JP2002060519A - 微細構造を有する成形体の製造方法 - Google Patents
微細構造を有する成形体の製造方法Info
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Abstract
ることなく、廃液の発生無しに、残留溶媒などのない優
れた特性の微細構造を製造する方法を提供する。 【解決手段】本発明は、ミクロ相分離構造の内、少なく
とも1相を構成するポリマー鎖の主鎖を切断あるいは分
解する工程と、切断あるいは分解したポリマー鎖を除去
する工程と、切断あるいは分解したポリマー鎖を除去す
る際、あるいは除去後に、超臨界流体あるいは亜臨界流
体を用いた洗浄を行う。
Description
あるいはグラフトコポリマーから形成されるミクロ相分
離構造を元に形成される微細構造を有する成形体の製造
方法に属する。
る成形体を形成する方法として、ブロックコポリマーあ
るいはグラフトコポリマーのミクロ相分離を利用する方
法が知られている。(例えばVanessa Z.-H. Chan らSci
ence 286, 1716 (1999))この方法は、ミクロ相分離構
造の特定の1相を選択的に除去して、繊維状構造、薄片
状構造、多孔質構造を有する成形体を形成したり、基板
上に成膜したミクロ相分離膜の1相を選択的に除去して
多孔質膜やアレイ状に配列されたドットとして、この多
孔質膜やドットアレイをエッチングマスクとして基板の
微細加工などを行う。
ポリマーを構成する各ポリマー鎖は、相互に化学的に結
合しているために、特定の1相を選択的に除去するため
には、その相を構成するポリマー鎖の主鎖を切断、分解
する。切断、分解したポリマー鎖は、加熱して揮発させ
たり、有機溶剤や水によって溶出して除去する。
造を有する成形体の製造方法は、リソグラフィー工程な
どの高価で煩雑な操作が不要で、三次元的な構造も製造
可能であるなど優れた特徴を有する。
リマー鎖を除去するために必要な加熱操作や有機溶剤や
水による溶出操作には問題があった。
揮発させるために、通常、200℃以上の高温で行う必
要がある。そのため加熱操作中に残留する微細構造が酸
化など熱劣化したり、ガラス転移点温度以上となり、熱
変形したりする恐れがある。このため加熱操作によって
製造できる成形体は、ポリイミドなどの高いガラス転移
点温度を有する耐熱性ポリマーの成形体に限られ、材料
の汎用性が無い。
ー鎖の除去操作を比較的低温で行える利点がある。しか
しながら溶出に1日以上の長い時間を必要とすることが
多くスループットが低い。特に厚みのある成形体、例え
ば数mm以上の厚みのある成形体の内部から溶出させる
ことは非常な困難を伴う。また有機溶媒などが大量に必
要であったり、溶出後の廃液も大量に発生するなど環境
面での問題が多い。さらには溶出に用いた有機溶剤や水
が微細構造内に残存しやすい。すなわち特定の1相を除
去して生じた微細孔などの微細構造の内壁には、切断、
分解したポリマー鎖断片が残存する。そのため微細構造
の内壁は溶出に用いる有機溶剤や水と非常に親和性が高
く、また残存したポリマー鎖がこれら溶剤を抱え込んで
しまい、完全に除去することが難しい。
体を用いる上で様々な問題を生ずる可能性があるため、
充分な乾燥操作を行い除去する必要がある。しかしなが
ら微細構造が残留溶剤によって膨潤して柔らかくなりや
すいため微細構造がくずれやすい。また加熱乾燥する
と、微細構造を形成するポリマーがガラス転移点温度を
越えて軟化し、微細構造がつぶれてしまう恐れがある。
断・分解したポリマー鎖を溶剤で溶出、除去して微細構
造を有する成形体を製造する方法は、除去操作を比較的
低温で行える利点があるものの、溶出に時間がかかる
上、溶剤を大量に用いる必要があり、廃液も大量に発生
する。またミクロ相分離構造から製造される微細構造
は、特徴的に空孔などの微細構造の内壁が溶出溶剤と非
常に親和性の高い状態となるため溶剤が残留しやすく、
また膨潤して柔らかくなりやすいため微細構造がくずれ
やすい。またポリマーからなる成形体の微細構造は熱変
形しやすいため、残留溶剤を乾燥する際に十分な加熱乾
燥を行えないという問題点があった。
ックコポリマーあるいはグラフトコポリマーから形成さ
れるミクロ相分離構造のうち少なくとも1相を構成する
ポリマー鎖を切断あるいは分解したポリマー鎖を除去す
ることにより微細構造を有する成形体を製造するにあた
り、ポリマー鎖の除去操作を比較的低温でしかも短時間
に行うことが可能で、大量の有機溶剤などを用いず、廃
液がほとんど発生せず、しかも残留溶剤なども少ない微
細構造を有する成形体の製造方法を提供することにあ
る。
リマーあるいはグラフトコポリマーから形成されるミク
ロ相分離構造の内、少なくとも1相を構成するポリマー
鎖の主鎖を切断あるいは分解する工程と、切断あるいは
分解したポリマー鎖を除去する工程とを備える微細構造
を有する成形体の製造方法において、切断したポリマー
鎖を除去する際、あるいは除去後に、超臨界流体あるい
は亜臨界流体を用いた洗浄を行うことを特徴とする微細
構造を有する成形体の製造方法である。
ポリマーあるいはグラフトコポリマーから形成されるミ
クロ相分離構造の特定の相を構成するポリマー鎖の主鎖
を切断、分解してから、この切断、分解されたポリマー
鎖を除去する際に特に超臨界流体あるいは亜臨界流体を
用いた洗浄を行う。
エントロピー線図の臨界点以上の温度、圧力下のガスを
いう。また亜臨界流体とは、状態図で温度、圧力及びエ
ントロピー線図の臨界点近傍の温度、圧力下のガスをい
う。超臨界状態ではガスの密度が急激に上昇して気体と
も液体ともつかぬ状態になっている。亜臨界状態は超臨
界状態に変化する一歩手前の状態といえる。超臨界流体
あるいは亜臨界流体の密度は液体に近く、化学的親和性
のある物質を溶解する能力を持つためこれを利用して分
解したポリマー鎖を溶解させる。特に超臨界流体の粘度
は気体に近く、かつ液体に比べて拡散係数が非常に大き
いために微細孔の奥からも速やかに被抽出成分を抽出す
ることが可能である。
れぞれの典型的な条件例としては、超臨界状態:19.
