JP6891485B2

JP6891485B2 - 基材の表面処理方法

Info

Publication number: JP6891485B2
Application number: JP2016251316A
Authority: JP
Inventors: 浩茂中村; 紀智田村; 均樋口; 杉田　修一; 修一杉田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2016-12-26
Filing date: 2016-12-26
Publication date: 2021-06-18
Anticipated expiration: 2036-12-26
Also published as: JP2018104754A

Description

本発明は、コンベア等の搬送機で搬送される基材の表面を火炎により効率的に表面処理するための方法に関する。

より具体的には、特定の速度で搬送される基材にガスバーナーからの火炎で表面処理する際に、ガスバーナーのヘッドを特定の範囲の角度に傾けることを含む、表面処理方法に関する。

外壁材や屋根材などの建築材料として、金属系サイディング材や窯業系サイディング材が使用されている。これらの材料は、意匠性や耐食性、耐久性の機能性を付与するために、金属板、セメント板等の基材の上に、めっき処理又は樹脂を含むインクを塗装したり、印刷を行ったりしてその付加価値を高めている。
そして、塗装や印刷を行う前に、基材とのインクの密着性を向上させることを目的として、基材の表面を、火炎処理、コロナ処理、プラズマ処理などの表面処理を行うことが一般的に行われている。

例えば、特許文献１では、金属板表面に、化成処理により化成皮膜を形成した後、前記化成皮膜に火炎処理及び／又はプラズマ処理を行って、溶融状態の熱可塑性樹脂を塗装する、樹脂密着性に優れた樹脂被覆金属板の製造方法が開示されている。
また、特許文献２では、基材の表面に水性エナメル塗料の塗膜を形成し、該塗膜の表面にフレーム処理（火炎処理）を施して、水性インクによりインクジェット印刷層を形成して成る、化粧建築板の製造方法が開示されている。このフレーム処理によって、水性インクと塗膜との馴染みを向上させることが述べられている。

特開２００５−２４６６２３号公報特開２００９−１０７２９８号公報

一般に、基材表面を火炎処理するときは、特許文献２にも示されるようにガスバーナーのヘッドから火炎が基材表面に対して垂直に照射されている（図４参照）。図４において、搬送機５により搬送される基材１がガスバーナー２の下を通り過ぎる時に火炎３により基材の表面が処理される。

図４で示すような火炎処理を行った場合、基材表面が親水化されるが、その効果は十分であるとは言えなかった。そのため、金属鋼板などで火炎処理は一般にアルカリ脱脂などの処理と組み合わせて行われている。

本発明の発明者らは、鋭意検討の結果、基材表面の十分な親水化が実現できる火炎処理の方法を検討した結果、ガスバーナーのバーナーヘッドを特定範囲で傾斜させることによって、基材表面を十分に火炎処理できることを見出した。

具体的に本発明は、搬送される基材の表面が、塗装又は印刷前に、基材の表面に対して９５°〜１３５°に傾けられたガスバーナーのヘッドから照射される火炎で表面処理されることを含み、前記基材がめっき鋼板、ステンレス鋼板、塗装鋼板、アルミニウム板、銅板又は普通鋼板から選択される板材であり、前記ガスバーナーのヘッドは基材の搬送方向の上流側に傾いている、基材の表面処理方法である。

本発明による基材の表面処理方法では、処理された基材表面の濡れ性が向上し、塗装や印刷で用いるインクと基材表面との密着性が向上する。
また、基材表面の十分な濡れ性を確保することで、めっき鋼板やステンレス鋼板などの金属鋼板で行われているアルカリ脱脂の工程を省略することも可能になる。ここで、アルカリ脱脂とは、水酸化ナトリウムのような強塩基と、ケイ酸、炭酸、リン酸等のアルカリ塩からなるアルカリビルダーと、界面活性剤とを主成分にしたアルカリ脱脂剤で金属表面の防錆油、切削油、圧延油等の油脂性の汚れを除去し、清浄にすることをいう。アルカリ脱脂で生じる廃液処理は環境にも影響を及ぼすため、廃棄にも費用がかかる。このようなアルカリ脱脂を省略できることは費用を抑えることに十分効果的である。

