JP6755525B2 - 紫外線硬化型塗料の塗工方法および紫外線硬化膜の製造方法 - Google Patents
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Description
本実施形態の紫外線硬化型塗料の塗工方法は、紫外線硬化型アクリル系モノマーを含む紫外線硬化型塗料を有機溶剤で希釈することなく8MPa以上の条件で混合器に供給する工程と、臨界圧力以上の二酸化炭素を混合器に供給する工程と、混合器に供給された紫外線硬化型塗料および二酸化炭素を混合して混合流体を形成する工程と、混合流体を、二酸化炭素の臨界圧力以上の条件で噴霧することにより塗膜を形成する工程と、塗膜に紫外線を照射することにより紫外線硬化膜を形成する工程と、を備える。本実施形態の紫外線硬化型塗料の塗工方法によれば、VOCを削減するとともに安全な紫外線硬化型塗料の塗工方法であって、平面性に優れ、外観品位が良好な硬化膜が得られる塗工方法が提供できる。
本実施形態の紫外線硬化型塗料の塗工方法が適用される被塗工物は、特に限定はなく、たとえば、プラスチック製品、布、紙、金属鋼板などが挙げられ、立体(3次元)構造の物品にも塗工でき、プラスチックフィルムのような平面(2次元)構造の被塗工物の非接触塗工にも適している。
本実施形態の紫外線硬化型塗料の塗工方法において用いられる紫外線硬化型塗料は、有機溶剤で希釈されていない固形分100%の紫外線硬化型アクリル系モノマーを含む。かかる紫外線硬化型アクリル系モノマーは、3官能以上のアクリル系多官能モノマー、またはアクリル系多官能モノマーと2官能以下のアクリル系非多官能モノマーを含むことが好ましい。アクリル系多官能モノマーとアクリル系非多官能モノマーとの質量比は、特に制限はないが、好適な塗膜および硬化膜を形成する観点から、たとえば、100:0〜50:50を例示できる。塗料として上記の紫外線硬化型アクリル系モノマーを用いることにより、有機溶剤を排出せずに塗工物を得ることが可能となる。ここで、アクリル系多官能モノマーは塗膜を主に構成する役割を持ち、アクリル系非多官能モノマーは、塗料粘度を下げ、取り扱いやすさや、塗膜および硬化膜の平面性向上に寄与する役割を持ち、両者を任意の割合で混合することにより、塗膜および硬化膜の性能を調整することが可能である。
図1を参照して、本実施形態の紫外線硬化型塗料の塗工方法において用いられる塗工装置1は、塗料供給部10、二酸化炭素供給部20、混合部30、および噴霧部40を備える。塗工装置1は、塗料供給部10の塗料供給ライン10Lと二酸化炭素供給部20の二酸化炭素供給ライン20Lとが、別々のラインであることが好ましい。塗料供給部10は、塗料供給ライン10L上に、紫外線硬化型塗料を圧空送液するための加圧ガスである窒素ガスを貯蔵する窒素ガスボンベ11、紫外線硬化型塗料を貯蔵する塗料タンク12、紫外線硬化型塗料を所定の圧力まで加圧する塗料高圧ポンプ13、フィルター14、塗料高圧ポンプの吐出圧を調整し余剰分塗料を塗料タンクに返送する塗料1次圧力調整弁15、および圧力計16をこの順に含む。二酸化炭素供給部20は、二酸化炭素供給ライン20L上に、二酸化炭素を貯蔵する二酸化炭素ボンベ21、圧力計22、二酸化炭素を所定温度まで冷却する冷却器23、二酸化炭素を所定の圧力まで加圧する二酸化炭素高圧ポンプ24、二酸化炭素高圧ポンプの吐出圧を調整し余剰分二酸化炭素を二酸化炭素ボンベに返送する二酸化炭素1次圧力調整弁25、圧力計26、流量計27、圧力計28、および二酸化炭素高圧ポンプの吐出圧が混合器の圧力より所定圧力(たとえば1MPa)以上高く保持する二酸化炭素供給ライン背圧弁29をこの順に含む。混合部30は、混合ライン30L上に、紫外線硬化型塗料と二酸化炭素とを混合する混合器31、混合流体の粘度を算出するための差圧伝送器32、および温度計33をこの順に含み、さらに、混合器、差圧伝送器および温度計の温度を調節する温度調節機34を含む。噴霧部40は、噴霧ライン40L上に、フィルター41、圧力計42、温度計43、および噴霧ガン44をこの順に含む。
