TWI531412B - Carbon dioxide coating method and device thereof - Google Patents
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Description
本發明是關於二氧化碳塗裝方法及其裝置,更詳細而言,藉由將以往的有機溶劑系塗料之噴霧塗裝所大量使用的稀釋溶劑(VOC)替換成極少量的二氧化碳,既可確保與有機溶劑系塗裝相同之塗膜均等性、平滑性、鮮映性等的塗裝完成品質,並且可大幅地減低VOC產生之塗裝方法及裝置。本發明係為可提供關於可大幅地減低朝大氣中之VOC產生的低環境負荷型的塗裝方法及其裝置、及可使一液硬化型-二液硬化型塗料穩定地進行二氧化碳塗裝之低環境負荷型的塗裝方法及其裝置的嶄新塗裝技術。
VOC產生是作為與地球暖化相關之有害化學物質,在2010年起包含自主限制被要求減少3成。塗裝業界,作為用於塗料之黏度降低劑,大量地使用有機溶劑,塗裝產業是在日本中的VOC產生量之大大約150萬噸中,佔有接近60%之VOC產生量的最大VOC產生產業,VOC對策係成為塗裝工業中最吃緊之課題。
在塗裝工業技術,使用此稀釋溶劑之噴霧塗裝為主流,為了削減VOC,而採用了各種對策。具體而言,可舉出例如對水性塗料之轉換、削減有機溶劑之塗料即高固形物等、或被排氣之有機溶媒的回收、分解處理等的技術開發。
但是,在這些對策技術中,現況為特別是朝水性塗料之轉換,需要水處理裝置、空調設備等的附帶設備,又,水性塗料適合於塗裝對象物為金屬材料之情況,但是對被要求高度的塗裝完成品質之塑膠零件等的塗裝,卻無法對應。
因此,在塗裝業界,特別是中小企業,對應上述VOC對策是在現狀的技術中存在有被需進行大型設備投資等的課題,因此,被強力要求可替換成現在之有機溶劑塗裝、或水性塗裝的嶄新塗裝技術的開發。
又,關於塗裝技術,在美國聯合碳化物公司所申請的專利(專利文獻1)提案有作為黏度降低劑(稀釋劑),利用超臨界流體來代替有機溶媒之技術。在此技術中揭示有對塗料(聚合物、與將聚合物溶解使其具流動性之真溶劑),溶解超臨界流體特別是二氧化碳,使黏度降低至可進行噴霧等級,藉此可進行塗裝之內容。
自此,由同公司針對塗裝技術而申請有10多件的專利,例如噴霧寬度的控制方法(專利文獻2)、塗料組成的限定(專利文獻3)、噴霧狀態的改良方法(專利文獻4)、堵塞之回避方法(專利文獻5)、及塗料/CO2混合物的密度控制方法(專利文獻6)的5件已准專利。
但是在這些專利中,作為處理流程僅揭示一流程,針對可實用化之處理流程的構築、具體的運轉方法,存在有完成度不充分之問題點。即,以二氧化碳作為黏度降低劑之噴霧塗裝技術,從可實用化的工業技術之觀點來看,為尚未確立之狀況。
在圖1中顯示前述專利所示的處理流程。在本流程,塗料與CO2是被空氣作動式之活塞泵所加壓,塗料是為了降低黏度而被加熱並送至混合器。CO2則未被加熱,呈液體狀態被送至混合器。此時的塗料與CO2的供給量是藉由可同時控制兩泵浦的活塞的動作之機構,以容積比一定的方式被供給。
混合器係為流體多段分割型的靜態混合器,混合物在被加熱後,通過過濾器,再次藉由靜態混合器進行混合,亦可因應需要予以減壓然後送至噴霧槍。在噴霧槍,因應壓力而決定流量來進行噴霧。剩餘部份在循環管路被加壓,然後被送回至第1個靜態混合器後之管路。
以上為所提案的以往的二氧化碳塗裝之概略的處理流程,但是為了使本流程可實用化,會產生塗料/CO2供給量與噴霧量無法取得平衡的問題點,例如造成泵吐出壓力上升之危險性產生。在此專利採取,當泵吐出壓力形成為一定壓力以上時,自設置於管路的洩壓閥,塗料/CO2一同朝大氣壓下放開的結構,但是這些朝大氣中之開放操作性不佳,且塗料/CO2特別是CO2之情況,無法再利用,經濟效益也不佳。
又,雖設有循環管路,但操作上並非一定需要。且,在塗料、及混合物之加熱,採用電氣加熱方式,但是在這種方式,裝置運轉開始時、使流量改變時等,將溫度控制成一定極為困難,期望採用其他的加熱方式。又,在實際的塗裝作業,當改變塗裝面時,或改變塗裝對象物時等,可能瞬間或一定時間必須停止噴霧。
在這種的情況,於所提案之處理流程,會產生系統壓力上升等的問題點,為了作成實際上可操作之處理流程,必須進行相當的改良。且,完全未考量在實質上的塗裝極為重要之塗裝結束時的管路洗淨等。如此,在上述這些專利所揭示的二氧化碳塗裝,可得知並非為以能適用實際的塗裝技術之等級所構築的可實用化的處理流程結構,在該技術領域,被強力要求構築實用化的處理流程。
且,在前述專利中,在該塗裝技術的實用化上非常重要的是關於專利文獻5所揭示的堵塞之回避方法。依據本專利文獻得知揭示有含有硝化纖維素、醋酸丁酸纖維素這種纖維素系聚合物之塗佈用濃厚物,在混合器內產生固體沈殿物,當持續運轉時,則會引起壓力上升,最終造成堵塞而無法進行噴霧。
又,在此專利文獻中揭示有為了解決這種問題,而針對流體力學的檢討、混合器型式的再檢討等,藉由變更硬體,來嘗試問題對應解決,但是,即使可進行短時間的操作,也無法進行長時間穩定運轉,因此,作為其對策,非進行硬體上的對應,而是針對操作溫度、壓力的限定,即,軟體上的對應來解決堵塞問題。
具體而言,此專利為所使用的黏度降低用壓縮流體係為當與塗料進行混合時之氣體或超臨界流體,且成為大約0.5~大約4.0cal/cc的溶解度係數之溫度、壓力進行操作,藉此防止固體聚合物的析出者。
依據此專利,本發明者們也在實施一液硬化型塗料(混合有硝化纖維素之丙烯酸樹脂系塗料)的二氧化碳塗裝時確認到,在多數的溫度、壓力條件,會引起混合器內的堵塞。並且,亦確認到此專利所示的溶解度係數在大約0.5~大約4.0cal/cc內之條件下例如40℃的一定溫度條件下,在8MPa以下的壓力,混合器內的堵塞問題頻繁產生,無法進行噴霧。
在此專利,從相平衡的觀點來考察此固體析出現象,作為聚合物析出防止條件,進行溶解度係數的限定。針對此固體析出現象,本發明者們詳細地調查並檢討聚合物的析出狀況的結果,可明白得知在混合器內之析出前,於混合器正前的二氧化碳之單獨管路會引起聚合物的析出,且因該析出造成二氧化碳供給管路的供給壓力急遽上升等。
這些情事是暗示著在對混合器之二氧化碳供給管路,塗料的一部分逆流,該混合物中的溶劑成分(真溶劑)被二氧化碳、即液體二氧化碳或超臨界二氧化碳抽出、除去的結果,塗料中的聚合物成分析出,造成引起堵塞之現象為其原因。
原本,在恆定操作,於二氧化碳供給管路中,不會產生塗料逆流。但是,當前述堵塞,因混合器以降之下游的流動狀態,產生壓力變動(壓力增加)時,則由於塗料為非壓縮性流體,故可立即昇壓,但由於二氧化碳為壓縮性流體,在昇壓上產生時間差,在該期間,朝二氧化碳管路產生塗料的逆流。即,對一液硬化型塗料這種速乾性高的塗料,以二氧化碳作為黏度降低劑之塗裝技術,在從工業化技術之觀點來看,不得不說處於尚未未確立之狀況,在該技術領域中,被強力要求開發出能夠解決這些問題之可實用化的嶄新技術。
[專利文獻1]日本專利第1927328號
[專利文獻2]日本專利第2061845號
[專利文獻3]日本專利第2670904號公報
[專利文獻4]日本專利第2785099號公報
[專利文獻5]日本專利第2739548號公報
[專利文獻6]日本專利第2807927號公報
