JP5149247B2

JP5149247B2 - 太陽熱吸収塗膜の形成方法および太陽熱吸収材料

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Publication number: JP5149247B2
Application number: JP2009151987A
Authority: JP
Inventors: 将至櫻田; 俊介中山; 英則松野
Original assignee: Dai Nippon Toryo KK
Current assignee: Dai Nippon Toryo KK
Priority date: 2009-06-26
Filing date: 2009-06-26
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2029-06-26
Also published as: JP2011005430A

Description

本発明は、金属、ガラス、コンクリート、プラスチック、木材などの各種素材に使用され、太陽熱を効果的に吸収し、且つ熱放射による損失が少なく保温性、耐候性に優れた太陽熱吸収塗膜の形成方法および太陽熱吸収材料に関するものである。

従来より、太陽熱エネルギーの利用技術が注目されており、このような技術として、例えば、ＴｉＣ，ＺｒＣ，ＨｆＣ等の周期律表第ＩＶ族に属する遷移金属の炭化物、又はこの炭化物とアルミニウムとの混合物を、揮発性溶剤によって流体化したバインダー、又は各種塗着被覆用のクリーム状バインダーに混練した太陽熱吸収性保温塗布材が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。また、特許文献１には、バインダーに顔料を添加してもよいことも記載されている。さらに、特許文献１には、上記塗布材を他の物品又は皮膚に塗布することによって面状体を構成することができることも記載されている。従って、塗着又は被覆したときの状態では、該周期律表第ＩＶ族に属する遷移金属の炭化物の特性である太陽放射スペクトルの０．３乃至２．０μｍの波長域で大きな吸収性能を発揮し、且つ２．０μｍ以上の赤外域の放射率を抑制して熱の放射損失の減少を図るように作用する太陽熱選択吸収保温効果を発揮することができる、とされている。

特開平０１−２２１４６８号公報

しかし、上記特許文献１の塗布材のように、塗料中の成分としてＴｉＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣ等の周期律表第ＩＶ族に属する遷移金属の炭化物またはこの炭化物とアルミニウムの混合物を用いた場合であっても、太陽光吸熱効果が満足する性能を有さず、また、着色範囲に制限があり、塗膜として実用的でない。

本発明は、上記問題に鑑み、太陽熱を効果的に吸収し、且つ光照射による熱損失の低減、保温性、着色可能で美観に優れた太陽熱吸収塗膜の形成方法および太陽熱吸収材料を提供することを目的とするものである。

本発明者らは、前記の課題を解決するために種々の試験研究を重ねた結果、基材表面に、カーボンブラック等の多孔質顔料で近赤外線領域における光吸収率の高い顔料を１質量％〜１０質量％配合する塗料を用いて下層塗膜を施し、次いで、該下層塗膜表面に、有機顔料等の近赤外線領域における光透過性の高い顔料を１質量％〜１５質量％配合する塗料を用いて上層塗膜を形成することにより、太陽熱を効果的に吸収し、且つ熱放射による損失が少なく、保温性、耐候性に優れた太陽熱吸収塗膜を得ることができることを見出し、この知見に基づいて、本発明を完成させた。

すなわち、本発明に係る太陽熱吸収塗膜の形成方法は、基材表面に、７８０〜２３００ｎｍの波長における塗膜単体での日射反射率が３０％以下の下層塗膜を施し、次いで、該下層塗膜表面に、７８０ｎｍ〜２３００ｎｍの波長における塗膜単体での日射透過率が３０％以上の上層塗膜を積層することにより、７８０〜２３００ｎｍの波長における日射反射率が５０％以下の太陽熱吸収塗膜を形成するものであり、下層塗膜の形成に用いられる塗料中に、比表面積が４５〜４００ｍ ^２／ｇである多孔質顔料を配合し、当該多孔質顔料として無機顔料を用いることを特徴とする。

