水性ポリウレタンのマット加工技術と開発展望

水性ポリウレタンとマット加工技術

水性ポリウレタンポリウレタン樹脂は、水中に溶解した水溶液、分散液、または乳化液として存在し、建築、家具、自動車、皮革製品、家電製品など、様々な分野の装飾コーティング用途に広く使用されています。低光沢またはマット仕上げの水性ポリウレタンコーティングが求められる特定の用途では、マット仕上げ技術が特に重要になります。

△ マット効果を実現する方法

現在、塗料における艶消し効果は、主に艶消し剤の添加と樹脂自体の自己艶消し化という2つのアプローチで達成されています。しかし、艶消し剤のみに頼ると、光沢低減効果はあるものの、艶消し剤の沈降、エマルジョン安定性の低下、分散不良による光沢ムラなどの問題が生じる可能性があります。そのため、外部から艶消し剤を必要としない自己艶消し樹脂や、マイクロスフィア型水性ポリウレタン艶消し樹脂への注目が高まっています。

△ マット剤添加原理

では、マット加工とは何でしょうか？その核心は、塗膜に微細な凹凸を作ることです。この凹凸に光が当たると、拡散反射が起こり、鏡面反射が抑制され、光が様々な方向に散乱することで、最終的にマット効果が得られます。物体表面におけるこの光の反射現象は、図1に示されています。マット剤は、塗膜の光沢を変化させる物理的な手段です。乾燥過程で水分が蒸発すると、マット剤が表面に移動し、微細な凹凸を作り出します。これにより表面粗度が増加し、鏡面反射が減少します。

△シリカマット剤の種類

一般 マット剤 シリカ系艶消し剤には、金属石鹸、ポリマーワックス、タルク、シリカ（SiO₂）などがあります。しかし、金属石鹸やポリマーワックスは溶液の表面に浮き、塗膜の光沢にムラが生じることがあります。また、水系樹脂に対する分散性や相溶性が悪く、解乳化やゲル化を引き起こす可能性があります。一方、無機化合物であるシリカは、改質が容易で、水系ポリウレタン系に優れた分散性を示すなどの利点があります。シリカ系艶消し剤には、フュームドシリカ、沈降シリカ、シリカエアロゲルなどがあります。フュームドシリカは、表面に水酸基を持ち、水が吸着した超微粉末で、粒子サイズが小さく、比表面積が大きく、表面活性が高いのが特徴です。沈降シリカは、球形粒子に様々な水酸基を持つ白色の非晶質含水ケイ酸粉末で、フュームドシリカに比べて性能が優れ、製造プロセスが簡単で、エネルギー消費量が少なく、用途が広いなどの特徴があります。軽量ナノスケール多孔質ゲル固体材料であるシリカエアロゲルは、優れた構造、大きな比表面積、高い細孔容積、狭い細孔サイズ分布、および優れた透明性が特徴です。

△ 化学的にマットなポリウレタンの原理

マット化は化学的手法でも実現可能であり、光吸収化合物を化学反応によってコーティング樹脂に導入することで、コーティング膜の光学特性を変化させます。自己マット化樹脂とは、外部マット化パウダーやワックスを添加することなく、塗膜形成時にマットな表面を形成するコーティング樹脂を指します。これらの成分はマット化剤粒子に類似した物理化学的性質と官能基を有するため、他の樹脂と混合した際に良好な相溶性と一貫した屈折率が得られ、外部マット化剤に伴う問題を効果的に解決します。さらに、外部マット化剤はコーティングマトリックスの屈折率と異なる場合が多いため、マット化と透明性のバランスをとることが難しく、特定の用途への適合性が制限されます。そのため、外部マット化剤に依存しない自己マット化コーティング樹脂が広く注目を集めています。そのマット化メカニズムは、主にポリマー合成中に、有機ケイ素修飾や架橋修飾などによって相溶性のない粒子を導入することです。例えば、有機ケイ素修飾水性ポリウレタンマット化樹脂では、塗膜形成中に疎水性シリコーンセグメントがコーティング膜表面に移行し、微視的に粗い表面を形成します。これにより、ポリウレタンに有機と無機の両方の特性が付与され、耐水性、熱安定性、および機械特性が効果的に向上します。架橋修飾により、ポリウレタンの線状構造が変化し、ポリウレタン高分子の緻密な架橋ネットワークが形成されます。これによりポリウレタンエマルジョンの粒子径が大きくなり、乾燥時に大きな粒子が積み重なって粗い表面を形成します。さらに、この緻密な架橋ネットワークは、水性ポリウレタンの耐熱性、耐水性、耐薬品性を大幅に向上させます。

研究者らは、後鎖伸長法を用いて、内部架橋された変性水性ポリウレタン自己艶消し樹脂エマルジョンの調製に成功した。得られたフィルムは粗い表面特性を示した。図2は、架橋剤添加量（0.35%、0.45%、0.55%、0.65%）を変化させたフィルムの走査型電子顕微鏡（SEM）像を示し、それぞれステージa、b、c、dとラベル付けされている。これらのエマルジョンは平均粒子径が1μmを超え、60°の角度で光沢度が約2.0であり、艶消しの要件を完全に満たしている。