静電塗装｜静電気で塗料を引き寄せる塗装法

静電塗装

静電塗装は、被塗物を接地して正極とし、塗料粒子にマイナスの電荷を与えることで、電界の力によって塗料を被塗物へ引き寄せる塗装方法である。印加電圧は一般に-60kVから-90kV程度で、帯電した霧状の塗料は電気力線に沿って飛ぶ。そのため被塗物の裏側にも回り込んで付着する。通常のエアスプレーでは塗着効率が30〜40%程度にとどまるのに対し、静電塗装では60〜85%に達する例が多い。塗料の使用量と揮発性有機化合物の排出量を同時に減らせるため、自動車ボディ、家電、鋼製家具、建材など量産ラインで広く採用されている。

開発の経緯と日本への普及

実用化の起点は、米国の技術者ハロルド・ランズバーグが1940年代に開発した静電霧化装置とされる。第二次世界大戦後、米国の自動車・家電産業で生産性を高める技術として急速に広がった。日本では1950年代後半に技術導入が進み、1960年代の高度経済成長期には冷蔵庫や洗濯機の外装ラインで標準的な工法となった。開発者の名を取って「ランズバーグ法」と呼ばれた時期もある。その後、1970年代の公害対策と有機溶剤規制の強化を受け、塗料ロスの少なさが再評価された。現在の回転霧化式ベルや粉体塗装ガンは、この系譜の延長線上にある。

塗料が引き寄せられる仕組み

ガン先端の電極に高電圧をかけると、周囲の空気が電離してコロナ放電が起きる。発生したマイナスイオンが霧化した塗料粒子に付着し、粒子が帯電する。帯電粒子が受ける力はクーロン力で、電荷をq、電界の強さをEとするとF = q × Eで表される。粒子は接地された被塗物に向かって加速し、表面に付着する。塗膜がある程度の厚さになると、付着済みの塗料が同じ極性の電荷をもつため後続の粒子を反発する。この自己制御的な性質によって、膜厚が比較的均一になりやすい。

霧化方式による分類

霧化の方法と塗料の形態によって、いくつかの方式に分かれる。ラインの用途や求める仕上がりに応じて使い分けられる。主な方式の比較は下表のとおり。

回転霧化ベルの特徴

ベルカップを毎分20,000〜60,000回転させ、遠心力で塗料を薄い膜状に引き伸ばして微粒化する。粒子が細かく揃うため、自動車の上塗りのような高い外観品質が求められる工程に向く。ロボットに搭載して使うのが一般的。

現場で見たコストと塗着効率

設備投資は小さくない。手持ちの静電ハンドガンでも高電圧発生器を含めて数十万円台、回転霧化ベルをロボットに組み込んだ自動機になると1台あたり数百万円から1,000万円を超える。それでも導入が進むのは、塗料代の削減効果が大きいからである。たとえば年間に塗料を20t使う中規模ラインで塗着効率が35%から70%に上がると、計算上は必要な塗料量がほぼ半減する。塗装ブースの水洗処理にかかる汚泥（塗料かす）の処分費も減る。もっとも、実務では被塗物の形状や吊り下げピッチで効率が大きく変わる。カタログ値だけで投資回収を試算すると外れることが多く、試し塗りで実測値を取ってから判断するのが通例とされる。

凹部に塗りにくい現象と対策

箱物の内側や深い溝のような凹部では、電気力線が開口部の縁に集中し、奥まで届きにくい。これをファラデーケージ効果と呼ぶ。粉体塗装では特に起こりやすく、角に厚く付く一方で内角は膜厚不足になりがちである。現場では、電圧を-40kV程度まで下げてイオンの過剰発生を抑える、ガンを凹部に近づけて吐出空気で押し込む、といった調整が行われる。電圧を上げれば付きがよくなると思われがちだが、凹部では逆効果になる場合がある。この点は経験の浅い作業者がつまずきやすい。

安全管理と接地の基準

数万ボルトの高電圧と可燃性の溶剤蒸気が同じ空間にあるため、放電火花による着火を防ぐ管理が欠かせない。労働安全衛生総合研究所の「静電気安全指針」などを参考に、各工場は次のような項目を管理している。

• 被塗物、ハンガー、コンベヤの接地抵抗を1MΩ以下に保つ
• ハンガーに付いた塗膜を定期的に剥離し、通電不良を防ぐ
• 作業者に導電性の靴と手袋を着用させ、人体の帯電を抑える
• ガンと被塗物の距離が近づきすぎたときに電圧を自動で遮断する過電流保護を設ける
• ブース内の換気量を確保し、溶剤蒸気の濃度を爆発下限界より十分低く保つ

なかでもハンガーの汚れによる接地不良は、塗着効率の低下と火災リスクを同時に招く。日常点検で最も重視される項目のひとつである。

水性塗料と導電性の問題

溶剤系塗料の体積抵抗は、静電塗装に適した範囲として数MΩ・cmから数十MΩ・cmが目安とされる。抵抗が低すぎると電荷が塗料の配管を伝って逃げてしまい、高すぎると十分に帯電しない。水性塗料は導電性が高いため、そのままでは高電圧が塗料タンクや供給ラインに漏れる。対策として、塗料系統全体を大地から絶縁する方式と、電極を塗料に直接触れさせず外部から帯電させる間接帯電方式が開発された。日本の自動車メーカーは2000年代以降、中塗り・上塗りの水性化を進めてきたが、その前提にはこうした装置側の改良がある。下塗りで使われる電着塗装とは帯電の原理が異なるものの、どちらも電気の力で塗料を効率よく付着させる点で、焼付塗装ラインの中で組み合わせて使われることが多い。

粉体との組み合わせ

溶剤をまったく含まない粉体塗料は、静電気で被塗物に仮付着させたあと、180〜200℃で約20分加熱して溶融・硬化させる。付着しなかった粉体はサイクロンで回収し再利用できるため、材料の利用率は95%を超える。品質評価にはJIS K 5600シリーズの塗膜試験方法が用いられ、付着性や耐衝撃性などを確認する。静電気を利用する点は液体塗料と同じだが、色替えのたびにブースや回収装置を清掃する必要がある。多色を短いロットで流すラインでは、液体の静電塗装のほうが段取り替えの面で有利になる場面も少なくない。