在這樣的狀況中,本發明者們,有鑑於前述以往技術,以解決二氧化碳塗裝之上述問題點,特別是可實用化的處理流程的構築、及穩定的運轉手法之確立為目標進行精心銳意硏究的結果,成功地構築了藉由採用高壓微混合器所達到的嶄新處理流程,並且確立了具體的穩定運轉方法,而開發完成了本發明。本發明之目的是在於提供可理想地適用於利用二氧化碳作為黏度降低劑之低環境負荷型的低VOC塗裝的嶄新塗裝方法及其裝置。
且,本發明者們,有鑑於前述以往技術,為了解決二氧化碳塗裝之上述問題點,特別是採用以對一液硬化型塗料這種速乾性高的塗料可理想地適用之二氧化碳的塗裝裝置、和確立穩定運轉方法為目標進行精心銳意硏究的結果,成功地達成硬體式改良、與確立穩定的運轉方法,而開發完成了本發明。本發明之目的是在於提供能夠理想地使用作為利用以二氧化碳作為黏度降低劑,可大幅地減低朝大氣中之VOC產生的低環境負荷型的低VOC塗裝之一液型-二液型塗料的塗裝方法、及其裝置。
其次,詳細地說明關於本發明的第1形態。
本發明之特徵在於針對以往藉由有機溶劑系塗料所進行的噴霧塗裝,提供藉由將大量使用之稀釋溶劑(VOC)替換成極少量的二氧化碳,既可確保與有機溶劑系塗裝相同的塗裝完成品質即塗膜均等性、平滑性、鮮映性等,亦可大幅地減低VOC產生之低環境負荷型的嶄新塗裝方法及其裝置。
本發明的使用二氧化碳之塗裝裝置是針對以二氧化碳代替使用於有機溶劑系的噴霧塗裝之稀釋溶劑(稀釋劑)的一部分或全部之二氧化碳塗裝,作為塗料供給管路,具有儲存塗料用之槽、將自該槽所供給的塗料加壓至預定壓力的塗料高壓泵、和調整該塗料高壓泵的吐出壓並將剩餘部份回送至塗料槽之塗料1次壓調整閥,作為二氧化碳供給管路,具有儲存液體二氧化碳用之槽、將該液體二氧化碳冷卻至預定溫度的冷卻器、將自該冷卻器所供給的液體二氧化碳加壓至預定壓力的液體二氧化碳高壓泵、和調整該液體二氧化碳高壓泵的吐出壓並將剩餘部份回送至同泵的吸引管之液體二氧化碳1次壓調整閥,作為塗料/二氧化碳混合物管路,具有將自前述塗料供給管路所供給的加壓後的塗料和自前述二氧化碳供給管路所供給的加壓後的二氧化碳混合之混合器、及將自該混合器所供給的混合後的塗料/二氧化碳加壓混合物朝大氣壓下的塗裝對象物進行噴霧之噴霧槍。
本發明是使用前述塗裝裝置來進行使用二氧化碳之塗裝的方法,藉由將進行噴霧控制的塗料高壓泵或CO2高壓泵的吐出側的1次壓調整閥設定成噴霧壓,而將不進行噴霧壓控制之塗料高壓泵或CO2高壓泵的吐出側的1次壓調整閥設定成較噴霧壓更高的壓力來進行運轉,將不進行噴霧壓控制之流體的流量作成為一定,而將進行噴霧壓控制之流體的流量作成為可因應噴霧噴嘴的孔口的流量特性變動,並將剩餘部份回送至泵吸入部者。
又,本發明的使用二氧化碳之塗裝方法,是使用前述塗裝裝置進行二氧化碳之塗裝的方法,將塗料高壓泵、及二氧化碳高壓泵的吐出側的1次壓調整閥設定成較噴霧壓力更高,使自兩泵所吐出的流體全量進行噴霧,將噴霧壓力依據噴霧槍的噴嘴孔口的流量特性進行調整。
在本發明,理想實施形態為,具有將已被加壓的塗料加熱至預定溫度之塗料加熱器;將被回送至液體二氧化碳高壓泵的吸入部的剩餘二氧化碳冷卻至預定溫度之冷卻器;具有將已被加壓的液體二氧化碳加熱至預定溫度之二氧化碳加熱器;具有將混合後的塗料/二氧化碳加壓混合物加熱至預定溫度之混合物加熱器;以及混合器為可將塗料與二氧化碳急速混合之微混合器。
又,在本發明,理想實施形態為,進行噴霧壓控制之流體為塗料;將塗料高壓泵、及二氧化碳高壓泵的吐出側的1次壓調整閥設定成較噴霧壓力更高,使自兩泵所吐出的流體全量進行噴霧,將噴霧壓力取決於噴霧槍的噴嘴孔口的流量特性進行調整;將自混合器後到噴霧槍為止的滯留時間作成為至少15秒,來作成穩定的一相混合物。
在有機溶劑系塗裝,一般在重量基準,需要將塗料即聚合物與加上將聚合物溶解使其具流動性之真溶劑的50至150%的稀釋溶劑例如甲苯、二甲苯等,降低至可進行噴霧之黏度。然後,該已被低黏度化的塗料/稀釋溶劑的混合物,藉由以空氣作為霧化媒體之氣體噴霧方式、不使用霧化氣體之高壓噴霧方式,作為微細液滴進行噴霧而塗佈於塗裝對象物。
本發明是提供以二氧化碳代替在前述有機溶劑系塗裝所使用的稀釋溶劑之一部分或全部的塗裝方式者。在本發明的第1形成中作為對象之塗料,大致可分成紫外線硬化型塗料、一液硬化型塗料、及二液硬化型塗料這3種。紫外線硬化塗料是指藉由紫外線來硬化,進行造膜之塗料,具有優良之高硬度、耐磨耗性、耐擦傷性、耐化學藥品性、耐溶劑性等,例如作為手機等的硬質塗佈來使用。
前述塗料,是以紫外線(UV)為能量,將丙烯酸系低聚合物、共聚單體配合品進行自由基聚合,來形成塗膜之塗料。又,一液硬化型塗料為無稀釋或僅調合稀釋劑等的稀釋劑(黏度調整劑)來使用之塗料,主要是使用於家電製品例如TV櫃等、汽車零件、工業零件等。
前述塗料,是以丙烯酸樹脂為主成分,不使用硬化劑來形成塗膜之塗料。藉由混合硝化纖維素,可達到速乾性、硬度高、且耐摩耗性優良。適用材料為聚苯乙烯樹脂、ABS樹脂、AS樹脂、變性聚氧化二甲苯樹脂(NORYL樹脂)、硬質氯乙烯樹脂、聚碳酸酯樹脂等,在廣泛的用途中被使用。
又,二液硬化型塗料是在使用前混合硬化劑,藉由化學反應進行硬化、乾燥之塗料,具有優良的耐乙醇性、耐磨耗性,主要使用於汽車內裝、精密機器、光學機器等。此塗料是以丙烯酸樹脂為主成分,以聚異氰酸酯化合物為硬化劑之二液反應硬化型的丙烯酸氨基甲酸酯塗料。
在本發明,對塗料,混合、溶解二氧化碳,其條件係溫度30~70℃理想為35至45℃,壓力5~20MPa,理想為7~10MPa。因此,雖然需要加壓塗料,但是一般黏度為50~500cp之高黏度,作為塗料高壓泵,採用活塞泵、隔膜泵等。
若塗料黏度充分高,則亦可採用齒輪泵。又,作為二氧化碳高壓泵,除了活塞泵、隔膜泵外,亦可採用柱塞泵。但在進行二氧化碳加壓之際,在液體二氧化碳之加壓為有利,在此情況,需在泵的前段進行冷卻。
在本發明,加熱器的型式未被特別限定,但會被要求當裝置開始運轉時、改變流量時等,盡可能快速地將溫度控制成一定;當因塗裝面的切換等,使噴霧暫時停止,而當再次開始進行噴霧時等,各自的流體的溫度不會大幅變化。因此,比起一般所使用之電氣加熱式加熱器,可理想地採用在充滿加熱媒體(通常為水)之槽,將供流體通過之高壓配管呈線圈狀浸漬之槽/線圈式熱交換器。
在本發明,需要將前述塗料、與二氧化碳有效率地混合,使二氧化碳溶解到塗料中。以往以來,為了達到此目的,採用內管路混合器之應用流體多段分割原理的靜態混合器(靜式混合器),但是無法一定達到充分混合、溶解。在本發明,使用利用微混合原理之高壓微混合器。
高壓微混合器的型式未被特別限定,但是考量塗料的黏性高、會有堵塞性等,比起極力縮短擴散距離、將2流體混合之指叉式通道構造例如德國IMM公司所提供的層流型微混合器,期望採用利用流體的亂流混合效果之微混合器。
作為這些混合器,可舉出例如流路徑為0.5mm以下的T字型混合器、利用迴旋流之漩渦型微混合器、使流體在微小空間中心碰撞之中心碰撞型微混合器及內管的內徑為0.5mm以下的二重管式微混合器等。
又,藉由在這些微混合器的後段連結以往以來所使用的靜態混合器,能夠達到二氧化碳對塗料之充分的溶解,能夠形成穩定的一相混合物。依據條件,在混合器以降至噴霧槍為止之間,亦有形成塗料與二氧化碳的二相形,在該情況,由於兩流體的黏性差異大,故,會有噴霧不穩定,無法達到細緻的塗佈之危險性。二氧化碳對塗料之溶解度,會依據塗料的種類、溫度、壓力而大幅地變動,但是根據混合器的結構,亦會受到很大的影響。
