気流動性エネルギーAEが5mJ以上100mJ未満である、流動浸漬塗装用粉体塗料。 - 体積粒度分布指標GSDvが、1.15以上1.40以下である請求項1に記載の流動浸漬塗装用粉体塗料。
- 前記体積粒度分布指標GSDvが、1.15以上1.25以下である請求項2に記載の流動浸漬塗装用粉体塗料。
- 流動槽に収容し、前記流動槽の底部から、前記底部の単位面積当たりの平均通気速度5mm/min以上10mm/min以下で空気を導入したとき、浮上率が10%以上20%以下である請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の流動浸漬塗装用粉体塗料。
- 粉体粒子と前記粉体粒子に外添された外部添加剤とを有する請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の流動浸漬塗装用粉体塗料。
- 前記外部添加剤が、疎水性外部添加剤である請求項5に記載の流動浸漬塗装用粉体塗料。
- 前記外部添加剤の体積平均粒径が、5nm以上30nm以下である請求項5又は請求項6に記載の流動浸漬塗装用粉体塗料。
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