JP2007211165A - 有機無機ハイブリッドガラス状物質とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】飽和吸水率が極めて低く、気密性能を有し、耐熱性、化学的耐久性及び接着性が高く、低融点で透明な材料はなかった。
【解決手段】溶融性を有する原材料の濃縮、溶融後に減圧加熱処理を行い、さらに３００℃以上で高温熱処理する有機無機ハイブリッドガラス状物質の製造方法。溶融性を有する原材料はフェニル基およびＤユニットを含み、高温熱処理は３００℃以上５５０℃以下で行う特徴を有す。さらに、飽和吸水率が０．１重量％以下である有機無機ハイブリッドガラス状物質。さらに、吸水による膨張率および屈折率の変化量がそれぞれ０．１％以下、０．０００３０以下である有機無機ハイブリッドガラス状物質。軟化温度が５０℃〜３５０℃、溶融性を有し、１１００ｎｍでの光透過率を基準としたシラノール基の吸収による光透過の低下率が１０％以下である特徴を有す。
【選択図】 なし

Description

本発明は、ゾルゲル法に用いられる原料を出発原料とする有機無機ハイブリッドガラス状物質とその製造方法に関する。

６００℃以下で軟化する材料としては、高分子材料や低融点ガラスなどが有名であり、古くから封着・封止材料、パッシベーションガラス、釉薬など、多くのところで用いられてきた。高分子材料と低融点ガラスでは、その諸物性が異なるので、その使用できる環境に応じて使い分けられてきた。一般的には、耐熱性や気密性能が優先される場合にはガラスが、耐熱性や気密性能以外の特性が優先される分野では高分子材料に代表される有機材料が使われてきた。しかし、昨今の技術進歩に伴い、これまで要求されなかった特性も着目され、その特性をもった材料の開発が期待されている。

このため、耐熱性や気密性能を増能させた高分子材料や、軟化領域を低温化させたガラスいわゆる低融点ガラスの開発が積極的になされている。特に、耐熱性や気密性能が要求される電子材料市場において、PbO-SiO₂-B₂O₃系あるいはPbO-P₂O₅-SnF₂系ガラスなどに代表される低融点ガラスは、電子部品の封着、被覆などの分野で不可欠の材料となっている。また、低融点ガラスは高温溶融ガラスに比べ、その成形加工に要するエネルギーひいてはコストを抑えられるため、省エネルギーに対する昨今の社会的要請とも合致している。さらに、光機能をもつ有機物を破壊しない温度で溶融することが可能ならば、光機能性有機物含有（非線形）光学材料のホストとして光スイッチなどの光情報通信デバイスなどへの応用が期待される。このように、一般的な溶融ガラスの特徴である耐熱性や気密性能を有し、かつ高分子材料のように種々の特性を得やすい材料は多くの分野で要望され、特に低融点ガラスにその期待が集まっている。さらに、有機無機ハイブリッドガラスも低融点ガラスの一つとして着目されている。

低融点ガラスでは、例えば、Ｓｎ−Ｐｂ−Ｐ−Ｆ−Ｏ系ガラス（例えば、非特許文献１参照）に代表されるTickガラスが有名であり、１００℃前後にガラス転移点を持ち、しかも優れた耐水性を示すので、一部の市場では使われてきている。しかしながら、この低融点ガラスはその主要構成成分に鉛を含むので、昨今の環境保護の流れから代替材料に置き換える必要性がでてきている。さらには、Tickガラスに対する要求特性も大きく変化していると同時に、その要望も多様化している。

一般的なガラスの製造方法としては、溶融法と低温合成法が知られている。溶融法はガラス原料を直接加熱することにより溶融してガラス化させる方法で、多くのガラスがこの方法で製造されており、低融点ガラスもこの方法で製造されている。しかし、低融点ガラスの場合、融点を下げるために、鉛やアルカリ、ビスマスなどの含有を必要とするなど、構成できるガラス組成には多くの制限がある。

一方、非晶質バルクの低温合成法としては、ゾルゲル法、液相反応法及び無水酸塩基反応法が考えられている。ゾルゲル法は金属アルコキシドなどを加水分解−重縮合し、５００℃を超える温度（例えば、非特許文献２参照）、通常は７００〜１６００℃で熱処理することにより、バルク体を得ることができる。しかし、ゾルゲル法で作製したバルク体を実用材料としてみた場合、原料溶液の調製時に導入するアルコールなど有機物の分解・燃焼、又は有機物の分解ガス若しくは水の加熱過程における蒸発放出などのために多孔質となることが多く、耐熱性や気密性能には問題があった。このように、ゾルゲル法によるバルク製造ではまだ多くの問題が残っており、特に低融点ガラスをゾルゲル法で生産することはなされていない。

さらに、液相反応法は収率が低いために生産性が低いという問題の他、反応系にフッ酸などを用いることや薄膜合成が限度とされていることなどから、現実的にバルク体を合成する手法としては不可能に近い状態にある。

