JP5510931B2

JP5510931B2 - 水系塗料

Info

Publication number: JP5510931B2
Application number: JP2010548587A
Authority: JP
Inventors: 邦男笹岡; 和寿田口; 巧松浦; 正晴垣谷; 剛加藤
Original assignee: Fujikura Kasei Co Ltd
Current assignee: Fujikura Kasei Co Ltd
Priority date: 2009-02-02
Filing date: 2010-02-02
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2030-02-02
Also published as: EP2574442A1; WO2010087493A1; EP2392444A1; CN102341227A; EP2392444A4; US20110288211A1; JPWO2010087493A1

Description

本発明は、金型内のキャビティ内壁に塗料を塗布して塗膜を形成した後、処理物と前記塗膜との隙間に充填材料を注入することにより、前記処理物表面に前記充填材料からなる被膜及び最表層として前記塗膜を形成するインモールド塗装に用いる水系塗料、並びに前記水系塗料を用いたインモールド塗装により得られる塗膜成形物に関する。

例えば自動車のステアリングホイールの製造方法では、ステアリングホイールの芯金を金型キャビティにセットした後、金型キャビティに樹脂材料を注入し硬化させて樹脂層を形成することが行われている。樹脂材料としては、触感に優れることからウレタン樹脂が用いられているが、ウレタン樹脂は耐光性に劣り黄変する欠点があるため、ウレタン樹脂層の表面に耐光性をもたせるための塗膜を形成する必要がある。

ウレタン樹脂層と、最表層の塗膜とを成膜する方法として、金型キャビティの内壁に予め塗料を塗布して塗膜を形成しておき、芯金と塗膜との隙間にウレタン樹脂を注入し硬化させる「インモールド塗装法」とも称される成膜方法が開発されている（特許文献１参照）。

具体的には、図１に示すように、金型１の下型２のキャビティ５に塗膜となる塗料Ｍを所定量溜めておき、図２に示すように、キャビティ２にステアリングホイールの芯金１０をセットし、上型３にて金型１を閉じる。金型１は、枠体１１と蓋体１２とからなるボックス１３内に収容される構造になっており、次いで、真空ポンプ２０にてボックス１３内を減圧すると、キャビティ５の内部も通孔２１を介して減圧される。キャビティ５の内部が減圧されると、塗料Ｍの溶剤が沸騰して体積が増加して破泡し、塗料Ｍがキャビティ５の内壁６に塗布される。次いで、射出ノズル２５からウレタン樹脂をキャビティ５に注入することにより、図３に示すように、キャピティ５の内壁６に形成された塗料Ｍの塗膜と、ステアリングホイールの芯金１０との隙間にウレタン樹脂Ｕが充填される。そして、ウレタン樹脂Ｕを硬化させ、金型１を開くことにより、ウレタン樹脂層を塗料Ｍからなる塗膜で被覆したステアリングホイールが得られる。

日本国特許第３５７３０１３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、減圧による沸騰を効率よく行うために有機溶剤系の塗料を用いており、有機溶剤の処理の問題を抱えている。また、塗膜性状の更なる向上は必至である。

そこで本発明は、インモールド塗装法により良好な塗膜を形成でき、更には有機溶剤の処理問題を解決することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究した結果、水系塗料であっても特定の組成にすれば、インモールドコート法において、金型キャビティの内壁に均一で良好なる塗膜を形成させ得ることを見出し、本発明を完成した。

