JP6511599B1 - カチオン電着塗料組成物と塗膜形成方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】中塗りおよび上塗り塗料と同等の低い焼き付け温度で硬化し、中塗り塗料との2コート1ベーク、または中塗り塗料および上塗り塗料との3コート1ベークで良好な硬化塗膜を得ることができるカチオン電着塗料組成物とその塗膜形成方法を提供する。【解決手段】樹脂組成物固形分100gあたり0.1mol〜0.3molの不飽和二重結合を含有するカチオン電着塗料用樹脂組成物を含むカチオン電着塗料を電着塗装した後、未硬化の電着塗料塗膜の上に、中塗り塗料又は上塗り塗料、又は中塗り塗料及び上塗り塗料を塗装して中塗り塗料及び、又は上塗り塗料と共に空気中または、不活性ガス気流下で同時に焼き付け硬化する。【選択図】図1

Description

本発明は、中塗、および上塗り塗料と同程度の低い温度で硬化する不飽和二重結合を有するカチオン電着塗料用樹脂組成物を用いたカチオン電着塗料組成物、およびその塗装、硬化方法に関する。
現在広く採用されているカチオン電着塗料の硬化反応は、エポキシ樹脂を骨格とするカチオン電着塗料組成物とブロックイソシアネート化合物との縮合反応によるものであり、その焼き付け硬化条件は160℃〜180℃で15分以上であることが一般的である(例えば、特許文献1、特許文献2)。
一方、中塗り塗料及び上塗り塗料の焼き付け硬化条件は130℃〜150℃で20〜30分であるため、これより高い温度で焼き付け硬化することを要するカチオン電着塗料を、中塗り又は、及び上塗り塗料と同時に硬化することは困難である。
また、硬化剤としてブロックイソシアネート化合物を使用するため、縮合反応によって遊離したブロック剤が揮散することがカチオン電着塗料と(中)上塗り塗料を同時に硬化する場合、生成する上塗り塗膜の肌の平滑性を阻害する要因となることが懸念される。
さらに、中塗り塗料、上塗り塗料と硬化温度を合わせるためカチオン電着塗料の硬化温度を低下する方法として、より低温で乖離するブロック剤を使用したブロックイソシアネート化合物を採用することは、カチオン電着塗料の貯蔵安定性、電着槽内での安定性、それらに起因して生成塗膜の肌の低下につながることが問題であるため困難であった。
また、ブロックイソシアネート化合物のブロック剤の乖離による硬化反応ではなく、不飽和二重結合をカチオン樹脂に組み込んだ重合反応を採用する試みもされている(例えば特許文献3、特許文献4)。
特開2006−088089 特開2002−294168 特公昭55−30753 特開平5−295321
本発明はカチオン電着塗料と中塗り塗料又は、及び上塗り塗料を一回の焼き付けによって同時に硬化し、良好な生成塗膜の肌を得ることを可能とするため、カチオン電着塗料にブロックイソシアネート化合物硬化剤を使用することなく、不飽和二重結合の重合反応によって硬化して、かつ空気中の酸素の影響を受けることなく硬化することが可能なカチオン電着塗料、及び塗膜形成方法を提案することを目的としている。
本発明はカチオン電着塗料の硬化剤としてブロックイソシアネート化合物を使用する縮合反応の代わりに、カチオン電着塗料の基幹となるカチオン電着塗料用樹脂に不飽和二重結合を有する樹脂を用いて重合反応による硬化反応を行う場合に、電着塗料を単独で焼き付け硬化することなく、未硬化の電着塗料皮膜の上に中塗り塗料、及び(又は)上塗り塗料等の何らかの被覆剤を塗装して同時に焼き付け硬化することと、電着塗料中の重合開始剤の使用方法によって、ブロック剤の揮散による上塗り塗膜の平滑性の低下を防止すると共に、不飽和二重結合を有するカチオン電着塗料の空気中の酸素による重合阻害も防止して良好 な塗膜外観を得ることを可能とするものである。
実施例の内容及びその試験結果を示す表である。 比較例の内容及びその試験結果を示す表である。
