JP2013018911A

JP2013018911A - 合成樹脂部材の難燃化コーティング剤及びこれを用いた合成樹脂部材

Info

Publication number: JP2013018911A
Application number: JP2011154979A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Kato; 圭一加藤
Original assignee: Kikusui Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Kikusui Kagaku Kogyo KK
Priority date: 2011-07-13
Filing date: 2011-07-13
Publication date: 2013-01-31

Abstract

【課題】合成樹脂部材の難燃化に優れたコーティング剤及びこれを用いた難燃性の合成樹脂部材を提供する。
【解決手段】本発明の難燃性合成樹脂部材は、厚さ３ｍｍの合成樹脂部材としての板状アクリル樹脂の表面全体に本発明のコーティング剤層が乾燥質量５０ｇ／ｍ^２で積層されており、該コーティング剤層の表面には、保護層としての厚さ１００μｍのアクリル樹脂層が形成されている。前記コーティング剤は合成樹脂部材の表面に塗装して皮膜を形成するものであって、該コーティング剤が化学式：Ｋ_２Ｏ／ｎＳｉＯ_２（ｎ＝１．９〜３．７）で示される珪酸カリウムの水溶液を含有し、該水溶液のｐＨが１０．０〜１３．８であることが必要である。
【選択図】なし

Description

本発明は、合成樹脂部材の難燃化に用いるコーティング剤及びそのコーティング剤を用いた難燃性合成樹脂部材に関する。

従来、合成樹脂部材を難燃化に効果があるコーティング剤としては、以下のようなものがある。
例えば、特許文献１には、（ａ）アミンシリケートをＳｉＯ２換算で３〜１５重量部、（ｂ）合成樹脂０．５〜８重量部、（ｃ）銀、銅および微粒子状酸化チタンの群から選ばれた少なくとも１種を、銀もしくは銅原子換算で０．００２〜２重量部または酸化チタン換算で３〜２５重量部、（ｄ）平均粒径または平均長さが０．０１〜５０μｍである非水溶性の無機充填材１５〜７５重量部、ならびに（ｅ）水および／または親水性有機溶剤１５〜７５重量部〔ただし、（ａ）＋（ｂ）＋（ｃ）＋（ｄ）＋（ｅ）＝１００重量部〕を主成分としたものが示されている。

もう一例として、特許文献２には、合成樹脂１００重量部に対して、層状珪酸塩１〜４０重量部及びヒンダードアミン系化合物０．１〜１０重量部を配合したものが示されている。

ところが、これらのコーティング剤は合成樹脂部材の表面に被覆した場合に、合成樹脂部材に難燃性を付与する効果が十分でなかった。

また、特許文献３には、有機質発泡プラスチック成型体において、プラスチックビーズまたはプラスチック発泡体を製造した後、アルカリ土類金属化合物またはアルカリ土類金属化合物を含む物質、または、酸の中で選ばれた１種以上のものとケイ酸塩とを改質して、前記プラスチックビーズまたはプラスチック発泡体にコーティングした後、熱と圧力を加え融着・結合させて成型し、乾燥させて製造したものが示されている。

ところが、この方法では、不燃性の合成樹脂部材を得るために、熱と圧力を加えるといった複雑な工程が必要であった。

特開平１０−２９８４５１号公報特開２００３−２６９３８号公報国際公開の再公表特許ＷＯ２００７／０９１８５３号公報

上記したように、従来のコーティング剤では、合成樹脂部材に難燃性を付与する効果が十分でなかったり、不燃性の合成樹脂部材を得るために複雑な工程が必要であったりといった問題があった。

本発明は、合成樹脂部材の表面に被覆することにより、容易に、合成樹脂部材を難燃化するコーティング剤を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、合成樹脂部材の表面にコーティング層を形成するために用いるコーティング剤であって、化学式：Ｋ_２Ｏ／ｎＳｉＯ_２（ｎ＝１．９〜３．７）で示される珪酸カリウムの水溶液を含有し、コーティング層１００質量部に占める珪酸カリウムの含有量が５０質量部以上であることを特徴とする合成樹脂部材の難燃化コーティング剤である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、難燃化コーティング剤のｐＨが１０．０〜１３．８であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、合成樹脂部材の表面の一部又は全面が、請求項１又は２に記載のコーティング剤によって形成されたコーティング層によって被覆されていることを特徴とする難燃性合成樹脂部材である。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、コーティング層によって被覆された部分の表面積１ｍ^２あたりのコーティング層の質量が５〜１５０ｇであることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、合成樹脂部材の表面に被覆することにより、容易に合成樹脂部材を難燃化することができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１の発明の効果に加え、難燃化コーティング剤に非結晶質シリカの沈殿が生じ難くなる。