即ち、本発明は、上記課題を解決するために、次の水系塗料及び塗膜成形物を提供する。
（１）金型内のキャビティ内壁に塗料を塗布して塗膜を形成した後、処理物と前記塗膜との隙間に充填材料を注入することにより、前記処理物表面に前記充填材料からなる被膜及び最表層として前記塗膜を形成するインモールド塗装法に用いるエマルジョン系またはディスパージョン系の水系塗料であって、
水と、少なくともアクリル系樹脂、ウレタン系樹脂、酢酸ビニル系樹脂及びシリコーン系樹脂から選ばれる少なくとも１種の樹脂粒子と、前記水よりも高沸点で前記樹脂粒子を半溶解する造膜助剤と、レベリング剤とを前記水と前記造膜助剤とが主成分となるように含み、消泡剤を含まず、かつ、
高さ１ｍ、内径３４ｍｍのアクリルパイプ内に１０ｇ入れ、前記アクリルパイプ内を約０．１０１ＭＰａ（絶対圧）に減圧し、該アクリルパイプに巻装した温水循環ホースに６０℃の温水を循環させた時に到達する泡高さが４００ｍｍ以上となることを特徴とする水系塗料。
（２）前記塗料は、水及び造膜助剤の合計が７０〜９７質量％であり、残余が固形分であることを特徴とする上記（１）記載の水系塗料。
（３）上記（１）または（２）に記載の水系塗料を用いて減圧中でインモールド塗装してなる塗膜成形物であって、前記塗膜の塗膜伸度が５０〜４００％で、塗膜強度が７０〜２００ｋｇ／ｃｍ^２であることを特徴とする塗膜成形物。
尚、エマルジョン系（ポリマー粒子に乳化剤を付与したもの）とディスパージョン系（ポリマー粒子に分散剤を付与したもの）は、遠心分離により塗料中の樹脂分が分離する性質を有する。

本発明の水系塗料は、発泡性に富み、できた泡がすぐに消滅しない。このため、インモールド塗装法により、膜厚が増し、耐水、耐光、耐薬品性などの膜特性が優れ、クレータ状のムラやピンホールなどのない良好な表面性状の塗膜成形物を得ることができる。また、有機溶剤を使用せず、樹脂分を分散させる液体に水を用いたことにより、有機溶剤を用いた塗料における溶剤の処理問題がない。

インモールドコート法を説明するための図である。インモールドコート法を説明するための図である。インモールドコート法を説明するための図である。実施例及び比較例で用いた泡到達高さ測定装置の概略図である。表２に示す固形分含有割合と泡到達高さをグラフ化した図である。

本発明に係る水系塗料は、水と造膜助剤を主成分とし、高さ１ｍ、内径３４ｍｍのアクリルポンプに１０ｇ入れ、前記アクリルポンプ内を真空ポンプにより減圧した時に到達する泡高さが４００ｍｍ以上となる。塗料形成材料としては、その他に樹脂、顔料、レベリング剤等の固形分を含む。以下にそれぞれの詳細を説明する。

樹脂としては、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂、酢酸ビニル系樹脂、シリコーン系樹脂を用いる。中でも、膜強度や耐光性等の諸特性を考慮すると、アクリル系樹脂を好ましく用いることができる。アクリル系樹脂としては、例えば、重合性不飽和カルボン酸またはその無水物、（メタ）アクリル酸エステル類や（メタ）アクリル酸以外のアクリル系モノマー、および必要に応じてスチレン、酢酸ビニル等を、乳化重合、溶液重合、塊状重合等の重合法により共重合させて得られるアクリル系樹脂等が挙げられる。上記樹脂は、１種単独で用いることも、２種以上を併用することもできる。

顔料としては、酸化チタン、カーボンブラック、ベンガラ等の着色顔料、バリタ粉、沈降性硫酸バリウム、炭酸バリウム、炭酸カルシウム、石膏、クレー、シリカ、ホワイトカーボン、珪藻土、タルク、炭酸マグネシウム、アルミナホワイト、グロスホワイト等の体質顔料等の従来から塗料に用いられている各種の顔料を、目的とする色に応じて選択できる。また、塗料における顔料の含有量は、０．１〜５質量％が好ましく、更に好ましくは０．５〜３質量％である。顔料の含有量が０．１質量％未満では十分な着色が得られず、５質量％を超えると色ムラが生じ易い。

