防食概論:塗料・塗装

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         エポキシ樹脂とは

 JIS K 5500「塗料用語」では,エポキシ樹脂(epoxy resin)とは,“分子中にエポキシ基を 2個以上含む化合物を重合して得た樹脂状物質。エピクロヒドリンビスフェノールとを重合して作ったものなどがある。”と定義している。

エポキシ樹脂原材料の分子構造

原材料の分子構造

 前半の表現は,適当な硬化剤とプレポリマーのエポキシ基(エポキシド;epoxide)で架橋ネットワーク化させることで得た熱硬化性樹脂を意味する。
 後半の記述は,原材料であるエピクロヒドリンビスフェノールの重合,又は縮合反応を適当な所で止めた中間生成物であるプレモノマー(オリゴマー)もエポキシ樹脂と称することを意味する。
 すなわち,架橋ネットワーク化前のプレポリマーと硬化剤を混合して得た製品の何れもエポキシ樹脂と呼ばれる。
 ちなみに,JIS K 6900「プラスチック−用語」では,“架橋し得るエポキシ基を含む樹脂。”と定義している。
 
 備考1:エポキシ基は,エチレンオキシド,エポキシエタン,オキシランなどともいわれるが,官能基として見るときにエポキシ基と称する。エポキシ基のとなりのメチル基までを含む場合は,グリシジル基という。
 備考2:重合反応などを途中で止めた生成物をプレポリマーというが,有機化学ではモノマーが10~100個結合した比較的分子量の低いものをオリゴマーという。
 

【エポキシプレポリマー】

 エポキシ樹脂は,その骨格となる分子構造の違いで,① グリシジルエーテル型② グリシジルエステル型③ グリシジルアミン型,及び脂環型に分けられる。この中で,グリシジルエーテル形がその大半を占めている。
 【参考】
 エーテル形とは,エーテル基(R‐O‐R′)を持つ化合物をいい,アルコールの分子間脱水縮合やハロゲン化アルキルとアルコールの縮合で得られる。
 エステル形とは,酸とアルコールの縮合反応で得られるエステル結合(R‐COO‐R′)を持つ化合物をいう。
 アミン形とは,アミノ基(‐NR R′)を有する化合物をいう。

 
 エポキシ樹脂には,数多くの種類がある。一般的には,グリシジルエーテル形ビスフェノール A 型エポキシ樹脂(塗料,接着剤の主要樹脂)が,その汎用性から代表的なグレードで,防食塗装用エポキシ樹脂塗料の大多数を占める。
 他のグリシジルエーテル形のエポキシ樹脂として,ビスフェノール F 型(接着剤,封止材),クレゾールノボラック型(IC封止剤,レジスト),フェノールノボラック型(積層板,複合材)などが用いられている。
 
 エポキシ樹脂の硬化剤として種々のポリアミン酸無水物が使用でき,プレポリマーとの組み合わせで,多様の物理的性質,化学的性質,電気的性質を実現できるので,エンジニアリングプラスチックとして広い分野で利用されている。
 特に寸法安定性,耐水性・耐薬品性,及び電気絶縁性が高いことから電子回路の基板や IC パッケージの封止剤,接着剤,塗料,FRPの積層剤としての利用が多い。
 

【エポキシ樹脂の構造と特性】

 エポキシ樹脂には,種々の優れた特性が知られている。これらの性質は,高分子の化学構造と密接に関連している。図は,ビスフェノール A 型エポキシ樹脂の分子構造と樹脂特性に影響する部位を模式的に示したものである。分子内の柔軟性,強靭性,接着性,耐薬品性,耐熱性,及び反応性などを発現する官能基をうまく設計することで,期待する特性を有するエポキシ樹脂を合成できることが分かる。

ビスフェノールA型エポキシ樹脂・分子構造の特徴

ビスフェノールA型エポキシ樹脂・分子構造の特徴

 この樹脂は,ベンゼン環を持つため,紫外線を吸収し,容易に分子の分解(光化学反応)が起きる。このため,太陽光の影響を直接受ける環境で,上塗り塗膜として用いた場合には,比較的早期に白亜化(樹脂が分解し表面が顔料粒子で覆われる)し,塗膜厚みの減少にいたる。
 そこで,鋼橋等の屋外で使用する鋼構造物では,エポキシ樹脂塗料を下塗り塗料,中塗り塗料として用いるが,上塗り塗料には耐紫外線性の高いポリウレタン樹脂塗料など耐候性上塗り塗料を用いるのが一般的となっている。
 耐候性上塗り塗料は必須とは限らず,一部の事業者(鉄道など)では,景観を考慮しない場合や紫外線の影響が小さい場合に,エポキシ樹脂系塗料で仕上げる塗装仕様を採用し,実用上の不都合がないことを確認している。

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