JP2007099931A - Transparent zirconia dispersion liquid, transparent composite material and method for producing transparent composite material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ジルコニア透明分散液及び透明複合体並びに透明複合体の製造方法に関し、更に詳しくは、樹脂のフィラー材として好適に用いられ、屈折率および機械的特性の向上と共に透明性維持を可能とするジルコニア透明分散液、及び、このジルコニア透明分散液と樹脂とを複合化することにより得られるガラスに代替可能な透明複合体、並びに、この透明複合体の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a zirconia transparent dispersion, a transparent composite, and a method for producing a transparent composite. More specifically, the zirconia transparent dispersion is preferably used as a resin filler, and can maintain transparency while improving refractive index and mechanical properties. The present invention relates to a zirconia transparent dispersion, a transparent composite that can be substituted for glass obtained by combining the zirconia transparent dispersion and a resin, and a method for producing the transparent composite.
従来より、シリカ等の無機酸化物をフィラーとして樹脂と複合化することにより、樹脂の機械的特性等を向上させる試みがなされている。このフィラーと樹脂とを複合化する方法としては、無機酸化物を水および/または有機溶媒中に分散させた分散液と樹脂とを混合する方法が一般的であり、分散液と樹脂を種々の方法により混合することにより、無機酸化物粒子が第2相として複合化された無機酸化物粒子複合化プラスチックを作製することができる。 Conventionally, attempts have been made to improve the mechanical properties and the like of a resin by combining it with a resin using an inorganic oxide such as silica as a filler. As a method of combining the filler and the resin, a method of mixing a dispersion in which an inorganic oxide is dispersed in water and / or an organic solvent and a resin is generally used. By mixing by the method, an inorganic oxide particle composite plastic in which inorganic oxide particles are composited as the second phase can be produced.
一方、液晶ディスプレイ(LCD)、プラズマディスプレイ(PDP)、エレクトロルミネッセンスディスプレイ(EL)等のフラットパネルディスプレイ(FPD)用基板としては、従来、ガラス基板が多く用いられてきたが、このガラス基板には、割れ易い、曲げられない、比重が大きく軽量化に不向き等の問題があり、そこで、ガラス基板の代わりにプラスチック基板を用いる試みが数多く行われるようになってきた。
フラットパネルディスプレイ(FPD)用としてのプラスチック基板に対する要求特性としては、透明性、屈折率、機械的特性等が挙げられている。
On the other hand, as a substrate for a flat panel display (FPD) such as a liquid crystal display (LCD), a plasma display (PDP), and an electroluminescence display (EL), a glass substrate has been conventionally used. However, there are problems such as being easy to break, not being bent, large specific gravity, and unsuitable for weight reduction. Therefore, many attempts have been made to use a plastic substrate instead of a glass substrate.
The required properties for plastic substrates for flat panel displays (FPD) include transparency, refractive index, mechanical properties, and the like.
プラスチックの屈折率を向上させるための無機酸化物フィラーとしては、ジルコニア、チタニア等の微粒子が高屈折率フィラーとして利用されている。
また、無機酸化物フィラーを樹脂と複合化するために、無機酸化物フィラーの分散液が開発され、樹脂の屈折率の向上について検討されている。
例えば、粒径10〜100nmのジルコニア粒子と樹脂とを複合化したジルコニア粒子複合化プラスチックを用いた高屈折率かつ高透明性の厚み数ミクロンの膜が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
Moreover, in order to make an inorganic oxide filler composite with resin, the dispersion liquid of the inorganic oxide filler was developed, and improvement of the refractive index of resin is examined.
For example, a high refractive index and highly transparent film having a thickness of several microns using a zirconia particle composite plastic in which a zirconia particle having a particle size of 10 to 100 nm and a resin are combined has been proposed (for example, see Patent Document 1). ).
ところで、従来の無機酸化物粒子複合化プラスチックを用いた基板の透明性を評価する場合、基板の厚みを光路長として、この光路長における可視光線の透過率を求めている。したがって、厚い方が透明性を維持するのが困難になる。
例えば、上述した従来のジルコニア粒子複合化プラスチック膜の場合、厚みを数μmとすることで高屈折率、高透明性を確保したものであるから、厚みが数十μm、あるいはそれ以上になると、透明性を維持するのが困難になる。
このように、ジルコニア粒子複合化プラスチック膜については検討されているものの、ジルコニア粒子複合化プラスチックをバルク体とした場合の屈折率や透明性については、検討されていないのが現状である。
By the way, when evaluating the transparency of a substrate using a conventional plastic compounded with inorganic oxide particles, the thickness of the substrate is taken as the optical path length, and the visible light transmittance at this optical path length is obtained. Therefore, it becomes difficult to maintain transparency as the thickness increases.
For example, in the case of the above-described conventional zirconia particle composite plastic film, since the high refractive index and high transparency are ensured by setting the thickness to several μm, when the thickness is several tens μm or more, It becomes difficult to maintain transparency.
As described above, although the zirconia particle composite plastic film has been studied, the refractive index and transparency when the zirconia particle composite plastic is used as a bulk body have not been studied.
さらに、ジルコニアの結晶構造には、単斜晶、正方晶、立方晶があり、中でも正方晶は、第2相として複合化した場合、マルテンサイト変態という高靭性化機構が存在し、機械的特性向上の面で優位性があるのであるが、この正方晶ジルコニアをプラスチックと複合化しようとする試みは、いまだになされていない。 Furthermore, the crystal structure of zirconia includes monoclinic, tetragonal, and cubic crystals. Among them, when tetragonal crystals are compounded as the second phase, there is a toughening mechanism called martensitic transformation, and mechanical characteristics. Although there is an advantage in terms of improvement, no attempt has been made to compound this tetragonal zirconia with plastic.
