JP2006335605A - 中空状SiO2微粒子分散液の製造方法、塗料組成物及び反射防止塗膜付き基材 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 水や有機溶媒中でコアを構成するZnO微粒子の存在下、SiO2の前駆物質をpH>8で反応させて、生成したSiO2で被覆した微粒子の分散液を得え、得られた微粒子分散液と酸性カチオン交換樹脂を混合接触させ、pH=2〜8の範囲で当該ZnOを溶解させ、イオン交換樹脂をろ過により分離して、中空状SiO2微粒子分散液を得る方法により中空状SiO2が分散した分散液とする。この分散液は塗料組成物として有用なものである。
【選択図】 なし
Description
〔1〕
少なくとも下記の工程(a)〜(c)からなることを特徴とする分散媒体中に中空状SiO2微粒子が分散した、中空状SiO2微粒子分散液の製造方法。
(a)前記分散媒体中でコアを構成するZnO微粒子の存在下、SiO2の前駆物質をpH>8で反応させて、SiO2を生成せしめ、当該ZnO微粒子を、生成したSiO2で被覆した微粒子の分散液を得る工程、
(b)(a)で得られた前記微粒子分散液と酸性カチオン交換樹脂を混合接触させ、pH=2〜8の範囲でコアのZnO微粒子を溶解させる工程、及び
(c)前記ZnO微粒子が完全に溶解した後に前記イオン交換樹脂を固液分離操作により分離し、前記中空状SiO2微粒子分散液を得る工程
前記ZnO微粒子の平均1次粒子径が5〜200nmである、〔1〕に記載の中空状SiO2微粒子分散液の製造方法。
前記酸性カチオン交換樹脂が−SO3H基を有するものである〔1〕又は〔2〕に記載の中空状SiO2微粒子分散液の製造方法。
〔4〕
〔1〕〜〔3〕のいずれかに記載の方法により得られた中空状SiO2微粒子分散液を含有する塗料組成物。
前記中空状SiO2微粒子が凝集体であり、その分散液中における平均凝集粒子径が60〜400nmである〔4〕に記載の塗料組成物。
前記塗料組成物に、マトリックス成分を、その固形分換算で前記中空状SiO2微粒子の全固形分量に対して0.1〜10倍の範囲で、混合した〔4〕又は〔5〕に記載の塗料組成物。
前記マトリックス成分が金属酸化物の前駆物質及び/又は有機樹脂からなる、〔6〕に記載の塗料組成物。
前記金属酸化物がAl2O3、SiO2、SnO2、TiO2、及びZrO2より選ばれる1種または2種以上の混合物である〔7〕に記載の塗料組成物。
前記有機樹脂が紫外線硬化型有機樹脂である〔7〕に記載の塗料組成物。
〔10〕
〔4〕〜〔9〕のいずれかに記載の塗料組成物を基材に塗布して得られた反射防止塗膜付き基材。
前記基材が透明基材である〔10〕に記載の反射防止塗膜付き基材。
(a)(コア−シェル型粒子の生成)
本発明の分散媒体中に中空状SiO2が分散した、SiO2微粒子分散液の製造方法においては、まず、コア−シェル型粒子の生成、すなわち、分散媒体中でコアを構成するZnO微粒子の存在下に、粒子外殻を構成するSiO2の前駆物質を、pH>8で反応させて、SiO2を生成せしめ、当該ZnO微粒子を、生成したSiO2で被覆した微粒子の分散液を得る工程(a)を行う。
本発明においては、コア粒子としてZnO微粒子を選択し使用する点を特徴の一つとする。これは、ZnOがpH8以下で容易にイオン化して完全に溶解するからコア粒子として特に適しているからである。
好ましくは、ZnO微粒子を分散媒体に分散させた分散液として用いることが取扱いの便宜上も望ましい。
酢酸メチル、酢酸エチル、アセト酢酸エチル、酢酸ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、酪酸メチル、酪酸エチル等のエステル類;
N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチルホルムアミド、2−ピロリジノン、N−メチル−2−ピロリジノン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン等の含窒素化合物類;
ジメチルスルホキシド、スルホラン等の含硫黄化合物類等が好ましいものとして挙げられる。