無水酸塩基反応法は、近年開発された手法であり、低融点ガラスの一つである有機無機ハイブリッドガラスの製作も可能（例えば、非特許文献３参照）であるが、まだ開発途上であり、すべての低融点ガラスが製作できているわけではない。

したがって、多くの低融点ガラスの製造は、低温合成法ではなく、溶融法により行われてきた。このため、ガラス原料を溶融する都合上からそのガラス組成は制限され、生産できる低融点ガラスとなると、その種類は極めて限定されていた。

なお、現時点では耐熱性や気密性能から、低融点ガラスが材料として有力であり、低融点ガラスに代表される形で要求物性が出されることが多い。しかし、その材料は低融点ガラスにこだわるものではなく、要求物性が合致すれば、ガラス以外の低融点あるいは低軟化点物質で大きな問題はない。

これらのことから、本発明者らは以前に、おもにフェニル基を含むゾルゲル法で使われる原料を出発原料とて有機無機ハイブリッドガラス状物質を製造することにより、低融点ガラスよりも低軟化点で、鉛を含まず、化学的耐久性を有しながら、透明である物質を得る製造方法を提案した（例えば特許文献５参照）。

その他公知技術をみれば、ゾルゲル法による石英ガラス繊維の製造方法（例えば、特許文献１参照）が、ゾルゲル法による酸化チタン繊維の製造方法（例えば、特許文献２参照）が、さらにはゾルゲル法による半導体ドープマトリックスの製造方法（例えば、特許文献３参照）が知られている。また、溶融法によるＰ_２Ｏ_５−ＴｅＯ_２−ＺｎＦ_２系低融点ガラスが知られている（例えば、特許文献４参照）。
特開昭62-297236号公報 特開昭62-223323号公報 特開平1-183438号公報 特開平7-126035号公報 特願2004-104455号公報 P.A.Tick, Physics and Chemistry of Glasses, 14, 1140(1989). 神谷寛一、作花済夫、田代憲子、窯業協会誌，618−618，84(1976). 高橋雅英、新居田治樹、横尾俊信，New Glass, 8-14，17(2002).

多くの低軟化点材料、特に低融点ガラスの製造は、溶融法により行われてきた。このため、そのガラス組成には多くの制限があり、ガラス原料を溶融する都合上、生産できる低融点ガラスは極めて限られていた。

一方、低温合成法のゾルゲル法で製造した場合、緻密化のために５００℃以上の処理温度が必要となるが、その温度で処理すると低融点ガラスとはならないので、結果として耐熱性や気密性能の良好な低融点ガラスを得ることはできなかった。特に、電子材料分野では、厳しい耐熱性や気密性能および低吸水性と低融点化に対応する低融点ガラス又はガラス以外の低融点材料もこれまで見出されていなかった。

特開昭62-297236号公報、特開昭62-223323号公報及び特開平1-183438号公報で開示された方法は、高温溶融でのみ対応可能であった材料生産を低温でも可能としたという功績はあるが、低融点ガラスを製造することはできない。また、ゾルゲル処理後には、５００℃以上での処理も必要である。一方、特開平7-126035号公報の方法では、転移点が３百数十℃のガラスを作製できることが開示されている。しかし、それ以下の転移点をもつガラスを鉛やビスマスなどを始めとする低融点化材料なしで製作することは出来ないものである。

また、特願2004-104455号公報の方法では、鉛やビスマスなどを始めとする低融点化材料なしで優れた低融点特性、透明性を満たす有機無機ハイブリッドガラス状物質を得ることが出来るが、場合によっては吸水率が大きく、膨張率が大きくなることや屈折率が変化しやすい等の問題があり、用途によっては不向きであるという問題があった。

すなわち、これまでの製造方法では、厳しい耐熱性や気密性能および低吸水性と低融点特性、さらには透明性を同時に満たし、かつ軟化温度が３５０℃以下、特に１００℃以下で、飽和吸水率が１．０重量％以下、吸水による膨張率が０．１％以下、吸水による屈折率の変化が０．０００３０以下となるガラスまたはガラス状物質を得ることは出来なかった。

本発明は、有機無機ハイブリッドガラス状物質を製造する場合において、溶融性を有する原材料濃縮、溶融後に減圧加熱処理を行い、さらに３００℃以上で高温熱処理することを特徴とする有機無機ハイブリッドガラス状物質の製造方法である。

