プラスチックの塗装前処理

プラスチックの塗装前処理

ほとんどの液体塗料をプラスチックに塗布するプロセスは、金属の塗装に使われるものとさほど変わりませんが、プラスチックへの粉体塗装は今でもかなり珍しいものです。また、化学析出（自己析出型（オートフォレティック））コーティングや電着コーティングなど、金属に広く使われる特定の塗装方法は、プラスチックには適用できません。しかし、ハケ塗り、ディップコーティング、フローコーティング、カーテンコーティング、あらゆるスプレー方式や回転霧化方式など、その他のすべての手法は、金属とプラスチックの両方のコーティングに使われています。UV放射線硬化や一部の粉体塗料の低温硬化の登場により、ある程度耐熱性のあるプラスチックへの粉体塗装も行われるようになっていますが、この技術はまだ黎明期にあります。

製造に一般的に使われるあらゆる金属の塗装適性は、かなり似通っています。これは、金属の表面エネルギー、電気伝導率、熱伝導率、耐熱性の値がいずれも非常に近いことが一因です。プラスチックでは、これはまったく当てはまりません。一般に、プラスチックのこれらの特性の値は金属よりはるかに低く、プラスチックの種類間での差も極めて大きくなります。同じプラスチックのファミリー内でも、プラスチックの分子量の違いや、各種樹脂の製造時に配合される添加剤の違いにより、塗装適性が意外なほど異なることがあります。ベースとなるプラスチックの組成は、単一の樹脂の場合もあれば、2種類以上の異なる樹脂のブレンドの場合もあります。樹脂組成には、さまざまな充填剤、増量剤、可塑剤が配合されている場合があります。望ましい物理的・化学的特性を得るために樹脂に添加剤が加えられることが多く、光沢の調整や着色のために顔料が加えられます。これらの添加剤の化学的性質や量は、その配合の塗装適性を大きく変化させる可能性があります。同じ樹脂配合から作られた部品でも、塗装適性が同じとは限りません。部品の製造に使われる成形、押出し、その他の成形加工プロセスも、樹脂に生じる部品応力や架橋のために、部品の塗装適性に重要な役割を果たすことがあります。

プラスチックの表面エネルギーは、主に樹脂の化学的性質によって決まります。一般に、表面エネルギーが高い表面ほど塗料で「濡れ」やすく、それゆえ「塗装しやすく」、コーティングの密着性も良好になります。金属は一般にプラスチックよりも表面エネルギーがはるかに高いため、金属への塗膜の密着性はプラスチックへの密着性よりも優れていることが多いと指摘されています。ポリエチレンやポリプロピレンなどのプラスチックで表面エネルギーが低く（塗装適性も低く）なる原因は、分子の極性が低いことです。表面エネルギーを高め、ひいては塗膜の密着性を高めることが、プラスチックの前処理の主な目的の一つです。

重要なポイント

• ほとんどの液体塗装の手法は金属から応用できますが、化学析出コーティングや電着コーティングはプラスチックには適用できません。
• 静電気はプラスチック特有の問題です。プラスチックは絶縁体であるため、帯電し、塗装前に空気中のほこりを引き寄せます。
• ワックス系の離型剤は塗装の大敵です。水溶性の離型剤の方がはるかに望ましく、通常の水系洗剤で洗い落とせます。
• 平滑な表面は、塗料が必要とするアンカー部位を作るため、化学的または機械的に粗面化する必要があります。
• 促進劣化試験により、実使用時の性能を予測できます。乾熱、湿熱、対照群の3群で試験を行い、その後ASTM D3330に準拠して剥離試験を実施します。

よくあるご質問

プラスチックの塗装前に除去すべき汚れは何ですか？

指紋、ほこり、糸くず、離型剤の残渣です。素手で触れて付着した塩分や油分は、通常、洗剤洗浄で除去できます。また、成形工程から塗装工程まで作業者が糸くずの出ない手袋を着用すれば、指紋による汚染は完全に防げます。

