粉体塗装

粉体塗装は、自由に流動する乾燥粉末として塗布されるタイプの塗装である。蒸発する溶剤を介して供給される従来の液体塗料とは異なり、粉体塗装は通常、静電的に塗布され、その後、熱または紫外線で硬化される。粉末は、熱可塑性または熱硬化性ポリマーである可能性がある。これは通常、従来の塗料よりも耐久性のある厚くて丈夫な仕上げを作成するために使用される。^{[1] [2]}粉体塗装は主に金属物体、特に乱暴に使用される物体の塗装に使用されている。UV硬化型粉体塗装などの粉体塗装技術の進歩により、プラスチック、複合材、炭素繊維、中密度繊維板（MDF）などの他の材料を粉体塗装できるようになり、それらの処理に熱やオーブンでの滞留時間がほとんど必要なくなる。^[3]

粉体塗装工程は、1945年頃にダニエル・ガスティンによって発明され、1945年に米国特許2538562を取得しました。^[4]この工程では、物体を静電的に塗装し、その後熱で硬化させて、従来の塗料よりも硬く丈夫な仕上がりを実現します。もともとは家電製品、アルミニウム押し出し材、ドラムハードウェア、自動車部品、自転車フレームなどの金属製品に使用されていましたが、粉体塗装の実践は他の材料の仕上げにも応用できるようになりました。

粉体塗装には液体キャリアがないため、従来の液体塗装よりも厚い塗装ができ、流れ落ちたり垂れたりしません。また、粉体塗装では、水平に塗装した表面と垂直に塗装した表面の外観の違いが最小限に抑えられます。さらに、キャリア液が蒸発しないため、塗装工程で揮発性有機化合物(VOC) がほとんど排出されません。最後に、複数の粉体色を塗布してからすべてを一緒に硬化させることができるため、1 つの層で色のブレンドや特殊なブリード効果を実現できます。^[5]

滑らかでテクスチャのないコーティングに硬化する厚いコーティングを塗布するのは比較的簡単ですが、滑らかな薄いフィルムを塗布するのはそれほど簡単ではありません。フィルムの厚さが薄くなるにつれて、粉末の粒子サイズとガラス転移温度(Tg)により、フィルムのテクスチャはますますオレンジピール状になります。

ほとんどの粉体塗料は、粒子サイズが2～50μmの範囲で、軟化温度Tgが約80℃、融点が約150℃であり、約200℃で最低10分～15分間硬化します（正確な温度と時間は、塗装する物品の厚さによって異なります）。^[6] このような粉体塗料の場合、許容できるほど滑らかな塗膜を得るためには、50μmを超える塗膜の形成が必要になる場合があります。望ましい、または許容できると見なされる表面の質感は、最終製品によって異なります。多くの製造業者は、製造中に発生した金属の欠陥を隠すのに役立つため、ある程度のオレンジピールがあることを好みます。また、結果として得られる塗膜に指紋がつきにくくなります。

滑らかな薄いフィルムを作るために、30 μm 未満の粉体コーティングや Tg が 40 °C 未満の粉体コーティングを施す非常に特殊な作業があります。乾式粉体コーティング プロセスの 1 つのバリエーションであるパウダー スラリープロセスでは、1～5 μm サイズの粒子の非常に微細な粉体を水に分散させることで粉体コーティングと液体コーティングの利点を組み合わせ、非常に滑らかで膜厚の薄いコーティングを製造できます。

小規模な作業の場合、「ラトル缶」スプレー塗料は粉体塗装よりも安価で複雑ではありません。プロ仕様の場合、粉体塗装ガン、ブース、オーブンに必要な資本支出と時間は、スプレーガンシステムの場合と同程度です。粉体塗装には、スプレーしぶきがリサイクルできるという大きな利点があります。ただし、1 つのスプレー ブースで複数の色をスプレーする場合、スプレーしぶきのリサイクル能力が制限される可能性があります。