また、本発明に係る太陽熱吸収材料は、基材表面に、７８０ｎｍ〜２３００ｎｍの波長における塗膜単体での日射反射率が３０％以下の下層塗膜と、７８０ｎｍ〜２３００ｎｍの波長における塗膜単体での日射透過率が３０％以上の上層塗膜と、が順次積層された太陽熱吸収塗膜を有し、前記太陽熱吸収塗膜の７８０ｎｍ〜２３００ｎｍの波長における日射反射率が５０％以下であり、下層塗膜は、比表面積が４５〜４００ｍ ^２／ｇである多孔質顔料を含み、当該多孔質顔料は、無機顔料であることを特徴とする。

本発明によれば、上層に赤外線透過性の高い塗膜を形成し、下層にカーボンブラックのような顔料を用いることで、見た目は上層の色を提供することができ、下層により赤外線を吸収できることから、塗装した塗膜としては日射吸収率を高めることが可能となる。

以下に、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。

本発明においては、基材表面に、例えば、カーボンブラック等の多孔質顔料で近赤外線領域における吸収率の高い顔料を１〜１０質量％配合する塗料を用いて、７８０ｎｍ〜２３００ｎｍの波長における塗膜単体での日射反射率が３０％以下の下層塗膜を施し、次いで、該下層塗膜表面に、例えば、有機顔料等の近赤外線透過性の高い顔料を１〜１５質量％配合する塗料を用いて、７８０ｎｍ〜２３００ｎｍの波長における塗膜単体での日射透過率が３０％以上の上層塗膜を積層することにより、７８０ｎｍ〜２３００ｎｍの波長における日射反射率が５０％以下の太陽熱吸収塗膜を形成することを特徴とする太陽熱吸収塗膜の形成方法を用いる。

また、本発明によれば、上述した方法を用いて、基材表面に、７８０ｎｍ〜２３００ｎｍの波長における塗膜単体での日射反射率が３０％以下の下層塗膜と、７８０ｎｍ〜２３００ｎｍの波長における塗膜単体での日射透過率が３０％以上の上層塗膜と、が順次積層された太陽熱吸収塗膜を有し、前記太陽熱吸収塗膜の７８０ｎｍ〜２３００ｎｍの波長における日射反射率が５０％以下であることを特徴とする太陽熱吸収材料を得ることができる。

ここで、本発明において、７８０ｎｍ〜２３００ｎｍの波長範囲における日射反射率や日射透過率を規定したのは、当該波長範囲がいわゆる近赤外線領域の光の波長であり、近赤外線が物質に吸収されると熱作用が生じる波長だからである。

また、下層塗膜の７８０ｎｍ〜２３００ｎｍの波長における塗膜単体での日射反射率を３０％以下としたのは、下層塗膜に効率良く熱を吸収させるためである。

また、上層塗膜の７８０ｎｍ〜２３００ｎｍの波長における塗膜単体での日射透過率を３０％以上としたのは、効率良く下層塗膜へ光を透過させるためである。

さらに、本発明に係る太陽熱吸収塗膜の形成方法を用いて形成された太陽熱吸収塗膜は、７８０ｎｍ〜２３００ｎｍの波長における塗膜の日射反射率（ＪＩＳＫ５６０２で規定されているもの）が５０％以下であることが必要である。これは、太陽熱吸収塗膜に効率良く熱を吸収させるとともに、塗膜中の顔料による着色を担保して美観を向上させるためである。

本発明の下層塗膜及び上層塗膜の形成に用いる下層塗料及び上層塗料は、樹脂、顔料及び溶媒を必須の構成成分とし、必要に応じて、例えば体質顔料や、消泡剤、硬化促進剤、分散剤、酸化防止剤、防かび剤等の各種添加剤を適宜配合したものである。

塗料の種類及び形態は、特に限定されず、塗料の種類としては、例えば、熱硬化型塗料、熱可塑型塗料、常温乾燥型塗料、常温硬化型塗料、活性エネルギー線硬化型塗料などを用いることができる。また、塗料の形態としては、例えば、溶剤型塗料、水性塗料、非水エマルジョン型塗料、無溶剤型塗料、粉体塗料等のいずれにも適用することができる。

