JP2008031297A - 水系汚染防止用組成物および塗装物 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】金属酸化物(A)と、水及び乳化剤の存在下に加水分解性金属化合物(b1)及び2級及び/又は3級アミド基を有するビニル単量体(b2)を重合して得られる重合体エマルジョン粒子(B2)を含んでなることを特徴とする水系汚染防止用組成物およびその塗装物。
【選択図】なし
Description
そこで、上記問題に対し、特許文献1では、光触媒粒子を含有する表層部を備え、降雨により自己清浄化 (セルフクリーニング)される表面を有する屋外表示板、及びその清浄化方法が提案されている。光触媒を含有する表面層を備えることにより、光触媒の光励起に応じて、表層部の表面は親水性を呈するので、屋外表示板の表面が降雨にさらされた時に付着堆積物及び/又は汚染物が雨滴により洗い流されることが可能となる。しかしながら、この方法は、表層部中の光触媒の有機物分解作用によって、基材が劣化し、屋外表示板の外観を悪くするという大きな問題があった。そこで、上述した光触媒による劣化を防止する目的で、光触媒含有表層部との間に保護層を介在させる方法も提案されているが、この方法では、塗装工程が増えるため作業性が悪いという欠点があった。また、光触媒を基材へ十分に固定するためのバインダーとして溶剤系のシリコーンバインダーが用いられている。しかし、基材が樹脂の場合には耐溶剤性や耐熱性の問題から、シリコーンバインダーを用いると光学特性の低下や固定化が十分に行えないという問題があった。
上記問題に対し特許文献2では、シリコーン樹脂をエマルジョン化して水系化する方法が提案されている。しかし、基材への十分な固定化には150℃程度の焼付け温度が必要であり、樹脂基材には適していない。
一方、塗膜表面の親水性を付与する方法として親水性のコロイダルシリカと水系のバインダーを併用する方法が特許文献3、特許文献4、特許文献5にそれぞれ提案されている。しかし、いずれも塗液の安定性、塗膜の耐水性や透明性が不十分になるという問題があった。
1)金属酸化物(A)と水系バインダー(B1)を含むことを特徴とする水系汚染防止用組成物。
2)該金属酸化物(A)が光触媒活性を有する金属酸化物から選ばれる少なくとも1種の金属酸化物と二酸化珪素であることを特徴とする上記1記載の水系汚染防止用組成物。
3)該水系バインダー(B1)が、アミド基及び/または水酸基を有する数平均粒子径10〜800nmの重合体エマルジョン粒子(B2)を含有することを特徴とする上記1又は2記載の水系汚染防止用組成物。
4)該重合体エマルジョン粒子(B2)が、水及び乳化剤の存在下に加水分解性金属化合物(b1)及び2級及び/又は3級アミド基を有するビニル単量体(b2)を重合して得られることを特徴とする上記1〜3のいずれか一項に記載の水系汚染防止用組成物。
5)該重合体エマルジョン粒子(B2)が、コア/シェル構造であることを特徴とする上記1〜3のいずれか一項に記載の水系汚染防止用組成物。
6)該金属酸化物(A)の数平均粒子径が1〜400nmであることを特徴とする上記1〜5のいずれか一項に記載の水系汚染防止用組成物。
7)基材の片面に上記1〜6のいずれか一項に記載の水系汚染防止用組成物形成した汚染防止層を有することを特徴とする塗装物。
8)該塗装物表面の23℃の接触角が60度以下であることを特徴とする上記7に記載の塗装物。
9)該基材がアクリル樹脂、メタクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂からなる群の中から選ばれる樹脂であることを特徴とする上記7又は8記載の塗装物。
10)該塗装物が屋外表示用途であることを特徴とする上記7〜9のいずれか一項に記載の塗装物。
11)上記1〜6のいずれか一項に記載の水系汚染防止用組成物により形成した汚染防止層を有することを特徴とするマーキングフィルム。
12)上記1〜6のいずれか一項に記載の水系汚染防止用組成物により形成した汚染防止層を有することを特徴とする看板。
13)上記1〜6のいずれか一項に記載の水系汚染防止用組成物により形成した汚染防止層を有することを特徴とする遮音壁。
本発明に使用する上記金属酸化物(A)としては、例えば、コロイダルシリカ、乾式シリカ、湿式シリカなどの二酸化珪素(シリカ)、酸化アルミニウム、酸化アンチモン、酸化チタン、酸化インジウム、酸化スズ、酸化ジルコニウム、酸化鉛、酸化鉄、珪酸カルシウム、酸化マグネシウム、酸化ニオブ、酸化セリウム及びそれらの複合酸化物等を例示することができる。それらの中でも、表面水酸基の多い二酸化珪素(シリカ)、酸化アルミニウム(アルミナ)、酸化アンチモン及びそれらの複合酸化物等が好ましい。
また、本発明において、上記金属酸化物(A)として光触媒(a1)を選択すると、光照射により光触媒活性及び/又は親水性を発現するために好ましい。
