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JP2020079368A - 光輝性顔料およびその製造方法 - Google Patents

光輝性顔料およびその製造方法 Download PDF

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Takao Tsukimori
隆雄 月森
明果 亀井
Akika Kamei
明果 亀井
友恵 堀
Tomoe Hori
友恵 堀
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Oike and Co Ltd
Toyota Motor Corp
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Abstract

【課題】十分な輝度を有する金属調を得ることができる光輝性顔料およびその製造方法を提供する。
【解決手段】複数の鱗片状の顔料粒子を含む光輝性顔料の製造方法であって、フィルム基材の表面に、チタンを原料とした蒸着により第1の層を成形し、前記第1の層の表面に、アルミニウムを原料とした蒸着により第2の層を成形し、前記第2の層の表面に、チタンを原料とした蒸着により第3の層を成形して、前記フィルム基材の表面に、前記第1の層、前記第2の層、前記第3の層が順次積層された積層体を成形する工程と、前記フィルム基材から前記積層体を脱離するとともに、脱離した前記積層体を粉砕して、複数の鱗片状の顔料粒子を生成する工程と、を含むことを特徴とする光輝性顔料の製造方法。
【選択図】図2

Description

本発明は、複数の鱗片状の顔料粒子を含む光輝性顔料とその製造方法に関する。
たとえば、自動車のボディや外装部品などの塗装には、顔料粒子を含む光輝性顔料を用いることがある。特許文献1には、フレーク状のアルミニウム粒子の表面に、チタネート系カップリング剤で表面処理をした顔料粒子からなる光輝性顔料が提案されている。この光輝性顔料によれば、光輝性顔料を含有した塗料を塗装することにより、塗膜の表面をメタリック調にすることができる。
特開2012−1598号公報
しかしながら、チタネート系カップリング剤で処理した被膜層を設けた場合には、被膜層の膜厚が厚いため、これを用いた塗装によって得られた塗膜の表面に凹凸を有することになり、十分な輝度を有する金属調が得られないことがある。
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、十分な輝度を有する金属調を得ることができる光輝性顔料およびその製造方法を提供する。
上記課題を解決するために、本発明に係る光輝性顔料の製造方法は、複数の鱗片状の顔料粒子を含む光輝性顔料の製造方法であって、フィルム基材の表面に、チタンを原料とした蒸着により第1の層を成形し、前記第1の層の表面に、アルミニウムを原料とした蒸着により第2の層を成形し、前記第2の層の表面に、チタンを原料とした蒸着により第3の層を成形して、前記フィルム基材の表面に、前記第1の層、前記第2の層、前記第3の層が順次積層された積層体を成形する工程と、前記フィルム基材から前記積層体を脱離するとともに、脱離した前記積層体を粉砕して、複数の鱗片状の顔料粒子を生成する工程と、を含むことを特徴とする。
本発明によれば、第1の層および第3の層は、チタンを原料とした蒸着により成形される層であるが、蒸着時に、チャンバ内に存在するごく微量な酸素や水により、第1の層および第3の層は、少なくともその一部が酸化され、アルミニウムを原料として成形された第2の層は、ほとんど酸化されないアルミニウム層となる。
アルミニウム層のみであれば、酸化されて輝度が低下する。第1および第3の層の少なくとも最表面が酸化し、不動態(金属表面に腐食作用に抵抗する酸化被膜が生じた状態)となって酸素や水分から、アルミニウム層である第2の層を保護することができる。この結果、アルミニウム層と酸素や水分等との反応を抑制することができ、顔料粒子の金属光沢性が確保される。なお、チタンの代わりに酸化チタンを用いて、アルミニウム層の両面に酸化チタン層を直接設けた場合は、アルミニウム層が酸化される。この場合、アルミニウムのような金属光沢を示さず、十分な輝度、金属調を有する光輝性顔料が得られない。