1. 粉体塗料には溶剤が含まれておらず、大気中に放出される揮発性有機化合物（VOC）はごくわずかです。そのため、塗装業者は高価な汚染防止装置を購入する必要がありません。企業は、米国環境保護庁が発行する環境規制などをより容易かつ経済的に準拠することができます。^[7]
2. 粉体塗料は、従来の液体塗料に比べて、流れ出たり垂れたりすることなく、はるかに厚い塗料を塗ることができます。
3. 粉体塗装された製品は、一般的に液体塗装された製品よりも、水平に塗装された表面と垂直に塗装された表面の外観の違いが少なくなります。
4. 粉体塗装を使用すれば、他の塗装方法では実現不可能な幅広い特殊効果を簡単に実現できます。^[8]
5. 粉体塗料は液体塗料に比べて硬化時間が大幅に短く、特に紫外線硬化型粉体塗料や高度な低温焼成熱硬化性粉体塗料を使用する場合に顕著です。^{[9] [10]}

粉体塗料には、熱硬化性塗料、熱可塑性塗料、紫外線硬化性塗料の3つの主なカテゴリーがあります。^[11]熱硬化性粉体塗料は配合物に 架橋剤を組み込んでいます。

最も一般的な架橋剤は、屋内用途では50/50、60/40、70/30（ポリエステル樹脂/エポキシ樹脂）の混合比でハイブリッド粉末と呼ばれる固体エポキシ樹脂、屋外用途では93/7の比率のトリグリシジルイソシアヌレート（TGIC）と95/5の比率のβ-ヒドロキシアルキルアミド（HAA）硬化剤です。粉末を焼成すると、粉末内の他の化学基と反応して重合し、性能特性が向上します。世界の粉体塗装市場の大部分を占めるハイブリッドおよびTGIC粉末の化学架橋は、有機酸基とエポキシ官能基の反応に基づいています。このカルボキシ-エポキシ反応は徹底的に調査され、十分に理解されており、触媒を添加することで変換を加速し、時間および/または温度で硬化スケジュールを開始できます。粉体塗装業界では、ポリエステルキャリア樹脂をマトリックスとして、10～15%の有効成分を導入した触媒マスターバッチを使用するのが一般的です。この方法により、少量の触媒を粉体全体に均一に分散させることができます。HAA硬化剤をベースにしたTGICフリー代替品の架橋に関しては、利用可能な触媒は知られていません。^{[説明が必要]}

コイルコーティングやクリアコートなどの特殊な用途では、硬化剤成分としてグリシジルエステルを使用するのが一般的で、その架橋もカルボキシ-エポキシ化学に基づいています。いわゆるポリウレタンパウダーでは、バインダー樹脂が硬化剤成分のイソシアネート基と反応するヒドロキシル官能基を持つ、異なる化学反応が使用されています。イソシアネート基は通常、ブロック剤としてのε-カプロラクタムとイソシアネート官能基が事前に反応したブロックされた形でパウダーに導入されるか、またはウレトジオンの形で導入され、高温（脱ブロック温度）で遊離イソシアネート基が放出され、ヒドロキシル官能基との架橋反応に利用できるようになります。

一般的に、すべての熱硬化性粉末配合物には、バインダー樹脂と架橋剤の他に、流動性とレベリング性を高め、脱ガス性を高める添加剤が含まれています。一般的には、活性成分であるポリアクリレートがキャリアとしてのシリカに吸収されるか、またはマトリックスとしてのポリエステル樹脂に分散されたマスターバッチとして使用される流動促進剤が使用されます。大部分の粉末には、最終的な粉末コーティングフィルムにピンホールができないように、脱ガス剤としてベンゾインが含まれています。^[12]

熱可塑性のものは、最終コーティングを形成するために流動するため、焼成プロセス中に追加の処理は行われません。UV硬化性粉体コーティングは、化学光開始剤を含む光重合性材料で、UV光エネルギーに即座に反応して架橋または硬化につながる反応を開始します。このプロセスが他のプロセスと異なる点は、硬化段階の前に溶融段階が分離されていることです。UV硬化性粉体は、110℃から130℃の温度に達すると、60～120秒で溶けます。溶けたコーティングがこの温度範囲に入ると、UV光にさらされると即座に硬化します。^[13]

