JP6572197B2 - 表面処理組成物用の充填剤 - Google Patents

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Description

本発明は、表面処理組成物、特に木材処理組成物用の充填剤に関する。本発明は、さらに、木材の処理のために各粒子に正の表面電荷を与える表面コーティングを有する粒子の使用に関する。
様々な表面処理組成物が先行技術から公知である。この場合、それらは、例えば、ラッカー、釉薬、含浸、コーティング、ステイン、陽極酸化、粉末コーティング、直流電気金属堆積、酸化(例えば陽極酸化)、他であってもよい。言及する方法の幾つかに関して、表面処理は、処理された材料の外観および/または特性に関して否定的な特性も持ち得ることが公知である。この例は、特定の表面へのラッカーの適用であるが、これは、例えば、被覆される材料によっては、前記材料がラッカー中に含まれる溶媒の結果として損傷される場合があるからである。
処理される材料に特定の色を与えるように意図される表面処理組成物の場合、材料自体と表面処理組成物の間の否定的な相互作用も同様に公知である。これらの相互作用は、例えば、材料からの成分が、表面処理組成物に達して表面の外観を変化させる場合があるが、それは、それ自体が着色しており、それ自体の色によって知覚できるか、または表面処理組成物中に含まれ得る顔料の色合いを変化させ、それにより、色の変化として知覚することができるからである。多数の染料は共役π電子系を特徴とし、これは電荷または部分電荷との相互作用に大いに影響され得るので、特に、表面処理された材料から表面コーティングへのアニオンまたはカチオンの拡散が問題になる。これは、木材のブリード(または表面滲み)として公知であるものの場合には特に顕著である。木材中に含まれるほとんどイオン性の物質は一般に水溶性である。最新の塗料、ラッカーおよび他の表面処理組成物用の水系溶媒システムの使用が増加した結果、木材物質はこれらによってますます溶出され、それにより、特に水系システムにおいては表面コーティングと相互作用し得る。有機溶媒系の表面コーティングがますます置き換えられつつあるので、このいわゆる「表面滲み」はますます出現する問題である。
この問題はすべての種類の木材で同じ程度に発生するわけではない。差異は、例えば様々な種類の異なる木材物質によって引き起こされる場合がある。その場所および成長条件もまた、木材物質およびその構成比に影響し得るので、影響を与え得る。軟材は、通常、表面滲みの傾向に関して、また流出する物質に関して種々の硬材と異なる。種々の硬材の場合、特に熱帯の木材は、変色を引き起こす木材物質に非常に富む。また、単一の木からの木材部分の場合、表面滲みは、局所的に様々な程度に発生し得る。表面滲みは、特に節穴または節の領域でより頻繁に発生するが、それは、これらの場所では、物質が特に濃縮されているか、毛細管の配列がこれを促進するか、または、他の理由で物質がこれらの場所でより容易に流出し得るからである。
特にアニオン性成分は、木材の表面滲みに関連するということが先行技術から公知である。したがって、これらのアニオン性成分が木材から流出する場合に、木材からこれらを束縛するように意図されるカチオン性結合剤を含む、木材処理用の表面処理組成物が市販されている。そのような表面処理組成物はある程度効果的である。しかし、経時的に、表面コーティング中のアニオンがなお移動可能な結果として、アニオン濃度の勾配が発生することが明らかになっている。したがって、言及した表面処理組成物は、単に木材物質のアニオンの局所的に発生する高濃度を低下させるだけで、完全には表面コーティング内のその移動性を防止することができない。したがって、局所的な変色はそれにより軽減することができるが、結果として必然的に他の領域では色のわずかな変化をもたらす。
したがって、本発明が取り組む問題は、これらの欠点をなくすことができる表面処理組成物用の充填剤を提供することである。さらに、本発明の目的は、木材の表面滲みをその表面処理によって防止するか少なくとも軽減することができる物質を提供するということである。さらに、本発明は、木材を処理するためのそのような物質の使用を対象とする。