本明細書では、本発明として、上述した製造方法で製造された光輝性顔料を開示する。本発明に係る光輝性顔料は、複数の鱗片状の顔料粒子を含む光輝性顔料であって、前記顔料粒子は、前記顔料粒子のコア層であるアルミニウム層と、前記アルミニウム層の両面に形成されたチタンを含む層とを有し、前記アルミニウム層が酸化されていない領域を有すること特徴とする。
ここで、コア層であるアルミニウム層が上述した第2の層に相当し、その両面に形成されたチタンを含む層が、上述した第1および第3の層に由来する層である。
本発明によれば、コア層であるアルミニウム層が酸化されていない領域を含むことで顔料粒子の金属光沢性が確保される。また、アルミニウム層の両面に形成されたチタンを含む層が、不動態となって、酸素や水分等からアルミニウム層を保護することができる。この結果、アルミニウム層と酸素や水分等との反応を抑制することができ、顔料粒子の金属光沢性が確保される。
また、各チタンを含む層の平均厚みは、アルミニウム層と酸素や水分等との反応を抑制することができれば特に限定されないが、より好ましい態様としては、平均厚みが、2.0〜11.0nmである。
ここで、平均厚みが2.0nm未満の場合には、アルミニウム層に由来する第2の層と酸素や水分等との反応を抑制することができない。一方、平均厚みが11.0nmを超える場合には、顔料粒子の平均厚みが大きくなる。このような顔料粒子を含有した塗膜が形成されると、顔料粒子同士が重なり合う部分の段差が大きくなるため、塗膜の凹凸が大きくなり、十分な輝度を有する金属調が得難くなる。
本発明によれば、複数の鱗片状の顔料粒子を含む光輝性顔料が、酸素や水分等を含む雰囲気下に晒されたとしても、顔料粒子のコア層であるアルミニウム層と水分との反応を抑制することができる。
本実施形態に係る光輝性顔料に含まれる顔料粒子の模式的な断面図である。 本実施形態の光輝性顔料の製造方法の、蒸着によりチタン、アルミニウムを積層する工程を説明するフロー図である。 実施例1に係る試料のSTEM画像と、アルミニウムの分布を示す画像と、チタンの分布を示す画像と、酸素の分布を示す画像である。 実施例2に係る試料のSTEM画像と、アルミニウムの分布を示す画像と、チタンの分布を示す画像と、酸素の分布を示す画像である。 実施例1に係る試料の断面組織のTEM画像である。 実施例2に係る試料の断面組織のTEM画像である。
以下に、図1および図2を参照しながら本発明に係る実施形態について説明する。図1は、本実施形態に係る光輝性顔料に含まれる顔料粒子1の模式的な断面図である。
1.光輝性顔料について
本実施形態の光輝性顔料は、これを含有した塗料で車両または家電製品の外装として塗膜が形成された場合、塗膜に適度な光輝感または金属調感などを付与するものである。光輝性顔料を含む塗料としては、油性塗料または水性塗料を挙げることができる。特に、本実施形態では、実施例などで説明するように、水性塗料を構成する水と、後述する顔料粒子のアルミニウム層との反応を抑制することができるため、光輝性顔料が水性塗料に用いられることが有益である。
本実施形態では、光輝性顔料は、複数の鱗片状の顔料粒子1を含んでいる。光輝性顔料の例としては、複数の鱗片状の顔料粒子1が分散媒に分散した状態のもの、または複数の鱗片状の顔料粒子1が集合した粉末などを挙げることができる。
このような光輝性顔料に含まれる顔料粒子1の形状は鱗片状であり、平たくて薄い形状である。このため、粒形状のものと比べて、塗膜が形成された時に、複数の顔料粒子1による段差がほとんどない滑らかな面になるように、複数の顔料粒子1を塗膜中に配列することができる。これにより、塗膜に適度な光輝感または金属調感を付与することができる。鱗片状の形状の例として、たとえば、楕円形、円形、または多角形の形状を挙げることができる。