請求項３に記載の発明によれば、難燃化された合成樹脂部材が得られる。

請求項４に記載の発明によれば、請求項３の発明の効果に加え、合成樹脂部材が特に難燃性に優れる。

本発明の難燃化コーティング剤は、合成樹脂部材の表面に塗装して乾燥硬化させることによってコーティング層を形成し、合成樹脂部材を難燃化するために用いる。

この難燃化コーティング剤によってコーティング層を形成することによって、合成樹脂部材の難燃性を大きく向上させることができる。また、塗装後に常温環境下で静置しておいてもコーティング層を形成できるため、特に複雑な工程を必要としない。

前記合成樹脂部材とは、合成樹脂製の成形体をいい、その素材は、任意に設定することができる。合成樹脂部材を構成する合成樹脂としては、例えば、メタクリル樹脂、アクリル樹脂、ポリアミド樹脂、塩化ビニル樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂、シリコーン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリスチレン樹脂等の熱可塑性樹脂や、フェノール樹脂、メラミン樹脂、アミノ樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、フッ素樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることができる。これらは単独で用いても良く、２種類以上を混合又は共重合して用いても良い。また、これらをビーズ発泡又は連続発泡等の方法で発泡させた発泡樹脂として用いても良い。

また、合成樹脂以外の素材との複合素材であっても前記難燃化コーティング剤を適用する部分が合成樹脂で構成されているものは、合成樹脂部材とする。例えば、無機材料や金属製の基材の表面を合成樹脂層で覆ったものや、金属繊維やガラス繊維を用いた繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）なども、難燃化コーティング剤を塗装する部分が合成樹脂であれば合成樹脂部材とする。

前記合成樹脂部材の形状は任意に設定することができる。例えば、板状、棒状、球状、円錐状、角錐状、ばね状、フィルム状、円筒状等が挙げられる。また、その厚さも任意に設定することができる。

前記難燃化コーティング剤は、合成樹脂部材の表面全面に塗装するだけでなく、合成樹脂部材の表面の一部分にだけ塗装しても良い。例えば、直接火にさらされるたり、熱の影響を大きく受けたりする部分にだけ難燃化コーティング剤を塗装して、熱の影響が小さい部分には、難燃化コーティング剤を塗装しないこともある。

前記難燃化コーティング剤は、化学式：Ｋ_２Ｏ／ｎＳｉＯ_２（ｎ＝１．９〜３．７）で示される珪酸カリウムの水溶液を含有する。珪酸カリウムを用いることにより、難燃化コーティング剤によって形成されるコーティング層は遮炎性に優れ、また、合成樹脂部材の表面に被覆した場合の皮膜形成に優れる。なお、コーティング層が遮炎性を有することによって、合成樹脂部材に難燃性を付与する効果が得られる。

前記の化学式：Ｋ_２Ｏ／ｎＳｉＯ_２におけるｎの値は、好ましくは、ｎ＝１．９〜３．７であり、より好ましくはｎ＝２．２〜３．０、最も好ましくはｎ＝２．５〜２．８である。この範囲にあるときコーティング層が遮炎性に優れ、合成樹脂部材を難燃化しやすい。ｎ＝１．９未満の場合には遮炎性が十分でない。逆にｎ＝３．７を超える場合には合成樹脂表面に被覆した場合の皮膜形成が十分でないため、コーティング層に欠損が生じやすく、その欠損によって十分な遮炎性が得られない恐れがある。

難燃化コーティング剤が乾燥硬化して形成されるコーティング層１００質量部に占める珪酸カリウムの含有量は、好ましくは５０質量部以上であり、より好ましくは７０以上質量部、最も好ましくは７５質量部以上である。この範囲にあるとき、合成樹脂部材の難燃化に優れる。コーティング層１００質量部に占める珪酸カリウムの含有量が少なすぎると、合成樹脂部材を十分に難燃化できない。なお、コーティング層１００質量部に占める珪酸カリウムの含有量は１００質量部でもかまわないが、コーティング剤として塗装しやすい粘性のものを得るためには、増粘剤などを添加する必要があるため、コーティング層１００質量部に占める含有量は９８質量部までに抑えておくとよい。

前記難燃化コーティング剤のｐＨは、好ましくは１０．０〜１３．８であり、より好ましくは１０．５〜１３．０、最も好ましくは１１．０〜１２．５である。この範囲にあるとき、モノマーとポリマーの珪酸イオンの安定溶液を存在させることができる。ｐＨが１０．０未満の場合には非結晶質シリカの沈殿が生じてしまう。逆に１３．８を超えると皮膚刺激性が高まって取り扱いに注意が必要となるため好ましくない。