ここで、光触媒(a1)とは、光照射によって酸化、還元反応を起こす物質のことを言う。すなわち伝導帯と価電子帯との間のエネルギーギャップよりも大きなエネルギー(すなわち短い波長)の光(励起光)を照射したときに、価電子帯中の電子の励起(光励起)が生じて、伝導電子と正孔を生成しうる物質であり、このとき、伝導帯に生成した電子の還元力および/または価電子帯に生成した正孔の酸化力を利用して、種々の化学反応を行うことができる。
さらに、本発明において親水性とは、好ましくは23℃での水の接触角が60゜以下である場合を言うが、特に水の接触角が35゜以下の親水性を有する表面は、降雨等の水による自己浄化能(セルフクリーニング)による耐汚染性を発現するので好ましい。さらに優れた耐汚染性発現の点からは表面の水の接触角は10゜以下であることが好ましく、更に好ましくは5゜以下である。
本発明の金属酸化物(A)として有用に使用できる光触媒(a1)としては、バンドギャップエネルギーが1.2〜5.0eV、好ましくは1.5〜4.1eVの半導体化合物を挙げることができる。バンドギャップエネルギーが1.2eVより小さいと光照射による酸化、還元反応を起こす能力が弱く好ましくない。バンドギャップエネルギーが5.0eVより大きいと、正孔と電子を生成させるのに必要な光のエネルギーが大きくなるため好ましくない。
これらの光触媒(a1)の中でTiO2(酸化チタン)は無害であり、化学的安定性にも優れるため好ましい。酸化チタンとしては、アナターゼ、ルチル、ブルッカイトのいずれも使用できる。
また、本発明の金属酸化物(A)に使用する光触媒(a1)として、可視光(例えば約400〜800nmの波長)の照射により光触媒活性及び/又は親水性を発現することが出来る可視光応答型光触媒を選択すると、本発明の光触媒組成物で処理された光触媒部材は、室内等の紫外線が十分に照射されない場所等における環境浄化効果や防汚効果が非常に大きなものとなるため好ましい。これらの可視光応答型光触媒のバンドギャップエネルギーは、好ましくは1.2〜3.1eV、より好ましくは1.5〜2.9eV、更に好ましくは1.5〜2.8eVである。
本発明において特に好適に使用できるオキシナイトライド化合物は、遷移金属を含むオキシナイトライドであり、光触媒活性が大きいものとして、好ましくは遷移金属がTa、Nb、Ti、Zr、Wからなる群から選択される少なくとも1つであることを特徴とするオキシナイトライドであり、より好ましくは、アルカリ、アルカリ土類及びIIIB族の金属からなる群から選択される少なくとも1つの元素を更に含むことを特徴とするオキシナイトライドであり、更に好ましくはCa、Sr、Ba、Rb、La、Ndからなる群から選ばれる少なくとも1つの金属元素を更に含むことを特徴とするオキシナイトライドである。
上記遷移金属を含むオキシナイトライドの例としては、LaTiO2N、LavCawTiO2N(v+w=3)、LavCawTaO2N(v+w=3)、LaTaON2、CaTaO2N、SrTaO2N、BaTaO2N、CaNbO2N、CaWO2N、SrWO2N等の一般式AMOxNy(A=アルカリ金属、アルカリ土類金属、IIIB族金属;M=Ta、Nb、Ti、Zr、W;x+y=3)で表される化合物やTaON、NbON、WON、Li2LaTa2O6N等を挙げることができる。これらの中で、LaTiO2N、LavCawTiO2N(v+w=3)、LavCawTaO2N(v+w=3)、TaONが可視光での光触媒活性が非常に大きいため好ましい。
上記遷移金属を含むオキシサルファイドの例としては、Sm2Ti2S2O5、Nd2Ti2S2O5、La6Ti2S8O5、Pr2Ti2S2O5、Sm3NbS3O4等を挙げることができる。これらの中で、Sm2Ti2S2O5、Nd2Ti2S2O5が可視光での光触媒活性が非常に大きいため非常に好ましい。
更に、上述した光触媒(a1)は、好適にPt、Rh、Ru、Nb、Cu、Sn、Ni、Feなどの金属及び/又はこれらの酸化物を添加あるいは固定化したり、シリカや多孔質リン酸カルシウム等で被覆したり(例えば特開平10−244166号公報参照)して使用することもできる。
本発明に用いる金属酸化物(A)の形態としては粉体、分散液、ゾルのいずれでも用いることが出来る。ここで、本発明に用いる金属酸化物(A)ゾルおよび金属酸化物(A)分散液とは、金属酸化物(A)がそれぞれ水及び/又は親水性有機溶媒中に0.01〜80質量%、好ましくは0.1〜50質量%で一次粒子及び/または二次粒子として分散されたものである。
ここで、上記金属酸化物(A)ゾルおよび金属酸化物(A)分散液に使用される上記親水性有機溶媒としては、例えばエチレングリコール、ブチルセロソルブ、n−プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノール、エタノール、メタノール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等のケトン類、テトラヒドロフラン、ジオキサン等のエーテル類、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド等のアミド類、ジメチルスルホキシド、ニトロベンゼン等、さらにはこれらの2種以上の混合物が挙げられる。