中空状SiO2微粒子分散液を得るには、まず初めに外殻がSiO2であるコア−シェル型微粒子分散液を製造する。具体的には、分散媒体中に分散させたZnO微粒子存在下に、酸やアルカリ等の加水分解触媒を添加することにより、SiO2の前駆物質をpH>8で反応させることによって、当該SiO2前駆物質を加水分解してZnO微粒子の周り(外表面)に析出させ外殻を形成することができる。当該SiO2の前駆物質混合時の分散液のpHが8以下になると、この段階でZnOが溶解してしまうので、8を超える範囲であることが好ましい。
コア−シェル型微粒子分散液を製造する際、コアZnO微粒子を分散させ、かつ、SiO2の前駆物質の分解反応が行われる分散媒体としては、基本的には、ZnOの分散媒体としてすでに詳述した、水、及び/又は、アルコール類、ケトン類、エステル類、エーテル類、グリコールエーテル類、含窒素化合物類、含硫黄化合物類等の有機溶媒を用いることができる。ただし、SiO2前駆物質の加水分解・重縮合・外殻形成工程においては、水の存在が必須であるため、全溶媒中において、5〜100質量%の水を存在せしめることが必要である。水の含有量が5質量%未満であると反応が充分進行しないため好ましくない。なお、分散媒体中のSiO2前駆物質中のSi量に対して、少なくとも化学量論以上の水を系内に存在させることが必要である。
次に、コア−シェル型微粒子分散液中のZnO微粒子を溶解することによって中空状SiO2微粒子分散液を得る工程(b)を行う。
酸性カチオン交換樹脂としては、少なくともZnOを溶解しうる、分散液のpHが2以上、8以下、好ましくはpH2以上、6以下の範囲となることであり、特に好ましくはpHを7未満の範囲にしうる酸性カチオン交換樹脂が望ましい。ここで酸性カチオン交換樹脂の酸性度は官能基によって決まり、強酸性では−SO3H基、弱酸性では−COOH基が挙げられるが、本発明においては、よりZnO微粒子を溶解する能力の高い強酸性カチオン交換樹脂を用いるのが好ましい。なお、pHが2未満とした場合は、ハンドリングが困難であり、また、人体に危険を及ぼすおそれがあり望ましくない。
スルホン酸基は強酸基なので水中では次のように解離しpHを7未満とする。
2R−SO3H → 2R−SO3 - + 2H+ (1)
酸化亜鉛はpH8以下で亜鉛イオンとして溶解する。
ZnO + 2H+ → Zn2+ + H2O (2)
2R−SO3H + ZnO → (R−SO3)2 Zn + H2O (3)
以上のごとくして、スルホン酸型強酸性イオン交換樹脂を使用することにより、溶液中のイオン強度を高めずにZnOを溶解できる。
加える酸性カチオン交換樹脂の量は、少なくとも発生するZn2+量よりも総交換容量が大きい範囲であることが好ましい。すなわち、具体的には溶液中に存在する塩基性イオン及びZnOコアが溶解して発生するZn2+を全て交換可能な容量の酸性カチオン交換樹脂量が少なくとも必要である。総交換容量よりも発生するZn2+量が多いと、ZnO微粒子が完全に溶解せずに中空粒子の中空部に残存するため反射防止性能が不十分となる。当該樹脂量は、必要量の1.1〜5倍の範囲が好ましい。酸性カチオン交換樹脂量が多いほどコアの溶解速度が速まるため、好ましいが、樹脂量があまり多く、5倍を超えるような過剰の場合は、それ以上の効果は奏されず、また撹拌が困難になるおそれがあるため望ましくない。
なお、Znが完全に除去されることの確認は、透過型電子顕微鏡による観察、または蛍光X線により微粒子分散液中のZn量を測定することにより行うことができる。
最後にZnO微粒子が完全に溶解した後にカチオン交換樹脂をろ過等の固液分離操作により分離し、中空状SiO2微粒子分散液を得る工程(c)を行う。
従来の酸を加えてコア微粒子を溶解する方法では、当該コアが溶解して発生したイオンを限外ろ過といった長時間を要する方法によって除去しなければならなかった。しかしながら、本発明のカチオン交換樹脂による方法においては、コアであるZnOが溶解して発生したZnイオンは、カチオン交換樹脂に吸着しているので、当該カチオン交換樹脂のみを固液分離操作により、中空状SiO2微粒子分散液から分離することができるという特徴を有する。
本発明においては、かくして中空状SiO2微粒子がその分散液として得られるが、当該SiO2微粒子分散液は、単分散体であっても凝集体であってもよいが、好ましくは凝集体粒子の分散液である。また、粒子形状も特に限定されず、球状、棒状、チューブ状、シート状より選ばれる1種または2種以上の混合物を用いることができる。
