環境保護とコーティング業界の変革の時代において、環境に優しいコーティングの開発は企業にとって避けられない選択となっています。しかし、環境に優しいコーティングは水性コーティングに限定されません。企業が水性コーティングの開発を急ぐと、製品の均質化は避けられません。水性コーティングに加えて、ハイソリッドコーティング、無溶剤コーティング、粉体コーティングも環境に優しい選択肢であり、コーティング業界の重要な発展方向となるはずです。調査レポートによると、アジア太平洋地域は2017年から2022年にかけて、粉体コーティング市場の価値と量の両方で最も高い成長を遂げると予想されています。粉体コーティング技術は、需要主導型市場に対応するために急速に進化しています。市場の力に牽引され、コーティングにおけるさまざまな粉体材料の応用に関する研究はますます重要になっています。
I. 粉体塗料の概要
1. 粉体塗料の概要
粉体塗装は、1950年代に、固形分100%で揮発性有機化合物（VOC）を含まない環境に優しい代替塗料として誕生しました。粉体塗装には、省エネ、汚染低減、シンプルな処理、産業オートメーションの容易さ、優れた塗装性能など、様々な利点があります。
粉体塗料は、 ポリマー、顔料、充填剤、添加剤を一切含みません。揮発性溶剤を放出しないため、環境に優しく、優れた環境保護性能を備えています。粉体塗料は、1回の塗布で厚い塗膜を形成できるため、生産効率が向上します。また、優れた機械的特性、耐薬品性、高品質な仕上がりも提供します。粉体塗料の使用はエネルギーと資源の両方を節約し、利用率は99%と高いです。これらの塗料は安全に使用でき、経済効率も優れています。溶剤を使用しないソリューションである粉体塗料は、世界的に普及している「4つのE」、すなわち経済性、環境保護、効率性、そして優れた性能という原則に適合しています。
2. 粉体塗料市場の概要
電化製品や軽自動車の需要増加に伴い、粉体塗料の需要も増加しています。先進国および新興国のターミナル産業からの需要増加が、粉体塗料市場の成長に貢献しています。市場調査会社Markets and Marketsによると、世界の粉体塗料市場は2017年から2022年までの年平均成長率（CAGR）67億5100万トンで推移し、2022年には1兆41349億トンに達すると予測されています。
急速な都市化と住宅、建設、自動車セクターの成長といった様々な要因により、中国における粉体塗料の需要は他のどの国よりも急速に成長しています。2016年には、中国の粉体塗料産業の生産量は207万トンに達し、世界最大の粉体塗料市場となりました。
図1：2009年から2016年までの中国粉体塗装産業の生産量の推移（単位：万トン）
生産量で見ると、粉体塗料は現在、中国の塗料総生産量の約11%を占めています。「第13次5カ年計画」によると、塗料産業の総生産量は2020年までに約2,200万トンに増加すると予想されています。このうち、コスト効率が高く環境に優しい塗料は、総生産量の57%を占めると予測されています。2020年には、粉体塗料のシェアは約18%に増加し、生産量は約400万トンに達すると予想されています。粉体塗料の急速な発展は、粉体充填剤の需要増加を牽引すると予想されます。
II. 粉体塗料における各種粉体材料の応用に関する分析
コーティング剤にフィラーを加えることで、コスト削減だけでなく、コーティング製品の性能を大幅に向上させることができます。例えば、フィラーはコーティング剤の耐摩耗性、耐傷性、耐腐食性、耐湿性を向上させることができます。また、メルトレベリング工程におけるコーティング剤のたるみを軽減するのにも役立ちます。
粉体塗料用のフィラーを選択する際には、密度、分散性、粒度分布、純度といった要素を考慮する必要があります。一般的に、フィラーの密度が高いほど、粉体塗料における被覆率は低くなります。粒子が大きいほど、粒子が小さいよりも分散性が高くなる傾向があります。フィラーは、顔料などの粉体配合の他の成分との反応を避けるため、化学的に不活性である必要があり、色は可能な限り白色である必要があります。粉体塗料に使用される一般的な粉体材料には、炭酸カルシウム、硫酸バリウム、タルク、雲母粉、カオリン、シリカ、ウォラストナイトなどがあります。
1. 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、軽質炭酸カルシウム（沈降炭酸カルシウム）と重質炭酸カルシウムの2種類があります。いずれの種類においても、炭酸カルシウムの粒子径は塗膜の光沢に大きく影響します。しかし、炭酸カルシウムは耐候性が低いため、一般的に屋外での使用は推奨されません。
粉体塗料において、重質炭酸カルシウムは様々な用途に用いられます。二酸化チタンや着色顔料の一部、軽質炭酸カルシウムや沈降硫酸バリウムの代替、防錆、防錆顔料の一部代替として用いることができます。
