表面のスリキズ防止用PTFEフリーワックス添加剤

ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）は、塗料・コーティング用途において特有の挙動を示す物質である。PTFEはあらゆる種類の塗料に使用され、機械的性能全般を改質し、耐スクラッチ性と耐摩耗性の向上、同時に表面摩擦の低減を実現する。PTFEが塗料やコーティングの添加剤として使用される場合、光沢値やその他の光学特性への影響はわずかであり、食品と接触する用途に適している。物質自体は化学的に不活性で、耐熱性があり、カルナバワックスやポリエチレンワックスなどの他のワックス添加剤に比べて密度が高い。PTFEは密度が高いため、ワックス添加剤は塗膜全体に配向することができる。他の多くのワックス添加剤が塗膜表面に配向し、塗膜と空気の界面でのみ相互作用するのとは対照的である（図1）。

PTFEワックスは単独で、あるいはポリエチレン（PE）ワックスのような他のワックスベースと組み合わせて使用することができる。このように使用する場合、PTFEは非常に細かい粒子径と狭い粒度分布を持つ必要がある。PTFEベースの添加剤は通常、微粉化された形状で、または有機溶剤1, 2に分散された形態で供給される。

ポリテトラフルオロエチレンは、パーフルオロアルキルおよびポリフルオロアルキル物質（PFAS）の代表的な物質としてよく知られている。ポリマーそのものだけでなく、フッ素化ポリマーの製造もPFASの排出源となっている。この大きな合成化学物質は、現代社会で幅広く使用されている。PFASは、雨具や屋外衣料用の繊維製品、表面処理剤、耐候性や耐久性を向上させるための含浸剤などに使われている。PFASは、高性能の防火衣料や消火用発泡体に使用されているほか、フライパンや調理鍋、食品包装などの日常用品にも、こびりつき防止やお手入れのしやすさを目的として用いられている。また、前述したように、耐久性を向上させるために各種塗料、クロムメッキ、建材などにも使用されている。

PFASは、これらの適用分野においていくつかの特性を向上させ、改善するにもかかわらず、欠点や悪影響を伴う。PFASの一部は人体に有毒であり、環境汚染物質としても知られている。有機化学で最も強い結合のひとつであるフッ化炭素結合により、PFASは分解に対して非常に強く、持続性がある。この性質は、塗料・コーティング用途で長持ちする特性を実現するのに適しているが、環境にとっては有害である。これらの物質のほとんどは、放出源から長距離にわたって容易に輸送され、自然環境に蓄積される。研究によれば、PFASは雨水、地下水、飲料水、土壌などの水源を汚染しやすい。汚染された場所を浄化するのは難しく、費用もかかる。さらに、PFASは人間の血液中にもしばしば検出される。検査によれば、PFASは免疫系を弱め、コレステロール値の上昇や肝臓障害につながる。

その結果、世界的な規制機関がPFAS含有ポリマーの調査を開始し、PFASの使用に対する社会的・科学的関心を高めるための世界的な課題となった。欧州化学庁、米国環境保護庁、中華人民共和国生態環境省といった世界的な規制のリーダーたちは、すでにPFAS3-8の使用に関する規制、制限、禁止、指令を打ち出している。

新しいメンバーの紹介

PTFEは独自の特性を持つ物質であるが、一般的なPE/PTFEワックス添加剤の代替ソリューションとして開発された代替品も存在する。BYKの新しいワックス添加剤は、耐摩耗性と耐スリキズ性の向上に重点を置きながら、同等の性能を提供する。これらのワックス添加剤は、システムに依存した摩擦係数（COF）の低減を実現し、光沢への影響はわずかで、食品と接触する用途に適している。開発されたこれら3つの新製品は、溶剤系および水系において、既存のPTFE系標準ワックス添加剤と直接比較を行うことができるようになった（図2）。これら3つの新製品はすべて固形状で、D90:10µmという非常に微細な粒子径に微細化されている。これにより、さまざまな用途分野で再現性のある性能を発揮する。CERAFLOUR 1050は、PEワックスをベースとしており、特にクリアコートやヘイズに敏感な系に適している。CERAFLOUR 1051は、ワックスベースとして変性PEアロイを使用し、幅広い塗布領域で最良の結果を示す。CERAFLOUR 1052も同様に変性PEアロイを使用しており、COF要求の低い系に推奨される。

新製品群の技術的性能

PTFEベースのワックス添加剤が過去数十年にわたって築き上げてきたマーケット・スタンダードに、新たな代替製品が対応できるようにするため、機械的性能が必要とされるさまざまな試験系や応用分野で開発が行われた。

