①エポキシ樹脂
エポキシ樹脂ベースの電着塗料が開発されて、鉄鋼材料の耐食性向上に寄与したために、カチオン電着塗装が常に優れていると思われがちではありますが、必ずしもそうではありません。カチオン電着塗料の高耐食性を実現させたのは、ビスフェノールA型エポキシ樹脂をベースに使用したことによります。この樹脂は耐薬品性や靱性に優れます。
一般にエポキシ樹脂の変性反応は、樹脂末端のオキソラン環を利用します。すなわちオキソラン環は三員環でひずみが大きいため、求核試薬による開環付加反応が非常に容易に起こります。エポキシ樹脂をカチオン化するために通常、アミンやアルカノールアミンを付加しますが、アンモニア、ジアミン、ケチミン、および有機酸とのアンモニウム塩などを付加する方法も知られています。
塗膜性能は分子量、エポキシ当量、アミン当量などに依存します。エポキシ樹脂単独では塗膜の機械的物性、塗膜仕上がり、ラインでの作業性など、耐食性以外の諸性能が良くありません。特にエポキシ当量の大きなビスフェノールA型エポキシ樹脂は硬質で、屈曲性などの機械的性質が悪いです。これを改良するためにアクリル、ポリエーテル、ポリエステルなどのポリオール樹脂、ポリアミド樹脂、液状ポリブタジエンの末端カルボキシル化物、オレイン酸などの脂肪酸が変性剤として使用されます。ポリオールなどの水酸基含有化物は、硬化反応に関与するだけではなく、可塑剤やフロー改良材としても働きます。
②アクリル樹脂
アクリルカチオン樹脂も、メタクリル酸メチルを主体としたアクリル共重合体をベースとしています。アクリル樹脂をカチオン化する方法は、アミノ基を含有するアクリルモノマーの共重合、グリシジル基含有アクリル共重合体へのアミン付加、などがあります。
アクリルカチオン塗料は、エポキシカチオン塗料に比較すると耐食性が悪いので、改良するためにエポキシ樹脂を混合し、耐候性や耐食性のバランスを取りながら配合量を決めます。
③カチオン電着塗料用架橋剤
カチオン電着塗料では、ブロックイソシアネートによるウレタン硬化が一般的ではありますが、酸化重合やエステル交換反応による硬化方法、さらにこれらを複合した硬化方法が利用されています。
イソシアネート基は、水や活性水素基との反応性が高いためそのままの状態で水系塗料として使用することは不可能であり、ブロック化イソシアネートとして安定な状態で使用します。活性基をマスクし、不活性基に変換して貯蔵安定性を改善します。逆に活性基が必要な場合は、加熱などによって不活性基からマスキング剤を脱離して活性基を再生します。このようなマスキング剤をブロック剤といいます。
一般に電着で使用されるブロック剤はアルコール、カプロラクタム、オキシムなどがあります。
イソシアネートには芳香族、脂肪族、および脂環族があります。芳香族系イソシアネートは反応性が高くて安価ですが、黄変性や耐候性が悪いです。脂肪族および脂環族系イソシアネートは非黄変性で、耐候性に優れています。
イソシアネートは、アミノ基や水酸基と反応して尿素化やウレタン化します。カチオン電着塗料の硬化はカチオン化のために導入された1級および2級アミノ基、および(または)水酸基と再生したイソシアネートが反応することによります。
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