造膜助剤には、水よりも高沸点で、樹脂粒子を半溶解できるものを用いる。水よりも高沸点であることにより水が蒸発した後でも塗料の流動状態を維持でき、また樹脂粒子が半溶解することにより樹脂同士の結着が促進されるため、得られる塗膜は平滑になる。本発明では、このような効果を得るためにＮ−メチルピロリドン、メチルセルソルブ、カルビトール、トリエチレングリコール、テキサノール等を用いる。中でも、Ｎ−メチルピロリドン、メチルセルソルブ等が好ましい。上記造膜助剤は、１種単独で用いることも、２種以上を併用することもできる。また、塗料における造膜助剤の含有量は、０．３〜３質量％が好ましく、更に好ましくは０．５〜２質量％である。造膜助剤の含有量が０．３質量％未満では塗膜の平滑化が十分ではなく、３質量％を超えると膜厚にムラができる。

また、造膜助剤は、水との合計量で塗料全量の６５〜９８質量％、好ましくは７０〜９７質量％を占める。

レベリング剤は、塗料の発泡を促進し、塗料をキャビティの内壁に十分に付着させるための成分である。本発明では、シリコンオイル、シリコンワニス、ジメチルシロキサン、メチルポリシロキサンポリアルキルオキシッド、パーフルオロアルキル基含有オリゴマー、ポリオキシエチレンアルキルエステル、ソルビタンアルキルエステル、ポリオキシエチレンソルビタンアルキルエステル、ポリアルキレンオキサイド変性シロキサン等を用いる。中でも、ポリアルキレンオキサイド変性シロキサンが好ましい。上記各種のレベリング剤は、１種単独で用いることも、２種以上を併用することもできる。また、塗料におけるレベリング剤の含有量は、０．３〜３質量％が好ましく、更に好ましくは０．５〜２質量％である。レベリング剤の含有量が０．３質量％未満では十分に発泡せず部分的に塗膜が形成されないことがあり、３質量％を超えると発泡しすぎて膜厚にムラができる。

上記水系塗料には、樹脂、顔料、造膜助剤及びレベリング剤の一部に代えて水溶性の乳化剤を添加してもよい。この水溶性乳化剤としては、アルキル硫酸塩ナトリウム、アルキル硫酸カリウム等のアルキル硫酸塩類、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、アルキルベンゼンスルホン酸カリウム等のアルキルベンゼンスルホン酸塩類、ジアルキルスルホコハク酸エステルナトリウム、ジアルキルスルホコハク酸エステルカリウム等のアルキルスルホコハク酸エステル塩類等を用いることができる。上記水溶性乳化剤は、１種単独で用いることも、２種以上を併用することもできる。また、塗料における水溶性乳化剤の含有量は、０．０１〜１質量％が好ましく、更に好ましくは０．０５〜０．５質量％である。水溶性乳化剤を添加することにより、樹脂粉末及び顔料の分散性が高まるが、１質量％を超えて添加しても分散性の更なる向上は見られず、むしろ樹脂、顔料、造膜助剤及びレベリング剤の含有量が相対的に減少して良好な塗膜が得られない。

また、水系塗料には、必要に応じて、更に一般に水系塗料に用いられる可塑剤や湿潤剤、沈殿防止剤等の各種添加剤を適量用いることができる。但し、これら添加剤は樹脂、顔料、造膜助剤及びレベリング剤、更には水溶性乳化剤の一部を代替する必要がある。また、消泡剤は、レベリング剤の作用を消失させることから使用しない。

本発明の水系塗料はインモールドコート法に特化したものであり、図１〜図３を挙げて前述した成膜工程に使用される。従って、インモールドコート法については、特許文献１等を参照することができる。