この問題は、請求項1に記載の表面処理組成物用の充填剤、および請求項10に記載の使用によって解決される。
種々の表面処理組成物による処理の後の処理した木材の種々の試験片の比較を示す。 上記のような商品および充填剤の添加で構成される表面処理組成物の塗布後の木材でできた種々の試験片の図である。 木材物質の表面滲みを防止するのに特に適すると記載する純粋な結合剤と、前記結合剤に加えて35重量%の上記充填剤も含む組成物との比較を示す。 木材物質の表面滲みを防止するのに特に適すると記載する純粋な結合剤と、前記結合剤に加えて35重量%の上記充填剤も含む組成物との比較を示す。
本発明の本質的な態様は、表面処理組成物用の充填剤であって、充填剤が粒子を含み、粒子は、それぞれの粒子に正の表面電荷を与える表面コーティングを有するという点を特徴とする。この正の表面電荷によって、処理される材料から流出するアニオンを局所的に束縛し、それにより劇的にその移動性を限定することが可能である。正の表面電荷は、何らかの表面電荷を意味すると理解されるべきである。したがって、部分電荷も含まれる。しかし、表面自体が、イオン性、より正確にはカチオン性の性質を有することは好ましいが、それは、このようにして、特に効率的な方式でアニオンを束縛することが可能であるからである。
先行技術から公知の表面処理組成物と対照的に、本発明による充填剤を含む表面処理組成物は、カチオン性の性質を有するのが表面処理組成物全体ではなく、むしろ、正に帯電した中心が局所的に存在し、互いから立体的に分離され、その結果、正に帯電した中心から隣接する正に帯電した中心へのアニオンのさらなる拡散は、より困難になるか、または、環境条件によっては完全にさえ防止されるという利点を提示する。このようにして、結果として、1つの電荷中心から隣接する電荷中心へのアニオンの交換に対するエネルギー障壁が低すぎて、表面処理組成物によってアニオンの拡散を効果的に防止または鈍化させることができないような、正に帯電した中心が互いに近接して配置され均一に分布している表面処理組成物に関して、実質的な利点をもたらす。近接して一緒に配置される複数の電荷中心を含むそのような分布は、例えばイオン性基を含む結合剤によって提供され得る。
粒子が0.01μmから5mmの間の範囲、好ましくは0.1μmから1mmの間の範囲、より好ましくは1μmから100μmの間の範囲である担体粒子径(d50)を有する充填剤が、特に好ましいと分かっている。この、特に1μmから100μmの間の範囲のより好ましいサイズによって、粒子、および、それゆえに電荷中心もまた、第一に、アニオンの上記拡散の防止に十分な程度に局所的に集中させられ、しかし、第二には、また表面コーティング全体にわたって、処理される材料から流出するアニオンに電荷中心が非常に近接して配置されてそれぞれ効果的に捕捉および/または束縛することができるように均質に表面コーティング全体にわたって分布することを確実にすることができる。担体粒子のこのサイズは、例えば感触、遮蔽能力およびその湿潤摩耗などの、表面コーティングのさらなる特性に対して有利な効果がある。このようにして、これらの粒子によって、表面滲みのみをそれぞれ防止または軽減することができるだけでなく、前記粒子は、また充填剤としてその特性によりさらに肯定的な効果を有することもできる。
上記に示した粒子径、および以下に言及する粒子径は、特に明示的に断らなければ、担体粒子径にそれぞれ関係する。特に断らなければ、粒子径はd50値として示す。この値は、特に断らなければ、沈降によって測定される(Sedigraph、例えばSedigraph 5120)。
(担体)粒子は、タルク、雲母、ガラスビーズ、ガラスパウダー、アルカリ土類金属炭酸塩、好ましくはCaCO、カオリン(天然のおよび/またはか焼された)、石英、石英粉およびケイソウ土を含む群から選択されることが好ましい。第一に、大量の前記物質が入手可能であるが、しかし、第二に前記物質は、市販の種々の公知の表面処理組成物の他の特性に否定的な効果を有していないので、これらの物質が有利であると分かっている。幾つかの事例において、これらの(非表面改質)担体粒子は、充填剤として公知の表面処理組成物に既に添加されている。したがって、上述の群からの材料は、公知のシステムと特に良好な適合性を提供する。しかし、上記充填剤粒子に基づく新システムを配合すること、および/またはシステムにとって異種である他の充填剤粒子を公知のシステムに添加することも可能である。
