低温環境下における水系塗料の塗膜性能に関する研究*穴沢靖**

塗料に含まれる有機溶剤量の低減化を図りながら、冬期間の低温環境下でも塗膜欠陥がなく、下地（コンクリート等）との安定した付着性が得られる水系下塗り塗料（シーラー）の開発を目的に、各種水系塗料用材料を用いて、耐久性試験等を行いながらその施工適正や塗膜性能の検討を行った。その結果、有機・無機複合タイプ（O）のシーラーが、溶剤型シーラの代替え材料としての可能性が高いと考えられた。

キーワード：水系塗料、低温、付着強度

Waterborne Coating Film Properties at a Low- Temperature
ANAZAWA Yasushi
For the development of the waterborne undercoating ( sealer) with a lowpercentage of organic
solvent content that creates no defects with the coating properties at a low temperature during a winterand provides stableadhesion properties against a ground such as concrete.

Resistance tests wereconducted for various materials of waterborne coating to evaluate application suitability and coating
properties. The tests revealed that a water-soluble resin sealer ( type W) and a sealer containing bothorganic and inorganic substances (type O) provided the same level of coating properties such as film
formation and adhesive strength as a solvent type sealer even at a low temperature. Although type W, awater-soluble resin sealer, demonstrates a good properties, it contains a high percentage of organicsolvent as water coating. Therefore, it is not desirable for an actual use. It is concluded that Type O
sealer that is a mixture of organic and inorganic substances has a great potential to be used as a
substitute of solvent-type sealer.
key wor ds : water bor ne coating, low-temper atur e, a dh esive st r en gt h1緒

言た。その結果、汎用水系塗料では、特に0℃以下で、塗地球規模での環境が問題となっている中で、建築塗装膜の割れや剥がれ、付着強度が著しく低下する等の塗膜業界でも溶剤系塗料から水系塗料への転換が迫られてい欠陥が発生し、0℃以下の低温環境下における施工工事る。建築構造物等に用いられる水系塗料は溶剤系塗料とでは、溶剤系塗料に頼らざるを得ない状況であることが比べ、①耐久性が低い。②乾燥性の問題から、施工効率把握できた。１）が悪い。③低温での作業性や造膜性が悪い。等の短所が溶剤量の低減化を図りながら、冬期間の低温環境下でもあり 、溶剤系塗料が使用されるケースは依然として多い 。

塗膜欠陥がなく、下地（コンクリート等）との安定した

特に、岩手県は冬期間の寒さが厳しく、水系塗料による付着性が得られる水系下塗り塗料（シーラー）の開発を施工が基本的に難しい気象条件であることから、公共工目的に、各種水系塗料用材料を用いて、耐久性試験等２）事等が集中する年度末（ 1、2、3月）は、溶剤系塗料にを行いながらその施工適正や塗膜性能の検討を行ったのよる施工で対応しているのが現状である。しかし、有機で以下に報告する。

そこで今年度は、塗料に含まれる有機溶剤の低減化は急務であることから、冬期間の低温環境
２下でも安定した施工や乾燥のできる水系塗料の開発が望２−１

まれている。昨年度、県内で最も多く使用されている汎

実験方法
供試材料用水系塗料の付着性や耐久性等の塗膜性能に及ぼす温度

試験片はJIS‑A‑6909に規定されている 150×50×4mmの影響について、溶剤系塗料と比較を行いながら検討しの石綿スレート板を用いた。下塗り塗料（シーラー）と*

低温環境下における水系塗料の塗膜性能に関する研究（第二報）

**

化学部
-1-

しては、0℃以下の低温環境における造膜性や付着性にスレート板に塗布し、その表面状態を観察した結果を示３〜４）

す。なお、比較のために、汎用溶剤型アクリル樹脂シーの中から性状の異なった5種類の材料を用いた。また、

ラー（S）の観察も行った。まず、Sにおいては、20℃、比較のため、汎用溶剤型下塗り塗料（アクリル樹脂シー‑5℃のどちらの温度条件でも正常に造膜しており、低温ラー）を用いた。表1にシーラーの種類および記号を示でも問題なく使用できることがわかる。Cにおいては、2す。さらに、上塗り塗料としては、水系アクリル樹脂単0℃で正常に造膜しているが、‑5℃ではわずかにアワ又層弾性塗り材を用いた 。（以下、下塗り塗料についてははハジキによるピンホールが発生しており、低温の影響記号で記す 。）

が若干出ているものと考えられる 。Tにおいては 、20℃ 、２−２‑5℃のどちらでも全面にミクロクラックが発生しておおいて、安定した施工や乾燥が期待できる水系材料

試験片の作成環境試験室の温度設定は、20℃、5℃、0℃、‑5℃の 4り、上塗り塗料との付着性には効果的であるが、長期耐条件、湿度設定はすべて65％で行った。図１に実験のフ久性の点からは各種障害の原因になると考えられる。