本実施形態の紫外線硬化型塗料の塗工方法は、紫外線硬化型アクリル系モノマーを含む紫外線硬化型塗料を有機溶剤で希釈することなく8MPa以上の条件で混合器に供給する工程(以下、紫外線硬化型塗料の供給工程ともいう)と、臨界圧力以上の二酸化炭素を混合器に供給する工程(以下、二酸化炭素の供給工程ともいう)と、混合器に供給された紫外線硬化型塗料および二酸化炭素を混合して混合流体を形成する工程(以下、混合流体の形成工程という)と、混合流体を、二酸化炭素の臨界圧力以上の条件で噴霧することにより塗膜を形成する工程(以下、塗膜の形成工程ともいう)と、塗膜に紫外線を照射することにより紫外線硬化膜を形成する工程(以下、紫外線硬化膜の形成工程ともいう)と、を備える。
紫外線硬化型塗料の供給工程は、紫外線硬化型アクリル系モノマーを含む紫外線硬化型塗料を有機溶剤で希釈することなく8MPa以上の条件で混合器31に供給することにより行なわれる。混合器31に供給する紫外線硬化型塗料の圧力は8MPa以上である。ここれにより、混合器31への紫外線硬化型塗料の供給が確実かつ容易に行なわれる。混合器31に供給する紫外線硬化型塗料の圧力は、塗料1次圧力調整弁15で調節できる。塗料1次圧力調整弁15の圧力が過剰となる流量に相当する余剰分塗料を塗料高圧ポンプ13のポンプサンクションに戻すことが好ましい。塗料高圧ポンプ13は、特に制限はないものの、紫外線硬化型アクリル系モノマーのメカニカルストレスによるラジカル発生が嫌われるため、ギヤポンプの使用は避けられるが、モノマーの粘度が十分に高い場合は、モノーポンプ、口径の大きいダイヤフラムポンプがよく使用される。
二酸化炭素の供給工程は、臨界圧力以上の二酸化炭素を混合器31に供給することにより行なわれる。混合器31に供給する二酸化炭素の圧力は臨界圧力である7.4MPa以上である。二酸化炭素は、超臨界状態となることにより、液体の溶解性と気体の拡散性を兼備するため、塗料と均一に混合することができ、均一な混合物が得られる。混合器31に供給する二酸化炭素の圧力は、二酸化炭素1次圧力調整弁25で調節できる。二酸化炭素1次圧力調整弁25の圧力が過剰となる流量に相当する余剰分二酸化炭素を二酸化炭素高圧ポンプ24のポンプサンクションに戻すことが好ましい。二酸化炭素高圧ポンプ24は、特に制限はなく、ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプ、およびプランジャーポンプなどが使用される。ただし、二酸化炭素の加圧に際しては、液体二酸化炭素での加圧が有利であり、この場合、ポンプの前段での冷却が必要とされる。
混合流体の形成工程は、混合器に供給された紫外線硬化型塗料および二酸化炭素を混合することにより行なわれる。紫外線硬化型塗料および二酸化炭素を混合するのに用いられる混合器31は、特に制限はないが、効率的に均一に混合する観点から、流路径が1mm以下のマイクロ流路を有するマイクロ混合器が好ましい。
塗膜の形成工程は、混合流体を、二酸化炭素の臨界圧力以上の条件で噴霧することにより行なわれる。混合流体の噴霧圧力(噴霧時の圧力をいう、以下同じ)は、噴霧ガンのノズルオリフィスの流量特性に依存する。混合流体の噴霧圧力は二酸化炭素の臨界圧力(7.4MPa)以上である。混合流体の噴霧圧力が二酸化炭素の臨界圧力以上であると、噴霧の液滴が微粒化し、塗膜の均一な膜厚が実現されやすい。ノズル噴霧前の混合流体の温度は30℃以上80℃以下が好ましい。ノズル噴霧前の混合流体の温度が30℃以上であると、噴霧後の混合流体の温度が下がりすぎることがなく、混合流体の粘度が上がりすぎることがなく、均質な膜厚が得られやすい。一方、ノズル噴霧前の混合流体の温度が80℃以下であると、塗料である紫外線硬化型アクリル系モノマーの熱分解のおそれがない。