根據後述的實施例之實驗結果得知,就算藉由微混合器將塗料與二氧化碳完全地混合,然而讓二氧化碳完全溶解到塗料中為止,需要一定的保持時間,此保持時間極為重要。
本發明所使用的噴霧槍,為無氣形態之高壓噴霧槍即可,噴霧流量、噴霧壓力、及噴霧圖案的最終的控制,是取決於裝設在此噴霧槍之高壓噴嘴孔口的開口徑(相當徑)與其形狀,故極為重要。噴霧流量,會依據將平均單位時間之塗裝量設定為多少而大不同,但作為塗料的流量,一般是選擇50~500g/min的範圍。
例如噴霧流量為100g/min左右的情況,當將該時的壓力設為5~10MPa時,則孔口的相當直徑選擇為0.1~0.2mm。關於孔口的形狀,會依據所要求的噴霧圖案而有所不同,但若為扇形噴霧的話,則形成為橢圓形的孔口形狀。又,若孔口形狀為圓形的話,則會形成為錐形噴霧,但是在剛噴出後,立刻噴吹空氣等,來控制噴霧圖案,則亦可將錐形噴霧改變成扇形噴霧。
其次,參照圖面,具體地說明本發明的實施形態。圖2所示的裝置是本發明之二氧化碳塗裝裝置的理想實施形態之一例。圖中的符號,顯示以下的手段。即,1:塗料槽、2:塗料過濾器、3:塗料高壓泵、4:塗料背壓閥(一次壓調整)、5:塗料加熱器、6:CO2鋼瓶、7:CO2過濾器、8:CO2冷卻器、9:CO2高壓泵、10:CO2加熱器、11:CO2背壓閥(一次壓調整)、12:CO2冷卻器2、13:塗料逆止閥、14:CO2逆止閥、15:混合器、16:混合物加熱器、17:混合物停止閥、18:CO2停止閥、19:噴霧槍。
針對前述裝置、及其動作詳細說明。塗料被填充於塗料槽,因應需要,藉由氮氣等進行加壓(數氣壓),經由過濾器2,供給至塗料高壓泵3的吸入部。通常、過濾器2的網眼,若為透明塗料,則數十μm即可,但在為有色塗料的情況,由於含有固形物顏料,故理想為數百μm。
塗料高壓泵3為容積式泵浦,吐出壓力為20MPa左右即可,一般選擇隔膜泵,理想為作為脈動對策,選擇雙連式隔膜泵。依據塗料,亦可為柱塞泵,但是,柱塞密封部會有因塗料產生固著的危險性,因此,通常不選擇柱塞泵。作為對應策,亦可適宜地進行以溶劑浸漬柱塞密封部。
泵驅動源,可依據裝置的設置場所,適宜地選擇空氣作動式、電動式。塗料是通常以塗料高壓泵3加壓到10MPa前後,因應需要,藉由塗料加熱器5加熱至40℃前後,再送至混合器15。此時,在定壓運轉操作的情況,進行設定成較噴霧流量(壓力與噴嘴孔口決定)更多的泵流量,將剩餘部份自背壓閥4返回到塗料槽1之操作。此時,定壓運轉操作的控制壓力(系統壓力)成為此背壓閥4的一次壓力。
又,CO2是吸入鋼瓶6的液體部分,通過過濾器7,以冷卻器8冷卻至飽和溫度以下後,再供給到CO2高壓泵9的吸入部。此液體CO2是被CO2高壓泵9加壓,且,藉由CO2加熱器10加熱至臨界溫度(31℃)以上通常為加熱成40℃的超臨界CO2,再送至混合器15。
在此,作為CO2高壓泵,通常選用隔膜泵、柱塞泵等,但是與塗料的情況同樣地,為了防止脈動,期望採用雙連式泵。又,通常、CO2供給之必要量係為塗料的30%以下的少量。因此,在噴霧流量少的情況時,採用柱塞泵。
已被加壓、加熱的塗料、及CO2,在混合器15被瞬間混合,而形成為塗料/CO2混合物。作為混合器的構造,在考量迅速混合性、完全混合性的情況下,期望採用微混合器。例如可理想地使用流路徑為0.5mm以下的T字型混合器、利用迴旋流之漩渦型微混合器、可使流體在微小空間的中心碰撞之中心碰撞型微混合器、及內管的內徑為0.5mm以下的二重管式微混合器等。
圖3~4顯示中心碰撞型微混合器的構造。圖中,CO2由上部的入口導入,朝下游動於調整混合狀態之針周圍的環狀部。又,塗料由下部入口導入,在內部被分割成複數個流(通常為2分割或4分割),在針前端部的微小空間,CO2與塗料產生中心碰撞,而瞬間被混合。塗料/CO2混合物,可因應需要,藉由混合物加熱器16加熱,經由停止閥17,以噴霧槍19朝塗裝對象物進行噴霧。
塗料/CO2混合物,是進行噴霧後,CO2立即脫離,成為塗料的微細粒子。此塗料粒子的粒徑,取決於溫度、壓力、以及噴霧槍的構造代表性為噴嘴孔口口徑等,但是通常處於10~50μm的範圍。在塗裝對象物為立體形狀之情況時,噴霧槍搭載於3次元機器人來進行塗裝,但是在切換塗裝面時等,停止閥17成為閉,然後停止閥18立即形成開,使得超臨界CO2被供給至噴霧槍的噴嘴,瞬間進行洗淨。
若無此作業,則噴嘴前端部的堵塞之可能性會提高。此時,塗料高壓泵3會持續運轉,但是若為定壓運轉模式,則在該操作壓力的狀態下,藉由背壓閥4,使得塗料循環。在以定量運轉模式進行操作之情況,背藉由將壓閥4的設定作成為較操作壓力稍高,藉此,以少的壓力上升,使塗料進行循環。
當再次開始進行塗裝時,將停止閥18作成閉,而將停止閥17作成開,則可再次開始進行噴霧。本方式,是即使停止閥17、18皆作成閉,也能與塗料的情況同樣地,CO2也能藉由背壓閥11,將剩餘部份返回至CO2高壓泵10的吸入部,特別是在運轉上沒有任何問題。但是,由於背壓閥11會被減壓,故,為了確保液體狀態,以冷卻器12將CO2冷卻為佳。
其次,詳細說明關於本發明的第2形態。
本發明係針對藉由以往的有機溶劑系塗料所進行之噴霧塗裝,藉由將大量使用的稀釋溶劑(VOC)替換成極少量的二氧化碳,既可確保與有機溶劑系塗裝相同的塗裝完成品質即可確保塗膜均等性、平滑性、鮮映性等,亦可大幅地減低VOC產生之低環境負荷型的嶄新塗裝方法及其裝置。
本發明的使用二氧化碳之塗裝裝置,是以二氧化碳代替使用於有機溶劑系的噴霧塗裝之稀釋溶劑(稀釋劑)的一部分或全部之使用二氧化碳之一液型或二液型塗料的塗裝裝置,作為塗料供給管路,具有用來儲存塗料之槽、將自該槽所供給的塗料加壓至預定壓力的塗料高壓泵、及調整該塗料高壓泵的吐出壓並將剩餘部份回送至塗料槽之塗料1次壓調整閥,作為二氧化碳供給管路,具有用來儲存液體二氧化碳之槽、將該液體二氧化碳冷卻至預定溫度之冷卻器、將自該冷卻器所供給的液體二氧化碳加壓至預定壓力的液體二氧化碳高壓泵、以及調整該液體二氧化碳高壓泵的吐出壓並將剩餘部份回送至同泵的吸入部之液體二氧化碳1次壓調整閥,作為溶劑供給管路,具有溶劑槽、和將自該槽所供給的溶劑加壓至預定壓力的溶劑高壓泵,作為塗料/二氧化碳混合物管路,將自前述塗料供給管路所供給的加壓後之塗料和自前述二氧化碳供給管路所供給的加壓後之二氧化碳加以混合的混合器、及將自該混合器所供給的混合後的塗料/二氧化碳加壓混合物朝大氣壓下的塗裝對象物進行噴霧之噴霧槍,在進行與塗料之混合作業前,預先對二氧化碳添加有機溶劑。
又,本發明之塗裝方法,是使用前述裝置,進行使用二氧化碳之一液型或二液型塗料的塗裝的方法,在該塗裝裝置,預先對二氧化碳添加至少飽和溶解量之塗料的真溶劑成分,降低二氧化碳對真溶劑成分之溶解力,藉以防止逆流進入的塗料成分的聚合物之析出。
在本發明,其理想實施形態為,塗料係為一液硬化型塗料、或二液硬化型塗料;有機溶劑係為一液硬化型塗料、或二液硬化型塗料的真溶劑;對液體二氧化碳高壓泵的吸入部進行有機溶劑的添加;對液體二氧化碳高壓泵的吐出部(加壓側)進行有機溶劑的添加;以及在液體二氧化碳加熱器之後的管路進行有機溶劑的添加。