本発明に使用する水系バインダー(B1)としては、ポリビニルアルコール、カチオン変成ポリビニルアルコール、シラノール変性ポリビニルアルコールなどのポリビニルアルコール誘導体、ポリビニルピロリドン、ポリアクリルアミド類、デンプン及びデンプン誘導体、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース等のセルロース誘導体、カゼイン、ゼラチン、水性媒体中でのラジカル重合、アニオン重合、カチオン重合などによって得られる従来公知のポリ(メタ)アクリレート系、ポリビニルアセテート系、酢酸ビニル−アクリル系、エチレン酢酸ビニル系、シリコーン系、ポリブタジエン系、スチレンブタジエン系、NBR系、ポリ塩化ビニル系、塩素化ポリプロピレン系、ポリエチレン系、ポリスチレン系、塩化ビニリデン系、ポリスチレン−(メタ)アクリレート系、スチレン−無水マレイン酸系等の共重合体、シリコーン変性アクリル系、フッソ−アクリル系、アクリルシリコン、エポキシ−アクリル系等の変性共重合体の水分散体が挙げられる。
ここで、金属酸化物(A)とバインダー(B1)との相互作用としては、例えば二酸化珪素が有する水酸基とバインダー(B1)が有する水酸基、アミド基等との水素結合を例示することが出来る。従って、2級及び/又は3級アミド基や、加水分解性金属化合物(b1)を有する重合体エマルジョン粒子(B2)は、水素結合だけでなく、二酸化珪素が有する水酸基と加水分解性金属化合物(b1)の重合生成物との縮合(化学結合)により、上記効果が顕著となるため好ましく用いることが出来る。
本発明の水系汚染防止用組成物に用いる重合体エマルジョン粒子(B2)は、水及び乳化剤の存在下に加水分解性金属化合物(b1)と2級及び/又は3級アミド基を有するビニル単量体(b2)を重合することにより得ることができる。
この際、加水分解性金属化合物(b1)と2級及び/又は3級アミド基を有するビニル単量体(b2)の質量比[(b1)/(b2)]は5/95〜95/5、好ましくは10/90〜90/10である。
また、このようにして得られる重合体エマルジョン粒子(B2)は、加水分解性金属化合物(b1)の重合生成物が有する水酸基と2級及び/又は3級アミド基を有するビニル単量体(b2)の重合生成物とが粒子内で水素結合により複合化されたものとなる。
MRnWx-n (1)
(式中、Mは金属原子を表す。Rは、直鎖状または分岐状の炭素数が1〜30個のアルキル基、炭素数5〜20のシクロアルキル基、及び置換されていないか或いは炭素数1〜20のアルキル基又は炭素数1〜20のアルコキシ基、又はハロゲン原子で置換されている炭素数6〜20のアリール基から選ばれる少なくとも1種の炭化水素基を表す。Wは、炭素数1〜20のアルコキシ基、水酸基、炭素数1〜20のアセトキシ基、ハロゲン原子、水素原子、炭素数1〜20のオキシム基、エノキシ基、アミノキシ基、アミド基から選ばれた少なくとも1種の基を表す。xは金属原子Mの原子価、nは1以上x以下の整数を示す。)
本発明に好ましく用いることができる加水分解性金属化合物(b1)としては、塗膜強度の補強効果、取り扱いの容易さ、材料コスト等の観点から、珪素アルコキシド、シランカップリング剤、チタンアルコキシド、ジルコニウムアルコキシド、及びそれらの縮合生成物、または、それらのキレート化物を例示することができる。
本発明において、加水分解性金属化合物(b1)は単独でまたは2種以上を混合して、あるいは複合加水分解性金属化合物として用いることができる。
上記珪素アルコキシドの中では、フェニル基を有する珪素アルコキシド、例えばフェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、ジフェニルジメトキシシラン等が、水及び乳化剤の存在下における重合安定性に優れるため非常に好ましい。
また、上記チタンアルコキシドの具体例としては、例えば、テトラメトキシチタン、テトラエトキシチタン、テトラ−i−プロポキシチタン、テトラ−n−プロポキシチタン、テトラ−n−ブトキシチタン、テトラ−sec−ブトキシチタン、テトラ−tert−ブトキシチタン等が挙げられる。
上記チタンアルコキシドが縮合生成物として使用されるとき、該縮合生成物のポリスチレン換算重量平均分子量は、好ましくは200〜5000、さらに好ましくは300〜1000である。
上記ジルコニウムアルコキシドが縮合生成物として使用されるとき、該縮合生成物のポリスチレン換算重量平均分子量は、好ましくは200〜5000、さらに好ましくは300〜1000である。