最も一般的に使用されるポリマーは、ポリエステル、ポリウレタン、ポリエステルエポキシ（ハイブリッドとして知られる）、ストレートエポキシ（フュージョンボンドエポキシ）、アクリルです。^{[説明が必要]}

1. ポリマー粒子は、ターボミキサーなどの工業用ミキサーで硬化剤、顔料、その他の粉末成分と混合されます。
2. 混合物は押出機で加熱される
3. 押し出された混合物は平らに伸ばされ、冷却され、小さなチップに砕かれる。
4. チップは粉砕され、ふるいにかけられて細かい粉末になります

粉体塗装プロセスには、部品の準備または前処理、粉体の塗布、硬化という 3 つの基本的なステップが含まれます。

粉体塗装工程の前に、油、汚れ、潤滑グリース、金属酸化物、溶接スケールなどを除去することが不可欠です。これは、さまざまな化学的および機械的方法で行うことができます。方法の選択は、粉体塗装する部品のサイズと材質、除去する不純物の種類、および完成品の性能要件によって異なります。熱に弱いプラスチックや複合材の中には表面張力が低いものがあり、粉体接着を改善するためにプラズマ処理が必要になる場合があります。

化学前処理には、リン酸またはクロメートを浸漬またはスプレー塗布で使用します。これらは複数の段階で行われることが多く、脱脂、エッチング、スマット除去、さまざまなすすぎ、最終的な基材のリン酸またはクロメート処理、および新しいナノテクノロジーによる化学結合で構成されます。前処理プロセスは、粉末と金属の結合を洗浄および改善します。最近では、環境に有毒な可能性があるクロメートの使用を避ける追加のプロセスが開発されています。チタン、ジルコニウム、シランは、粉末の腐食と接着に対して同様の性能を発揮します。

多くのハイエンド アプリケーションでは、部品は前処理プロセスに続いて電気塗装され、その後に粉体塗装が施されます。これは、ハイエンドの性能特性が求められる自動車やその他のアプリケーションで特に役立ちます。

コーティング前に表面を準備する別の方法は、研磨ブラストまたはサンドブラストとショットブラストとして知られています。ブラスト媒体とブラスト研磨剤は、木材、プラスチック、またはガラス製の製品の表面テクスチャリングと準備、エッチング、仕上げ、および脱脂に使用されます。考慮すべき最も重要な特性は、化学組成と密度、粒子の形状とサイズ、および耐衝撃性です。

シリコンカーバイドグリットブラスト媒体は脆く、鋭く、金属や低引張強度の非金属材料の研削に適しています。プラスチック媒体ブラスト装置は、アルミニウムなどの基板に敏感ですが、コーティング除去や表面仕上げには適したプラスチック研磨剤を使用します。サンドブラスト媒体は、金属含有量の少ない高純度の結晶を使用します。ガラスビーズブラスト媒体には、さまざまなサイズのガラスビーズが含まれています。

鋳鋼ショットまたはスチールグリットは、コーティング前の表面の洗浄と準備に使用されます。ショットブラストは媒体をリサイクルするため、環境に優しい方法です。この準備方法は、I ビーム、アングル、パイプ、チューブ、大型加工部品などのスチール部品に非常に効果的です。

粉体塗装の用途によっては、塗装前に研磨ブラストなどの別の準備方法が必要になる場合があります。オンライン消費者市場では通常、追加料金でコーティング サービスと組み合わせたメディア ブラスト サービスが提供されます。

粉体塗装業界では最近、熱に弱いプラスチックや複合材料にプラズマ前処理を施すという開発が進められています。これらの材料は一般的に表面エネルギーが低く、疎水性で濡れ性が低いため、コーティングの接着に悪影響を及ぼします。プラズマ処理は物理的に洗浄、エッチングし、コーティングが固定される化学的に活性な結合部位を提供します。その結果、親水性で濡れやすい表面が得られ、コーティングの流れと接着が容易になります。^[14]

