コーティングの流動性と均一性向上におけるエポキシ希釈剤の役割

コーティング粘度への影響におけるエポキシ希釈剤の理解

エポキシ希釈剤の定義および化学組成

エポキシ希釈剤は、比較的小さな分子を持つ添加剤として機能し、硬化特性を損なうことなく樹脂をより柔らかく（粘度を低く）します。これらの物質は通常、エポキシ基やグリシジルエーテルと呼ばれる反応性部位を含んでおり、硬化時にポリマー構造に組み込まれる特性を持っています。一方、単官能のもの（例：フェニルグリシジルエーテル）は分子間の架橋結合を少なくし、材料全体をより柔軟にします。一方で、ブタンジオールジグリシジルエーテルなどの二官能タイプは、粘度調整後でも構造の完全性をより良く維持します。製造業者は、柔軟性が必要か、または初期作業性を保ちつつ強度が必要かによって、これらのタイプを使い分けます。

エポキシ希釈剤が粘度を低下させて適用性を向上させる仕組み

希釈剤が混合されると、実際にはエポキシポリマーチェーンを結合している厄介な分子間力を分解するため、粘度が劇的に低下します。Ciechグループの2019年の研究によると、粘度が最大で60％も低下することがあります。これは実際にはどういう意味を持つのでしょうか？それは、すべての作業がより容易になるということです。材料がより良くスプレーされ、表面に均等に広がり、充填剤もより多く使用できるようになります。熱分析データを調べるとさらなる利点が見受けられます。これらの添加剤は、流動に必要な活性化エネルギーを約15〜20％も低下させるようです。つまり、コーティングは室温下でも均等に平滑化され、固体分を失うことがないため、製造ラインで品質基準を維持しようとしている製造業者にとって非常にありがたい特徴です。

反応性 vs. 非反応性エポキシ希釈剤：主な違いと用途

アリルグリシジルエーテルを含む反応性希釈剤は、硬化過程での架橋反応に実際に参加し、これによりショアD硬度が約85と高い硬度を維持し、完成したフィルムの耐薬品性を高めます。一方で、ベンジルアルコールなどの非反応性の希釈剤は、化学構造に組み込まれることなく一時的に粘度を低下させるだけです。2010年にパスコーが行った研究によると、こうした反応に関与しない添加剤は、完全硬化後にフィルム強度を12〜18パーセント低下させる可能性があります。この性能特性の違いにより、構造物用の長期耐久性を有する保護コーティングが必要な場合には、多くの専門家が反応性のフォーミュレーションを選択します。一方、非反応性の希釈剤は、迅速な剥離や短期間の保護が必要な用途において特有のニッチを持っています。

エポキシコーティングにおける流動性と均一性の科学

表面張力とコーティングの流動性・均一性における役割

エポキシコーティングが表面に広がり定着する仕組みは、表面張力の影響を非常に強く受けます。固体成分含量の高いシステムを使用する場合、通常は表面張力が30〜40ミリニュートン／メートルの範囲になります。これは、最終製品において面倒なクレーター（凹み）や嫌なオレンジピール（橙色の皮のような）のテクスチャーが生じる原因になります。エポキシ希釈剤を添加することで、この張力を10〜20％程度まで低下させることができ、コーティングが塗布対象にしっかりと付着し、より滑らかな仕上がりになります。これらの希釈剤には主に2種類あります。反応型は硬化中に実際の材料構造に結合することで働き、厄介な界面力のバランスを取るのを助けます。非反応型は持続性はそれほどありませんが、分子を一時的に分解して適切に広がれるようにする役割を果たします。

最適な均平性のための粘度と表面移動性のバランス

均一なレベリングを得るためには、粘度を適切に管理することが必要です。粘度が2000センチポアを越えると、材料は適切に流動しません。しかし、粘度が500cPを下回ると、垂れの問題が発生する可能性がはるかに高くなります。エポキシ系希釈剤はこのような場合に非常に効果的で、粘度を30〜50％程度まで低下させます。この希釈剤の優れている点は、固体分に影響を与えないことです。これにより、ゲル化が始まる前の重要な最初の5〜15分間、表面の移動性が向上します。昨年『Polymer Journal』に発表された研究もこれを裏付けており、このような調整がコーティング材が自ら均されることを助けていることが示されています。適切な塗布が非常に重要な高固体分工業用コーティングを使用する際には、当然理にかなっています。