また、遊離の金属化合物に配位させてキレート化物を形成するのに好ましいキレート化剤としては、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン等のアルカノールアミン類;エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール等のグリコール類;アセチルアセトン;アセト酢酸エチルなどであって分子量1万以下のものを例示することができる。これらのキレート化剤を用いることにより、加水分解性金属化合物(b1)の重合速度を制御することができ、水及び乳化剤の存在下における重合安定性を優れたものにするため非常に好ましい。この際、キレート化剤は、これを配位させる遊離の金属化合物の金属原子1モル当たり、0.1モル〜2モルの割合で用いると効果が大きく好ましい。
上記2級及び/又は3級アミド基を有するビニル単量体(b2)の中で、特にN,N−ジエチルアクリルアミドは、水及び乳化剤の存在下における重合安定性に非常に優れるとともに、上述した加水分解性金属化合物(b1)の重合生成物の水酸基や金属酸化物(A)の水酸基と強固な水素結合を形成することが可能であるため、非常に好ましい。
該ビニル単量体(b2’)としては、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステル、芳香族ビニル化合物、シアン化ビニル類の他、カルボキシル基含有ビニル単量体、水酸基含有ビニル系単量体、エポキシ基含有ビニル単量体、カルボニル基含有ビニル単量体、アニオン型ビニル単量体の様な官能基を含有する単量体等を挙げることができる。
ここで、(メタ)アクリルとはメタアクリル又はアクリルを簡便に表記したものである。
(メタ)アクリル酸エステルの使用量は、1種または2種以上の混合物として、全ビニル単量体中において好ましくは0〜99.9質量%、より好ましくは5〜80質量%である。
カルボキシル基含有ビニル単量体の使用量は、1種または2種以上の混合物として、全ビニル単量体中において好ましくは0〜50質量%、より好ましくは0.1〜10質量%、さらに好ましくは0.1〜5質量%である。30質量%を超えると塗膜の耐水性が低下する恐れがあるため好ましくない。
また、上記グリシジル基含有ビニル単量体としては、例えばグリシジル(メタ)アクリレート、アリルグリシジルエーテル、アリルジメチルグリシジルエーテル等を挙げることができる。
上記カルボニル基含有ビニル単量体としては、例えばアクロレイン、ジアセトンアクリルアミド、ジアセトンメタクリルアミド、ホルミルスチロール、ビニルメチルケトン、ビニルエチルケトン、ビニルイソブチルケトン、アクリルオキシアルキルプロパナール類、メタクリルオキシアルキルプロパナール類、ジアセトンアクリレート、ジアセトンメタクリレート、アセトニルアクリレート、2−ヒドロキシプロピルアクリレートアセチルアセテート、ブタンジオールアクリレートアセチルアセテート、アセトンジカルボン酸、ジヒドロキシアセトン、モノヒドロキシアセトン、及びジヒドロキシベンズアルデヒド等が挙げられる、ただし、カルボン酸およびエステル類の持つカルボニル基を含有するビニル単量体は除外する。
また、上記以外のビニル単量体(b2’)の具体例としては、例えば(メタ)アクリルアミド、エチレン、プロピレン、イソブチレン等のオレフィン類、ブタジエン等のジエン類、塩化ビニル、塩化ビニリデンフッ化ビニル、テトラフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン等のハロオレフィン類、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、n−酪酸ビニル、安息香酸ビニル、p−t−ブチル安息香酸ビニル、ピバリン酸ビニル、2−エチルヘキサン酸ビニル、バーサチック酸ビニル、ラウリン酸ビニル等のカルボン酸ビニルエステル類、酢酸イソプロペニル、プロピオン酸イソプロペニル等のカルボン酸イソプロペニルエステル類、エチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル、シクロヘキシルビニルエーテル等のビニルエーテル類、スチレン、ビニルトルエン等の芳香族ビニル化合物、酢酸アリル、安息香酸アリル等のアリルエステル類、アリルエチルエーテル、アリルフェニルエーテル等のアリルエーテル類、さらに4−(メタ)アクリロイルオキシ−2,2,6,6,−テトラメチルピペリジン、4−(メタ)アクリロイルオキシ−1,2,2,6,6,−ペンタメチルピペリジン、パーフルオロメチル(メタ)アクリレート、パーフルオロプロピル(メタ)アクリレート、パーフルオロプロピロメチル(メタ)アクリレート、ビニルピロリドン、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、(メタ)アクリル酸アリル等やそれらの併用が挙げられる。