また、成膜される処理物は、ステアリングホイールに限らず、自動車のインストルメントパネル、コンソールボックス、グローボックス、ヘッドレスト、アームレスト、ドアカバー、エアスポイラー、バンパー等の他の部品にも適用できる。また、自動車部品以外に家電製品等の成形品に適用してもよい。

塗膜は、伸度が５０〜４００％、より好ましくは１５０〜２００％であり、強度が７０〜２００ｋｇ／ｃｍ^２、より好ましくは９０〜１１０ｋｇ／ｃｍ^２である。このような塗膜伸度及び強度とすることにより、表面性状に優れ、耐久性も高い成形物となる。より好ましい範囲では、製品をより安定して作製することができる。

以下に実施例及び比較例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。尚、以下の実施例及び比較例において、「％」は「質量％」を意味する。

（実施例１〜８、比較例１〜４）
水と、造膜助剤と、固形分成分（樹脂、顔料、レベリング剤、乳化剤、消泡剤及びその他成分）とを表１に示す配合にて混合して水系塗料を調製した。尚、造膜助剤及び固形分成分として次のものを使用した。また、その他成分として可塑剤、湿潤剤及び沈殿防止剤を添加した。
・樹脂：アクリル系樹脂（旭化成社製「ポリトロンＦ２４００」；塗膜伸度１８０％、塗膜強度１００ｋｇ
・顔料：カーボンブラック（大日精化工業社製「ＡＦブラック」）
・造膜助剤：Ｎ−メチルピロリドン（三菱化学社製「ＮＭＰ」）
・レベリング剤：ポリエーテル変性シロキサン（ＢＹＬケミ社製「ＢＹＫ３４７」）
・乳化剤：ジスルホン酸塩（日本乳化剤社製「ＮＥＷＣＯＲＬＡ−２６１Ａ」）
・消泡剤：ジメチルシロキサン（ＢＹＫケミ社製「ＢＹＫ０２４」）

得られた水系塗料について、図４に示すような内径３４ｍｍ、外径４０ｍｍ、高さ１０００ｍｍの透明アクリルパイプを備えた泡到達高さ測定装置を用いて泡到達高さを測定した。尚、図４において、４１は透明アクリルパイプ、４２は底部部材、４３は試料塗料の供給口、４４は頂部部材、４５は真空ポンプに接続されている排気口、４６は透明アクリルパイプ内の中心に配置された外径１３ｍｍの鉄パイプであり、４７は透明温水循環ホースである。透明温水循環ホース４７は、塩化ビニルなどの材質からなり、外径約１０ｍｍ、内径約８ｍｍで、透明アクリルパイプ４１の周囲にバイプの長手方向に約２ｃｍの間隔をおいて周回させながら巻き付けてある。

そして、透明温水ホース４７に６０℃の温水を循環させながら、真空ポンプにより約０．１０１ＭＰａ（絶対圧）、ゲージ圧で約−０．０９ＭＰａに透明アクリルパイプ４１内を減圧した後、透明アクリルパイプ４１に試料塗料１０ｇを注入し、試料塗料注入後に該アクリルパイプ４１に栓をする。このとき、アクリルパイプ内面の温度は２５〜３５℃程度と推察される。その直後、塗料がパイプ内で塗料溶液に含まれる気体の脱ガスと、その気体の膨張により発泡するので、そのときの泡の高さ（泡到達高さ）を測定した。測定結果を表２及び図５に示した。尚、表２には固形分含有割合を併記した。

塗料中の固形分含有割合が増えると、塗料の粘性は上昇することが観察される。図５から明らかなように、固形分含有割合が３０％を超えると泡到達高さが４００ｍｍ以下に急に低くなり、また、消泡剤を加えると泡到達高さは低くなり、レベリング剤を加えないと泡到達高さは低くなる。本発明に従った実施例においては、泡到達高さが高く、均一で良好な塗膜が形成されることが確認された。