高固体分エポキシ系でのレベリング性能の測定

材料が塗布中にどの程度均一になるかを測定するために、業界の専門家は通常、ASTM D4402規格に準拠した垂れ流し試験やレーザー表面形状測定技術などの標準試験に依存します。固体成分が高めの配合（固体分70％以上）においては、希釈剤を適切な量だけ添加した場合に、表面粗さを5マイクロメートル以下に抑えることができます。これは一般的な非希釈系と比較して実に60％向上しています。また、現場での試験でも興味深い結果が確認されています。垂直に塗布する際に、エポキシ希釈剤を8〜12％添加すると、均一化に必要な時間が約40％短縮されることがわかりました。このため、複雑な形状を持つ部品に均一なコーティングを施すことが特に重要となる用途において、これらの配合は非常に有効です。

理想のレオロジー挙動のためのエポキシ希釈剤濃度の最適化

フォーミュレーターは通常、流動性と安定性のバランスを取るために重量比で5～15%のエポキシ希釈剤を使用します。18%を超える濃度では架橋密度が低下し、硬度が2～3ショアDポイント低下します。粘度測定データによれば、10%の反応性希釈剤はブラシ塗布塗料において最適な降伏応力（50～80Pa）を発揮するとともに、90%以上の光沢保持率を維持するため、作業性と外観性能の両方を確保します。

コーティング均一性の向上と表面欠陥の低減

エポキシ希釈剤が表面張力を変化させることによる皮膜形成性の向上

2025年のPanらの研究によると、エポキシ希釈剤を添加すると、純粋な樹脂と比較して表面張力を約22〜38パーセント程度まで低下させることができます。これにより、材料が表面全体にさらに均等に広がり、界面での接着性が向上します。表面エネルギーの変化について考える際、コーティングが基材から離れてしまう厄介な現象を防ぐことができ、よりクリーンなフィルム形成が可能になります。グリシジルエーテルなどの反応性タイプの場合、これらは実際にポリマーネットワーク自体の一部になります。硬化プロセス中に表面がより自由に動くことが可能になり、非反応型タイプと比較してより滑らかな仕上がりが得られます。多くの製造メーカーは、この方法が従来の手法に伴う手間をかけずに一貫して良好な結果を得られることから好んで採用しています。

オレンジピール、クレータリング、その他の表面欠陥の最小化

適切な希釈剤の使用により、一般的な塗布欠陥を軽減できます：

• オレンジ ピール 発生率がスプレーアプリケーションで35%から＜5%に低下します
• クレータリング 重量比で希釈剤含有量が12%を超えると防止されます
• フィッシュアイ 安定した表面張力により抑制されます

溶剤蒸発中にニュートン流動特性を維持することは、さまざまな塗布方法において一貫した欠陥低減のために不可欠です。

希釈効率と硬化膜の健全性の間のトレードオフ

高希釈剤含有量（18～25%）は流動性を改善しますが、アミン系硬化システムでは架橋密度が最大40%まで低下する可能性があります。これに対応するため、フォーミュレーターは以下のような戦略を使用します：

1. 反応性および非反応性希釈剤を3:1の比率でブレンドする
2. 長期のポットライフを管理するために硬化促進剤を使用する
3. 機械的特性を回復させるためにナノシリカを添加する

理想のバランスは通常、希釈剤含量15～18％で達成され、ベース樹脂の硬度の90％以上を維持しながら、表面粗さを5μm以下に抑える。

困難な基材へのぬれ性および接着性の向上

基材のぬれ性と接着性を改善するエポキシ希釈剤の役割

界面での表面張力を低下させることにより、エポキシ希釈剤はポリエチレンや粉末塗装金属などの低エネルギー基材におけるぬれ性を改善する。最適化された配合は35°未満の接触角を達成し、均一な被覆を保証する。最近のホスフェートメタクリレートモノマーの統合に関する研究では、多孔質コンクリートや劣化した鋼材における機械的相互結合が強化され、接着性が18～22％向上した。

低エネルギーおよび接着困難な表面における界面接触の促進

エポキシの粘度が低いと、5マイクロメートル未満の深さにある微細な亀裂にも浸透し、表面の粗い部分を回り込むことができます。これは、フッ素ポリマーで処理された素材や紫外線によって損傷を受けた複合素材の表面に接着する場合に特に重要です。通常のエポキシ接着剤はこのような状況では十分な密着性を発揮できず、約30〜40％低い付着力しか示しません。反応性希釈剤とシランカップリング剤を混合することで、さらに高い効果を得ることができます。この組み合わせは、ガラス表面や陽極酸化アルミニウムなど、多くの水酸基を含む素材に対して特異的に強い化学結合を形成します。その結果、接着性が全体的に大幅に向上します。

