JP5246353B2 - 被膜形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、紫外線硬化型塗料を鋼材表面に塗布した後、塗布された塗料に紫外線を照射することにより硬化させて被膜を形成する方法に関する。さらに詳しくは、膜厚が均一な被膜を鋼材表面に形成することができる被膜形成方法に関する。

防錆を目的として、鋼管や棒鋼といった鋼材の表面の全体または機械加工面に被膜を形成する場合がある。このような鋼材表面に被膜を形成する場合、防錆効果や速乾性に優れることから、紫外線硬化型塗料（ＵＶ塗料）が用いられることがある。

紫外線硬化型塗料による被膜の形成は、例えば、以下の手順により行うことができる。
（１）紫外線硬化型塗料を加熱または冷却して管理温度に管理し、
（２）この塗料を噴霧して鋼材表面に塗布することにより鋼材表面に塗料層を設け、
（３）塗布された塗料（塗料層）に紫外線照射装置から紫外線を照射することにより、塗布された塗料（塗料層）を硬化させて被膜を形成する。

ここで、紫外線硬化型塗料は温度に依存した粘度特性を有している。塗料が管理温度より低温であると、塗料の粘度が増加する。塗料の粘度が高すぎると、塗料が塗布設備の配管で詰まることがある。また、鋼材表面に形成された被膜の膜厚が不均一になることがある。特に、鋼管や棒鋼の表面に紫外線硬化型塗料を塗布する場合は、被塗布面が曲面であるため、均一に塗布することが困難であり、被膜厚にムラが生じやすい。一方、塗料の温度が管理温度より高温であると、塗料の粘度は僅かに低下する程度で大きく変化しないが、熱により塗料が変質するおそれがある。

このため、上記手順の（１）に示すように、紫外線硬化型塗料は、加熱または冷却して管理温度に管理される。紫外線硬化型塗料では、一般的に、メーカーにより個々の紫外線硬化型塗料について、塗料を塗布する際の適正条件が粘度や温度によって指定されているので、その適正条件に基づいて管理温度を設定できる。

しかしながら、上記手順で鋼材表面に被膜を形成すると、塗料を管理温度に管理しても、すなわち、メーカーにより指定された適正条件を満足していても、被膜にムラが生じて被膜が形成されない部分（鋼材表面が露出する部分）が発生する場合や、被膜の膜厚がばらついて形成された膜厚が薄い部分や厚い部分が発生する場合がある。

図１は、鋼材表面に形成された被膜の膜厚のばらつきを示す模式図であり、同図（ａ）は鋼材表面の露出部分が生じた場合、同図（ｂ）は被膜の膜厚がばらついた場合をそれぞれ示す。同図では、被膜される鋼材１１と、鋼材１１の表面に形成された被膜１２とを示す。同図（ａ）に示すように、被膜１２にムラが生じ、被膜１２が形成されなることなく、鋼材の表面が露出する部分が発生すると、被膜形成による防錆効果がほとんど発揮されない。

また、同図（ｂ）に示すように、被膜が形成されることによって鋼材表面が露出していない場合でも、被膜１２の膜厚がばらつくと、膜厚が薄い部分が生じて防錆効果が低下するおそれがある。この鋼材表面に形成された被膜膜厚のばらつきは、膜厚分布を測定することによって評価することができ、同図に示すように、被膜の膜厚分布が、狙い値に対して許容範囲内であるかで評価することができる。この狙い値および許容範囲は、例えば、３０±５μｍに設定することができる。

このように被膜が形成されない部分が生じた場合および被膜の膜厚分布が許容範囲を超えてばらついた場合は、鋼材表面から被膜を除去することが困難であることから、製品不良となる。

そして、鋼材表面に形成された被膜の膜厚分布が±５μｍの許容範囲を満足する場合であっても、膜厚分布被膜を目視により観察した際にマダラ模様が確認される場合がある。マダラ模様が確認されると、美観が損なわれて商品価値の低下を招くおそれがあることから、より均一な膜厚の被膜を形成することが望まれる。

