プラスチックの加飾・仕上げ

加飾・仕上げ

コンセプトから商業化までの卓越したプロセス

見栄えの良い製品は偶然に生まれるものではありません。1992年の創業以来、SABREENは34カ国525社のプラスチック製造上の課題を解決してまいりました。当社の革新的な技術は、国際宇宙ステーションや医薬品から水中用アクションカメラに至るまで、今日最も広く知られる軍需・民生製品の製造に採用されています。SABREENのエンジニアリングは、スミソニアン国立博物館に殿堂入りした医薬品・医療用パッケージ年間製品賞をはじめ、お客様のために数々の業界最高賞を獲得してまいりました。プロジェクトの早期段階からの関与により、開発スケジュールの大幅な短縮を実現します。

Sabreenの画期的なプロセスは、製造コストの削減、シックスシグマ品質、そして重要な市場優位性をもたらします。貴社のために、ダイナミックな外観を持つ製品を共に創り上げましょう。

ポリオレフィンの気密封止のためのカスタム接着・硬化技術

バックライト「デイ／ナイト」対応 自動車用ボタンの塗装とレーザーアブレーション

曲面形状の円筒形ペンへのデジタル印刷（インクジェット）

PPS製ロックセーフダイヤルへの360°パッド印刷（抜き勾配60°）

熱可塑性エラストマーおよびゴムへのデジタルカラーインクジェット印刷とレーザーマーキング。マスカスタマイゼーションに対応。

製品情報および製品セキュリティのためのサブサーフェスレーザーマーキング

マスカスタマイゼーションのためのデジタル印刷

接着性と高い耐衝撃性を実現する特殊クリアトップコート

食洗機耐久性を実現するFDA準拠の耐薬品性クリアトップコートによるフルカラーデジタル印刷

受賞歴を持つ、医薬品・医療用のファッショナブルな避妊具携帯ケース

スレートやシダーシェイクを模した加飾・コーティングを施したポリマー製屋根材。耐候性40年保証、耐火性・耐風性を実現

ソフトタッチ・木目調を再現するカスタム加飾および特殊効果トップコーティング

加飾業者は、容器やその他のプラスチック部品に人目を引く効果を生み出すため、さまざまな二次加工プロセスを活用しています。さらに、特殊効果着色剤をプラスチック部品に成形時に配合することで、それ自体で魅力的な外観を実現することも可能です。また、こうした着色剤をスプレー塗装、パッド印刷、水転写、レーザーマーキング、蒸着などの二次加工と組み合わせることで、独自の視覚的・触覚的な特殊効果を生み出すこともできます。

特殊効果着色剤の種類

表1に、特殊効果顔料・染料の主要な6分類を示します。いずれも重金属フリー品として入手可能であり、一部はFDAのプラスチック規制にも適合しています。

表1に、特殊効果顔料・染料の主要な6分類を示します。いずれも重金属フリー品として入手可能であり、一部はFDAのプラスチック規制にも適合しています：

パール顔料。塗料、インキ、プラスチックに使用される主なパール顔料は、酸化チタンをコーティングしたマイカ（雲母）フレークをベースとしています。コーティング厚が増すにつれて、色調は銀白色から黄、赤、青、緑へと変化します。酸化鉄（ゴールド・ベージュ系）や酸化クロム（グリーン系）による第二コーティングを追加することで異なる色調を実現でき、酸化チタンを酸化鉄に置き換えることで、ブロンズやカッパーなど幅広いメタリックカラーを得ることができます。

メタリック顔料。メタリック顔料は銅合金やアルミニウムから作られ、多様な色調と粒子形状で提供されています。銅系はきらめくグリーニッシュゴールドからレッドゴールドまで色調が変化し、アルミニウム系はシルバーおよびシルバーグレーの色調を呈します。もともとは光沢を最大化するため、フレーク状での提供が大半でした。パール顔料と同様に、プラスチック加工業者は粒子形状を保持するためせん断力を最小限に抑える必要があり、通常、着色業者は粒径の異なる顔料をブレンドして光沢と隠蔽力の望ましいバランスを実現します。粒子が小さいほど隠蔽力が高まり、粒子が大きいほど光沢が高まります。メタリック顔料は熱と電気を伝導するため、加飾以外の機能特性を付与する目的で使用されることも少なくありません。

蛍光染料・顔料。「昼光蛍光」色とも呼ばれる蛍光色は、いわば一方を犠牲にして他方を補う仕組みで発色します。昼光は紫外線、可視光線、赤外線から構成されています。従来の顔料の場合、私たちが目にする色は、物体に当たった可視光線の特定波長が反射することで生じます。これに対し蛍光顔料・染料は、可視光線に加えて紫外線も利用します。その化学組成により、吸収した紫外線の一部を可視光として放出することができます。この放出光が反射した可視光に加わることで、発光しているように見える、はるかに明るい色調が得られます。同様の効果は業務用の蛍光照明でも見られます。バブルガムから洗濯洗剤に至るまで、多くの消費財が購買者の目を引くため蛍光容器で包装されています。