6〜29.4MPa、32〜80℃、亜臨界状態:4.
9〜7.4MPa、15〜31℃である。
鎖の除去に用いることによって、厚みのある成形体であ
っても比較的低温で、短時間で切断、分解されたポリマ
ー鎖を除去することが可能となる。このとき常温常圧で
気体である超臨界流体あるいは亜臨界流体を用いること
によって、加熱乾燥しなくとも溶剤の残留がなく、しか
も加熱乾燥が不要であるため熱変形によって微細構造を
破壊することもない。
溶剤の残留が抑えられるなどの利点はあるが、溶出時間
の短縮は期待出来ない上、有機溶剤の大量使用や廃液の
問題は残る。対して超臨界流体もしくは亜臨界流体で直
接溶出することによりこの様な問題も回避することがで
きる。
フィルタ、繊維、人工臓器用部材、実装用部材、光学部
材、電池などの電気化学セル用部材などの製造、あるい
は磁気記録媒体、単一電子素子などの微細加工に適用で
きる。
る。
マーあるいはグラフトコポリマーから形成されるミクロ
相分離構造の内、少なくとも1相を構成するポリマー鎖
の主鎖を切断あるいは分解する工程と、切断あるいは分
解したポリマー鎖を除去して微細構造を形成する工程と
を備える。
マー鎖を部分構成成分(ブロック)とするコポリマー
(共重合体)をいう。ブロックコポリマーの代表例は、直
鎖型の分子鎖形態をとっているもので、繰り返し単位A
を有するAポリマー鎖と繰り返し単位Bを有するBポリ
マー鎖とが末端どうしで化学的に結合した、−(AA・
・AA)−(BB・・BB)−という構造を有するA−
B型ジブロックコポリマーである。また、3種類以上の
ポリマー鎖が結合したブロックコポリマーでもよい。ト
リブロックコポリマーの場合、A−B−A型、B−A−
B型、A−B−C型のいずれでもよい。スター型の分子
鎖形態をとっていてもよい。スター型としては、ブロッ
クコポリマー鎖が中心から放射状に延びたものでもよい
し、中心からそれぞれ異なるポリマー鎖が延びたもので
もよい。ブロックが4つ以上の(A−B)n型または
(A−B−A)n型などのブロックコポリマーを用いて
もよい。また上記以外にも例えば、−(AA・・AA)
−(BCBBBCBCBCB・・CBB)−のように少
なくとも1つのブロックがランダムコポリマーからなる
ポリマー鎖であるブロックコポリマーでもよい。
鎖に、他のポリマー鎖が側鎖としてぶら下がった構造を
有する。グラフトコポリマーでは、側鎖に数種類のポリ
マーをぶら下げることができる。また、A−B型、A−
B−A型、B−A−B型などのブロックコポリマーにC
ポリマー鎖がぶら下がったようなブロックコポリマーと
グラフトコポリマーの組み合わせでもよい。
フトコポリマーから形成されるミクロ相分離構造は、海
島構造、シリンダー構造、バイコンティニュアス構造、
ラメラ構造、あるいは海島構造の海相がシリンダー構造
となっているなど、幾つかの構造が階層的に組み合わさ
れた構造、さらには例えばFrank S.Bates
ら(フィジックス トゥデイ誌、1999年、2月号、
32〜38ページ)が述べているような構造など様々な
構造を用いることができる。
に、ブロックコポリマーあるいはグラフトコポリマーに
様々な物質を添加しても良い。例えばブロックコポリマ
ーあるいはグラフトコポリマーを構成するポリマー鎖と
同じポリマーのホモポリマーや、各種の添加剤、たとえ
ば可塑剤、酸化防止剤、光安定剤、色素、架橋剤、各種
触媒などを添加してもよい。しかしながらこれらの添加
剤はあまり多く添加すると、ミクロ相分離構造の特定の
相に選択的に溶解して、ミクロ相分離構造の規則性を乱
す恐れがある。そのため添加量はブロックコポリマーあ
るいはグラフトコポリマーに対して、重量分率で20%
以下にするのがよい。ただし、ブロックコポリマーある
いはグラフトコポリマーと相分離するポリマーの場合は
この限りではない。こうしたポリマーを添加すると、ブ
ロックコポリマーあるいはグラフトコポリマーと添加し
たポリマーとが相分離して、大きな相分離構造が生ず
る。この際、ブロックコポリマーあるいはグラフトコポ
リマーからなる相は、規則的なミクロ相分離構造を形成
し、大きな相分離構造とミクロ相分離構造の階層構造を
形成する。こうした階層構造を用いても良い。また顔
料、エアロジルや白金微粒子などのセラミックスや金
属、カーボンなどの微粒子や繊維などを添加しこれらの
材料との複合体としてもてもよい。
を構成するポリマー鎖の主鎖を切断、あるいは分解する
手法は特に限定されない。例えばJ.S.Leeら(M
acromolecules 1989、22、260
2―2606)が報告しているような、オゾンで分解す
る方法、特開平11―80414号公報などに開示され
ているような光分解する方法、または特開平2−279
741号公報で開示されているようなイオン交換する方
法などを用いることができる。また電子線、α線、γ
線、重粒子線、X線などのエネルギー線で分解してもよ
い。
良い。電子線は加速電圧によって、ミクロ相分離構造が
