With the push for environmental protection, firms must develop eco-friendly coatings. But, eco-friendly coatings aren’t limited to water-based ones. If enterprises rush to develop water-based coatings, product homogeneity will inevitably occur. Besides water-based coatings, high-solid, solvent-free, and powder coatings are also eco-friendly. They should be the key development focus of the coatings industry. A report said the Asia-Pacific region will have the highest growth in powder coatings from 2017 to 2022. This applies to both value and volume. Powder coating technology is developing rapidly to adapt to the demand-driven market. The market drives the need to study different powders in coatings.
粉体塗装の概要
粉体塗装入門
粉体塗装は1950年代に始まり、環境に優しい塗装です。固形分100%、VOCなし。エネルギーを節約し、汚染を減らします。工程が簡単で、自動化しやすく、塗装性能に優れています。
Powder coating is a powder coating composed of polymers, pigments, fillers and additives. Powder coating has no volatilization of its liquid medium. So, it has good ecological and environmental protection. It can form a thicker coating in one application, with very high efficiency. It also has great mechanical properties and chemical resistance. Its performance is excellent, too. Using powder coating saves energy and resources. Its utilization rate can reach 99%. It is safe and very cost-effective. It is a solvent-free coating. It meets the “four E” principles: economy, environmental protection, efficiency, and performance.
粉体塗料市場の概要
家電製品や軽自動車の需要増加により、粉体塗装の需要が高まっています。先進国および新興国の産業からの需要増加により、粉体塗装市場が拡大しています。Markets and Markets のレポートによると、世界の粉体塗装市場は 2022 年までに $1349 億米ドルに達する見込みです。2017 年から 2022 年にかけて、毎年 6.75% の成長が見込まれます。
中国の粉体塗料市場は、世界で最も急速に需要が伸びています。これには多くの要因があり、急速な都市化、住宅、建設、自動車の成長などが挙げられます。2016 年、中国の粉体塗料業界の生産量は 207 万トンに達しました。
粉体塗料はわが国の塗料総生産量の11%を占めています。第13次5カ年計画では、「2020年までに塗料産業は約2,200万トンを生産する」とされています。このうち、57%はコスト効率が高く環境に優しい塗料です。2020年には、粉体塗料は18%に増加し、生産量は400万トンになります。粉体塗料の増加により、粉体充填剤の需要が高まります。
粉体塗料におけるさまざまな粉体材料の適用の分析
コーティング剤にフィラーを加えるとコストを削減できます。また、コーティングの性能も向上します。
たとえば、次のようなことが可能です。
- コーティングの耐摩耗性と耐傷性を向上させます。
- メルトレベリング中のたるみを軽減します。
- 耐腐食性と耐湿性が向上します。
When choosing fillers for powder coatings, consider density, dispersion, particle size, and purity. In general, the higher the density, the lower the powder coating’s coverage. The dispersion of large particles is better than that of small ones. The filler is chemically inert. It must not react with some powder formula components, like pigments. The filler should be as white as possible. Powder coatings mainly use these materials: calcium carbonate, barium sulfate, talc, mica, kaolin, silica, and wollastonite.