本発明の下層塗料中には多孔質顔料を配合するが、この下層塗料に用いられる多孔質顔料としては、例えば、カーボンブラック、樹脂ビーズ、シリカ等の顔料が挙げられる。その中でも、特にカーボンブラックが好ましい。

また、前記多孔質顔料の下層塗料中への配合量は、塗料の安定性を考慮すると、下層塗料の固形分全体に対して１質量％〜１０質量％であることが好ましい。

さらに、多孔質顔料の比表面積は、効率良く赤外線を吸収し、顔料内部で捉えるため４００ｍ^２／ｇ以下であることが望ましい。本発明における多孔質顔料の比表面積は、ＢＥＴ法を用いて測定することができる。

本発明の上層塗膜形成用の塗料に用いられる顔料として、有用な有機顔料は、例えば、モノアゾ、ジスアゾ、レーキアゾ、βナフトール、ナフトールＡＳ、ベンゾイミダゾロン、縮合ジスアゾ、アゾ金属錯体顔料および例えば、フタロシアニン、キナクリドン、ペリレン、ペリノン、チオインジゴ、アンタントロン、アントラキノン、フラバントロン、インダントロン、イソビオラントロン、ピラントロン、ジオキサジン、キノフタロン、イソインドリノン、イソインドリンおよびジケトピロロピロール顔料などの多環式顔料またはカーボンブラックなどがある。このうち、上記有機顔料としては、特にフタロシアニンブルー、キナクリドンマゼンタ、イソインドリン、ジケトピロロピロールが好ましい。

本発明の上層塗膜形成用の塗料に用いられる無機顔料としては、例えば、二酸化チタン、硫化亜鉛、酸化鉄、酸化クロム、群青、ニッケルアンチモンチタン酸化物、クロムアンチモンチタン酸化物、酸化コバルト、コバルトとアルミニウムの混合酸化物、バナジン酸ビスマス、および、混合顔料などがある。このうち、上記無機顔料としては、特に、バナジン酸ビスマスが好ましい。

上述した上層塗膜形成用の塗料に用いられる顔料は、１種を単独で、または、２種以上を混合して使用することができる。

本発明の塗料のベースとなる塗料用樹脂としては、塗料用として常用されるものであればよく、特に限定されず、例えば、アクリル樹脂、アルキド樹脂、ウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、シリコーン変性ポリエステル樹脂、シリコーン変性アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリカーボネート樹脂、シリケート樹脂、塩素系樹脂、フッ素系樹脂等があり、必要に応じて硬化剤としてメラミン樹脂などのアミノ樹脂、イソシアナート、あるいはブロックイソシアナートなどの架橋用樹脂を含んでもよい。

上記その他の添加剤としては特に限定されず、例えば、二酸化チタン、硫酸バリウム、炭酸カルシウム等の体質顔料や、シリカ、アルミナ等の艶消し剤や、消泡剤や、レベリング剤や、たれ防止剤や、表面調整剤や、粘性調整剤や、分散剤や、紫外線吸収剤や、ワックス等の慣用の添加剤等を挙げることができる。

上記その他の溶剤としては、一般に塗料用として使用されているものであれば特に限定されず、例えば、トルエン、キシレン、ソルベッソ１００、ソルベッソ１５０等の芳香族炭化水素類や、酢酸エチル、酢酸ブチル等のエステル類や、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン、イソホロン等のケトン類や、ミネラルスピリット等の脂肪族系溶剤などと水を挙げることができる。これらは、溶解性、蒸発速度、安全性等を考慮して、適宜選択される。これらは単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。

本発明の塗膜の形成に用いる塗料組成物は、例えば、以下のようにして製造することができる。ローラーミル、ペイントシェーカー、ポットミル、ディスパー、サンドグラインドミル等の一般に顔料分散に使用されている機械を用いて、樹脂と顔料の分散ペーストを調製し、これに樹脂、各種添加剤、有機溶剤、硬化剤、触媒等を加えて塗料組成物を得る。

上記塗料組成物の塗布方法としては特に限定されず、例えば、浸漬、刷毛、ローラー、ロールコーター、エアースプレー、エアレススプレー、カーテンフローコーター、ローラーカーテンコーター、ダイコーター等の一般に使用されている塗布方法等を挙げることができる。これらは、基材の使用目的に応じて、適宜選択される。