形成された成形体中への侵入長をある程度自由に設定す
ることができる。また紫外線などと異なり、ベンゼン環
などの芳香族化合物ポリマーからなる成形体へも充分浸
透させることができる。
など比較的極性の高い化合物であるため、超臨界CO2
に溶解しにくいのに対して、電子線による分解物は比較
的低極性で溶解しやすい。
属などとの複合体であっても、カーボン、セラミック
ス、金属を透過して照射側と反対側も照射して分解する
ことが可能である。例えばマグネシアなどのセラミック
スとの複合体からなる成形体の場合、生じた二次電子に
よってかえって効率的に分解することすら可能となる。
さらに電子線照射はロールツーロールの処理も可能な比
較的低コストな処理方法である。数mm以上の厚みを持
つ構造体を用いる場合にも非常にすぐれた方法といえ
る。
ルトン型、バンデグラフト型、共振変圧器型、絶縁コア
変圧器型、または直線型、ダイナミトロン型、高周波型
などの各種電子線加速器を用いる。
が、一般には100〜50000KeV、好ましくは5
00〜20000KeVのエネルギーがよい。あまり加
速エネルギーが小さいと侵入長が小さく、表面付近しか
分解出来ないし、加速エネルギーが大きすぎると電子線
がポリマー鎖を分解することなく透過してしまう。分解
照射線量は10〜300kGy程度である。
特に限定されないが、ポリイソブチレン、α位の炭素が
メチル基やハロゲンで置換されたスチレン類、アクリル
樹脂類などが用いられる。例えば電子線に対する感度が
高く比較的低コストなPMMA(ポリメチルメタクリレ
ート)などのポリアルキルメタクリレート類が好まし
く、さらにはアルキル基が炭素数6以下で分岐している
ポリイソブチルメタクリレートやポリセカンダリーブチ
ルメタクリレート、ポリターシャリブチルメタクリレー
トなどが電子線に対す感度が高い上に超臨界流体とくに
超臨界CO2への溶解性が優れているため好ましい。
るポリマー鎖としては、ポリシクロヘキサン、ポリシク
ロヘキサジエン、ポリノルボルネン、ポリ(ペンタメチ
ルジシリルスチレン)、ポリビニルエチレンなどが耐熱
性や耐薬品性の観点から優れている。ポリ(ペンタメチ
ルジシリルスチレン)は好ましくはオゾン処理などして
ポリオキシカルボシラン類似構造とするのが耐熱性向上
の観点から良い。ポリビニルエチレンもラジカル発生剤
によって架橋したり、ヒドロシリル基を有する架橋剤を
用いて架橋するのがよい。
成するポリマー鎖の主鎖を切断、分解する工程を行った
後、この切断、分解されたポリマー鎖を除去時、あるい
は除去後に、溶剤として超臨界流体あるいは亜臨界流体
を用いた洗浄を行う。
界流体あるいは亜臨界流体を用いて洗浄しても良いし、
分解されたポリマー鎖を一旦別の溶剤で除去した後、超
臨界乾燥しても良いが、前者の方が望ましい。別の溶剤
で溶出後に超臨界乾燥しても、溶剤の残留が押さえられ
るなどの利点はあるが、溶出時間の短縮は期待出来ない
上、有機溶剤の大量使用や廃液の問題は残る。対して超
臨界流体あるいは亜臨界流体で直接除去することにより
この様な問題も回避することができる。
が良い。
物質は、例えば、二酸化炭素(CO 2)、窒素(N2)、
亜酸化窒素(N2O)、キセノン、六フッ化イオウ(S
F6)、アンモニア、エタン、n−プロパン、n−ブタ
ン、n−ペンタン、n−ヘキサン、クロロトリフルオロ
メタン、メタノール、水などの超臨界流体、あるいは亜
臨界流体が挙げられる。特に望ましくは、二酸化炭素
(CO2)、窒素(N2)、亜酸化窒素(N2O)、キセ
ノン、六フッ化イオウ(SF6)などの常温、常圧でガ
ス状態のものの超臨界流体あるいは亜臨界流体であり、
これらの臨界流体あるいは亜臨界流体は減圧することに
より容易に気化し成形体を乾燥させることができる。
低く、微細構造を有する成形体の熱変形、熱劣化を引き
起こす恐れが少ないうえ低コストで安全性も高いため好
ましい。
様々な溶媒などをモディファイア(エントレナ)として添
加しても良い。超臨界CO2に対するモディファイアの
例としては、極性溶媒、特にメタノール、エタノールな
どのアルコール類などが挙げられる。特にポリメチルメ
タクリレートなどのメタクリル樹脂系のポリマーの抽出
に適している。アルコール類を添加するとメタクリル樹
脂系ポリマーの溶解性が向上する。ところが常圧では、
これらアルコール類はメタクリル樹脂系ポリマーの貧溶
媒であるために、速やかに成形体から除去することが可
能である。またメタノールなどの水溶性有機溶媒と水と
の混合溶媒もモディファイアとして用いることができ
る。特に水溶性のポリマー鎖を抽出する際に適してい
る。さらには酸性物質や塩基性物質を添加することによ
ってイオン性物質を抽出することもできる。酸性物質や
塩基性物質としては、揮発性のものが後述するような超
臨界流体の循環利用の際に適している。具体的には例え
ば酸性物質としては酢酸、トリフルオロ酢酸、ギ酸など
が、塩基性物質としてはトリエチルアミンなどが用いら
れる。さらには塩化メチレンなどのハロゲン系有機溶
