JP6069035B2 - 電着塗装体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電着塗装により被塗装体をポリマーで被膜した電着塗装体の製造方法に関するものである。

従来、平角状の導線に絶縁被膜を形成する方法として、被塗装体を塗料に浸漬してから引き上げた後に塗料を乾燥させ所定の絶縁被膜厚が得られるまで塗装が繰り返される浸漬塗装や、電着塗料に電極を挿入して電流を通じ塗料粒子を陽極とした平角状の導線上に沈着させ形成した絶縁被膜を半硬化し圧延してから硬化して絶縁導線を形成する電着塗装が行われていた（例えば、特許文献１参照。）。一方、電着塗装として平角状の導線を電着塗料を満たした電着層中を通過させ次に有機溶媒を満たした溶媒層を通過させたり有機溶媒のミストや蒸気に通過させた後焼き付けて絶縁被膜を形成する方法が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。更に、平角状の導線に電着塗料を電着塗装した後に有機溶媒を噴霧する方法として、超音波による有機溶媒のミスト発生方法や、有機溶媒の蒸気を噴射ノズルから噴霧する方法が開示されている（例えば、特許文献３、４参照。）。

特開平０３−１５９０１４号公報（第１頁右欄〜第２頁右上欄） 特開平０３−２４１６０９号公報（第４頁左下欄〜第５頁左上欄） 特公平０４−０６５１５９号公報（第２頁左欄） 特開２０１２−１６０３０４号公報（段落［０００６］）

しかし、上記従来の特許文献１に記載される浸漬塗装では、平角状の導線の角部に塗料が付着し難く塗装斑が生じたり所定の絶縁被膜厚を得るのに何度も塗装を繰り返す必要があり、また、電着塗装では、平角状の導線の角部に電界集中が起こるため、角部の絶縁被膜が厚くなり、半硬化させた状態で圧延する必要があった。一方、上記従来の特許文献２に記載される有機溶媒を通過させる方法では均一な絶縁被膜厚でピンホールのない絶縁被膜を得られるけれども、有機溶媒の液体に浸しても表面張力等により樹脂微粒子どうしの隙間に液体が浸透せず十分に溶解できなかったり、蒸気やミストでは有機溶媒の温度や量の制御が難しかった。更に、上記従来の特許文献３、４に記載される超音波による有機溶媒のミスト発生方法や有機溶媒の蒸気を噴射ノズルから噴霧する方法は、有機溶媒の温度や量の調整は可能であるものの超音波発生装置やノズルによる蒸気噴霧装置、その他の制御装置など複雑な装置構成と制御が必要であるとともに、有機溶媒を空中に放出するおそれがあり人体への影響が懸念され、防火の配慮が必要であった。

本発明の目的は、絶縁被膜にピンホールがなく絶縁特性に優れた電着塗装体の製造方法を提供することにある。本発明の別の目的はピンホールがなく平坦な表面の絶縁被膜を簡便でかつ安全な環境で形成できる電着塗装体の製造方法を提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討した結果、電着塗装により基材に絶縁被膜をコーティングする場合に、ポリマーを含む電着塗料にポリマー溶解度の高い有機溶媒を添加し電着塗装することで、ピンホールがなく平坦な表面の絶縁被膜を形成することができることを見出し本発明を完成させた。