本発明の太陽熱吸収塗膜が形成される基材としては、特に限定されるものではなく、例えば、金属基材、プラスチック基材、無機材料基材等が挙げられる。金属基材としては、アルミ板、鉄板、亜鉛メッキ鋼板、アルミ亜鉛メッキ鋼板、ステンレス板、ブリキ板等が挙げられる。プラスチック基材としては、アクリル、塩化ビニル、ポリカーボネート、ＡＢＳ、ポリエチレンテレフタレート、ポリオレフィン等の基材が挙げられる。無機材料基材としては、例えば、ＪＩＳＡ５４２２及びＡ５４３０などに記載された窯業系基材や、ガラス基材などを挙げることができる。

上記の基材には、密着性付与や防錆性付与等のため表面処理が施されていてもよい。

以下、実施例及び比較例に用いる塗料について説明する。以下、特に断らない限り、［％］及び［部］は質量基準である。

（実施例１）
実施例１は、カーボンブラック（コロンビヤンカーボン社製、「Ｒ１４」）１．５部、硫酸バリウム１７部、炭酸カルシウム２１部、エポキシ樹脂（ＪＥＲ社製、「Ｓ４０ＥＰ」）４０部、キシレン２０部、消泡剤（三菱レイヨン（株）社製、「ＬＲ６１１」）０．５部をローラーミルで３０分混錬し、下層塗膜形成用の塗料を得た。得られた下層塗料を、鋼板（１５０×５０×０．３ｍｍ）に硬化後の膜厚が１００μｍになるようにスプレー塗装し、２３℃の雰囲気下で２４時間乾燥させて下層塗膜を形成させた。この下層塗膜の上に、フタロシアニンブルー（大日精化社製）３部、キナクリドンマゼンダ（チバ・スペシャルティケミカルズ社製、「ＣＲ７５９Ｄ」）２部、イソインドリン（チバ・スペシャルティケミカルズ社製、「２ＧＬＴＥ」）２部、ふっ素樹脂（旭硝子社製、ＬＦ８００）５７部、ミネラルスピリット３５．７部、消泡剤（サンノプコ（株）社製「ＳＮ３５９」）０．３部をローラーミルで３０分混錬して上層塗膜形成用の塗料を得た。得られた上層塗膜形成用の塗料を、乾燥後の膜厚が５０μｍになるようにスプレー塗装し、２３℃の雰囲気下で３日間乾燥させて試験体とした。

（実施例２）
下層塗料において、カーボンブラックとして「Ｒ１４」１．５部の代わりに、（デグサエボニック社製）「ＳｐｅｃｉａｌＢｌａｃｋ６」１．５部を使用したことを除いては、実施例１と同様の方法で試験体を得た。

（参考例３）
下層塗料において、カーボンブラックとして「Ｒ１４」１．５部の代わりに、（キャボット株式会社）社製「ＭＯＮＡ１３００」１．５部を使用したことを除いては、実施例１と同様の方法で試験体を得た。

（実施例４）
上層塗料において、イソインドリン２部の代わりに、バナジン酸ビスマス（クラリアントジャパン（株）社製）２部を使用したことを除いては、実施例１と同様の方法で試験体を得た。
（実施例５）
下層塗料において、カーボンブラックを１．０部、硫酸バリウムを１２．８部、炭酸カルシウムを１５．７部とし、二酸化チタン（石原産業（株）社製、「ＣＲ９５」）１０部をさらに添加したことを除いては、実施例１と同様の方法で試験体を得た。

（実施例６）
上層塗料において、キナクリドンマゼンタ２部の代わりに、ジケトピロロピロール（チバ・スペシャルティケミカルズ社製）２部を使用したことを除いては、実施例１と同様の方法で試験体を得た。

（実施例７）
上層塗料において、ミネラルスピリットを３０．７部とし、二酸化チタン（石原産業（株）社製、「ＣＲ９５」）５部をさらに添加したことを除いては、実施例１と同様の方法で試験体を得た。