前記コーティング層の単位面積当たりの質量は、合成樹脂部材のコーティング層によって被覆された部分の表面積１ｍ^２あたりに好ましくは５〜１５０ｇであり、より好ましくは１０〜１００ｇであり、最も好ましくは３０〜７５ｇである。この範囲にあるとき合成樹脂部材の難燃化に優れる。難燃化コーティング剤の表面積１ｍ^２あたりの質量５ｇ未満の場合には遮炎性が十分でないため、合成樹脂を難燃化する効果が十分でない。逆に、１５０ｇを超える場合には外部からの衝撃などによってコーティング層にひび割れ等の欠損が生じ易く、その欠損によって十分な遮炎性が得られない恐れがある。

前記難燃化コーティング剤には、前記の珪酸カリウム以外にも以下の成分を含有させてもよい。

例えば、増粘剤として、カルボキシメチルメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース等のセルロース、カゼイン等のタンパク質、キサンタンガム、グァーガム、タラガム等の多糖類等を用いることができる。また、特に厳しい燃焼性が要求される場合には、これらを使用しない方がより難燃性の高い合成樹脂部材を得易い。

また、難燃化コーティング剤の凍結防止、及び増粘剤のコーティング剤中への混和性の向上を目的として水溶性溶剤を含有させてもよい。例えば、プロピレングリコール、エチレングリコール等のグリコール類、イソプロピルアルコール、ブタノール等のアルコール類を用いることができる。

また、コーティング層に着色が必要な場合には、通常のコーティング剤に用いる着色顔料を任意に設定して添加することができる。例えば、ベンガラ、オーカー等の酸化鉄、酸化チタン等が挙げられる。なお、着色顔料は無機材料であることが好ましい。着色顔料が無機材料であることにより、合成樹脂部材の難燃性を向上させることができる。

上記成分の他にも、この発明の効果を損なわない範囲内において、従来、コーティング剤に配合される各成分を添加することができる。例えば、炭酸カルシウム、水酸化アルミニウム、酸化チタン、アルミナ、シリカ、無機繊維、ロックウールなどの充填材、分散剤、湿潤剤等の界面活性剤、造膜助剤、防凍剤等の溶剤、消泡剤、着色顔料、体質顔料、金属石鹸、安定剤、粘度・粘性調整のための増粘剤、防腐剤、防黴剤等が挙げられる。

なお、珪酸カリウム以外の成分を含有させる場合において、コーティング層中の有機成分の量が多すぎると、コーティング層の遮炎性が低下して、合成樹脂部材を十分に難燃化できない恐れがあるので、コーティング層１００質量部に占める有機成分の含有量は、好ましくは２０質量部以下、より好ましくは１０質量部以下である。最も好ましくは、有機成分の含有量が０質量部であり、難燃性が特に高い合成樹脂部材を得易い。

前記難燃化コーティング剤の塗装方法は特に限定されず、例えば、一般的な塗料の塗装方法によって塗装することができる。例えば、刷毛、ローラー、エアスプレー、エアレススプレー、フローコーター、ロールコーター等の塗装器具や塗装機を用いて塗装できる。また、塗装器具や塗装機を用いないでディッピング等によって塗装してもよい。

難燃化コーティング剤は塗装後に常温で静置しておいても、乾燥硬化してコーティング層を形成するが、加熱乾燥させてもよい。例えば、８０℃程度の温度で加熱することによって、速やかにコーティング層を形成することもできる。

以上のように合成樹脂部材の表面に形成されたコーティング層には、コーティング層を外部からの水や衝撃から保護するために、コーティング層の表面に更に保護層を設けることが好ましい。保護層は、コーティング層に降雨・高湿度を含めた水との接触する恐れや外部からの衝撃を受ける恐れが少ない場合には省略することができる。

前記保護層の組成や厚みなどは任意に設定することができる。
例えば、合成樹脂塗料などによって形成された樹脂層、或いは樹脂を主成分とする層が挙げられる。保護層に用いられる樹脂としては、メタクリル樹脂、アクリル樹脂、ポリアミド樹脂、塩化ビニル樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂、シリコーン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリスチレン樹脂等の熱可塑性樹脂や、フェノール樹脂、メラミン樹脂、アミノ樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、フッ素樹脂等の熱硬化性樹脂、ブチルゴム、加硫ゴム等の合成ゴム等が挙げられる。これらは単独で用いても良く、２種類以上を混合又は共重合して用いても良い。

