coatings.specialchem.comの記事から

水性エポキシ塗料配合物についてご紹介します。

水系金属エポキシ塗料を効果的に配合する秘訣

世界的に、すべての塗料分野において、排出ガス、VOC含有量、安全性に関する規制が強化され、水性技術へのシフトが徐々に進んでいる。しかし、このような媒体の変化は、お客様の製剤作業や業務に影響を与えないわけではない。特に、エポキシ樹脂はその性質上、基本的に水と混ざらない。このようなシステムに通常期待される複合的な特性を実現するためには、慎重な設計が重要である。これらの特性には、耐薬品性、接着性、耐腐食性、機械的強度、場合によっては高い柔軟性などが含まれる。

エポキシ樹脂は、性能とコストを比較すると最も優れた材料の一つであり、その結果、紫外線安定性が必須条件ではない多くの高性能用途に使用されるようになった。金属腐食防止もその一つである。

エポキシ系塗料について簡単に説明した後、水系樹脂と硬化剤をどのように選択すれば、従来の溶剤系塗料に匹敵する性能を発揮できるかを検証していく。最後に、水系と溶剤系の防食塗料の性能を比較したケーススタディで、実際にその性能を確認することができる。

エポキシ系の基礎

エポキシの化学構造と連動した特性

エポキシ樹脂の良好な特性は、樹脂の化学構造に直接関係しており、最も一般的にはビスフェノールAジグリシジルエーテル（BADGE）の形態で入手できる。BADGEは、ビスフェノールAとエピクロルヒドリンの反応から生成され、適切な硬化剤とさらに反応させると、ビスフェノールA成分からの芳香族基が構造全体に均一に分布した熱硬化性ポリマーが最終的に形成される。

エポキシ樹脂の架橋機構

エポキシ樹脂は、さまざまな硬化剤と反応させることができる。特定の樹脂と硬化剤の組み合わせは、しばしばシステム（system）と呼ばれる。下図（省略）は、典型的な樹脂分子における2つの異なる反応点を示している。

• 末端のエポキシ環
• 側面の水酸基

どちらの官能基も常温または高温で反応するため、市販されているほとんどのエポキシ樹脂で1液型と2液型の両方の硬化系を調製することができる。

1液硬化型の場合、樹脂と硬化剤は実際の使用よりかなり前に配合することができます。このシステムは、周囲温度では全く反応しないか、非常にゆっくりと反応する。このような1パックシステムを適用した後、熱を加えると、硬化反応がより速く起こり、最終的なポリマーが形成される。

2液型エポキシ系では、塗布直前まで樹脂と硬化剤を離しておく必要がある。組み合わされるとすぐに化学反応が起こり、最終的なポリマーが形成される。そのため、樹脂と硬化剤を混ぜた後、分子量が大きくなりすぎて使えなくなる前に、塗布者が材料を使用し、塗布できる時間は限られている。この期間を一般にポットライフと呼んでいる。

エポキシ樹脂コーティング – 溶剤系での皮膜形成

ポリマーコーティングの多くは、その性質上、樹脂を別の素材の基材に薄膜として塗布する必要がある。液状で塗布する場合、基材表面に安定した薄膜を形成するために、粘度は比較的低くなければならない。

常温硬化の2液型エポキシ樹脂の場合、一般に樹脂と硬化剤のモノマーを一種の溶剤に溶かすことで低粘度を実現する。この溶剤は塗布後時間とともに蒸発し、液状の膜が形成され、その後固体の薄膜に変化する。

ここでは、塗布された液状塗膜の成膜メカニズムについて、主な段階を説明する。

STEP1：液状エポキシ系は、樹脂と硬化剤の混合物を液体に溶解または分散させたものを基材に塗布する。

STEP2：溶媒を徐々に蒸発させ、モノマー同士を接近させる。

STEP3：溶媒がほとんど無くなると、伸びたポリマー鎖が互いに絡み合い、モノマーが合体し始める。

STEP4：溶剤が完全に抜け、固体皮膜形成性の高分子量の熱硬化性ポリマーで硬化反応が継続する。

この工程で使用される溶剤は、揮発性有機化合物（VOC）として大気中に放出されるため、塗装工程で大気汚染の原因となる。しかし、過去数十年の間に環境に対する懸念が高まり、工業用および商業用のさまざまな塗装工程で許容される排出量に、世界的に制限が課されるようになった。そのため、水系技術への転換が求められている。

水性エマルションエポキシ塗料のこだわり設計

水性塗装技術とは、有機溶剤の代わりに水を主な媒体として塗布する技術であり、水はVOCに分類されないため、塗布時に発生するVOCの量を効果的に削減することができる。

エポキシ樹脂はその性質上、基本的に水と相容れないため、特に腐食防止のための保護塗料として非常に有用であるという一面もある。有機溶媒を水に置き換えた場合、高性能な塗料を提供するためには、硬化剤であれエポキシ樹脂であれ、モノマー構造の慎重な設計が重要である。液状塗料は水系媒体で供給されなければならないが、完全に乾燥・硬化させると、従来のエポキシ系材料と同等の高性能を発揮する必要がある。

エポキシ樹脂には、主に2つの戦略がある。

• エポキシ樹脂のどの成分も100％固体（無溶剤）で提供されるもの（液体エポキシコーティングと呼ばれる）
• エポキシ樹脂がエマルジョン（水中のミセル）である場合。

どちらの場合も、水系の硬化剤を使用する。

ここからは、WBエマルションエポキシ塗装に適したエポキシ樹脂、界面活性剤、硬化剤の選び方、液状塗装に適用できるか否かに焦点をあてて解説する。

続きはこちらへ

英語のページです。翻訳にはDeepLがお勧めです。