かかる連鎖移動剤の一例としては、n−オクチルメルカプタン、n−ドデシルメルカプタン、t−ドデシルメルカプタンの如きアルキルメルカプタン類;ベンジルメルカプタン、ドデシルベンジルメルカプタンの如き芳香族メルカプタン類;チオリンゴ酸の如きチオカルボン酸あるいは、それらの塩もしくは、それらのアルキルエステル類、またはポリチオール類、ジイソプロピルキサントゲンジスルフィド、ジ(メチレントリメチロールプロパン)キサントゲンジスルフィドおよびチオグリコール、さらにはα−メチルスチレンのダイマー等のアリル化合物等を挙げることができる。
これら連鎖移動剤の使用量は、全ビニル単量体に対して好ましくは0.001〜30質量%、さらに好ましくは0.05〜10質量%の範囲で用いることができる。
これらの乳化剤の中で、ラジカル重合性の二重結合を有する反応性乳化剤を選択すると、本発明の重合体エマルジョン粒子(B2)の水分散安定性が非常に良好になると共に、該重合体エマルジョン粒子(B2)を含有する本発明の水系汚染防止用組成物からは、耐候性、耐水性、光学特性に優れた塗装物を形成することができるため、非常に好ましい。
上記反応性乳化剤の具体例として、スルホン酸基又はスルホネート基を有するビニル単量体の塩を例にとって述べると、ラジカル重合性の二重結合を有し、かつスルホン酸基のアンモニウム塩、ナトリウム塩またはカリウム塩である基により一部が置換された、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数2〜4のアルキルエーテル基、炭素数2〜4のポリアルキルエーテル基、炭素数6または10のアリール基及びコハク酸基からなる群より選ばれる置換基を有する化合物であるか、スルホン酸基のアンモニウム塩、ナトリウム塩またはカリウム塩である基が結合しているビニル基を有するビニルスルホネート化合物である。硫酸エステル基を有するビニル単量体は、ラジカル重合性の二重結合を有し、かつ硫酸エステル基のアンモニウム塩、ナトリウム塩またはカリウム塩である基により一部が置換された、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数2〜4のアルキルエーテル基、炭素数2〜4のポリアルキルエーテル基及び炭素数6または10のアリール基からなる群より選ばれる置換基を有する化合物である。
また、上記スルホン酸基のアンモニウム塩、ナトリウム塩又はカリウム塩である基により一部が置換された、炭素数2〜4のアルキルエーテル基又は炭素数2〜4のポリアルキルエーテル基を有する化合物の具体例として、例えばアクアロンHS−10またはKH−1025(商品名)(第一工業製薬(株)製)、アデカリアソープSE−1025NまたはSR−1025(商品名)(旭電化工業(株)製)等を挙げることができる。
その他、スルホネート基により一部が置換されたアリール基を有する化合物の具体例として、p−スチレンスルホン酸のアンモニウム塩、ナトリウム塩およびカリウム塩等が挙げられる。
上記スルホン酸基のアンモニウム塩、ナトリウム塩又はカリウム塩である基が結合しているビニル基を有するビニルスルホネート化合物として例えば、2−スルホエチルアクリレート等のアルキルスルホン酸(メタ)アクリレートやメチルプロパンスルホン酸(メタ)アクリルアミド、アリルスルホン酸等のアンモニウム塩、ナトリウム塩およびカリウム塩が挙げられる。
また、ノニオン基を有するビニル単量体の具体例としては、α−〔1−〔(アリルオキシ)メチル〕−2−(ノニルフェノキシ)エチル〕−ω−ヒドロキシポリオキシエチレン(商品名:アデカリアソープNE−20、NE−30、NE−40等、旭電化工業(株)製)、ポリオキシエチレンアルキルプロペニルフェニルエーテル(商品名:アクアロンRN−10、RN−20、RN−30、RN−50等、第一製薬工業(株)製)等を挙げることができる。
上記乳化剤の使用量としては、重合体エマルジョン粒子(B2)100質量部に対して、10質量部以下となる範囲内が適切であり、なかでも、0.001〜5質量部となる範囲内が好ましい。
これらの分散安定剤を使用する場合、その使用量としては、重合体エマルジョン粒子(B2)100質量部に対して、10質量部以下となる範囲内が適切であり、なかでも、0.001〜5質量部となる範囲内が好ましい。
本発明において、加水分解性金属化合物(b1)および2級及び/又は3級アミド基を有するビニル単量体(b2)の重合は、重合触媒存在下で実施するのが好ましい。
これらの中で、加水分解性金属化合物(b1)の重合触媒としては、重合触媒のみならず乳化剤としての作用を有する酸性乳化剤類、特に炭素数が5〜30のアルキルベンゼンスルホン酸(ドデシルベンゼンスルホン酸等)が非常に好ましい。
上述したように、本発明の水系汚染防止用組成物に用いる重合体エマルジョン粒子(B2)は、水及び乳化剤の存在下に加水分解性金属化合物(b1)と2級及び/又は3級アミド基を有するビニル単量体(b2)[必要に応じてこれと共重合可能な他のビニル単量体(b2’)を用いても良い]を、好ましくは重合触媒存在下で重合することにより得ることができる。