さらに、表面電荷は、その正の(部分)電荷を広いpH範囲に含むことが好ましい。したがって、表面電荷は、pH10未満、好ましくはpH11未満、より好ましくはpH12未満、最も好ましくはpH13未満でカチオン性であることが好ましい。
表面コーティングは、担体粒子の重量に対して0.1〜20重量%(重量による%)、好ましくは0.5〜10重量%、より好ましくは1〜7.5重量%の比率で存在する。担体粒子のそのような表面コーティングによって、表面全体の電荷担体が、長期間、アニオンをそれぞれ束縛するか固定化するのに、一緒に十分に近接することを確実にすることができる。さらに、そのような密集したコーティングは、また複数のアニオンを束縛することを可能にする。
表面コーティングの電荷中心が低密度であると、ある領域の粒子がアニオンを効果的に束縛することができなくなるか、または前記領域は2、3のアニオンを束縛した後飽和し、もはや追加のアニオンを束縛することができないようになる。
好ましくは、表面コーティングはポリマーを含む。複数の(部分)電荷をポリマーに与えることは特に簡単である。これらは、アニオンを束縛することができるように一緒に十分に近接して配置され、場合によって、さらに複数の電荷中心によって配置される。それによりキレート効果を十分に使用することができる。この場合、もたらすことができることは、ポリマー鎖が好適な移動性を有することを前提として、電荷中心がアニオンの方に配向すること、アニオンと向かい合うポリマー鎖の側に、優勢的に無極性の残基が存在し、それによって水が弾かれること、および、アニオンは水によって再び溶出されることが防止されることである。ポリマーは好ましくはアミノ基を含む。しかし、他のポリマーもさらに存在することができ、場合によって、それはさらに肯定的な特性を粒子に与える。特に好ましい実施形態において、アミノ基を含有するポリマーはアミノ改質アルキルポリシロキサンである。以下において、アミノ改質アルキルポリシロキサンはアミノ基を含有するポリマーの例として使用される。アミノ基がポリマー鎖を形成するモノマーの一部(または反応生成物)であるか、前記基がポリマー鎖の重合後付加されたかどうかは作用原理にとって重要でないので、以下においてこれらのポリマーを区別しない。したがって、アミノ改質アルキルポリシロキサンも、アミノ基がモノマーの一部(または反応生成物)であるポリマーを意味すると理解されるべきである。
したがって、特に好ましくは、表面コーティングがアニオンを束縛および/またはアニオンと錯体形成するのに適した充填剤である。この場合、束縛は、アニオンの可動性が、少なくとも一時的に制限される任意の種類の相互作用を意味すると理解されるべきである。したがって、アニオンの錯体形成(例えばキレートによる)は、束縛の好ましい変形を表わす。
((充填剤)粒子の)表面コーティングは、無色であることが好ましい。また、((充填剤)粒子の)表面コーティングは、変色を引き起こす物質の錯体形成中でさえ無色のままであることがさらに好ましい。この好ましい実施形態によって、表面処理組成物または結果として得られた(それで処理された材料の)表面コーティングの所望の色のゆがみが、表面コーティングそれ自体によって引き起こされないことを確実にすることができる。好ましくは、((充填剤)粒子の)表面コーティングのアニオンとの組み合わせは無色である。このように、望ましくない色の影響がアニオンを束縛する間さえ発生しないことを確実にすることができる。
上述のように、特に木材材料の場合、好ましくない色の変化が、木材のブリード(表面滲み)により発生し得るので、充填剤を含む表面処理組成物は、好ましくは木材処理組成物である。このようにして、充填剤は、木材の表面に適用することができ、充填剤は粒子を含み、粒子は、それぞれの粒子に正の表面電荷を与える表面コーティングを含む。この正の表面電荷によって、表面滲みを軽減することができ、処理された木材の外観に対する流出アニオンの影響を軽減することができる。
したがって、本発明の別の本質的な態様は、担体粒子および表面コーティングを含む粒子の木材の処理のための使用であり、ここで、前記表面コーティングは各粒子に正の表面電荷を与える。この場合の粒子は、好ましくは、表面処理組成物用の充填剤の粒子について既に上に記載した特性を有する。