本明細書において、顔料粒子1の平均厚みは、15〜60nmの範囲であることが好ましく、この平均厚みは、複数の顔料粒子1の含む金属を蛍光X線により測定することで、平均厚みを測定することができる。すなわち、あらかじめ平均厚みが既知の標準試料を測定し、厚みと蛍光X線強度の関係を把握すること(検量線法)により平均厚みが測定できる。なお、後述するアルミニウム層3およびチタンを含む層2の平均厚みも同様に測定することができる。
また、図1に示すように、本実施形態の顔料粒子1は、アルミニウム層3と、アルミニウム層3の両面にチタンを含む層2、2とを有する。なお、アルミニウム層3は、アルミニウムを原料として、蒸着により成形された層(後述する第2の層)であり、両面のチタンを含む層2、2は、チタンを原料として蒸着により形成された層(後述する第1および第3の層)である。
アルミニウム層3は、顔料粒子1のコアとなる層である。アルミニウム層3の平均厚みは、11〜50nmが好ましい。アルミニウム層3の平均厚みが11nm未満になると、顔料粒子1としての強度が保ち難くなる。アルミニウム層3の平均厚みが50nmを超えると、顔料粒子1自体の平均厚みが大きくなため、塗膜が形成された時に、顔料粒子1同士が重なり合う部分では、段差が大きくなる。これにより、塗膜の光沢性が低下することがある。
また、アルミニウム層3が酸化されていない領域を有するので、顔料粒子1の金属光沢性が持続される。
チタンを含む層2は、アルミニウム層3の両面に設けられた層である。各チタンを含む層2の平均厚みは、2.0〜11.0nmが好ましい。平均厚みが2.0nm未満の場合には、アルミニウム層3と酸素や水分等との反応を抑制することができない。平均厚みが11.0nmを超える場合には、顔料粒子1の平均厚みが大きくなる。これにより、塗膜が形成された場合、顔料粒子1同士が重なり合う部分では、顔料粒子1による段差が大きくなる。
本実施形態によれば、顔料粒子1のアルミニウム層3の両面に、チタンを含む層2が形成されている。アルミニウム層3に対するチタンを含む層2の界面は、後述する一連の工程において酸化され、不動態(金属表面に腐食作用に抵抗する酸化被膜が生じた状態)となって、酸素や水分等からアルミニウム層3を保護することができる。この結果、アルミニウム層3のアルミニウムと酸素や水分等との反応を抑制することができるので、顔料粒子1の金属光沢性が確保される。
ところで、従来の如く、シランカップリング処理などにより、アルミニウム層の両面にそれぞれにコーティング層を形成した場合、アルミニウム層と、酸素や水分との反応を抑制するために、コーティング層の平均厚みは20nm以上であることが必要となる。シランカップリング剤による表面処理などの湿式処理では、20nm以上の平均厚みでないと水分との反応を抑制する効果が得られない。このような顔料粒子では、アルミニウム層の平均厚みがたとえば20nmの場合、顔料粒子の平均厚みは60nm以上となる。顔料粒子の平均厚みが60nmを超えると、塗膜が形成された場合に、顔料粒子同士が重なる部分の段差が大きくなる。このような段差に入射した光が乱反射すると、塗膜の表面には金属調感が得難くなる。
それに対して、本実施形態の場合では、実施例で説明するように、チタンを含む層2の好ましい平均厚みが、2.0〜11.0nmであり、従来のコーティング層の平均厚みよりも薄い平均厚みで、アルミニウム層3と酸素や水等との反応を抑制することができる。したがって、本実施形態では、顔料粒子1同士が重なっても、塗装された塗膜には、段差がほとんどない表面が形成される。これにより、塗装された塗膜には、金属の光沢感を得ることができる。
ここで、一般的に、チタンは、アルミニウムと比べて、強度および靭性が大きい。たとえば、アルミニウムの引張強度が100〜200N/mm程度であるのに対して、チタンの強度は、400N/mm程度である。さらに、アルミニウムの最大伸びが20%程度であるのに対して、チタンの最大伸びは、40%程度である。したがって、本実施形態の顔料粒子1では、アルミニウム層3の両面に、チタンを含む層2が形成されているので、従来のコーティング層を設けたアルミニウムの顔料粒子に比べて、顔料粒子1の強度および靱性が高い。これにより、顔料粒子1の使用時に、顔料粒子1が破壊されて微細化されることを低減することができる。このような結果、塗料に配合された顔料粒子1が凝集することを抑えることができる。さらに、塗料を車両などの被着体に吹き付ける際に、塗料を吹き付ける圧力で顔料粒子1が粉砕されることを防止することができる。