また、溶融性を有する原材料はフェニル基を含んでいる上記の有機無機ハイブリッドガラス状物質の製造方法である。

また、溶融性を有する原材料はＤユニットを含んでいる上記の有機無機ハイブリッドガラス状物質の製造方法である。

また、減圧加熱処理は２５０℃以上３００℃以下で行う上記の有機無機ハイブリッドガラス状物質の製造方法である。

また、高温熱処理は３００℃以上５５０℃以下で行う上記の有機無機ハイブリッドガラス状物質の製造方法である。

さらに、上記の方法で製造された有機無機ハイブリッドガラス状物質である。

さらにまた、飽和吸水率が０．１重量％以下である上記の有機無機ハイブリッドガラス状物質である。

さらにまた、吸水による膨張率が０．１％以下である上記の有機無機ハイブリッドガラス状物質である。

さらにまた、吸水による屈折率の変化が０．０００３０以下である上記の有機無機ハイブリッドガラス状物質である。

さらにまた、軟化温度が５０℃〜３５０℃であり、溶融性を有する上記の有機無機ハイブリッドガラス状物質である。

さらにまた、（Ｄ^１ユニット＋Ｔ^２ユニット）と（Ｄ^１ユニット＋Ｄ^２ユニット＋Ｔ^１ユニット＋Ｔ^２ユニット＋Ｔ^３ユニット）の比が０．１０以下である上記の有機無機ハイブリッドガラス状物質である。

さらにまた、１１００ｎｍでの光透過率を基準とした場合において、シラノール基の吸収による光透過の低下率が１０％以下である上記の有機無機ハイブリッドガラス状物質である。

さらにまた、ガラス状物質の一部又はすべてに不規則網目構造を有する上記の有機無機ハイブリッドガラス状物質である。

さらにまた、フェニル基を含有するこ上記の有機無機ハイブリッドガラス状物質である。

本発明により、これまで製作することが極めて難しいとされてきた飽和吸水率が極めて低く（０．１重量％以下）、吸水による寸法および屈折率変化が起こらず、気密性能を有し、耐熱性、化学的耐久性及び接着性が高く、低融点な有機無機ハイブリッドガラス状物質を生成することができた。

本発明は、有機無機ハイブリッドガラス状物質を製造する場合において、溶融性を有する原材料の濃縮、溶融後に減圧加熱処理を行い、さらに３００℃以上で高温熱処理する有機無機ハイブリッドガラス状物質の製造方法である。熱処理する前の原材料は溶融性を有することが必要である。ここで、溶融性とは文字通り溶融する特性、すなわち、加熱することにより粘性が大幅に下がり、いわゆる溶融状態となる特性を指す。この溶融性がなければ、軟化することも溶融することもできないからである。なお、原材料の溶融・減圧加熱後に行う高温熱処理は３００℃以上の温度で行うことが好ましい。溶融は原材料の均一化を、減圧加熱は原材料全体の構造変化をゆっくりと行うことを、その後の高温熱処理は特定結合の変化を主目的とする。高温熱処理温度を３００℃以上とした理由は、高温熱処理温度が３００℃以下なら多大な時間を要するので、生産性等の産業上のメリットは小さいからである。高温熱処理温度が３００℃以上４００℃以下なら、３０分間以上３時間以下熱処理することが好ましい。また、高温熱処理温度が４００℃以上５５０℃以下なら、３０分間以下熱処理することが好ましい。

また、溶融性を有する原材料はフェニル基を含んでいることが好ましい。有機無機ハイブリッドガラス状物質の構造中に有機官能基Ｒを持つ金属ユニット、例えば（Ｒ_ｎＳｉＯ_{（４−ｎ）/２}）（ｎ＝１、２、３から選択）で表されるケイ素ユニットを混入させることが重要である。このケイ素ユニットはフェニル基の金属ユニット(Ｐｈ_ｎＳｉＯ_{（４−ｎ）/２})、メチル基の金属ユニット(Ｍｅ_ｎＳｉＯ_{（４−ｎ）/２})、エチル基の金属ユニット(Ｅｔ_ｎＳｉＯ_{（４−ｎ）/２})、ブチル基の金属ユニット(Ｂｔ_ｎＳｉＯ_{（４−ｎ）/２})(ｎ＝１〜３)等が代表的であるが、フェニル基の金属ユニットが最も有効であるからである。

また、溶融性を有する原材料はＤユニットを含んでいることが好ましい。Ｄユニットとはケイ素原子の４本の結合手のうち有機置換基との結合を除いた２本すべて又は１本が酸素原子を介してケイ素原子と結合したものであり、モル比で全ケイ素ユニット中の１５％以上５０％以下含有することが望ましい。１５％以下では溶融時の粘度が高すぎ、５０％以上では室温での強度が不十分となるためである。より望ましくは２０％以上４５％以下の含有量である。

また、高温熱処理は３００℃以上５５０℃以下で行うことが好ましい。３００℃未満での熱処理は極めて多大な時間を要するので、産業上のメリットがほとんど認められない一方、５５０℃を越えると反応が早く進みすぎ、その制御が難しくなり、かつ着色の問題が発生することがあるからである。より好ましくは４００℃以上５２５℃以下であり、さらに好ましくは４５０℃以上５００℃以下である。また、熱処理は有機官能基が分解しない程度の時間で行う必要があるので、例えば４００℃以上５５０℃以下で熱処理を行う場合は、熱処理時間が３０分以内であることが好ましい。３０分を越えた熱処理を行うと、有機官能基が分解することがあり、良好なガラス状物質を得られないためである。さらに好ましくは２０分以内、より好ましくは１０分以内である。また、例えば３００℃以上４００℃以下で熱処理を行う場合は、熱処理時間が３時間以内であることが好ましい。これらの条件は、飽和吸水率や光透過率の要求仕様によっても、有機官能基の種類によっても、さらには着色が許容される条件によっても異なるが、概ね上述の条件となることが多い。