本発明に使用するカチオン電着塗料用の不飽和二重結合を有する樹脂組成物は骨格をエポキシ樹脂とする。 このエポキシ樹脂は数平均分子量400〜18,000で分子中にエポキシ基の他に水酸基、又はアミノ基を有するものであれば特に限定されたものである必要はないが、エポキシ基と水酸基を分子中にそれぞれ1つ以上含む樹脂であることが好ましい。
例えば、ビスフェノールAとエピクロロヒドリンの共重合体と種々のジオール、ジアミン、ジカルボン酸等を反応したもの、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ポリグリシジルアクリレート樹脂、エポキシ化ポリブタジエン樹脂等やこれらを変性したグリシジル基を含む各種の樹脂を挙げることができるが、ビスフェノールAとエピクロロヒドリンとの共重合体を主体としたエポキシ樹脂が防錆性の点では特に好ましい。
このエポキシ樹脂に不飽和二重結合を導入するためには、ジイソシアネートとヒドロキシ(メタ)アクリレートの反応物(以下反応物A)を用いる。 ジイソシアネートとしては、トルエンジイソシアネート、ジフェニルメタンジイソシアネート、テトラメチレンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート、シクロヘキサノンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、ナフタレンジイソシアネート等ジイソシアネート化合物であれば特に限定されるものではないが、二つのイソシアネート基の反応性の差が大きいトルエンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネートが特に好ましい。
ヒドロキシ(メタ)アクリレートとしては、ヒドロキシエチルメタアクリレート、ヒドロキシエチルアクリレート、ヒドロキシブチルアクリレート、ヒドロキシブチルメタアクリレート等分子中にヒドロキシル基を1つ有するアクリレートであれば特に限定されるものではない。
ジイソシアネートとヒドロキシ(メタ)アクリレートの反応は、ジイソシアネート1molとヒドロキシ(メタ)アクリレート1.0mol〜1.8molで行われる。 ヒドロキシ(メタ)アクリレートが1mol以下であると反応物Aとエポキシ樹脂を反応する際にゲル化する可能性が高くなり、1.8mol以上であるとエポキシ樹脂と未反応の遊離の反応物Aが多くなるため塗料の安定性に問題を生ずる上に、塗料を焼き付け硬化した後の塗膜性能低下の原因となり好ましくない。 1.05mol〜1.5molであることがより好ましい。
エポキシ樹脂と反応生成物Aの反応は、エポキシ樹脂100部と反応生成物A9部〜99部で行われる。この反応は反応触媒の存在下で行っても良い。 反応触媒としてはジブチル錫ジラウレート、ジブチル錫オキサイド等の有機錫化合物、アミン類、有機ジルコニュウム化合物、有機チタン化合物等の金属塩を使用することができる。
上記により生成した不飽和二重結合を有するエポキシ樹脂にカチオン性を付与する方法及び材料は特に限定されるものではなく、一般的に行われている方法を採用することができる。
不飽和二重結合を含むカチオン電着塗料用樹脂組成物の貯蔵中及び電着塗料浴中での安定性を確保するためには重合禁止剤を用いる。 重合禁止剤の種類は特に限定されるものではない。 重合禁止剤は反応物Aの合成時、およびエポキシ樹脂と反応物Aの反応時、塗料の製造時に添加される。 その量は合計で10ppm〜500ppmで、少なすぎると安定性に問題が生じ、多すぎると塗膜の硬化が不十分となる。
重合開始剤の種類は特に限定されるものではないが、中塗り、上塗り塗料の焼き付け温度及び塗料の安定性との関連で選択肢の種類が多い有機過酸化物が推奨される。