媒、トルエンなどの芳香族系有機溶媒でもよい。塩化メ
チレンなどはポリスチレン誘導体などを抽出するのに優
れている。
化させることによって、容易に溶質に対する溶解性を大
きくしたり小さくしたりすることができる。このため切
断、分解したポリマー鎖を良好に溶解し、残存させるポ
リマー鎖は溶解しないような状態に溶解性を調節するこ
とが可能である。このため切断、分解したポリマー鎖の
みを選択的に除去することが可能である。また圧力、温
度を変化させて、例えば常温、常圧に戻すと、溶質の溶
解性が大幅に変化して、切断、分解したポリマー鎖に対
する溶解性が大幅に小さくなる。このため微細構造の内
壁との親和性が低下するため容易に微細構造から流体を
除去することができる。また微細構造が流体で膨潤して
やわらかくなって、微細構造がつぶれてしまうおそれも
ない。
亜臨界流体を用いれば、洗浄後、減圧して常圧にもどす
と、気化してしまうため、特に乾燥工程を行う必要も無
い。温度は洗浄容器を加熱あるいは冷却することによっ
て変化させることができる。また洗浄容器に注入する超
臨界流体あるいは亜臨界流体を加熱あるいは冷却するこ
とによっても温度制御は可能である。圧力は洗浄容器な
どに設置された圧力調整弁を操作するなどして容易に変
化させることが可能である。
されたポリマー鎖は、流体の溶解性を変化させるか、あ
るいは気体化させることによって、熱変性などさせるこ
となく容易に回収することができる。そのため、少なく
とも1相を構成するポリマー鎖の主鎖を切断あるいは分
解する工程としてイオン交換による方法や、エステル結
合やアミド結合などからなるポリマー主鎖を加水分解す
る方法や、PMMA(ポリメチルメタクリレート)から
なるポリマー主鎖などを電子線などで分解する方法を行
った場合、回収したポリマー鎖を再びモノマー原料など
として再利用することが可能となり優れている。
流体あるいは亜臨界流体を用いると、洗浄後、流体は常
温、常圧に戻した際にガス化する。このガスが微細構造
をふくまらす効果を発揮して、微細構造がつぶれてしま
うのを防止することもできる。
循環して再利用することができる。すなわち洗浄すべき
ブロックコポリマーあるいはグラフトコポリマーからな
るポリマー成型体を入れた洗浄容器に導入された超臨界
流体あるいは亜臨界流体は、分解ポリマーを抽出溶解し
た後、洗浄容器外に流出させる。流出後、減圧すること
によって、分解ポリマーを分離、除去した後、再び加圧
されて洗浄容器内に戻される。冷却するなどして温度を
変化させて、分解ポリマーを分離、除去してもよい。ま
た吸着材を用いて分解ポリマーを吸着して除去すれば、
減圧や冷却などの操作を行う必要も無く洗浄装置を簡略
化できる。また減圧、加圧操作や、冷却、加熱操作など
のエネルギーを必要とする操作が不要となるためランニ
ングコストも低減することができる。
成するポリマー鎖は、さらに三次元架橋させる工程を行
うのが望ましい。除去するポリマー鎖を分解すると同時
に架橋しても良いし、別途架橋しても良い。三次元架橋
することによって、分解ポリマー鎖を洗浄除去する際
に、残存ポリマー鎖が同時に溶出したり、膨潤して軟化
したりするのを防止することができる。β線照射を分解
に用いる際には、ポリマー鎖に二重結合などがあるとβ
線照射によって架橋するので好ましい。
法によれば多孔質体の成形体などを形成できるが、さら
にこれらの微細構造を有する成形体を用いて他の部材の
微細加工を行っても良い。
の基板上にミクロ相分離構造からなる薄膜を形成し、特
定の1相を構成するポリマー鎖を切断、分解して超臨界
流体による洗浄で除去する。残存した相からなる微細構
造を有する成形体をエッチングマスクとして、ドライエ
ッチング、あるいはウエットエッチングなどのエッチン
グを行えば基板にミクロ相分離構造が転写された微細構
造を形成することができる。例えば基板上に海島構造か
らなる膜を形成し、海相を除去して多孔質膜として、R
IEなどの手法で基板をエッチングすれば、基板表面に
水玉模様状に微細な穴が並んだ構造を形成することがで
きる。
めの層(転写層)を形成し、まずミクロ相分離構造からな
る薄膜を成し、特定の1相を構成するポリマー鎖を切
断、分解して超臨界流体による洗浄で除去する。残存し
た相からなる微細構造からなる成形体をエッチングマス
クとして、転写層を加工し、さらにこの転写層をマスク
として基板を加工してもよい。このような手法を用いる
と、転写層をエッチングする際と基板をエッチングする
際のエッチング条件を変えられるため、基板の材質の選
択幅を大きくすることができる。
キや蒸着、スパッタリング、CVDなどの手法で充填す
れば、基板上に金属、金属酸化物、シリコンなどからな
る微細構造を形成することもできる。この金属などの微
細構造をエッチングマスクとしてさらに基板をエッチン
グ加工しても良い。こうした基板の加工方法を用いるこ
とで均一な大きさの磁性粒子からなる高密度の磁気記録
媒体や、単一電子素子などが形成できる。