（実施例８）
下層塗料において、硫酸バリウムを１５部、炭酸カルシウムを１８部とし、二酸化チタンを５部さらに添加したことを除いては、実施例１と同様の方法で試験体を得た。

（実施例９）
下層塗料において、カーボンブラックを１．０部、炭酸カルシウムを１８．５部としたことを除いては、実施例８と同様の方法で試験体を得た。

（実施例１０）
下層塗料において、カーボンブラックを１１．０部、炭酸カルシウムを５．５部としたことを除いては、実施例１と同様の方法で試験体を得た。

（比較例１）
下層塗料において、カーボンブラック、硫酸バリウム、炭酸カルシウムを添加せず、ミネラルスピリットを５９．５部、二酸化チタンを２０部としたことを除いては、実施例５と同様の方法で試験体を得た。

（比較例２）
上層塗料において、キナクリドンマゼンタを２部、イソインドリンを２部の代わりに、二酸化チタンを１０部、ベンガラを２部使用し、ミネラルスピリットを２７．７部としたことを除いては、比較例１と同様の方法で試験体を得た。

（比較例３）
上層塗料において、キナクリドンマゼンダを２部、イソインドリンを２部の代わりに、二酸化チタンを１０部、ベンガラを２部使用し、ミネラルスピリットを２７．７部としたことを除いては、実施例１と同様の方法で試験体を得た。

（比較例４）
酸化チタン２８部、ＺｒＣ７．５部（三津和化学薬品（株）社製）、Ａｌ粉末４．５部（関東化学（株）社製）、および、イソシアネート硬化型樹脂ＡＣＲＹＤＩＣＡ−８４８−ＲＮ(ＤＩＣ（株）社製)
２５部、ミネラルスピリット３０部を混錬した後、イソシアネートＴＳＣ１００（旭化成ケミカルズ（株）社製）５部を加え、塗膜形成用の塗料を得た。得られた塗料を、鋼板（１５０×５０×０．３ｍｍ）に硬化後の膜厚が１００μｍになるようにローラー塗りし、２３℃の雰囲気下で２４時間乾燥させて試験体とした。

得られた試験体について、下層塗膜単体での日射反射率、上層塗膜単体での日射透過率、積層された太陽熱吸収塗膜全体での日射反射率（塗装仕様としての塗膜の日射反射率）、および塗膜表面温度の各試験を実施した。上記塗料成分及び上記試験の結果を表１に示した。なお、各試験は、次の方法に従って行い、その結果を評価した。

＜日射反射率＞
ＪＩＳＫ５６０２に準拠して、株式会社島津製作所の分光光度計：ＵＶ−３１００ＰＣを用いて、波長７８０ｎｍ〜２３００ｎｍまでの分光反射率を測定した。

＜日射透過率＞
平滑にしたＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）に対して、上層塗料を膜厚が一定になるように塗装し、２３℃雰囲気下で２４時間乾燥を行い、乾燥膜厚５０μｍとし、ＰＴＦＥから剥がしたものを試験体とした。作成した試験体を分光光度計：ＵＶ−３１００ＰＣを用いて、波長７８０ｎｍ〜２３００ｎｍまでの分光透過率を測定した。

＜塗膜表面温度＞
試験体を周囲の温度の影響を受けない密閉された環境下に置き、試験体の受光面での受光量が８００Ｗ／ｍ^２となるように、ＪＩＳＣ８９１２ＣＬＡＳＳＣ級に準拠する太陽近似光照射試験器（東洋製作所社製）を用いて光照射した。その際の塗膜表面の温度を測定した。その結果を表１に示す。

＜塗料の安定性＞
下層塗料の調製直後及び下層塗料を常温で１ヶ月間保存した後の塗料の粘度を、Ｂ型粘度計を用いて２０℃にて測定し、下層塗料の安定性を、下記式（１）で表される塗料粘度の変化率Δη（％）で評価した。なお、下記式（１）において、調製直後の下層塗料の粘度をη_０、常温１ヶ月保存後の下層塗料の粘度をη_１とする。
Δη（％）＝（η_１−η_０）×１００／η_０・・・（１）