有機過酸化物としてはカチオン電着塗料、中塗り塗料、上塗り塗料の焼き付け温度の観点から1分間半減期温度が90℃以上であることが望ましく、カチオン電着塗料及び電着塗料浴の安定性、硬化塗膜の平滑性の観点から、10時間半減期温度が60℃以上であることが好ましい。
不飽和二重結合を含むカチオン電着塗料は、その焼き付け硬化反応において空気中の酸素が硬化反応の障害となるため、表面を中塗り塗料、又は、及び上塗り塗料等の何らかの塗料で被覆するか、焼き付け炉内の空気を不活性ガス気流で置換して、カチオン電着塗料の皮膜が空気中の酸素と接触し難い環境で焼き付け硬化することが好ましい。
しかしながら、自動車車体などの複雑な構造物を塗装する場合、袋構造内部等の表面が他の構造物によって隠された部分にも電着塗料が塗装されていることが防錆性の観点から求められるが、中塗り塗料や上塗り塗料のようなスプレー塗装では、他の構造物の影になった部分には被覆できない部署が発生する。このため、未硬化の電着塗料塗膜の上に中塗り塗料、または、及び上塗り塗料等の塗料を塗装して電着塗膜を空気から遮断して、同時に焼き付け硬化を行う場合でも不活性ガス気流中で焼き付け硬化することがより好ましい。
しかし、理由は不明であるがイソシアネート結合を含む樹脂中の二重結合の場合、空気中の酸素による硬化反応の障害の程度がイソシアネート結合を含まない化合物の場合より幾分緩和される傾向があり、袋構造内部のように外的要因で塗膜表面に損傷を受ける可能性の低い箇所に本来防錆力の高いエポキシ樹脂を主体としたカチオン電着塗料用樹脂皮膜が塗装された場合、硬化不良による防錆力の低下はさしたる問題とならないため、不活性ガス気流雰囲気ではない状態で中塗り塗料または、及び上塗り塗料と同時に焼き付け硬化を行うことも可能である。しかしながら、不活性ガス気流中で焼き付け硬化を行わないで大気中で硬化する場合は、袋構造部以外は何らかの被覆剤で被覆されていることが好ましい。
不飽和二重結合を含むカチオン電着塗料の上に塗装する中塗り及び、上塗り塗料等の種類は特に限定されるものではないが、カチオン電着塗料が水性であることから水性塗料であることがより望ましい。
焼き付け炉内に充満させる不活性ガスの種類は特に限定されるものではないが、経済性の観点から窒素ガス、二酸化炭素ガスの他、ボイラー排ガス等の酸素濃度の低い煙道ガスを使用することもできる。
重合開始剤は本発明の不飽和二重結合を含むカチオン電着塗料用樹脂と共に水分散されても良いが、塗料の貯蔵安定性、浴塗料の安定性をより確かなものとするために、不飽和二重結合を含まないカチオン電着塗料用樹脂組成物によって水分散されることがより好ましい。不飽和二重結合を含まないカチオン電着塗料用樹脂組成物は、広く一般に使用されているカチオン電着塗料用樹脂組成物であれば特に限定されるものではない。
カチオン電着塗料の塗料浴安定性をより高いものとするため、重合開始剤をカチオン電着塗料中に配合することなく、電着塗装後の未硬化の被塗物を重合開始剤が水分散された浴中に浸漬することによって、重合開始剤をカチオン電着塗料皮膜中に含侵させることにより、その触媒効果を発揮させることができる。
この場合の重合開始剤は水に溶解、又は分散することができるものであれば特に限定されるものではない。
次に本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
製造例1 TDI‐HEA反応物の製造
2,4‐トルエンジイソシアネート348部、ハイドロキノン0.04部、ジブチル錫ジラウレート0.35部を反応容器に仕込み、窒素ガス気流下でヒドロキシエチルアクリレート255部を反応器中の温度が40℃を超えないような速度で冷却しながら滴下する。
引き続き40℃以下で、赤外線吸収スペクトルの2,4‐トルエンジイソシアネートの4位のイソシアネート基の吸収スペクトルが認められなくなるまで反応を継続した後、メチルエチルケトン150部で希釈して固形分80%のTDI−HEAの反応物を得る。