また、本発明で製造された有機無機ハイブリッドガラス状物質は飽和吸水率が０．１重量％以下の有機無機ハイブリッドガラス状物質である。飽和吸水率が０．１重量％以上の場合、吸水し膨潤した結果寸法変化を引き起こす。この寸法変化によりレンズ等の光学部品への応用が阻害されるため、飽和吸水率が０．１重量％以下であることが好ましい。

また、本発明で製造された有機無機ハイブリッドガラス状物質は、吸水による膨張率が０．１％以下の有機無機ハイブリッドガラス状物質である。吸水による膨張率が０．１％以上の場合、光学用レンズではレンズ収差の変化、画像のひずみ、焦点ずれなどが起こる。吸水による膨張率が０．１％以下であることが好ましい。

また、本発明で製造された有機無機ハイブリッドガラス状物質は、吸水による屈折率の変化が０．０００３０以下の有機無機ハイブリッドガラス状物質である。吸水による屈折率の変化が０．０００３０以上の場合、光学用レンズではレンズ収差の変化、画像のひずみ、焦点ずれなどが起こる。吸水による屈折率の変化が０．０００３０以下であることが好ましい。

シラノール基は水との親和性が高いため、シラノール基が有機無機ハイブリッドガラス中に存在すると吸水率が増大する原因となる。なお、本発明の方法ではシラノール基の反応収率、すなわちシラノール基からシロキサン結合への反応に関する収率が極めて高いという特徴がある。従来のゾルゲル法で有機無機ハイブリッドガラス（低融点ガラス）を製作するときの反応収率は、例えば２００℃で１０００時間といった長時間の熟成の結果９５％程度であり、９５％を越える方法はこれまで知られていなかったが、本発明の方法では反応収率を短時間で１００％に近い値とすることができる。

それゆえシラノール基の吸収が小さく特に、１ｍｍ厚換算で８００〜２１００ｎｍにおける平均透過率が７５％以上である有機無機ハイブリッドガラス状物質であることが好ましい。すなわち、従来の有機無機ハイブリッドガラスと比べて赤外領域、特に８００〜２１００ｎｍの波長域における平均透過率が極めて高いという特徴をもっている。従来の有機無機ハイブリッドガラスは一般的に有機物をガラス中に含むので、赤外線領域では有機基やＯＨ基等による光吸収からその光透過率は決して高くなかったが、本発明では１ｍｍ換算で７５％以上の光透過率を得ることができる。

また、（Ｄ^１ユニット＋Ｔ^２ユニット）と（Ｄ^１ユニット＋Ｄ^２ユニット＋Ｔ^１ユニット＋Ｔ^２ユニット＋Ｔ^３ユニット）の比が０．１０以下であることが好ましい。（Ｄ^１ユニット＋Ｔ^２ユニット）と（Ｄ^１ユニット＋Ｄ^２ユニット＋Ｔ^１ユニット＋Ｔ^２ユニット＋Ｔ^３ユニット）の比が０．１０を越えると、飽和吸水率および赤外線領域での光吸収量が増加する。

ここで、Ｔ^２ユニットとはケイ素原子の４本の結合手の中で有機置換基との結合を除いた３本のうち２本が酸素原子を介してケイ素原子と結合した状態を指す。また、Ｔ^３ユニットとはケイ素原子の４本の結合手のうち有機置換基との結合を除いた３本がすべて酸素原子を介してケイ素原子と結合した状態、Ｔ^１ユニットとはケイ素原子の４本の結合手の中で有機置換基との結合を除いた３本のうち１本が酸素原子を介してケイ素原子と結合を意味している。Ｄユニットとはケイ素原子の４本の結合手のうち有機置換基との結合を除いた２本がすべて酸素原子を介してケイ素原子と結合したＤ^２ユニット、または１本が酸素原子を介してケイ素原子と結合し残りの１本がエトキシ基あるいはヒドロキシル基と結合したＤ^１ユニットから成る。なお、Ｔ^２ユニットのうち、ケイ素原子の４本の結合手の中で有機置換基との結合を除いた３本のうち２本が酸素原子を介してケイ素原子と結合し残りの１本がエトキシ基である状態をＴ^２（−ＯＥｔ）とする。また、Ｔ^２ユニットのうち、ケイ素原子の４本の結合手の中で有機置換基との結合を除いた３本のうち２本が酸素原子を介してケイ素原子と結合し残りの１本がヒドロキシル基である状態をＴ^２（−ＯＨ）とする。これらは、例えば、^２９Ｓｉ ＮＭＲ分光法により、その存在や含有量を確認することができる。Ｔ^２ユニットおよびＤ^１ユニットの含有量を制御することにより、シラノール基の残留量を制御し飽和吸水率を低下させることに寄与する。また、赤外領域での光吸収を制限し、結果として赤外線領域での光透過率を上げることに寄与する。

