JP7560971B2 - 粉体塗装物の製造方法及び製造設備 - Google Patents

Description

本発明は、粉体塗装物の製造方法及び製造設備に関するものである。

近年、環境保護の観点から、有機溶剤の大気中への放出は大きな問題になっており、塗料業界においても従来の有機溶剤型塗料に代わり得るものとして、排気処理・廃水処理が不要で回収再利用も可能な環境に優しい塗料として粉体塗料への期待が高まっている。

特開２００５－２１８９９８号公報

粉体塗料が熱硬化性の場合には、熱を加えることにより架橋反応して硬化するので、被塗物に粉体塗料を付着させた後に、一定温度の雰囲気に一定時間置いて溶融・硬化させる、すなわち焼付けをする必要があり、特許文献１に記載のような極低速の熱風を炉内で循環させる熱風循環式乾燥炉が焼付け用に用いられている。
而して、焼付け温度は比較的高いため、昇温まで時間が掛かる。そのため、複数の粉体付着物を順次連続的に乾燥炉を通過させるようにすると、炉長が長くなり、その分製造設備の規模が大きくなる。また、粉体塗料は昇温速度が遅いと溶融と硬化が部分的に発生して塗膜不良を生じさせる恐れがある。
これに対して、乾燥炉の前段に赤外線の照射炉を設置して、赤外線の照射により粉体付着物を焼付け温度まで速やかに昇温させることが提案されているが、赤外線の当たらない影となる部分があるとその部分が昇温不足となってしまう。

本発明は上記従来の問題点に着目して為されたものであり、粉体塗料が付着された粉体付着物を焼付け温度まで速やかに且つムラなく昇温できる昇温方法を組み込んだ、新規且つ有用な粉体塗装物の製造方法を提供することを、その目的とする。
また、本発明は、前記の製造方法の製造設備を提供することを、その目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために為されたものであり、［１］の発明は、被塗物に静電気を利用して粉体塗料を付着する粉体付着工程と、前記粉体付着工程の後に誘導加熱を施して前記被塗物との境界側を溶融させることで前記粉体塗料を仮止め溶着する仮止め溶着工程と、前記仮止め溶着工程の後に熱風の束を高速で吹付けて焼付け温度まで昇温する昇温工程と、前記昇温工程の後に前記粉体塗料を焼付けして粉体塗装物にする焼付け工程を備え、仮止め溶着された前記粉体塗料は、前記昇温工程において熱風の束の高速吹付けの衝撃に耐え得て飛び出しが阻止されることを特徴とする粉体塗装物の製造方法である。

［２］の発明は、［１］に記載した粉体塗装物の製造方法において、被塗物の厚さは、０．５ｍｍ以上であることを特徴とする製造方法である。

［３］の発明は、［１］または［２］に記載した粉体塗装物の製造方法において、仮止め溶着工程では、被塗物に施された粉体塗料の表面を５５℃以上８０℃未満まで加熱することを特徴とする製造方法である。

［４］の発明は、［１］から［３］のいずれかに記載した粉体塗装物の製造方法において、昇温工程では、焼付け温度よりも高い温度の熱風を、被塗物に施された粉体塗料の近傍の風速が５ｍ／ｓｅｃ以上になるように吹付けることを特徴とする製造方法である。

［５］の発明は、［１］から［４］のいずれかに記載の方法を実施するための粉体塗装物の製造設備であって、粉体付着工程を実施する塗装ブースと、仮止め溶着工程を実施する誘導加熱装置と、昇温工程を実施するジェット噴出式加熱装置と、焼付け工程を実施する均熱炉がライン化されて設置されており、被塗物が搬送されながら、各工程に順次供されることを特徴とする製造設備である。

［６］の発明は、［５］に記載した粉体塗装物の製造設備において、誘導加熱装置は粉体塗料が付着された被塗物を対向するワークコイルの間に通過させることで誘導加熱するものであり、溶着促進機構として、前記ワークコイルと前記被塗物の距離を変更できる距離変更手段及び／または前記ワークコイルを構成する複数のコイル要素どうしの上下方向の対向間隔を変更する間隔変更手段を備えることを特徴とする製造設備である。