粒子の使用は、その処理が木材のブリードの軽減に役立つ場合に特に好ましい。
使用の変形は、粒子が表面処理組成物の一部であるという点を特徴とする。この場合、表面処理組成物は好ましくは液体である。表面処理組成物は懸濁液であるのが特に好ましい。その結果、塗布、特に表面への粒子の塗布でさえ単純化される。さらに、完全にまたは部分的に自動的な方式でそのような塗布を可能にするか、単純化するか、さらに可能にする確立した方法および対応する装置がある。
好ましい変形は、表面処理組成物が50μmから1000μmの間の湿潤フィルム厚さで塗布されるという点をさらに特徴とする。この種類の湿潤フィルム厚さは、先行技術から公知である装置を使用する、容易で均質な塗布を確実にする(例えばラッカー、釉薬または塗料の塗膜用)。さらに、乾燥後でさえ十分な材料厚さ、したがって、十分な量の活性粒子が、これらの湿潤フィルム厚さによってさらに確実になる。100μmから500μmの間、より好ましくは200μmから300μmの間の湿潤フィルム厚さが、特に好ましいと分かっている。
粒子が表面処理組成物の一部として使用される場合、前記粒子が、最大50重量%、好ましくは1〜30重量%、より好ましくは2〜20重量%の比率で添加されることが特に有利であると分かっている。この記載において、この点で示すこれらと以下のすべての重量部は、それぞれ、粒子の添加のない表面処理組成物の重量に関係する。特に、好ましくは、粒子は、3〜15重量%の比率で表面処理組成物に添加される。
表面処理組成物において粒子、特にその表面コーティングがプロトン化された、好ましくは、複数回プロトン化された使用が好ましい。より好ましくは、この場合の表面処理組成物は、13未満、好ましくは1から12の間、より好ましくは3から11の間、最も好ましくは5から10の間のpHを有する。
本発明のさらなる利点および実施形態は、以下の図面および実施例を参照して記載される。
表1に、充填剤粒子の例示の実施形態を示す。粒子は、第一に2μm未満の粒子径(d50)を有する天然のカオリンに基づく。これをカオリンAと称す。カオリンBと称する担体材料も天然のカオリンである。しかし、その平均粒子径(d50)はわずかに大きく、およそ2.5μmに等しい。QM2500は石英粉を示し、その粒子径(d50)はおよそ5μmに等しい。これらの粒子のコーティングについて、アミノ改質アルキルポリシロキサン(表では略して単に「ポリシロキサン」と称す)を使用する。各事例で使用する塗布量は、0.1から20重量%の間にある。それぞれの百分率値は、表1に示す実施例について示す。
表に見ることができるように、純粋な担体材料はアニオン性である。しかし、これらは少なくとも負の表面電荷を有する。対応する表面修飾によって、このようにして得られた複合粒子は正の表面電荷を獲得する。表面コーティングの担体粒子および塗布量に応じて、表面電荷は、およそ40からほぼ90mVの間の範囲にある。表1に示す測定値が比較的大きな誤差を含み、したがって、さらに、表示値から相当な乖離があり得ることは注目されるべきである。しかし、表1からのこの可能な乖離をさらに考慮に入れると、対応する表面修飾の場合には、電荷は正の範囲にシフトするだけでなく、また、塗布された表面コーティング量の増加とともに、表面電荷もまた増加する傾向があることを知ることができる。
図1は、5%のアミノ改質アルキルポリシロキサンを用いて得られたカオリンAを使用して得られた種々の試験片の比較を示す。これを水性製剤として使用し、担体粒子に適用した。このようにして得られた複合粒子を、白色の木材プライマーに添加する。白色顔料として、前記プライマーは二酸化チタン(TiO)を含む。メルバウ木材を試験基材として使用する。示した実施例において、被覆カオリンと被覆していないカオリンの比が異なる種々の配合を試験片に塗布した。試験片A(左)は、15重量%の表面被覆充填剤を含む配合を用いて処理し、未処理カオリンAを含まなかった。試験片B(左から2番目)の場合には、5重量%の表面被覆充填剤を5重量%の未処理カオリンで置き換えた。したがって、この配合は、10重量%の表面被覆粒子および5重量%の被覆していない粒子を含む。試験片C(右から2番目)に関しては、やはり未処理カオリンに比率をシフトし、そこで使用した配合は、表面被覆カオリンはわずか5重量%だが、10重量%の被覆していないカオリンAを含む。それに比べ、試験片D(右)は、アミノ改質ポリシロキサンを用いて表面被覆した充填剤粒子を含まない表面処理組成物を用いて処理した木材を示す。
