JP2007182465A

JP2007182465A - 超微粒子分散体およびその分散体を含有する樹脂組成物

Info

Publication number: JP2007182465A
Application number: JP2006000055A
Authority: JP
Inventors: Takumi Tanaka; 巧田中; Akio Hamamoto; 秋雄濱元; Masaaki Kinoshita; 正明木下
Original assignee: Daito Kasei Kogyo Co Ltd
Current assignee: Daito Kasei Kogyo Co Ltd
Priority date: 2006-01-04
Filing date: 2006-01-04
Publication date: 2007-07-19

Abstract

【課題】超微粒子粉体を効率良く高濃度で分散させることができるとともに、分散安定性に優れ、しかも工業用途として汎用性の高い超微粒子分散体およびその分散体を含有する樹脂組成物を提供する。
【解決手段】超微粒子分散体を、平均一次粒子径が１００ｎｍ以下の超微粒子粉体と、この超微粒子粉体の溶剤としての分散媒と、前記超微粒子粉体の分散安定性を保持する分散剤と、前記超微粒子粉体に前記分散媒に対する親和性を付与する表面処理剤とを含む懸濁液からなるものとする。かかる超微粒子分散体と樹脂との溶融混練により、超微粒子粉体を高濃度に充填しても分散状態が良好な樹脂組成物を得る。
【選択図】なし

Description

本発明は、平均一次粒子径が１００ｎｍ以下の超微粒子粉体が分散されてなる超微粒子分散体およびその分散体を含有する樹脂組成物に関するものである。

従来、樹脂中に超微粒子粉体を一次粒子の状態まで分散させようとする試みは多くなされており、湿式法による疎水化処理を粉体に施す方法が一般的である。しかし、非常に凝集しやすい超微粒子粉体に対して、単純に湿式法による疎水化処理を行っても、充分な分散性が得られないことも既知の事実である。

そこで、例えば、層状粘土鉱物にオニウムイオンを有する有機物で置換処理した処理粘土を水等の分散媒と共に溶融混練する方法により、熱可塑性樹脂中に層状粘土鉱物を超微分散させる技術が提案されている（特許文献１参照）。また、オニウムイオンを有する有機物を層状粘土鉱物の層間に挿入するインタカレーション法が、所謂ナノコンポジット（超微粒子粉体を一次粒子のレベルで基材樹脂に分散させたもの）の作製のための表面処理として広く知られている（特許文献２参照）。なお、インタカレーション法による疎水化処理を簡略化するものもある（特許文献３、非特許文献１参照）。

また、特定の製法で得られた特定の溶融粘度を有するポリカーボネート樹脂だけが、カーボンナノチューブ等の無機導電性物質を高度に分散させ得ることが、特許文献４に開示されている。

さらに、特許文献５には、貴金属または銅の化合物と分散剤とが溶解した溶媒中に、還元剤を投入することで、分散剤で保護されたコロイド粒子を形成し、これを溶剤除去することにより、微粒子貴金属または銅を含有した固体ゾルを得る方法、並びに、得られた固体ゾルを用いることで分散着色性の良い塗料組成物および樹脂組成物が得られることが開示されている。また、特許文献６には、超微粒子ＩＴＯ、分散剤安定化剤、ポリビニラールに対する可塑剤およびアルコールを主成分とする溶剤からなる分散体をそのまま、あるいは、ある程度溶媒を除去した状態で、ポリビニラール樹脂に溶融混合させることで、超微粒子ＩＴＯが高度に分散したポリビニラール膜が得られることが開示されている。

特公平７−４７６４４号公報特開平９−２１７０１２号公報特開２０００−２３９３９７号公報特開平２００３−５５５４４号公報特開平２００４−２３１７０８号公報特開２００５−１８７２２６号公報Ｍ．Ａｌｅｘａｎｄｅｒｅｔａｌ，Ｃｈｅｍ．Ｍａｔｅｒ．，１３，３８３０（２００１）