また、本発明において、重合体エマルジョン粒子(B2)の数平均粒子径が10〜800nmであることが重要である。この様な粒子径の範囲に調整し、数平均粒子径が1〜400nmの金属酸化物(A)と組み合わせることで粒子内に水素結合等によるミクロな有機・無機複合化を形成することにより、耐候性、耐水性、光学特性に優れ、長期間汚れがつきにくいという特性を顕著に有する塗装物を形成することが可能となる。また、重合体エマルジョン粒子(B2)の数平均粒子径も10nm〜800nmであることが好ましく、より好ましくは50〜300nmである。
この様な粒子径の重合体エマルジョン粒子(B2)を得る方法として、乳化剤がミセルを形成するのに十分な量の水の存在下に加水分解性金属化合物(b1)と2級及び/又は3級アミド基を有するビニル単量体(b2)を重合する、いわゆる乳化重合が最も適した方法である。
また、本発明の重合体エマルジョン粒子(B2)を得る方法として、加水分解性金属化合物(b1)を重合させるのに必要な水および乳化剤の存在下に加水分解性金属化合物(b1)および2級及び/又は3級アミド基を有するビニル単量体(b2)を、必要により溶剤存在下で重合した後、重合生成物がエマルジョンとなるまで水を添加する手法も適用できるが、上述した乳化重合方法と比べ、得られる重合体エマルジョン粒子(B2)の粒子径制御が困難である。
上記コア/シェル構造の重合体エマルジョン粒子(B2)を製造する方法として、多段乳化重合が非常に有用である。
ここで、多段乳化重合とは、2種類以上の異なった組成の加水分解性金属化合物(b1)や2級及び/又は3級アミド基を有するビニル単量体(b2)[必要に応じてこれと共重合可能な他のビニル単量体(b2’)]を調整し、これらを別々の段階に分けて重合することを意味する。
以下に、多段乳化重合の中で最も単純で有用な2段乳化重合による重合体エマルジョン粒子(B2)の合成を例に、本発明の多段乳化重合による重合体エマルジョン粒子(B2)の合成について説明する。
ここで、ビニル単量体(C)とは、2級及び/又は3級アミド基を有するビニル単量体(b2)及び/又は上述した他のビニル単量体(b2’)を意味する。
上記2段乳化重合による重合体エマルジョン粒子(B)の合成は、第1系列[ビニル単量体(C)及び/又は加水分解性金属化合物(b1)]を供給して乳化重合する第1段の重合と、第1段に引き続き、第2系列{加水分解性金属化合物(b1)と2級及び/又は3級アミド基を有するビニル単量体(b2)[必要に応じてこれと共重合可能な他のビニル単量体(b2’)]}を供給し、水性媒体中において乳化重合する第2段の重合からなる2段階の重合行程により得られる。この際、第1系列中の固形分質量(M1)と第2系列中の固形分質量(M2)との質量比は、好ましくは(M1)/(M2)=9/1〜1/9、より好ましくは8/2〜2/8、更に好ましくは7/3〜3/7である。
また、コア/シェル構造の確認は、例えば、透過型電子顕微鏡等による形態観察や粘弾性測定による解析等により実施することが可能である。
また、上述したコア/シェル構造の重合体エマルジョン粒子(B2)において、コア相のガラス転移温度(Tg)が0℃以下、すなわち上記シード粒子のガラス転移温度が0℃以下のものは、それを含有する水系汚染防止用組成物から、室温における柔軟性に優れ、割れ等が生じにくい塗装物を形成することが可能となり好ましい。
コア相のガラス転移温度(Tg)が0℃以下で耐候性に優れた重合体エマルジョン粒子(B2)の製造方法として、水及び乳化剤の存在下に加水分解性珪素化合物(b1)及び/又は環状シロキサンオリゴマーを重合して得られるシード粒子存在下に、加水分解性金属化合物(b1)と2級及び/又は3級アミド基を有するビニル単量体(b2)を重合する方法を好適に例示できる。
(R’2SiO)m (2)
(式中、R’は、水素原子、直鎖状または分岐状の炭素数が1〜30個のアルキル基、炭素数5〜20のシクロアルキル基、及び置換されていないか或いは炭素数1〜20のアルキル基又は炭素数1〜20のアルコキシ基、又はハロゲン原子で置換されている炭素数6〜20のアリール基から選ばれる少なくとも1種を表す。mは整数であり、2≦m≦20である。)
上記環状シロキサンオリゴマーの中で、反応性等の点からオクタメチルシクロテトラシロキサン等の環状ジメチルシロキサンオリゴマーが好ましい。
上記環状シロキサンオリゴマーは、加水分解性金属化合物(b1)の重合触媒として例示したものを好適に重合触媒として使用することができる。
本発明の水系汚染防止用組成物は、上述した数平均粒子径が1〜400nmの金属酸化物(A)と、水及び乳化剤の存在下に加水分解性金属化合物(b1)と2級及び/又は3級アミド基を有するビニル単量体(b2)を重合して得られる数平均粒子径が10〜800nmである重合体エマルジョン粒子(B2)を含んでなることを特徴とする。
