ポリオレフィン製品の工業用液体コーティング：内装・外装用途

ポリオレフィン製品の工業用液体コーティング：内装・外装用途

プラスチックの工業用コーティングは、加飾、仕上げ、マスカスタマイゼーションの要となるプロセスです。液体コーティングは非常に汎用性が高く、機能面でも意匠面でも無限の可能性を実現します。コーティングは付加価値を高め、コスト効率に優れ、環境にも配慮できます。コーティングプロセスは多面的であり、適切なエンジニアリングが必要です。塗料の化学組成とポリマーの相溶性の影響を理解しておく必要があります。密着性と欠陥のない品質には、表面品質と清浄度が不可欠です。本稿は、プラスチック用液体コーティングを取り上げるシリーズの第1回です。今回は、ポリマーの特性、コーティングと基材の相互作用の種類、ポリプロピレンの用途、コーティング技術について検討します。

「コーティング」と「塗装」という用語は、しばしば混同されます。一般に、「塗装」の目的は意匠性であるのに対し、「コーティング」は基材上に機能性材料の層を形成して性能を付与することが目的です。性能コーティングの例として、防水、セルフクリーニング、抗菌、防錆・防食、UV／耐候性保護、柔軟性・弾性、保色性があります。密着性を得るには、プラスチック部品に静電気、汚れ、油分、指紋、離型剤残渣などがない状態でなければなりません。酸化防止剤、可塑剤、スリップ剤、帯電防止剤、着色剤／顔料、安定剤などの低分子量酸化物（LMWOM）は、部品の塗装適性を変化させ、剥離などの欠陥を引き起こすことがあります。ポリプロピレン（PP）や多くのポリマーは疎水性であるため、プラズマ前処理が必要であり、塩素化ポリオレフィン系の化学的な密着促進剤と併用することもあります。

重要なポイント

• 塗料とポリマーは、化学的、熱的、機械的に相互作用します。いずれの相互作用も、プラスチックの特性を損なってはなりません。
• PPは、プラスチック業界における「鋼」であり、強靭で剛性が高く、結晶性で非極性、しかも100%リサイクル可能です。
• 塗装適性は設計上の判断事項です。同じポリマーファミリー内でもグレードによって異なるため、ポリマーの選定が上限を決めます。
• コーティングには、一液型ラッカー、二液型熱硬化性樹脂、UVの3つのファミリーがあり、いずれも水性の化学組成で利用できます。
• 再生PPは実際のコーティング市場です。自動車用バッテリーが、25年以上の保証付きの建材製品に生まれ変わります。

よくあるご質問

ポリプロピレンはなぜ塗装しにくいのですか？

PPは疎水性で非極性、化学的に不活性であり、表面の濡れ性が低くなります。ポリオレフィンファミリーの直鎖状炭化水素樹脂で、重合するとメチル基の位置に応じてアタクチック、イソタクチック、シンジオタクチックのいずれかの鎖構造を形成し、それぞれが挙動に影響します。

塗料とプラスチックを組み合わせる際に考慮すべきことは何ですか？

化学的、熱的、機械的の3種類の相互作用です。いずれもプラスチックの特性を損なってはなりません。難しいのは、プラスチックの種類が多く、各ファミリー内にも多くのグレードがあり、それぞれ塗装適性が異なる点で、一次加工も影響します。

プラスチックの仕上げに利用できるコーティング技術にはどのようなものがありますか？

主に3つのカテゴリーがあります。一液型ラッカーは使いやすく、1平方フィートあたりのコストが低く、溶剤または水分の蒸発によって乾燥し、通常30分以内で乾きます。残りは二液型熱硬化性樹脂とUVコーティングです。3つとも水性の化学組成で利用できます。

再生ポリプロピレンにも問題なくコーティングできますか？

はい。これは重要な用途です。再生された自動車用バッテリーは、建物の内装・外装製品に生まれ変わり、メーカーが25年以上保証するものもあります。コーティングは、マスカスタマイゼーションに最も好まれる加飾プロセスです。