2.光輝性顔料の製造方法について
図2および図3をさらに参照して、本実施形態に係る複数の鱗片状の顔料粒子を含む光輝性顔料の製造方法を説明する。図2は、本実施形態の光輝性顔料の製造方法の工程を説明するフロー図である。
以下に、本実施形態の光輝性顔料の製造方法を、図2に示す各工程に沿って説明する。
<フィルム基材準備工程S1>
本実施形態の製造方法では、まず、フィルム基材準備工程S1を行う。この工程では、フィルム基材の材料としては、脱離性がよく、耐熱性を有するものであれば特に限定されない。具体的には、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などを挙げることができる。また、本実施形態では、後述する第1の層を形成する面に、脱離層が形成されたフィルム基材を準備してもよい。これにより、フィルム基材4に、後述する積層体を成形後、フィルム基材とともに積層体を溶剤に浸漬させることにより、脱離層を溶解させて、積層体をフィルム基材から脱離することができる。
<第1の層成形工程S2>
まず、本実施形態では、第1の層成形工程S2を行う。この工程では、具体的には、チタンを高周波誘導加熱等により溶融させ、フィルム基材にチタンを蒸着し、第1の層を成形する。
<第2の層成形工程S3>
次いで、第2の層成形工程S3を行う。この工程では、アルミニウムを原料として、工程S2と同様に、蒸着により、第1の層の表面に第2の層をさらに成形する。
<第3の層成形工程S4>
次いで、第3の層成形工程S4を行う。この工程では、第1の層成形工程S2と同様に、チタンを原料として、蒸着により、第2の層の表面に第3の層をさらに成形する。
このようにして、フィルム基材の表面に、第1の層、第2の層、第3の層が順次積層された積層体を成形することができる。
<脱離工程S5>
次いで、脱離工程S5を行う。この工程では、フィルム基材から積層体を脱離する。フィルム基材4から、積層体を脱離することができるのであれば、その方法は特に限定されないが、たとえば、フィルム基材に上述した脱離層を有する場合には、積層体とともにフィルム基材を溶解液に浸漬する。これにより、フィルム基材の脱離層を溶解し、積層体を脱離(分離)することができる。なお、溶解液は、積層体とは反応せず、脱離層を溶解することができるのであれば、特に限定されるものではない。また、フィルム基材そのものを溶解し、積層体をフィルム基材から脱離してもよい。得られた積層体は、第1の層、第2の層、第3の層が順次積層された積層体である。
<粉砕工程S6>
次に、粉砕工程S6を行う。粉砕方法は、積層体が粉砕できればよく、特定の方法に限定されるものではない。たとえば、フィルム基材4から脱離した積層体を含む分散液に、超音波を付与することにより、積層体を粉砕する。これにより、積層体から、複数の鱗片状の顔料粒子1を含む光輝性顔料を得ることができる。
次に、粉砕することにより、分散した顔料粒子1を分散液から、遠心分離または吸引濾過により分離する。分離した顔料粒子1の集合物を乾燥させて、粉末状の光輝性顔料を得ることができる。
このようにして、複数の鱗片状の顔料粒子1を含む光輝性顔料を得ることができる。光輝性顔料中の顔料粒子1は、図1に示すように、コア層となるアルミニウム層3と、アルミニウム層3の両面に形成されたチタンを含む層2、2を有する。アルミニウム層3の両面に形成されたチタンを含む層2、2は、アルミニウム層との界面が、一連の工程により酸化され、不動態(金属表面に腐食作用に抵抗する酸化被膜が生じた状態)となり、酸素や水分等からアルミニウム層3を保護することができる。この結果、アルミニウム層3のアルミニウムと酸素や水分等との反応を抑制することができる。
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
(実施例1)
