塗装技術の門

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JISハンドブック 30 塗料 (30;2020)

塗膜の付着力を測定したことのある方であれば、誰しも経験することではありますが、付着破壊が塗膜と塗装素材界面のみで起こることはまれであって、塗膜内での凝集破壊が混在するのが普通です。塗膜と素材の界面に薄い皮膜層を想定し、この皮膜層が脆弱であるとすると、引張り試験によって破壊されるのはこの皮膜であって、塗装塗膜の付着破壊力はこの脆弱皮膜の強度によって決まります。この機構による付着破壊を脆弱境界層（Weak boundary layer、WBL）説と称し、Bickermannが提唱しています。塗料ではこの説に従う場合が多く、塗装前処理としての水研ぎ、除錆には、WBLの除去と考えられる場合が非常に多いです。
　ここで、WBLの例を挙げますと、亜鉛めっき鋼板にアニオン電着塗装を施した際の、塗膜とめっきの界面にWBLが形成される事例があります。このWBLはIR分析により、結晶性のカルボン酸塩であることがわかり、事実、電着浴中の遊離脂肪酸量を減少させることにより塗膜の付着力を改善することが出来ました。

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環境と内部応力

塗膜の付着力にあっては、阻害要因である内部応力の寄与が大きいと言われています。言い換えれば、塗膜の付着技術は阻害要因の抑制技術と言うことが出来ます。
　塗装鋼板を屋外に放置した場合を考えると、塗膜は昼夜の温度、湿度の日間変動、晴雨の湿度変化環境にさらされることになります。乾－湿サイクル下では、塗膜は吸湿、乾燥による体積ゆがみを生じ、内部応力が発生します。この応力が無視できないことを示したのが、塗装鋼板の付着力と塗膜の吸水量および応力緩和速度の関係です。応力緩和能力に優れ、吸水量の少ない塗膜ほど付着力の低下度合いが小さい傾向があります。すなわち、発生した吸水ゆがみ応力が塗膜の応力緩和能力によって緩和され、付着力が保たれているということになります。
　また、冷熱サイクルにあっては、鋼板と塗膜の線膨張係数が異なるために温度差ゆがみを発生し、その値は極端な場合には70kg/cm^2にも達します。吸水ゆがみ、温度差ゆがみは本質的に回避することは出来ず、発生する応力は塗膜の応力緩和性能により緩和される必要があります。すなわち、塗膜の付着力にとって塗膜の粘弾性的特性が極めて重要になります。

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内部応力と付着性に関する経験的な事実

塗料の焼き付け温度を高くしてしまうと、ガラス転移点が上昇しますので、内部応力も高くなり、付着性にとってはよくありません。早く乾燥する塗料は付着が悪い、また、一度に厚塗りすると剥がれやすい、あるいは硬い塗膜にすると付着性が悪くなるなど、付着に関係する経験的な事実は多いです。油性系塗料は一般に、ゆっくり硬化する塗料ですから、経時によるガラス転移点の上昇は緩やかとなります。
　そのため発生する内部応力が緩和されながら乾燥していくため、内部応力は小さくなって付着性は良好となります。一方、紫外線硬化型樹脂塗料のように瞬時に硬化する塗料は内部応力を緩和する余裕がなく、ガラス転移点が室温以上になるので大きな内部応力が発生して付着力が低下します。
　内部応力の大きい塗料の厚塗りは致命的な欠陥をもたらしてしまいます。厚塗りすれば、当然のことながら塗料の初期体積は大きくなり、収縮率は一定であっても内部ひずみの絶対値が大きくなり、塗膜の剥がれまたは割れの現象を引き起こしてしまいます。

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