しかしながら、前記特許文献１および特許文献２に係る技術では、いずれも用いられる分散質として層状粘土鉱物に限定されるという問題点がある。また、前記特許文献３や非特許文献１に指摘される様に、インタカレーション法による疎水化処理は製造コストや工数の増大を招き、工業的に不利であるという問題点もある。また、前記特許文献４に係る技術では、完全に材料系が固定されるという問題点がある。さらに、前記特許文献５および特許文献６に係る技術では、いずれも材料の選定や工程が複雑であり、特に特許文献６に係る技術では、基材樹脂と分散の対象となる超微粒子粉体が固定されているにもかかわらず、３種以上の分散剤安定化剤を組み合わせて使用するなど、処方が非常に複雑であるという問題点がある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、超微粒子粉体を効率良く高濃度で分散させることができるとともに、分散安定性に優れ、しかも工業用途として汎用性の高い超微粒子分散体およびその分散体を含有する樹脂組成物を提供することを目的とするものである。

本発明者らは、前述の目的を達成すべく鋭意検討した結果、超微粒子粉体に分散媒に対する親和性を付与する表面処理剤を用いることにより、分散媒に効率良く高濃度で種々の超微粒子粉体を分散できることを見いだした。また、前記超微粒子粉体の分散安定性を保持する分散剤を用いることにより、そのままでも、あるいは一旦溶剤が除去された状態でも容易に再分散可能な優れた分散安定性を有する分散体が得られることを見いだした。

すなわち、第１発明による超微粒子分散体は、
平均一次粒子径が１００ｎｍ以下の超微粒子粉体と、この超微粒子粉体の溶剤としての分散媒と、前記超微粒子粉体の分散安定性を保持する分散剤と、前記超微粒子粉体に前記分散媒に対する親和性を付与する表面処理剤とを含む懸濁液からなることを特徴とするものである。

第１発明において、前記超微粒子粉体の含有量が０．１〜８０重量％、前記分散媒の含有量が０．１〜９９．９重量％、前記分散剤の含有量が０．０１〜６０重量％、前記表面処理剤の含有量が０．００２〜４０重量％であるのが好ましい（第２発明）。

また、第１発明または第２発明において、前記表面処理剤は、下記一般式

にて示されるアルコキシシラン化合物であるのが好ましい（第３発明）。

また、第１発明乃至第３発明において、前記分散媒として水またはアルコール類が用いられ、前記分散剤としてその水またはアルコール類に可溶な高分子化合物が用いられるのが好ましい（第４発明）。

次に、第５発明による樹脂組成物は、
第１発明〜第４発明のいずれかの発明に係る超微粒子分散体を含有してなることを特徴とするものである。

本発明によれば、超微粒子粉体を効率良く高濃度で分散させることができるとともに、分散安定性に優れ、しかも工業用途として汎用性の高い超微粒子分散体を得ることができる。また、かかる超微粒子分散体を樹脂に配合することにより、超微粒子粉体が高度に分散された樹脂組成物を得ることができる。

次に、本発明による超微粒子分散体およびその分散体を含有する樹脂組成物の具体的な実施の形態について説明する。

本発明の超微粒子分散体は、（ａ）平均一次粒子径が１００ｎｍ以下の超微粒子粉体、（ｂ）超微粒子粉体に分散媒に対する親和性を付与する表面処理剤、（ｃ）超微粒子粉体の分散安定性を保持する分散剤および（ｄ）超微粒子粉体の溶剤としての分散媒、を含む懸濁液からなるものである。

前記（ａ）の超微粒子粉体としては、特に限定されるものではなく、無機粉体、有機粉体が挙げられる。中でも、汎用性の高い無機粉体を使用することが好ましく、用いる溶剤に溶解しない物質であれば特に限定されないが、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化セリウム、酸化第二鉄（α型）、酸化第二鉄（γ型）、酸化イットリウム、酸化マンガン、酸化ケイ素（シリカ）、酸化錫、酸化ホルミウム、酸化銅、酸化ビスマス、酸化コバルト、四三酸化鉄、酸化マグネシウム、インジウム・スズ酸化物、アンチモン・スズ酸化物、コバルトブルー等の単一または複合の金属酸化物；金、銀、白金等の金属；グラファイト、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、フラーレン、カーボンナノチューブ等のカーボン；スメクタイト、カオリン等のケイ酸塩粘土鉱物；リン酸ジルコニウム、チタン酸塩、塩化モリブデン、合成マイカ、リン酸ジルコニウム、硫酸バリウム、炭酸カルシウム等が挙げられる。該超微粒子粉体の分散体に占める含有率は０．１〜８０重量％の範囲で可能であるが、含有率が過度に多くなると超微粒子粉体によっては充分な分散が得られないため、含有率の上限を１０〜５０重量％の範囲に設定するのが好ましい。