ここで、金属酸化物(A)と重合体エマルジョン粒子(B2)の質量比(A)/(B2)は、1/99〜99/1、好ましくは5/95〜90/10、さらに好ましくは10/90〜80/20である。 該水系汚染防止用組成物をコーティング剤として用いる場合の固形分は、好ましくは0.01〜60質量%、より好ましくは1〜40質量%である。その時の粘度は、好ましくは20℃において0.1〜100000mPa・s、好ましくは1〜10000mPa・sである。
また、本発明の水系汚染防止用組成物には金属酸化物(A)と重合体エマルジョン粒子(B2)の水素結合等の相互作用を制御する目的で、アルコール類を添加することもできる。アルコールの添加により、貯蔵安定性等が非常に向上する。
本発明の基材としては、例えば合成樹脂、天然樹脂等の有機基材や、金属、セラミックス、ガラス、石、セメント、コンクリート等の無機基材や、それらの組み合わせ等を挙げることができる。
上記合成樹脂としては、熱可塑性樹脂と硬化性樹脂(熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂、湿気硬化性樹脂等)の使用が可能であり、例えばシリコーン樹脂、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、フッ素樹脂、アルキド樹脂、アミノアルキド樹脂、ビニル樹脂、ポリエステル樹脂、スチレン−ブタジエン樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリケトン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリフェニレンオキシド樹脂、ポリスルフォン樹脂、ポリフェニレンスルホン樹脂、ポリエーテル樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、尿素樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン−アクリル樹脂等を挙げることができる。
また、上記天然樹脂としては、セルロース系樹脂、天然ゴム等のイソプレン系樹脂、カゼイン等のタンパク質系樹脂等を挙げることができる。
本発明において、樹脂板の表面は、コロナ放電処理やフレーム処理、プラズマ処理等の表面処理がされてあっても構わないが、これらの表面処理は必須ではない。
本発明に使用する基材の種類や膜厚は用途に応じて使い分けることができる。例えばマーキングフィルム用途の場合、膜厚20〜200μmのポリ塩化ビニル樹脂製のフィルムが成型性、経済性の観点から好ましく、面発光板などの看板、遮音壁用途の場合、アクリル樹脂板が強度、耐候性、透明性等の観点から好ましく用いられる。
本発明の水系汚染防止用組成物を含む汚染防止層を形成した塗装物は耐候性、耐水性、光学特性に優れ、また23℃における水接触角が60°以下で防汚性にも優れる。特に、金属酸化物(A)として光触媒活性を有する金属酸化物(光触媒)を用いた場合は、それに含まれる光触媒のバンドギャップエネルギーよりも高いエネルギーの光を照射することにより優れた汚染有機物質を分解することで、23℃における水接触角を長期間にわたり維持することが可能となる。
ここで、光触媒のバンドギャップエネルギーよりも高いエネルギーの光の光源としては、太陽光や室内照明灯等の一般住宅環境下で得られる光の他、ブラックライト、キセノンランプ、水銀灯、LED等の光が利用できる。
上述したような形態の塗膜を有する塗装物を得る為には、水系汚染防止用組成物における金属酸化物(A)と重合体エマルジョン粒子(B2)の質量比(A)/(B2)を最適範囲にする事が最も有効である。該質量比(A)/(B2)の最適範囲は、例えば質量比(A)/(B2)を変化させた塗膜の透明性を測定し、相対的に透明性が良好な質量比(A)/(B2)の範囲として求めることができる。ここで、使用する金属酸化物(A)と重合体エマルジョン粒子(B2)が同一の場合、上記の最適な質量比(A)/(B2)の範囲は、二酸化珪素などの金属酸化物(A)の粒径(rA)と重合体エマルジョン粒子(B2)の粒径(rB2)の比(rA)/(rB2)により異なる。
例えば、(rA)/(rB2)が0.05〜0.2の場合、質量比(A)/(B2)の範囲は、好ましくは20/80〜80/20であり、より好ましくは30/70〜70/30であり、最も好ましくは40/60〜60/40である。
また、金属酸化物(A)として、二酸化珪素(A1)と光触媒活性を有する金属酸化物(A2)を組み合わせて用いると、塗膜のセルフクリーニング性を長期間持続させることができる。よって、二酸化珪素(A1)と光触媒活性を有する金属酸化物(A2)の質量比(A1)/(A2)の範囲は、好ましくは50/50〜99/1であり、より好ましくは80/20〜97/3であり、最も好ましくは85/15〜95/5である。
一方、重合体エマルジョン粒子(B2)に対する光触媒活性を有する金属酸化物(A2)の質量比(A2)/(B2)が高すぎると、基材上に形成された有機・無機複合体の光照射による劣化が著しくなり、好ましくない。よって、質量比(A2)/(B2)の範囲は、好ましくは1/99〜50/50であり、より好ましくは3/97〜20/80であり、最も好ましくは5/95〜15/85である。
