製品を支える先端環境技術

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あらまし現在のものづくりにおいて環境配慮は必須であり，富士通研究所では製品を支える先端環境技術の開発に取り組んでいる。塗料などに含まれる揮発性有機化合物（VOC）は，地球環境保全のために削減が求められている。これまで，VOCを含まない水性塗料を ICT機器に適用するのは，高い乾燥温度と高度な塗膜性能が必要であることから，困難であった。この課題に対して，塗膜となる樹脂にコア・シェル構造のエマルジョンを適用することにより，ICT機器向けの塗装性と塗膜性能をクリアし，有機溶剤の使用量を約 80％削減した。また，VOCと並んで有害性が懸念されるフタル酸ビス（2-エチルヘキシル）（DEHP）は，日本・米国・欧州において規制されており，欧州RoHS指令では，次期規制候補物質として検討されている。しかし簡易な受入検査方法では，規制値に対する検出感度が不十分であり，更に試料成分の影響を受けるため検出することが困難であった。この課題に対して，試料中のフタル酸エステル類を分離して濃度を高めることができる蒸気捕集法を開発した。この方法で作製した試料を，FT-IRで分析することにより，元の試料におけるフタル酸エステル類の含有の判別下限を従来より1桁向上した1 wt％程度にでき，受入検査への展開を可能とした。 Abstract

Manufacturing capabilities (monozukuri ) today cannot be considered without environmental awareness. Fujitsu Laboratories Ltd. engages in developing innovative environmental technology used for manufacturing processes. To conserve the global environment, the use of volatile organic compounds (VOC), usually contained in paints, is expected to be reduced. Application of water-based paint with no VOC content on information and communications technology (ICT) equipment has been technically challenging so far. This is because it requires high drying temperature which plastics cannot stand, while the paint must achieve high coating performance. Addressing this challenge, we have developed a coating emulsion in a core shell structure to satisfy both low drying temperature and coating performance. As a result, we succeeded in reducing the VOC content by approximately 80%. Bis (2-ethylhexyl) phthalate (DEHP), another potentially toxic substance, is being regulated in Japan, the US and the EU; and is now being considered as a candidate for next-round regulation under the EU s Restriction of Hazardous Substances Directive. Identiﬁcation of the presence of a phthalate has been an issue in a factory s acceptance testing operations since simple detection methods available today are inﬂuenced by other additives in test samples, and are not sensitive enough to meet regulatory requirements. We have developed a vapor collection method, a simple pre-processing method. With this method, it is possible to detect phthalate esters using FT-IR with a sensitivity to identify less than 1 wt% contained in pre-processed samples. This is a tenfold improvement in sensitivity over the existing method, and the method is implementable in acceptance testing operations.

● 竹内文代　　　● 野口道子　　　● 尾崎光男　　　● 木村浩一

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● 水性塗料の開発，評価（1）溶剤系塗料と水性塗料の比較溶剤系塗料は，塗膜となる樹脂が溶剤に溶解しており，溶剤が揮発することで樹脂が膜として残るため，成膜性に優れている。また，希釈用シンナーとして多様な溶剤の中から溶解力の強さの異なるものや揮発速度の異なるものを選択・混合し，使用目的に応じて最適化することができる。一方，水性塗料は，樹脂粒子が水に溶解せず微粒子として存在するエマルジョン塗料が一般的であり，図

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に示した一般的な水性塗料の造膜イメージのように水分の蒸発とともに樹脂粒子間が接近，融着して連続した皮膜を形成する。したがって，融着の良し悪しがそのまま塗膜物性の良し悪しに反映されることになる。希釈には，水を用いる。ただし水が揮発した後にも基材上に残って融着を助けるための有機溶剤を助剤として少量配合するが，溶媒側の選択の幅が狭いため，限定された系で成膜性を上げるためには，樹脂の最適化が重要となる。（2）開発目標現在，サーバやパソコンなどのICT機器の塗装を水性塗料に切り替えるためには，樹脂粒子を融着させるための乾燥工程，および求められる塗膜性能の点で課題があった。通常の水性塗料では，ICT 機器で使われているプラスチック筐体が，融着を促進させるための高い乾燥温度に耐えることができず，変形してしまうという問題がある。更にICT 機器の筐体塗装では，硬度，密着性，耐薬品性，耐光性，意匠性などの高い塗膜性能が要求される。今回の水性塗料は，プラスチック筐体に塗装可能である80℃以下の低温乾燥と塗膜性能の両立を開発目標とした。また，量産を考慮し，作業性や使用する設備も，現行と同等であることを目指した。ま　え　が　き富士通研究所では，循環型社会を構築するためには，環境対応技術が不可欠であるとの認識に立ち，製品の製造からお客様の使用，廃棄までに至る製品自身，更に各種ソリューションの環境配慮に関連する研究開発など，幅広い環境技術の研究開発に取り組んでいる。これまで，ノートPCなどのICT機器の環境負荷を低減する技術として，植物性プラスチックの開発，（1）_{マグネシウム合金のリサイクル技術の開} 発（2）_{などを行ってきた。また化学物質に関する}