以下の一連の工程により、光輝性顔料を作製した。本実施例では、まず、脱離層が形成されたフィルム基材を準備した。フィルム基材の本体はポリエチレンテレフタレート(PET)からなり、脱離層は、セルロース樹脂からなる。次いで、フィルム基材に、チタンを原料として、真空蒸着により第1の層を成形した。
次いで、第1の層の上に、アルミニウムを原料として、真空蒸着により、第2の層を成形した。
次いで、第1の層の成形と同様の条件で、第2の層の上にチタンを原料として、真空蒸着により第3の層を成形した。これにより、第1の層、第2の層、および、第3の層の順に積層された積層体を得た。
次いで、上述したように積層体を成形した状態のフィルム基材を、セルロース樹脂が溶解可能な有機溶媒(ここではプロピレングリコールモノメチルエーテル)を用いて脱離層を溶解して、フィルム基材から積層体を脱離した。
次いで、脱離した積層体を目的の平均粒径まで粉砕した。積層体の粉砕は、分散液に超音波を付与することにより行った。このようにして、複数の鱗片状の顔料粒子が分散した分散液を取得した。これを、実施例1の試料とした。
(実施例2、3)
実施例1と略同じ条件で、実施例2および実施例3の試料を調製した。なお、後述するように、実施例2および実施例3の試料の顔料粒子の第1および第3の層の平均厚みが、実施例1のものとは異なる。
(比較例1)
実施例1と同じように、比較例1の試料を調製した。比較例1が実施例1と相違する点は、第1および第3の層を成形しなかった点である。
[平均厚み測定および断面組織の観察]
実施例1〜3、および比較例1の試料に係る顔料粒子の各元素を蛍光X線により測定することで、平均厚みを測定した。すなわち、あらかじめ平均厚みが既知の標準試料を測定し、厚みと蛍光X線強度の関係を把握すること(検量線法)により平均厚みを測定した。アルミニウム層およびチタンを含む層の平均厚みも同様に測定することができる。さらに、実施例1および実施例2の試料の断面組織を観察した。実施例1および実施例2のSTEM画像をそれぞれ図3および図4に示す。
[結果1]
実施例1の試料に係る顔料粒子では、チタンを含む層の平均厚みが、それぞれ4.0nmおよび2.5nmであり、アルミニウム層の平均厚みは16.5nmであった。実施例2の試料に係る顔料粒子では、チタンを含む層の平均厚みが、それぞれ5.9nmおよび6.7nmであり、アルミニウム層の平均厚みは18.3nmであった。実施例3の試料に係る顔料粒子では、チタンを含む層の平均厚みが、それぞれ10.2nmおよび8.0nmであり、アルミニウム層の平均厚みは20.2nmであった。なお、比較例1の顔料粒子のアルミニウム層は25.6nmであった。
[元素分布の確認]
実施例1、2で得られた試料に係る顔料粒子の断面において、STEM−EDX(Scanning Transmission Electron Microscope - Energy Dispersive X-ray Analysis)より、アルミニウム、チタン、および酸素の分布を確認した。
実施例1および実施例2の結果をそれぞれ、図5および図6に示す。図5は、実施例1のTEM画像と、アルミニウム、チタン、および酸素の分布をそれぞれ示す画像である。図6は、実施例2のTEM画像と、アルミニウム、チタン、および酸素の分布をそれぞれ示す画像である。
[結果2]
図5および図6からわかるように、実施例1および実施例2の試料に係る顔料粒子は、アルミニウムが分布した層の両側にチタンと酸素が分布した層が認められた。これにより、実施例1および実施例2の顔料粒子では、アルミニウム層がコアとなって、アルミニウム層の両面それぞれについて、少なくともアルミニウム層との界面に酸化されているチタンを含む層が形成されていることがわかる。また、アルミニウム層では、酸素がほぼ検出されていないことがわかる。
次に、実施例1〜3および比較例1の顔料粒子からなる試料と水との反応性を、以下の試験条件1〜3に基づいて確認した。
[水との反応性試験用の試験液の調製]
(試験条件1)
容器に、プロピレングリコールモノメチルエーテル、実施例1〜3および比較例1の試料、および水を添加して、これらの試料の固形分濃度が3.16質量%、水の比率が10質量%となる試験液を準備した。用いた顔料粒子の種類、顔料粒子の固形分濃度、水比率を表1に示す。
(試験条件2)