本発明の第１の観点は、ポリマーを含む電着塗料を用いて電着方法により被塗装体の表面に前記ポリマーの絶縁層を形成した後焼き付け処理することにより前記ポリマーからなる絶縁被膜が形成された電着塗装体を製造する方法において、前記ポリマーは水に分散する水分散系のポリマーであって、前記電着塗料は前記水分散系ポリマーが水に分散したワニスに有機溶媒を添加して構成され、前記有機溶媒は前記ワニス１００質量％に対して０．５〜６質量％の割合で添加され、前記有機溶媒の沸点は１００℃を越えかつ次式で表されるＤ_(S-P)＜６であることにある。
Ｄ_(S-P)＝[(ｄＤ^S−ｄＤ^P)²＋(ｄＰ^S−ｄＰ^P)²＋(ｄＨ^S−ｄＨ^P)²]^1/2 （１）
但し、ｄＤ^S：有機溶媒のＨＳＰ値の分散成分、ｄＤ^P：ポリマーのＨＳＰ値の分散成分、ｄＰ^S：有機溶媒のＨＳＰ値の分極成分、ｄＰ^P：ポリマーのＨＳＰ値の分極成分、ｄＨ^S：有機溶媒のＨＳＰ値の水素結合成分及びｄＨ^P：ポリマーのＨＳＰ値の水素結合成分である。ＨＳＰ（ｄＤ、ｄＰ、ｄＨ）は物質に固有の値で、これらの値が近い物質程相溶性が高い。これらの値は、分子構造から計算が可能であり分子構造が分からない物質でも次の本発明の第２の観点の方法により推定可能である。

本発明の第２の観点は、第１の観点に基づく発明であって、ポリマーと有機溶媒の混合液が透明化した場合をポリマーの溶解性がある有機溶媒とし、ポリマーと有機溶媒の混合液が白濁化した場合をポリマーの溶解性がない有機溶媒とし、有機溶媒のｄＤ^S、ｄＰ^S、ｄＨ^Sを３次元グラフ化し、ポリマーの溶解性がある有機溶媒の表す点が全て内側に入る最小球の中心をポリマーのｄＤ^P、ｄＰ^P、ｄＨ^Pと推定して前記Ｄ_(S-P)＜６の関係を満たす有機溶媒を選定することにある。

本発明の第３の観点は、第１又は第２の観点に基づく発明であって、有機溶媒は親水系溶媒であることにある。

本発明の第４の観点は、第１ないし第３の観点に基づく発明であって、有機溶媒はＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、プロピレンカーボネイト、ジメチルスルホキシド、４ブチロラクトン、又はＮメチル２ピロリドンであることにある。

本発明の第５の観点は、第３又は第４の観点に基づく発明であって、水分散系のポリマーはポリウレタン、エポキシ・アクリル、ポリエステル又はポリエステルイミドである。

本発明の第６の観点は、第１ないし第５の観点に基づく発明であって、被塗装体は銅線であることにある。

本発明の第７の観点は、被塗装体の表面に絶縁被膜が形成された電着塗装体を製造する第１ないし第６いずれかの観点に記載された方法であって、ＳＥＭにより観察し計量した被膜断面のピンホールの数は５０個／１０μｍ□以下であり、かつＪＩＳＣ０６０１に従って計量した表面粗さＲａは４０ｎｍ以下である電着塗装体の製造方法である。

本発明の第１の観点では、水分散系ポリマーが水に分散したワニスに有機溶媒を０．５〜６質量％の割合で添加したことで有機溶媒の槽やミスト・蒸気を発生・噴霧する装置及び制御装置を不要とし、また、有機溶媒を蒸気やミストにしないので空中に放出するおそれを低減して製造環境を安全にして簡便に製造することができる。次いで、有機溶媒の沸点が１００℃以上であるので焼付工程にて１００℃以上になって電着塗料の水分が蒸発しても有機溶媒は残るので樹脂に対しての有機溶媒によるポリマーへの膨潤、溶解の効果が長く期待できる。更に、有機溶媒のポリマーに対する溶解度をハンセン溶解度パラメーターを使用し、Ｄ_(S-P)＜６という式で規定する。ポリマーと相溶性の小さい有機溶媒を添加した場合には、ポリマー粒子を形成する高分子鎖中に有機溶媒分子が入り込むことが困難で高分子鎖が解かれた状態とならないため、造膜性が向上せずクラックやピンホールが発生することがあるけれども、上記規定条件によりポリマーと相溶性の高い有機溶媒を選定して添加することで、ポリマー粒子が膨潤状態、即ちポリマー粒子を形成する高分子鎖中に有機溶媒分子が入り込むことにより高分子鎖が解かれた状態となり、熱硬化時にポリマー粒子同士の融着が容易になり造膜性が向上するため、クラックやピンホールのなく絶縁特性に優れた平坦な絶縁被膜を有する電着塗装体を製造することができる。