製造例2 HMDI‐HEMA反応物の製造
ヘキサメチレンジイソシアネート336部、ハイドロキノン0.04部、ジブチル錫ジラウレート0.6部を反応容器に仕込み、窒素ガス気流下でヒドロキシエチルメタアクリレート338部を反応容器中の温度が40℃を超えないような速度で冷却しながら滴下する。
続いて50℃以下で2時間反応した後、メチルエチルケトン168部で希釈して固形分80%のHMDI−HEMAの反応物を得る。
製造例3 TDI‐PG反応物の製造
プロピレングリコール304部、ジブチル錫ジラウレート0.4部を反応容器に仕込み、2,4/2,6‐トルエンジイソシアネート(8/2混合物)348部を窒素気流下で、反応容器中の温度が40℃を超えない速度で冷却しながら滴下する。
続いて60℃に昇温して赤外線吸収スペクトルのイソシアネート基の吸収スペクトルが認められなくなるまで反応してTDI‐PG反応物を得る。
製造例4 アミノ基含有樹脂の製造
エポキシ当量190のビスフェノールAとエピクロロヒドリンから製造されたエポキシ樹脂1520部、ビスフェノールA570部、ジメチルベンジルアミン2部を反応容器に仕込み、窒素ガス気流下140℃でエポキシ当量が1000になるまで反応した後、製造例3のTDI‐PG反応物326部を加えエポキシ当量が1080になるまで反応する。
さらにジエタノールアミン105部、ジエチレントリアミンとメチルイソブチルケトンのケチミン267部をくわえて4時間反応してアミノ基含有樹脂を製造する。
製造例5 不飽和二重結合及びアミノ基含有樹脂の製造
製造例4のアミノ基含有樹脂2790部にメチルエチルケトン695部を加えて固形分80%のアミノ基含有樹脂を得る。
冷却後、ハイドロキノン0.4部とジブチル錫ジラウレート2部を加え、窒素気流下で製造例1のTDI‐HEA反応物837部と製造例2のHMDI‐HEMA反応物600部の混合物を反応容器中の温度が40℃を超えないように滴下した後、50℃以下で赤外線吸収スペクトルのイソシアネート基の吸収スペクトルが認められなくなるまで反応する。
さらに減圧下でメチルエチルケトンを除去した後エチレングリコールモノエチルエーテルで固形分80%となるように調整して不飽和二重結合とアミノ基含有樹脂を製造する。
製造例6 不飽和二重結合含有樹脂エマルション1の製造
製造例5の不飽和二重結合及びアミノ基含有樹脂に20%酢酸540部を加え、十分な攪拌のもとに脱イオン水で固形分が60%となるように調整して不飽和二重結合とアミノ基を含有する樹脂エマルション1を製造する。
製造例7 不飽和二重結合含有樹脂エマルション2の製造
製造例5の不飽和二重結合及びアミノ基含有樹脂4924部にハイドロキノ0.1部、t‐ブチルパーオキシ‐2‐エチルヘキサノエイト(商品名 日油(株)製パーブチルO)120部、及び20%酢酸540部を加え、十分な攪拌のもとに脱イオン水で固形分が60%となるように調整して不飽和二重結合とアミノ基を含有する樹脂エマルション2を製造する。
製造例8 顔料分散用樹脂エマルション1の製造
エポキシ当量190のビスフェノールAとエピクロロヒドリンから製造されたエポキシ樹脂1330部、ビスフェノールA570部、ジメチルベンジルアミン2部を反応容器に仕込み、窒素ガス気流下140℃でエポキシ当量が950になるまで反応した後、N‐メチルエタノールアミン105部、ジエタノールアミン63部を加え4時間反応する。
冷却しながらメチルエチルケトン515部とハイドロキノン0.2部、ジブチル錫ジラウレート2部を加えて固形分80%のアミノ基含油樹脂を得る。
さらに製造例1のTDI‐HEA反応物1045部を窒素ガス気流下で40℃を超えない温度で滴下した後、50℃以下で赤外線吸収スペクトルのイソシアネート基の吸収スペクトルが認められなくなるまで反応する。