プラスチック部品は塗装前になぜほこりを引き寄せるのですか？

ほとんどのプラスチックは絶縁体か電気の不良導体であるため、静電気を帯び、空気中の粒子を引き寄せて保持するからです。静電気対策は、金属の仕上げラインでは必要のない工程です。

塗装に適した離型剤はどれですか？

水溶性の離型剤で、通常の水系洗剤による洗浄で容易に落とせます。ワックス系の離型剤は溶剤で除去できる場合もありますが、塗装する部品には推奨されません。また、VOC、火災、健康上の理由から、溶剤の使用はいずれにせよ望ましくありません。

平滑なプラスチック表面に塗料を密着させるには、どうすればよいですか？

粗面化します。プラスチックは表面エネルギーも表面プロファイルも低く、平滑な表面では密着性が低くなります。通常は化学エッチングによって微細な粗さとアンカー部位を作る方法がとられ、塗布する塗料にもともと含まれる溶剤で行うのが理想的です。

塗膜の密着性は、長期的にはどのように試験すべきですか？

促進劣化試験です。実施可能な設計の一つは3群で、158°Fの乾熱で5日間、90°F・湿度90%で5日間、そして常温の対照群です。試験直後に対照群と目視で比較し、試料が安定した後、ASTM D3330に準拠して剥離試験を行います。最も一般的なのは180°での剥離です。

プラスチック基材の洗浄

塗装するほかの表面と同様に、プラスチックにも、汚れや異物がある程度除去されていることが必要です。コーティングするプラスチック品に見られる一般的な汚れには、指紋、ほこり、糸くず、離型剤の残渣があります。通常、素手で触れてプラスチックに付着した塩分や油分は、洗剤洗浄で十分に除去できます。成形工程から塗装工程までの間に部品を扱う作業者が、糸くずの出ない手袋を着用すれば、指紋による汚れは完全に防げます。

ほとんどのプラスチックは、絶縁体か電気の不良導体です。その結果、静電気を帯びやすく、糸くずやほこりの粒子を引き寄せて強く保持します。タッククロスで拭き取っても、これらの汚染物質をすべて除去できるとは限りません。静電気で付着した糸くずや汚れを除去する優れた方法は、除電エアブローを使用することです。除電装置は正負両方の電荷を発生させる必要があり、ほとんどの装置はブローエアの供給源に弱い放射性の放出源を使用しています。吸入した空気をろ過し、イオンを含んだ空気を部品に吹き付けることで、正負のイオンがすべての静電気を中和します。除電は、部品がコーティング工程に入る時点で可能な限り清浄な状態になるよう、塗装の直前に行う必要があります。除電から塗装までの間に遅れが生じると、電荷が再び発生し、その結果、部品は表面に再び粒子を蓄積してしまいます。

プラスチックの塗装作業を「クリーンルーム」内に設置すると、ほこりや糸くずなどの汚れをより容易に管理できます。給気はろ過し、相対湿度を約50%に保つ必要があります。この部屋には、糸くずの出ないつなぎ服、ヘアネット、シューズカバーを着用した許可された人員のみが、常時入室できるようにします。

離型剤と可塑剤

塗装可能な離型剤もいくつかありますが、その他の多くの離型剤は塗膜の密着性に悪影響を及ぼします。プラスチック部品を金型から離型しやすくするために使われるこれらの薬剤を除去するには、さまざまな手法が必要になる場合があります。ワックス系の離型剤は溶剤洗浄で除去できることもありますが、この種の離型剤は塗装する部品には推奨されません。VOC排出規制や、多くの溶剤に伴う火災・健康上の危険性から、溶剤の使用はほぼ自動的に避けられます。水溶性の離型剤の方がはるかに望ましく、プラスチック表面からの除去は、通常の水系洗剤溶液で容易に行えます。

離型剤は、プラスチックの配合に混ぜ込まれる場合もあり、これを「内部」離型剤と呼びます。内部離型剤は、可能な限り避けなければなりません。塗装適性はすぐには損なわれない場合もあり、品質保証（QA）の密着試験でも当初は優れた密着性を示すことがあります。しかし場合によっては、内部離型剤がゆっくりと部品表面に移行し、部品を塗装してから数か月後に塗膜の密着不良を引き起こしたことがあります。