ローチャートを示す。なお、試験片、塗料等は環境試験室の設定雰囲気中に24時間保管した後、それぞれ下塗りを行い24時間放置した。またその後仕上げ塗りを行い、環境設定条件同じ雰囲気中で48時間乾燥し試験片とした。

温度：30℃、20℃、0℃、 ‑5℃

２−３湿度：65％

表面観察

常温時（ 20℃ ）、低温時（‑5℃）における5種類のシー試験片：150 ×70×4mm

ラーの造膜性を比較するため、 電子顕微鏡による表面観（石綿スレート板）察を行った。
２−４試験片の作成

塗膜性能試験

(設定温度雰囲気中）
1.塗料および試験片 (24時間保管）

環境試験室において各温度条件下で作成した試験片に一次試験として、促進耐候性試験、耐湿試験、寒熱サ

2.下塗り（24時間乾燥）

イクル試験の3種類の環境試験を行った。また、二次試

3.仕上げ塗り（48時間乾燥）

験としてアドヒロプルゲージ（最大荷重：200kgf）によ

4.常温、エポキシ樹脂塗料（2液型）で裏面・側面のマスキング(72時間乾燥)る付着強度の測定 ５）を行い、それぞれのシーラーによる各種環境試験効果について検討を行った。なお、付着強度の比較に用いた値は、同一条件における3枚の試験片から得られた耐水試験、寒熱サイクル試験付着強度の平均値である。表2 に環境試験に用いた試験

促進耐候性試験、耐湿試験機及び試験条件を示す。
付着強度の測定・比較
３３−１

実験結果及び考察
図１ 環境試験室における実験のフローチャート

表面の観察結果

図2に 20℃及び‑5℃の温度条件で、5種類のシーラーを
表１
記 号

シ ー ラ ー の 種 類

験主成分樹脂C

カチオン型マイクロエマルションタイプ

アクリル樹脂T

エマルションタイプ

アクリル樹脂W

水溶性樹脂タイプ

アクリル樹脂I

無機質タイプコロイダルシリカO

有機・無機複合タイプ

コロイダルシリカ、アクリル樹脂

S

溶剤タイプ

アクリル樹脂表２

試

シーラーの種類と記号名

寒熱サイクル試験

使用

環境試験における使用機器名と使用条件
機

器

名

使用

条件

等

温度差劣化試験機

1サイクル： ‑20℃×3H〜50℃・95％RH× 3H

耐湿試験

恒温恒湿試験機

温度：50℃、湿度：95％RH

促進耐候性試験促進耐候性試験機

温度：60℃、湿度：60％RH、7 kwキセノンランプ-2-スレート板素材

20℃

S‑5℃

S20℃

C‑5℃

C20℃

T

‑5℃

T20℃

W

‑5℃

W20℃

I‑5℃

I20℃

O

‑5℃

O

図２

20℃、‑5℃における各種シーラーの表面観察結果

Wにおいては、20℃で正常に造膜しているが、‑5℃ではめと考えられる。また、0℃以下の温度では、すべてのアワ又はハジキによるピンホールが発生しており、低温シーラーで上塗り塗料単独の付着強度よりも大きい値をの影響がでているものと考えられる。Iにおいては、20示していることから、明らかにシーラーの塗布効果によ℃、‑5℃でもあまり造膜せず、緻密で強固な膜となってるものであることがわかる。特に、W、Ｏのシーラーにおり、浸透性が良いシーラーであることが確認できる。