一液型ラッカーはどのような場合に適していますか？

1平方フィートあたりのコストと使いやすさを最も重視し、性能要件が中程度の場合です。硬度や耐摩耗性を持たせる配合も、軟質プラスチック向けに柔軟性を高めた配合も可能で、室温または低温焼付けでの蒸発によって完全に硬化します。

塗料とポリマーの相溶性

確実な作業と最終用途での性能を実現するには、塗料の化学組成とプラスチックの相溶性の影響を理解する必要があります。塗料とプラスチックの選定には、化学的、熱的、機械的といったいくつかの相互作用が関わります2。いずれの要素も、プラスチックの特性を損なってはなりません。設計エンジニアは、性能と塗装適性のバランスがとれた最適なポリマーを選定しなければなりません。難しいのは、同じポリマーファミリー内でも、非常に多くの種類とグレードがあり、それぞれ固有の特性と塗装適性の度合いを持つことです。材料の純度、金型温度、ゲート、ガス抜き、結晶化度などの一次加工も、影響する要因です。

化学的影響：塗料の溶剤や化学的相互作用がプラスチックを損傷する場合があります。塗料の溶剤がプラスチックを侵す（エッチングする）ことは、限られた範囲で接着性を高めるため、望ましい場合も少なくありません。しかし溶剤は、表面のクレージング、環境応力亀裂、膨潤、軟化、ポリマー基材の溶解、およびピンホール、溶剤ポップ、ボイドなど多くの溶剤関連の欠陥を引き起こすことがあります。

熱的影響：塗料の種類によっては、高温での硬化が必要です。（ポリマーの弾性率に対して）比較的高い温度では、成形時に部品内に残った応力が解放され、反りが生じることがあります。硬化中の塗料の収縮により、残留応力が生じる場合もあります。極端な高温はポリマーを劣化させる可能性があります。オーブンで硬化する際は、温度をゆっくり上昇させる必要があります。

機械的影響：乾燥した塗膜の強度と剛性は、プラスチックと適合し、一体として機能しなければなりません。特定のプラスチック基材に適切に適合しない塗装システムを選定すると、「弾性ミスマッチ」と呼ばれる早期破損につながることがあります。

ポリプロピレン

ポリプロピレン（PP）は、特定の目的に合わせてさまざまに改質できることから、プラスチック業界の「鋼」と呼ばれることがよくあります。PPは、プロペン（プロピレン）モノマーから作られる、強靭で剛性が高く結晶性の非極性熱可塑性樹脂で、100%リサイクル可能です。PPは疎水性、非極性、化学的に不活性で、表面の濡れ性が低いため、接着が困難です。PPは直鎖状炭化水素樹脂で、ポリオレフィンのグループに属します。PPの化学式は(C3H6)nです。

重合すると、PPはメチル基の位置に応じて、次の3つの基本的な鎖構造を形成します。

• アタクチック（aPP）：メチル基（CH3）が不規則に配列
• イソタクチック（iPP）：メチル基（CH3）が炭素鎖の片側に配列
• シンジオタクチック（sPP）：メチル基（CH3）が交互に配列

PPには、ホモポリマーとコポリマーの2つの主な種類があります。コポリマーはさらに、ブロックコポリマーとランダムコポリマーに分けられます。ホモポリマーPPは汎用グレードです。ブロックコポリマーPPはコモノマー単位がブロック状に配列しており、エチレンを5%〜15%含みます。ランダムコポリマーPPは、コモノマー単位が分子に沿って不規則またはランダムに配列しており、通常エチレンを1%〜7%含みます1。PPの融点には幅があるため、オーブン硬化の温度設定値は、グレードに基づいて評価する必要があります。

• ホモポリマー：160〜165°C
• コポリマー：135〜159°C

帯電防止：PPは電気絶縁性に優れ、静電気を保持して表面に汚れを引き寄せる傾向があります。帯電防止添加剤は表面に「ブルーム」して電荷を逃がしますが、塗膜の剥離を引き起こします。さらに、濃色の表面には数か月後に白い膜（ブルーム）が現れることがあります。