又,在本發明,其理想實施形態為,藉由微混合器進行有機溶劑與二氧化碳之混合;用來混合有機溶劑與二氧化碳之微混合器係為流路徑最大也只有0.5mm的T字型微混合器;用來混合塗料與二氧化碳之微混合器係為二重管式微混合器,供二氧化碳流入的內管的內徑最大也僅有0.5mm,且外管的內徑在2.5mm~5mm的範圍;在連接於用來混合塗料與二氧化碳的微混合器之二氧化碳供給管路的連接部之盡可能附近位置,具備有逆止閥,具有防止塗料朝二氧化碳供給管路之逆流的構造。
又,在本發明,其理想實施形態為,用來混合塗料與二氧化碳之微混合器係為流路徑最大也只有2mm的T字型微混合器,具有使二氧化碳自下部而塗料自上部對向的方式流入,將混合物從90度橫向排出的構造,具有在內部具備有逆止用之金屬球,防止塗料朝二氧化碳管路逆流的構造;用來混合塗料與二氧化碳之微混合器係為流路徑最大也只有2mm的T字型微混合器,具有使二氧化碳自下部而使塗料自90度橫向流入,並使混合物朝上方排出之構造,具有在內部具備有逆止用之金屬球,防止塗料朝二氧化碳管路逆流的構造;以及以二氧化碳重量平均之20~50%的範圍添加真溶劑成分。
在有機溶劑系塗裝,一般在重量基準,需要將塗料即聚合物與加上將聚合物溶解使其具流動性之真溶劑的50至150%的稀釋溶劑例如甲苯、二甲苯等,降低至可進行噴霧之黏度。然後,該已被低黏度化的塗料/稀釋溶劑的混合物,藉由以空氣作為霧化媒體之氣體噴霧方式、不使用霧化氣體之高壓噴霧方式,作為微細液滴進行噴霧而塗佈於塗裝對象物。
本發明是提供以二氧化碳代替在前述有機溶劑系塗裝所使用的釋溶劑之一部分或全量的塗裝方式。本發明中作為對象之塗料,被分成一液硬化型塗料、及二液硬化型塗料這2種,特別是以一液硬化型塗料為主要對象。
塗料是由形成塗膜之聚合物、和溶解聚合物使其具流動性之真溶劑所構成,作為真溶劑,由用來調整噴霧後的蒸發性、在塗膜形成過程中的整平性等之有機溶劑例如不飽和碳化氫、芳香族碳化氫、酮、酯、醚、乙醇、及這些的混合物所構成。
一液型塗料是指僅調合稀釋劑等的稀釋劑(黏度調整劑)來使用之塗料,主要使用於家電製品例如TV櫃等、汽車零件、工業零件。此塗料是以丙烯酸樹脂為主成分,即使不使用硬化劑,亦可形成塗膜之塗料。藉由混合硝化纖維素,可達到速乾性、硬度高、且耐摩耗性優良。適用材料為聚苯乙烯樹脂、ABS樹脂、AS樹脂、變性聚氧化二甲苯樹脂(NORYL樹脂)、硬質氯乙烯樹脂、聚碳酸酯樹脂等,在廣泛的用途中被使用。
又,二液硬化型塗料是在使用前混合硬化劑,藉由化學反應進行硬化、乾燥之塗料,具有優良的耐乙醇性、耐磨耗性,主要使用於汽車內裝、精密機器、光學機器等。此塗料是以丙烯酸樹脂為主成分,以聚異氰酸酯化合物為硬化劑之二液反應硬化型的丙烯酸氨基甲酸酯塗料。
在本發明,對塗料,混合、溶解二氧化碳,其條件係溫度30~70℃理想為35至45℃,壓力5~20MPa,理想為7~10MPa。因此,雖然需要加壓塗料,但是一般黏度為50~500cp之高黏度,作為塗料高壓泵,採用活塞泵、隔膜泵等。
若塗料黏度充分高,則亦可採用齒輪泵。又,作為二氧化碳高壓泵,除了活塞泵、隔膜泵外,亦可採用柱塞泵。但在進行二氧化碳加壓之際,在液體二氧化碳之加壓為有利,在此情況,需在泵的前段進行冷卻。
在本發明,需要將有機溶劑特別是構成所使用的塗料之真溶劑供給至二氧化碳管路,通常採用活塞泵、隔膜泵、柱塞泵。在上述的塗料用時,為了防止滑動部與大氣接觸造成聚合物析出,需要採用密閉式泵浦,但是當真溶劑用時,由於不需要進行該防止作業,故從價格面來看,可有利地採用柱塞泵。
在本發明,加熱器的型式未被特別限定,但會被要求當裝置開始運轉時、改變流量時等,盡可能快速地將溫度控制成一定;當因塗裝面的切換等,使噴霧暫時停止,而當再次開始進行噴霧時等,各自的流體的溫度不會大幅變化。因此,比起一般所使用之電氣加熱式加熱器,可理想地採用在充滿加熱媒體(通常為水)之槽,將供流體通過之高壓配管呈線圈狀浸漬之槽/線圈式熱交換器。
在本發明,在將塗料與二氧化碳混合前,需要預先對二氧化碳添加一定量的有機溶劑理想為與塗料相同之真溶劑。有機溶劑是指為了聚合物溶解而添加至塗料中之真溶劑中的單獨、或複數個成分。在此,對二氧化碳,預先添加飽和溶解量(雖然取決於真溶劑組成,但通常為二氧化碳重量平均之10~50%左右)以上之塗料的真溶劑成分。
藉此,藉由使二氧化碳對真溶劑成分之溶解力降低,可防止僅真溶劑自逆流進入的塗料成分移行到二氧化碳,其結果,可防止聚合物的析出。因此,需要真溶劑成分對二氧化碳之迅速、完全的溶解,因此可採用微混合器,例如可理想地採用流路徑為0.5mm以下的T字型微混合器。
在本發明,為了有效率地將前述塗料、與二氧化碳混合,需要使二氧化碳溶解至塗料中。以往,為了達到此目,採用內管路混合器之應用流體多段分割原理的靜態混合器(靜式混合器),但是不僅無法達到充分的混合溶解,並且關於一液硬化型塗料,在混合器內或混合器前之二氧化碳管路頻頻發生堵塞。
流體多段分割原理之靜態混合器,會有暫時停止流動之傾向,此會引起暫時的壓力變動,造成在二氧化碳溶解到塗料前,塗料中的真溶劑成分移行到二氧化碳,其結果,引起聚合物的析出→壓力上升→堵塞→噴霧不可之狀況。
又,即使在可期待迅速的混合性之流路徑為0.5mm以下的T字型微混合器、中心碰撞型微混合器,流體流會在承受收縮→擴大之際成為引起壓力變動的原因,變得無法在長時間進行穩定運轉。
紫外線硬化型塗料,由於不照射紫外線則不會引起聚合物硬化,故,即使微小的壓力變動,幾乎不會產生影響。但是,關於一液硬化型塗料,設想因壓力變動造成真溶劑成分被抽出至二氧化碳,瞬間會引起聚合物的析出的情況,因此,即使在混合器、及混合器以降至噴霧槍為止之配管結構,也被要求盡可能使流向(流動)圓滑(平穩)。
相對於此,藉由使用供二氧化碳流入的內管的內徑為0.5mm以下、且外管的內徑為2.5mm~5mm,並且塗料流入至外管內徑與內管外徑之環狀部而二氧化碳導入部以降成為單純的配管形態之二重管式微混合器,能夠長時間持續地進行穩定的塗裝。
當然,在混合器以降,連結靜態混合器為佳,到噴霧槍為止,盡可能地不進行配管徑的變更為佳。但是,與紫外線硬化型塗料同樣地,在混合器以降至噴霧槍之間,會有形成為塗料與二氧化碳的二相形之情況,在該情況,由於兩流體的黏性差異很大,故,會有噴霧不穩定,無法達到緊緻的塗佈之危險性。
二氧化碳對塗料之溶解度,會因塗料的種類、溫度、壓力而產生大幅的變動,但是,到二氧化碳完全溶解至塗料中為止,需要一定的保持時間。為了進行此溶解而所需的時間,亦會影響混合器以降之混合性(配管徑與配管工件),以混合性改良化為目的之複數個彎曲部的設置亦可發揮效果。
本發明所使用的噴霧槍,為無氣形態之高壓噴霧槍即可,噴霧流量、噴霧壓力、及噴霧圖案的最終的控制,是取決於裝設在此噴霧槍之高壓噴嘴孔口的開口徑(相當徑)與其形狀,故極為重要。噴霧流量,會依據將平均單位時間之塗裝量設定為多少而大不同,但作為塗料的流量,一般是選擇50~500g/min的範圍。
例如噴霧流量為100g/min左右的情況,當將該時的壓力設為5~10MPa時,則孔口的相當直徑選擇為0.1~0.2mm。關於孔口的形狀,會依據所要求的噴霧圖案而有所不同,但若為扇形噴霧的話,則形成為橢圓形的孔口形狀。又,若孔口形狀為圓形的話,則會形成為錐形噴霧,但是在剛噴出後,立刻噴吹空氣等,來控制噴霧圖案,則亦可將錐形噴霧改變成扇形噴霧。