いわゆるＴユニットはフェニルトリエトキシシラン、メチルトリエトキシシラン及びエチルトリエトキシシランから、いわゆるＤユニットはジエトキシジフェニルシラン、ジエトキシジメチルシラン、ジエトキシジエチルシラン及びジエトキシメチルフェニルシランから選ばれることが好ましい。

また、軟化温度が５０℃〜３５０℃であり、かつ溶融性を有する有機無機ハイブリッドガラス状物質であることが好ましい。軟化温度が５０℃未満ではその化学的安定性に問題があり、３５０℃を越えると作業性に問題がでてくる。軟化温度はその処理により変化する傾向にあるが、最終的な軟化温度は１００〜３００℃、さらには１２０〜２８０℃であることがより好ましい。同時に、溶融性を有することが必要である。この溶融性がないと接着性に問題が発生する場合が多いからである。なお、有機無機ハイブリッドガラス状物質の軟化温度は、１０℃/minで昇温したＴＭＡ測定から判断した。すなわち、上記条件で収縮量を測定し、収縮量の変化開始温度を軟化温度とした。

また、飽和吸水率が０．１重量％以下であることが好ましい。飽和吸水率が０．１重量％以上の場合、吸水し膨潤した結果寸法変化を引き起こす。この寸法変化によりレンズ等の光学部品への応用が阻害されるため、飽和吸水率が０．１重量％以下であることが好ましい。

また、吸水による膨張率が０．１％以下であることが好ましい。吸水による膨張率が０．１％以上の場合、光学用レンズではレンズ収差の変化、画像のひずみ、焦点ずれなどが起こる。

また、吸水による屈折率の変化が０．０００３０以下であることが好ましい。吸水による屈折率の変化が０．０００３０以上の場合、光学用レンズではレンズ収差の変化、画像のひずみ、焦点ずれなどが起こる。

また、１１００ｎｍでの光透過率を基準とした場合におけるシラノール基の吸収による光透過の低下率が１０％以下であることが好ましい。光透過率のシラノール基の吸収による低下率が１０％を越えると、吸水率が０．１重量％を超えるとともに例えば光通信等での選択因子が減少するので、その利用価値が小さくなる。ここで、１１００ｎｍの波長を基準としたのは、この領域では光吸収を行う物質が少ないので、光透過率が比較的安定しているからである。

なお、原材料を製造する方法としては、以下のようにして製造されることが好ましい。すなわち、出発原料は金属アルコキシドであり、その原料とする金属アルコキシドと水、酸触媒及びアルコールによる混合工程の後、濃縮工程、溶融工程、減圧加熱工程及び高温熱処理工程を経て製造される原材料が好ましい。この方法によれば、その安定性も高く、良好な品質を保ちながら低コストで製造することもできる。ここで、重要なのは溶融性であり、溶融性を有しない従来のゾルゲル法では製造できないことである。

濃縮工程の上限温度は沸点が１００℃を越すアルコール、例えば１１８℃の１−ブタノールを用いる場合では１００℃以下であるが、沸点が１００℃以下のアルコールでは沸点も考慮する方が望ましい。例えば、エタノールを用いる場合は、その沸点の８０℃以下とした方が良い結果となる傾向にある。これは、沸点を越えると、アルコールが急激に蒸発するので、アルコール量や状態変化から均一反応が達成されにくくなるためであると考えられる。

溶融工程は３０℃〜４００℃の温度で行われることが好ましい。３０℃よりも低い温度では、実質上溶融できない。また、４００℃を超えると、網目を形成する金属元素と結合する有機基が燃焼するために所望の有機無機ハイブリッドガラス状物質を得られないばかりか、破砕したり、気泡を生じて不透明になったりする。望ましくは、１００℃以上３００℃以下である。

減圧加熱工程では２５０℃以上３００℃以下の温度でかつ０．１Ｔｏｒｒ以下の圧力下で処理されるのが好ましい。２５０℃よりも低い温度では、十分に反応を促進できない。３００℃を超えると、熱分解することがあり、安定したガラス状物質を得ることは難しくなる。このときの圧力が０．１Ｔｏｒｒを越えると、泡残りの問題が発生する。さらに、減圧加熱に要する時間は５分以上必要である。減圧加熱時間は、その処理量、処理温度及び反応活性な水酸基(−ＯＨ)の許容残留量により異なるが、一般的には５分未満では満足できるレベルに到達することは極めて難しい。また、長時間では生産性が下がってくるので、望ましくは１０分以上１週間以内である。