減圧化でメチルエチルケトンを除いた後エチレングリコールモノエチルエーテルで固形分80%となるよう調整する。
さらに20%酢酸540部で中和後脱イオン水を加えて、固形分60%の顔料分散用樹脂エマルション1を得る。
製造例9 顔料分散ペースト1の製造
製造例8の顔料分散用樹脂エマルション1を1000部、酸化チタン1135部、カーボンブラック23部、カオリン455部、ケイ酸アルミニュウム455部、ハイドロキノン0.1部に脱イオン水2268部を加えてよく混合し、粒度10以下となるまで分散して固形分50%の顔料分散ペースト1を製造する。
製造例10 アミノ基含有樹脂溶液の製造
製造例4のアミノ基含有樹脂2790部にエチレングリコールモノエチルエーテル695部を加えて固形分80%のアミノ基含有樹脂溶液を製造する。
製造例11 有機過酸化物エマルションの製造
製造例10のアミノ基含有樹脂溶液100部にt‐ブチルパーオキシ‐2‐エチルヘキサノエイト(商品名 日油(株)製パーブチルO)50部、20%酢酸14部を加えよく混合した後、脱イオン水86部を加えて有機過酸化物エマルションを製造する。
製造例12 ブロックイソシアネート硬化剤の製造
ジフェニルメタンジイソシアネート250部、メチルイソブチルケトン50部、ジブチル錫ジラウレート2部を反応容器に仕込み、窒素ガス気流下で60℃を超えないように冷却しつつエチレングリコールモノブチルエーテル248部を滴下する。
赤外線吸収スペクトルのイソシアネート基の吸収スペクトルが検出されなくなるまで反応後メチルイソブチルケトンを加えて固形分80%のブロックイソシアネート硬化剤を製造する。
製造例13 アミノ基含有樹脂エマルション3の製造
製造例10のアミノ基含有樹脂溶液1000部、製造例12のブロックイソシアネート硬化剤400部に20%酢酸165部を加え、十分に撹拌しながら脱イオン水を加えて固形分50%のアミノ基含有樹脂エマルション3を製造する。
製造例14 顔料分散用樹脂エマルション2の製造
エポキシ当量190のビスフェノールAとエピクロロヒドリンから製造されたエポキシ樹脂1330部、ビスフェノールA570部、ジメチルベンジルアミン2部を反応容器に仕込み、窒素ガス気流下140℃でエポキシ当量が950になるまで反応した後、N‐メチルエタノールアミン105部、ジエタノールアミン63部を加え4時間反応する。
エチレングリコールモノブチルエーテル515部を加えて冷却して固形分80%の顔料分散用樹脂を得る。
さらに20%酢酸540部で中和した後脱イオン水を加えて固形分60%の顔料分散用樹脂エマルション2を調整する。
製造例15 顔料分散ペースト2の製造
製造例14の顔料分散用樹脂エマルション2を1000部、酸化チタン1135部、カーボンブラック23部、カオリン455部、ケイ酸アルミニュウム455部、ジブチル錫ジラウレート120部に脱イオン水2268部を加え良く混合し粒度10以下となるまで分散して固形分50%の顔料分散ペースト2を製造する。
浴塗料1 浴塗料1の製造
製造例7の樹脂エマルション2を495部、製造例9の顔料分散ペースト1を207部、脱イオン水1298部をよく攪拌して浴塗料1を製造する。
浴塗料2 浴塗料2の製造
製造例6の樹脂エマルション1を470部、製造例9の顔料分散ペースト1を207部、製造例11の有機過酸化物エマルションを49部、脱イオン水1274部をよく攪拌して浴塗料2を製造する。
浴塗料3 浴塗料3の製造
製造例6のエポキシ樹脂エマルション1を495部、製造例9の顔料分散ペースト1を207部、脱イオン水1298部をよく攪拌して浴塗料3を製造する。
浴塗料4 浴塗料4の製造
製造例13のアミノ基含有樹脂エマルション3を594部、製造例15の顔料分散ペースト2を211部、脱イオン水1195部をよく攪拌して浴塗料4を製造する。