本発明の第２の観点では、ポリマーと有機溶媒の混合液が透明化した場合をポリマーの溶解性がある有機溶媒とし、ポリマーと有機溶媒の混合液が白濁化した場合をポリマーの溶解性がない有機溶媒とし、有機溶媒のｄＤ^S、ｄＰ^S、ｄＨ^Sを３次元グラフ化し、ポリマーの溶解性がある有機溶媒の表す点が全て内側に入る最小球の中心をポリマーのｄＤ^P、ｄＰ^P、ｄＨ^Pと推定してＤ_(S-P)＜６の関係を満たす有機溶媒を選定することができるようになる。

本発明の第３の観点では、有機溶媒は親水系溶媒とし、水に溶解する物質としたことで塗装面に確実に絶縁被膜を成形することができるようになる。

本発明の第４の観点では、有機溶媒としてＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、プロピレンカーボネイト、ジメチルスルホキシド、４ブチロラクトン、又はＮメチル２ピロリドンを用いることにより特にエポキシ・アクリルのポリマーに対してピンホールの少ない若しくはなく、表面が均一な絶縁被膜を形成することができるようになる。

本発明の第５の観点では、水分散性のポリマーはポリウレタン、エポキシ・アクリル、ポリエステル又はポリエステルイミド等であり、水溶性のポリマーにはポリイミドを用いることによりピンホールの少ない若しくはなく、表面が均一な絶縁被膜を形成することができるようになる。

本発明の第６の観点では、絶縁被膜にピンホールが少ない若しくはない絶縁銅線を形成することができるようになる。

本発明の第７の観点の方法で製造された、ピンホールが少ない若しくはない絶縁被膜を有する電着塗装体は、絶縁特性に優れ、また電子線、宇宙線、紫外線等の照射が厳しい過酷な環境でも絶縁性能を維持できる。

本発明の実施形態の電着塗装装置を模式的に表した図である。 実施例１の絶縁銅線の絶縁部分の断面を拡大したＳＥＭの写真図である。 比較例１の絶縁銅線の絶縁部分の断面を拡大したＳＥＭの写真図である。

次に本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。

本発明は、図１に示すように、電着塗装装置１００によりポリマーと有機溶媒を平角状の導線１０１ｂにコーティングし、コーティングした平角状の導線１０１ｂを熱処理して表面に硬化したポリマーの絶縁被膜が形成された電着塗装体である絶縁導線を製造する方法の改良である。

本発明の特徴ある構成は、水分散系ポリマーが水に分散したワニスに下記後述する公知のハンセン溶解度パラメーターを用いた選定方法で選定した所定の有機溶媒を添加して調製された電着塗料１０２を電着塗装装置１００の塗料として使用するところにある。このように、有機溶媒を含む電着塗料１０２を電着塗装の塗料とすることで、所望の絶縁被膜を形成する電着塗料１０２を簡便に調製でき、また、有機溶媒をコーティングする工程を別個に設けることなく電着塗装することができるようになる。

本発明の電着塗装体の製造工程を図１を参照して詳しく説明する。図１は、縦方向に連続して電着、焼き付け工程等を行う方式を図示したが、本発明の電着塗装は横方向に連続して各工程を行う方法や、一つの工程をまとめて行ってから次の工程を行うバッチ方式など如何なる方式でも行うことができる。