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、ナノメートル級の正方晶ジルコニア粒子を用いることで、屈折率および機械的特性の向上と共に透明性の維持を可能とするジルコニア透明分散液及び透明複合体並びに透明複合体の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems. By using nanometer-scale tetragonal zirconia particles, the refractive index and mechanical properties can be improved and transparency can be maintained. An object is to provide a transparent dispersion, a transparent composite, and a method for producing the transparent composite.
本発明者等は、第2相として複合化した場合にマルテンサイト変態という高靭性化機構が存在し、機械的特性向上の面で優位性があるナノメートル級の正方晶ジルコニア粒子について鋭意検討を重ねた結果、分散粒径が1nm以上かつ20nm以下の正方晶ジルコニア粒子を含有したジルコニア透明分散液とすれば、樹脂と複合化した場合において、複合体の透明性を維持しながら、屈折率、機械的特性の向上が可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。 The inventors of the present invention have made extensive studies on nanometer-grade tetragonal zirconia particles that have a toughening mechanism called martensite transformation when compounded as the second phase and are superior in terms of improving mechanical properties. As a result of overlapping, if a zirconia transparent dispersion containing tetragonal zirconia particles having a dispersed particle diameter of 1 nm or more and 20 nm or less is used, the refractive index, while maintaining the transparency of the composite when composited with a resin, The present inventors have found that mechanical characteristics can be improved and have completed the present invention.
すなわち、本発明のジルコニア透明分散液は、分散粒径が1nm以上かつ20nm以下の正方晶ジルコニア粒子を含有してなることを特徴とする。
このジルコニア透明分散液は、前記正方晶ジルコニア粒子の含有率を1重量%以上かつ70重量%以下としたことが好ましい。
That is, the zirconia transparent dispersion of the present invention is characterized by containing tetragonal zirconia particles having a dispersed particle diameter of 1 nm or more and 20 nm or less.
In this zirconia transparent dispersion, the content of the tetragonal zirconia particles is preferably 1 wt% or more and 70 wt% or less.
本発明の透明複合体は、分散粒径が1nm以上かつ20nm以下の正方晶ジルコニア粒子を樹脂中に分散してなることを特徴とする。
この透明複合体では、前記正方晶ジルコニア粒子の含有率を1重量%以上かつ80重量%以下としたことが好ましい。
The transparent composite of the present invention is characterized in that tetragonal zirconia particles having a dispersed particle diameter of 1 nm or more and 20 nm or less are dispersed in a resin.
In this transparent composite, the content of the tetragonal zirconia particles is preferably 1 wt% or more and 80 wt% or less.
本発明の透明複合体の製造方法は、本発明のジルコニア透明分散液と、樹脂とを混合し、得られた混合物を成形もしくは充填し、次いで、この成形体もしくは充填物を硬化することを特徴とする。 The method for producing a transparent composite of the present invention is characterized in that the zirconia transparent dispersion of the present invention and a resin are mixed, the resulting mixture is molded or filled, and then the molded or filled is cured. And
本発明のジルコニア透明分散液によれば、分散粒径が1nm以上かつ20nm以下の正方晶ジルコニア粒子を含有したので、屈折率および機械的特性の向上と共に透明性の維持を図ることができる。
したがって、このジルコニア透明分散液を樹脂に混合すれば、屈折率が高く、透明性に優れ、しかも機械的特性が向上した透明複合体を容易に得ることができる。
According to the zirconia transparent dispersion of the present invention, since tetragonal zirconia particles having a dispersed particle diameter of 1 nm or more and 20 nm or less are contained, it is possible to improve the refractive index and mechanical properties and maintain transparency.
Therefore, when this zirconia transparent dispersion is mixed with a resin, a transparent composite having a high refractive index, excellent transparency, and improved mechanical properties can be easily obtained.
本発明の透明複合体によれば、分散粒径が1nm以上かつ20nm以下の正方晶ジルコニア粒子を樹脂中に分散したので、屈折率、透明性および機械的特性を高めることができる。 According to the transparent composite of the present invention, since the tetragonal zirconia particles having a dispersed particle diameter of 1 nm or more and 20 nm or less are dispersed in the resin, the refractive index, transparency and mechanical properties can be improved.
本発明の透明複合体の製造方法によれば、本発明のジルコニア透明分散液と、樹脂とを混合し、得られた混合物を成形もしくは充填し、次いで、この成形体もしくは充填物を硬化するので、屈折率が高く、透明性に優れ、しかも機械的特性が向上した透明複合体を容易かつ安価に作製することができる。 According to the method for producing a transparent composite of the present invention, the zirconia transparent dispersion of the present invention and a resin are mixed, the resulting mixture is molded or filled, and then the molded or filled is cured. A transparent composite having a high refractive index, excellent transparency, and improved mechanical properties can be easily and inexpensively produced.
本発明のジルコニア透明分散液及び透明複合体並びに透明複合体の製造方法を実施するための最良の形態について説明する。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
The best mode for carrying out the zirconia transparent dispersion and transparent composite of the present invention and the method for producing the transparent composite will be described.
This embodiment is specifically described for better understanding of the gist of the invention, and does not limit the present invention unless otherwise specified.
「ジルコニア透明分散液」
本発明のジルコニア透明分散液は、分散粒径が1nm以上かつ20nm以下の正方晶ジルコニア粒子と、分散媒とを含む分散液である。
ここで、ジルコニア粒子を正方晶ジルコニア粒子に限定した理由は、微粒子合成の立場からは微粒子の粒径が20nm以下のように小さくなると、正方晶の方が従来知られている単斜晶よりも安定になることと、硬度が高く、透明複合体の機械的特性を向上させることができる上に、ジルコニア粒子を樹脂中に分散させた透明複合体とした場合に、正方晶ジルコニアを透明複合体の第2相として添加すると、単斜晶ジルコニア粒子を添加した場合と比べて、マルテンサイト変態と称される体積膨張により高い靭性を示すからである。
"Zirconia transparent dispersion"
The zirconia transparent dispersion of the present invention is a dispersion containing tetragonal zirconia particles having a dispersed particle diameter of 1 nm to 20 nm and a dispersion medium.