この図面から見ることができるように、右の比較例において、表面滲みの結果としてのはっきりとした変色を検知することができる。複数の黒いしみに加えて、通常、横断したストライプの形態をしている、はっきりとした明瞭な線形の変色も見ることができる。前記変色は、通常、試験片の木材の繊維構造に従う。そのような変色の厚さは右から左へ減少する。5重量%の表面被覆複合粒子の比率でさえ、色の変化の明瞭な軽減をもたらす。10重量%の比率の場合には、発生する変色はやはり明瞭に軽減することができる。試験片BをCと比較し、BをDと比較すると、どちらも、表面滲みが明瞭に軽減されることを知ることができる。表面被覆複合粒子の比率がさらに増加すると、表面滲みにおいて比較できる程に明瞭な軽減は検知することができない。各試験片の表面滲みが個別基準で異なる場合でさえ、複合粒子の比率が15重量%(A)に増加すると、変色のさらなる軽減が、試験片BとCの間でほどは少なくとも顕著ではないことを知ることができる。
図1に示す試験片は、発現のより早い段階で得られた実験の結果を表わす。使用する組成物のさらなる最適化は、表面滲みによって引き起こされる変色のさらなる軽減をもたらすことができる。そのような実施例を図2に示す。特に、濡れ特性の適合性、および/または表面処理組成物の粘度は、局所的な変色の出現に対して大きな影響がある。より良好な濡れであるが、しかし、例えば、粘度を下げることによって必ずしも達成することができない場合には、表面滲み、および目に見えるようになる個々の細孔の数はそれぞれ、さらに下げることができる。
図2に、実施例をこの目的のために示す。表面滲みを防止するように意図される市販の製品(市場での商品番号RM2)を上記のように表面改質充填剤と混合した。試験片A(左)はRM2で処理した試験片を示す。はっきりとした変色を見ることができる。これは未処理のカオリンAの添加のみより軽減することができる。B(左から2番目)は、15重量%のカオリンAの追加の比率を含むRM2の組成物で被覆することにより得られた試験片を示す。Cは、上記の15重量%の表面改質充填剤を市場での商品番号RM2に添加した試験片を示す。Aとの比較、Bとの比較のどちらにおいても、変色、およびしたがって表面滲みの明瞭な軽減を見ることができる。比較した通り、Dは、RM2および15重量%の炭酸カルシウム(CaCO)を含む組成物による表面処理をした場合の試験片を示す。
これらの実験によって、未処理の充填剤(すなわち非表面改質カオリンまたは炭酸カルシウム)の添加が、表面滲みの軽減にほとんど結びつかないことを示すことができる。これらの物質は、木材から流出する物質に対してわずかなバリア効果しかないと見なすことができる。それと対照的に、表面処理した充填剤は、Cに示すように、商業的に公知の製品と組み合わせて、著しくその特性を改善することができる。試験片Cの場合には、表面滲みが試験片Aに対して相当に軽減されることを明白に見ることができる。
幾つかの組成物において、着色または白色の担体粒子を使用することが不利であることがある。これは、特に透明な表面コーティングが試験片に設けられる場合、不利である。図3において、そのため、ガラス粒子を担体材料として使用した試験片を示す。これらのガラス粒子は、先に記載したカオリン粒子と同様にアミノ改質アルキルポリシロキサンで表面被覆したものである。図3に示す実施例において、純粋な結合剤(しかし、木材物質(A)の表面滲みを防止するように意図される)を、35重量%の表面改質充填剤(B)を前記結合剤に添加した配合と比較した。この事例においても同様に、アミノ改質アルキルポリシロキサンで表面被覆した粒子を含む組成物での処理中に発生する変色の明瞭な軽減を見ることができる。
上述のように、表面改質充填剤用の担体はガラス粒子からなる。このように、表面滲みを著しく軽減する組成物の肯定的な特性は、例えばカオリン(図2参照)などの担体粒子の特性に起因せず、むしろ前記粒子の表面コーティングに実質的に依存することを示すことができる。