可塑剤は、耐衝撃性を高めるために成形樹脂に添加されることがありますが、離型剤と同様に、塗膜の密着性を低下させることが少なくありません。一部の可塑剤はゆっくりと表面に移行し、プラスチックと塗料の界面を軟化させて、密着性の低下を招きます。この場合も、初期の塗膜密着試験では完全に良好な結果が出ながら、その後に塗膜がプラスチック表面から浮いたり剥がれたりすることがあります。その結果、部品を使用開始してからかなり後になって、コストのかかる市場不具合や責任請求につながる可能性があります。

確実な塗膜密着性の実現

ほとんどのプラスチック表面は、表面エネルギーが低いだけでなく、もともと表面プロファイルも低い状態です。平滑な表面は、化学的または機械的な手段で先に粗面化しない限り、塗膜の密着性が低くなりがちです。金属の化成皮膜が塗膜の密着性に寄与するのは、金属上に形成される無機層の微細な粗面が一因です。プラスチックの表面の平滑さを克服する最も一般的な方法は、化学薬剤で表面をエッチングし、塗料の密着を得るための微細な粗さとアンカー部位を作ることです。可能であれば、別工程を避けるため、塗布する塗料に含まれる溶剤でエッチングを行います。溶剤によってプラスチックのエッチング速度が異なるため、塗料の溶剤の選定は非常に重要です。エッチング過多も不足も避けなければなりません。エッチングが不十分だと適切な密着性が得られず、過度のエッチングはプラスチックを損傷することがあります。部品が反る、添加剤の充填剤や増量剤の粒子が露出する、さらにはプラスチック中の物質がコーティング中に染み出す領域ができるおそれもあります。ポリカーボネートやポリスチレンなどの一部のプラスチックは、特に敏感な溶剤に侵されて、割れたり、表面クレージングが過度に生じたりします。成形工程で大きな応力がかかった領域があるプラスチックでは、応力緩和により、その領域に溶剤で目に見える亀裂が生じることがあります。したがって、溶剤エッチングを行う際は、ある程度の注意が必要です。

部品形状によっては、成形時に急速なプラスチックの射出流動により、金型内で部品に大きな摩擦熱が発生する領域があります。そのような領域には、溶剤エッチングに耐性を持つ、高度に架橋した（グレージングした）スキン層が形成されます。この過度に硬いプラスチックのスキン層を除去する措置を講じない限り、これらの領域では塗膜の密着性が低くなります。これらの領域は、中程度の研磨メディアによるタンブリングや、穏やかな研削材によるブラストで、十分な塗膜密着性が得られる程度までグレージングを除去できます。ホット溶剤または溶剤蒸気への短時間の浸漬処理も、一部の部品には有効です。ただし、溶剤で微細な粗さを作る方法は、一般に、プラスチック自体にある程度の極性がある場合にのみ有効です。

グレージング除去や溶剤エッチングが有効でない、あるいは望ましくない場合には、化学反応を利用して表面に極性のある酸化基を形成する必要があるかもしれません。これは、極めて非極性のプラスチック表面では特に当てはまります。ポリプロピレンとポリエチレンは、酸化処理される低極性プラスチックの2つの例です。これらの樹脂や同様の低極性プラスチックは、ガスバーナーの直火に短時間さらされることがあります。これにより、目に見えない程度の酸化化学反応（初期燃焼）が起こり、優れた塗膜密着性を得るのに十分な極性が表面に形成されます。オゾンを発生させる電気式コロナ放電にプラスチック部品を通す方法も、表面酸化を起こすために使われてきました。コロナ放電により励起された酸素原子が生成されてオゾンを形成し、そのオゾンがプラスチックを酸化的に攻撃して、ヒドロキシル基、カルボニル基、カルボン酸基などの極性基を生成します。

低極性のプラスチックは、光増感剤と呼ばれる感光性の化学物質を用い、その後に紫外線を照射することでも、表面酸化できます。紫外線が感光性化合物の分子を「開裂」させ、フリーラジカルを生成します。フリーラジカルは極めて反応性の高い化学種で、このプロセスでは空気中の酸素と結合します。酸素フリーラジカルはさらにプラスチックと反応し、表面に極性基を生成します。