これらの樹脂の中でも、アクリル樹脂を用いるとコーティング層をより強固に保護することができる。アクリル樹脂のモノマーとしては、例えば、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸ブチル、アクリル酸、アクリル酸２−エチルヘキシル、アクリル酸ブチル、アクリル酸エチル、アクリル酸メチル、アクリル酸ターシャリーブチル、メタクリル酸シクロヘキシル、４−ヒドロキシブチルアクリレート等が挙げられる。これらは単独で用いても良いし、２以上を共重合して用いても良い。

また、上記した樹脂以外のもので層を構成してもよく、例えば、ガラス板、積層ガラス板、合わせガラス板等のガラス板を保護層としてもよい。ガラス板を用いることにより、コーティンス層に対する保護効果に優れる。

なお、前記保護層はシリカやアルミナなどに代表される無機材料を合成樹脂の表面に被覆した複合樹脂であることが好ましい。前記保護層が複合樹脂であることにより、保護層の発熱量を抑えることができるため、保護層によって合成樹脂部材の難燃性が損なわれ難い。前記複合樹脂としては例えば、特開２０１０−１６８４４２号公報、特開平３−１０６９４８号公報等が挙げられる。

前記保護層を難燃化コーティング剤によるコーティング層の表面に積層する方法としては、塗料の形態にして塗装して用いても良いし、フィルム又は板状の形態にして接着剤等で貼り付けても良い。

前記保護層の厚みは好ましくは１０〜２０００μｍ、より好ましくは２０〜１５００μｍ、最も好ましくは５０〜１０００μｍである。この範囲にあるときコーティング剤層の保護性能に優れる。保護層の厚みが１０μｍ未満の場合には保護効果が十分でない。逆に、２０００μｍを超えると、樹脂製の保護層を形成した場合には、保護層が燃える際の熱量が大きいため、難燃化コーティング剤による難燃性が十分発揮できない。

前記難燃化コーティング剤によって表面にコーティング層が形成された合成樹脂部材は、熱の影響を受けた際には以下のようにして効果を発揮する。

熱の影響を受けた場合の一例として、合成樹脂部材が火炎に曝された際の難燃化の機構について説明する。コーティング層が形成された合成樹脂部材は、火炎に曝されるとコーティング層が発泡して多孔質な層となって、火炎から合成樹脂部材への熱伝導を妨げる。また、コーティング層は遮炎性を有しており、火炎が直接、合成樹脂部材にあたることがない。そのため合成樹脂部材が難燃化される。

また、合成樹脂部材が樹脂製の保護層を有する場合には、火炎に曝されると保護層が溶解（或いは分解・炭化）するとともに、コーティング層が発泡して多孔質な層となって、火炎から合成樹脂部材への熱伝導を妨げる。

また、ガラスなどの不燃性の保護層を有する場合には、保護層を残したままコーティング層が発泡して多孔質な層となる。このとき、保護層も遮炎性を有し、保護層とコーティング層によってより強固に遮炎されるため、合成樹脂部材は特に難燃性に優れる。

本発明の難燃性合成樹脂部材の用途としては特に限定されないが、例えば、断熱材、吸音材、緩衝材、建材、土木材料、太陽電池のフロントパネル、太陽電池のフロントシート、太陽電池のバックシート等の合成樹脂部材として用いることができる。

（実施形態）
本発明の難燃化コーティング剤及びそれを用いた難燃性合成樹脂部材の具体的な製造例を以下に記す。
まず、下記の原材料を混合攪拌して以下に示す配合の難燃化コーティング剤を得た。
珪酸カリウム水溶液としてＫ_２Ｏ／２ＳｉＯ_２で示される珪酸カリウム水溶液（不揮発分１５質量％）、増粘剤としてキサンタンガム、添加剤としてポリエチレングリコール（水溶性溶剤）、充填材として四酸化三鉄（着色顔料）を用いた。
難燃化コーティング剤の配合：珪酸カリウム水溶液１００質量部、キサンタンガム２質量部、ポリエチレングリコール８質量部、四酸化三鉄３質量部。

この難燃化コーティング剤を用いて、以下の難燃性合成樹脂部材を作製した。
２０ｃｍ×２０ｃｍ×厚さ３ｍｍの板状アクリル樹脂を合成樹脂部材として、その表面全体に難燃化コーティング剤を塗装用ローラーを用いて塗装し、難燃化コーティング剤を乾燥硬化させてコーティン層を形成した。コーティング層の単位面積当たりの質量は５０ｇ／ｍ^２であった。
更に、コーティング層の表面にアクリル樹脂塗料を塗装して、保護層として厚さ１００μｍのアクリル樹脂層を形成した。