放射線の影響（紫外線（UV））：PPはUV放射の影響を大きく受けます。UV抑制剤や高濃度のカーボンブラック顔料を使用しない限り、直射日光にさらされると強度特性が失われます。抑制剤や顔料を多く添加しても、厳しい日光条件下での耐用年数には限りがあります。

PPおよび低表面エネルギーポリマーのポリマー設計上の考慮事項：

• PPコポリマーは、ホモポリマーより接着しやすい場合があります。
• ナイロンやポリカーボネートは吸湿性があり、乾燥が必要です。PPは吸湿性はありませんが、樹脂ペレットの表面に水分があると、吸湿性材料が湿っている場合と同じ問題を引き起こします。
• ナイロンの「バルク」特性は疎水性で、「表面」特性は吸湿性です1。
• ナイロン6はナイロン66より水分を吸収しやすく、水分が可塑剤として作用します。ナイロン6は、ナイロン11や12より接着しやすい場合があります。
• アセタールPOMのコポリマー（Celcon）は、ホモポリマー（Delrin）より接着しやすい場合があります。
• ポリエチレンは接着しやすい素材です。本当にPPが必要かどうかを確認してください。

再生ポリプロピレン（rPP）の用途

PPは100%リサイクル可能で、塗装もできます。図1をご参照ください。自動車用バッテリーは、建物・住宅の内装・外装製品に再生されます。これらの製品の中には、メーカーが25年以上保証するものもあります。コーティングは、マスカスタマイゼーションに最も好まれる加飾プロセスです。

コーティング技術

OEMのプラスチック仕上げには、いくつかのコーティング技術の選択肢があり、それぞれ性能、コスト、ラインの設置面積の要件に応じた独自の利点があります。これらの技術は、主に3つのカテゴリーに分けられます。

一液型ラッカー：使いやすく、1平方フィートあたりのコストが低い一液型ラッカーは、プラスチックの加飾で広く使われています。これらのコーティングは溶剤または水分の蒸発によって完全に乾燥・硬化し、通常は室温または低温焼付け条件で30分以内に乾燥します。一液型ラッカーは、硬度や耐摩耗性を持たせる配合も、軟質プラスチック向けに柔軟性と延性を持たせる配合も可能です。室温での自然乾燥が可能なため設備投資の負担が減りますが、100〜120Fでの低温焼付けを行うとサイクルタイムを短縮できます。一液型ラッカーは、結露、水没、強い薬品にさらされる可能性が限られる用途向けの完成品に最適です。これらの製品は溶剤系と水性の両方の配合があり、HVLPまたはエアアトマイズスプレーで塗布できます。

二液型熱硬化性コーティング：二液型熱硬化性樹脂は高性能で、過酷な産業用途、屋外の消費財、自動車用途など、幅広い用途に最適化できます。この分野では、エポキシ、ポリウレタン、そして程度はやや低いもののM-cure反応性改質剤が主流です。ポリウレタンコーティングは1平方フィートあたりのコストが高いものの、優れた耐薬品性を備え、長時間の直射日光下でも自動車グレードの保色性と光沢保持性能を発揮します。エポキシはウレタンよりコストが低く、塗膜硬度、耐薬品性、水蒸気バリア性に優れます。ただし、トップコートとして直射日光にさらされる場合は色安定性と耐久性に劣り、白化しやすいため、通常はプライマーとして使用されます。さらに、エポキシ塗装製品は一般に、カリフォルニア州プロポジション65の表示が必要です。

一般に、二液型熱硬化性コーティングは、塗膜硬度の大部分が化学的架橋（硬化）によって発現するため、取り扱い・梱包が可能になるまでの硬化時間が長くなります。プラスチック基材は熱に敏感なため、二液型熱硬化性樹脂の硬化を加熱で促進できる範囲は限られます。サイクルタイムの短縮が必要な場合は、複数成分の混合装置を使うことで、より速く硬化する配合を利用できます。コストや硬化時間の制約により二液型ウレタンが使えない用途では、M-cureが検討に値する選択肢です。新しいM-cure樹脂技術により、M-cure配合でも従来よりはるかに長い可使時間が得られるようになったため、複数成分の混合装置を使わずに、常温または低温焼付けでより速い乾燥時間を実現できます。水性と溶剤系の熱硬化性配合が利用でき、通常はHVLPまたはエアアトマイズスプレーで塗布されます。