また、前記（ｂ）の表面処理剤としては、下記一般式

にて示されるアルコキシシラン化合物が用いられ、その被覆量は超微粒子粉体に対して５０重量％以下とされ、被覆量を上げることで、水やアルコール類との親和性（親水性）が高くなり、より高分散かつ分散安定性の高い分散体を得ることができる。被覆量が少なくなると充分な分散が得られないため、含有率の下限を超微粒子粉体に対して２〜２０重量％の範囲に設定するのが好ましい。なお、このアルコキシシラン化合物としては、例えば、デグサ（株）からＤＹＮＡＳＹＬＡＮ４１４０の名称で、また信越化学工業（株）からＫＢＭ−６４１，ＫＢＭ−７１３の名称で市販されているものが挙げられる。

ここで、前記アルコキシシラン化合物を予め超微粒子粉体に表面被覆する場合の方法としては、特開２００３−２６９５８号公報に記載の次のような方法がある。

まず、表面に被覆するべき所定量のアルコキシシラン化合物を濃度が約１〜２０重量％となるように適当な溶剤に溶解する。これを適当なミキサー（例えばヘンシェルミキサー）に入れ、その後被覆されるべき超微粒子粉体を投入し、一定時間撹拌する。この後、撹拌しながらミキサーを加熱減圧して溶剤を除去した後、約１００℃にて６時間加熱し、その後粉砕して目的とする親水性超微粒子粉体を得る。ここで用いられる溶剤としては、イソプロピルアルコール、アセトン、塩化メチレン等のアルコキシシランを溶解し得る極性有機溶剤が好ましい。

こうして得られる親水性超微粒子粉体は、前記一般式にて示されるアルコキシシランがアルコールを脱離した形で化学結合して表面被覆されている。

次に、前記（ｃ）の分散剤としては、用いる分散媒に可溶な高分子量界面活性剤であれば、特に限定されるものではなく、天然または合成のアニオン系、ノニオン系およびカチオン系のポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリアルキレンポリアミン、ポリアクリルアミド、ポリオキシジプロピレン・ポリオキシエチレンブロック、ポリマーでんぷん等の高分子量界面活性剤が挙げられる。中でも、汎用性と安全性の点からポリエチレングリコール等のポリオキシエチレンアルキルエーテルを用いることがより好ましい。該分散剤は０．０１〜６０重量％の間で自由に処方することができるが、好ましくは超微粒子粉体重量に対して０．１〜３倍程度がよく、残りに溶剤を使用する。

また、前記（ｄ）の分散媒としては、前記表面処理剤と相溶性の良いものであれば、特に限定されるものではないが、水や、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等のアルコール類、アセトン等のケトン類が選ばれ、これらの中から１種または２種以上を組み合わせて使用しても良い。しかし、親水性表面処理剤および分散剤との組み合わせから、より水と相溶性の良いものが好ましい。さらに、製造コスト、製造工程簡便性および安全性の観点から、水を単独で用いることがより好ましい。

本発明の超微粒子分散体を調製する方法としては、まず、超微粒子粉体とその超微粒子粉体に対する表面処理剤、分散剤および分散媒を含む懸濁液を作製する。なお、表面処理剤は特に予め超微粒子粉体に施す必要はないが、分散媒に対し一部溶出する超微粒子粉体を用いる際には予め表面処理を施しておくことが好ましい。次に、前記懸濁液から超微粒子分散体を作製する分散機としては、ホモミキサー、ディスパー、コロイドミル、メディアミル、ロールミル、ニーダー、エクストルーダー等の各種分散機が使用できるが、超微粒子粉体に高せん断力を加えることができるホモミキサー、ディスパー、コロイドミル、メディアミル等の高速撹拌可能な湿式分散機を使用するのが好ましく、さらに、高せん断力に加え粉砕力も加わるコロイドミル、メディアミル等の湿式ミルを使用するのがより好ましい。特に、好ましいのはメディアミルの中でも、メディアに微細なビーズを用いた湿式ビーズミルであり、ビーズ径を微小化または分散時間を増加することで、超微粒子粉体をより効率良く分散させることができる。