まず、表１に配合を示すコーティング剤を調製した。
表１の配合は、各原材料の配合量を質量部で記したものである。原材料としては、ケイ酸カリウム水溶液以外には、増粘剤としてキサンタンガム、防凍剤としてエチレングリコール、着色顔料として酸化チタンを用いた。
なお、表１においては、ケイ酸カリウム水溶液中の不揮発分をケイ酸カリウムとして記載し、ケイ酸カリウム水溶液中の水分を水として記載している。また、ケイ酸カルシウムの欄における括弧内の数値は、ケイ酸カリウムの化学式：Ｋ_２Ｏ／ｎＳｉＯ_２におけるｎの値である。
また、表１には、コーティング剤のｐＨも記載した。また、各コーティング剤によってコーティング層を形成した場合におけるコーティング層１００質量部に占める珪酸カリウムの含有量（質量部）も記載した。

表１に記載したコーティング剤のうち、コーティング剤１〜４は本発明の難燃化コーティング剤に該当する。コーティング剤５はケイ酸カリウムの化学式におけるｎの値が本発明の難燃化コーティング剤よりも小さく、コーティング剤６はｎの値が本発明の難燃化コーティング剤よりも大きい。

表１に示すコーティング剤を表２〜５に記載の各合成樹脂部材の表面全体に塗装して、乾燥硬化させて合成樹脂部材の表面にコーティング層を形成した。また、いくつかの部材には保護層も形成した。
その詳細を表２〜６に記載する。表２〜５には、合成樹脂部材の素材と形状（括弧内に記載）、コーティング層の形成に用いたコーティング剤の種類と塗装部分における単位表面積あたりのコーティング層の質量（括弧内に記載）、保護層の素材と厚み（括弧内に記載）を記載している。なお、合成樹脂部材については、３０ｃｍ×３０ｃｍの板状の部材を使用しており、括弧内にはその厚みのみを記載する。

上記したコーティング剤及び合成樹脂部材について、以下の項目について試験を行なった。

（貯蔵安定性）
コーティング剤１〜６を調整した後、各コーティング剤を約５００ｃｃずつ容器に入れて密封し、温度２３℃の環境下で７日間貯蔵した。その後、容器を開けてコーティング剤の状態を目視により観察した。
その結果、コーティング剤１〜５には特に異常はみられなかったが、コーティング剤６ではコーティング剤が分離して沈殿物がみられた。

（成膜性）
合成樹脂部材にコーティング剤を塗装してコーティング層を形成した後、保護層を形成する前に、コーティング層の状態を目視によって観察した。
実施例１〜１８及び比較例５の合成樹脂部材では、コーティング層に特に異常はみられなかったが、比較例６の合成樹脂部材では、コーティング層にひび割れがみられた。

（耐衝撃性）
合成樹脂部材としてアクリル樹脂板を用い、保護層を設けなかったものについては、下記の方法でコーティング層の耐衝撃性を確認した。
ＪＩＳＡ１４０８に規定された砂上全面支持法によって、水平に保持した合成樹脂部材の表面に、２００ｇの鉄球を３０ｃｍの高さから落下させた後、コーティング層の状態を目視によって観察した。
試験の結果を表６に示す。

（難燃性）
合成樹脂部材をガスバーナーで炙って、合成樹脂部材に着火するまでの時間を測定した。なお、合成樹脂部材の表面からガスバーナーの口までの距離は５ｃｍとなるようにした。
各合成樹脂部材に着火するまでの時間を表６に示す。

Claims

合成樹脂部材の表面にコーティング層を形成するために用いるコーティング剤であって、化学式：Ｋ_２Ｏ／ｎＳｉＯ_２（ｎ＝１．９〜３．７）で示される珪酸カリウムの水溶液を含有し、コーティング層１００質量部に占める珪酸カリウムの含有量が５０質量部以上であることを特徴とする合成樹脂部材の難燃化コーティング剤。
前記難燃化コーティング剤のｐＨが１０．０〜１３．８であることを特徴とする請求項１に記載の合成樹脂部材の難燃化コーティング剤。
合成樹脂部材の表面の一部又は全面が、請求項１又は２に記載のコーティング剤によって形成されたコーティング層によって被覆されていることを特徴とする難燃性合成樹脂部材。
前記コーティング層によって被覆された部分の表面積１ｍ^２あたりのコーティング層の質量が５〜１５０ｇであることを特徴とする請求項３に記載の難燃性合成樹脂部材。