其次,參照圖面,具體地說明本發明的實施形態。圖7所示的裝置為本發明之二氧化碳塗裝裝置的理想實施形態的一例。圖中,符號是顯示以下之手段。即,1:塗料槽、2:塗料過濾器、3:塗料高壓泵、4:塗料背壓閥(一次壓調整)、5:塗料加熱器、6:CO2鋼瓶、7:CO2過濾器、8:CO2冷卻器、9:CO2高壓泵、10:CO2加熱器、11:CO2背壓閥(一次壓調整)、12:CO2冷卻器2、13:塗料逆止閥、14:CO2逆止閥、15:混合器、16:混合物加熱器、17:混合物停止閥、18:CO2停止閥、19:噴霧槍、30:溶劑槽、31:溶劑高壓泵。
針對前述裝置、及其動作詳細說明。塗料被填充於塗料槽1,因應需要,藉由氮氣等進行加壓(數氣壓),經由過濾器2,供給至塗料高壓泵3的吸入部。通常、過濾器2的網眼,若為透明塗料,則數十μm即可,但在為有色塗料的情況,由於含有固形物顏料,故理想為數百μm。
塗料高壓泵3為容積式泵浦,吐出壓力為20MPa左右即可,一般選擇隔膜泵,理想為作為脈動對策,選擇雙連式隔膜泵。依據塗料,亦可為柱塞泵,但是,柱塞密封部會有因塗料產生固著的危險性,因此,通常不選擇柱塞泵。作為對應策,亦可適宜地進行以溶劑浸漬柱塞密封部。
泵驅動源,可依據裝置的設置場所,適宜地選擇空氣作動式、電動式。塗料是通常以塗料高壓泵3加壓到10MPa前後,因應需要,藉由塗料加熱器5加熱至40℃前後,再送至混合器15。此時,在定壓運轉操作的情況,進行設定成較噴霧流量(以壓力與噴嘴孔口決定)更多的泵流量,將剩餘部份自背壓閥4返回到塗料槽1之操作。此時,定壓運轉操作的控制壓力(系統壓力)成為此背壓閥4的一次壓力。
又,CO2是吸入鋼瓶6的液體部分,通過過濾器7,以冷卻器8冷卻至飽和溫度以下後,再供給到CO2高壓泵9的吸入部。此液體CO2是被CO2高壓泵9加壓,且,藉由CO2加熱器10加熱至臨界溫度(31℃)以上通常為加熱成40℃的超臨界CO2,再送至混合器15。
在此,作為CO2高壓泵,通常選用隔膜泵、柱塞泵等,但是與塗料的情況同樣地,為了防止脈動,期望採用雙連式泵。又,通常、CO2供給之必要量係為塗料的30%以下的少量。因此,在噴霧流量少的情況時,採用柱塞泵。
又,溶劑是從溶劑槽30被溶劑高壓泵31加壓,藉由混合器32,來與已被加壓加熱之CO2混合。此混合器,從價格、設置上的限制來看,期望採用T字微混合器。但是,混合器的設置位置,在CO2高壓泵9的剛吸入、吐出後均可。
已被加壓加熱之塗料、及CO2、溶劑的混合物,在混合器15被瞬間地混合,成為塗料/CO2混合物。作為混合器構造,如上述,可理想地使用內管的內徑為0.5mm以下的二重管式微混合器等。圖8顯示本發明所使用的二重管式微混合器的概要。又,亦可理想地使用具逆止機構之T字混合器(參照圖14)。
塗料/CO2混合物,因應必要,藉由混合物加熱器16加熱,經由停止閥17,以噴霧槍19朝塗裝對象物進行噴霧。塗料/CO2混合物,是在進行噴霧後,CO2立刻脫離,成為塗料的微細粒子。此塗料粒子的粒徑,會取決於溫度、壓力、以及噴霧槍構造代表性構造為噴嘴孔口口徑等,位於10~50μm的範圍。
在塗裝對象物為立體形狀之情況時,噴霧槍搭載於3次元機器人來進行塗裝,但是在切換塗裝面時等,停止閥17成為閉,然後停止閥18立即形成開,使得超臨界CO2被供給至噴霧槍的噴嘴,瞬間進行洗淨。若非此動作,則會提高噴嘴前端部的堵塞之可能性。
此時,塗料高壓泵3會持續運轉,但是若為定壓運轉模式,則在該操作壓力的狀態下,藉由背壓閥4,使得塗料循環。在以定量運轉模式進行操作之情況,藉由將背壓閥4的設定作成為較操作壓力稍高,藉此,以少的壓力上升,使塗料進行循環。當再次開始進行塗裝時,將停止閥18作成閉,而將停止閥17作成開,則可再次開始進行噴霧。
本方式,是即使停止閥17、18皆作成閉,也能與塗料的情況同樣地,CO2也能藉由背壓閥11,將剩餘部份返回至CO2高壓泵10的吸入部,特別是在運轉上沒有任何問題。但是,由於背壓閥11會被減壓,故,為了確保液體狀態,以冷卻器12將CO2冷卻為佳。
藉由本發明,可達到下述效果。
(1)能夠提供可大幅地減低VOC產生之低環境負荷型的嶄新塗裝裝置、及其塗裝方法。
(2)將在以往的有機溶劑系塗料之噴霧塗裝中大量使用的稀釋溶劑(VOC)替換成極少量的二氧化碳。
(3)能夠提供防止稀釋溶劑(VOC)排出至大氣中之塗裝技術。
(4)能夠提供可確實地抑制因塗料的黏度高所引起之裝置的堵塞性的問題之可實用化的塗裝技術。
(5)能夠提供可大幅地減低VOC產生之低環境負荷型的一液型-二液型塗料的塗裝方法、及其塗裝裝置。
(6)能夠提供防止稀釋溶劑(VOC)排出至大氣中之一液型-二液型塗料的塗裝技術。
其次,依據實施例,具體地說明本發明,但是本發明不限於以下的實施例。
[實施例1]
其次,顯示本發明的第1形態的實施例。
(混合器的性能比較)
作為塗料與CO2的初期混合之混合器,採用混合後的流路徑為1.3mm的1/16英吋T字接頭(標準T字接頭,簡記為STD-T)、混合後的流路徑為0.3mm的1/16英吋T字接頭(負載(loaded volume)T字接頭,簡記為LDV-T)、及混合後的流路徑為1mm的中心碰撞型混合器,藉由以高壓可見化窗直接觀察混合物的狀態,來評價CO2對紫外線硬化型透明塗料的溶解度。圖5顯示溶解度測定系統的流程。
具體而言,將塗料高壓泵的流量作成50g/分之一定流量,逐漸地增加CO2高壓泵的流量,將從透明之一相狀態變化成氣液二相狀態時,作為在該混合器之界限溶解度來進行評價。此時,溫度是作成為40℃之一定溫度,而壓力設成為6MPa與10MPa。實驗結果顯示於表1。
前述表可得知,在10MPa之條件下,關於界限溶解度,在混合器的型式上並未看到太大的差異,但是在6MPa,STD-T僅溶解19%,相對於此,而在中心碰撞型則溶解34%、LDV-T則溶解52%,在混合性上有很大的差異。由此結果可知,優良的初期混合性是LDV-T>中心碰撞>STD-T之順序。
[實施例2]
(初期混合後的靜態混合器的效果)
作為進行塗料與CO2的初期混合之混合器,採用LDV-T,針對在其後段使用以往以來所使用靜態混合器(元件外徑2.4mm×元件數60、簡稱為SM)之情況與未使用的情況進行比較。評價系統、方法與實施例一相同。其結果如表2所示。
由前述表可得知,若初期混合採用LDV-T,則幾乎無法確認到先行專利所採用之SM的效果。
[實施例3]
(初期混合~高壓可見化窗為止之時間的效果)
作為進行塗料與CO2的初期混合之混合器,採用LDV-T,將之後到高壓可見化窗為止之時間(混合時間),使用1/4英吋配管進行各種改變,測試其效果。在實施例1及2之混合時間大約37秒。評價系統、方法與實施例一相同。
其結果,依據混合時間,在界限溶解度未有太大的差,但是進行詳細觀察的結果,確認到在混合時間較15秒短之情況,在溶解領域中,產生使一相與二相交互地產生的狀況。這是指即使塗料/CO2在物理上被完全地混合,但到溶解為止需要一定的時間,因此從噴霧的穩定性的觀點來看,非常重要。
[實施例4]
(塗裝實驗1)
作為塗料,以市面販賣的紫外線硬化型透明塗料(無添加稀釋劑)為對象,進行塗裝實驗。代表性塗料組成係為樹脂成分49%、真溶劑47%、添加劑4%,樹脂成分係以多官能丙烯酸酯為主成分分別含有熱可塑性丙烯酸酯、胺酯丙烯酸酯。真溶劑是以含有量多的順序,以甲苯、乙酸丁酯、n-丁醇、二甲苯、乙苯所構成,作為添加劑,除了光聚合開始劑外,亦包含微量的紫外線吸收劑、及表面調整劑。