欧州 RoHS（the restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment）指令（2006年施行）などに対応するため，規制物質の含有を検証する効率的なスクリー

ニング分析技術など（3）_{の開発に取り組んできた。}

本稿では，最近の研究開発事例として，環境配慮技術からVOC（Volatile Organic Compounds：揮発性有機化合物）の使用量の削減を可能とする水性塗料技術と，受入検査技術から，有害性が懸念されるフタル酸ビス（2-エチルヘキシル）（以下， DEHP）などのフタル酸エステル類の新たな簡易判別手法について紹介する。水性塗料技術 VOCは，大気中の光化学反応により，光化学スモッグを引き起こす原因物質の一つとされており，主として，塗料，印刷インキ，接着剤，洗浄剤，ガソリンなどに含まれている。環境省の資料（4）によれば，VOC排出量の約40％を塗料が占めると報告されている。よって，塗料に含有されるVOC 削減が地球環境保全において重要な課題となっている。塗料は，塗膜になる成分として色や輝きを出す色材と膜になる樹脂があり，また塗膜にならず揮発する成分として塗料を希釈し塗りやすくする溶剤を加えて構成される。溶剤の大部分がVOCであることから，VOC削減には，溶剤系塗料から，溶媒のほとんどが水である水性塗料への切替えが有効である。ま　え　が　き水性塗料技術図-1 水性塗料の造膜イメージ（一般的なエマルジョン）水樹脂粒子水蒸発粒子間接近・融着加熱乾燥

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そこで，図

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に示すようなコア・シェル構造のエマルジョンを検討した。アクリル系の樹脂で，コア部にTgが高くて硬いものを，シェル部にTgが低くて軟らかいものを配し，造膜性の向上と硬度の確保を狙った。基材には，PC-ABSおよびPC（ガラスファイバー配合）を用い，それぞれの場合について，評価を行った結果，いずれの性能も基準を満足することができた。 ● 環境配慮評価今回開発した水性塗料では，溶剤系塗料に比べて，同量の塗料中に含まれる有機溶剤の量が，図

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に示したように約80％削減されている。揮発する溶剤の量，すなわちVOC量も同様に削減される。塗料を生産するために消費される原油の量を試算すると，水性塗料は溶剤系塗料に比べて約54％少ない。また，一液塗料であることからポットライフを考慮する必要がなく，硬化剤・希釈溶剤などが不要になる。これは，限られた原油資源の節約効果のほか，副次的な効果として，資源を採掘し加工・輸送するためのエネルギーのほか，多様な環境負荷の削減に寄与することになる。 ● 製品への適用今回，プラスチック筐体上でも使用可能な水性塗料を開発し，2013年発売のUNIXサーバ「SPARC M10」の「SPARC M10-4」「SPARC M10-4S」 2モデルの本体フロントパネルなどの部品に適用した（図

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）。従来の溶剤系塗料と比べて，筐体1枚あたり新たに使用する石油の使用量を54％，VOC を80％削減できる。ICT機器において，筐体がプラスチック製であることが多く，これらの塗装を水性塗料に切り替えていくことにより，VOC発生（3）評価方法塗装膜に求められる性能は，用途により様々であるが，ICT機器，特にモバイル機器にまで使用するためには，より高い性能が求められる。一次評価として，外観検査，クロスカットによる密着性評価，鉛筆硬度試験を行う。手で触れることが多い機器では，耐薬品性の評価に，通常使われるアルコールなどの溶剤以外に，ハンドクリームなどの化粧品，OAクリーナーに対する耐性も確認している。薬品を塗布して所定時間放置後，外観にも変化がなく，硬度，密着性を維持していることを確認する。人工汗についても同様である。また，様々な環境で使用されることを想定し，温湿度サイクル試験も行う。（4）樹脂の選択水性塗料は，希釈には水を用いるため機能を求めることができない。よって成膜性・塗膜物性ともに樹脂の最適化が最も重要な因子となる。著者らは，使用する樹脂として，アクリル系とウレタン系，それぞれのガラス転移温度（Tg）に着目して，いくつかの種類の樹脂を選択して塗料を作製し，塗膜物性を評価した。乾燥条件は，プラスチックが変形しない範囲で70℃，30分とした。アクリル系，ウレタン系ともにTgが高い樹脂で，鉛筆硬度を確保できることを確認した。ウレタン・ディスパージョンでは，外観は良好な塗膜が得られるものの，耐薬品性や耐人工汗性に課題がある。一方，アクリル・エマルジョンでは，造膜性に課題があり，表面にクラックが発生した。1種類の樹脂で塗膜性能を確保するのは困難であるため，2種類の樹脂を配合した塗料を作製したが，ウレタン系を増やすと人工汗に対する耐性の劣化，アクリル系を増やすと耐薬品性の劣化が見られ，全てを満足する配合を見出すことができなかった。図-2 水性塗料の造膜イメージ（今回開発した水性塗料）コア部：Tgが高く，硬い樹脂シェル部：Tgが低く，柔らかい樹脂水樹脂粒子加熱乾燥水蒸発シェル部の樹脂で融着促進コア部の樹脂で硬度確保溶剤系塗料水性塗料水溶剤顔料樹脂 0 20 40 60 80 100 80％削減組成（％）図-3 溶剤系塗料と水性塗料の組成比較