かかる観点から、塗工装置1の噴霧部40は、噴霧される混合流体を上記の所定温度まで加熱する噴霧加熱器をさらに含むことが好ましい。噴霧加熱器の型式は、特に限定されないが、装置の運転開始時や、流量を変えたときなどに、温度をなるべく早く一定に制御することや、塗工面の切り替えなどで噴霧を一時的に停止し、再度噴霧を開始するときなどに、混合流体の温度が大きく変化しないことが求められる。そのため、一般的に使用される電気加熱式加熱器よりは、加熱媒体(通常は、水)の満たされたタンクに、混合流体の通過する高圧配管をコイル状に浸漬したタンク/コイル式の熱交換器が好適に用いられる。
本実施形態の紫外線硬化型塗料の塗工方法は、塗膜の平面性および外観品位をさらに高める観点から、塗膜の形成工程後の塗膜を熱処理する工程(塗膜の熱処理工程)をさらに含むことが好ましい。噴霧された微小な液滴は、噴霧ガンのノズルから噴出後の急速な圧力低下と体積膨張により、急速に温度が低下、粘度が上昇する。これに伴い、被塗工物に着滴した紫外線硬化型塗料は、着滴時の形状からの変化しづらく、平滑な連続膜の形成をより効率的なものとするために、塗工後、紫外線照射前の塗膜に熱処理を加え、塗料の粘度を下げ、流動性を高めることが有効である。熱処理装置としては、特に限定はなく、通常の熱風乾燥機などが好適に使用できる。熱処理条件としては、特に制限はなく、たとえば、30℃以上80℃以下で5秒以上5分以下の保持を例示できる。
紫外線硬化膜の形成工程は、塗膜に紫外線を照射することにより行われる。紫外線照射装置は、特に限定はなく、高圧水銀灯、フュージョンHランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプなどが使用でき、光量、光源の配置などが適宜調整される。
本実施形態の紫外線硬化膜の製造方法は、紫外線硬化型アクリル系モノマーを含む紫外線硬化型塗料を有機溶剤で希釈することなく8MPa以上の条件で混合器に供給する工程と、臨界圧力以上の二酸化炭素を混合器に供給する工程と、混合器に供給された紫外線硬化型塗料および二酸化炭素を混合して混合流体を形成する工程と、混合流体を、二酸化炭素の臨界圧力以上の条件で噴霧することにより塗膜を形成する工程と、塗膜に紫外線を照射することにより紫外線硬化膜を形成する工程と、を備える。本実施形態の紫外線硬化膜の製造方法によれば、VOCを削減するとともに安全に、平面性に優れ、外観品位が良好な紫外線硬化膜が得られる製造方法が提供できる。
以下、本紫外線硬化型塗料の塗工および本紫外線硬化膜の製造において用いた評価方法を説明する。
被塗工物であるPET(ポリエチレンテレフタレート)フィルム上に塗工した試料について、反射分光膜厚計(大塚電子株式会社製、FE−3000)を用いて、塗工厚みを幅方向において10mmピッチで試料全幅について計測を実施した。塗工厚みが0μmである以外の部分を塗工部とし、塗工部の幅を塗工幅とした。試料フィルム幅300mm全てにおいて塗工されている場合、塗工幅を300mmとした。
上記塗工幅算出時に使用した反射分光膜厚計(大塚電子株式会社製、FE−3000)を用いて算出した塗工厚みの平均値を平均厚みとした。
三次元中心面平均表面粗さSRaは、ISO 25178に規定されるものであり、3次元表面形状測定装置バートスキャン(菱化システム社製、R5500H−M100(測定条件:waveモード、測定波長560nm、対物レンズ10倍))を用いて、三次元中心面平均表面粗さSRaを求めた。測定数を5とし、それらの平均値を求めた。また、小数点第5桁以下の端数は、四捨五入によりまるめた。