る成形体の製造方法を用いると、様々なミクロ相分離構
造が元になった微細構造、例えばシリンダー型相分離構
造が元になった繊維状構造、バイコンティニュアス型相
分離構造が元になった多孔質構造等を有する成形体を形
成することができる。こうした成形体は中空糸フィルタ
などの各種フィルタや、超極細繊維など様々な微細構造
を有する繊維、人工血管などの人工臓器用部材、基板材
料などの実装用部材や、セパレータなどの電池用部材、
光ファイバー、反射防止膜、コンタクトレンズなどの光
学部材に用いることができる。
は超極細繊維を作製することができる。
ィルムからは空孔径が均一なフィルタやセパレータが製
造できる。フィルタとしては空孔径が微細で均一なた
め、非常に高度な空孔径制御が求められる血液製剤製造
用のウイルス除去フィルタなどとしても用いることが可
能である。セパレータはセパレータ単独で製造してから
電池などの電気化学セルに組み込んでも良いし、電極と
組み合わせてから多孔質化してもよい。例えばブロック
コポリマーやグラフトコポリマーをバインダーやセパレ
ータ部分に充填してセルを組み上げてから、電子線照射
後、超臨界洗浄して多孔質化する。高加速の電子線は金
属やカーボンの集電体や電極活物質を容易に透過してポ
リマーを分解することができるため優れている。
タの他に、電気泳動分析などに用いられるゲルとしても
用いることができる。例えばDNA断片の電気泳動には
数十ナノメートルの空孔径を有するゲルが用いられる
が、ミクロ相分離構造から製造した多孔質構造はこうし
た用途に最適である。空孔径を精密に制御できるため、
DNA断片の分離特性などを調整することが可能であ
る。また従来のアクリルアミドゲル等と比べて、保存安
定性に優れ、取り扱いも容易となる。またミクロ相分離
構造から製造した多孔質構造は、空孔内壁の性状を比較
的自由に設計することができる。つまり空孔内壁は除去
したポリマー鎖とおなじポリマー鎖の断片で被覆されて
いる。そのため除去するポリマー鎖の選択で空孔内壁の
性状を変化させることができる。こうした特性はやはり
DNA断片などの分離に有利である。
バイコンティニュアス構造を有する多孔質体の成形体を
用いたものなどが挙げられる。ミクロ相分離構造から製
造された多孔質構造は非常に微細なため光の散乱が小さ
い。また多孔質構造なため光の屈折率を大幅に小さくす
ることができる。このためファイバーの中心軸に対して
光の入射角度が大きくても損失の小さな光ファイバーが
実現できる。
いため屈折率が低い。そのため特定の基板上にこの多孔
質構造の薄膜を形成することによって、反射防止膜とし
ても良好に用いることができる。
コポリマーをレンズ状に成形した後に、好ましくは電子
線照射して超臨界洗浄するなどして多孔質化することに
よって、酸素透過性に非常に優れたコンタクトレンズが
得られる。ミクロ相分離構造をもとに形成された多孔質
構造は、空孔径が微細で均一なため、光の散乱が少なく
透明性に優れる上に、細菌やウイルスなどの侵入を防ぐ
ことが出来る。しかもバイコンティニュアス構造をもと
に形成された多孔質構造は空孔が三次元的に連続して形
成されているために酸素透過性に非常に優れる。またレ
ンズ表面は微細な凸凹になっているため生体適合性が高
く、角膜表面に与えるダメージを低減することができ
る。
ド(Gyroid)構造やOBDD構造などが例示され
る。バイコンティニュアス構造のミクロ相分離構造が元
となった多孔質構造は、多孔質構造を構成するミクロド
メインの断面の回転半径の2√3倍と4倍のいずれにも
相関距離を持つ構造としてあらわせる。なお相関距離を
持つとは、所定のドメインの中心からの距離rに対し
て、周囲のドメインの存在確率(距離rの地点におい
て、その地点が空孔ではなくドメインを形成していると
ころの充填領域である確率)を測定した際に、存在確率
が極大を示す距離が存在することを意味する。こうした
構造は走査型電子顕微鏡(SEM)観察や、小角X線散乱
測定法によって観測される回折ピークの位置により容易
に確認することが可能である。
明するが、本発明はこれらの実施例に限定されないこと
は勿論である。
製 ポリビニルエチレン(PVE)とポリメチルメタクリレー
ト(PMMA)のジブロックコポリマーをリビングアニオ
ン重合法により合成した。重合は脱水テトラヒドロフラ
ン中0度で、セカンダリーブチルリチウムを開始剤とし
て、ブタジエンを重合した。その後、ジフェニルビニリ
デンを加えた後、メチルメタクリレートを加え、―78
℃で重合を行い、PVEとPMMAのジブロックコポリ
マーを得た。重量平均分子量Mw=287000(PV
E分子量=91000、PMMA分子量=19600
0)、Mw/Mn=1.10であった。
t%の3,3',4,4'-tetra-(t-butylperoxycarbonyl)benzo
phenone(BTTB)を添加した混合物の10wt%シク
ロヘキサノン溶液をアプリケータを用いてガラス板上に
塗布して厚さ20μmのジブロックコポリマーのキャス