蓄光顔料。「暗闇で発光する」顔料とも呼ばれる蓄光顔料は、照明スイッチ、ダイヤル、テレビリモコンのボタン、玩具など、実に幅広い用途に採用されています。従来の顔料が吸収と同時に光を放出するのに対し、蓄光顔料は光源との相互作用が異なります。これらの顔料は広範な波長域の光を容易に吸収する一方、非常にゆっくりと時間をかけて再放出します。もともとはカドミウム化合物を用いた化学組成に依存していましたが、現在では複数のメーカーが重金属フリー品を提供しています。こうした顔料で着色された成形品は、可視光源（一般的な白熱電球で十分です）に露光することで「充電」され、光源から取り除いた後も数時間にわたり発光し続けます。

感温変色（サーモクロミック）・感光変色（フォトクロミック）着色剤。これらの着色剤は劇的な色変化効果をもたらします。名前が示す通り、感温変色着色剤は温度変化に応じて色が変化します。これは染料、活性化剤、溶剤から成る複雑な着色剤です。色変化が生じる温度は溶剤の融点によって決まり、色そのものは染料によって決まります。感温変色着色剤は「柔らかいプラスチック」で最も効果を発揮します。例えば、PP、結晶性ポリスチレン、硬質PVCよりも、PE、耐衝撃性ポリスチレン、軟質PVCにおいてより効果的です。これは、柔らかいプラスチックの方が3つの必須成分を収容するための自由体積が大きいためです。市販の感温変色着色剤は価格に大きな幅がありますが、いずれも劇的な色変化効果を得るにはかなり高い添加率で使用する必要があります。感光変色着色剤は、太陽光にさらされると分子構造が変化する染料をベースとしています。感光変色着色剤は低添加率（約0.5%以下）で使用可能であり、透明プラスチックに適しています。

加飾用水性コーティングは、優れた外観、機能性、コストパフォーマンスを兼ね備え、環境にも配慮しています。水性コーティングは、水をプラスチック表面へのコーティング移送手段として用いる急速に発展中の技術であり、多くの溶剤系コーティングに代わる新たな標準となりつつあります。今日の水性化学組成は、多くの用途において溶剤系と同等、あるいはそれ以上の外観性能・物理性能を実現できます。

高性能水性コーティングは極めて高い加飾仕上げ基準を実現しており、塗装・コーティング市場の多くの分野で急速に普及が進んでいます。水性コーティングは環境に「やさしく」、厳格な排出規制に適合するため、多くの用途でメーカーが溶剤系塗装システムからの切り替えを可能にしています。水性コーティングは毒性が低く、VOC（揮発性有機化合物）レベルが低く、可燃性も低いという特長があります。その採用により大気排出量が削減され、作業者の健康と安全性の向上にもつながります。

水性コーティングには、(a) 蒸発乾燥型、(b) オーブン焼付け型、(c) UV硬化型など、さまざまな硬化方式があります。近年、自動車、船舶、建築分野のOEMメーカーは、着色コーティングおよびクリアコート（トップコート）水性コーティングの採用を大幅に拡大しています。

溶剤系コーティングでは、流動化媒体は有機溶剤またはその混合物（MEK、MIBK、キシレン、トルエンなど）です。「水性」コーティングに分類されるためには、水が重要または主要な流動化媒体でなければなりません。水性コーティングに該当するコーティングの多くも、流動化媒体中に一部の有機共溶剤を含んでいます。これらは通常、低分子量の極性ケトン、アルコール、エステル類です。一般的な化学組成は、水が約50%、固形分が約45%、共溶剤が約5%（流動化媒体の2〜20%の範囲で変動）です。

工程への適用

水性コーティングには、各種のスプレー方式やディップコーティングを含む従来型の塗装工程を適用できます。この点で水性プロセスは、粘度が高いためディップコーティングができないハイソリッド塗料に対して優位性を持ちます。スプレー方式には、従来のエア霧化式、HVLP式、エアレス式、エアアシストエアレス式があります。塗装ガンは、ペイントシンナーやアセトンではなく、水または水系溶液で洗浄することができます。

乾燥に関する留意点

水性コーティングの硬化時間は、溶剤系コーティングに比べてはるかに長くなります。強制乾燥や焼付けを行う際は、スプレーブースとオーブンの間に十分なフラッシュオフ（予備乾燥）時間を確保する必要があります。これを怠ると、溶剤ポッピングが発生するおそれがあります。また、結露の発生を防ぐため、部品表面の温度が露点よりも高くなるよう管理する必要があります。これは一般に暖かい季節には問題になりませんが、寒い季節には注意が必要です。