上記の溶融工程及び減圧加熱工程を経ることにより、安定化した有機無機ハイブリッドガラス状物質を得ることができる。従来のゾルゲル法では、前記の溶融工程も減圧加熱工程もないので、本発明の有機無機ハイブリッドガラス状物質を得ることはできない。

なお、加熱による溶融工程および減圧加熱工程において、不活性雰囲気下で行ったり、マイクロ波加熱も有効である。

また、従来のゾルゲル法では触媒として塩酸や硝酸が多く用いられていた。これは、他の触媒ではゲル化時間が長くなるためであったが、本発明の混合工程では硝酸や他の酸は好ましくはなく、塩酸又は酢酸を用いることが好ましい。より好ましいのは、酢酸である。なお、トリフロロ酢酸も有用である。

原料とする金属アルコキシドは有機置換基で置換されたアルコキシシランであり、有機置換基としてフェニル基、メチル基、エチル基、プロピル基（ｎ−、ｉ−）、ブチル基（ｎ−、ｉ−、ｔ−）、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、ドデシル基、オクタデシル基、メルカプトメチル基、メルカプトプロピル基、３，３，３-トリフルオロプロピル基、３-トリフルオロアセトキシプロピル基、ビニル基、ベンジル基、スチリル基等から、アルコキシル基としてメトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基（ｎ−、ｉ−）等から成る金属アルコキシドから選ばれることが好ましい。これらは、有機無機ハイブリッドガラス状物質、特に室温以下の低軟化となる透明状物質を製造する上で極めて有用な原料である。なお、上記以外の金属アルコキシドでも良い。また、金属アセチルアセトナート、金属カルボン酸塩、金属硝酸塩、金属水酸化物、及び金属ハロゲン化物等、ゾルゲル法で使われているものであれば製造は可能である。

アルコールとしては、メタノール、エタノール、１−プロパノ-ル、２−プロパノール、１−ブタノール、２−メチル−１−プロパノ-ル、２−ブタノール、１.１−ジメチル−１−エタノール等が代表的であるが、これらに限定される訳ではない。

なお、混合工程ではアンモニアを用いることも有効である。このとき、用いるアンモニアはモル比で塩酸又は酢酸の１〜２０倍であることが好ましい。アンモニア、塩酸及び酢酸はいずれも触媒で、アンモニアと酢酸、又はアンモニアと塩酸の組み合わせとなり、アンモニアだけでは良好な結果を示さない。混合工程で用いるアンモニアがモル比で塩酸若しくは酢酸の１倍未満では、アルコキシドが完全に加水分解されずにガラス中にＴ^２（−ＯＥｔ）が多く残り化学的安定性が劣るという問題が発生する。一方、混合工程で用いるアンモニアがモル比で塩酸若しくは酢酸の２０倍を越えると、加水分解-重縮合反応が急激に進行し均一な反応が達成されないという問題が発生する。より好ましくは、２〜１０倍の範囲である。

さらに、この場合、溶融工程後に粉砕・洗浄工程を経てアンモニウム塩を除去することが好ましい。アンモニウム塩があると、安定した有機無機ハイブリッドガラス状物質とならないことがあるからである。

また、上記の方法で製造された有機無機ハイブリッドガラス状物質は当然ながら全て対象となるが、その一部又はすべてに不規則網目構造をもつ有機無機ハイブリッドガラス状物質である。

以下、実施例に基づき、述べる。

出発原料には金属アルコキシドのフェニルトリエトキシシラン（PhSi(OEt)_３）とジエトキシジフェニルシラン（Ph₂Si(OEt)₂）を用いた。混合工程として室温で１０ｍｌのフェニルトリエトキシシラン、４５ｍｌの水、２０ｍｌのエタノールに触媒である酢酸を加え、加熱反応工程として６０℃で１時間撹拌後、３ｍｌのジエトキシジフェニルシランを加えてさらに６０℃で２時間撹拌した。その後１５０℃で５時間かけて溶融し、２５０℃で１時間減圧加熱した後、室温まで冷却し透明状のいわゆる原材料を得た。さらに、この原材料を４００℃で５分間高温熱処理し、厚さが１．４５２ｍｍの透明状物質を得た。

ＪＩＳ Ｋ ７２０９に準拠してこの透明状物質の２３℃における飽和吸水率を測定したところ図１の実施例１に示す通りおよそ０．０４重量％であった。また、吸水試験前後のサンプルの厚さはいずれも１．４５２ｍｍであり、変化は見られなかった。さらに、吸水試験前後のサンプルの屈折率は波長６３２．８ｎｍでそれぞれ１．５８３１９、１．５８３３５であり変化量は０．０００３０以下であった。

日立Ｕ３５００形自記分光光度計により、８００〜２１００ｎｍにおけるこの透明状物質の光透過率を測定した結果を図２の実施例１に示す。この領域において光吸収が大幅に減少していた。特に、シラノール基の吸収（約１４１０ｎｍ）による光透過率の低下は５％以下と非常に小さいため光透過性は大幅に増加し、８００〜２１００ｎｍにおける光透過率の平均値は約８６％であった。