粉体塗料における炭酸カルシウムの応用
炭酸カルシウムには、軽質と重質の 2 種類があります。軽質は沈降炭酸カルシウムです。炭酸カルシウムの種類と製造方法はすべて、コーティングの光沢に影響します。粒子のサイズの違いは、光沢に大きな影響を与えます。炭酸カルシウムは、一般的に屋外での使用は推奨されません。
重質炭酸カルシウムは主に他の材料の代替として使用されます。二酸化チタン、着色顔料、軽質カルシウム、沈殿硫酸バリウムの一部を代替します。腐食を防ぎ、防錆顔料の一部を代替します。また、増粘剤としても使用されます。
重質炭酸カルシウムを屋内用塗料に使用する場合、単独でもタルカムパウダーと一緒にも使用できます。タルカムパウダーと比較すると、炭酸カルシウムの方が優れています。炭酸カルシウムは粉砕を減らし、淡色塗料の色の保持を改善し、カビ耐性を高めます。ただし、耐酸性が低いため、屋外用塗料への使用は困難です。
軽質炭酸カルシウムは重質炭酸カルシウムよりも粒子が小さく均一です。油の吸収性が高く、光沢も優れています。軽質炭酸カルシウムは、最大限のマット効果が必要な箇所に使用できます。
粉体塗料における硫酸バリウムの応用
塗料ボディー顔料として使用される硫酸バリウムには、天然と合成の 2 種類があります。天然製品は重晶石粉末です。合成製品は沈殿した硫酸バリウムです。
粉体塗料では、沈殿硫酸バリウムはレベリング性と光沢性を向上させます。あらゆる着色剤と互換性があり、スプレー工程で粉体塗料の理想的な厚さと高いコーティング率を実現します。
重晶石粉末充填剤は、工業用プライマーや自動車用コーティングに使用されます。これらのコーティングには、高い強度、充填力、化学的不活性が求められます。また、高光沢トップコートにも使用されます。ラテックス塗料では、微細な重晶石粉末が一部の二酸化チタンの代わりとなります。その高い屈折率 (1.637) により、半透明の白色顔料になります。
粉体塗料における雲母粉の応用
雲母粉は複合ケイ酸塩で構成され、粒子は薄片状です。耐熱性、耐酸性、耐アルカリ性に優れています。また、粉体塗料の溶融流動性にも影響します。耐熱性、絶縁性粉体塗料に使用されます。テクスチャーパウダーのフィラーとしても使用できます。
雲母には多くの種類がありますが、その中でもセリサイトはカオリンに似た構造をしています。雲母と粘土鉱物の両方の特性を持っています。塗料に使用すると、耐候性と透水性が大幅に向上します。また、密着性、強度、外観も向上します。同時に、染料粒子がセリサイト粉末の格子層間に入り込むことができるため、長期間色あせしません。さらに、セリサイト粉末には防藻、防カビの機能もあります。そのため、セリサイト粉末は塗料用の優れた価格性能比を備えた多機能充填剤です。
粉体塗料におけるタルクの応用
タルクは水和ケイ酸マグネシウムとも呼ばれ、タルク鉱石から直接粉砕されます。粒子は針状の結晶です。油っぽい感じがします。柔らかく、あまり研磨性がありません。優れた懸濁性と分散性、一定のチキソトロピー性を備えています。粉体塗料の溶融流動性に大きな影響を与えます。そのため、テクスチャーパウダーによく使用されます。現在、さまざまなプライマー、中塗り塗料、道路標識塗料、工業用塗料、内外装建築塗料に使用されています。
Talc is cheap, but it has disadvantages, so its usage is limited. First, it has a large oil absorption. For low oil absorption, it must be mixed with fillers and low-oil-absorption barite powder. Also, it has low wear resistance. In high-wear situations, other fillers must be added to compensate. Thirdly, talc with non-metallic minerals is not fit for exterior coatings that need high weather resistance. The impurities can react with acids, like acid rain. Also, talc has matting properties, so it is not used in high-gloss coatings.
粉体塗料におけるシリカの応用
多孔質粉末石英はシリカ系の一種です。安全で、粉体、難燃性、防水性、防錆性など、多くのコーティングに広く使用されています。安価な多孔質粉末石英は、粉体コーティングのコストを削減できます。硫酸バリウムの代わりに使用して、可溶性バリウムを減らすことができます。これにより、環境基準を満たすことができます。