次に、本発明の超微粒子分散体を含有させる樹脂としては、特に限定されるものではなく、天然樹脂または合成の熱硬化性樹脂および熱可塑性樹脂、ゴム類が挙げられる。中でも押出混練法にて加工可能な熱可塑性樹脂を使用することが好ましく、熱可塑性の高分子化合物であれば特に限定しないが、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合樹脂）、ＡＳ樹脂（アクリロニトリル−スチレン共重合樹脂）、ポリメチルメタクリレート、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルエーテルケトン、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、熱可塑性ポリイミド、天然ゴム、イソプレンゴム、クロロプレンゴム、スチレンゴム、ニトリルゴム、エチレン−プロピレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン−ブタジエンゴム、ブチルゴム、エピクロルヒドリンゴム、アクリルゴム、ウレタンゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴムなどの中から１種または２種以上が選択できる。また、環境負荷の観点から、今後ますます重要になると思われるポリカプロラクトン系、アルギン酸系、ポリビニルアルコール系、脂肪族ポリエステル系、糖類系、ポリウレタン系、ポリエーテル系などの生分解性樹脂等も使用できる。

また、本発明の超微粒子分散体を含有する樹脂組成物を得る際に、特に予め溶剤を除去する必要はないが、高分子分散剤と樹脂との相溶性が乏しい場合や残留溶剤の問題、安全性の観点等から必要がある場合は予め溶剤を除去した上で樹脂に含有させることが好ましい。

次に、本発明による超微粒子分散体およびその分散体を含有する樹脂組成物の具体的な実施例について説明するが、本発明は以下に述べる実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
超微粒子酸化亜鉛（住友大阪セメント（株）製：ＺｎＯ−３５０／平均一次粒子径：１０〜３５ｎｍ）に対し、１０ｗｔ％の濃度にて親水性表面処理剤（アルコキシシラン化合物）を処理して得られた親水性表面処理超微粒子酸化亜鉛５５ｗｔ％とポリエチレングリコール（日本油脂（株）製：ＰＥＧ＃６０００）１０ｗｔ％、イソプロピルアルコール３５ｗｔ％からなる懸濁液を、φ０．５のジルコニアビーズを８０ｖｏｌ％充填した湿式ビーズミルにて、周速１０ｍ／ｓ、流量３００ｍｌ／ｍｉｎの条件で、１時間撹拌を実施して分散体を作製した。得られた分散体は溶剤を除去した後に粉砕し、φ２ｍｍ程度の分散体顆粒とした。該分散体顆粒とナイロン６樹脂（帝人ナイロンＮＨ−８００５）とを超微粒子酸化亜鉛の含有率が２０ｗｔ％となるように、スクリューの直径（Ｄ）が３０ｍｍ、スクリューの直径（Ｄ）に対する軸長さ（Ｌ）の比率（Ｌ／Ｄ）が３５の同方向回転噛合式二軸押出機にて、スクリュー回転数２００ｒｐｍ、シリンダ温度２５０℃、吐出量１５ｋｇ／ｈの条件で溶融混練を行い、該分散体を含有する樹脂組成物を作製した。

（実施例２）
超微粒子酸化亜鉛（ＺｎＯ−３５０）に対する親水性表面処理剤（アルコキシシラン化合物）の濃度を８ｗｔ％とした以外は実施例１と同様にして樹脂組成物を作製した。

（実施例３）
超微粒子酸化亜鉛（ＺｎＯ−３５０）に対する親水性表面処理剤（アルコキシシラン化合物）の濃度を５ｗｔ％とした以外は実施例１と同様にして樹脂組成物を作製した。

（実施例４）
湿式ビーズミルの撹拌時間を２倍の２時間とした以外は実施例１と同様にして樹脂組成物を作製した。

（実施例５）
超微粒子酸化亜鉛（ＺｎＯ−３５０）に代えて、シリカコートされた超微粒子酸化亜鉛（昭和電工（株）製：マックスライトＺＳ−０３２／平均一次粒子径：２５ｎｍ）を用いた以外は実施例４と同様にして樹脂組成物を作製した。

（実施例６）
超微粒子酸化亜鉛（ＺｎＯ−３５０）に代えて、シリカコートされた超微粒子酸化チタン（昭和電工（株）製：マックスライトＴＳ−０４３／平均一次粒子径：３０ｎｍ）を用いた以外は実施例４と同様にして樹脂組成物を作製した。

（比較例１）
超微粒子酸化亜鉛（ＺｎＯ−３５０）に対する親水性表面処理剤（アルコキシシラン化合物）の濃度を２ｗｔ％とした以外は実施例１と同様にして樹脂組成物を作製した。