金属物体に粉体塗装を施す最も一般的な方法は、静電ガンまたはコロナガンを使用して粉体をスプレーすることです。ガンは粉体に負の電荷を与え、次に機械的または圧縮空気のスプレーによって接地された物体に向かってスプレーされ、強力な静電荷によってワークピースに向かって加速されます。静電塗装に使用できるスプレーノズルにはさまざまな種類があります。使用するノズルの種類は、塗装するワークピースの形状と塗料の粘稠度によって異なります。次に物体を加熱し、粉体を均一な膜に溶かし、その後冷却して硬いコーティングを形成します。最初に金属を加熱し、次に熱い基材に粉体をスプレーすることも一般的です。予熱はより均一な仕上がりを実現するのに役立ちますが、余分な粉体による流れなどの他の問題も引き起こす可能性があります。

別のタイプのガンはトライボガンと呼ばれ、摩擦電気によって粉末を帯電させます。この場合、粉末はガンのバレル内のテフロンチューブの壁に沿ってこすれながら正電荷を帯びます。その後、これらの帯電した粉末粒子は接地された基板に付着します。トライボガンを使用するには、より一般的なコロナガンとは異なる粉末配合が必要です。ただし、トライボガンは、逆イオン化やファラデーケージ効果など、コロナガンに関連するいくつかの問題を抱えていません。

特別に適合した静電ディスクを使用して粉末を塗布することもできます。

粉体コーティングを施すもう 1 つの方法は流動床法と呼ばれ、基材を加熱し、それを空気を含んだ粉体充填床に浸す方法です。粉体は熱い物体にくっついて溶けます。コーティングを完全に硬化させるには、通常、さらに加熱する必要があります。この方法は、コーティングの希望厚さが 300 マイクロメートルを超える場合に一般的に使用されます。ほとんどの食器洗い機ラックは、この方法でコーティングされています。

静電流動床アプリケーションでは、従来の流動床ディップ プロセスと同じ流動化技術を使用しますが、床内の粉末の深さがはるかに深くなります。流動床内には静電帯電媒体が配置されており、流動化空気が粉末材料を持ち上げるときに粉末材料が帯電します。粉末の帯電粒子は上方に移動し、流動床の上に帯電した粉末の雲を形成します。接地された部品が帯電した雲を通過すると、粒子はその表面に引き寄せられます。部品は、従来の流動床ディップ プロセスの場合のように予熱されません。

ローラーで粉体を塗布する平らな材料のコーティング方法で、比較的高速で 5 ～ 100 マイクロメートルの正確な層厚を実現します。このプロセスは従来のコピー機技術に基づいています。現在、一部のコーティング アプリケーションで使用されており、平らな基材 (スチール、アルミニウム、MDF、紙、ボード) への商業用粉体コーティング、およびシート対シートやロール対ロールのプロセスでの使用が期待されています。このプロセスは、既存のコーティング ラインに統合できる可能性があります。

熱硬化性粉末は高温にさらされると、溶け始め、流出し、化学反応を起こして、ネットワークのような構造の高分子ポリマーを形成します。この硬化プロセスは架橋と呼ばれ、完全に硬化して材料が設計された完全なフィルム特性を確立するには、一定の温度と一定の時間が必要です。

ポリエステル樹脂の構造と硬化剤の種類は架橋に大きな影響を与えます。

一般的な粉末は、物体温度 200 °C (392 °F) で 10 分間硬化します。欧州およびアジア市場では、180 °C (356 °F) で 10 分間の硬化スケジュールが何十年も業界標準でしたが、今日では同じ硬化時間で温度レベル 160 °C (320 °F) に移行しています。屋内用途向けの高度なハイブリッド システムは、中密度繊維板 (MDF) への用途に適した温度レベル 125～130 °C (257～266 °F) で硬化するように確立されています。トリグリシジルイソシアヌレート (TGIC) を硬化剤として使用した屋外耐久性粉末は同様の温度レベルで動作できますが、β-ヒドロキシアルキルアミドを硬化剤として使用した TGIC フリーのシステムは、約 160 °C (320 °F) に制限されています。