この透明状物質の軟化温度は１２４℃であり、フェニル基の分解温度の約５００℃よりも低い温度であった。

また、４００℃熱処理後の透明状物質の結合状態をＪＥＯＬ社の磁気共鳴測定装置CMX-400型により測定した結果を図３の実施例１に示す。図中でＴ^２、Ｔ^３、Ｄ^２と示したところが各ユニットのケミカルシフトに対応しており、Ｔ^２ユニットと（Ｄ^２ユニット＋Ｔ^２ユニット＋Ｔ^３ユニット）の比は４００℃の熱処理後で０．０１であり、その値が極めて小さいことが分かる。また、不規則網目構造を確認できたことも考慮すると、今回得た透明状物質は有機無機ハイブリッドガラス構造をとる物質、すなわち有機無機ハイブリッドガラス状物質である。なお、有機無機ハイブリッドガラス状物質の軟化温度は、１０℃/minで昇温したＴＭＡ測定から判断した。すなわち、上記条件で収縮量変化から軟化挙動を求め、その開始温度を軟化温度とした。

実施例１とほぼ同様の原料及び同様の工程としたが、３００℃で２時間高温熱処理を行い、厚さが１．５２５ｍｍの透明状の物質を得た。

実施例１と同様にこの透明状物質の２３℃における飽和吸水率を測定したところおよそ０．０４重量％であった。また、吸水試験前後のサンプルの厚さはいずれも１．５２５ｍｍであり、変化は見られなかった。さらに、吸水試験前後のサンプルの屈折率は波長６３２．８ｎｍでそれぞれ１．５８３１９、１．５８３３５であり変化量は０．０００３０以下であった。

実施例１と同様に８００〜２１００ｎｍにおける光透過率を測定した結果、シラノール基の吸収（約１４１０ｎｍ）による光透過率の低下はおよそ６％と非常に小さいため光透過性は増加し、８００〜２１００ｎｍにおける光透過率の平均値は約７５％であった。

この透明状物質の軟化温度は１５０℃であり、フェニル基の分解温度の約５００℃よりも低い温度であった。

また、３００℃高温熱処理後の透明状物質の結合状態を実施例１と同様に測定した結果、Ｔ^２ユニットと（Ｄ^２ユニット＋Ｔ^２ユニット＋Ｔ^３ユニット）の比は３００℃の熱処理後で０．０５であり、その値が極めて小さいことが分かる。また、不規則網目構造を確認できたことも考慮すると、今回得た透明状物質は有機無機ハイブリッドガラス構造をとる物質、すなわち有機無機ハイブリッドガラス状物質である。

（比較例１）
実施例１とほぼ同様の原料及び同様の工程としたが、減圧加熱および最後の高温熱処理を行わないで透明状の物質を得た。この物質は室温で１ｇ重以上の荷重により変形するため、厚さを正確に測定できなかった。この透明状物質の２３℃における吸水率を実施例１と同様に測定したところ図１の比較例１に示すとおり１９２時間後も飽和せず１．９重量％を超えた。また、吸水試験前後のサンプルの屈折率は波長６３２．８ｎｍでそれぞれ１．５７９９４、１．５７８２３であり、変化量が０．０００３０を超えた。実施例１と同様に光透過率を測定したところ、図２の比較例１に示すとおり８００〜２１００ｎｍにおける光透過率の平均値は約７３％であり、シラノール基吸収（約１４１０ｎｍ）による光透過率の低下は３０％であった。この透明状の物質の軟化温度は４７℃であった。また、この透明状物質の結合状態を実施例１と同様に^２９Ｓｉ ＮＭＲ分光法により測定した結果、図３の比較例１に示すとおり、（Ｄ^１ユニット＋Ｔ^２ユニット）と（Ｄ^１ユニット＋Ｄ^２ユニット＋Ｔ^２ユニット＋Ｔ^３ユニット）の比は０．６３であった。

（比較例２）
１ｃｍ角で厚さが１．０７３ｍｍのアクリル樹脂板を用いて実施例１と同様に飽和吸水率測定を行ったところ、図１に示すようにおよそ１．６重量％であった。また、吸水試験前後のサンプルの厚さはそれぞれ１．０７３、１．０７７ｍｍであり、吸水により０．４％増大した。さらに、吸水試験前後のサンプルの屈折率は波長６３２．８ｎｍでそれぞれ１．４８９６８、１．４９０５３であり、変化量が０．０００３０を超えた。

（比較例３）
１ｃｍ角で厚さが１．００４ｍｍのポリカーボネート樹脂板を用いて実施例１と同様に飽和吸水率測定を行ったところ、図１に示すようにおよそ０．３重量％であった。また、吸水試験前後のサンプルの厚さはそれぞれ１．００４、１．００７ｍｍであり、吸水により０．３％増大した。さらに、吸水試験前後のサンプルの屈折率は波長６３２．８ｎｍでそれぞれ１．５８１９５、１．５８２２６であり、変化量が０．０００３０を超えた。