試験条件1と同じように、試験条件2の試験液を調製した。これらの試験条件が試験条件1と相違する点は、固形分濃度および水比率である。具体的には、表1に示すように、試験条件2の固形分濃度は、2.48質量%である。また、試験条件2の水比率は、30質量%である。
(試験条件3)
試験条件1と同じように、試験条件3の試験液を調製した。これらの試験条件が試験条件1と相違する点は、固形分濃度および水比率である。具体的には、表1に示すように、試験条件3の固形分濃度は、1.78質量%である。また、試験条件3の水比率は、50質量%である。
実施例1〜実施例3、比較例1を用いて試験条件1〜3を行った結果を表1に示す。
[水との反応性試験]
実施例1〜3および比較例1の試験液を、密閉状態で、7日間室温で静置した後、外気圧と容器内の圧力差を測定した。また、試験液に分散した顔料粒子の凝集の有無を確認するために、試験液中の試料(顔料粒子)の外観を観察した。結果を表1に示す。
[結果3]
実施例1〜3と比べて、比較例1のアルミニウム層だけの顔料粒子の場合では、水の比率が増加するとともに、差圧が増加した。これは、アルミニウムと水とが反応してガスが発生したと考えられる。また、水の比率が最も多い比較例1の試験条件3では、顔料粒子の白色化およびゲル化が発生した。これは、アルミニウム層と水とが反応して、アルミニウムが酸化アルミニウムに変質したからであると考えられる。
それに対して、実施例1〜3の、第1および第3の層のチタンを含む層を設けた顔料粒子の場合では、7日後でも顔料粒子の外観に変化がなく、凝集が認められなかった。これは、チタンを含む層により、アルミニウム層への水の侵入が防止されたからであると考えられる。また、チタンを含む層を設けた顔料粒子の場合では、差圧の増加を抑制することができた。これは、チタンを含む層が酸化され、不動態としてアルミニウム層と水との反応を抑制することができたといえる。
さらに、実施例1〜3からわかるように、上述した効果を奏する時の、アルミニウム層の両面に設けられた各チタンを含む層の平均厚みは、2.5〜10.2nmであった。なお、各チタンを含む層の平均厚みが2.0nm未満の場合には、アルミニウム層と酸素や水分等との反応を抑制することができない。また、各チタンを含む層の平均厚みが11.0nmを超える場合には、顔料粒子の平均厚みが大きくなり、顔料粒子同士が重なり合う部分の表面に段差が発生するため、鏡面を形成することが困難になることがわかっている。よって、各チタンを含む層の平均厚みは、2.0〜11.0nmにすることが好ましいと考えられる。
以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
1:顔料粒子、2:チタンを含む層、3:アルミニウム層、S1:フィルム基材準備工程、S2:第1の層成形工程、S3:第2の層成形工程、S4:第3の層成形工程、S5:脱離工程、S6:粉砕工程

Claims (3)

  1. 複数の鱗片状の顔料粒子を含む光輝性顔料の製造方法であって、
    フィルム基材の表面に、チタンを原料とした蒸着により第1の層を成形し、前記第1の層の表面に、アルミニウムを原料とした蒸着により第2の層を成形し、前記第2の層の表面に、チタンを原料とした蒸着により第3の層を成形して、前記フィルム基材の表面に、前記第1の層、前記第2の層、前記第3の層が順次積層された積層体を成形する工程と、
    前記フィルム基材から前記積層体を脱離するとともに、脱離した前記積層体を粉砕して、複数の鱗片状の顔料粒子を生成する工程と、を含むことを特徴とする光輝性顔料の製造方法。
  2. 複数の鱗片状の顔料粒子を含む光輝性顔料であって、
    前記顔料粒子は、前記顔料粒子のコア層であるアルミニウム層と、前記アルミニウム層の両面に形成されたチタンを含む層とを有し、
    前記アルミニウム層が酸化されていない領域を有すること特徴とする光輝性顔料。
  3. 各チタンを含む層の平均厚みが、2.0〜11.0nmであることを特徴とする請求項2に記載の光輝性顔料。
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