おいては、すべての温度で安定した大きな付着強度を示

Oにおいては、20℃で正常に造膜しているが、‑5℃ではし、‑5℃では上塗り塗料単独の付着強度の2倍以上の値

塗装用具であるローラーの模様が残っており、低温の影を示した。Wは、樹脂をアルコールやグリコールエーテ

響でシーラーの粘性が増加したことによるものと考えら

ル類のような親水性溶剤に溶解した形で、水系とは言いれる。

３−２

付着強度の測定結果

３−２−１25

付着初期値

2118.820

図3に、20℃、0℃、‑5℃の温度条件で作成した試験片

20℃
0℃
‑5℃

20.117.2の付着強度（初期値）測定結果を示す。上塗り塗料（水1514.3系アクリル樹脂単層弾性塗料）だけの付着強度は、温度141412.7

12.1
11.510.51098の低下に伴い著しく低下する結果となり、0℃以下の低温では安定した付着強度が得られない。 C以外のシーラ

5でも温度の低下に伴い付着強度が低下する結果となって0いるが、それほど大きな低下は見られない。Cは通常の無し

CTWIO

シーラーの種類

エマルション粒子に比べ粒子径が小さく、下地面に対す
図３

る浸透力が大きく、低温でも安定した付着強度を示すた-3-

各温度条件における付着強度の測定結果

ながらも、有機溶剤を多量に含むため、下地への浸透力が優れていることから、また、Oは、コロイダルシリカ

2520℃
21の特性である下地への浸透性とアクリル樹脂の特性であ2021.1

0℃

17.5

‑5℃

る柔軟性や造膜性を備えており、TやＩのシーラーのよ15

うにそれぞれ単独に使用するよりも、相乗効果により付13.4

14 12.7

12.7
11.1

着性能が増すものと考えられる。
３−２−２14.614

付着10.510.8
9.28.610

促進耐候性試験における付着強度

13.7

12.1

10.8

9.6
76.7
5.4

5

図4に、20℃、0℃、‑5℃の温度条件で作成した試験片
0の促進耐候性試験における500時間、1000時間後の付着0500 1000

0500 1000

C0T500 10000500 1000

W

強度測定結果を示す。いずれのシーラーにおいても試験

0500 1000

IO

シーラの種類と試験時間 (hr)図４

時間の増加に伴い付着強度は低下した。‑5℃における10促進耐候性試験における付着強度の測定結果

00時間後の付着強度が高い値を示したのは、WとOのシーラーであったが、低下率はいずれのシーラでもほぼ同じであることから、初期値が大きいほど有利であることが2520℃
21わかる 。しかし 、Iでは500時間後の付着強度の低下率が 、2014 1415考えられる。

耐湿試験における付着強度

付着11.59.6

1015.3

14.6

12.7
11.5

‑5℃

16.6 16.6

16.2

た劣化形態を示した。下地への浸透力の差によるものと

0℃

18.5

また、Wでは1000後の低下率が大きく、それぞれ異なっ

３−２− ３

21.1

12.1

11.5 11.5

10.5

11.1

9.6

5

図5に、20℃、0℃、‑5℃の温度条件で作成した試験片0の耐湿試験における200時間、500時間後の付着強度測定

0200 5000C200 5000T結果を示す。試験時間の増加とともに付着強度も低下す

200 500

0200 500

W0200 500IO

シーラーの種類と試験時間 (hr)

図５る傾向を示しているが、その低下率は他の試験に比べ少耐水試験における付着強度の測定結果ない。‑5℃における500時間後の付着強度が高い値を示したのは、WとOのシーラーで、初期の付着強度の値が大25きいほど有利であることがわかる。C以外の他のシーラ

20℃
21においては、200時間以降の付着強度の低下はほとんど20なく、上塗り塗料の耐水性がかなり影響することによる15ものと考えられる。

1012.7 12.7 12.7

‑5℃
15.912.1

12.5

10.2 10.2

寒熱サイクル試験における付着強度

0℃
18.5

15.9

149.6 8.987３−２−４20.118.517.585

図6に、20℃、0℃、‑5℃の温度条件で作成した試験片
00の寒熱サイクル試験における50サイクル、100サイクル50 100

C後の付着強度測定結果を示す。いずれのシーラーにおい050 100

T050 100050 100WI050 100O

シーラーの種類とサイクル数てもサイクル数の増加に伴い付着強度は低下する傾向を

図６

示すが、特に、Cでは、‑5℃で作成した試験片の100サイ

寒熱サイクル試験における付着強度の測定結果

クル後の付着強度が大きく低下し、低温における造膜性に問題があると考えられる。また、Wではその低下率がプ(W)のシーラは、水系塗料の中でも有機溶剤を多く含最も少なく、安定した付着強度を示した。安定した造膜むことから性能面で満足できたとしても利用するには問性と大きな浸透性によるものと考えられる。

題があり、有機・無機複合タイプ（O）のシーラーが、溶剤型シーラの代替え材料としての可能性が高いと考え４結言られる。

塗料に含まれる有機溶剤量の低減化を図りながら、冬文

期間の低温環境下でも塗膜欠陥がなく、下地（コンクリ献1) 穴沢 靖 : 岩手県工業技術センター研究報告, 8, 53ート等）との安定した付着性が得られる水系下塗り塗料(2001)（シーラー）の開発を目的に、各種水系塗料用材料を用いて、耐久性試験等を行いながらその施工適正や塗膜性

2) 野村ただ慈 : 塗装技術,Vol.23,p.142( 1984)

能の検討を行った。その結果、 水溶性樹脂タイプ(W)及3) 大西

び有機・無機複合タイプ（O）のシーラーが、低温環境

4) 曽我元昭 : 塗装工学,Vol.35,No.6,p.211( 2000)

下においても 、汎用溶剤型シーラーと同様の塗膜性能（造5) 田中丈之 : 塗装工学,Vol16,No.5,p.262( 1981)

膜性や付着強度）が得られた。しかし、水溶性樹脂タイ-4-

清 : 塗装工学,Vol.28,No.9,p.355( 1993)