ガラスコート研究

コート業者のホームページは　ガラスコートは　無敵だ　高耐久などといって　書かれていますが

塗料メーカーの資料を　使って　　学術的に　　正しいか　　検討してみました

まず　　大多数の業者が使っている　無機ガラス系　コーティング　　

ポリシラザン　系を　検証します

ポリシラザン系ガラスコーティング剤

十数年前、初期の車ボディ保護用ガラスコーティングとして普及したものが「ポリシラザン」です。ガラスコーティングのルーツとも言えるポリシラザンについて整理してみましょう。

ガラスコーティング剤としてポリシラザンを原料とする場合は、ほとんどが溶剤であり、ガラス化するケイ素（Si）の含有量が非常に少なくなります。仮に溶剤で薄めないと、ペンキなどの塗料と同様にベタベタで、きれいに塗布することができません。

ポリシラザンは反応性が急激であり制御が困難であるため、手塗りではきれいに仕上げることがほぼ不可能です。必然的にスプレーガンで噴霧・塗布する必要が あり、塗布作業が煩雑かつ熟練を要することと、気化した引火性の有害な有機溶剤排気など設備コストや作業コストへの影響が大きくなります。

ポリシラザンは被膜の硬度（硬さ）が高いために非常にもろく、膜厚を極限までに薄くする必要があります。実際には１μm以下の非常に薄い膜でないとクラックが発生し、コーティング被膜自体の細かいひび割れのため、被膜自体が濁ってしまいます。

ガラスコーティングの硬度については下記をご覧ください。

• ガラスコーティング【モース硬度7】の不思議
• ガラスコーティングは、シリカ：SiO2による結晶ではない非晶質ガラス状被膜（モース硬度は5）です。
  
  結晶のガラスコーティング（モース硬度7）はありません。
  
  なぜならば人工的にガラスを結晶化（人工水晶化）させるには、塗装の表面で硬化したガラス被膜を、さらに数百℃～一千℃以上の高温過熱を連続的におこなう必要があるからです。車が燃えるか溶けてしまいます（笑）。
  
  地中において高温度・高圧力の中で、ケイ素（Si）と酸素（O）から自然に生成された「天然水晶すなわち石英（結晶化SiO2）」がモース硬度7ですから、「ガラス化したコーティング被膜も同程度の硬度ではないか？」という、誤った思い込みによるもののような気がします。
   

膜厚が１μm以下では、犠牲被膜として細かなキズにも耐えきれるのか疑問が残るところもあります。

プラスチックレンズの基材は、言うまでもなく合成樹脂ですから有機物です。同じく車のボディ塗装も合成樹脂なので有機物です。

か つてレンズメーカーさんでも、プラスチックレンズへのハードコートとして、無機コーティングを試験したことがあるそうですが、結論としては温度変化の影響 を受けてクラックが発生し、それがハードコートの剥がれとなり、レンズの濁りや視界不良となってしまうことと、有機樹脂への密着が不充分であることもあ り、無機コーティングは採用していないということです。

無機コーティングが熱ストレスに弱いその原因は、無機コーティングの熱膨張率と、プラスチックの熱膨張率の差が大きすぎることなのだそうです。

無機コーティングのような単純な無機ガラス（SiO2）の場合の熱膨張率と、プラスチック：有機樹脂の熱膨張率は、一桁から二桁もの大きな差があります。

●熱膨張係数　[単位：10-6/℃]
プラスチック＝有機樹脂 ： 70～150程度
無機ガラス ： 9

高分子コーティング剤の機械的結合

～従来のポリシラザン、オルガノポリシロキサン～

図３．高分子イメージ

【図３．高分子イメージ　参照】
 
従来型の無機コーティングであるパーヒドロポリシラザンや、従来型の無機有機ハイブッリッドコーティングであるオルガノポリシロキサンは、ガラス（Si-O結合）化成分の基本単位が高分子＝分子量が大きいため、高粘度でべたべたの液体です。 

【図４．高分子コーティングの機械的結合　参照】

べたべたのままではガラスコーティング剤としては使用できないため、有機溶剤で希釈し「一見さらさらに近い液体」にします。

有機溶剤で希釈してもガラス化する基本単位は大きいままですから、高分子であるガラス（Si-O結合）化成分は、塗装表面の微細な凹凸には入り込めない場合があります。

このため、錨（いかり）を打ち込んだような「投錨効果＝アンカー効果」が得られにくくなり、塗装と高分子ガラスコーティングの結合＝密着が弱くなります。

図４．高分子コーティングの機械的結合   ガラスは 化学的には、酸（フッ化水素など、一部のフッ素化合物を除く）には強いがSi-O-Si結合がOH(水酸基)により切断されH2SiO3-やNa2SiO3-として溶解するためアルカリに弱い。たとえばガラス瓶に濃厚な水酸化ナトリウムを入れて長期間おくと、徐々にガラス壁が侵されスリガラス状となる ＯＨを含んでいるものとして　　消毒用アルコールにも　弱い   さらに熱水にも弱いです 熱水とは８０度　以上のお湯のことです 水は　Ｈ２Ｏ　　ＯＨを含んでいる     これが最近開発されたであろう新型の　ガラスコートです 低分子系　シラン　ガラスコート ガラスコーティングは、シリカ：SiO2による結晶ではない非晶質ガラス状被膜（モース硬度は5）です。 結晶のガラスコーティング（モース硬度7）はありません。 なぜならば人工的にガラスを結晶化（人工水晶化）させるには、塗装の表面で硬化したガラス被膜を、さらに数百℃～一千℃以上の高温過熱を連続的におこなう必要があるからです。車が燃えるか溶けてしまいます（笑）。 高温度・高圧力の中で、ケイ素（Si）と酸素（O）から自然に生成された「天然水晶すなわち石英（結晶化SiO2）」がモース硬度7ですから、「ガラス化したコーティング被膜も同程度の硬度ではないか？」という、誤った思い込みによるもののような気がします。

新しいガラスコーティング剤：低分子シラン・ガラスコーティングとは

低分子シランはクロロシランを出発原料とし、ひとつの分子内に複数の有機官能基と加水分解性のアルコキシ基を同時に含有し、脱水架橋により非晶質（アモルファス）ガラス被膜を形成するものです。

従来のシラノール基を有する高分子オルガノポリシロキサンとの違いは下記のとおりです。

• 塗装面や樹脂などの多種類の有機物と強力に化学結合する多官能基と、ガラスや金属など無機物と強力に化学結合する加水分解性アルコキシ基を併せ持つ。
   
• 100％機能部化による低分子量液体が構成可能である（高濃度ガラス化成分含有、無溶剤化が可能）。
   
• 揮発性のシラノール基を含有しないため保存性・安定性が高い。

 

 

 

低分子シラン・ガラスコーティング剤の開発経緯

従来から製品化されていた高分子シランによるガラスコーティング剤は、改良が重ねられ施工性や被膜の機能性や性能向上が図られてきましたが、高分子であるためにどうしても、有害な有機溶剤の使用が避けられない状況でした。

その後、原料製造の技術革新や改良・コストダウンが重ねられ、特に日本では非常に多くの高機能・高性能な低分子シラン群原料が開発商品化されており、現在は車や建築用ガラスコーティング剤として商品応用が可能な状況を迎えております。