UV硬化コーティングの入門

過去数十年間の取り組みは、大気中に放出される溶剤の量を削減することでした。これらはVOC（揮発性有機化合物）と呼ばれ、実質的にはアセトンを除く、私たちが使用するすべての溶剤が含まれます。アセトンは光化学反応性が非常に低いため、VOC溶剤として除外されています。

しかし、溶剤を完全に排除し、最小限の労力で優れた保護効果と装飾効果を得られるとしたらどうでしょうか?
それは素晴らしいことです。そして、実現可能です。これを可能にする技術はUV硬化と呼ばれています。1970年代から、金属、プラスチック、ガラス、紙、そして最近では木材など、あらゆる素材に利用され始めています。

UV硬化コーティングは、可視光線のすぐ下、つまりナノメートル領域の紫外線を照射することで硬化します。その利点としては、VOC（揮発性有機化合物）の大幅な削減または完全除去、廃棄物の削減、必要な床面積の削減、即時の取り扱いと積み重ね（乾燥ラックは不要）、人件費の削減、生産速度の向上などが挙げられます。
2つの大きなデメリットは、設備の初期費用が高いことと、複雑な3Dオブジェクトの仕上げが難しいことです。そのため、UV硬化への参入は、ドア、パネル、床材、トリム、組み立て済み部品など、比較的平坦なオブジェクトを製造する大規模な工場に限られています。

UV硬化型仕上げを理解する最も簡単な方法は、おそらく皆さんもよくご存知の一般的な触媒型仕上げと比較することです。触媒型仕上げと同様に、UV硬化型仕上げには、塗膜を形成するための樹脂、希釈剤としての溶剤または代替物、架橋を開始して硬化を促す触媒、そして特殊な特性を付与するためのつや消し剤などの添加剤が含まれています。

エポキシ、ウレタン、アクリル、ポリエステルの誘導体を含む、多数の主要な樹脂が使用されます。
いずれの場合も、これらの樹脂は非常に硬く硬化し、触媒ワニス（コンバージョンワニス）と同様に溶剤や傷に強いです。そのため、硬化した塗膜が損傷した場合、目に見えない修復は困難です。

UV硬化型塗料は、液体状で100%固形分となる場合があります。つまり、木材に塗布される塗料の厚さは、硬化後の塗膜の厚さと同じです。蒸発するものは何もありません。しかし、主成分の樹脂は粘度が高すぎて塗布しにくいため、メーカーは粘度を下げるために、より小さな反応性分子を添加します。蒸発する溶剤とは異なり、添加されたこれらの分子はより大きな樹脂分子と架橋して塗膜を形成します。

シーラーコートなど、薄い塗膜が必要な場合は、溶剤や水を希釈剤として添加することもできます。ただし、スプレー塗装を可能にするためには通常は必要ありません。溶剤や水を添加した場合は、UV硬化が始まる前に、それらを蒸発させるか、オーブンなどで蒸発させる必要があります。

触媒
触媒を加えると硬化が始まる触媒ワニスとは異なり、紫外線硬化型仕上げ剤に含まれる「光開始剤」と呼ばれる触媒は、紫外線エネルギーにさらされるまでは何もしません。紫外線エネルギーにさらされると、コーティング剤中のすべての分子を結合させる迅速な連鎖反応を開始し、塗膜を形成します。

このプロセスこそが、UV硬化型仕上げ剤の非常にユニークな点です。この仕上げ剤には、実質的に保存期間やポットライフがありません。紫外線に当たるまでは液体のままで、数秒以内に完全に硬化します。ただし、日光は硬化を早める可能性があるため、このような紫外線への曝露を避けることが重要です。

UVコーティングの触媒は、1つではなく2つの要素から構成されると考えた方が分かりやすいかもしれません。コーティング剤には既に光開始剤（液状塗料の約5%）が含まれており、それを活性化させる紫外線エネルギーがあります。この両方がなければ何も起こりません。

この独自の特性により、紫外線照射範囲外のオーバースプレーを回収し、仕上げ材として再利用することが可能になります。そのため、廃棄物をほぼ完全に排除できます。
従来のUVライトは、水銀灯と楕円形の反射板を組み合わせたもので、光を集光して対象物に照射します。その目的は、光を集中させ、光重合開始剤の活性化効果を最大限に高めることです。

ここ10年ほどで、LED（発光ダイオード）が従来の電球に取って代わり始めています。LEDは消費電力が少なく、寿命がはるかに長く、発熱が少なく、波長範囲が狭いため、問題を引き起こすような熱をほとんど発生しないからです。この熱は、松などの木材に含まれる樹脂を液化させる可能性があるため、熱を排出する必要があります。
しかし、硬化プロセスは同じです。すべてが「視線」です。仕上げ材は、UV光が一定の距離から照射された場合にのみ硬化します。影になっている部分や光の焦点から外れている部分は硬化しません。これが、現時点でのUV硬化における重要な限界です。

複雑な物体、例えばプロファイル成形品のようにほぼ平面なものであっても、コーティングを硬化させるには、コーティングの配合に合わせて、すべての表面に一定の間隔で光を照射するように配置する必要があります。これが、UV硬化仕上げが施されるプロジェクトの大半が平面物体である理由です。

UV コーティングの塗布と硬化に一般的に使用される 2 つの方法は、フラット ラインとチャンバーです。
フラットラインでは、平面またはほぼ平面の物体がコンベア上を移動し、スプレーやローラーの下、あるいは真空チャンバーを通過します。その後、必要に応じてオーブンで溶剤や水分を除去し、最後にUVランプの列の下で硬化させます。その後、物体はすぐに積み重ねられます。

チャンバー内では、対象物は通常吊り下げられ、コンベアに沿って同じ工程で搬送されます。チャンバーを使用することで、すべての面を一度に仕上げることができ、複雑でない立体的な対象物の仕上げも可能です。

もう 1 つの可能性としては、ロボットを使用して UV ランプの前でオブジェクトを回転させたり、UV ランプを保持してその周囲にオブジェクトを移動させたりすることが挙げられます。
サプライヤーが重要な役割を果たす
UV硬化型コーティング剤や装置の場合、触媒ワニスよりもサプライヤーとの連携がさらに重要になります。主な理由は、調整が必要な変数の数が多いためです。これには、電球やLEDの波長と対象物からの距離、コーティング剤の配合、そして仕上げラインを使用する場合はライン速度などが含まれます。