Here, the reason why the zirconia particles are limited to tetragonal zirconia particles is that, from the standpoint of fine particle synthesis, if the particle size of the fine particles is as small as 20 nm or less, the tetragonal crystals are more than the monoclinic crystals conventionally known. In addition to being stable and having high hardness, the mechanical properties of the transparent composite can be improved. In addition, when the transparent composite is obtained by dispersing zirconia particles in the resin, tetragonal zirconia is used as the transparent composite. This is because when it is added as the second phase, it exhibits high toughness due to volume expansion called martensitic transformation, compared with the case where monoclinic zirconia particles are added.
また、正方晶ジルコニア粒子の分散粒径を1nm以上かつ20nm以下と限定した理由は、分散粒径が1nm未満であると、結晶性が乏しくなり、屈折率等の粒子特性を発現することが難しくなるからであり、一方、分散粒径が20nmを超えると、分散液や透明複合体とした場合に透明性が低下するからである。
このように、正方晶ジルコニア粒子は、ナノサイズの粒子であるから、この正方晶ジルコニア粒子を樹脂中に分散させて透明複合体とした場合においても、光散乱が小さく、複合体の透明性を維持することが可能である。
Further, the reason why the dispersed particle diameter of tetragonal zirconia particles is limited to 1 nm or more and 20 nm or less is that when the dispersed particle diameter is less than 1 nm, crystallinity becomes poor and it is difficult to express particle characteristics such as refractive index. On the other hand, if the dispersed particle diameter exceeds 20 nm, the transparency is lowered in the case of a dispersion or a transparent composite.
Thus, since tetragonal zirconia particles are nano-sized particles, even when these tetragonal zirconia particles are dispersed in a resin to form a transparent composite, light scattering is small, and the transparency of the composite is reduced. It is possible to maintain.
正方晶ジルコニア粒子の含有率は、1重量%以上かつ70重量%以下が好ましく、より好ましくは1重量%以上かつ50重量%以下、さらに好ましくは5重量%以上かつ30重量%以下である。
ここで、正方晶ジルコニア粒子の含有率を1重量%以上かつ70重量%以下と限定した理由は、この範囲が正方晶ジルコニア粒子が良好な分散状態を取りうる範囲であり、含有率が1重量%未満であると、正方晶ジルコニア粒子としての効果が低下し、また、70重量%を超えると、ゲル化や凝集沈澱が生じ、分散液としての特徴を消失するからである。
The content of tetragonal zirconia particles is preferably 1% by weight or more and 70% by weight or less, more preferably 1% by weight or more and 50% by weight or less, and further preferably 5% by weight or more and 30% by weight or less.
Here, the reason why the content of tetragonal zirconia particles is limited to 1% by weight or more and 70% by weight or less is that this range is a range in which the tetragonal zirconia particles can take a good dispersion state, and the content is 1% by weight. If it is less than%, the effect as tetragonal zirconia particles is reduced, and if it exceeds 70% by weight, gelation and aggregation precipitation occur, and the characteristics as a dispersion are lost.
分散媒は、基本的には、水、有機溶媒、液状の樹脂モノマー、液状の樹脂オリゴマーのうち少なくとも1種以上を含有したものである。
上記の有機溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、2−プロパノール、ブタノール、オクタノール等のアルコール類、酢酸エチル、酢酸ブチル、乳酸エチル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノエチルエーテルアセテート、γ−ブチロラクトン等のエステル類、ジエチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル(メチルセロソルブ)、エチレングリコールモノエチルエーテル(エチルセロソルブ)、エチレングリコールモノブチルエーテル(ブチルセロソルブ)、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル等のエーテル類、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、アセチルアセトン、シクロヘキサノン等のケトン類、ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン等の芳香族炭化水素、ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアセトアミド、N−メチルピロリドン等のアミド類が好適に用いられ、これらの溶媒のうち1種または2種以上を用いることができる。
The dispersion medium basically contains at least one of water, an organic solvent, a liquid resin monomer, and a liquid resin oligomer.
Examples of the organic solvent include alcohols such as methanol, ethanol, 2-propanol, butanol, and octanol, ethyl acetate, butyl acetate, ethyl lactate, propylene glycol monomethyl ether acetate, propylene glycol monoethyl ether acetate, and γ-butyrolactone. Esters such as diethyl ether, ethylene glycol monomethyl ether (methyl cellosolve), ethylene glycol monoethyl ether (ethyl cellosolve), ethylene glycol monobutyl ether (butyl cellosolve), ethers such as diethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether, acetone, Methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, acetylacetone, cyclohexanone, etc. Amides, aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, xylene and ethylbenzene, and amides such as dimethylformamide, N, N-dimethylacetoacetamide and N-methylpyrrolidone are preferably used. One of these solvents or Two or more kinds can be used.
上記の液状の樹脂モノマーとしては、アクリル酸メチル、メタクリル酸メチル等のアクリル系またはメタクリル系のモノマー、エポキシ系モノマー等が好適に用いられる。
また、上記の液状の樹脂オリゴマーとしては、ウレタンアクリレート系オリゴマー、エポキシアクリレート系オリゴマー、アクリレート系オリゴマー等が好適に用いられる。
As the liquid resin monomer, acrylic or methacrylic monomers such as methyl acrylate and methyl methacrylate, and epoxy monomers are preferably used.
Moreover, as said liquid resin oligomer, a urethane acrylate oligomer, an epoxy acrylate oligomer, an acrylate oligomer, etc. are used suitably.