図１は電着塗装装置１００によって導線１０１に絶縁被膜を形成する製造工程の一例を示す図である。円筒状に巻き込んである断面が円形状の導線１０１ａには直流電源１０３の正極に接続された陽極１０４が設置されている。円形状の導線１０１ａは矢印１０５の方向に引き上げられて各工程を経る。まず、第１の工程として、円形状の導線１０１ａは一対の圧延ローラ１０６を通して平角状に圧延され断面を長方形とした平角状の導線１０１ｂとなる。次いで、第２の工程として平角状の導線１０１ｂは水分散系ポリマーが水に分散したワニスに有機溶媒が添加された電着塗料１０２が充填された電着槽１０７を通過する。電着槽１０７の電着塗料１０２中には、通過する平角状の導線１０１ｂの周囲に直流電源１０３の負極に接続された陰極１０８が設置されている。電着槽１０７を平角状の導線１０１ｂが通過する際に直流電源１０３により直流電圧が印加され平角状の導線１０１ｂの表面には溶解したポリマーが電着される。次に、第３の工程として電着槽１０７から引き上げられた平角状の導線１０１ｂは焼付炉１０９を通過し、電着したポリマーは平角状の導線１０１ｂに焼き付けられ絶縁導線が形成される。なお、本明細書で「絶縁導線」とは表面に絶縁被膜が形成された導線をいう。導線としては、銅線、アルミ線、鋼線、銅合金線等が挙げられる。

電着塗料１０２の温度は５〜６０℃、ポリマーの濃度は１〜４０質量％、直流電圧は１〜３００Ｖ、通電時間は０．０１〜３０秒、焼き付け温度は２００〜６００℃が好ましい。なお、有機溶媒の濃度は、下限を絶縁被膜にクラックが発生しない程度とし、上限を電着塗料の導電性が低下し電着による成膜が困難にならない程度の値であればよく、おおよそ１〜７０質量％の範囲が好適である。

ここで、本発明の有機溶媒の選定方法について詳しく説明する。

まず、有機溶媒として沸点が１００℃以上のものを選定する。水とポリマーを含む電着塗料を使用するため焼き付け時に最初に水を蒸発させるため、即ち、有機溶媒が水より先に蒸発してしまうと焼き付けの際にポリマーが有機溶媒による膨潤・溶解の効果が期待できなくなるからである。膨潤はポリマーを構成する高分子鎖の間に有機溶媒が入り込みポリマーが膨らみゲル化して粘度が向上する効果を期待している。また、有機溶媒が高分子鎖の間に入り込んで高分子鎖の結合を離しポリマーが溶解する効果も期待する。これは、ポリマーが有機溶媒により溶解することでポリマー元来の硬化温度８０℃から硬化し始めないようにして水分が蒸発した後でも導線の表面に硬化せずに溶解したポリマーが流動体として一様に付着した状態で焼き付けができるようにするためである。

次に、ハンセン溶解度パラメーターによりポリマーに対して溶解性の良い有機溶媒を選定する。

まず、ポリマー粉末と各種有機溶媒を混合しポリマー、有機溶媒ともに１質量％の溶液を作製する。各溶液は、粉末がゲル化した透明液のグループと粉末が沈殿した白濁液のグループに２分する。次に、各有機溶媒のハンセン溶解度パラメーターの分散項ｄＤ^S、分極項ｄＰ^S、水素結合項ｄＨ^Sを３次元グラフ化し、透明液となったグループが内側で、白濁液となったグループが外側になるような半径が最小の球を作成し、その球の中心をポリマーのハンセン溶解度パラメーターと推定する。推定したポリマーのハンセン溶解度パラメーターと有機溶媒のハンセン溶解度パラメーターを下記の式（１）に入力して得た値がＤ_(S-P)＜６の有機溶媒をポリマーの溶解性の良い有機溶媒として選定した。

Ｄ_(S-P)＝[(ｄＤ^S−ｄＤ^P)²＋(ｄＰ^S−ｄＰ^P)²＋(ｄＨ^S−ｄＨ^P)²]^1/2 （１）
但し、ｄＤ^S：有機溶媒のＨＳＰ値の分散成分、ｄＤ^P：ポリマーのＨＳＰ値の分散成分、ｄＰ^S：有機溶媒のＨＳＰ値の分極成分、ｄＰ^P：ポリマーのＨＳＰ値の分極成分、ｄＨ^S：有機溶媒のＨＳＰ値の水素結合成分及びｄＨ^P：ポリマーのＨＳＰ値の水素結合成分である。

