成果報告書詳細
管理番号20090000000379
タイトル平成18年度成果報告書 有害化学物質リスク削減基盤技術研究開発 革新的水性塗料の開発
公開日2009/9/4
報告書年度2006 - 2006
委託先名日本ペイント株式会社
プロジェクト番号P04012
部署名環境技術開発部
和文要約開発目的の水性塗料は、高固形分濃度でより少ない水分量とすることで、塗装・乾燥工程にかかるエネルギー負担を低減し、高額な設備投資や生産性の低下を招くことなしに塗膜形成できると共に、より少ない親水基や親水物質の使用で安定化できることが必要である。そこで、昨年度から開発をスタートした各要素技術の開発では、特に、塗料を構成する基本材料である複合樹脂系ミニエマルションと顔料分散用グラフトポリマーの工業化開発を中心に進め、これら基本材料から高固形分水性塗料を作成し、金属製品用途を想定した塗料・塗装の実用化検討を実施した。  まず、複合樹脂エマルションの開発では、塗料を構成している複数の疎水性物質を、水中で分散安定化するために、ミニエマルション重合の基本設計技術とスケールアップ化技術開発までを実施した。ミニエマルション重合での、プレエマルション調整は、疎水性の機能性物質(硬化剤、塗膜平滑化剤などの添加剤)のモノマー溶液を、乳化剤水溶液中に高速乳化機を用いて微分散化を検討し、100-400nmの微粒子で安定なプレエマルションを得た。次いで、このプレエマルションを開始剤により重合し、さらに分子量調整することでアクリルポリマーの数平均分子量が1万-10万以上の複合樹脂ミニエマルションを得た。粒子径はそのプレエマルション粒子径と相関しており、樹脂粒子径の方がわずかに小さい値を示した。 ミニエマルション重合のスケールアップは連続式の高速乳化機を用い、リターン回数という指数を定義することで、大スケールでの粒子径調整が可能となり、高濃度で微粒子の複合樹脂エマルション100kgの合成ができ工業化の目処を得た。 顔料分散用グラフトポリマーは、水和安定化させるグラフト鎖としてPEO(ポリエチレンオキシド)を採択し、理論的裏付けを得て、重合方法とそのスケールアップを検討し、グラフト効率がほぼ100%のグラフトポリマーを500kgのスケールで合成ができ工業化レベルを達成した。これを顔料分散に用いた場合、良好な分散粒度と貯蔵安定性を確保できた。少ない分散剤量で安定な顔料分散体が得られ、耐水性低下の防止に有効であった。 さらに、塗装および乾燥工程でのタレやワキ(溶媒が揮発した孔)などの欠陥なく被塗物表面に塗着し、平滑な塗膜形成することが塗料として実用上重要であり、水性塗装について検討した。塗装作業性の確保には、塗料粘性制御が不可欠であり、塗膜外観には焼付け時の溶融粘度を低くすることが有効であった。さらに、加温やスプレー微粒化塗装により、高粘度水性塗料の塗装が可能となり、高塗装作業性、塗膜肌外観向上に有効であることが検証できた。 これらの開発技術を用いてVOC含有量が低濃度(5%以下)で、固形分濃度55-65wt%の高固形分水性塗料を試作した。製品生産性や設備コストにかかわる乾燥工程条件を、従来の金属製品で用いられている溶剤系塗料と同様とした場合、塗膜硬度、耐水性の品質は溶剤系塗料と同等で、塗膜肌外観・光沢が若干劣る結果が得られた。高光沢を要求されない分野での実用化の目処を得た。今後、塗装作業性幅の拡大や塗膜性能など総合品質、長期耐久性の検証を行っていく。 また、硬化反応時のVOC発生に対しては、昨年度探索した硬化系および実用化可能な硬化系から、VOCを発生せず、耐水性向上が期待でき、かつ、工業的に活用可能な系として、主樹脂がポリカルボン酸、硬化剤がカルボン酸と反応する基(例えばエポキシ基、カルボジイミド基、プリミドなど)に絞り込んだ。 さらに、乾燥昇温過程で従来の熱風加熱に代えて誘導加熱とすると、高塗装作業性で、かつ焼付乾燥工程を1/3-1/5に短縮できる可能性が認められた。
英文要約The extremely high performing water paint is required for the reduction of VOC release into the air. In this system, the coating film should be constructed by using the water paint containing the high concentration of nonvolatile matter and less hydrophilic ingredients. In addition, the energy required for the spray coating and drying processes should be reduced, and the productivity for the painting process without the expensive equipments should be possessed for the purpose of the reduction of VOC release into the air. In the last year, the composite resin by mini-emulsion polymerization and the graft polymer for pigment stabilization were developed as the main components of the water paint. In this year, after further development of these resins, the water paint containing the high concentration of nonvolatile matter was applied to coat metal products. The mini-emulsion particles were obtained from the pre-emulsion particles by addition of the hydrophobic ingredients, such as curing and smoothing agents, into the emulsified resin using a high-speed spin mixing equipment. The pre-emulsion particle showed 100-400 nm in diameter. The initiator was added to the pre-emulsion particles to control the molecular weight of the polymer. The particle produced by mini-emulsion polymerization indicated the number-average molecular weight of 10,000-100,000 as acrylic polymer. Scale-up of the mini-emulsion polymerization was achieved by using a circulated high-speed spinning equipment and controlling circulating times, resulting in 100 kg production. As for the development of the graft polymer, we selected the polyethylene oxide (PEO) as the graft chain affinitive to water on the basis of the established theory, and attained that the efficiency of the graft polymerization was 100% and that the scale-up was achieved to the level of 500 kg. When used for pigment dispersion, the small amount of the graft polymer provided the satisfactory dispersion and storage stability, and showed an enough high water-resistance property. Coating of the paint requires the avoidance of sagging and/or bubble-forming. Thus, the rheology control of the water paint is important in the application property, and the melt viscosity by baking, in the appearance of the film, too. Development of the technology for indirect heating and atomization of the paint in the coating improved the application property, of the highly viscous paint and the appearance of the film. In addition, for the reduction of VOC release from the curing process we selected the curing agents reacting with carboxylic acid for the main resin containing the polycarboxylic acid. The induction heating developed here could decrease the drying time by one-third to one-fifth compared with the conventional heating. Thereby, the water paint containing the high concentration of nonvolatile matter (55-65 wt%) and low VOC below 5% was produced. Compared with the solvent-paint in the field of the application to coating of metal products, the coating film using the developed paint was equivalent in the hardness and the water-resistance property, and slightly inferior to in the appearance and the gloss. In the next year, the total performance for the practical application, the long-term durability, and so on will be verified.
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