紫外線硬化型塗料によって鋼材表面に被膜を形成する方法に関し、従来から種々の提案がなされており、例えば特許文献１および２がある。特許文献１に記載の被膜形成方法では、表面に塗料が塗布された鋼管といった管棒状体を紫外線透過可能な套管中で移動させる際に、塗布した塗料に套管を通して紫外線を照射するとともに、套管と套管中の管棒状体との間を不活性ガスで満たす。このような特許文献１に記載の被膜形成方法では、空気中に含まれる酸素と塗布された塗料の表層部分とが化学反応を起こすことによって塗布された塗料の深層部分に紫外線が届き難くなるのを防ぐことができ、塗布した紫外線硬化型塗料を効率よく硬化させることができるとしている。

また、特許文献２に記載の被膜形成方法では、紫外線硬化型塗料を金属管の外面に塗布し、塗布した塗料に紫外線を照射して硬化させた後、当該金属管の外面側を加熱し、次いでその外面に水性塗料を塗布する。特許文献２に記載の被膜形成方法では、紫外線硬化型塗料を塗布して被膜を形成することにより、防錆効果を確保できるとともに、金属管外面の上塗り性が向上するとしている。さらに、加熱と水性塗料の塗布によって上塗り塗装膜が形成され、これにより識別のための色分けが可能になるとしている。

これらの従来の被膜形成方法では、鋼材表面に形成した被膜の膜厚がばらつくことについて検討されていない。

特開昭５８−１０１７６５号公報 特開平７−８８９８号公報

前述の通り、紫外線硬化型塗料によって鋼材表面に被膜を形成すると、塗料を管理温度に管理しても、被膜にムラが生じて鋼材表面が露出する部分が発生する場合や被膜の膜厚がばらつく場合がある。一方、従来の被膜形成方法では、鋼材表面に形成した被膜の膜厚がばらつくことについて検討されていない。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、膜厚が均一な被膜を鋼管や棒鋼の表面全体または機械加工面（例えば、ねじ切り加工や研磨処理が施された加工面）に形成可能な被膜形成方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上記問題を解決するため、種々の試験を行い、鋭意検討を重ねた結果、塗料を鋼材表面に塗布する際に、鋼材表面の温度を紫外線硬化型塗料の管理温度を基準にして所定範囲内に調整した状態で塗布することにより、鋼材表面に形成される被膜の膜厚を均一にできることを知見した。

本発明は、上記の知見、さらに後述する実施例で示す試験結果に基づいて完成したものであり、下記の被膜形成方法を要旨としている。

管理温度に管理された紫外線硬化型塗料を鋼材の表面に塗布した後、塗布された塗料に紫外線を照射することにより硬化させて被膜を形成する方法であって、前記塗料を鋼材の表面に塗布する際に、前記鋼材の表面の温度を、前記管理温度を基準に−５℃から＋２０℃までの範囲内として塗布することを特徴とする被膜形成方法。

本発明の被膜形成方法において「管理温度を基準に−５℃から＋２０℃までの範囲」とは、下限を管理温度から５℃減じた温度とし、かつ、上限を管理温度に２０℃加えた温度とする範囲を意味する。例えば、管理温度を３０℃に設定した場合は２５〜５０℃の範囲を意味する。

本発明の被膜形成方法は、下記の顕著な効果を有する。
（１）紫外線硬化型塗料を鋼材の表面に塗布する際に、鋼材表面の温度を、管理温度を基準に−５℃から＋２０℃までの範囲内として塗布することにより、均一な膜厚の被膜を形成することができる。
（２）鋼材表面の温度を、管理温度を基準に０℃から＋１０℃までの範囲内とすれば、膜厚をより均一にできるとともに、美観を良好にできる。

鋼材表面に形成された被膜の膜厚のばらつきを示す模式図であり、同図（ａ）は鋼材表面の露出部分が生じた場合、同図（ｂ）は被膜の膜厚がばらついた場合をそれぞれ示す。 実施例により鋼管外面に形成した被膜の外観を撮影した写真であり、同図（ａ）は本発明例１、同図（ｂ）は本発明例２、同図（ｃ）は比較例をそれぞれ示す。