本発明の製造方法によれば、粉体付着物を焼付け温度まで速やかに且つムラなく昇温できる昇温方法が組み込まれており、この製造設備では、塗装ブースの後段に設置する焼付けラインを短縮化できる。

本発明の実施の形態に係る製造設備のライン構成図である。 図１の誘導加熱装置の一対のワークコイルの構成図である。 図２の誘導加熱装置の概略的構成図である。 図２とは別例の誘導加熱装置の概略的説明図である。 図１のジェット噴出式加熱装置のイメージ的説明図である。 実施例で用いた粉体付着物の温度測定点を示す斜視図である。 実施例で得られた粉体付着物の昇温グラフである。

以下、本発明の実施の形態に係る粉体塗装物の製造方法を、ライン化して実現した製造設備と共に説明する。
本発明の被塗物は、誘導加熱を利用することから、導電性材料、主に金属製の物で構成されている。薄物の厚さは０．５～４．０ｍｍ、厚物の厚さはそれ以上になっているが、本発明では被塗物の厚さは０．５ｍｍ以上が対象になっている。すなわち、本発明では、薄物も厚物も同じように対象になっている。
粉体塗料は、従来から粉体塗装に使用されていたものならば、特に制限なく使用できる。粉体塗料は、高分子樹脂及び顔料等を主原料とする粉末状の固体で、有機溶剤が含まれていない。但し、大きく分けて熱可塑性系と熱硬化性系があり、熱硬化性系には、エポキシ系粉体塗料、ポリエステル系粉体塗料、エポキシポリエステル系粉体塗料、フッ素樹脂系粉体塗料、アクリル系粉体塗料などがあり、これらのタイプの粉体塗料を用いるときには通常付着した後に焼付けをして溶融・硬化をしていることから、現状では本発明ではこれらのタイプの使用が主に想定されている。

製造設備の内部では、被塗物（Ｗ）が治具に吊下げられたり、ベルトコンベアに着荷されたりして搬送されるようになっており、図１に示す製造設備１では、着脱エリアで治具に吊下げられて搬送路（Ｌ）上を搬送されている。なお、粉体が付着されると粉体付着物、仮止め溶着されると粉体溶着物、更に焼付けが完了すると粉体塗装物になるが、以下の記載では、説明の状況に応じて、被塗物（Ｗ１）、粉体付着物（Ｗ２）、粉体溶着物（Ｗ３）、粉体塗装物（Ｗ４）を使い分けている。

粉体付着の前に、油脂分や異物を除去し、塗料が密着し易い状態にするために、一例として湯洗～脱脂化成（リン酸鉄）～水洗１、２、３～水切～冷却の一連の処理が施されるが、慣用的な処理方法及び処理設備になっている。
この前処理が施された被塗物（Ｗ１）が投入エリアから塗装ブース３に投入される。

塗装ブース３では、被塗物（Ｗ１）に静電気を利用して粉体塗料を付着する粉体付着工程が実施される。この実施の形態では、静電乾式吹付け法が採用されており、被塗物（Ｗ１）の表面に粉体塗料を吹付けるようになっている。この方法によれば、静電ガンから帯電された粉体塗料が被塗物（Ｗ１）に向かって吹付けられて＋イオンと－イオンとの引力により粉体塗料が被塗物（Ｗ１）の表面に付着する。なお、その他に、静電気を用いたものとして、摩擦帯電式塗装があり、本発明ではいずれも採用可能になっている。

いずれの塗装法も従来から広く採用されており、静電乾式吹付け法を実施する塗装ブース３も慣用的な構成になっている。先ず、メイン吹付け部で被塗物（Ｗ１）の全体に粉体塗料を付着させ、更に、サブ吹付け部で微調整して粉体塗料の付着の均一化を図っている。
付着量は、最終的に得られる塗膜の厚さも、粉体塗装として慣用的な３０～１５０μｍ程度になるように調整される。

