大型風力発電設備へのフッ素樹脂塗料『ボンフロンＧＴ』の提案ＡＧＣコーテック株式会社山崎達朗 1．はじめに１９８２年に旭硝子（株）より、世界初の溶剤可溶型塗料用樹脂『ルミフロン』が開発され、翌年の１９８３年に『ルミフロン』を使用した溶剤可溶型フッ素樹脂塗料『ボンフロン』が弊社より上市された。以来建築物の長期美観と保護を目的として、超高層ビルを中心に数多くの著名な建造物に採用されてきた。また、１９９０年には、『鋼道路橋塗装便覧』の外面塗装系Ｃにフッ素樹脂塗料が採用され、２００５年に改訂された『鋼道路橋塗装・防食便覧』においては、新設塗装並びに塗り替え塗装の大半にふっ素樹脂塗料が採用された。近年、風力発電設備においては、洋上風力発設備のように大型化されたものが見られるようになってきた。洋上に設置された風力発設備では、洋上という環境の制約上、塗り替え周期を長期化しなければならず、そのため厳しい腐食環境を十分に考慮した防食塗装仕様の選定が必須となるため、環境遮断性に優れたフッ素樹脂塗料の採用が望まれる。また、大型化されたブレード翼に対しては、その終速の高速化による、塗膜やＦＲＰ基材の破断現象である『レインエロージョン』に対応した塗料の開発は重要な要望であると考える。本稿では、離島や海上等の厳しい腐食環境での使用を想定し、従来のフッ素樹脂塗料を更に高耐久化すべく開発した『ボンフロンＧＴ』と大型化する風力発電設備を想定して、現在開発を進めている『ブレード用フッ素樹脂塗料』を紹介する。２．フッ素樹脂塗料に関する国内標準・規格フッ素樹脂塗料は、日本における防食分野において、この 10 年間の間に国土交通省や旧公社公団の橋梁塗装に標準化され、長大橋ばかりか短い橋も含めて、ほとんどの橋の塗装に使用されるようになった。日本国内での塗料全体の生産量・使用量が減少する中で、フッ素樹脂塗料が持つ耐久性が市場ニーズにマッチしたため塗料全体の動向とは逆に、フッ素樹脂塗料の使用量は年々増加する傾向にある。ＩＳＯ規格では、フッ素樹脂塗料は最も厳しい環境での海上を想定した C-5M 仕様に適用できる。耐久性は 15 年以上として運用されている。１）海外では、海上で利用可能な仕様として風力発電設備での利用計画が進んでおり、フッ素樹脂塗料の利用に関して ISO 規格は、重要な規格となっている。フッ素樹脂塗料は、長期の耐久性から塗り替えが少なく、省資源、省エネルギー、ＶＯＣ低減などで最も期待された塗料である。防食関係では、フッ素樹脂塗料を塗装仕様の標準塗料にした塗装標準・規格が多数存在している。日本におけるフッ素樹脂塗料に関する主な塗装標準・規格を表－1 に示す。鋼道路橋塗装・防食便覧においては、国道・県道・町道などに設置する橋梁の塗装は、ＬＣＣ低減のため、基本的にはフッ素樹脂塗料で塗装することとしている。旧公団公社は同様の考え方を塗装規格の中に反映しており、本州四国高速道路（株）では、さらに海上での使用を想定して、『高耐久性ふっ素樹脂塗料』の暫定規格を策定し、沖縄県宮古島での暴露試験規格を導入し、一般のフッ素樹脂塗料との差別化を図っている。表－１フッ素樹脂塗料に関する国内標準・規格防食関係・鋼道路橋塗装・防食便覧・本州四国高速道路（株）塗装基準・各 NEXCO 管理要領・各地区高速道路（株）塗装基準・JIS K5659-2010 建築関係・建築工事共通仕様書・日本建築学会建築標準 JASS18 ・建設業協会高耐久性塗料規格（案）・JIS K5658-2010 ３．