このジルコニア透明分散液は、上記以外に、その特性を損なわない範囲において、他の無機酸化物粒子、分散剤、分散助剤、カップリング剤、樹脂モノマー等を含有していてもよい。
正方晶ジルコニア粒子以外の無機酸化物粒子としては、単斜晶または立方晶のジルコニア粒子、酸化チタン、酸化セリウム、酸化亜鉛、酸化スズ、アンチモン添加酸化スズ(ATO)、スズ添加酸化インジウム(ITO)等が挙げられる。
分散剤としては、リン酸エステル系分散剤等が挙げられる。
In addition to the above, the zirconia transparent dispersion may contain other inorganic oxide particles, a dispersant, a dispersion aid, a coupling agent, a resin monomer, and the like as long as the characteristics are not impaired.
As inorganic oxide particles other than tetragonal zirconia particles, monoclinic or cubic zirconia particles, titanium oxide, cerium oxide, zinc oxide, tin oxide, antimony-added tin oxide (ATO), tin-added indium oxide (ITO) Etc.
Examples of the dispersant include phosphate ester type dispersants.
このジルコニア透明分散液は、正方晶ジルコニア粒子の含有率を5重量%とした場合、光路長を10mmとしたときの可視光透過率が90%以上が好ましく、より好ましくは95%以上である。
この可視光透過率は、正方晶ジルコニア粒子の含有率により異なり、正方晶ジルコニア粒子の含有率が1重量%では、95%以上、正方晶ジルコニア粒子の含有率が40重量%では、80%以上である。
In the zirconia transparent dispersion, when the content of tetragonal zirconia particles is 5% by weight, the visible light transmittance is preferably 90% or more, more preferably 95% or more when the optical path length is 10 mm.
The visible light transmittance varies depending on the content of tetragonal zirconia particles. When the content of tetragonal zirconia particles is 1% by weight, it is 95% or more, and when the content of tetragonal zirconia particles is 40% by weight, it is 80% or more. It is.
「透明複合体」
本発明の透明複合体は、分散粒径が1nm以上かつ20nm以下の正方晶ジルコニア粒子を樹脂中に分散した複合体である。
樹脂としては、可視光線あるいは近赤外線等の所定の波長帯域の光に対して透明性を有する樹脂であればよく、熱可塑性、熱硬化性、可視光線や紫外線や赤外線等による光(電磁波)硬化性、電子線照射による電子線硬化性等の硬化性樹脂が好適に用いられる。
"Transparent composite"
The transparent composite of the present invention is a composite in which tetragonal zirconia particles having a dispersed particle diameter of 1 nm or more and 20 nm or less are dispersed in a resin.
The resin may be any resin that is transparent to light in a predetermined wavelength band such as visible light or near infrared, and is thermoplastic, thermosetting, light (electromagnetic wave) curing by visible light, ultraviolet light, infrared light, or the like. And curable resins such as electron beam curable by electron beam irradiation are preferably used.
この樹脂としては、例えば、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリシクロヘキシルメタクリレート等のアクリレート、ポリカーボネート(PC)、ポリスチレン(PS)、ポリエーテル、ポリエステル、ポリアリレート、ポリアクリル酸エステル、ポリアミド、フェノール−ホルムアルデヒド(フェノール樹脂)、ジエチレングリコールビスアリルカーボネート、アクリロニトリル・スチレン共重合体(AS樹脂)、メチルメタクレート・スチレン共重合体(MS樹脂)、ポリ−4−メチルペンテン、ノルボルネン系ポリマー、ポリウレタン、エポキシ、シリコーン等が挙げられる。
この樹脂に対しては、その特性を損なわない範囲において、酸化防止剤、離型剤、カップリング剤、無機充填剤等を添加してもよい。
Examples of this resin include acrylates such as polymethyl methacrylate (PMMA) and polycyclohexyl methacrylate, polycarbonate (PC), polystyrene (PS), polyether, polyester, polyarylate, polyacrylate, polyamide, phenol-formaldehyde ( Phenol resin), diethylene glycol bisallyl carbonate, acrylonitrile / styrene copolymer (AS resin), methyl methacrylate / styrene copolymer (MS resin), poly-4-methylpentene, norbornene polymer, polyurethane, epoxy, silicone, etc. Is mentioned.
An antioxidant, a release agent, a coupling agent, an inorganic filler, and the like may be added to the resin as long as the characteristics are not impaired.
この透明複合体では、正方晶ジルコニア粒子の含有率は、1重量%以上かつ80重量%以下が好ましく、より好ましくは10重量%以上かつ80重量%以下、さらに好ましくは10重量%以上かつ50重量%以下である。
ここで、正方晶ジルコニア粒子の含有率を1重量%以上かつ80重量%以下と限定した理由は、下限値の1重量%は屈折率及び機械的特性の向上が可能となる添加率の最小値であるからであり、一方、上限値の80重量%は樹脂自体の特性(柔軟性、比重)を維持することができる添加率の最大値であるからである。
In this transparent composite, the content of tetragonal zirconia particles is preferably 1 wt% or more and 80 wt% or less, more preferably 10 wt% or more and 80 wt% or less, further preferably 10 wt% or more and 50 wt%. % Or less.
Here, the reason why the content of the tetragonal zirconia particles is limited to 1% by weight or more and 80% by weight or less is that the lower limit of 1% by weight is the minimum value of the addition rate that can improve the refractive index and mechanical properties. On the other hand, 80% by weight of the upper limit is the maximum value of the addition rate that can maintain the characteristics (flexibility and specific gravity) of the resin itself.