また、粉体コーティングでは、固化防止剤としてヒュームドシリカがよく使用されます。ヒュームドシリカはトップボディー顔料であり、コーティングレオロジー制御剤です。優れた性能があります。液体コーティングでは、増粘、チキソトロピー、垂れ防止、エッジカバレッジによってレオロジーを制御します。固体粉体コーティングでは、粉体の流動性を改善し、凝集と流動化を防ぎます。
粉体塗料におけるカオリンの応用
カオリンはチキソトロピーと沈降防止特性を改善します。焼成粘土はレオロジーには影響しません。しかし、未処理粘土と同様に、マット化、隠蔽力の向上、白さの増進が期待できます。これらの効果はタルカムパウダーに似ています。
カオリンは吸水性が高いです。チキソトロピーや疎水性コーティングには役立ちません。カオリン製品の粒子サイズは 0.2 ～ 1 μm です。粒子が大きいカオリンは吸水性が低く、マット効果に優れています。粒子サイズが小さい (1 μm 未満) カオリンは半光沢および内装コーティングに使用できます。
カオリンは焼成カオリンと洗浄カオリンに分けられます。一般的に、焼成カオリンの吸油性、不透明度、多孔度、硬度、輝度は洗浄カオリンよりも高くなります。
粉体塗料における中空ガラス微粒子の応用
中空ガラスマイクロスフィアは、小さな中空の球状粉末です。軽量で、体積が大きく、熱伝導率が低いです。圧縮強度が高く、絶縁性があり、腐食に強いです。毒性がなく、分散性が高く、安定しています。
中空ガラスマイクロスフィアを粉体塗料に使用すると、次のような役割を果たします。
- （1）断熱性、絶縁性、低吸水性。中空ガラス微粒子は内部に真空または希薄ガスを有し、エポキシ樹脂との密度差と熱伝導率差を生じます。そのため、断熱性に優れています。耐高温粉体塗料の充填剤として優れています。
- （2）粉体塗料の物理的および機械的特性を改善できます。中空ガラス微小球フィラーは、粉体塗料の硬度と剛性を高めることができます。ただし、耐衝撃性は低下します。低下の程度は、中空ガラス微小球の表面処理に依存します。前処理に適切なカップリング剤を使用すると、耐衝撃性が低下する可能性があります。
- （3）低吸油性。中空ガラス微小球の吸油率はさまざまです。100gあたり7mgから50mgです。この低吸油性充填剤は、生産中に充填量を増やし、全体的なコストを削減します。
粉体塗料におけるウォラストナイトの応用
珪灰石は主に珪酸カルシウムで、密度は2.9g/cm3、屈折率は1.63、吸油量は30-50%で、針状の構造を持ち、光沢が良好です。
粉体コーティングでは、一般的に天然ウォラストナイトから加工された天然ウォラストナイト パウダーが使用されます。ウォラストナイトはボディー ピグメントとして使用することもできます。コーティング内の一部の白色顔料を置き換えることができます。これにより、カバー範囲が広がり、塗料コストが削減されます。優れた導電性により、エポキシ絶縁粉体コーティングによく使用されます。ウォラストナイトは白い針状の物質です。粉体コーティングの曲げ特性と引張特性を向上させることができます。
粉体塗料用粉体フィラーの開発動向
粉末充填剤の表面処理
粉体塗料用フィラーは極性があります。粉体塗料用樹脂は極性が非常に強いため、それらの間の相溶性が悪くなり、塗料の性能が損なわれます。そのため、通常は粉体塗料用フィラーを処理する必要があります。物理的方法 (表面コーティングと吸着) または化学的方法 (置換、加水分解、重合、グラフト) を使用して、凝集体の粒子サイズを小さくするか、システムの流動性を改善します。これにより、塗料の加工性、表面品質 (光沢、色の明るさ)、および機械的強度が向上します。
粉末充填剤の微粉化
粉体塗装では、樹脂とフィラーの比率を一定に保つことが重要です。理論的には、フィラー粒子が小さいほど、表面特性と機械的特性が向上します。フィラー粒子のサイズを二酸化チタンのサイズ (0.2～0.5μm) まで小さくすると、配合物内の凝集チタンを分離できます。これにより、分散中心が改善されます。二酸化チタンの隠蔽力が向上します。これが、微粒子フィラーの空間分離原理です。同様に、微粒子フィラーは顔料の使用量も削減できます。
粉末充填剤ナノテクノロジー
最も一般的に使用されるナノ材料は、ナノ二酸化ケイ素、ナノ二酸化チタン、ナノ炭酸カルシウムです。ナノ二酸化チタンは透明であると報告されています。コーティングの機械的特性と紫外線吸収を改善できます。また、自動車用トップコートワニスの粉体塗料の耐候性を大幅に向上させることができます。ナノ材料は、表面活性の高い非常に細かい粒子です。凝集して凝結しやすいため、ナノフィラーの表面処理、添加方法と分散装置の選択、粉体塗料に添加するナノ材料の量、ベース樹脂への分散方法が、粉体塗料へのナノ材料の応用の鍵となります。粉体塗料を設計する際には、性能要件に基づいてフィラーを選択してください。これにより、最良の効果が得られます。
粉体塗料フィラーの機能化
機能性粉体塗料の目標は、その特性を改善することです。これには、物理的、化学的、および機械的側面が含まれます。または、それらに新しい機能を追加することです。カオリンとウォラストナイトの粉末は、電気絶縁粉体塗料を作ります。コストを削減し、絶縁性を向上させることができます。アルミニウムとマグネシウムの水酸化物は炎を遅らせることができます。難燃性粉体塗料を作ることができます。また、レオロジーを制御し、接着性を向上させ、光沢を制御し、隠蔽力を向上させることもできます。したがって、粉体塗料の充填剤は、コスト削減だけにとどまらず、高性能で低コストの新しい充填剤を開発するための研究に重点を置く必要があります。これは、粉体塗料の高まる需要を満たすためです。