高耐久型フッ素樹脂塗料『ボンフロンＧＴ』フッ素樹脂塗料が、ポリウレタン樹脂塗料やアクリルシリコン樹脂塗料に比べて、高い耐久性を有していることは、前節までの試験結果や各種建築関連学会での報告により周知されているが、都市部や山間部のような一般環境に設置される場合に比べて、南方の離島や海上の様に「高温・多湿・高紫外線量」である厳しい暴露環境にさらされた場合、塗料中に一般的に使用される白顔料である酸化チタンの光触媒反応の影響により、比較的早く塗膜の光沢の低下や白亜化が発生することが確認されるケースがある。酸化チタンを含む塗膜では、次のような酸化チタンの光触媒作用が働き、ラジカルを生成することで、塗（光 100 沢 80 保持 60 率 40 ）％ 20 6 12 18 暴露期間（ヶ月） 80 光沢 60 保持率 40 ％ 20 ） 120 0 100 0 0 20 40 60 試験時間（時間） 80 100 ボンフロンＧＴ従来型ボンフロンポリウレタン樹脂塗料宮古島暴露（南面４５°）データ 0 最近では、酸化チタンの光触媒反応による樹脂劣化を想定した促進耐候性試験機として、過酸化水素水を試験体に噴霧するシステムを組み込んだキセノンランプ式促進耐候性試験機が開発されており、非常に短時間で、光触媒反応による樹脂劣化を再現できるようになった。この装置は、過酸化水素水から発生した［ＯＨ・］や［Ｏ・］が塗膜表面に作用することにより、酸化チタンによる光触媒劣化と同様な劣化機構を発生する。そのため沖縄本島や宮古島に代表される「高温・多湿・高紫外線量」での暴露試験と高い相関性が確認されている。図－２にこの過酸化水素キセノン式促進耐候性試験機を使用した時のフッ素樹脂塗料とポリウレタン樹脂塗料の光沢保持率の変化を示す。（膜の劣化が進行することが知られている。２）、３） +ｈν →［ＴｉＯ２］Ｐ＋＋ｅ－［ＴｉＯ２］（酸化チタン）（光ｴﾈﾙｷﾞｰ）（正孔）（電子）［ＴｉＯ２］Ｐ＋＋Ｈ２Ｏ →ＨＯ・＋Ｈ＋＋［ＴｉＯ２］ →Ｈ２Ｏ＋Ｏ・２ｅ－＋２Ｈ＋＋Ｏ２－ →ＨＯ・＋ＯＨ－ｅ＋Ｈ２Ｏ２この反応では、まず光（紫外線）を吸収した酸化チタンが＋電荷の正孔と－電荷の電子を生成する。酸化チタンの表面近傍の水が正孔によって酸化を受けて高活性のヒドロキシラジカル［ＨＯ・］が発生し、このラジカルが樹脂の劣化反応を進行させる。この場合、顔料の周辺部を中心に塗膜の劣化が進行していく。このようにして、酸化チタンから発生したラジカルによる樹脂成分の分解は、酸化チタン周辺部から発生し、さらにはこの分解が拡大して、塗膜劣化を引き起こしていくことが確認されている。図-１に宮古島暴露試験を実施した時のフッ素樹脂塗料とポリウレタン樹脂塗料の光沢保持率の変化を示す。宮古島は、沖縄本島よりさらに南に位置しており、暴露環境としては非常に過酷な環境であることが知られており、ポリウレタン樹脂塗料で暴露１年を過ぎると著しい光沢の低下が観測される。また、従来型のフッ素樹脂塗料であるボンフロンにおいても２年の暴露期間で光沢が半分程度まで低下する。このような環境においても高耐久型フッ素樹脂塗料『ボンフロンＧＴ』は、暴露２年を経過しても９０％近い光沢保持率を保持しており、「高温・多湿・高紫外線量」のような厳しい暴露環境に最適な塗料であるといえる。 