以上のごとくして得られた、分散媒体中に中空状SiO2が分散した中空状SiO2微粒子分散液は、これをそのまま、又はマトリックス成分や塗料組成物を形成する場合の通常の配合剤を加えて、塗料組成物を形成することができる。
すなわち、当該中空状SiO2微粒子分散液は、これをそのまま、または種々の配合剤を加えて塗料組成物として、基材に塗布することで反射防止塗膜付き基材を得ることができる。
本発明の塗料組成物においては、基材への濡れ性を向上させるために界面活性剤を含んでもよく、アニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤、ノニオン性界面活性剤のいずれのものも使用できる。界面活性剤としては、−CH2CH2O−、−SO2−、−NR−(Rは水素原子又は有機基)、−NH2−、−SO3Y、−COOY(Yは水素原子、ナトリウム原子、カリウム原子又はアンモニウムイオン)の構造単位を有するノニオン性界面活性剤が好ましい。なかでも、塗料組成物の保存安定性を損なうおそれのないことから、−CH2CH2O−の構造単位をもつノニオン系の界面活性剤が特に好ましい。
本発明による塗料組成物の溶媒としては、SiO2微粒子分散液の分散媒体である水の他に、アルコール類、ケトン類、エステル類、エーテル類、グリコールエーテル類、含窒素化合物類、含硫黄化合物類等の有機溶媒を用いることができる。
本発明においては、SiO2微粒子分散液を含有する上記塗料組成物を基材上に塗布、乾燥することにより反射防止用塗膜、すなわち低折率性塗膜を形成することができる。
本発明の塗料組成物を塗布する基材は、目的に応じて、任意のものが使用可能であり特に限定するものではない。例えば反射防止用塗膜形成を目的とする場合は、基材は透明又は不透明のどちらでもよいが透明な基材であることがより好ましく、例えばガラス、透明な有機樹脂基材が挙げられる。基材の形状は、板状でもフィルム状であってもよく、また、基材の形状は平板に限らず、全面又は一部に曲率を有していてもよい。
本発明の塗料組成物は、それ自身公知の方法で塗布することができる。例えば、ローラー塗布、手塗り、刷毛塗り、ディッピング、回転塗布、浸漬塗布、各種印刷方式による塗布、カーテンフロー、バーコート、ダイコート、グラビアコート、マイクログラビアコート、リバースコート、ロールコート、フローコート、スプレーコート、ディップコート等が挙げられる。
〔例1〕(コア=ZnO、マトリックス=SiO2、基材=ガラスの場合)
(1)容量200mlのガラス製反応容器に、エタノール60g、ZnO微粒子水分散ゾル(境化学工業社製、製品名:NANOFINE−50、平均1次粒子径20nm、平均凝集粒子径100nm、固形分換算濃度10質量%)30g、テトラエトキシシラン(SiO2固形分濃度29質量%)10gを加えた後、アンモニア水溶液を添加してpH=10として、20℃で6時間撹拌して、コア−シェル型微粒子分散液(固形分濃度6質量%)100gを得た。
(A)中空状SiO2凝集体粒子
当該中空状SiO2微粒子に関し、以下の評価を行った。評価結果は表1に示す。
(i)中空状SiO2凝集体粒子の平均1次粒子径、形態およびコアの残存は透過型電子顕微鏡(日立社製、型式:H−9000)により観察した。
(ii)平均凝集粒子径は、動的光散乱法粒度分析計(日機装社製、型式:マイクロトラックUPA)により測定した。
当該塗料組成物を、エタノール拭きした基板(100mm×100mm、厚さ3.5mm)(なお、基板の屈折率は、ガラス基板の場合、1.52、PMMA基板の場合、1.58とした。)上に塗布して、回転数200rpmで60秒間スピンコートして均一化した後、200℃で30分間乾燥し、厚さ100nmの塗膜を形成し、これを測定サンプルとした。塗膜の形成されたサンプルについて以下の評価を行った。結果を表2に示した。
(ii)外観評価として、得られる塗膜の塗布ムラを目視により判断した。塗布ムラがなく外観上良好なものを○、塗布ムラがあり実用的でないものを×として評価した。