食品缶や飲料缶は、数年間充填されたものを保護する必要がある。このように保存期間が長いため、包装と食品との相互作用は最小限に抑えられなければならない。缶の内部は通常、食品の影響から缶の完全性を保護し、缶の金属と食品との化学反応を防ぐ有機層でコーティングされている。一方、外装もまた、保管中や輸送中に缶が損傷するのを防ぎ、見た目のよいものにするためにコーティングされる。つまり、内面および外面のコーティングは、耐スリキズ性とCOF値に関して特定の要件を満たす必要がある。缶業界における耐スリキズ性試験は、TQC-シーン機械式スクラッチ試験機705（図3）を用いて行われる。試験パネルは固定され、定められた針が表面を引っ掻く間にゆっくりと動かされる。塗膜9の破壊を達成するために、さまざまな荷重を加えることができる。

表面のCOF値を評価するための一般的な試験方法は、Altek 9505可動性／潤滑性試験機である。この2つの方法で得られた新しいワックスグレードの試験結果を図4に示す。使用した処方は、溶剤系、ビスフェノールAフリー、ポリエステル／メラミンベースのクリアコートで、ワックス添加剤はすべて、配合全体に対して1％の固形ワックスを使用している。

CERAFLOUR 999とCERAFLOUR 996 Rは、PTFE変性PEワックスをベースとした微粉化ワックス添加剤で、比較のためのマーケットスタンダードとなっている。また、ワックス添加剤なしの塗料・コーティングサンプルも図にある。その結果、どの製品も塗料コーティング表面のCOFを0.30（ワックスなし）から、ワックス添加剤を使用することで合計0.06程度まで下げることができることが明らかになった。PTFEベースの製品とPTFEフリーの新製品との間の値は、ほぼ同程度である。このコーティングの光沢硬度についても同じことが言える。ワックス添加剤なしのコントロール・サンプルは、耐スリキズ性がわずか100gと低い性能レベルを示している。各ワックス添加剤を使用することで、耐スリキズ性を900gまで向上させることが可能である。PTFEベースのワックス添加剤をPTFEフリーの新製品と置き換えることは、性能を失うことなく可能である。

特に重要なもう一つの応用分野は、金属を希望の形状に成形する前に塗装するコイルコーティングである。塗装済み金属は、様々な色や質感の高品質な塗装表面を提供する。塗装済み金属の表面は、非常につや消し、または高光沢、平滑、オレンジピール、またはテクスチャーのいずれかにすることができる。塗装済み金属は、様々な鋼やアルミニウムの等級や合金で利用できる。コイルコーティングに使用される有機コーティングは、自動車用塗料のような後工程で塗布されるフィルムよりも乾燥膜厚が低いものの、特に優れた機械的・光学的性能を発揮する。連続的なコイルコーティング工程は、コイル間の一貫性によって最高の品質保証基準を提供する11。これは、COFと耐摩耗性の所望の値が正確に再現可能で、信頼性が高く、塗布工程を稼動させ、コーティング工程後にすべてのタイプの部品の切断と成形を可能にするために、完全に調整されたレベルでなければならないことを意味する。もちろん、塗膜自体や切削・成形工程で使用する工具に損傷を与えてはならない。優れた機械的性能だけでなく、コーティングは一定の光沢レベルと良好なレベリングを提供し、塗布12後のフラッシュオフ時間がほとんどないことが求められる。

コイルコーティングの耐摩耗性を評価する効果的な方法は、テーバー試験（図5）である。この試験では、約100mmの正方形または円形の試験パネルを、垂直軸上を一定速度で回転するターンテーブル台に取り付ける。特定の圧力が加えられた2つのテーバー研磨ホイールが試験片に接触して特徴的な摩擦摩耗動作を行い、2つの研磨ホイールの摺動回転を発生させる。ターンテーブルが回転すると、砥石は試料によって反対方向に駆動される。一方の磨耗ホイールが試験片を外周に向かってこすり、もう一方の内向きのホイールが中心に向かってこすりながら、真空システムが試験13中に発生した緩い破片を取り除く。