この透明複合体では、正方晶ジルコニア粒子の含有率を25重量%とした場合、光路長を1mmとしたときの可視光透過率は90%以上が好ましく、より好ましくは92%以上である。
この可視光透過率は、透明複合体における正方晶ジルコニア粒子の含有率により異なり、正方晶ジルコニア粒子の含有率が1重量%では、95%以上、正方晶ジルコニア粒子の含有率が40重量%では、80%以上である。
In this transparent composite, when the content of tetragonal zirconia particles is 25% by weight, the visible light transmittance is preferably 90% or more, more preferably 92% or more when the optical path length is 1 mm.
This visible light transmittance varies depending on the content of tetragonal zirconia particles in the transparent composite. When the content of tetragonal zirconia particles is 1% by weight, it is 95% or more, and when the content of tetragonal zirconia particles is 40% by weight. 80% or more.
正方晶ジルコニア粒子の屈折率は2.15であるから、この正方晶ジルコニア粒子を樹脂中に分散させることにより、アクリレート、シリコーン樹脂の屈折率1.4程度、エポキシ樹脂の屈折率1.5程度と比べて、樹脂の屈折率をそれ以上に向上させることが可能である。
また、正方晶ジルコニア粒子は、単斜晶ジルコニア粒子に比べてマルテンサイト変態による靭性値の向上が期待でき、しかも、靭性、硬度が高く、複合体の機械的特性向上に適している。
また、正方晶ジルコニア粒子は、ナノサイズの粒子であるから、樹脂と複合化させた場合においても、光散乱が小さく、複合材料の透明性を維持することが可能である。
Since the tetragonal zirconia particles have a refractive index of 2.15, by dispersing the tetragonal zirconia particles in the resin, the refractive index of the acrylate and the silicone resin is about 1.4, and the refractive index of the epoxy resin is about 1.5. As compared with the above, it is possible to further improve the refractive index of the resin.
Further, tetragonal zirconia particles can be expected to improve the toughness value due to martensitic transformation as compared with monoclinic zirconia particles, and also have high toughness and hardness, and are suitable for improving the mechanical properties of the composite.
Further, since the tetragonal zirconia particles are nano-sized particles, even when they are combined with a resin, light scattering is small and the transparency of the composite material can be maintained.
「透明複合体の製造方法」
本発明の透明複合体は、次に挙げる方法により作製することができる。
まず、上述した本発明のジルコニア透明分散液と、樹脂のモノマーやオリゴマーを、ミキサー等を用いて混合し、流動し易い状態の樹脂組成物とする。
次いで、この樹脂組成物を金型を用いて成形、または金型あるいは容器内に充填し、次いで、この成形体もしくは充填物に加熱、あるいは紫外線や赤外線等の照射を施し、この成形体もしくは充填物を硬化させる。
"Production method of transparent composite"
The transparent composite of the present invention can be produced by the following method.
First, the above-described zirconia transparent dispersion of the present invention and a resin monomer or oligomer are mixed using a mixer or the like to obtain a resin composition in an easily flowable state.
Next, the resin composition is molded using a mold, or filled in a mold or a container, and then the molded body or filling is heated or irradiated with ultraviolet rays, infrared rays, etc. The object is cured.
ここで、樹脂のモノマーやオリゴマーが、反応性を有する炭素二重結合(C=C)を有する場合、単に混合するだけでも、重合・樹脂化させることができる。
特に、アクリル樹脂等の紫外線(UV)硬化性樹脂を含む樹脂組成物を硬化させる方法としては、様々な方法があるが、代表的には、加熱または光照射により開始されるラジカル重合反応を用いたモールド成形法、トランスファー成形法等が挙げられる。このラジカル重合反応としては、熱による重合反応(熱重合)、紫外線等の光による重合反応(光重合)、ガンマ線による重合反応、あるいは、これらの複数を組み合わせた方法等が挙げられる。
Here, when the resin monomer or oligomer has a reactive carbon double bond (C = C), it can be polymerized / resinized simply by mixing.
In particular, there are various methods for curing a resin composition containing an ultraviolet (UV) curable resin such as an acrylic resin. Typically, a radical polymerization reaction initiated by heating or light irradiation is used. Mold molding method, transfer molding method and the like. Examples of this radical polymerization reaction include a polymerization reaction by heat (thermal polymerization), a polymerization reaction by light such as ultraviolet rays (photopolymerization), a polymerization reaction by gamma rays, or a method in which a plurality of these are combined.
本発明の透明複合体の一例として、シリコーン樹脂からなる光学素子が挙げられる。この光学素子は、1種または複数種のオルガノポリシロキサン、硬化剤、触媒を金型に入れ、この金型中にて熱硬化させ、所定の形状の成形体とすることにより製造される。熱硬化反応としては、縮合架橋、パーオキサイド架橋、白金付加架橋等の反応を用いることができる。特に、白金触媒を用いた付加重合反応による熱硬化が好ましい。 An example of the transparent composite of the present invention is an optical element made of a silicone resin. This optical element is manufactured by putting one or a plurality of types of organopolysiloxane, a curing agent, and a catalyst into a mold and thermally curing in the mold to obtain a molded body having a predetermined shape. As the thermosetting reaction, reactions such as condensation crosslinking, peroxide crosslinking, and platinum addition crosslinking can be used. In particular, thermosetting by an addition polymerization reaction using a platinum catalyst is preferable.
以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example demonstrate this invention concretely, this invention is not limited by these Examples.
[ジルコニア透明分散液の作製および評価]
「実施例1」
オキシ塩化ジルコニウム8水塩2615gを純水40L(リットル)に溶解させたジルコニウム塩溶液に、28%アンモニア水344gを純水20Lに溶解させた希アンモニア水を攪拌しながら加え、ジルコニア前駆体スラリーを調整した。
次いで、このスラリーに、硫酸ナトリウム300gを5Lの純水に溶解させた硫酸ナトリウム水溶液を攪拌しながら加えた。このときの硫酸ナトリウムの添加量は、ジルコニウム塩溶液中のジルコニウムイオンのジルコニア換算値に対して30重量%であった。
[Preparation and evaluation of zirconia transparent dispersion]
"Example 1"
To a zirconium salt solution in which 2615 g of zirconium oxychloride octahydrate is dissolved in 40 L (liter) of pure water, dilute ammonia water in which 344 g of 28% ammonia water is dissolved in 20 L of pure water is added with stirring, and the zirconia precursor slurry is added. It was adjusted.