作為塗料高壓泵3採用雙連式隔膜泵,作為CO2高壓泵9採用雙連式柱塞泵,將加熱器5,10控制在40℃,作為混合器15採用LDV-T,從LDV-T到噴霧槍19之混合時間設為37秒,以7MPa的定壓運轉模式進行操作。
該時的塗料流量為45g/分、CO2為9g/分(塗料流量的20%),藉由高壓可見化窗,確認到塗料/CO2混合物為一相狀態,噴霧槍使用噴嘴孔口相當徑0.15mm,對塑膠板進行手噴塗裝。
此時,藉由線上黏度計,確認到塗料/CO2混合物,在添加CO2前為11~12cp的黏度,在添加後降低至1~2cp的黏度。塗裝後的塑膠板在室溫中保持5分鐘後,在50℃的乾燥器內進行10分鐘的乾燥,然後,藉由紫外線照射機,使塗膜硬化後,進行塗膜面的評價。
其結果,平均膜厚為20μm、平均粗糙度為0.4μm,評價為施加與塗料同量的稀釋劑所進行之有機溶劑氣體噴霧同等、達到實用水平之塗膜。再者,以無添加稀釋劑將相同的紫外線硬化型透明塗料進行氣體噴霧塗裝的結果,確認到膜厚20μm、平均粗糙度為0.9μm,成為2倍以上的粗糙度。這是顯示證明了二氧化碳塗裝之優異性的結果。
[實施例5]
(塗裝實驗2)
針對1種類之紫外線硬化型透明塗料,進一步實施塗裝實驗。採用組成為樹脂(多官能丙烯酸酯)大約80%、真溶劑(異丙醇)大約20%、和少量的光聚合開始劑所構成之新型塗料。塗裝裝置、及塗裝方法是使用與實施例4大致相同者,但噴霧槍是搭載於2次元塗裝機器人來進行塗裝。
塗料/CO2混合物的黏性,在添加CO2前為40cp,添加後降低至數cp。塗裝後,進行與實施例4相同的處理,觀察塗膜面之結果,確認到形成了實用上沒有任何問題之塗膜。可得知因本塗料為樹脂成分高達80%、且無稀釋稀釋劑者,故,VOC削減效果非常高。
[實施例6]
(塗裝實驗3)
針對另1種類之紫外線硬化型透明塗料,進一步進行塗裝實驗。採用組成為樹脂(多官能丙烯酸酯)大約75%、真溶劑(丙二醇甲醚)大約20%、大約5%的光聚合開始劑所組成之塗料。塗裝裝置、及塗裝方法是與實施例5相同。塗料/CO2混合物的黏性,添加CO2前為60cp,在添加後,降低至數cp,其結果,確認到形成了實用上沒有任何問題之塗膜。
[實施例7]
(塗裝實驗4)
其次,針對二液硬化型丙烯酸氨基甲酸酯透明塗料,進行塗裝實驗。主劑組成為樹脂(多元醇丙烯酸)為42%、真溶劑為58%(內甲苯為主成分、並包含乙酸異丁酯),硬化劑組成係樹脂55%(聚異氰酸酯預聚合物)、真溶劑45%(除甲苯外,尚包含丙二醇甲醚乙酸酯、醋酸乙酯)。
實驗是將主劑與硬化劑以5:1的配合比事先混合,填充至塗料槽1後進行。對塗料(主劑+硬化劑),以重量比添加20~30%的CO2,進行塗裝。其他的條件、及方法如前述實施例。塗料黏性,添加CO2前為50~60cp,添加後降低至數cp。塗裝後的塑膠板,在室溫下保持5分鐘後,在50~60℃的乾燥器內進行30分鐘之乾燥,使塗膜硬化後,進行塗膜面的評價。
其結果,雖形成有塗膜,但是在平滑性會產生問題。因此,為了提高塗膜的整平性能,而對前述配合比的塗料,以重量比添加20%之專用的稀釋稀釋劑,進行相同的塗裝操作、及後處理,其結果,確認到形成了實用上沒有任何問題之塗膜。
[實施例8]
(塗裝實驗5)
其次,針對一液硬化型丙烯酸透明塗料,進行塗裝實驗。塗料組成係樹脂28%、真溶劑72%。樹脂成分是以丙烯酸為主成分,其他包含硝化纖維素,真溶劑是由以含有量多的順序酯系、乙醇系、碳化氫系、及酮系所構成。實驗是針對塗料,以重量比添加20%的CO2,進行塗裝。其他的條件、及方法是如前述實施例。
塗料黏性,添加CO2前為120~140cp,但在添加後降低至20cp以下。但是,雖然可儘行短時間的塗裝(噴霧),但是會有多數塗料塊附著於塑膠板表面之狀況產生,無法達到均等之塗膜形成。
因此,為了使整平性良好,而對前述塗料,以重量比僅添加20~40%之真溶劑成分,進行相同的塗裝操作、及後處理(與實施例7相同)。其結果,形成均等的塗膜,評價為在實用上沒有任何問題之塗膜。
[實施例9]
(塗裝實驗6)
對二液硬化型丙烯酸氨基甲酸酯塗料、及一液硬化型丙烯酸塗料混合碳黑、其他顏料,進行有色塗裝實驗。實驗條件、及方法是分別與前述實施例相同。其結果如圖6所示。其結果,形成紅、粉紅、藍等的均等有色塗膜,評價為在實用上沒有任何問題之塗膜。
其次,說明本發明的第2形態的實施例及比較例。
比較例1
作為塗料,使用一液硬化型塗料(樹脂組成:丙烯酸、硝化纖維素、真溶劑組成:乙酸丁酯、環己酮、異丁醇、醋酸乙酯、乙二醇丁醚、甲基異丁基酮),進行塗裝實驗。操作條設為40℃、8MPa,塗料流量設為40g/分、CO2流量設為8g/分,混合器採用混合後的流路徑為0.3mm的1/16英吋T字接頭(負載T字接頭,簡記為LDV-T)來進行。但是,在實驗,未對CO2添加真溶劑。
本實驗開始時,在確認到溶劑與CO2呈穩定的混合狀態後,將溶劑切換成塗料,在剛切換後起,因塗料的高黏性引起壓力上升,經過短暫時間,則CO2側的壓力急遽上升,成為無法運轉。在裝置停止後,拆除CO2管路,調查狀況之結果,在混合器的上流之CO2管路(混合器~逆止閥為止之間),確認到塗料聚合物的析出。
此現象是由於塗料為非壓縮性流體,故壓力會立即增加,但由於CO2側為壓縮性流體,壓力上升會稍慢,此時,塗料朝CO2管路逆流,塗料中的真溶劑成分被CO2抽出的結果,造成塗料聚合物析出所產生的。
比較例2
進行與比較例一相同的塗裝實驗。但是,將塗料管路的背壓閥設定成較操作壓力稍高,使壓力不會上升的方式進行運轉。其結果,在40℃、8MPa的條件下可確立恆定操作,但當持續進行十數分鐘的運轉時,則操作壓力變得不穩定,最後,CO2側的壓力急遽上升,變成不可運轉。
裝置停止後,拆除CO2管路調查狀況之結果,與比較例1同樣地,在混合器的上流的CO2管路(混合器~逆止閥之間),確認到塗料聚合物的析出。此現象是由於在恆定操作中,於混合器~噴霧槍之管路結構中,會有暫時性壓力變動,因該變動造成塗料朝CO2管路逆流,塗料中的真溶劑成分被CO2抽出的結果,造成塗料聚合物析出。
比較例3
為了進行聚合物的析出之再確認,構築如圖9所示的評價系統,對逆止閥中填充一液硬化型塗料並加以密閉後,關閉停止閥A,打開停止閥B,使預定溫度、壓力的CO2流通。確認恆定狀態後,其次,打開停止閥A,關閉停止閥B,使CO2在逆止閥中流通一定時間(大約10分鐘)。然後,再次關閉停止閥A,打開停止閥B,將壓力減壓至大氣壓,確認逆止閥中的狀態。
其結果如表3所示。液體CO2、超臨界CO2(溫度、壓力均為臨界點以上、溫度為臨界點以上、且壓力為臨界點以下)之情況,均產生聚合物析出。特別是在溶解度係數為4以下的情況,無法防止聚合物的析出。作為參考實驗,將紫外線硬化型塗料填充至逆止閥後進行相同的操作,未確認到聚合物的析出。
[實施例10]
構築對比較例3的評價系統增設如圖10所示之真溶劑的添加單元的評價系統,改變各種真溶劑的添加率,進行相同的評價。在此,作為CO2與真溶劑的混合器,使用、1/16英吋的LDV-T。其結果如表4所示。
在塗料與CO2接觸前,藉由對CO2加上20%以上之真溶劑,能夠防止填充於、逆止閥之塗料中的真溶劑被CO2抽出,可迴避聚合物的析出。相反地得知,在本實施例所使用之真溶劑對超臨界CO2之溶解度為20%前後。