UV硬化コーティング：UV硬化コーティングは、プラスチック用のあらゆるコーティング技術の中で、速乾性・短時間硬化と性能の最良の組み合わせを実現します。硬化は、配合や部品形状にもよりますが、通常わずか3〜10秒で完了します。硬化後は、UV硬化コーティングで加飾したプラスチック製品をすぐに梱包できます。UV硬化コーティングは靭性と耐薬品性に優れ、長期の屋外耐久性を持たせる配合も、軽負荷の用途向けに低コスト化した配合も可能です。UV硬化コーティングは一般に、塗膜の硬度を得るためにUV硬化ランプの直接光にさらす必要がありますが、水性UV硬化コーティングは、硬化前でも触れて乾いた塗膜を形成するという特長があり、複雑な形状の部品でわずかな影の領域があっても、完成品に未硬化のべたつく残渣が残りません。硬化に最も一般的に使われるUV光源は水銀蒸気ランプで、マイクロ波式とアーク式があります。アーク式ランプは購入コストが低い反面、ウォームアップ時間が必要で、大量の熱を発生します。マイクロ波式ランプはアークランプより高価ですが、スイッチを入れてから数秒で使用でき、発熱が少なく、バルブ寿命も長くなります。マイクロ波式とアーク式のいずれにも、鉄またはガリウムをドープしたタイプがあり、着色顔料の硬化に適しています。ピークパワーの要件や部品形状に応じて、楕円型（フラッド）または放物線型（集束）のリフレクターと組み合わせることができます。水銀ランプに加えて、LED UVランプが、即時のオン／オフが可能で、消費エネルギーが非常に少なく、発熱も極めて低い競合技術として台頭しており、焦点形状の制約から、規則的な形状の円筒形部品や平面部品に最適です。さらに、LEDランプは顔料濃度の高い塗膜や厚膜の深部硬化に優れる一方、表面を完全に硬化させるには、拡散光または低出力の水銀ランプへの後硬化露光が必要になる場合があります。100%固形分、溶剤系、水性の配合が利用できます。UVコーティングは、HVLPで吹き付けるほか、平面ではロールコーティングも可能です。

液体コーティング選定ガイド

結論

コーティングプロセスは多面的であり、精密なエンジニアリングと品質管理が必要です。塗料の化学組成とプラスチックの相溶性、そして表面品質の影響は、製品の性能に不可欠です。一液型ラッカー、二液型熱硬化性樹脂、UVコーティングの各技術は、ポリプロピレン材料の塗装・コーティングに有効であり、水性の化学組成でも利用できます。

参考文献

• Definitive Guide to Polypropylene, Omnexus SpecialChem, 2021
• Sabreen, S. and Roobol, N: Painting Plastics for Painting, Plastics Decorating Magazine 2003
• Sabreen, S. Inkjet Printing & Adhesion of Low Surface Energy Polymers, Plastics Decorating Magazine 2019

Scott R. Sabreenは、プラスチック二次加工プロセス（表面前処理、接着接合、インクジェット印刷、レーザーマーキング、工業用コーティング、加飾・仕上げ、製品セキュリティ）を専門とするエンジニアリングコンサルティング会社、The Sabreen Group, Inc.の創業者兼社長です。Sabreenは30年以上にわたり、先駆的な技術の開発と製造上の課題の解決に取り組んできました。連絡先は972.820.6777、またはwww.sabreen.comをご覧ください。

Dustin Kurathは、高性能工業用コーティングを専門とする塗料メーカー、Northern Coatings and Chemical Co.の技術ディレクターです。Kurathは2000年代半ばから、高性能の一般産業用・自動車用コーティング、航空宇宙用コーティング、包装用コーティング、放射線硬化型コーティングの研究に携わってきました。連絡先は906.352.5060、またはwww.northern-coatings.comです。

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