また、下記の試験方法に従い塗膜伸度及び強度を測定した。
（１）試験片の作製
試験板に市販の離型紙を敷き、その上に試料を泡が入らないように塗布した後、２週間乾燥する。乾燥後、更に離型紙上で裏返して７日間乾燥保持した後、離型紙から塗膜を剥がして遊離塗膜を作る。次いで、遊離塗膜に反りが無く、自然光に透かしてピンホールがないことを確認した後、ＪＩＳＫ６３０１（加硫ゴム物理試験方法）に規定するダンベル状に成形したものを試験片とする。
（２）測定
（ｉ）試験片の数箇所にて厚さを測定し、その最低値を厚さとする。
（ｉｉ）試験片を打ち抜き、その幅を試験片の幅とする。
（ｉｉｉ）試験片の中心から２０ｃｍ離れたところにそれぞれ標線を入れる。
（ｉｖ）試験片をチャック間６０ｍｍになるように引張試験機に取り付け、一定の速度で力を加え破破時の荷重Ｐ及び標線間距離Ｌを読み取る。
（ｖ）そして、塗膜伸度Ｅについては（１）式、塗膜強度Ｔについては（２）式より算出する。
Ｅ（％）＝〔（Ｌ−２０）×１００〕／２０・・・（１）
Ｔ（ｋｇ／ｃｍ^２）＝Ｐ／Ａ・・・（２）
（Ａ＝試験片の断面積（Ｂ×Ｃ）／１００であり、Ｂは試験片の長さ、Ｃは試験片の幅である。）

本発明品による値は、Ｅ=１５０〜２００％、Ｔ＝９０〜１１０ｋｇ／ｃｍ^２である。このように、本発明に従う実施例の試験片は伸度及び強度ともに優れる。

本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
本出願は、２００９年２月２日出願の日本特許出願（特願２００９−０２１３５９）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

本発明は、例えば自動車のステアリングホイール、インストルメントパネル、コンソールボックス、グローボックス、ヘッドレスト、アームレスト、ドアカバー、エアスポイラー、バンパー等の製造に有用である。

Ｍ塗料
Ｕウレタン樹脂
１金型
２下型
３上型
５キャビティ
６内壁
１０芯金
１３ボックス
２０真空ポンプ
２５射出ノズル
４１透明アクリルパイプ
４２底部部材
４３試料塗料の供給口
４４頂部部材
４５真空ポンプに接続されている排気口
４６鉄パイプ
４７透明温水循環ホース

Claims

金型内のキャビティ内壁に塗料を塗布して塗膜を形成した後、処理物と前記塗膜との隙間に充填材料を注入することにより、前記処理物表面に前記充填材料からなる被膜及び最表層として前記塗膜を形成するインモールド塗装法に用いるエマルジョン系またはディスパージョン系の水系塗料であって、
水と、少なくともアクリル系樹脂、ウレタン系樹脂、酢酸ビニル系樹脂及びシリコーン系樹脂から選ばれる少なくとも１種の樹脂粒子と、前記水よりも高沸点で前記樹脂粒子を半溶解する造膜助剤と、レベリング剤とを前記水と前記造膜助剤とが主成分となるように含み、消泡剤を含まず、かつ、
高さ１ｍ、内径３４ｍｍのアクリルパイプ内に１０ｇ入れ、前記アクリルパイプ内を約０．１０１ＭＰａ（絶対圧）に減圧し、該アクリルパイプに巻装した温水循環ホースに６０℃の温水を循環させた時に到達する泡高さが４００ｍｍ以上となることを特徴とする水系塗料。
前記塗料は、水及び造膜助剤の合計が７０〜９７質量％であり、残余が固形分であることを特徴とする請求項１記載の水系塗料。
請求項１または２に記載の水系塗料を用いて減圧中でインモールド塗装してなる塗膜成形物であって、前記塗膜の塗膜伸度が５０〜４００％で、塗膜強度が７０〜２００ｋｇ／ｃｍ^２であることを特徴とする塗膜成形物。