[實施例11]
改變各種添加至CO2之有機溶劑的種類,實施與實施例10相同的測試。有機溶劑,除了真溶劑外,另使用真溶劑成分之醋酸乙酯、乙酸丁酯、環己酮、異丁醇、以及非真溶劑成分之丙酮、異丙醇、乙醇。其評價結果如表5~6、及圖11~13所示。
在本實施例之CO2條件,是設為40℃、8MPa(超臨界),而流量全部是以10g/min所供給。表中的析出比例是以5段階「1:無析出(最佳狀態)~5:多量析出」來進行評價。又,相狀態是顯示藉由設置於評價管路上之可見化窗內,直接觀測CO2/有機溶劑混合物之狀態。1為超臨界一相狀態,2為2相狀態。
由前述表的結果可明白得知,防止含於一液硬化型塗料中之聚合物成分析出最有效果的為真溶劑、和將環己酮對CO2量添加30%以上時,接著,依序為醋酸乙酯、乙酸丁酯、及丙酮。又,乙醇類的添加,不受添加率大小所影響,為皆幾乎無法確認到效果之結果。
[實施例12]
改變各種混合器的種類,實施與比較例一相同的實驗(未添加真溶劑)。所使用的混合器為STD-T、LDV-T、漩渦型(內徑0.5、0.8、10mm這3種)、中心碰撞型(2方向中心碰撞、4方向中心碰撞這2種)、及二重管型(內管1/16英吋×內徑0.5mm×長度120mm、外管1/4英吋×內徑4.3mm×長度160mm)的各種混合器。
又,亦實施在各混合器的下游設置有流體多段分割型靜態混合器之實驗。在本實驗,作成在混合器以降通過1/8英吋×1000mm+1/4英吋×1250mm(90度彎曲的3個部位)的管路進行噴霧之結構。
其結果,使用二重管型混合器時的穩定性最佳,然後依次為中心碰撞型、LDV-T、漩渦、STD-T。這是由於二重管型混合器中,流體的流動狀態最單純,混合物的流動圓滑所帶來的優良結果。又,在下游設置SM之效果未發揮,相反地造成穩定性降低之結果。
[實施例13]
使用具逆止機構之T型混合器(參照圖14),實施與實施例1一相同的測試。本混合器為在內部內包有金屬球,其目的為即使產生壓力變動,塗料也不會逆流至CO2管路。其實驗結果,雖然會產生壓力變動,但是可完全地防止CO2管路中之聚合物的析出。
[實施例14]
(塗裝實驗)
針對一液硬化型丙烯酸透明塗料進行塗裝實驗。塗料組成係為樹脂28%、真溶劑72%。樹脂成分中,主成分為丙烯酸,其他包含有硝化纖維素,而真溶劑是依含有量多的順序由酯系、乙醇系、碳化氫系、以及酮系所構成。
塗裝操作是使用LDV-T,對CO2添加真溶劑後,以二重管型混合器將一液硬化型塗料與CO2/真溶劑混合物混合,再通過1/8英吋×1000mm+1/4英吋×1250mm(90度彎曲的3部位)的管路進行噴霧之結構。以塗料流量為40g/分、CO2流量為8g/分、及真溶劑流量為2.4g/分的條件,在40℃、8MPa下進行噴霧操作(藉由噴霧機器人來實施)。
其結果,塗料黏性是添加CO2前為120~140cp,添加後,降低至20cp以下,幾乎無壓力變動,確認到長時間的穩定操作性。但是,雖然可進行穩定的噴霧,但是有大量的塗料塊附著於塑膠板表面之狀況,無法達到均等的塗膜形成。
因此,為了使整平性良好,對前述塗料,僅添加重量比20~40%之真溶劑成分,進行相同的塗裝操作。將塗裝後的塑膠板在室溫下保持5分鐘後,在50~60℃的乾燥器內進行30分鐘的乾燥,使塗膜硬化後,進行塗膜面的評價。其結果,形成均等的塗膜,達到塗膜之厚度為20μm前後、表面粗糙度為0.5μm之實用等級的塗裝。
如以上所詳述,本發明係為二氧化碳塗裝方法及其裝置,藉由本發明,能夠提更可大幅地減低VOC產生之低環境負荷型的嶄新塗裝裝置、及其塗裝方法。且,本發明係為使用二氧化碳之一液型-二液型塗料的塗裝方法及其裝置,藉由本發明,能夠提供可防止稀釋溶劑(VOC)排出到大氣中之使用二氧化碳之一液型-二液型塗料的嶄新塗裝技術。在本發明,可將在以往的有機溶劑系塗料之噴霧塗裝中大量使用的稀釋溶劑(VOC)替換成極少量的二氧化碳,使得本發明能夠提供可防止稀釋溶劑(VOC)朝大氣中排出之嶄新塗裝技術。藉由本發明,能夠提供可確實地抑制因塗料的黏度高所引起之裝置堵塞性的問題之可實用化的塗裝技術等等的特有作用效果。本發明可有效地提供防止VOC排出至大氣中之低環境負荷型的嶄新塗裝方法及其裝置。
1...塗料槽
2...塗料過濾器
3...塗料高壓泵
4...塗料背壓閥
5...塗料加熱器
6...CO2鋼瓶
7...CO2過濾器
8...CO2冷卻器
9...CO2高壓泵
10...CO2加熱器
11...CO2背壓閥
12...CO2冷卻器
13...塗料逆止閥
14...CO2逆止閥
15...混合器
16...混合物加熱器
17...混合物停止閥
18...停止閥
19...噴霧槍
30...溶劑槽
31...溶劑高壓泵
圖1是顯示以往專利所揭示的塗裝裝置的處理流程。
圖2是顯示本發明的第1形態之二氧化碳塗裝裝置的實施形態的一例。
圖3是顯示中心碰撞型混合器的概要。
圖4是顯示中心碰撞型混合器的斷面圖。
圖5是顯示CO2的溶解度測定系統流程。
圖6是顯示實施例9的塗裝結果。
圖7是顯示本發明的第2形態之二氧化碳塗裝裝置的實施形態的一例。
圖8是顯示二重管式微混合器的概要。
圖9是顯示構築成確認聚合物的析出之比較例3的評價系統。
圖10是顯示增設真溶劑的添加單元之實施例10的評價系統。
圖11是顯示實施例11中之僅CO2的情況之結果。
圖12是顯示實施例之添加真溶劑的效果。
圖13是顯示實施例11之添加有機溶劑的效果(以3ml/min進行添加時)。
圖14是顯示具逆止溝之T型混合器的概要。
1...塗料槽
2...塗料過濾器
3...塗料高壓泵
4...塗料背壓閥
5...塗料加熱器
6...CO2鋼瓶
7...CO2過濾器
8...CO2冷卻器
9...CO2高壓泵
10...CO2加熱器
11...CO2背壓器
12...CO2冷卻器
13...塗料逆止閥
14...CO2逆止閥
15...混合器
16...混合物加熱器
17...混合物停止閥
18...停止閥
19...噴霧槍
Claims (30)
- 一種使用二氧化碳之塗裝裝置,其特徵為:針對以二氧化碳代替在有機溶劑系的噴霧塗裝所使用的稀釋溶劑(稀釋劑)之一部分或全部的二氧化碳塗裝,作為塗料供給管路,具有:用來儲存塗料之槽;將自該槽所供給的塗料加壓至預定壓力的塗料高壓泵;以及調整該塗料高壓泵的吐出壓並將剩餘部份回送至塗料槽之塗料1次壓調整閥,作為二氧化碳供給管路,具有:用來儲存液體二氧化碳之槽、將該液體二氧化碳冷卻至預定溫度之冷卻器;將自該冷卻器所供給的液體二氧化碳加壓至預定壓力的液體二氧化碳高壓泵;調整該液體二氧化碳高壓泵的吐出壓並將剩餘部份回送至同泵的吸入部之液體二氧化碳1次壓調整閥;將自該液體二氧化碳高壓泵所供給的液體二氧化碳加熱至預定溫度之二氧化碳加熱器;以及二氧化碳停止閥,該二氧化碳停止閥是用來開、關液體二氧化碳的供給,且設在用來將自該二氧化碳加熱器所供給的液體二氧化碳不經由混合器及混合物停止閥而直接供給至噴霧槍之二氧化碳供給管路上,作為塗料/二氧化碳混合物管路,具有:將自前述塗料供給管路所供給的加壓後之塗料和自前述二氧化碳供給管路所供給的加壓後之二氧化碳加以混合的混合器;及將自該混合器所供給的混合後的塗料/二氧化碳加壓混合物朝大氣壓下的塗裝對象物進行噴霧之噴霧槍。