ト膜を得た。このキャスト膜を窒素気流下、135℃で
2時間加熱処理した。この加熱処理によりキャスト膜中
にミクロ相分離構造が形成されるとともに、PVEがB
TTBにより架橋した。
y照射してPMMAを分解した。
a,洗浄温度40℃、液化CO2の流量30ml/mi
nとし、モディファイアとしてメタノールを用い、メタ
ノール流量3ml/minで5分間、10ml/min
で20分間、0ml/minで5分間、超臨界CO2洗
浄した。洗浄終了後、5分間かけて圧力を常圧まで減圧
した。
である耐圧容器の上流側に超臨界CO2送液ポンプ、モ
ディファイア注入用ポンプを、下流側に全自動圧力調整
弁を装着し、耐圧容器にはオーブンにて温度調整を可能
としたものを用いた。洗浄温度はオーブンにて調節し
た。洗浄圧力は全自動圧力調整弁にて調整した。耐圧容
器と全自動調節弁の間に示差屈折率検出器およびUV分
光光度計を装着して、流出してくるPMMA分解物をモ
ニターし、PMMA分解物が検出されなくなったところ
で洗浄の終了とした。
微鏡にて観察したところ、図1に示すように直径50n
m程度の三次元的に分岐した架橋PVE相からなる三次
元多孔質構造が形成されていることがわかった。図1は
本実施例で得られたポリビニルエチレン多孔質体のSE
M写真。(倍率4万倍) 比較例1として、超臨界CO2洗浄の代わりに以下のよ
うに溶剤で洗浄した以外は実施例1と同様にして三次元
多孔質構造を得た。
た。その結果、超臨界CO2洗浄時と同様な三次元多孔
質構造が得られたものの、部分的にPMMA相が除去さ
れていない領域が観察され、洗浄効果が十分でないこと
が分かった。また部分的に多孔質構造がつぶれていた
り、多孔質構造がつぶれた緻密層が表面に形成されてい
た。これは乳酸エチルによって多孔質構造が可塑化した
ためと考えられる。以上から超臨界CO2による洗浄を
行うと、多孔質構造がつぶれたりしない上、洗浄時間も
短時間でよいことがわかった。
エチレン多孔質成形体の作製 実施例1で用いたのと同じジブロックコポリマーに1.
7wt%の3,3',4,4'-tetra-(t-butylperoxycarbonyl)b
enzophenone(BTTB)を添加した混合物粉末を縦、横
2cm、厚さ5mmの直方体に加熱加圧成形した。この
成形体をさらに窒素気流下、135℃で2時間加熱処理
した。加熱処理後、β線を成形体の表裏両面からそれぞ
れ2MeVで160kGyずつ照射してPMMAを分解
した。
洗浄圧力25MPa,洗浄温度40℃、液化CO2の流
量30ml/minとし、モディファイアとしてメタノ
ールを用い、メタノール流量3ml/minで10分
間、10ml/minで45分間、0ml/minで5
分間、実施例1で用いたのと同様な超臨界CO2洗浄装
置を用いて洗浄した。洗浄終了後、5分間かけて圧力を
常圧まで減圧した。
微鏡にて観察したところ、実施例1と同様な三次元多孔
質構造が成形体の全ての領域に形成されていた。
製 ポリビニルエチレン(PVE)とポリイソブチルメタクリ
レート(PiBMA)のジブロックコポリマーをリビング
アニオン重合法により合成した。重合は脱水テトラヒド
ロフラン中0度で、セカンダリーブチルリチウムを開始
剤として、ブタジエンを重合した。その後、ジフェニル
ビニリデンを加えた後、イソブチルメタクリレートを加
え、―78℃で重合を行い、PVEとPiBMAのジブ
ロックコポリマーを得た。重量平均分子量Mw=275
000(PVE分子量=86000、PBMA分子量=
189000)、Mw/Mn=1.12であった。
t%の3,3',4,4'-tetra-(t-butylperoxycarbonyl)benzo
phenone(BTTB)を添加した混合物の10wt%シク
ロヘキサノン溶液をアプリケータを用いてガラス板上に
塗布して厚さ20μmのジブロックコポリマーのキャス
ト膜を得た。このキャスト膜を窒素気流下、135℃で
2時間加熱処理した。この加熱処理によりキャスト膜中
にミクロ相分離構造が形成されるとともに、PVEがB
TTBにより架橋した。
y照射してPiBMAを分解した。
a,洗浄温度40℃、液化CO2の流量30ml/mi
nとして30分間、超臨界CO2洗浄した。洗浄終了
後、5分間かけて圧力を常圧まで減圧した。
の上流側に超臨界CO2送液ポンプ、モディファイア注
入用ポンプを、下流側に全自動圧力調整弁を装着し、耐
圧容器にはオーブンにて温度調整を可能としたものを用
いた。洗浄温度はオーブンにて調節した。洗浄圧力は全
自動圧力調整弁にて調整した。耐圧容器と全自動調節弁
の間に示差屈折率検出器およびUV分光光度計を装着し
て、流出してくるPiBMA分解物をモニターし、Pi
BMA分解物が検出されなくなったところで洗浄の終了
とした。
微鏡にて観察したところ、直径50nm程度の三次元的
に分岐した架橋PVE相からなる三次元多孔質構造が形
成されていることがわかった。PiBMの代わりにポリ
セカンダリーブチルメタクリレート(PsBMA)、ポリ