重質炭酸カルシウムは、屋内建築用塗料に使用する場合、単独で、またはタルク粉と混合して使用できます。タルクと比較して、炭酸カルシウムは粉化率を低減し、淡色塗料の色持ちを向上させ、防カビ性を高めます。しかし、耐酸性が低いため、屋外塗料への使用は制限されます。
一方、軽質炭酸カルシウムは粒子径が小さく、粒度分布が狭く、吸油性と光沢性が高いという特徴があります。特に、最大限の艶消し効果が求められる用途に適しています。
2. 粉体塗料における硫酸バリウムの応用
コーティングに使用される硫酸バリウムは、天然と合成の2種類に分類されます。天然のものは重晶石粉末と呼ばれ、合成のものは沈降硫酸バリウムと呼ばれます。
粉体塗料において、沈降硫酸バリウムは塗膜のレベリング性と光沢保持性を高め、着色剤との相溶性も良好です。スプレー塗装時に理想的な塗膜厚を実現し、高い粉体塗装速度を実現します。
重晶石粉末は、高い塗膜強度、充填力、そして化学的不活性性が求められる工業用プライマーや自動車用中塗り塗料に主に使用されます。また、高い光沢が求められるトップコートにも使用されます。重晶石粉末は屈折率（1.637）が高いため、半透明の白色顔料として機能し、塗料中の二酸化チタンの一部の優れた代替品となります。
3. 粉体塗料における雲母粉の応用
マイカパウダーは、複合ケイ酸塩から構成され、薄片状の粒子をしています。優れた耐熱性、耐酸性、耐アルカリ性、そして粉体塗料の溶融流動性への影響から、高く評価されています。マイカパウダーは、耐熱性粉体塗料や絶縁性粉体塗料に広く使用されているほか、テクスチャー粉体塗料のフィラーとしても使用できます。
雲母の中でも、セリサイトはカオリンに似た化学構造を持ち、雲母鉱物と粘土鉱物の両方の特性を兼ね備えています。塗料への応用により、耐候性、透水性、密着性、強度、そして塗膜全体の外観を大幅に向上させることができます。さらに、染料粒子がセリサイト粉末の格子層間に容易に浸透するため、長期間鮮やかな色彩を保ちます。さらに、セリサイト粉末は防藻・防カビ性も有するため、塗料において優れたコストパフォーマンスを誇る多機能フィラーです。
4. 粉体塗料におけるタルク粉の応用
タルクパウダーは、含水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。粒子は針状結晶で、油っぽい感触と柔らかな質感を持ち、研磨性が低いです。タルクは優れた懸濁性と分散性を備え、ある程度のチキソトロピー性も持ち、粉体塗料の溶融流動性に大きな影響を与えます。テクスチャーパウダーによく使用されます。
タルクは費用対効果の高い素材ですが、用途を制限するいくつかの欠点があります。例えば、タルクは吸油率が高いため、吸油率が低い用途では、吸油率の低い重晶石粉末などの充填剤と併用する必要があります。また、耐摩耗性も比較的低いため、高い耐摩耗性が必要な場合は他の充填剤を添加する必要があります。他の非金属鉱物を含むタルクは、不純物鉱物が酸（酸性雨など）と反応しやすいため、高い耐候性が求められる外装塗料には適していません。また、タルクは艶消し性があるため、高光沢塗料には一般的に使用されません。
5. 粉体塗料におけるシリカの応用
シリカの一種である多孔質石英粉末は、その安全性が高く評価されており、防火塗料、防水塗料、防錆塗料など、粉体塗料に広く使用されています。多孔質石英粉末は低コストであるため、粉体塗料全体のコスト削減につながります。また、硫酸バリウムの代替として使用できることから、溶解性バリウムの含有量を低減し、環境保護基準の達成にも貢献します。
さらに、ヒュームドシリカは、粉体塗料において、緩め剤および固結防止剤として広く使用されています。ヒュームドシリカは多機能体質顔料であり、塗料における効果的なレオロジーコントロール剤です。液体塗料においては、増粘性、チキソトロピー性、垂れ防止、エッジカバーなどの機能を発揮します。粉体塗料においては、粉体の流動性を高め、凝集を防ぎ、流動化を促進します。
6. 粉体塗料におけるカオリンの応用
カオリンは粉体塗料において、チキソトロピー性と沈降防止性を向上させるために使用されます。焼成カオリンはレオロジー特性に影響を与えず、タルカムパウダーと同様に、マット効果、隠蔽力の向上、白色度の向上といった効果も発揮します。
カオリンは一般的に吸水性が高いため、コーティングのチキソトロピー性向上や疎水性コーティングの調製には適していません。カオリンの粒子径は0.2～1μmです。粒子が大きいカオリンは吸水性が低く、よりマットな仕上がりになります。一方、粒子が小さいカオリンは（1μm未満）、半光沢コーティングや内装コーティングに適しています。
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、焼成カオリンは洗浄カオリンに比べて吸油性、不透明性、多孔性、硬度、光沢性に優れています。