- 如申請專利範圍第1項之使用二氧化碳之塗裝裝置,其中,還具有將已被加壓的塗料加熱至預定溫度之塗料加熱器。
- 如申請專利範圍第1或2項之使用二氧化碳之塗裝裝置,其中,還具有:將回送至液體二氧化碳高壓泵的吸入部之剩餘二氧化碳冷卻到預定溫度之冷卻器。
- 如申請專利範圍第1或2項之使用二氧化碳之塗裝裝置,其中,還具有將已被加壓的液體二氧化碳加熱至預定溫度之二氧化碳加熱器。
- 如申請專利範圍第1或2項之使用二氧化碳之塗裝裝置,其中,還具有將混合後的塗料/二氧化碳加壓混合物加熱至預定溫度之混合物加熱器。
- 如申請專利範圍第1或2項之使用二氧化碳之塗裝裝置,其中,混合器係為可將塗料與二氧化碳急速混合之微混合器。
- 如申請專利範圍第6項之使用二氧化碳之塗裝裝置,其中,微混合器係為流路徑最大也只有0.5mm的T字型微混合器。
- 如申請專利範圍第6項之使用二氧化碳之塗裝裝置,其中,微混合器係為讓流體在微小空間的中心碰撞之中心碰撞型微混合器,為使二氧化碳自上部流入,將塗料分割成複數份並從側面的複數方向流入而在中心部產生碰撞之混合器。
- 如申請專利範圍第6項之使用二氧化碳之塗裝裝置,其中,在微混合器的後段具備有靜態混合器。
- 如申請專利範圍第1或2項之使用二氧化碳之塗裝裝置,其中,混合後的混合物係為二氧化碳溶解於塗料之一相混合物。
- 如申請專利範圍第1或2項之使用二氧化碳之塗裝裝置,其中,塗料係為紫外線硬化型塗料、一液硬化型塗料、或二液硬化型塗料。
- 一種使用二氧化碳之塗裝方法,係使用如申請專利範圍第1至11項中任一項之使用二氧化碳之塗裝裝置,進行使用二氧化碳之塗裝的方法,其特徵為:藉由將進行噴霧控制之塗料高壓泵或CO2高壓泵的吐出側的1次壓調整閥設定成噴霧壓,而將不進行噴霧壓控制之塗料高壓泵或CO2高壓泵的吐出側的1次壓調整閥設定成較噴霧壓更高的壓力來進行運轉,使不進行噴霧壓控 制之流體的流量作成為一定,而將進行噴霧壓控制之流體的流量因應噴霧噴嘴的孔口的流量特性作成為可變動,並將剩餘部份返回至泵吸入部。
- 如申請專利範圍第12項之使用二氧化碳之塗裝方法,其中,進行噴霧壓控制之流體為塗料。
- 一種使用二氧化碳之塗裝方法,係使用如申請專利範圍第1至11項中任一項之使用二氧化碳之塗裝裝置,進行使用二氧化碳之塗裝的方法,其特徵為:將塗料高壓泵、及二氧化碳高壓泵的吐出側的1次壓調整閥設定成較噴霧壓力更高,讓由兩泵所吐出的流體全量進行噴霧,並依據噴霧槍的噴嘴孔口的流量特性調整噴霧壓力。
- 如申請專利範圍第12至14項中任一項之使用二氧化碳之塗裝方法,其中,藉由將自混合器後到噴霧槍為止的滯留時間作成至少15秒,來作成穩定的一相混合物。
- 如申請專利範圍第12至14項中任一項之使用二氧化碳之塗裝方法,其中,在塗裝中断、或結束時,關閉用來關閉塗料/二氧化碳混合物管路之混合物停止閥,在關閉的同時或關閉後立刻對該關閉用閥與噴霧槍之間,打開用來開、關液體二氧化碳的供給,且設在用來將自該二氧化碳加熱器所供給的液體二氧化碳不經由混合器及混合物停止閥而直接供給至 噴霧槍之二氧化碳供給管路上的二氧化碳停止閥來供給二氧化碳,藉此將噴霧槍內的塗料排出至噴霧槍外。
- 一種使用二氧化碳之塗裝裝置,係以二氧化碳代替在有機溶劑系的噴霧塗裝所使用的稀釋溶劑(稀釋劑)之一部分或全部的使用二氧化碳之一液型或二液型塗料的塗裝裝置,其特徵為:作為塗料供給管路,具有:用來儲存塗料之槽;將自該槽所供給的塗料加壓至預定壓力的塗料高壓泵;及調整該塗料高壓泵的吐出壓並將剩餘部份回送至塗料槽之塗料1次壓調整閥;將自該液體二氧化碳高壓泵所供給的液體二氧化碳加熱至預定溫度之二氧化碳加熱器;以及二氧化碳停止閥,該二氧化碳停止閥是用來開、關液體二氧化碳的供給,且設在用來將自該二氧化碳加熱器所供給的液體二氧化碳不經由混合器及混合物停止閥而直接供給至噴霧槍之二氧化碳供給管路上,作為二氧化碳供給管路,具有:用來儲存液體二氧化碳之槽;將該液體二氧化碳冷卻至預定溫度之冷卻器;將自該冷卻器所供給的液體二氧化碳加壓至預定壓力的液體二氧化碳高壓泵;以及調整該液體二氧化碳高壓泵的吐出壓並將剩餘部份回送至同泵的吸入部之液體二氧化碳1次壓調整閥,作為溶劑供給管路,具有:溶劑槽;和將自該槽所供給的溶劑加壓至預定壓力的溶劑高壓泵,作為塗料/二氧化碳混合物管路,具有:將自前述塗 料供給管路所供給的加壓後之塗料和自前述二氧化碳供給管路所供給的加壓後之二氧化碳加以混合的混合器;及將自該混合器所供給的混合後的塗料/二氧化碳加壓混合物朝大氣壓下的塗裝對象物進行噴霧之噴霧槍,在進行與塗料之混合作業前,預先對二氧化碳添加有機溶劑。
- 如申請專利範圍第17項之使用二氧化碳之塗裝裝置,其中,塗料為一液硬化型塗料、或二液硬化型塗料。
- 如申請專利範圍第17或18項之使用二氧化碳之塗裝裝置,其中,有機溶劑係為一液硬化型塗料、或二液硬化型塗料的真溶劑。
- 如申請專利範圍第17或18項之使用二氧化碳之塗裝裝置,其中,對液體二氧化碳高壓泵的吸入部進行有機溶劑的添加。
- 如申請專利範圍第17或18項之使用二氧化碳之塗裝裝置,其中,對液體二氧化碳高壓泵的吐出部(加壓側)進行有機溶劑的添加。
- 如申請專利範圍第17或18項之使用二氧化碳之塗裝裝置,其中,在液體二氧化碳加熱器之後的管路進行有機溶劑的添 加。
- 如申請專利範圍第17或18項之使用二氧化碳之塗裝裝置,其中,藉由微混合器,進行有機溶劑與二氧化碳之混合。
- 如申請專利範圍第23項之使用二氧化碳之塗裝裝置,其中,用來混合塗料與二氧化碳之微混合器為二重管式微混合器,供二氧化碳流入的內管的內徑最大也僅有0.5mm、且外管的內徑在2.5mm~5mm的範圍。
- 如申請專利範圍第17或18項之使用二氧化碳之塗裝裝置,其中,在與用來混合塗料與二氧化碳之微混合器連接的二氧化碳供給管路的連接部的盡可能附近位置,具備有逆止閥,具有防止塗料朝二氧化碳供給管路之逆流之構造。
- 如申請專利範圍第17或18項之使用二氧化碳之塗裝裝置,其中,用來混合塗料與二氧化碳之微混合器係為流路徑最大也只有2mm的T字型微混合器,係具有使二氧化碳自下部而塗料自上部對向的方式流入,而將混合物從90度橫向排出的構造,在內部具備有逆止用之金屬球,具有防止塗料朝二氧化碳管路逆流的構造。
- 如申請專利範圍第17或18項之使用二氧化碳之塗裝裝置,其中,用來混合塗料與二氧化碳之微混合器係為流路徑最大 也只有2mm的T字型微混合器,具有使二氧化碳自下部而使塗料自90度橫向流入,並使混合物朝上方排出之構造,在內部具備有逆止用之金屬球,具有防止塗料朝二氧化碳管路逆流的構造。
- 一種使用二氧化碳之塗裝方法,係使用如申請專利範圍第17至27項中任一項之使用二氧化碳之塗裝裝置,來進行使用二氧化碳之一液型或二液型塗料的塗裝的方法,其特徵為:在該塗裝裝置,藉由對二氧化碳預先添加至少飽和溶解量之塗料的真溶劑成分,降低二氧化碳對真溶劑成分之溶解力,以防止逆流進入的塗料成分的聚合物之析出。
- 如申請專利範圍第28項之使用二氧化碳之塗裝方法,其中,以二氧化碳重量平均之20~50%的範圍添加真溶劑成分。
- 如申請專利範圍第28或29項之使用二氧化碳之塗裝方法,其中,塗料為一液硬化型塗料、或二液硬化型塗料。
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