24 ボンフロンＧＴ従来型ボンフロンポリウレタン樹脂塗料図－１各種塗料の宮古島暴露試験結果図－２各種塗料の過酸化水素キセノン式促進耐候性試験結果過酸化水素キセノン式促進耐候性試験では、一般環境において２０年以上の実績のあるフッ素樹脂塗料『ボンフロン』でも、光触媒反応により比較的短時間で光沢低下が発生するが、このような環境下での使用を想定して改良された高耐久型フッ素樹脂塗料『ボンフロンＧＴ』では、光触媒反応から樹脂劣化を最小限に抑えることができ、フッ素樹脂塗料が本来持っている耐候性能を厳しい環境下にさらされても、発揮することを可能にした。４．ＦＲＰブレード用フッ素樹脂塗料の開発近年、風力発電設備の大型化に伴い、使用するブレード翼も大型化されており、回転の際のブレード翼の終速も高速化している。またブレード翼に使用される部材は、風力発電設備本体に使用させる鋼材ではなく、一般的にＦＲＰが使用される。そのため、本体のような重防食塗装を施す必要はないが、鋼材より軟らかいＦＲＰが回転している際に、雨粒や砂塵等と衝突した場合、いわゆる『レインエロージョン』と呼ばれる現象により、塗膜剥離やブレード翼基材の破壊等が見られることがある。これは高速で回転しているブレード翼の運動エネルギーが、塗膜やＦＲＰ基材の強度を超えるため、雨粒や砂塵等に衝突したときに破壊される現象であり、ブレード翼が大きくなればなるほど発生しやすくなる。塗料の設計において、このような『レインエロージョン』の発生を抑えるためには、塗膜の硬さの調整とブレード翼の素材であるＦＲＰとの付着性を十分考慮に入れて開発を進める必要がある。弊社では現在ブレード用に塗料設計されたフッ素樹脂塗料を開発中である。下記に開発中のブレード用フッ素樹脂塗料の評価結果を示す。まず『レインエロージョン』現象を想定して、一般的なフッ素樹脂塗料とブレード用フッ素樹脂塗料をＦＲＰに塗装した試験体を用いて、ブラストマシンを使用したブラスト噴射試験を実施した。評価方法としては、目視により塗膜外観の変化を確認した。以下にそのときの外観写真を示す。写真－１ブラスト噴射試験後の塗膜の外観写真左側：一般的なフッ素樹脂塗料（全面に剥離発生）右側：FRP ブレード用フッ素樹脂塗料（異常なし）上記外観写真で明らかなように塗膜の硬さとＦＲＰへの付着性を考慮して塗料設計されたブレード用フッ素樹脂塗料は、『レインエロージョン』を想定したブラスト噴射試験において有効な試験結果を得ることが出来た。今回開発されたブレード用フッ素樹脂塗料は、現在、大型の風力発電設備のブレード翼に塗装して、実際の効果の確認を検証中である。５．まとめ３０年の実績と長期間の暴露試験や促進耐候性試験により、耐久性が証明されているフッ素樹脂塗料『ボンフロン』を上回る耐久性を有する、高耐久型フッ素樹脂塗料『ボンフロンＧＴ』を上塗り塗装に用いた重防食塗装を実施することにより、洋上や離島等の過酷な環境下に設置される風力発電設備の長期間に亘るメンテナンスフリーを可能にするものと考える。また、より大型化されるブレード翼に対して、『レインエロージョン』現象に対する耐久性を進めたＦＲＰブレード翼専用のフッ素樹脂塗料の開発を検討しており、実証試験による検証結果を踏まえて今後上市する予定である。参考文献１）田邊：鋼構造協会，第 36 回鉄構塗装技術討論会特別講演，（2013）２）橋本和仁、藤嶋昭：用水と排水，36,851(1994) ３）村澤貞夫：J.Jpn.Soc.Colour Mater(色材)(1996)