次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。以下に示す実施例６は実施例ではなく、参考例である。

＜実施例１＞
幅２ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの平角状の銅線を電着の陽極とし、この平角状の銅線を固形分５質量％のエポキシ・アクリル（水分散型アクリルワニス）に６質量％のＤＭＦ（Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド）を有機溶媒として加えた電着塗料を入れた電着槽を用意した。次に、平角状の銅線を、直流電圧５Ｖを印加し、この状態で線速＝１５ｍ／ｍｉｎで２秒間電着槽中に通過し、次いで、電着された平角状の銅線を３００℃の雰囲気中の焼付炉に通過させ焼付処理を行い絶縁被膜厚さ０．０１ｍｍの絶縁銅線を作製した。

＜実施例２＞
有機溶媒を６質量％のＤＭＳＯ（ジメチルスルホキシド）とした以外は実施例１と同様にして絶縁被膜厚さ０．０１ｍｍの絶縁銅線を作製した。

＜実施例３＞
有機溶媒を６質量％の４Ｂ（４ブチロラクトン）とした以外は実施例１と同様にして絶縁被膜厚さ０．０１ｍｍの絶縁銅線を作製した。

＜実施例４＞
有機溶媒を６質量％のＮＭＰ（Ｎメチル２ピロリドン）とした以外は実施例１と同様にして絶縁被膜厚さ０．０１ｍｍの絶縁銅線を作製した。

＜実施例５＞
有機溶媒を０．５質量％のＤＭＦとした以外は実施例１と同様にして絶縁被膜厚さ０．０１ｍｍの絶縁銅線を作製した。

＜実施例６＞
有機溶媒を５０質量％のＤＭＦとした以外は実施例１と同様にして絶縁被膜厚さ０．０１ｍｍの絶縁銅線を作製した。

＜比較例１＞
有機溶媒を加えずに、電着槽通過後ＤＭＦのミストを平角状の銅線に加えた以外は実施例１と同様にして絶縁被膜厚さ０．０１ｍｍの絶縁銅線を作製した。

＜比較例２＞
有機溶媒を加えない以外は実施例１と同様にして絶縁被膜厚さ０．０１ｍｍの絶縁銅線を作製した。

＜比較例３＞
有機溶媒を６質量％のホルムアミドとした以外は実施例１と同様にして絶縁被膜厚さ０．０１ｍｍの絶縁銅線を作製した。

＜比較例４＞
有機溶媒を６質量％のアセトンとした以外は実施例１と同様にして絶縁被膜厚さ０．０１ｍｍの絶縁銅線を作製した。

＜実施例と比較例との対比＞
それぞれの実施例と比較例で得られた絶縁銅線についてＳＥＭ写真によりピンホールの個数、表面段差計により表面粗さＲａ（株式会社アルバック社製触針式表面形状測定器使用。）、耐電圧（菊水電子社製ＡＣ耐電圧試験機ＴＯＳ５０００使用。）を評価した。評価結果を表１に示す。

実施例１〜６ではクラック、ピンホールが無く、表面粗さは３０〜４０ｎｍ、耐電圧は１．５ｋＶとなる絶縁特性に優れた絶縁銅線が得られた。特にＤＭＳＯは表面粗さが３０ｎｍの平坦な表面である絶縁銅線が得られた。

比較例１、３ではクラックはなかったものの、表面粗さは２００〜２３０ｎｍ、ピンホールは１０〜５３個／１０μｍ□、耐電圧は０．３〜１．４ｋＶとなり実施例に対して各評価項目は劣る結果となった。

比較例２、４ではいずれもクラックが発生し、その他の評価項目において比較評価するデータが得られなかった。

次に、実施例１と比較例１をＳＥＭ写真にて絶縁銅線の断面の組織の状態を観察した。ＳＥＭ写真は、日立製作所のＳ−４３００ＳＥを使用して撮影した。その結果を図２及び図３に示す。