上述の通り、本発明の被膜形成方法は、管理温度に管理された紫外線硬化型塗料を鋼材表面に塗布した後、塗布された塗料に紫外線を照射することにより硬化させて被膜を形成する方法であって、塗料を鋼管の表面全体または機械加工面などの鋼材表面に塗布する際に、鋼材表面の温度を管理温度を基準に−５℃から＋２０℃までの範囲内として塗布することを特徴とする。以下に、本発明の被膜形成方法を、上記のように規定した理由および好ましい範囲について説明する。

本発明の被膜形成方法は、鋼材表面に塗布する紫外線硬化型塗料を管理温度に管理する。この管理温度は、前述の通り、メーカーにより個々の紫外線硬化型塗料について、粘度や温度によって塗料を塗布する際の適正条件が指定されていることから、その適正条件に基づいて設定できる。例えば、塗布する紫外線硬化型塗料が、粘度によって適正条件が指定されている場合、塗料の温度を変化させつつ粘度を測定することにより指定される粘度となる温度を求め、この温度を管理温度に設定すればよい。

塗料を鋼材表面に塗布する際、従来の被膜形成方法では、鋼材表面の温度を管理していなかった。この場合、ノズルによって噴霧することにより塗料を鋼材表面に塗布すると、霧状となった塗料は雰囲気と熱交換し易いことから、熱を雰囲気に奪われることにより塗料の温度が低下して粘度が高くなった状態で鋼材表面に到達する。また、鋼材表面の温度が管理されていないことから、塗布された塗料は熱を鋼材に奪われることにより、さらに塗料の温度が低下して粘度が高くなる。このように霧状で鋼材表面に到達した塗料は、粘度が高いことから、伸びて表面に広がり難く（濡れ性が悪化し）、塗布により形成された被膜の膜厚にムラやばらつきが生じていた。

これに対し、本発明の被膜形成方法は、鋼材表面の温度を上述の管理温度を基準に−５℃から＋２０℃までの範囲内として塗布する。これにより、霧状で鋼材表面に到達した塗料は、噴霧する際に雰囲気に熱を奪われて粘度が高くなった場合でも、鋼材から熱が供給されて適正な粘度となる。このように霧状で鋼材表面に到達した塗料は、適正な粘度であることから、伸びて表面に広がり易く（濡れ性が良好となり）、膜厚が均一な被膜を形成することができる。

鋼材表面の温度が管理温度を基準に−５℃から＋２０℃までの範囲の下限を超えると、鋼材表面に形成された被膜の膜厚分布が狙い値に対して±５μｍの範囲を超えてばらつく場合がある。一方、鋼材表面の温度が管理温度を基準に−５℃から＋２０℃までの範囲の上限を超えると、塗料が高温となりすぎて変質する懸念がある。

本発明の被膜形成方法は、鋼材表面の温度を管理温度を基準に０℃から＋１０℃までの範囲内にするのが好ましい。これにより、鋼材表面に形成された被膜は、膜厚分布が狙い値に対して±５μｍの範囲内となるのみならず、膜厚がばらつくことによるマダラ模様が観察されることなく、優れた美観となる。

本発明の被膜形成方法は、紫外線硬化型塗料について特に制限はないが、塗料を塗布する際に塗布設備の配管で詰まったりして取り扱いが困難になるのを防ぐため、紫外線硬化型塗料として、管理温度における粘度がフォードカップＮｏ．４で４０〜９０秒である紫外線硬化型塗料を用いるのが好ましい。

鋼材表面の温度を管理温度を基準とする所定範囲内に調整する方式に、特に制限はなく、従来から用いられている加熱または冷却方法により調整することができ、例えば、被膜を形成する鋼材表面に温風または冷風を吹き付けることにより調整できる。