図1に示したような塗工装置1を用いた。塗工装置1は、紫外線硬化型塗料を混合器31に供給する塗料供給ライン10Lと、二酸化炭素を混合器31に供給する二酸化炭素供給ライン20L、供給された紫外線硬化型塗料および二酸化炭素を混合する混合ライン30L、混合された混合流体を噴霧する噴霧ライン40Lを含む。塗料供給ライン10Lには、窒素ガスボンベ11、塗料タンク12、塗料高圧ポンプ13、フィルター14、塗料1次圧力調整弁15、および圧力計16が、この順に配置されていた。二酸化炭素供給ライン20Lには、二酸化炭素ボンベ21、圧力計22、冷却器23、二酸化炭素高圧ポンプ24、二酸化炭素1次圧力調整弁25、圧力計26、流量計27、圧力計28、および二酸化炭素供給ライン背圧弁29が、この順に配置されていた。混合ライン30Lには、混合器31、差圧伝送器32、および温度計33が、この順に配置され、これらの温度を調節する温度調節機34が配設されていた。噴霧ライン40Lには、フィルター41、圧力計42、温度計43、および噴霧ガン44が、この順に配置されていた。
使用した紫外線硬化型アクリル系モノマーを以下に示した。アクリル系多官能モノマーは、大阪有機化学株式会社製ビスコート802(登録商標)(トリペンタエリスリトールアクリレート/モノおよびジペンタエリスリトールアクリレート/ポリペンタエリスリトールアクリレート混合物)を使用した(多官能アクリレートが全体の100質量%)。アクリル系非多官能モノマーとしては、アクリル系2官能モノマーである大阪有機化学株式会社製ビスコート230(登録商標)(1,6−ヘキサンジオールジアクリレート)を使用した。また、光重合開始剤としては、BASF社製イルガキュア(登録商標)184(1−ヒドロキシ−シクロヘキシル−フェニル−ケトン)を使用した。また、比較例3における希釈溶剤としては、メチルエチルケトンを使用した。
塗料高圧ポンプの吐出量が60g/minとなるように、あらかじめ求めておいた流量/ポンプストロークの関係より、ストロークを調整した。二酸化炭素高圧ポンプの吐出量が流量計の値で30g/minとなるように、目盛を調整した。噴霧ガンの先端には、オリフィス相当径0.13mmの楕円形高圧ノズル(噴霧角50°)を装着した。噴霧ガン直前の圧力は二酸化炭素の臨界圧力(7.4MPa)以上の12MPaであった。二酸化炭素の1次圧力調整弁は14MPaに設定した。各部圧力、温度、粘度測定結果などを表2に示した。
実施例1において、二次元塗装ロボットの塗装速度を変更したこと以外は、実施例1と同様にして塗工を行い、塗工フィルムを得た。できあがった紫外線硬化膜は、下記の表2に示したように、平均厚さは8.0μmと実施例1に比べて厚く、三次元中心面平均表面粗さSRaは0.0010μmで平面性はより良好な結果であった。
実施例2において、塗膜の硬化処理前に60℃で3minの熱処理を行わなかったこと以外は、実施例2と同様にして塗工を行い、塗工フィルムを得た。できあがった紫外線硬化膜は下記の表2に示したように、平均厚さは7.3μmであり、三次元中心面平均表面粗さSRaは0.0360μmとなり、実施例1、2に比較するとやや劣るが、良好な平面性を示した。
実施例1において、塗料に二酸化炭素を混合しなかったことおよび噴霧ガンの直前の圧力が二酸化炭素の臨界圧力(7.4MPa)未満の6MPaであったこと以外は実施例1と同様に塗工を行い、塗工フィルムを得た。できあがった紫外線硬化膜を評価した結果、下記表2に示したように紫外線硬化膜の平面性が劣る結果となった。
実施例1において、二酸化炭素の混合比率を表2に示す比率に変更したことおよび噴霧ガンの直前の圧力は二酸化炭素の臨界圧力(7.4MPa)未満の6MPaであったこと以外は、実施例1と同様に塗工を行い、塗工フィルムを得た。できあがった紫外線硬化膜を評価した結果、下記表2に示したように紫外線硬化膜の平面性が劣る結果となった。
実施例1において、紫外線硬化型塗料として表1の「塗料2」の欄に示した組成質量比のメチルエチルケトンを希釈有機溶剤として含む塗料を用いたこと以外は実施例1と同様に塗工を行い、塗工フィルムを得た。噴霧ガン直前の圧力は12MPaであった。できあがった紫外線硬化膜を評価した結果、下記の表2に示したように紫外線硬化膜の平面性が劣る結果となった。