重量損失は、指定された回数の回転サイクル後にミリグラム単位で測定される。図6では、ワックス添加剤であるCERAFLOUR 996 RとCERAFLOUR 999が、溶剤ベースのポリエステル／メラミンコイルコーティングシステムと比較するためのマーケットスタンダードとなっている。すべてのワックス添加剤は、全配合に対して1%の固形ワックスで使用されている。この結果から、新しいワックス添加剤であるCERAFLOUR 1050、CERAFLOUR 1051、およびCERAFLOUR 1052は、PTFEベースの標準にほぼ等しい耐摩耗性を提供できることがわかる。これらはそれぞれ、添加剤なしの対照サンプルと比較して摩耗を大幅に低減し、光沢は同じ高水準を維持している。

同じポリエステル／メラミン・コイルコーティング系では、新しいPTFEフリーワックス添加剤がさらなる効果をもたらすことも明らかである。ワックス添加剤なしの対照サンプルと比較して、それぞれ優れたレベリング性と高い鮮明性（DOI）を示している。図7では、ランプの反射が塗料表面の光沢角で示されている。PTFEを含まない新しい代替製品はすべて優れたレベリングを示すが、ワックス添加剤CERAFLOUR 1051はこの試験系で特に優れた光学性能を示した。

PTFEベースのワックス添加剤のもう一つの特に重要な適用分野は、一般工業用塗料の広範な分野であり、コンピュータや家電製品の塗料・コーティングから、DIY用エアゾールやドラム缶のコーティング、農業、農機具、自動車内装のコーティングまで多岐にわたる。工業用塗料は幅広い基材に使用でき、放射線硬化、通常乾燥、熱硬化、2液硬化などあらゆるコーティング技術に対応している。溶剤系、無溶剤系、水系など様々な種類があるが、これらの塗料・コーティングに共通しているのは、耐スリキズ性と耐摩耗性が必要なことである。この分野での追加試験法として、Wazau SN 27650に準拠した摩耗試験がある（図8）。

 この装置は塗膜の耐摩耗性を測定する。織物や紙との摩擦など、軽度の機械的ストレスにさらされる表面に適している。この規格による耐摩耗性試験は、ほぼすべての平坦な表面領域で実施できる。紙テープを100cm/分の一定速度でコーティングされたプレート上に引き、シリンダーで規定された荷重をかけて試験片エリアに押し付ける。耐摩耗性の指標は、キャリア材料が見えるようにするために必要な紙テープの長さ（センチメートル）である。さらに、紙が試験片14上を移動するのに必要な所望の値をセンチメートル単位で設定することもできる。

新しいPTFEフリー製品は、Wazau磨耗とTaber磨耗について、10%の有機共溶媒を含む水性一液アクリルエマルションで評価された（図9）。各ワックス添加剤は、配合全体に対して2%の固形ワックスを使用している。テーバー試験はCS10砥石を用い、片側500gの圧力で1,000回の摩耗を行い、Wazau摩耗試験は塗膜が耐えられる最大紙の長さで評価する。さらに、各サンプルは紙の長さが300cmを超えた時点で光学的に評価される。その結果、すべてのPTFEフリーの新製品が試験において非常に優れた性能を示した。ワックスなしの対照サンプルでは25mgであったテーバー摩耗が、新しいワックス添加剤では4mgまで低下した。この結果は、PTFEベースの標準ワックス添加剤と比較しても遜色のないものです。Wazau 摩耗は、すべての新しいPTFEフリー製品がPTFEベースの製品と同様に機械的ストレスに耐えることができることを示している。特に、紙長300cmの磨耗を含む写真は、ワックス添加剤なしの対照サンプルやPTFEベースのワックス添加剤と比較して、コーティングの損傷が少なく、より均質な挙動を示している。

開発段階にある数十のサンプルを評価し、さまざまな適用分野、塗料・コーティング系、多様な評価方法を用いて評価した結果、新たに導入されたPTFEを含まないワックス添加剤は、PTFEベースのPE/PTFEワックス添加剤に取って代わる可能性を持つとの結論に達した（図10）。PTFEを使用しなくても、耐摩耗性や耐スリキズ性といったよく知られた特性に適合することができる。PTFEベースのワックス添加剤に代わるものであり、人体への有害な影響や環境汚染といったマイナス面はない。発表された結果は、広範な試験と開発プロセスから選ばれた優れたものであり、これらの新製品が提供する可能性の概要を示すものである。このプロジェクトの全容を理解した上で、PTFEベースのワックス添加剤の代替品として3つの新製品を評価されることをお勧めする。主な推奨は、CERAFLOUR 1050を特にクリアコートとヘイズに敏感な系で、CERAFLOUR 1052をCOF要求の低い系で、そしてCERAFLOUR 1051を幅広い応用分野で総合的に最良の結果が要求される系で試してみることである。