低温ガスプラズマ技術は、プラスチックを前処理して表面を酸化させ、塗膜密着性のための表面特性を大幅に改善するために利用できます。ガスに十分なエネルギーを吸収させると、イオン化して「プラズマ」になります。励起は高周波発生装置によって行います。アーク溶接や蛍光灯は、いずれも励起されたイオンが安定したエネルギー状態に戻る際に「発光」が生じる現象の例です。システムの安全限界の範囲内で、このプロセスには単一のガスまたは混合ガスを使用できます。この目的には、酸素、窒素、ヘリウム、アルゴン、空気、アンモニアが使われてきました。

プラズマコンディショニングによっても、プラスチックに良好な密着性で塗装できます。プラズマ反応装置は通常、部品の出し入れ用に密閉可能なポートを備えた真空容器です。反応装置の運転中には、グロー放電を観察できます。ガスプラズマ処理は、表面の微細エッチングと活性化の両方を行います。短時間の処理で、もともと低極性または非極性のプラスチック上に、表面エネルギーの高い極性表面が生まれ、塗料で完全かつ均一に「濡れる」ようになります。プラズマプロセスでは通常、表面の外観が変化しないため、変色を起こさずに材料を処理できます。金属に使用するのと同じ塗料で、優れた密着性が得られます。プラスチックと金属の両方を含む組立品を、同じコーティングで同時に塗装できるため、これは一部のメーカーにとって重要な特長となります。

塗料自体に含まれる化学的な酸化剤でプラスチック表面を酸化させ、より良好な塗膜密着性を得る方法は、効果が劣ります。反射赤外分光法により、これらの処理は他の酸化プロセスと同じ酸素含有基（ヒドロキシル基、カルボニル基、カルボン酸基）をプラスチック表面に生成することが確認されていますが、その量は少なくなります。塗料自体に含まれる酸化剤が、耐久性のある塗膜密着に十分な極性をもたらすのは、限られた場合のみです。

表面前処理は、プロセスウィンドウを広げます。たとえば、「未処理」のポリオレフィンの表面エネルギーは29〜31 dyne/cmの範囲です。塗装プロセスでは、溶剤系、水性、UVなどのコーティングの化学組成の種類に応じて、これらの表面に38〜60 dyne/cmの範囲の処理レベルが必要です。各前処理方法は用途に固有で、潜在的な利点、制約、コスト面での影響があります。状況によっては、気相酸化プロセスがヒートシールなどの後工程に悪影響を及ぼすことがあります。量産に導入する前の十分な評価が不可欠です。

密着性試験

塗膜の密着性や引っかき硬度の特性を測定するために、数多くの方法が使われています。促進劣化試験は、製品の長期的な性能の予測に役立つ手法です。次の試験設計は、その一例です。

• グループ1：5日間、158°F、湿度なしの乾熱
• グループ2：5日間、90°F、湿度90%
• グループ3：対照群、常温環境

試験直後に目視検査を行い、対照群と比較します。試料が安定したら、ASTM D3330に準拠して剥離試験を実施します。多くの用途では、180°剥離試験が最も一般的に使われています。比較のため、90°剥離も推奨されます。この試験は、180°剥離で得られる値より低い値になる場合もありますが、密着性能をより正確に示す可能性があります。グループ1の試験を5日間から10日間に延長しても、実使用時の性能が2倍になると予測できるわけではありません。関係が線形ではないためですが、より堅牢な結果を示すことにはなります。

Scott R. Sabreenは、The Sabreen Group Inc.（TSG）の創業者兼社長です。TSGは、プラスチック二次加工業務、すなわち表面前処理、接着、加飾・仕上げ、レーザーマーキングを専門とする技術企業です。Norman R. Roobol博士（770-487-9133または[email protected]）は、35年以上の経験を持ち、複数の著書がある工業塗装コンサルタントです。詳細は888-SABREENまで、またはwww.sabreen.comをご覧ください。

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