化成処理(日本パーカライジング社製 パルボンド#3020)を施した冷延鋼板(0.8×70×150mm)を浴塗料1で乾燥塗膜が20μとなる条件で電着塗装、水洗、エアーブローした後、上塗り塗料(神東塗料社製 オーデックス#150ホワイト)を乾燥塗膜が20μとなるようにスプレー塗装し、大気中140℃40分焼き付けて硬化塗膜を作成する。
浴塗料1を実施例1と同様に電着塗装及び上塗り塗装した被塗物を、窒素ガスで置換された焼き付け炉で140℃40分焼き付けて硬化塗膜を作成する。
浴塗料2を実施例1と同様の条件で塗装し、大気中で140℃40分焼き付けて硬化塗膜を作成する。
浴塗料2を実施例1と同様の条件で塗装し、窒素ガスで置換された焼き付け炉で140℃40分焼き付けて硬化塗膜を作成する。
浴塗料3を実施例1と同様の条件で電着塗装した後、製造例10の有機過酸化物エマルションを脱イオン水で10倍に希釈した溶液に30秒間浸漬した被塗物に、上塗り塗料(神東塗料社製 オーデックス#150ホワイト)を乾燥塗膜が20μとなるようにスプレー塗装し、大気中140℃40分焼きつけて硬化塗膜を作成する。
浴塗料3を実施例5と同様に電着塗装及び上塗り塗装をして、窒素ガスで置換された焼き付け炉で140℃40分焼き付けて硬化塗膜を作成する。
比較例1
浴塗料4を実施例1と同様の条件で電着塗装し、大気中で140℃30分焼きつけて硬化塗膜を作成する。
比較例2
浴塗料4を実施例1と同様の条件で電着塗装し、大気中で170℃20分焼きつけて硬化塗膜を作成する。
比較例3
比較例2で作成した電着塗料硬化塗膜に、上塗り塗料(神東塗料社製 オーデックス#150ホワイト)を乾燥塗膜が20μとなるようにスプレー塗装し、大気中140℃30分焼きつけて硬化塗膜を作成する。
実施例の内容及びその試験結果を図面の表‐1に、比較例の内容及びその試験結果を図面の表‐2に示す。
試験結果の塗膜平滑性は次のように表示した。
◎ : 表面が平滑で申し分ない
○ : 平滑であるが◎よりは劣る
△ : やや平滑性に欠ける

Claims (4)

  1. 数平均分子量400〜18,000のエポキシ樹脂を骨格とする樹脂100部とジイソシアネート1.0molとヒドロキシ(メタ)アクリレート1.0〜1.8molの反応生成物9部〜99部との反応物を含むことを特徴とするカチオン電着塗料用樹脂を含むカチオン電着塗料を電着塗装した後の未硬化塗膜に、中塗り塗料又は上塗り塗料、又は中塗り塗料と上塗り塗料を塗装した後に、中塗り及び上塗り塗料の硬化条件に合わせた温度で焼き付け硬化することを特徴とする塗膜形成方法。
  2. 数平均分子量400〜18,000のエポキシ樹脂を骨格とする樹脂100部とジイソシアネート1.0molとヒドロキシ(メタ)アクリレート1.0〜1.8molの反応生成物9部〜99部との反応物を含むことを特徴とするカチオン電着塗料用樹脂を含み、重合開始剤を含まないカチオン電着塗料を電着塗装した被塗物を、重合開始剤の水溶液又は水分散液に浸漬した後の未硬化塗膜に、中塗り塗料又は上塗り塗料、又は中塗り塗料と上塗り塗料を塗装した後に、中塗り及び上塗り塗料の硬化条件に合わせた温度で焼き付け硬化することを特徴とする塗膜形成方法。
  3. 数平均分子量400〜18,000のエポキシ樹脂を骨格とする樹脂100部 とジイソシアネート1.0molとヒドロキシ(メタ)アクリレート1.0〜1.8molの反応生成物9部〜99部との反応物を含むことを特徴とする重合開始剤を含まない樹脂エマルジョン、重合開始剤を含まない顔料ペースト、及び重合開始剤が不飽和二重結合を含まないカチオン電着塗料用樹脂で混合分散されたエマルションの3成分から構成されていることを特徴とするカチオン電着塗料組成物。
  4. 請求項1、又は請求項2記載の焼き付け硬化を不活性ガス気流中で行うことを特徴とする塗膜形成方法。
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