ターシャリブチルメタクリレート(PtBMA)としたジ
ブロックコポリマーを用いたほかは同様にしてキャスト
膜作製および超臨界CO2洗浄を行ったところ、同様に
多孔質体が得られた。
VE)とポリイソブチルメタクリレート(PBMA)のジ
ブロックコポリマーの代わりに実施例1で用いたのと同
様なポリビニルエチレン(PVE)とポリメチルメタクリ
レート(PMMA)のジブロックコポリマーを用いた他は
同様にしてキャスト膜の作成および超臨界CO2洗浄を
行った。その結果、PMMA相は除去されず、ほとんど
多孔質化していなかった。このことからPMMAの代わ
りに、超臨界CO2への溶解性に優れたPiBMA、P
sBMA、PtBMAを用いると、有機溶媒であるモデ
ィファイアの使用を削減できることがわかった。
ィルムの作製 ポリ(ペンタメチルジシリルスチレン)(PPDS)とポリ
イソプレン(PI)のPI(分子量=24000)−PPD
S(分子量=100000)−PI(分子量=26000)
型のトリブロックコポリマーのトルエン溶液をガラス板
にアプリケータを用いて塗布して膜厚5μmのキャスト
膜とした。塗布後、135℃で2時間加熱処理した。加
熱処理後、オゾン気流下、低圧水銀ランプを光源として
紫外線を照射した。
を行った。キャスト膜に対し、モディファイアとしてメ
タノールと水の1:1混合溶液を用い、10ml/mi
nで注入しながら、洗浄圧力25MPa,洗浄温度40
℃、液化CO2の流量30ml/minで1時間、実施
例1と同様の超臨界CO2洗浄装置を用い洗浄した。
程度の三次元網目状の多孔質構造が形成されていた。
タノールによる洗浄を試みたが、1時間の洗浄では充分
多孔質化していなかった。
ド光ファイバーの作製 ポリ(ペンタメチルジシリルスチレン)(PPDS)とポリ
メチルメタクリレート(PMMA)のPPDS(分子量=
46900)−PMMA(分子量=142000)型のジ
ブロックコポリマーのトルエン溶液を直径50μmの石
英ガラスファイバに膜厚20μmの厚さでコーティング
した。コーティング後、135℃で2時間加熱処理し
た。加熱処理後、β線を2MeVで160kGy照射し
てPMMAを分解した。
様に超臨界CO2洗浄を行った。
m程度の三次元的に分岐した架橋PVE相からなるバイ
コンティニュアス型相分離構造がもととなった三次元多
孔質構造が形成されていた。コーティング膜の屈折率は
1.2以下であった。クラッドとしてPPDSのホモポ
リマーをコーティングした光ファイバーと比較して、入
射光角が10%以上増大した。
クトレンズの作製 ポリ(ペンタメチルジシリルスチレン)(PPDS)とポリ
メチルメタクリレート(PMMA)のPPDS(分子量=
146000)−PMMA(分子量=45000)型のジ
ブロックコポリマーの成形体を135℃で2時間加熱処
理した。加熱処理後、成形体を切削加工してレンズを削
り出した。β線を2MeVで160kGy照射してPM
MAを分解した。
浄した。
三次元的に連続な空孔が形成されたPPDSからなるバ
イコンティニュアス型相分離構造がもととなった三次元
多孔質構造が形成されていた。親水化処理後、含水させ
たところ良好な酸素透過性を示した。
および電池の作製 まずブロックコポリマーから作製した多孔質フィルムを
リチウムイオン二次電池のセパレータとして用いるため
に予備的な試験を行った。
チルメタクリレート(PMMA)からなるジブロックコポ
リマー(重量平均分子量Mw=79000、Mw/Mn
=2.2、PVDFの重量分率=66%)を溶媒に溶解
し、ジブロックコポリマーに対して3wt%のシリカ
(トクシールP、徳山曹達(株)製)を添加した。この
溶液をキャスティングして、ジブロックコポリマーのキ
ャストフィルムを得た。このキャストフィルムを窒素気
流下、135℃で2時間加熱処理し、キャストフィルム
中に相分離構造を形成した。このキャストフィルムにβ
線を2MeVで160kGy照射してPMMAを分解す
ると同時に、ポリフッ化ビニリデンを架橋させてゲル化
した。
1と同様に超臨界CO2洗浄を行い、分解したポリメチ
ルメタクリレートを除去した。フィルムには直径50n
m程度の三次元的に分岐した架橋PVDF相からなるバ
イコンティニュアス型相分離構造がもととなった三次元
多孔質構造が形成されていた。
ネート−ジメチルカーボネート混合溶媒(1:1)に溶
解して1Mの電解液を調製した。上記で得られた厚さ約
50μmの多孔質フィルムに電解液を含浸させた後、直
径0.5cmの円形に打ち抜いた。この電解液含浸多孔
質フィルムの両面を白金電極で挟んでセルを構成し、イ
ンピーダンスゲインフェイズアナライザー(Schlu
mberger Instruments社、126
0)により、室温にて周波数30MHz〜0.05Hz
で交流インピーダンスを測定した。その結果、25℃で
4mScm-1と良好なイオン伝導率を示した。また、電
解液は多孔質フィルムに良好に保持され、液ダレが生じ
ることはなかった。