実施例1において、紫外線硬化型塗料として表1の「塗料3」の欄に示した組成質量比のメチルエチルケトンを希釈有機溶剤として含む塗料を用いたこと以外は実施例1と同様に塗工を行い、塗工フィルムを得た。噴霧ガン直前の圧力は12MPaであった。できあがった紫外線硬化膜を評価した結果、下記の表2に示したように紫外線硬化膜の平面性が劣る結果となった。
10 塗料供給部
10L 塗料供給ライン
11 窒素ガスボンベ
12 塗料タンク
13 塗料高圧ポンプ
14,41 フィルター
15 塗料1次圧力調整弁
16,22,26,28,42 圧力計
20 二酸化炭素供給部
20L 二酸化炭素供給ライン
21 二酸化炭素ボンベ
23 冷却器
24 二酸化炭素高圧ポンプ
25 二酸化炭素1次圧力調整弁
27 流量計
29 二酸化炭素供給ライン背圧弁
30 混合部
30L 混合ライン
31 混合器
32 差圧伝送器
33,43 温度計
34 温度調節機
40 噴霧部
40L 噴霧ライン
44 噴霧ガン
Claims (7)
- 紫外線硬化型アクリル系モノマーとして、3官能以上のアクリル系多官能モノマーと2官能以下のアクリル系非多官能モノマーとを含む紫外線硬化型塗料を有機溶剤で希釈することなく8MPa以上の条件で混合器に供給する工程と、
臨界圧力以上の二酸化炭素を前記混合器に供給する工程と、
前記混合器に供給された前記紫外線硬化型塗料および前記二酸化炭素を混合して混合流体を形成する工程と、
前記混合流体を、二酸化炭素の臨界圧力以上の条件で噴霧することにより塗膜を形成する工程と、
前記塗膜に紫外線を照射することにより紫外線硬化膜を形成する工程と、を備える紫外線硬化型塗料の塗工方法。 - 前記混合流体において、前記二酸化炭素は、前記紫外線硬化型塗料への飽和溶解濃度の1.0倍以上4.0倍以下の添加濃度で混合されている請求項1に記載の紫外線硬化型塗料の塗工方法。
- 前記混合流体のノズル噴霧前の温度が30℃以上80℃以下に加熱された状態である請求項1または請求項2に記載の紫外線硬化型塗料の塗工方法。
- 前記混合器は、流路径が1mm以下のマイクロ流路を有するマイクロ混合器である請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の紫外線硬化型塗料の塗工方法。
- 前記紫外線硬化型塗料はさらに光重合開始剤を含む請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の紫外線硬化型塗料の塗工方法。
- 紫外線硬化型アクリル系モノマーとして、3官能以上のアクリル系多官能モノマーと2官能以下のアクリル系非多官能モノマーとを含む紫外線硬化型塗料を有機溶剤で希釈することなく8MPa以上の条件で混合器に供給する工程と、
臨界圧力以上の二酸化炭素を前記混合器に供給する工程と、
前記混合器に供給された前記紫外線硬化型塗料および前記二酸化炭素を混合して混合流体を形成する工程と、
前記混合流体を、二酸化炭素の臨界圧力以上の条件で噴霧することにより塗膜を形成する工程と、
前記塗膜に紫外線を照射することにより紫外線硬化膜を形成する工程と、を備える紫外線硬化膜の製造方法。 - 紫外線硬化型アクリル系モノマーとして、3官能以上のアクリル系多官能モノマーと2官能以下のアクリル系非多官能モノマーとを含む紫外線硬化型塗料を有機溶剤で希釈することなく8MPa以上の条件で混合器に供給する工程と、
臨界圧力以上の二酸化炭素を前記混合器に供給する工程と、
前記混合器に供給された前記紫外線硬化型塗料および前記二酸化炭素を混合して混合流体を形成する工程と、
前記混合流体を、被塗工物であるプラスチックフィルム上に、二酸化炭素の臨界圧力以上の条件で噴霧することにより塗膜を形成する工程と、
前記塗膜に紫外線を照射することにより紫外線硬化膜を形成する工程と、を備えるプラスチックフィルム上の紫外線硬化膜の製造方法。
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