湿度が高い暖かい気候では、フラッシュオフ時間や乾燥時間が長くなることがあります。湿度が高いと、乾燥中に放出される水蒸気の逃げ場がなくなり、塗膜が硬化しません。適度な通気量と温度上昇を与えることで、コーティングに継続的に新鮮な空気を供給し、空気の保水能力を高めることができます。部品を氷点下の温度にさらす前に、コーティングから水分を完全に除去しておく必要があります。これを怠ると、残留水分が凍結時に膨張し、密着不良を引き起こすおそれがあります。

硬化したコーティングおよびインキの接着性と耐摩耗性は、2つの重要な性能特性であり、その測定と管理は堅牢な製造にとって不可欠です。接着性と耐摩耗性は独立した物理特性であり、故障モード解析において誤って診断されることが少なくありません。接着性・耐摩耗性の不足は、現場での不具合、スクラップ・手直し、利益率の低下、顧客満足度の低下を招く主要な原因です。これらの特性を測定する技術が存在します。

接着性と耐摩耗性の違い

プラスチック基材上に硬化したコーティングおよびインキの最適な接着性と耐摩耗性（耐久性）は、製品寿命を通じて耐久性のある高品質な製品を製造するため、製造工程中に達成される必要があります。これらの特性は相互に関連する場合もありますが、多くの場合は互いに相反します。つまり、硬化したコーティングやインキは、接着性が良好でも耐摩耗性が乏しい場合、あるいはその逆の場合があります。接着性と耐摩耗性を適切に試験・理解することで、仕様への適合を確保でき、コーティングや印刷における問題解決に大いに役立ちます。破壊メカニズムが接着（凝集）によるものか、摩耗によるものか、あるいはその両方かを特定することが、エンジニアリング的な解決策を左右します。これらの特性を測定・分析するための従来型試験方法および新しい計測機器が存在します。

接着性試験方法

ASTM D 3359「テープ試験による接着性測定のための標準試験方法」は、その簡便さと低コストゆえに、コーティングおよびインキの接着性試験方法として歴史的に最もよく知られ、広く用いられている手法の一つです。テープ試験を実施する上での最も基本的な手順は、以下の通りです。

• 使用するテープの選定について合意する。
• 試験前にコーティングおよびインキを完全に硬化させておく。
• 試験の方法Aに従って塗膜にX字状の切り込みを入れるか、方法Bに従って各方向に6本または11本の切り込みを入れた格子状パターンを作成する。
• テープディスペンサーからテープを2周分引き出して廃棄する。
• 指でテープを貼り付け、鉛筆の消しゴム部分などでしっかりとこすって密着させる。テープ下の色の変化は、完全に密着したことを示す良い指標となる。
• 貼付後60〜120秒以内に、テープの端をできるだけ180度に近い角度で、素早く（ただし急激に引っ張らず）自身の上に折り返すようにして剥がす。
• 切り込み部分を観察して基材からのコーティングの剥離状況を確認し、あらかじめ定められた説明および図解による分類（0B、1B、2B、3B、4B、5B）に基づいて接着性を評価する。

設計者は、金型表面にテクスチャー（凹凸）を付与することで接着性を向上させることができます。テクスチャーは凹凸を生み出し、機械的な嵌合による接着効果をもたらします。テクスチャーは金型内で成形時に付与することも、スコッチブライトパッドと溶剤洗浄を用いて手作業で施すことも可能です。追加の人件費・薬品コストをかけずに表面特性を維持できるため、成形時に付与するテクスチャー（モールドインテクスチャー）が望ましいとされています。例えば、NTMA金型キャビティ仕上げ「40番 ダイヤモンドバフ仕上げ 1200番手」は、仕上げ「10番 ファインダイヤモンド 8000番手」（0〜3ミクロン範囲）と比較して、接着強度が向上する可能性が高いといえます。図4「SPI金型表面仕上げ」を参照してください。わずかなテクスチャーであっても効果が期待できます。コネクタなどの凹部穴形状の用途では、金型内のエッチング加工されたコアピンが非常に効果的です。

インキとポリマー基材の適合性 — インクジェット印刷が特に難しいポリマーとして、アセタール（POM）、ポリアミド（ナイロン）、ポリオレフィン、ポリエステル（PET）、ポリフェニレンサルファイド（PPS）、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）、ポリエーテルイミド（PEI）、ポリイミド「カプトン」（PI）、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、ポリウレタン（PUR）などが挙げられます。設計者がこれらの低表面エネルギー（LSE）材料を選択する理由は、軽量な金属代替材料としての特性、剛性・強度、耐薬品性、そして高温使用環境下での物理特性にあります。