低温焼成法は、特に大型部品のコーティングがコーティング作業の課題である場合にエネルギーを節約します。反応性粉末を180℃（356℉）で完全に硬化させるために必要なオーブン滞留時間はわずか18～19分です。^[15]

すべての低温硬化における主な課題は、反応性、フローアウト（粉末フィルムの外観）、および保存安定性を同時に最適化することです。低温硬化粉末は、加速硬化を増強する触媒を含んでいるため、標準焼成粉末よりも色安定性が低くなる傾向があります。HAAポリエステルは、TGICポリエステルよりも黄色く焼き過ぎる傾向があります。^[16]

硬化スケジュールは、製造元の仕様によって異なります。硬化する製品へのエネルギーの適用は、対流硬化オーブン、赤外線硬化オーブン、またはレーザー硬化プロセスによって行うことができます。レーザー硬化プロセスでは、硬化時間が大幅に短縮されます。

紫外線（UV）硬化型粉体塗料は1990年代から商業的に使用されており、当初は熱に弱い中密度繊維板（MDF）家具部品の仕上げ用に開発されました。この塗装技術は、熱硬化型粉体塗料よりも熱エネルギーが少なく、硬化速度も大幅に速いです。UV硬化型粉体塗料のオーブン滞留時間は、通常1～2分で、塗料の温度は110～130℃に達します。エネルギー効率が高く、ランプヘッドからIRエネルギーを生成しないUV LED硬化システムを使用することで、UV硬化型粉体塗料は、熱に弱いさまざまな材料やアセンブリの仕上げにさらに適しています。UV硬化型粉体塗料のもう1つの利点は、塗布から硬化までの全プロセスサイクルが他の塗装方法よりも速いことです。^[3]

塩化メチレンとアセトンは、一般的に粉体塗装の除去に効果的です。他のほとんどの有機溶剤 (シンナーなど) はまったく効果がありません。最近、人体に対する発がん性が疑われている塩化メチレンの代わりにベンジルアルコールが使用され、大きな成果を上げています。粉体塗装は、研磨ブラストで除去することもできます。市販グレードの 98%硫酸でも粉体塗装のフィルムを除去できます。^[要出典]低グレードの粉体塗装はスチールウールで除去できますが、これは望んでいるよりも労働集約的なプロセスになる可能性があります。

粉体塗装は焼き取り工程で除去することもできます。この工程では、部品を大型の高温オーブンに入れ、通常、空気温度が 300 ～ 450 °C に達します。この工程には約 4 時間かかり、部品を完全に洗浄して再度粉体塗装する必要があります。薄いゲージの材料で作られた部品は、材料の歪みを防ぐために、より低い温度で焼き取る必要があります。

グランドビューリサーチ社が2016年8月に作成した市場レポートによると、粉体塗装業界にはテフロン、陽極酸化、電気メッキが含まれます。世界の粉体塗装市場は2024年までに165億5000万米ドルに達すると予想されています。窓、ドアフレーム、建物のファサード、キッチン、バスルーム、電気器具に使用されるアルミ押し出し用の粉体塗装の使用が増えることで、業界の拡大が促進されます。中国、米国、メキシコ、カタール、アラブ首長国連邦、インド、ベトナム、シンガポールなど、さまざまな国での建設支出の増加が、予測期間中の成長を後押しします。環境に優しく経済的な製品に対する政府の支援の増加は、予測期間中の需要を刺激します。一般産業は主要なアプリケーションセグメントであり、2015年には世界の量の20.7％を占めました。世界の市場は2027年までに200億ドルになると予測されています。^[17]

米国、ブラジル、日本、インド、中国でのトラクターの需要増加により、腐食防止、優れた屋外耐久性、高温性能を備えた粉体塗装の使用が増加すると予想されます。さらに、農業機器、運動器具、ファイル引き出し、コンピューターキャビネット、ラップトップコンピューター、携帯電話、電子部品での使用の増加が業界の拡大を促進するでしょう。^[18]

• フュージョンボンドエポキシコーティング
• ハンマーペイント
• レーザープリンター
• リン酸化成コーティング
• ガラスへの粉体塗装

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