評価基準は、以下の通りである。
◎：常温で１ヶ月間保存後の粘度の変化率の絶対値が５％以内
○：常温で１ヶ月間保存後の粘度の変化率の絶対値が５％超１０％以下
×：常温で１ヶ月間保存後の粘度の変化率の絶対値が１０％超

表１に示すように、実施例１〜１０では、いずれも、上層塗料に含有させた顔料の色が十分に発現されており、かつ、塗装仕様としての日射反射率が５０％以下に抑えられ、日射吸収率を高めることができていることがわかる。その結果、試験体表面の温度もいずれも高温となった。

また、下層塗料中に配合する多孔質顔料の含量が１０質量％を超える実施例１０は、多孔質顔料の含量が１０質量％以下である他の実施例１〜９よりも、やや塗料の安定性に劣る傾向にあった。

一方、下層塗料単体での日射反射率が３０％を超える比較例１、下層塗料単体での日射反射率が３０％を超え、かつ、上層塗膜単体での日射透過率が３０％未満である比較例２、上層塗膜単体での日射透過率が３０％未満である比較例３、下層塗膜を有さず、かつ、上層塗膜単体での日射透過率が３０％未満である比較例４は、いずれも、塗装仕様としての日射反射率が５０％超と高く、その結果、試験体表面の温度もいずれも低温となった。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

Claims

基材表面に、７８０ｎｍ〜２３００ｎｍの波長における塗膜単体での日射反射率が３０％以下の下層塗膜を施し、次いで、該下層塗膜表面に、７８０ｎｍ〜２３００ｎｍの波長における塗膜単体での日射透過率が３０％以上の上層塗膜を積層することにより、７８０ｎｍ〜２３００ｎｍの波長における日射反射率が５０％以下の太陽熱吸収塗膜を形成するものであり、
前記下層塗膜の形成に用いられる塗料中に、比表面積が４５〜４００ｍ ^２／ｇである多孔質顔料を配合し、当該多孔質顔料として無機顔料を用いることを特徴とする、太陽熱吸収塗膜の形成方法。
前記無機顔料としてカーボンブラックを用いることを特徴とする、請求項１に記載の太陽熱吸収塗膜の形成方法。
前記多孔質顔料の配合量は、前記下層塗膜の形成に用いられる塗料全体に対して１質量％〜１０質量％であることを特徴とする、請求項１または２に記載の太陽熱吸収塗膜の形成方法。
前記上層塗膜の形成に用いられる塗料中に顔料を配合し、当該顔料が、フタロシアニンブルー、キナクリドンマゼンタ、イソインドリン、ジケトピロロピロール及びバナジン酸ビスマスイエローからなる群より選択される１種または２種以上の顔料であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽熱吸収塗膜の形成方法。
基材表面に、７８０ｎｍ〜２３００ｎｍの波長における塗膜単体での日射反射率が３０％以下の下層塗膜と、７８０ｎｍ〜２３００ｎｍの波長における塗膜単体での日射透過率が３０％以上の上層塗膜と、が順次積層された太陽熱吸収塗膜を有し、
前記太陽熱吸収塗膜の７８０ｎｍ〜２３００ｎｍの波長における日射反射率が５０％以下であり、
前記下層塗膜は、比表面積が４５〜４００ｍ ^２／ｇである多孔質顔料を含み、当該多孔質顔料は、無機顔料であることを特徴とする、太陽熱吸収材料。
前記無機顔料は、カーボンブラックであることを特徴とする、請求項５に記載の太陽熱吸収材料。
前記多孔質顔料は、前記下層塗膜の形成に用いられる塗料中に１質量％〜１０質量％配合されることを特徴とする、請求項５または６に記載の太陽熱吸収材料。
前記上層塗膜は、フタロシアニンブルー、キナクリドンマゼンタ、イソインドリン、ジケトピロロピロール及びバナジン酸ビスマスイエローからなる群より選択される１種または２種以上の顔料を含むことを特徴とする、請求項５〜７のいずれか１項に記載の太陽熱吸収材料。