塗装ブース３から出てきた段階では、被塗物（Ｗ１）の表面に粉体塗料が付着して粉体付着物（Ｗ２）になっている。この粉体付着物（Ｗ２）が誘導加熱装置５に送られる。
誘導加熱装置５では、高周波誘導加熱を施して、被塗物（Ｗ１）と付着した粉体塗料との境界側を溶融して粉体塗料を被塗物（Ｗ１）に対して仮止め溶着させる仮止め溶着工程が実施される。
具体的には、特開２００５－２５９５７５号に記載の装置で構成されている。図２、図３に示すように、一対のワークコイル５ａ、５ａが銅線を通した柔軟性の有るチューブ５ｂで繋がれた状態で平行に立設されており、この一対のワークコイル５ａ、５ａの間を、粉体付着物（Ｗ２）が通過する。

高周波誘導加熱方式では、被塗物（Ｗ１）が加熱され、それに付着した粉体塗料が被塗物（Ｗ１）から熱を受けとって加熱されるようになっており、粉体塗料の溶融は被塗物（Ｗ１）との境界側から開始される。
本発明では、この仕組みを利用して、粉体塗料の全体ではなく、被塗物（Ｗ１）との境界側を溶融させることで、その溶融部分を接着剤として粉体塗料を被塗物（Ｗ１）に溶着させて仮止めさせており、仮止め溶着の強度は次の熱風の束を高速で吹付けて焼付け温度まで一気に昇温する昇温工程において粉体塗料が高速の熱風の衝撃を受けて飛び出さない程度であればよく、厚物でも仮止めであれば十分に目的を達成できる。

高周波誘導加熱だけでも焼付けは可能ではあるが、被塗物（Ｗ１）が厚物の場合には様々な形状やサイズに分かれており、一気に焼付けまでするとなると、加熱にバラつきが出やすい。一方、製造品種ごとにワークコイルの付け替えをするのはコストや作業上からも現実的ではない。
これに対して、本発明では、上記したように昇温の前段階用に利用しており、その段階用では上記したように厚物でも十分に対応可能になっている。

なお、誘導加熱装置５では、ワークコイル５ａの保持部材５ｃが開閉モータに連結されたボールねじ機構５ｄにより開閉方向に移動できると共に、開閉モータとボールねじ機構５ｄを中心移動モータ５ｅの駆動により一体に移動できる構成になっており、ワークコイル５ａと粉体付着物（Ｗ２）との距離を変更したり、高周波出力を変更したりできるようになっており、これらの変更手段の適用範囲内で被塗物（Ｗ１）の形状やサイズに応じて仮止め溶着状態を最適化することができる。すなわち、これらの変更手段は溶着促進機構として利用されている。

仮止め溶着工程での仮止め溶着の完了は、現在市販されている粉体塗料であれば、被塗物（Ｗ１）に施された粉体塗料の表面が５５℃以上８０℃未満まで到達していることが目安になっている。非接触式温度計等を使用した温度測定や予め蓄積された昇温データに基づいて時間管理で完了を把握できる。

誘導加熱装置５は、特開２０１２－１３８１７５号に記載の別例のものを使用してもよい。この装置では、高周波出力を変更できるだけでなく、図４に示すように、ワークコイル５ａを複数のコイル要素５ｆ、５ｆ……で構成し、それぞれ保持部材５ｇ、５ｇ……に保持させ、保持部材５ｇ、５ｇ、……を上下方向に移動させることでコイル要素５ｆ、５ｆ……どうしの上下方向の対向間隔をアーム部材５ｈの回動を利用して変更できるようになっており、この変更手段を利用することでも、この手段の適用範囲内で被塗物（Ｗ１）の形状やサイズに応じて仮止め溶着状態を最適化することができる。
なお、距離の変更手段と併用した構造にすることも技術的には可能であり、両方の変更手段を組み合わせたものを利用してもよいが、仮止め溶着の目的ではそこまでは必ずしも要求されていない。