印刷・加飾を成功させるには、インキおよびコーティングがポリマー表面に対して長期的な接着性を発揮する必要があります。接着性は主に表面現象に依存します。すなわち、加熱されたインキがプリントヘッドから容易に噴射され、基材と適切に相互作用しなければなりません。インキはポリマー基材の表面と密接に接触できる必要があります。この密接な接触は「濡れ」または「表面の濡れ広がり」と呼ばれ、インキが表面に広がる能力を指します。ほとんどのポリマー表面は本来疎水性であり、濡れにくい性質を持っています。これらのプラスチックは化学的に不活性で、低表面エネルギーの非多孔質表面という特性を持つため、印刷における接着はほぼ不可能とされています。表面エネルギーとは、固体の表面（バルクとは対照的に）に存在する過剰エネルギーのことです。この過剰エネルギーは、表面の分子がバルク内部の分子ほど多くの同種の隣接分子と相互作用できないために生じ、その結果、過剰な相互作用エネルギーを持つことになります。

例えば — 一般にナイロンとして知られるポリアミドは、半結晶性ポリマーです。最も一般的なグレードはナイロン6とナイロン6/6の2種類です。ナイロン系ポリマーは疎水性で化学的に不活性であり、表面濡れ性が低い（すなわち表面エネルギーが低い）ため、本質的に接着が困難です。さらに、ナイロンは吸湿性を持ち、大気中の水分を自重の3%を超えて吸収することがあります。水分そのものが接着上の問題を引き起こします。ナイロン樹脂の適切な乾燥手順は、加工および部品性能にとって極めて重要です。特筆すべき点として、ナイロンの疎水性挙動は表面特性であり、親水性挙動はバルク特性です。ナイロンは有機ポリマーであるため、比較的低い表面エネルギーを持ちます。これはポリマーおよびその他の有機物の表面化学・表面物理学に起因するものです。しかし、ナイロン鎖中のアミド基は水を引き寄せる性質を持ち、これがバルクでの吸水に関するこの材料の親水性挙動を生み出します。つまり、バルクにおいてナイロンは親水性材料として振る舞う一方、表面では疎水性挙動を示すことがあるのです。

ポリフェニレンサルファイド（PPS）は、あらゆる先端エンジニアリングプラスチックの中で最も広範な耐薬品性（耐腐食性）を有しています。PPS製品は吸湿性を持たないため、ナイロン（ポリアミド）のような寸法膨張の問題は生じません。とはいえ、成形加工には乾燥した樹脂を使用することが重要です。水分そのものが問題となり得ます。水分量が高いとボイド（空隙）が発生し、部品性能に悪影響を及ぼしたり、接着性を損なったり、外観を損なったりする可能性があります。乾燥から加工までの時間はできるだけ短くする必要があります。PPSは除湿ホッパードライヤーで乾燥させるべきであり、熱風オーブンの使用は一般的に推奨されません。完全な結晶状態を得るには、少なくとも275〜300°F（約135〜149℃）の金型温度が必要です。PPSを275°F未満で成形すると、成形品は非晶質または半結晶状態となり、より高い使用温度（熱硬化を含む）にさらされるまでこの状態を維持します。使用温度が成形温度を上回ると、部品はより結晶化が進み、寸法や物性の変化をもたらします。例えば、40%ガラス繊維充填PPSを非結晶状態で成形した場合の荷重たわみ温度（HDT、264psi／1.8MPa条件下）はわずか350°Fですが、結晶状態では500°F（260℃）を超えます。さらに、金型温度は表面外観にも大きな影響を及ぼします。

シリコーン、離型剤、アンチスリップ剤、加工用添加剤などの低分子量材料は、インキの流動性や、接着に不可欠な密接な接触を阻害します。顔料・染料着色剤に使用される特定の可溶性または不溶性の配合剤も、接着性に悪影響を及ぼすことがあります。成形表面の化学組成、テクスチャー、多孔性は、インキの流動性と接着性に大きく影響します。前処理および接着の程度・品質は、プラスチック表面の清浄度に左右されます。最適な前処理とそれに続くインキの接着を実現するには、表面が清浄でなければなりません。シリコーン系離型剤、塵、埃、グリース、油分、指紋などの表面汚染は、前処理の効果を阻害します。

材料の純度も重要な要因です。表面処理されたプラスチックの保存可能期間は、樹脂の種類、配合、および保管場所の周囲環境によって左右されます。処理済み製品の保存可能期間は、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質（LMWOM）の存在によって制限されます。処理表面が高温にさらされると分子鎖の運動性が高まり、鎖の運動性が高いほど処理効果の劣化（エージング）が速く進みます。処理材料中のポリマー鎖の運動性により、処理によって生成された結合サイトが表面から離れていきます。これらの成分は、最終的にポリマー表面へと移行することがあります。

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