本発明の被膜形成方法は、塗料を鋼材表面に塗布する方式として、噴霧やはけ塗りを採用することができるが、均一な膜厚の被膜を形成する観点からノズルを用いた噴霧方式を採用するのが好ましい。

鋼材表面に塗布された塗料に紫外線を照射する際は、照射した紫外線の積算量（紫外線の強度×照射時間）を塗料を塗布した面内で均一にすることが重要となる。これは、塗料を塗布した面内で紫外線積算量にばらつきがあると、塗料の硬化状態にばらつきが生じ、見栄えが悪化するおそれがあることによる。このため、例えば、鋼材を一定速度で搬送しつつ固定された紫外線照射装置により紫外線を照射する方式や、塗料を塗布した鋼材表面の全体に紫外線を照射する方式を採用できる。また、鋼管または棒鋼の外面に塗料を塗布する場合は、例えば、鋼管または棒鋼を一定の回転数で回転させている状態で、固定された紫外線照射装置により紫外線を照射する方式を採用できる。

本発明の被膜形成方法による効果を検証するため、鋼材表面に紫外線硬化型塗料による被膜を形成し、被膜の膜厚分布を調査する試験を行った。

［試験方法］
本試験では、鋼材として鋼管を用い、この鋼管は材質が炭素鋼であり、外径１７７．８ｍｍ、肉厚９．１９ｍｍであった。この鋼管の外面に管理温度に管理した紫外線硬化型塗料を、ノズルを用いて噴霧することにより塗布した後、塗布された塗料に紫外線を照射することにより硬化させて被膜を形成した。

本試験に用いた紫外線硬化型塗料では、メーカーによって指定される塗布する際の粘度がフォードカップＮｏ．４で５０秒であった。粘度がフォードカップＮｏ．４で５０秒となる塗料の温度を、塗料の温度を変化させつつ粘度を測定することにより、調査したところ、約３０℃で粘度が５０秒となった。このため、本試験では、紫外線硬化型塗料の管理温度を３０℃に設定した。

本試験では、５０℃の熱風または５℃の冷風を送風することにより、塗料が塗布される鋼管外面の温度を、本発明例１では約３５℃、本発明例２では約２６℃、比較例では約１５℃に調整した。また、噴霧による塗布は、鋼管外面に形成される被膜の膜厚（狙い値）が３０μｍとなるように噴霧時間を調整して行った。紫外線照射による硬化は、紫外線照射装置（型式ＵＥ０３１−３２６−０６−ＣＫＨ−００１、岩崎電気株式会社製）により積算光量１８６０ｍＪ／ｃｍ²として行った。この紫外線照射装置は高圧水銀ランプを備え、ランプ出力を１２０Ｗ／ｍとし、この装置により照射した紫外線の波長は２００ｎｍであった。

［評価基準］
鋼管外面に形成した被膜について、周方向における膜厚分布を測定して評価するとともに、目視により観察して被膜の美観を評価した。周方向における膜厚分布の測定は、渦電流式膜厚計を用い、４５°ピッチで８点測定した。

後述する表１で「膜厚分布の評価」欄の記号の意味は次の通りである。
○：測定された膜厚が全て３０±５μｍの範囲内に分布し、良好であったことを示す。
×：測定された膜厚の一部が３０±５μｍの範囲を超えて分布したことを示す。

後述する表１で「美観の評価」欄の記号の意味は次の通りである。
○：マダラ模様が観察されることなく、良好であったことを示す。
×：マダラ模様が観察されたことを示す。

後述する表１で「総合評価」欄の記号の意味は次の通りである。
○：膜厚分布の評価および美観の評価がいずれも良好（○）であったことを示す。
△：膜厚分布の評価が良好（○）であったが、美観の評価が「×」であったことを示す。
×：膜厚分布の評価および美観の評価がいずれも「×」であったことを示す。