7. 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、軽量、大容量、低熱伝導性、高圧縮強度、絶縁性、耐腐食性、非毒性、良好な分散性、流動性、安定性など、さまざまな利点を備えた小さな中空の球状粉末です。
粉体塗料において、中空ガラス微小球は次の役割を果たします。
1) 断熱性：中空ガラス微粒子の内部は真空または希薄ガスで満たされており、エポキシ樹脂との密度および熱伝導率の差が生じます。この特性により、優れた断熱性が得られ、耐熱性粉体塗料に最適です。
2) 物理的および機械的特性の向上：これらのマイクロスフィアは、粉体塗料の硬度と剛性を高めることができます。ただし、マイクロスフィアの表面処理によっては、耐衝撃性が低下する可能性があります。適切なカップリング剤を使用することで、この耐衝撃性の低下を軽減できます。
3) 低吸油性：中空ガラスマイクロスフィアの吸油率は、モデルによって異なりますが、100gあたり7mgから50mgの範囲です。この低吸油性により、製品中の充填剤の量が増加し、全体的なコストを効果的に削減できます。
8. 粉体塗料におけるウォラストナイトの応用
ウォラストナイトの主成分はケイ酸カルシウムで、密度は2.9g/cm³、屈折率は1.63、吸油率は30-50%です。針状構造を有し、優れた光沢を呈します。
粉体塗料では、天然ウォラストナイト粉末が一般的に使用されています。これは天然ウォラストナイトから加工されたもので、白色顔料の一部を代替するボディー顔料として機能し、塗膜の被覆率を高め、塗料コストを削減します。優れた導電性を持つウォラストナイトは、エポキシ系絶縁粉体塗料によく使用されます。さらに、ウォラストナイトの白色の針状構造は、粉体塗料の曲げ特性と引張特性を向上させます。
III. 粉体塗料用粉体フィラーの開発動向
1. 粉末充填剤の表面処理
すべての粉体塗料フィラーは極性を有しており、粉体塗料樹脂も同様に極性が高いため、両者の相溶性が悪く、塗料の加工性や性能に悪影響を与える可能性があります。この問題に対処するために、多くの場合、粉体フィラーを物理的処理（表面コーティングや吸着など）または化学的処理（表面置換、加水分解、重合、グラフト化など）によって処理する必要があります。これらの処理により、凝集体の粒子径が大幅に縮小したり、システムの流動性が向上したりすることで、加工性、表面品質（光沢や色の鮮やかさなど）、塗料の機械的強度が向上します。
2. 粉末充填剤の微粉化
粉体塗料樹脂とフィラーの比率が一定であれば、フィラーの粒子径が小さいほど、塗料の表面性能と機械特性が向上します。フィラーの粒子径を二酸化チタンの粒子径（0.2～0.5μm）と同程度の範囲まで小さくすると、配合中の凝集体が分離され、より効果的な分散中心が形成され、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、微粒子フィラーは必要な顔料の量を減らすことで、効率を向上させることができます。
3. 粉末充填剤ナノテクノロジー
一般的に使用されるナノ材料には、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などがあります。ナノ二酸化チタンは、コーティングの透明性、機械的特性、紫外線吸収性を向上させることが報告されています。特に自動車用ワニスに有効で、粉体塗料の耐候性を大幅に向上させます。しかし、ナノ材料は非常に微細な粒子で表面活性が高いため、凝集や凝結を起こしやすいという欠点があります。そのため、ナノフィラーの表面処理、適切な添加方法、分散装置、最適な添加量は、粉体塗料への適用において非常に重要です。粉体塗料の配合設計においては、製品の性能要件に基づいて様々なフィラーを選択することで、最良の結果を得ることができます。
4. 粉体塗料フィラーの機能化
機能性粉体塗料の開発動向は、特定分野における塗料の物理的、化学的、機械的特性の向上、あるいは新たな機能の導入に重点を置いています。例えば、カオリンやウォラストナイトの粉末は電気絶縁性粉体塗料の製造に用いられ、電気絶縁性を向上させながらコストを削減します。水酸化アルミニウムや水酸化マグネシウムは難燃性を有しており、難燃性粉体塗料の製造に用いることができます。これらのフィラーは、レオロジー制御、密着性向上、光沢調整、隠蔽力向上といった効果も期待できます。そのため、粉体塗料におけるフィラーの焦点は、単なるコスト削減から、より機能性を追求した研究へと移行し、粉体塗料業界の進化するニーズに応えるため、低コストで優れた性能を持つ新たなフィラーの開発へと移行しています。
結論
の成長 粉 コーティング市場は、環境に優しく高性能なコーティングソリューションへの幅広い移行を反映しています。産業界が持続可能性を目指す中、粉体塗料はエネルギー効率、費用対効果、そして環境への影響において大きな利点を持つ魅力的な代替手段となります。革新的な粉体フィラーとコーティング技術の継続的な開発により、この業界の将来は明るいものとなっています。