（比較例２）
超微粒子酸化亜鉛（ＺｎＯ−３５０）に対する親水性表面処理剤（アルコキシシラン化合物）の濃度を０ｗｔ％とした以外は実施例１と同様にして樹脂組成物を作製した。

（実施例７）
超微粒子酸化亜鉛（ＺｎＯ−３５０）に対し、８ｗｔ％の濃度にて親水性表面処理剤（アルコキシシラン化合物）を処理して得られた親水性表面処理超微粒子酸化亜鉛５４ｗｔ％とポリエチレングリコール（ＰＥＧ＃６０００）２０ｗｔ％、水２６ｗｔ％からなる懸濁液を、φ０．５のジルコニアビーズを８０ｖｏｌ％充填した湿式ビーズミルにて、周速１０ｍ／ｓ、流量３００ｍｌ／ｍｉｎの条件で、１時間撹拌を実施して分散体を作製した。得られた分散体はそのまま２連プランジャ式の液注ポンプにて超微粒子酸化亜鉛の含有率が２０ｗｔ％となるように、スクリューの直径（Ｄ）が３０ｍｍ、スクリューの直径（Ｄ）に対する軸長さ（Ｌ）の比率（Ｌ／Ｄ）が３５の同方向回転噛合式二軸押出機にて、スクリュー回転数３００ｒｐｍ、シリンダ温度２５０℃、吐出量１０ｋｇ／ｈの条件でナイロン６樹脂（帝人ナイロンＮＨ−８００５）との溶融混練を行い、該分散体を含有する樹脂組成物を作製した。

（実施例８）
分散体作製に用いたポリエチレングリコール（ＰＥＧ＃６０００）の濃度を１０ｗｔ％とした以外は実施例７と同様にして樹脂組成物を作製した。

（実施例９）
分散体作製に用いたポリエチレングリコール（ＰＥＧ＃６０００）の濃度を８ｗｔ％とした以外は実施例７と同様にして樹脂組成物を作製した。

（比較例３）
分散体作製に用いたポリエチレングリコール（ＰＥＧ＃６０００）の濃度を６ｗｔ％とした以外は実施例７と同様にして樹脂組成物を作製した。

（比較例４）
分散体作製に用いたポリエチレングリコール（ＰＥＧ＃６０００）の濃度を０ｗｔ％とした以外は実施例７と同様にして樹脂組成物を作製した。

以上のようにして得られた実施例１〜９および比較例１〜４のそれぞれのナイロン６樹脂組成物について、コンパウンドペレット断面を走査型電子顕微鏡を用いて観察し、その分散状態を評価した。その結果が表１，２に示されている。

表１，２から明らかなように、実施例１〜９のものでは、比較例１〜４のものに比べて、超微粒子粉体を高濃度に充填しても分散状態が良好な樹脂組成物が得られることが分かる。また、処方も加工法も比較的単純であり、分散体作製にも時間を要しない。さらに、溶剤として安全な水を使用した実施例７〜９のものでは、液注加工が可能となり、溶剤の乾燥工程が省略できるという利点がある。

以上のように、親水性表面処理剤を超微粒子粉体の表面処理に用いることで、安価かつ良好な分散状態の超微粒子分散体とその分散体を含有する樹脂組成物を作製することができる。

Claims

平均一次粒子径が１００ｎｍ以下の超微粒子粉体と、この超微粒子粉体の溶剤としての分散媒と、前記超微粒子粉体の分散安定性を保持する分散剤と、前記超微粒子粉体に前記分散媒に対する親和性を付与する表面処理剤とを含む懸濁液からなることを特徴とする超微粒子分散体。
前記超微粒子粉体の含有量が０．１〜８０重量％、前記分散媒の含有量が０．１〜９９．９重量％、前記分散剤の含有量が０．０１〜６０重量％、前記表面処理剤の含有量が０．００２〜４０重量％である請求項１に記載の超微粒子分散体。
前記表面処理剤は、下記一般式

にて示されるアルコキシシラン化合物である請求項１または２に記載の超微粒子分散体。
前記分散媒として水またはアルコール類が用いられ、前記分散剤としてその水またはアルコール類に可溶な高分子化合物が用いられる請求項１〜３のいずれかに記載の超微粒子分散体。
請求項１〜４のいずれかに記載の超微粒子分散体を含有してなることを特徴とする樹脂組成物。