表１に、各試験における試験区分、塗料を塗布する際の鋼材表面（鋼管外面）の温度、膜厚分布の評価、美観の評価および総合評価をそれぞれ示す。

［試験結果］
図２は、実施例により鋼管外面に形成した被膜の外観を撮影した写真であり、同図（ａ）は本発明例１、同図（ｂ）は本発明例２、同図（ｃ）は比較例をそれぞれ示す。同図（ａ）〜（ｃ）には、紫外線硬化型塗料により被膜が形成された鋼管外面２１がそれぞれ示される。同図（ｂ）および（ｃ）では、観察されるマダラ模様の一部を二点鎖線で囲んで示す。

表１に示す結果から、比較例では、塗料を塗布する際の鋼管外面の温度を約１５℃とし、すなわち、鋼管外面の温度を管理温度（３０℃）を基準に−５℃から＋２０℃までの範囲を超えて低下させ、形成された被膜の膜厚分布がばらついて評価が×となった。また、被膜を観察したところ、図２（ｃ）に二点鎖線で囲んで示すように、マダラ模様が観察された。このため、比較例は総合評価が×となった。

本発明例２では、塗料を塗布する際の鋼管外面の温度を約２６℃とし、すなわち、鋼管外面の温度を管理温度を基準に−５℃から＋２０℃までの範囲内とし、形成された被膜の膜厚分布は良好であった。また、被膜を観察したところ、比較例と比べて改善したが、図２（ｂ）に二点鎖線で囲んで示すように、マダラ模様が観察された。このため、本発明例２では、総合評価が△となった。

本発明例１では、塗料を塗布する際の鋼管外面の温度を約３５℃とし、すなわち、鋼管外面の温度を管理温度を基準に０℃から＋１０℃までの範囲内とし、形成された被膜の膜厚分布は良好であった。また、被膜を観察したところ、図２（ａ）に示すように、マダラ模様が観察されることなく、良好であった。このため、本発明例１では、総合評価が○となった。

これらから、本発明の被膜形成方法によって、紫外線硬化型塗料を鋼材の表面に塗布する際に、鋼材表面の温度を管理温度から５℃減じた温度以上とすることにより、均一な膜厚の被膜を形成できることが明らかになった。また、鋼材表面の温度を管理温度以上とすることにより、被膜の膜厚をより均一にできるとともに、美観を良好にできることが明らかになった。

本発明の被膜形成方法は、下記の顕著な効果を有する。
（１）紫外線硬化型塗料を鋼材の表面に塗布する際に、鋼材表面の温度を、管理温度を基準に−５℃から＋２０℃までの範囲内として塗布することにより、均一な膜厚の被膜を形成することができる。
（２）鋼材表面の温度を、管理温度を基準に０℃から＋１０℃までの範囲内とすれば、膜厚をより均一にできるとともに、美観を良好にできる。

このような本発明の被膜形成方法は、紫外線硬化型塗料による鋼材表面への被膜形成に適用すれば、鋼材表面に形成された被膜の膜厚がばらつくことによる製品不良の発生を抑制できる。したがって、本発明の被膜形成方法は、紫外線硬化型塗料による鋼材表面への被膜形成に有効に利用することができる。特に、鋼管の表面全体または機械加工面（ねじ切り加工や研磨処理等が施された加工面）に紫外線硬化型塗料を塗布する場合に有効に利用することができる。鋼管の表面全体に適用することもできるし、機械加工面などの錆が発生しやすい部分のみに適用することもできる。本発明の被膜形成方法によれば、均一な被膜を形成することが困難である鋼管の表面全体または機械加工面に、均一な被膜を形成することができる。

１１：鋼材、 １２：被膜、 ２１：被膜が形成された鋼管外面

Claims (1)

1. 管理温度に管理された紫外線硬化型塗料を鋼材の表面に塗布した後、塗布された塗料に紫外線を照射することにより硬化させて被膜を形成する方法であって、
   前記塗料を鋼材の表面に塗布する際に、前記鋼材の表面の温度を、前記管理温度を基準に−５℃から＋２０℃までの範囲内として塗布することを特徴とする被膜形成方法。