基礎技術解説コーティング

減圧乾燥による内部応力コントロール

乾燥装置における熱量の伝熱メカニズムは、熱風やガスによる対流、加熱板に接することによる伝導、および赤外線や太陽光による輻射に区分される。これらの伝熱メカニズムを効果的に利用する目的で乾燥装置は構成される。また、乾燥装置には、十分な乾燥能力だけでなく、高品位な乾燥プロセスが求められる。近年では、処理基板の大型化が進み、処理能力の向上も望まれている。一方、乾燥装置には、圧力や温度を制御し、過熱やラプラス力による塗膜の劣化を抑える方式も実用化されている。また、大型チャンバーの有無や、乾燥の均一性なども重要な性能である。よって、製品に適した乾燥装置の選択が必要となる。ここでは、代表的な乾燥装置として、加熱乾燥、赤外線乾燥、減圧(真空)乾燥、凍結乾燥、超臨界乾燥に注目し、乾燥機構と装置構成を紹介する。特に、工業上で重要であaる減圧(真空)乾燥後の塗膜の膜質について述べる。乾燥装置により、塗膜は最適な条件で乾燥処理ができる。塗膜と周囲空間との温度差が増大すれば、蒸気圧差が生じ乾燥が促進する。一般に、加熱乾燥の乾燥速度Kは以下のように定義される。

式

ここで、a:熱伝達係数、Th:熱風温度、Tf:膜温度、q:蒸発潜熱である。乾燥速度を増加させるには、温度差(Th-Tf)だけでなく、熱伝達係数aの向上が効果的であり、これが乾燥装置の設計指針となる。下の左図は市販の加熱型の乾燥装置の外観写真である。用途に応じて、小型から大型まで様々なタイプが市販されている。通常、乾燥装置の最大加熱温度は300℃に設定される場合が多いが、周囲への熱発散を防止するため乾燥室は断熱材で覆われている。断熱材には、ガラスウールなどのファイバー製品が用いられる。金属発熱体には、ニッケル・クロム系、および、鉄・クロム・アルミニウム合金系のものが多用される。電子産業用などの乾燥装置は、塗膜表面への微粒子付着を防止のためフィルタ機構を備えている。下の右図は熱重量測定(TG)により測定した塗工液の乾燥特性を示している。塗工液はノボラック樹脂と溶剤(沸点156℃)の混合液である。加熱温度が溶剤の沸点に近づくにつれ溶剤蒸発が促進される。また、沸点を超えても溶剤蒸発は進み、重量減少が続くことが分かる。

加熱型乾燥装置<
加熱型乾燥装置
熱重量(TG)測定による溶剤蒸発
熱重量(TG)測定による溶剤蒸発

赤外線機器は暖房用として身近であるが、乾燥装置としても広く用いられる。赤外線乾燥では輻射を利用するため大型チャンバーは必要ない。市販のタングステン(W)フィラメントでは、1700~2200℃で放射光の80%が赤外線となる。下の左表は、一般的な赤外線の特徴を示している。

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以下のような図表や解説が続きます。

  • [表] 赤外線の波長と透過距離
  • [図] 減圧による水の沸点降下
  • [図] 減圧(真空)乾燥装置
  • [図] 高分子膜の減圧処理とアルカリ水溶液の浸透
  • [図] 減圧乾燥(90℃、20分)した高分子膜の溶液中での内部応力変化
  • [図] 減圧乾燥による高分子膜でのアルカリ水溶液の浸透

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