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され，2011年2月17日にREACH規則の認可対象物質リストに掲載された。更に，欧州RoHS指令では，次期規制候補物質として検討されている。しかし，簡易な受入検査において検出するのは，規制値に対する検出感度が不十分であり，更に試料成分の影響を受けるため困難であった。そこで，簡便な検査方法の開発を目指した。 ● 現状の分析法の課題フタル酸エステル類の代表的な分析法としては，フタル酸エステルの種類と濃度を高精度に測定できる GC-MS（Gas Chromatography-Mass Spectrometry）や，種類は特定できないが，フタル酸エステル類が10 wt％程度の濃度で含有していればそれを検証できる FT-IR（Fourier Transform Infrared Spectroscopy）がある。前者の方法には，有機溶剤による試料の前処理やデータ解析などの専門知識が必要で，作業工数も多く，分析装置が高価であるため，受入検査への適用は難しい。後者の方法では，試料の前処理が不要で，フタル酸エステル類が分子構造に持つ1，2-置換ベンゼン環由来のピークの有無をスペクトルデータで確認するだけで検出が判断できるスクリーニングに適した方法で，装置価格も廉価である。しかし，RoHS などで規制される値0.1 wt％に対して検出感度が 10 wt％程度と不十分であること，試料に含まれる色材や添加剤などほかの成分の影響により検出が困難になるなどの課題がある。 ● 蒸気捕集法の開発上記の課題を解決するため，簡便な試料前処理法である蒸気捕集法（図

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）を開発した。これは，試料の加熱により，試料中のフタル酸エステル類などの可塑剤成分を蒸発させ，その蒸気をPVC のみから成る薄膜に捕集することで，可塑剤成分を濃縮し，色材などのほかの成分の影響を少なくする方法である。この方法で作製したサンプルを FT-IRで分析することで，試料中に1 wt％程度存在するフタル酸エステル類の含有の判別が可能になった。この捕集法のポイントを以下に示す。（1）可塑剤成分などの添加物の中から，対象とするDEHPを効率良く蒸発させる。（2）発生した蒸気を，できるだけ多く，捕集膜に吸着させる。（3）吸着した成分を捕集膜に均質に吸収させる。などの環境負荷を大きく削減することが可能である。筐体の材質，求められる塗膜の意匠・品質，生産量などを考慮しつつ，適用拡大を図る。フタル酸エステルの含有判別技術製品には，種々のグローバルな化学物質の規制が適用される。その中でも，欧州 RoHS 指令や REACH（Registration, Evaluation, Authorization and Restriction of Chemicals）規則（2009年施行）は，富士通グループの製品への影響が大きい規制である。富士通グループでは，製品の設計，製造に関して，含有規制化学物質対応の基本方針とルールを定め，枠組みを構築して運用，管理している。（5）この中で，富士通研究所は，設計での部材選定時や製造での部材受入時における規制化学物質の含有検証技術の開発を担っている。特に，受入時には，より簡便，かつ効率的なスクリーニング分析法が必要であり，これまでに，蛍光X線分析（X-ray Fluorescence Analysis）を用いた方法，ラッピングフィルムを活用しためっき部位の試料前処理法（6）など独自技術を規制に先行して開発し，富士通グループへ展開してきた。 ● フタル酸エステル類の規制動向フタル酸エステルは，ポリ塩化ビニル（PVC： Polyvinyl Chloride）などを柔らかくする可塑剤として，広く使用されている。一方で，フタル酸エステル類のうち最も生産量が多いDEHPは，健康への影響が懸念され，日本・米国・欧州において，玩具や育児用品への使用が規制されている。また，欧州では，リスク懸念物質として，「発がん性物質・変異原性物質・生殖毒性物質」のグループに分類フタル酸エステルの含有判別技術図-4 水性塗装を施したフロントカバー 50 mm