Next, an aqueous sodium sulfate solution in which 300 g of sodium sulfate was dissolved in 5 L of pure water was added to this slurry with stirring. The amount of sodium sulfate added at this time was 30% by weight with respect to the zirconia converted value of zirconium ions in the zirconium salt solution.
次いで、この混合物を、乾燥器を用いて、大気中、130℃にて24時間、乾燥させ、固形物を得た。
次いで、この固形物を自動乳鉢等により粉砕した後、電気炉を用いて、大気中、500℃にて1時間焼成した。
次いで、この焼成物を純水中に投入し、攪拌してスラリー状とした後、遠心分離器を用いて洗浄を行い、添加した硫酸ナトリウムを十分に除去した後、乾燥器にて乾燥させ、ジルコニア粒子を作製した。
次いで、このジルコニア粒子10gに、分散媒としてトルエンを87g、分散剤としてCS−141E(旭電化工業(株)社製)を3g加え、その後分散処理を行い、実施例1のジルコニア透明分散液(Z1)を作製した。
Next, this mixture was dried in the air at 130 ° C. for 24 hours using a dryer to obtain a solid.
Next, the solid was pulverized with an automatic mortar or the like and then baked at 500 ° C. for 1 hour in the air using an electric furnace.
Next, the fired product is put into pure water, stirred to form a slurry, washed using a centrifuge, and after sufficiently removing the added sodium sulfate, dried in a dryer, Zirconia particles were prepared.
Next, 87 g of toluene as a dispersion medium and 3 g of CS-141E (manufactured by Asahi Denka Kogyo Co., Ltd.) as a dispersion medium were added to 10 g of the zirconia particles, followed by dispersion treatment, and the zirconia transparent dispersion liquid of Example 1 ( Z1) was prepared.
次いで、このジルコニア透明分散液のジルコニア粒子の分散粒径及び分散液の可視光透過率を測定した。
分散粒径は、動的光散乱式粒径分布測定装置(Malvern社製)を用い、ジルコニア透明分散液中のジルコニア粒子の含有量を1重量%に調製したものを測定用試料とした。また、データ解析条件としては、粒子径基準を体積基準とし、分散粒子であるジルコニアの屈折率を2,15、分散媒であるトルエンの屈折率を1.49とした。
Subsequently, the dispersed particle diameter of the zirconia particles of this zirconia transparent dispersion and the visible light transmittance of the dispersion were measured.
The dispersion particle size was measured by using a dynamic light scattering particle size distribution measuring device (Malvern) and adjusting the content of zirconia particles in the zirconia transparent dispersion to 1% by weight. The data analysis conditions were such that the particle diameter standard was the volume standard, the refractive index of zirconia as a dispersed particle was 2, 15 and the refractive index of toluene as a dispersion medium was 1.49.
また、分散液の可視光透過率は、上記の分散液のジルコニア含有率をトルエンを用いて5重量%に調製した試料を石英セル(10mm×10mm)に入れ、この試料の光路長10mmとしたときの可視光透過率を分光光度計(日本分光社製)を用いて測定した。ここでは、透過率が80%以上を「○」、80%未満を「×」とした。
表1に、これらの測定結果を示す。
また、この分散液のジルコニア粒子の結晶系をX線回折装置を用いて調べた。
図1にジルコニア粒子の粉末X線回折図形(チャート)を示す。この粉末X線回折図形により、ジルコニア粒子の結晶系が正方晶系であることが確認された。
Further, the visible light transmittance of the dispersion liquid was set to a quartz cell (10 mm × 10 mm) with a zirconia content ratio of the above dispersion liquid adjusted to 5 wt% using toluene, and the optical path length of this sample was set to 10 mm. The visible light transmittance at that time was measured using a spectrophotometer (manufactured by JASCO Corporation). Here, the transmittance of 80% or more was “◯”, and the transmittance of less than 80% was “x”.
Table 1 shows the measurement results.
Moreover, the crystal system of the zirconia particles of this dispersion was examined using an X-ray diffractometer.
FIG. 1 shows a powder X-ray diffraction pattern (chart) of zirconia particles. This powder X-ray diffraction pattern confirmed that the crystal system of the zirconia particles was a tetragonal system.
「比較例1」
ジルコニア粒子としてRC−100(第一希元素(株)社製)を用いた以外は、実施例1に準じて分散処理を行い、比較例1のジルコニア分散液(Z2)を作製した。
次いで、実施例1に準じてジルコニア粒子の分散粒径及び可視光透過率を測定した。表1に測定結果を示す。
“Comparative Example 1”
A zirconia dispersion (Z2) of Comparative Example 1 was prepared by carrying out a dispersion treatment according to Example 1 except that RC-100 (manufactured by Daiichi Rare Element Co., Ltd.) was used as the zirconia particles.
Subsequently, the dispersed particle diameter and visible light transmittance of the zirconia particles were measured according to Example 1. Table 1 shows the measurement results.