図1〜3に示す試験片のすべてについて、200μmの湿潤フィルム厚さを適用した。したがって、結果を互いに直接比較することができる。しかし、フィルム厚さは明らかにこの上述の値から乖離する場合があり、これに限定されない。例えば、500μmのフィルム厚さの場合、類似した肯定的な効果が、上記のような表面改質粒子を有する充填剤を含む組成物によって達成することができることを示すこともできる。類似した結果は、担体粒子に関して種々の重量部の表面コーティングを有する粒子を含む充填剤を用いても達成することができた。この場合、これらが、どんな場合も表面滲みを軽減したことを示すことも可能であった。この場合、効率は、担体粒子上の表面コーティングの比率に、少なくとも少しの程度、依存する。
また、種々の種類の木材についての比較実験は、これらについてさらに表面滲みを軽減することができることを示すことができた。したがって、そのような表面処理組成物の有効性は、木材から流出する物質の正確な組成に少しの程度しか依存せず、しかし、事実上、流出する物質の正確な組成と無関係に作用する。
本出願人は、先行技術に対して個々にまたは組み合わせで新規かどうかにかかわらず、本発明にとって必須の出願書類において開示した特徴をすべて請求する権利を留保する。個々の図面において、分離して取上げられた有利になり得る特徴も記載されたことはさらに注目される。当業者は、図面に記載された特定の特色が、前記図面から特徴をさらに移動せずにさえ、有利になり得ることを直ちに認識するであろう。当業者は、利点がまた、個体または種々の図面において示される複数の特色の組み合わせに起因し得ることをさらに認識するであろう。

Claims (11)

  1. 木材の表面処理組成物用の充填剤であって、
    前記充填剤は粒子を含み、
    前記粒子が、タルク、雲母、ガラスビーズ、ガラスパウダー、アルカリ土類金属炭酸塩、カオリン(天然のおよび/またはか焼された)、石英、石英粉およびケイソウ土からなる群より選択され、アミノ基を有するポリマーを含む表面コーティングを有し、担体粒子径(d50)が1μm〜5mm
    であることを特徴とする、充填剤。
  2. 前記表面電荷が、pH13未満でカチオン性であることを特徴とする、請求項に記載の充填剤。
  3. 前記表面コーティングが、担体粒子の重量に対して0.1〜20重量%(重量による%)の比率で粒子中に存在することを特徴とする、請求項1又は2に記載の充填剤。
  4. 前記表面コーティングがアニオンを束縛し、および/またはアニオンと錯体形成するのに適していることを特徴とする、請求項1からのいずれか一項に記載の充填剤。
  5. 前記表面コーティングが無色であり、アニオンとそれの組み合わせも無色であることを特徴とする、請求項1からのいずれか一項に記載の充填剤。
  6. 粒子の使用であって、
    前記粒子が、担体粒子と表面コーティングを含み、
    前記担体粒子が、タルク、雲母、ガラスビーズ、ガラスパウダー、アルカリ土類金属炭酸塩、カオリン(天然のおよび/またはか焼された)、石英、石英粉およびケイソウ土からなる群より選択され、担体粒子径(d50)が1μm〜5mmであり、
    前記表面コーティングが、アミノ基を含むポリマーを含み、
    木材の処理のために用いられることを特徴とする、使用。
  7. 前記木材の処理が、木材のブリードを軽減するためのものであることを特徴とする、請求項に記載の使用。
  8. 前記粒子が表面処理組成物の成分であり、前記表面処理組成物が液体であることを特徴とする、請求項または請求項に記載の使用。
  9. 前記表面処理組成物が、50μmから1000μmの間の湿潤フィルム厚さで塗布されることを特徴とする、請求項に記載の使用。
  10. 前記表面処理組成物中の前記粒子が、最大50重量%の比率で添加されることを特徴とする、請求項または請求項に記載の使用。
  11. 前記表面処理組成物中の前記粒子がプロトン化され、前記表面処理組成物が、13未満のpHを有することを特徴とする、請求項8〜10のいずれか一項に記載の使用。
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