最終コーティングにおける接着性向上と耐化学性のバランス調整

希釈剤は接着性向上に確かな効果がありますが、使用量が約12％を超えると状況が難しくなり始めます。架橋密度が低下するため、素材の耐溶剤性が低下します。表面工学の専門家が見つけ出したのは、酸および各種燃料に対する耐性を維持しつつ、元の接着強度の約95％を維持できる絶妙なバランスです。多くの製造業者は、MEK二重摩擦試験を主要指標とする業界標準に従っています。一般的には、非希釈系システムで達成可能な値から5％以内の低下であれば問題ないとされています。この方法により、製品が目的とする用途に十分耐えられる耐久性を持ちながら、表面間の結合を弱体化させることがありません。

エポキシ希釈剤の性能限界と実用上の考慮点

架橋密度、硬度、機械的特性への影響

希釈剤の使用量は、最終的なフィルムの硬化後の性能に実際に影響を与えます。反応性希釈剤の場合、2022年のパーク氏らの研究によると、粘度を15〜35％程度低下させる効果があります。しかし、その一方で、これらの希釈剤自体が架橋密度を最大30％まで低下させる可能性があるため、トレードオフが生じます。これは実際にはどういうことかというと、鉛筆硬度試験で2HからHBまで硬度が低下し、材料全体の剛性も低下することを意味します。一方で、非反応性希釈剤は重要な架橋構造に影響を与えないものの、別の問題があります。このタイプの希釈剤は一般的に20〜40％の比較的大きな量を必要とし、これにより収縮が増加し、完全に硬化した後は材料がもろくなる傾向があります。このような問題があるため、メーカーは性能が最も重要となる用途において、これらの希釈剤の使用がしばしば制限されます。

非反応性希釈剤におけるVOC排出と規制上の課題

塗料からの揮発性有機化合物（VOC）排出のうち、約半分から3/4は非反応性希釈剤に由来しており、これにより企業はEPAの建築用塗料規制（40 CFR Part 59）などの規制を厳格に遵守する必要があります。2023年にEU REACH規則の改訂が行われ、工業用プライマーに使用可能な芳香族希釈剤の含有量を8%以下に制限しています。こうした規制の制約に直面し、多くの製造業者が植物由来の代替素材に注目しています。その中でも特に改質亜麻仁油誘導体が目立ち、これは従来製品と比較してVOC排出量を約40%削減します。しかしこれらの環境に優しい代替品には、完全硬化に要する時間が一般的に12〜15%長くなるという性能上のトレードオフも伴い、生産スケジュール全体に影響を及ぼしています。

配合設計における性能上のトレードオフを軽減する戦略

性能を維持しながら制約に対応するために、配合者は主に次の3つの戦略を採用します：

1. 反応性希釈剤のブレンド ：モノファンクショナル（10～12％）とトリファンクショナル希釈剤（5～7％）を組み合わせることで、架橋損失を最小限に抑えながら粘度を低下させます
2. ハイブリッド触媒システム ：水酸基を豊富に含む希釈剤による硬化阻害を、オクチル酸亜鉛などの加速剤で打ち消します
3. ナノ添加剤の併用 ：0.5～1.0％のナノシリカを添加することで、高希釈剤系で失われる硬度の85～90％を回復します

これらの手法により、粘度を最大18％低下させながら、非希釈ベースラインと比較して引張強度の損失を25％以下に抑えることが可能となり、高機能で適合性のある配合が実現します。

よくある質問セクション

エポキシ希釈剤とは何ですか？

エポキシ希釈剤とは、エポキシ樹脂の粘度を低下させて取り扱いを容易にする添加剤であり、硬化プロセスに支障をきたすことなく機能します。

エポキシ希釈剤はコーティングの粘度にどのような影響を与えますか？

エポキシ希釈剤は、重合体鎖の分子間力を分解することによりコーティングの粘度を低下させ、材料の塗布および広がりを改善します。

反応性希釈剤と非反応性希釈剤の違いは何ですか？

反応性希釈剤は硬化プロセスに参加し、重合体構造の一部になります。これにより高い硬度と耐化学性を維持します。一方、非反応性希釈剤は化学構造に組み込まれることなく、一時的に粘度を低下させます。

エポキシ希釈剤はどのようにして基材接着性を改善しますか？

エポキシ希釈剤は表面張力を低下させることで基材接着性を改善し、困難な表面における濡れ性を高め、界面接触を促進します。