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今後RoHSでの規制動向も踏まえながら，蒸気捕集装置や捕集膜の供給体制を整え，規制に対応して本開発手法を富士通グループの受入検査などに展開できるように準備を進める。む　　す　　び本稿では，富士通研究所において，最近，開発した製品を支える先端環境技術として，VOC排出量を低減する水性塗料技術とフタル酸エステルの含有判別技術について試料の前処理法である蒸気捕集法を紹介した。富士通グループは，第7期環境行動計画の中で，事業活動を通じて，地球環境をはじめとして広く社会課題の解決への貢献と持続可能で豊かな社会の実現を目指している。今後も，富士通研究所は，製品を支える先進環境技術の研究開発で貢献し続けていきたいと考えている。参考文献（1）木村浩一ほか：植物性プラスチックの研究開発と製品適用．FUJITSU，Vol.59，No.2，p.121-133（2008）．（2）木村浩一ほか：マグネシウム合金筐体のリサイクル技術．FUJITSU，Vol.54，No.6，p.458-464（2003）．（3） M. Ozaki et al.：Efﬁ cient and Unique System for

む　　す　　びこれらを実現するには，試料の加熱温度，時間，更に，捕集膜の温度，輻射熱に関わる加熱面と捕集面の間隔などの温度条件のほか，捕集膜の厚さの設定や蒸気の拡散を抑制する仕切りの設置などの管理が必要となる。また，受入検査への適用には，作業効率を良くし，工数を削減することも必要である。そこで，関係部署と協力して蒸気捕集装置（図

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）を開発した。（7）_{試料や捕集膜の温度条件の設} 定，管理を容易にするとともに，試料セットをカートリッジで行うことで作業効率を向上し，誰にでも5分程度以下の短時間で安定した蒸気捕集を可能にした。更に捕集の各種条件を高精度に調整することもでき，捕集条件の詳細調査による一層の判別下限の向上への取組みやFT-IRの各種測定条件に最適なサンプルの作製も可能になる。 ● 今後の展開蒸気捕集法で前処理したサンプルをFT-IRを用いたスクリーニング分析に適用することで，フタル酸エステル類の含有の判別下限を従来より1桁向上して，1 wt％程度にできる。これを受入検査へ展開することで製品への含有のリスクを低減し，より安心・安全な製品の提供が可能となる。図-5 蒸気捕集法とFT-IRによるフタル酸エステル類の分析手順図-6 蒸気捕集装置蒸気捕集 FT-IR測定検出判定（感度1 wt％以下）試料捕集物（分析サンプル）加熱器金属板冷却金属板細断 PVC製膜捕集膜の準備 PVC捕集膜冷却器 100 _mm 加熱器試料カートリッジ

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（6）富士通研究所ほか：チップ部品のめっき中に含まれる鉛の効率的な分析手法を開発． http://pr.fujitsu.com/jp/news/2007/09/14-1.html （7）富士通研究所ほか：世界的に規制が強まっているフタル酸エステルの含有を判別できる簡易手法を開発． http://pr.fujitsu.com/jp/news/2013/03/21-3.html Verifying Containment of Hazardous Substances．

Fujitsu Sci. Tech. J.，Vol.41，No.2，p.209-216（2005）．（4）環境省：揮発性有機化合物（VOC）排出インベントリ検討会（2013）． https://www.env.go.jp/air/osen/voc/inventory.html （5）八木晴見ほか：製品含有化学物質規制への対応． FUJITSU，Vol.62，No.6，p.688-694（2011）．竹内文代（たけうち　ふみよ）ものづくり技術研究所ハードウェアエンジニアリング研究部所属現在，環境に配慮した塗料の開発に従事。野口道子（のぐち　みちこ）基盤技術研究所グリーンプラットフォーム研究部所属現在，規制化学物質の分析法開発関連の研究に従事。尾崎光男（おざき　みつお）ソーシャルイノベーション研究所第一ソリューション研究部所属現在，規制化学物質の分析法開発関連の研究に従事。木村浩一（きむら　こういち）ものづくり技術研究所ハードウェアエンジニアリング研究部所属現在，筐体材料の開発に従事。著者紹介