（比較例４）
１ｃｍ角で厚さが０．８００ｍｍのエポキシ樹脂板を用いて実施例１と同様に吸水率測定を行ったところ、図１に示すように１９２時間後も飽和せず１．３重量％を超えた。また、吸水試験前後のサンプルの厚さはそれぞれ０．８００、０．８０６ｍｍであり、吸水により０．８％増大した。さらに、吸水試験前後のサンプルの屈折率は波長６３２．８ｎｍでそれぞれ１．５１４９９、１．５１６８２であり、変化量が０．０００３０を超えた。

ＰＤＰを始めとするディスプレイ部品の封着・被覆用材料、光スイッチや光結合器を始めとする光情報通信デバイス材料、ＬＥＤチップを始めとする光学機器材料、光機能性（非線形）光学材料、接着材料等、低融点ガラスが使われている分野、エポキシ等の有機材料が使われている分野に利用可能である。さらには、水に接触するあるいは高湿度雰囲気下での長時間使用に耐え吸水による寸法変化を起こさないガラスやセラミックスの代用品としても使用することができる。

本発明の実施例１及び比較例１から４で示した吸水率曲線である。 本発明の実施例１及び比較例１で示した波長８００〜２１００ｎｍにおける光透過率曲線である。 本発明の実施例１及び比較例１で示した^２９Ｓｉ ＮＭＲスペクトル図である。

Claims (14)

1. 有機無機ハイブリッドガラス状物質を製造する場合において、溶融性を有する原材料の濃縮、溶融後に減圧加熱処理を行い、さらに３００℃以上で高温熱処理することを特徴とする有機無機ハイブリッドガラス状物質の製造方法。
2. 溶融性を有する原材料はフェニル基を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の有機無機ハイブリッドガラス状物質の製造方法。
3. 溶融性を有する原材料はＤユニットを含んでいることを特徴とする請求項２に記載の有機無機ハイブリッドガラス状物質の製造方法。Ｄユニットとはケイ素原子の４本の結合手のうち有機置換基との結合を除いた２本すべて又は１本が酸素原子を介してケイ素原子と結合したものを示す。
4. 減圧加熱処理は２５０℃以上３００℃以下で行うことを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の有機無機ハイブリッドガラス状物質の製造方法。
5. 高温熱処理は３００℃以上５５０℃以下で行うことを特徴とする請求項１又は請求項４に記載の有機無機ハイブリッドガラス状物質の製造方法。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の方法で製造された有機無機ハイブリッドガラス状物質。
7. 飽和吸水率が０．１重量％以下であることを特徴とする請求項６に記載の有機無機ハイブリッドガラス状物質。
8. 吸水による膨張率が０．１％以下であることを特徴とする請求項６に記載の有機無機ハイブリッドガラス状物質。
9. 吸水による屈折率の変化が０．０００３０以下であることを特徴とする請求項６に記載の有機無機ハイブリッドガラス状物質。
10. 軟化温度が５０℃〜３５０℃であり、溶融性を有することを特徴とする請求項６又は請求項９に記載の有機無機ハイブリッドガラス状物質。
11. （Ｄ^１ユニット＋Ｔ^２ユニット）と（Ｄ^１ユニット＋Ｄ^２ユニット＋Ｔ^１ユニット＋Ｔ^２ユニット＋Ｔ^３ユニット）の比が０．１０以下であることを特徴とする請求項６乃至１０のいずれかに記載の有機無機ハイブリッドガラス状物質。
    ここで、Ｔ^２ユニットとはケイ素原子の４本の結合手の中で有機置換基との結合を除いた３本のうちの２本が酸素原子を介してケイ素原子と結合した状態のものを、Ｔ^３ユニットとはケイ素原子の４本の結合手のうち有機置換基との結合を除いた３本すべてが、Ｔ^１ユニットとはケイ素原子の４本の結合手の中で有機置換基との結合を除いた３本のうち１本が酸素原子を介してケイ素原子と結合したものを示す。Ｄ^１ユニットとはケイ素原子の４本の結合手のうち有機置換基との結合を除いた１本が酸素原子を介してケイ素原子と結合したものを示す。Ｄ^２ユニットとはケイ素原子の４本の結合手のうち有機置換基との結合を除いた２本すべてが酸素原子を介してケイ素原子と結合したものを示す。
12. １１００ｎｍでの光透過率を基準とした場合において、シラノール基の吸収による光透過の低下率が１０％以下であることを特徴とする請求項６乃至１１のいずれかに有機無機ハイブリッドガラス状物質。
13. ガラス状物質の一部又はすべてに不規則網目構造を有することを特徴とする請求項６乃至１２のいずれかに記載の有機無機ハイブリッドガラス状物質。
14. フェニル基を含有することを特徴とする請求項６乃至１３のいずれかに記載の有機無機ハイブリッドガラス状物質。

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