次電池を作製した。
LiCoO2をアルゴン雰囲気下、300℃で3時間加
熱して乾燥した。その後、LiCoO2、導電性カーボ
ンブラック、および上記ジブロックコポリマーを重量比
85:10:5で混合し、この混合物に少量のジメチル
ホルムアミド(DMF)を加えて混練した。この混練物
を、厚さ20μm、4cm×4.5cmのアルミニウム
メッシュ上に均一に塗布し乾燥し、厚さ約50μmの正
極を作製した。得られた正極の単位面積当たりのLiC
oO2重量は17mg/cm2であった。正極活物質容量
は150mAh/gであった。
脂を1100℃で焼成したハードカーボン(難黒鉛化炭
素)を用いた。ハードカーボンをアルゴン雰囲気下、6
00℃で3時間加熱して乾燥した。ハードカーボン、導
電性カーボンブラック、および上記ジブロックコポリマ
ーを重量比85:10:5で混合し、この混合物に少量
のDMFを加えて混練した。この混練物を、厚さ20μ
m、4cm×4.5cmの銅メッシュ上に均一に塗布し
て乾燥し、厚さ約50μmの負極を作製した。得られた
負極の単位面積当たりのハードカーボン重量は7mg/
cm2であった。負極活物質容量は300mAh/gで
あった。
し、ジブロックコポリマーに対して3wt%のシリカ
(トクシールP、徳山曹達(株)製)を添加した。この
溶液をキャストしてジブロックコポリマーのキャストフ
ィルムを得た。
した後、ホットプレスして圧着し、積層体を作製した。
この積層体を窒素気流下、135℃で2時間加熱処理し
た後、β線を2MeVで160kGy照射した。
浄して、ジブロックコポリマーのメチルメタクリレート
相を除去した。
ト−ジメチルカーボネート混合溶媒(1:1)に溶解し
て1Mの電解液を調製した。
せた。この積層体を防水、気密性のアルミラミネートフ
ィルムで包み、アルゴン気流下で封止した。負極および
正極にそれぞれ外部電極端子を設け、リチウムイオン二
次電池を作製した。
A/cm2で定電流充電し、電池電圧が4.2Vに達し
た後、定電圧充電した。充電時間は負極活物質容量30
0mAg/gに対して、30%過剰容量が充電される時
間とした。充電終了後、30分の休止時間をおいてか
ら、電池電圧が2.5Vになるまで50μA/cm2で
定電流放電した。放電終了後、30分の休止時間をおい
た。この操作を1サイクルとして、充放電操作を繰り返
し、各サイクル毎の負極(ハードカーボン)活物質1g
あたりの電池容量(負極換算容量mAh/g)と充放電
効率(充電容量に対する放電容量の割合)(%)を調べ
た。
行ったが、充放電曲線に大きな変化は見られず、80%
以上の容量を保持し、充放電サイクルに優れていること
がわかった。また、内部短絡などもまったく起こらなか
った。
MA)のPS(分子量=65000)−PMMA(分子量=
13200)型のジブロックコポリマーの2wt%プロ
ピレングリコールモノエチルエーテルアセテート(PG
MEA)溶液をろ過した後、3インチ径のガラス基板に
2500rpmでスピンコートした。110℃で90秒
間溶媒を気化させた後、オーブンを用い窒素雰囲気中で
210℃で10分、続いて135℃で10時間アニール
を行ってミクロ相分離膜を作製した。このミクロ相分離
膜にβ線を2MeVで160kGy照射した。照射後、
実施例1と同様の超臨界CO2洗浄を施して、ジブロッ
クコポリマーのメチルメタクリレート相を除去した。次
に、残存したPSを主成分とするパターンをマスクとし
て、基板をフッ酸で1分間エッチングした。その後、ア
セトン中で超音波洗浄を行い、残存したマスクを除去し
た。
nm、深さ12nmの穴が1平方μmあたり約700個
程度の密度でほぼ等間隔に形成されていた。
ックコポリマーあるいはグラフトコポリマーから形成さ
れるミクロ相分離構造のうち少なくとも1相を構成する
ポリマー鎖を切断あるいは分解したポリマー鎖を除去す
ることにより微細構造を有する成形体を製造するにあた
り、ポリマー鎖の除去操作を比較的低温でしかも短時間
に行うことが可能で、大量の有機溶剤などを用いず、廃
液がほとんど発生せず、しかも残留溶剤なども少ない優
れた成形体を得ることができる。
ニルエチレン多孔質体のSEM写真。
Claims (2)
- 【請求項1】 ブロックコポリマーあるいはグラフトコ
ポリマーから形成されるミクロ相分離構造の内、少なく
とも1相を構成するポリマー鎖の主鎖を切断あるいは分
解する工程と、切断あるいは分解したポリマー鎖を除去
する工程とを備える微細構造を有する成形体の製造方法
において、切断あるいは分解したポリマー鎖を除去する
際、あるいは除去後に、超臨界流体あるいは亜臨界流体
を用いた洗浄を行うことを特徴とする微細構造を有する
成形体の製造方法。 - 【請求項2】 電子線照射によってポリマー鎖の主鎖を
切断あるいは分解することを特徴とする請求項1記載の
微細構造を有する成形体の製造方法。
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