誘導加熱装置５から出てきた粉体溶着物（Ｗ３）は、トンネル状の炉７に送られる。この炉７の上流側にはジェット噴出式加熱装置９が配置されており、先ず、昇温工程が実施されて、粉体溶着物（Ｗ３）は加熱されて焼付け温度まで昇温する。
ジェット噴出式加熱装置９はジェット噴射された熱風の束を被加熱物に衝突させて熱を伝えるもので、ジェットオーブンとも言われており、高い熱伝達率で熱エネルギーを被加熱物の表面に伝えることができる。この特徴を生かして、本発明では焼付け温度までの速やかな昇温を図っている。
このジェット噴出式加熱装置９では、図５に示すように、前後上下に配列された多数のノズル９ａ、９ａ、……のノズル群が左右で対向配置され、且つ、それぞれのノズル吹出し口が左右で対向している。この左右のノズル群の間を、粉体溶着物（Ｗ３）が通過する。従って、粉体溶着物（Ｗ３）はこの高速熱風の束の衝撃を左右両側から受け止めることになる。

粉体塗料の種類に応じて最適な焼付け状態を実現するために焼付け温度と焼付け時間の範囲が決まっているので、高速熱風の温度と風速は、仮止め溶着状態と装置能力を考慮して粉体溶着物（Ｗ３）を焼付け温度まで迅速に到達させるために最適設定される。
温度は粉体塗料の焼付け温度よりも幾分か高い温度、好ましくは２０～５０℃程度高い温度、例えば、２００～２５０℃程度に設定することが推奨される。温度は高いほど粉体溶着物（Ｗ３）に与える熱を増やすことができるが、高くなり過ぎると焼付け温度を超えて過熱してしまうから上限が設定されている。
風速は、ジェット噴射を効果的にするために粉体溶着物（Ｗ３）の近傍で５ｍ／ｓｅｃ以上になるように設定することが推奨される。風速は速いほど熱風の束の勢いが強くなるが、過剰に速くなると仮止め溶着の強度が衝撃に負けて粉体塗料が飛び出す恐れがあることから、１５ｍ／ｓｅｃ程度が上限になると想定されている。

仮止め溶着された粉体塗料はこの高速熱風の束を表面側から受けて内部を含めて全体が万遍なく溶融した状態で焼付け温度まで到達した後に、炉７の下流側に搬送される。
炉７の下流側は熱風循環式で、均熱加温・循環機器１１により、バーナー燃焼により加熱された空気が吹出しファンにより炉７内に吹出され、炉７内を循環して空気が吸込みファンの動作により炉７外に回収されて再び加熱されるようになっている。
炉７内では、風は極低速、具体的には０．１～１ｍ／ｓｅｃ程度で流れており、殆ど無風状態になっている。
粉体塗料の焼付けはこの雰囲気温度に一定時間、例えば１８０℃で２０分程度置かれることで進行する。

本発明の方法によれば、この焼付けに必要な雰囲気温度を焼付け温度までの昇温には利用しておらず、誘導加熱装置５及びジェット噴出式加熱装置９を利用して焼付け温度まで一気に昇温させており、炉７内を雰囲気温度に保持して粉体塗料の焼付け温度までの昇温も担わせていた場合に比べて、炉長が１/３程度まで短縮化が可能になっている。この短縮化分は誘導加熱装置５やジェット噴出式加熱装置９を新たに設置した分を差し引いても余りある。
しかも、迅速な昇温により、粉体特有の溶融と硬化の混ざりも避けられ、塗膜品質も良い。

以上、本発明の実施の形態について詳述してきたが、具体的構成は、上記の各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲における設計の変更があっても発明に含まれる。

上記の実施の形態に係る誘導加熱装置５（図２）と炉７内に設置したジェット噴出式加熱装置９を用いて、粉体付着物（Ｗ２）の仮止め溶着・昇温試験を行った。
粉体付着物（Ｗ２）は、図６に示す肉厚２ｍｍ、直径３２ｍｍ、長さ３０ｃｍの鋼管にエポキシ樹脂の粉体塗料を塗膜の厚さが１００μｍになるように付着したものである。
誘導加熱装置５で測定位置（Ｎｏ．１～Ｎｏ．４）全てが７０℃以上になった時点でジェット噴出式加熱装置９（２２０℃、風速１２ｍ／ｓｅｃ）に移動させて、焼付け温度である１８０℃まで昇温させた。図７の昇温グラフに示すように、誘導加熱装置５に入れて出し更にジェット噴出式加熱装置９に入れて最終的に焼付け温度まで昇温させるのに掛かった時間は５分程度であった。その後、均熱加温・循環機器１１により１８０℃で焼付けをすると、焼付けは１０分で終了した。すなわち、粉体付着物（Ｗ２）に対して、焼付け終了までに掛かった時間は１５分であった。