[透明複合体の作製]
「実施例2」
実施例1のジルコニア透明分散液100gに、1,6−ヘキサンジオールジアクリレート5g、ペンタエリスリトールトリアクリレート2.5g、ペンタエリスリトールテトラアクリレート2g、重合開始剤としてベンゾイルパーオキサイド0.5gを加え、真空乾燥により脱溶剤化し、樹脂組成物を作製した。
次いで、この樹脂組成物を、ガラス板で組み上げた型の中に厚みが1mmになるように流し込み、60℃にて5時間、続いて120℃にて2時間加熱して硬化させ、実施例2の透明複合体を作製した。
この透明複合体のジルコニアの含有率は50重量%であった。
[Preparation of transparent composite]
"Example 2"
To 100 g of the zirconia transparent dispersion of Example 1, 5 g of 1,6-hexanediol diacrylate, 2.5 g of pentaerythritol triacrylate, 2 g of pentaerythritol tetraacrylate, and 0.5 g of benzoyl peroxide as a polymerization initiator are added and vacuum dried. To remove the solvent to prepare a resin composition.
Next, this resin composition was poured into a mold assembled with a glass plate so as to have a thickness of 1 mm, and cured by heating at 60 ° C. for 5 hours and then at 120 ° C. for 2 hours. A transparent composite was prepared.
The zirconia content of this transparent composite was 50% by weight.
「実施例3」
実施例1のジルコニア透明分散液100gに、シリコーンオイル(メチルハイドロジェンポリシロキサンと両末端に各々ビニル基を有するオルガノポリシロキサンとの混合物)10gを加え、さらに、塩化白金酸をシリコーンオイル100重量部に対して20ppmとなるように加え、真空乾燥により脱溶剤化し、樹脂組成物を作製した。
次いで、この樹脂組成物を、ガラス板で組み上げた型の中に厚みが1mmになるように流し込み、150℃にて2時間加熱して硬化させ、実施例3の透明複合体を作製した。
この透明複合体のジルコニアの含有率は50重量%であった。
"Example 3"
To 100 g of the zirconia transparent dispersion of Example 1, 10 g of silicone oil (a mixture of methylhydrogenpolysiloxane and organopolysiloxane having vinyl groups at both ends) was added, and chloroplatinic acid was added to 100 parts by weight of silicone oil. The solvent was removed by vacuum drying to prepare a resin composition.
Next, this resin composition was poured into a mold assembled with a glass plate so as to have a thickness of 1 mm and cured by heating at 150 ° C. for 2 hours to produce a transparent composite of Example 3.
The zirconia content of this transparent composite was 50% by weight.
「実施例4」
実施例1のジルコニア透明分散液100gに、エポキシレジン:エピコート828を7gおよび硬化剤としてエピキュア3080を3g(いずれもジャパンエポキシレジン(株)社製)加え、真空乾燥により脱溶剤化し、樹脂組成物を作製した。
次いで、この樹脂組成物を、ガラス板で組み上げた型の中に厚みが1mmになるように流し込み、80℃にて30分間加熱して硬化させ、実施例4の透明複合体を作製した。
この透明複合体のジルコニアの含有率は50重量%であった。
Example 4
To 100 g of the zirconia transparent dispersion of Example 1, 7 g of epoxy resin: Epicoat 828 and 3 g of EpiCure 3080 (both manufactured by Japan Epoxy Resins Co., Ltd.) were added, and the solvent was removed by vacuum drying to obtain a resin composition. Was made.
Next, this resin composition was poured into a mold assembled with glass plates so as to have a thickness of 1 mm, and cured by heating at 80 ° C. for 30 minutes, whereby a transparent composite of Example 4 was produced.
The zirconia content of this transparent composite was 50% by weight.
「比較例2」
比較例1のジルコニア分散液100gに、1,6−ヘキサンジオールジアクリレート5g、ペンタエリスリトールトリアクリレート2.5g、ペンタエリスリトールテトラアクリレート2g、重合開始剤としてベンゾイルパーオキサイド0.5gを加え、真空乾燥により脱溶剤化し、樹脂組成物を作製した。
次いで、この樹脂組成物を実施例2に準じて処理し、比較例2の透明複合体を作製した。
この透明複合体のジルコニアの含有率は50重量%であった。
"Comparative Example 2"
To 100 g of the zirconia dispersion of Comparative Example 1, 5 g of 1,6-hexanediol diacrylate, 2.5 g of pentaerythritol triacrylate, 2 g of pentaerythritol tetraacrylate, and 0.5 g of benzoyl peroxide as a polymerization initiator were added and vacuum dried. Solvent removal was performed to prepare a resin composition.
Subsequently, this resin composition was processed according to Example 2, and the transparent composite body of the comparative example 2 was produced.
The zirconia content of this transparent composite was 50% by weight.
「比較例3」
比較例1のジルコニア分散液100gに、シリコーンオイル(メチルハイドロジェンポリシロキサンと両末端に各々ビニル基を有するオルガノポリシロキサンとの混合物)10gを加え、さらに、塩化白金酸をシリコーンオイル100重量部に対して20ppmとなるように加え、真空乾燥により脱溶剤化し、樹脂組成物を作製した。
次いで、この樹脂組成物を実施例3に準じて処理し、比較例3の透明複合体を作製した。
この透明複合体のジルコニアの含有率は50重量%であった。
“Comparative Example 3”
To 100 g of the zirconia dispersion of Comparative Example 1, 10 g of silicone oil (a mixture of methylhydrogenpolysiloxane and organopolysiloxane each having vinyl groups at both ends) is added, and chloroplatinic acid is added to 100 parts by weight of silicone oil. On the other hand, it was added to 20 ppm, and the solvent was removed by vacuum drying to prepare a resin composition.
Subsequently, this resin composition was processed according to Example 3 to produce a transparent composite of Comparative Example 3.
The zirconia content of this transparent composite was 50% by weight.