本発明の一実施形態を示す図である。本発明で使用するバーナーヘッドの概略図である。本発明で使用する別のバーナーヘッドの概略図である。従来の火炎処理の方法を示した図である。

本発明で使用する基材は、表面に塗装又は印刷が行われる板材であれば特に限定されない。例えば、金属系基材や窯業系基材が挙げられる。
金属系基材として、めっき鋼板、普通鋼板やステンレス鋼板などの鋼板、塗装鋼板、普通鋼板、アルミニウム板および銅板が挙げられる。なお、本発明で使用する金属系基材は、発明の効果を阻害しない範囲で、その表面に化成処理皮膜や下塗り塗膜などが形成されていてもよい。窯業系基材として、素焼陶板、施釉および焼成した陶板、セメント板、セメント質原料や繊維質原料などを用いて板状に成形したものが挙げられる。板材や屋根材などの建築用材として使用されることを目的とした板材が好ましい。

図１は、本発明の一実施形態を示す。基材１は、搬送機４で搬送され、基材１の表面はガスバーナー２の火炎口２１から照射される火炎により、表面処理を受ける。バーナーヘッド２２の中心線α（破線）と基材表面とで形成される角度Ｒが９５°〜１５０°に設定される。

基材１の移動速度は特に限定されるものではないが、通常５〜１５０ｍ／分である。移動速度がこの範囲内であれば、適切に火炎処理が行える。好ましくは、１０〜１００ｍ／分である。

基材１のバーナー処理量は、ＬＰＧの燃焼熱量を１００ｋＪ／Ｌ、ＮＧの燃焼熱量を４５ｋＪ／Ｌとした場合、基材１ｍ^２当たり、３０〜３００ｋＪの範囲で処理される。バーナー処理量が３０ｋＪ／ｍ^２未満の場合は、親水化の効果が不十分となり、上塗りの塗膜またはインキの密着性が損なわれる。また、処理量が３００ｋＪ／ｍ^２超の場合は、基材に熱歪が生じ、板形状が保てなくなり、製品としての形状が損なわれる恐れがある。

本発明では、バーナーヘッド２２と基材表面とで形成される角度Ｒが９５°〜１５０°である。つまり、バーナーヘッド２２が基材１の搬送方向上流側に傾いていることを要する。Ｒが９５°未満の場合は、基材１の表面処理が十分に行われず、基材表面の親水化が十分に行われない。また、Ｒが１５０°よりも大きいと、火炎が基材表面に十分に接触できず、満足できる親水化が困難になる。Ｒは、好ましくは１００°〜１３５°、更に好ましくは１００°〜１２０°、最も好ましくは１０５°である。

図１のＨはバーナーヘッド２２と基材との距離を示す。なお、Ｈは、中心線αと基材１が接する点をＳとすると、その点Ｓを含み中心線αに対して垂直に交わる平面β（図１ではその断面を破線で示してある。）とバーナーヘッド２２の下面との最短距離を言う。本発明の効果を奏する限り、Ｈの値は限定されないが、通常、１０ｍｍ〜１００ｍｍであり、好ましくは、１０ｍｍ〜７０ｍｍであり、更に好ましくは、１０ｍｍ〜５０ｍｍである。１０ｍｍよりも低いと、基材自体がわずかに反っている場合があり、バーナーヘッド２２と基材１が接触してしまう場合がある。一方、Ｈの値が１００ｍｍよりも大きいと、ガスバーナーの火力を必要以上に高くする必要があり不経済である。

図２（ａ）は、ガスバーナー２の側面の概略図を表し、図２（ｂ）はガスバーナー２の正面の概略図、図２（ｃ）はガスバーナー２の底面図である。図２（ａ）で示されるＬは、火炎口２１の長さを表す。
火炎口２１に関し、図１における搬送方向に平行の向きにその長さＬを変更することが可能である。本発明において、Ｌの値は特に限定されないが、Ｌが１〜８ｍｍであることが好ましく、２〜６ｍｍがより好ましい。Ｌが１〜８ｍｍの範囲内で、燃焼性ガスの噴射が安定し、安定した火炎が形成される。