一方、均熱加温・循環機器１１により粉体付着物（Ｗ２）の温度を１８０℃まで昇温し、その後続けて焼付けをした場合に掛かった時間は３０分であった。すなわち、粉体付着物（Ｗ２）に対して、焼付け終了までに掛かった時間は３０分であった。
すなわち、本発明の方法によれば、焼付けまでの時間が大幅に短縮できるので、複数の粉体付着物（Ｗ２）を順次連続的に焼付けする製造設備における炉長を短くして、製造設備の規模をコンパクト化できる。
しかも、本発明の方法では昇温工程で衝撃を受けても粉体塗料の飛び出しは阻止され、且つ、硬化と溶融の混在も抑制されるので、粉体塗装物（Ｗ４）の塗膜が緻密化されて却って品質が向上している。

１…製造設備 ３…塗装ブース ５…誘導加熱装置 ５ａ…ワークコイル
５ｂ…チューブ ５ｃ…保持部材 ５ｄ…ボールねじ機構 ５ｅ…中心移動モータ
５ｆ…コイル要素 ５ｇ…保持部材 ５ｈ…アーム部材 ７…炉
９…ジェット噴出式加熱装置 ９ａ…ノズル １１…均熱加温・循環機器
Ｗ１…被塗物 Ｗ２…粉体付着物 Ｗ３…粉体溶着物 Ｗ４…粉体塗装物

Claims (5)

1. 被塗物に静電気を利用して粉体塗料を付着する粉体付着工程と、前記粉体付着工程の後に誘導加熱を施して前記被塗物との境界側を溶融させることで前記粉体塗料を仮止め溶着する仮止め溶着工程と、前記仮止め溶着工程の後に熱風の束を高速で吹付けて焼付け温度まで昇温する昇温工程と、前記昇温工程の後に前記粉体塗料を焼付けして粉体塗装物にする焼付け工程を備え、
   前記昇温工程では、焼付け温度よりも高い温度の熱風を、被塗物に施された粉体塗料の近傍の風速が５ｍ／ｓｅｃ以上になるように吹付け、
   仮止め溶着された前記粉体塗料は、前記昇温工程において熱風の束の高速吹付けの衝撃に耐え得て飛び出しが阻止されることを特徴とする粉体塗装物の製造方法。
2. 請求項１に記載した粉体塗装物の製造方法において、
   被塗物の厚さは、０．５ｍｍ以上であることを特徴とする製造方法。
3. 請求項１または２に記載した粉体塗装物の製造方法において、
   仮止め溶着工程では、被塗物に施された粉体塗料の表面を５５℃以上８０℃未満まで加熱することを特徴とする製造方法。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の方法を実施するための粉体塗装物の製造設備であって、
   粉体付着工程を実施する塗装ブースと、仮止め溶着工程を実施する誘導加熱装置と、昇温工程を実施するジェット噴出式加熱装置と、焼付け工程を実施する均熱炉がライン化されて設置されており、
   被塗物が搬送されながら、各工程に順次供されることを特徴とする製造設備。
5. 請求項４に記載した粉体塗装物の製造設備において、
   誘導加熱装置は粉体塗料が付着された被塗物を対向するワークコイルの間に通過させることで誘導加熱するものであり、
   溶着促進機構として、前記ワークコイルと前記被塗物の距離を変更できる距離変更手段及び／または前記ワークコイルを構成する複数のコイル要素どうしの上下方向の対向間隔を変更する間隔変更手段を備えることを特徴とする製造設備。
   

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