図２及び図３に示すように、実施例１ではピンホールはなく表面はなめらかであるのに対し、比較例１では無数のピンホールがみられた。

上記結果より、沸点が１００℃以上かつハンセン溶解度パラメーターによって選定した有機溶媒を用いて簡便に調製した電着塗料を使用して電着焼付を行うことで緻密で平滑な表面とピンホールの無い耐電圧の高い絶縁被膜を持った絶縁銅線を安全な製造環境において得られることが確認できた。

本発明の電着塗装体は、パーソナルコンピュータ、スマートフォンの電源用パワーインダクタ、車載用インバータのトランス等に使用することができる。

１０２ 電着塗料

Claims (7)

1. ポリマーを含む電着塗料を用いて電着方法により被塗装体の表面に前記ポリマーの絶縁層を形成した後焼き付け処理することにより前記ポリマーからなる絶縁被膜が形成された電着塗装体を製造する方法において、
   前記ポリマーは水に分散する水分散系のポリマーであって、
   前記電着塗料は前記水分散系ポリマーが水に分散したワニスに有機溶媒を添加して構成され、
   前記有機溶媒は前記ワニス１００質量％に対して０．５〜６質量％の割合で添加され、
   前記有機溶媒の沸点は１００℃を越えかつ次式で表されるＤ_(S-P)＜６であることを特徴とする電着塗装体の製造方法。
   Ｄ_(S-P)＝[(ｄＤ^S−ｄＤ^P)²＋(ｄＰ^S−ｄＰ^P)²＋(ｄＨ^S−ｄＨ^P)²]^1/2 （１）
   但し、ｄＤ^S：有機溶媒のＨＳＰ値の分散成分、ｄＤ^P：ポリマーのＨＳＰ値の分散成分、ｄＰ^S：有機溶媒のＨＳＰ値の分極成分、ｄＰ^P：ポリマーのＨＳＰ値の分極成分、ｄＨ^S：有機溶媒のＨＳＰ値の水素結合成分及びｄＨ^P：ポリマーのＨＳＰ値の水素結合成分である。
2. 前記ポリマーと前記有機溶媒の混合液が透明化した場合を前記ポリマーの溶解性がある有機溶媒とし、前記ポリマーと前記有機溶媒の混合液が白濁化した場合をポリマーの溶解性がない有機溶媒とし、前記有機溶媒のｄＤ^S、ｄＰ^S、ｄＨ^Sを３次元グラフ化し、前記ポリマーの溶解性がある有機溶媒の表す点が全て内側に入る最小球の中心を前記ポリマーのｄＤ^P、ｄＰ^P、ｄＨ^Pと推定して前記Ｄ_(S-P)＜６の関係を満たす有機溶媒を選定することを特徴とする請求項１記載の電着塗装体の製造方法。
3. 前記有機溶媒は親水系溶媒である請求項１又は２記載の電着塗装体の製造方法。
4. 前記有機溶媒はＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、プロピレンカーボネイト、ジメチルスルホキシド、４ブチロラクトン、又はＮメチル２ピロリドンである請求項１ないし３いずれか１項記載の電着塗装体の製造方法。
5. 前記水分散系のポリマーはポリウレタン、エポキシ・アクリル、ポリエステル又はポリエステルイミドである請求項３又は４記載の電着塗装体の製造方法。
6. 前記被塗装体は銅線である請求項１ないし５いずれか１項記載の電着塗装体の製造方法。
7. 被塗装体の表面に絶縁被膜が形成された電着塗装体を製造する請求項１ないし６いずれか１項に記載された方法であって、ＳＥＭにより観察し計量した被膜断面のピンホールの数は５０個／１０μｍ□以下であり、かつＪＩＳＣ０６０１に従って計量した表面粗さＲａは４０ｎｍ以下である電着塗装体の製造方法。