また、図２（ｂ）は、図１のガスバーナー２の正面概略図である。ガスバーナー２の火炎口２１の幅をＷで表している。なお、便宜上、図２（ｂ）では火炎口２１に該当する部分を太い線で強調して記載している。実際に図２（ｂ）では火炎口２１は見えない。バーナーヘッド２２には、ガス供給部２３、支持部（図示せず）が備えられている。このＷは基材１の幅を考慮して選択されるが、通常、１０〜５０ｃｍである。

ガス供給部２３に備わるガス供給管から燃焼性ガスが噴出される火炎口２１に燃焼性ガスが供給される。火炎口２１の態様については特に限定されないがリボン形状や丸穴形状のガスバーナーを用いることができる。

ガス供給部２３では、燃焼ガスと助燃ガスが予め混合された予混合ガスが燃焼性ガスとして供給される。つまり、本発明における燃焼性ガスとは、燃焼ガスと助燃ガスの予混合ガスである。燃焼ガスボンベ等の燃焼ガス供給源及び空気ボンベ、酸素ボンベ、コンプレッサーエアー、ブロアーによるエアー等の助燃ガス供給源がガス混合部に接続されており、ここで燃焼ガスと助燃ガスが混合される。さらに、ガス混合部が混合ガス供給部に接続されており、ガス供給管を通じてガス供給部２３に予混合ガスを供給する。ガス混合部では、燃焼性ガスにおける酸素の比率を一定にするための酸素供給器を具備していてもよい。

支持部は、バーナーヘッド２２を所定の位置で固定する。さらに、バーナーヘッド２２の傾斜角度を調整可能にする調整手段を有する。調節手段は火炎口２１を搬送機４上に所定の角度に回動できるようにして、その傾斜角度を固定して保持できる構造を有する。

ガスバーナーの別の態様として、バーナーヘッド２２に、火炎口２１から２ｍｍ以上、好ましくは２ｍｍ〜７ｍｍ離れた所に、火炎口２１と両側に平行して、補助火炎口２４が存在することが好ましい（図３）。バーナーヘッド２２は、この補助火炎口２４からは非常に微量の燃焼性ガスが通過するような構造を有する。ここでの補助火炎口２４より噴射される燃焼性ガスの量は火炎口２１の５％以下、あるいは３％以下であり、補助火炎口２４により生じる火炎は基材１の表面処理に全く影響を与えない。この補助火炎口２４を有することで、火炎口２１から噴射される燃焼性ガスの直進性が増し、揺らぎが少ない火炎が形成できる。

上記の構造のバーナーヘッド及び燃焼ガス／助燃ガス混合ユニットを有するガスバーナーは市販されており、例えば、ＦｌｙｎｎＢｕｒｎｅｒ社（米国）の製品名Ｆ−３０００などを使用することができる。

燃焼ガスとして、通常、水素、液化石油ガス（ＬＰＧ）、天然ガス（ＮＧ）、アセチレンガス、プロパンガス、又はブタン等を使用することが可能であるが、本発明の所望の火炎を形成するためには、ＬＰＧ又はＮＧを使用することが好ましい。
助燃ガスとしては、空気又は酸素を使用することができ、助燃ガスとして空気を使用することが好ましい。

燃焼ガスと助燃ガスの混合比は、当業者は燃焼ガス及び助燃ガスの種類に応じて適宜定めることができる。
例えば、燃焼ガスがＬＰＧ、助燃ガスが空気の場合、体積比で、ＬＰＧが１に対して、空気の混合比が２３〜２８が好ましく、２３〜２５がより好ましく、２３〜２４が更に好ましい。また、燃焼ガスがＮＧ、助燃ガスが空気の場合、体積比で、ＬＮＧが１に対して、空気の混合比が１１〜１５が好ましく、１１〜１３がより好ましく、１１〜１２が更に好ましい。つまり、ＬＰＧの理論空燃比を２３、ＮＧの理論空燃比を１１とした場合、理論空燃比より若干酸素が多い雰囲気とすることが好ましく、基材に極性基を付与することで、親水性表面にすることが可能となる。