「比較例4」
比較例1のジルコニア分散液100gに、エポキシレジン:エピコート828を7gおよび硬化剤としてエピキュア3080を3g(いずれもジャパンエポキシレジン(株)社製)加え、真空乾燥により脱溶剤化し、樹脂組成物を作製した。
次いで、この樹脂組成物を実施例4に準じて処理し、比較例4の透明複合体を作製した。
この透明複合体のジルコニアの含有率は50重量%であった。
“Comparative Example 4”
To 100 g of the zirconia dispersion of Comparative Example 1, 7 g of epoxy resin: Epicoat 828 and 3 g of EpiCure 3080 as a curing agent (both manufactured by Japan Epoxy Resins Co., Ltd.) are added, and the resin composition is removed by vacuum drying. Produced.
Subsequently, this resin composition was processed according to Example 4 to produce a transparent composite of Comparative Example 4.
The zirconia content of this transparent composite was 50% by weight.
「比較例5」
透明複合体のジルコニアの含有率を2重量%とした以外は、比較例2に準じて処理し、比較例5の透明複合体を作製した。
“Comparative Example 5”
A transparent composite of Comparative Example 5 was produced by processing according to Comparative Example 2 except that the content of zirconia in the transparent composite was 2% by weight.
「比較例6」
透明複合体のジルコニアの含有率を2重量%とした以外は、比較例3に準じて処理し、比較例6の透明複合体を作製した。
“Comparative Example 6”
A transparent composite of Comparative Example 6 was produced by processing according to Comparative Example 3 except that the content of zirconia in the transparent composite was 2% by weight.
「比較例7」
透明複合体のジルコニアの含有率を2重量%とした以外は、比較例4に準じて処理し、比較例7の透明複合体を作製した。
“Comparative Example 7”
A transparent composite of Comparative Example 7 was produced by processing according to Comparative Example 4 except that the content of zirconia in the transparent composite was 2% by weight.
「透明複合体の評価」
実施例2〜4及び比較例2〜7それぞれの透明複合体について、可視光透過率、屈折率および硬度の3点について、下記の装置または方法により評価を行った。
"Evaluation of transparent composites"
With respect to each of the transparent composites of Examples 2 to 4 and Comparative Examples 2 to 7, the following apparatus or method was evaluated for three points of visible light transmittance, refractive index, and hardness.
(1)可視光透過率
分光光度計(日本分光社製)を用いて可視光線の透過率を測定した。
ここでは、測定用試料を100×100×1mmの大きさのバルク体とし、透過率が80%以上を「○」、80%未満を「×」とした。
(2)屈折率
日本工業規格:JIS K 7142「プラスチックの屈折率測定方法」に準拠し、アッベ屈折計により測定した。
ここでは、ジルコニアを添加していない樹脂を基準として、屈折率が0.05以上向上した場合を「○」、屈折率が0.05未満しか向上しなかった場合を「×」とした。
(1) Visible light transmittance Visible light transmittance was measured using a spectrophotometer (manufactured by JASCO Corporation).
Here, the measurement sample was a bulk body having a size of 100 × 100 × 1 mm, the transmittance of 80% or more was “◯”, and the less than 80% was “×”.
(2) Refractive index: Measured with an Abbe refractometer in accordance with Japanese Industrial Standards: JIS K 7142 “Plastic Refractive Index Measuring Method”.
Here, on the basis of the resin to which zirconia is not added, a case where the refractive index is improved by 0.05 or more is indicated by “◯”, and a case where the refractive index is improved by less than 0.05 is indicated by “X”.
(3)硬さ
日本工業規格:JIS K 7215「プラスチックのデュロメータ硬さ試験方法」に準拠し、デュロメータを用いてJIS−A硬度を測定した。
ここでは、比較例1のジルコニア分散液及び比較例2〜4の樹脂を用いて作製され、ジルコニアの含有率が50重量%である各透明複合体の硬さを基準とし、この基準値より高い場合を「○」、この基準値より低い場合を「×」とした。
以上の評価結果を表2に示す。
(3) Hardness JIS-A hardness was measured using a durometer in accordance with Japanese Industrial Standards: JIS K 7215 “Durometer Hardness Test Method for Plastics”.
Here, it is produced using the zirconia dispersion liquid of Comparative Example 1 and the resins of Comparative Examples 2 to 4, and based on the hardness of each transparent composite having a zirconia content of 50% by weight, it is higher than this reference value. The case was “◯”, and the case lower than this reference value was “x”.
The above evaluation results are shown in Table 2.
これらの評価結果によれば、実施例2〜4では、可視光透過率、屈折率、硬度ともに良好であることが分かった。
一方、比較例2〜7では、可視光透過率、屈折率、硬度のいずれかの特性が実施例2〜4と比べて劣っていた。
According to these evaluation results, in Examples 2 to 4, it was found that the visible light transmittance, refractive index, and hardness were all good.
On the other hand, in Comparative Examples 2 to 7, any one of visible light transmittance, refractive index, and hardness was inferior to Examples 2 to 4.
本発明のジルコニア透明分散液は、分散粒径が1nm以上かつ20nm以下の正方晶ジルコニア粒子を含有したことにより、このジルコニア粒子および樹脂を含む透明複合体の屈折率および機械的特性の向上と共に透明性の維持を図ることができるものであるから、半導体レーザ(LED)の封止材、液晶表示装置用基板、有機EL表示装置用基板、カラーフィルター用基板、タッチパネル用基板、太陽電池用基板等の光学シート、透明板、光学レンズ、光学素子、光導波路等はもちろんのこと、これ以外の様々な工業分野においても、その効果は大である。 The zirconia transparent dispersion of the present invention contains tetragonal zirconia particles having a dispersed particle diameter of 1 nm or more and 20 nm or less, so that the transparent composite containing the zirconia particles and the resin has improved refractive index and mechanical properties. Therefore, the sealing property of the semiconductor laser (LED), the substrate for liquid crystal display device, the substrate for organic EL display device, the substrate for color filter, the substrate for touch panel, the substrate for solar cell, etc. The effect is great not only in the optical sheet, transparent plate, optical lens, optical element, optical waveguide, etc., but also in various other industrial fields.
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