(iii)透明性評価として、ヘイズ値により評価を行った。ヘイズ測定はJIS K−7105に則り、評価を行った。基板上の塗膜のヘイズ値をヘーズコンピューター(スガ試験機社製、型名:HGM−3DP)で測定した。
(iv) 耐磨耗性評価として、サンプルの塗膜表面を、テーパー摩耗試験機で100回往復磨耗した後、塗膜の剥離状況を肉眼で観察した。塗膜が全く剥がれない場合を○、一部が剥がるものの半分以上の面積が残っている場合を△、半分を超えて剥離する場合を×とした。
(1)例1と同様にして操作を行い、中空状SiO2微粒子分散液(平均凝集粒子径100nm、固形分濃度3質量%)100gを得た。また当該中空状SiO21次粒子の外殻の厚みは10nm、空孔径は20nmであった。この中空状SiO2微粒子分散液の測定結果を表1に示す。
この塗料組成物について、例1と同様にして当該基板上に塗膜を形成し、これを評価した。結果を表2に示す。
(1)例1と同様にして操作を行い中空状SiO2微粒子分散液(平均凝集粒子径100nm、固形分濃度3質量%)100gを得た。また当該中空状SiO21次粒子の外殻の厚みは10nm、空孔径は20nmであった。この中空状SiO2微粒子分散液の測定結果を表1に示す。
この塗料組成物について、例1と同様にして当該基板上に塗膜を形成し、さらに紫外線を10分間照射して塗膜を硬化させた。これを評価した。結果を表2に示す。
(1)例1と同様の操作を行い中空状SiO2粒子を含有する分散液(平均凝集粒子径100nm、固形分濃度3質量%)100gを得た。また当該中空状SiO21次粒子の外殻の厚みは10nm、空孔径は20nmであった。この中空状SiO2粒子の分散液の測定結果を表1に示す。
(1)例1と同様の操作を行い、コア−シェル型微粒子分散液(固形分濃度6質量%)100gを得た。
(1)例1と同様に操作を行い、コア−シェル型微粒子分散液(固形分濃度6質量%)100gを得た。
(1)容量200mlのガラス製反応容器に、SiO2微粒子分散液(触媒化成社製、商品名:SI−550、平均粒径5nm、SiO2 濃度20質量%、水溶媒)1g、水19gを加え、混合して80℃に加熱した。
Claims (11)
- 少なくとも下記の工程(a)〜(c)からなることを特徴とする分散媒体中に中空状SiO2微粒子が分散した、中空状SiO2微粒子分散液の製造方法。
(a)前記分散媒体中でコアを構成するZnO微粒子の存在下、SiO2の前駆物質をpH>8で反応させて、SiO2を生成せしめ、当該ZnO微粒子を、生成したSiO2で被覆した微粒子の分散液を得る工程、
(b)(a)で得られた前記微粒子分散液と酸性カチオン交換樹脂を混合接触させ、pH=2〜8の範囲でコアのZnO微粒子を溶解させる工程、及び
(c)前記ZnO微粒子が完全に溶解した後に前記イオン交換樹脂を固液分離操作により分離し、前記中空状SiO2微粒子分散液を得る工程 - 前記ZnO微粒子の平均1次粒子径が5〜200nmである、請求項1に記載の中空状SiO2微粒子分散液の製造方法。
- 前記酸性カチオン交換樹脂が−SO3H基を有するものである請求項1又は2に記載の中空状SiO2微粒子分散液の製造方法。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の方法により得られた中空状SiO2微粒子分散液を含有する塗料組成物。
- 前記中空状SiO2微粒子が凝集体であり、その分散液中における平均凝集粒子径が60〜400nmである請求項4に記載の塗料組成物。
- 前記塗料組成物に、マトリックス成分を、その固形分換算で前記中空状SiO2微粒子の全固形分量に対して0.1〜10倍の範囲で、混合した請求項4又は5に記載の塗料組成物。
- 前記マトリックス成分が金属酸化物の前駆物質及び/又は有機樹脂からなる、請求項6に記載の塗料組成物。
- 前記金属酸化物がAl2O3、SiO2、SnO2、TiO2、及びZrO2より選ばれる1種または2種以上の混合物である請求項7に記載の塗料組成物。
- 前記有機樹脂が紫外線硬化型有機樹脂である請求項7に記載の塗料組成物。
- 請求項4〜9のいずれかに記載の塗料組成物を基材に塗布して得られた反射防止塗膜付き基材。
- 前記基材が透明基材である請求項10に記載の反射防止塗膜付き基材。
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