上記燃焼性ガスは、ガスバーナーの流速は、バーナー処理量で決定され、３０〜３００ｋＪ／ｍ^２の範囲となる流速に設定される。よって、ＬＰＧの燃焼熱量を１００ｋＪ／Ｌ、ＮＧの燃焼熱量を４５ｋＪ／Ｌとした場合、基材１ｍ^２当たりの燃焼熱量から流速が設定され、この範囲で燃焼性ガスが火炎口から噴射されると、火炎処理に適した火炎が形成される。
なお、噴射される燃焼性ガスとは図２及び図３の火炎口２１から噴射される燃焼性ガスを指す。

本発明の表面処理を受けた基材は、その後、樹脂を含むインキで塗装又は印刷を施される。インキは、建築材料などで通常汎用されているインキを使用することができる。
インキで使用されている樹脂としては、例えば、例えば、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ポリフッ化ビニリデン樹脂、ポリウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、フェノール樹脂等の高分子化合物が挙げられる。

以下に試験例を挙げて、本発明を更に具体的に説明するが、これによって本発明が限定されるものではない。
原板として、板厚０．５ｍｍの溶融５５質量％アルミニウム−亜鉛合金めっき鋼板（ＡＺ１５０）を試験板として用いた（幅４４０ｍｍ、長さ１０００ｍｍ）。
ＦｌｙｎｎＢｕｒｎｅｒ社（米国製）のＦ−３０００を用いた。このとき、バーナーヘッドの幅４５０ｍｍ、火炎口Ｌ６ｍｍであり、今回は３スロットタイプを用いた（図３）。

燃焼性ガスとして、燃焼熱量を１００ｋＪ／ＬのＬＰＧと空気の混合ガス（混合比：ＬＰＧ１：空気２４）を用い、試験板の移動速度に応じて、ＬＰＧ流量と空気流量を自動調整し、バーナー処理量を１００ｋＪ／ｍ^２とした。
試験板に対して、バーナーヘッドを３０°、４５°、６０°、７５°、９０°、１０５°、１２０°、１３５°、１５０°に傾斜させて試験板に火炎処理を行った。バーナーヘッドの角度は、バーナーヘッドの形状上、３０°未満および１５０度超にした場合、基材と接してしまうため、３０°〜１５０°の範囲で行った。このときの試験板の移動速度を５ｍ／分、５０ｍ／分及び１００ｍ／分に設定した。バーナーヘッドと試験片との距離は５０ｍｍである（図１のＨが５０ｍｍ）。火炎処理を行った後に、処理面の水濡れ性を評価した。また、火炎処理を行っていない未処理例、及びアルカリ脱脂を行った試験板の水濡れ性も評価した。

基材の水濡れ性は、協和界面科学製接触角計ＤＭ−７０１を用いて、対水接触角をＪＩＳＲ３２５７：１９９９に準じて測定し、評価した。

未処理の場合は、対水接触角は６３．２°であり、アルカリ脱脂を行った場合は１２°であった。
対水接触角が３０°を超えると試験板表面の親水化は不十分であると判断できる。何れの条件においても、バーナーヘッドの傾斜角度が９０°を超えた試験片の測定結果が、９０°以下の測定結果と比較して著しく良くなっている。

１：基材、２：ガスバーナー、３：火炎、４：搬送機、
２１：火炎口、２２：バーナーヘッド、２３：ガス供給部、２４：補助火炎口

Claims

塗装又は印刷前に、搬送される基材の表面に対して９５°〜１３５°に傾けられたガスバーナーのヘッドから照射される火炎で表面処理されることを含み、前記基材はめっき鋼板、ステンレス鋼板、塗装鋼板、アルミニウム板、銅板又は普通鋼板から選択される板材であり、前記ガスバーナーのヘッドは基材の搬送方向の上流側に傾いている、基材の表面処理方法。
前記ヘッドが基材の表面に対して１００°〜１３５°に傾けられている、請求項１に記載の基材の表面処理方法。
前記ヘッドが基材の表面に対して１００°〜１２０°に傾けられている、請求項１に記載の基材の表面処理方法。
前記基材へのバーナー処理量が基材１ｍ^２に対し３０〜３００ｋＪの範囲である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の基材の表面処理方法。