本発明の塗装物は、例えば上記水系汚染防止用組成物を基材に塗布し、20℃〜80℃の低温で乾燥した後、所望により好ましくは20℃〜500℃、より好ましくは40℃〜250℃の熱処理や紫外線照射等を行い、基材上に汚染防止層の塗膜を形成することにより得ることができる。上記塗布方法としては、例えばスプレー吹き付け法、フローコーティング法、ロールコート法、刷毛塗り法、ディップコーティング法、スピンコーティング法、スクリーン印刷法、キャスティング法、グラビア印刷法、フレキソ印刷法等が挙げられる。
なお、本明細書では、塗膜という表現を使用しているが、必ずしも連続膜である必要はなく、不連続膜、島状分散膜等の態様であっても構わない。
本発明の塗装物の製造方法は、基材上に本発明の水系汚染防止用組成物を形成する場合に限定されない。基材と本発明の水系汚染防止用組成物を同時に成形、たとえば、一体成形してもよい。また、本発明の有機・無機複合体を成形後、基材の成形を行ってもよい。また、塗装物と基材を個別に成形後、接着、融着等により製造してもよい。
実施例、参考例及び比較例中において、各種の物性は下記の方法で測定した。
1.数平均粒子径
試料中の固形分含有量が1〜20質量%となるよう適宜溶媒を加えて希釈し、湿式粒度分析計(日機装製マイクロトラックUPA−9230)を用いて測定した。
2.塗膜硬度
JIS−K5400に準じ、鉛筆硬度(皮膜のすり傷)として求めた。
3.透明性
日本電色工業製濁度計NDH2000を用いて、JIS−K7105に準じてヘイズ値及び全光線透過率を測定した。
4.塗膜表面に対する水の接触角
塗膜の表面に脱イオン水の滴を乗せ、23℃で1分間放置した後、協和界面科学製CA−X150型接触角計を用いて測定した。
塗膜に対する水の接触角が小さいほど、塗膜表面は親水性が高い。
5.耐水性
試料を23℃水中に10日間浸漬した後、23℃で1日乾燥させ、透明性を上記3の方法で評価した。
スガ試験器製サンシャインウェザーメーターを使用して曝露試験(ブラックパネル温度63℃、降雨18分/2時間)を行った。曝露500時間後の透明性を上記3の方法で、水の接触角を上記4の方法で評価した。
7.耐汚染性
試験板を一般道路(トラック通行量500〜1000台/日程度)に面したフェンスに1ヶ月間、及び6ケ月間張りつけた後、汚染の度合いを目視にて評価した。
○:汚れなし、△:やや雨スジ汚れ有り、×:著しく雨スジ汚れ有り
8.光触媒活性
塗膜表面にメチレンブルーの5質量%エタノール溶液を塗布した後、東芝ライテック製FL20S BLB型ブラックライトの光を3日間照射した。なおこのとき、日本国トプコン製UVR−2型紫外線強度計{受光部として、日本国トプコン製UD−36型受光部(波長310〜400nmの光に対応)を使用}を用いて測定した紫外線強度が1mW/cm2となるよう調整した。
その後、メチレンブルーの分解の程度(塗膜表面の退色の程度に基づき、目視で評価)に基づき、光触媒の活性を以下の3段階で評価した。
○:メチレンブルーが完全に分解。
△:メチレンブルーの青色がわずかに残る。
×:メチレンブルーの分解はほとんど観測されず。
重合体エマルジョン粒子(B2−1)水分散体の合成
還流冷却器、滴下槽、温度計および撹拌装置を有する反応器に、イオン交換水1750g、ドデシルベンゼンスルホン酸2gを投入した後、撹拌下で温度を80℃に加温した。これに、アクリル酸ブチル86g、フェニルトリメトキシシラン133g、3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン1.3gの混合液とジエチルアクリルアミド197g、アクリル酸3g、反応性乳化剤(商品名「アデカリアソープSR−1025」、旭電化(株)製、固形分25%水溶液)13g、過硫酸アンモニウムの2質量%水溶液40g、イオン交換水1950gの混合液を、反応容器中の温度を80℃に保った状態で約2時間かけて同時に滴下した。さらに反応容器中の温度が80℃の状態で約2時間撹拌を続行した後、室温まで冷却し、100メッシュの金網で濾過した後、イオン交換水で固形分を10.0質量%に調整し、数平均粒子径100nmの重合体エマルジョン粒子(B2−1)水分散体を得た。
重合体エマルジョン粒子(B2−2)水分散体の合成
還流冷却器、滴下槽、温度計および撹拌装置を有する反応器に、イオン交換水1750g、ドデシルベンゼンスルホン酸4gを投入した後、撹拌下で温度を80℃に加温した。これに、ジメチルジメトキシシラン185g、フェニルトリメトキシシラン117gの混合液を反応容器中の温度を80℃に保った状態で約2時間かけて滴下し、その後、反応容器中の温度が80℃の状態で約1時間撹拌を続行した。次にアクリル酸ブチル86g、フェニルトリメトキシシラン133g、3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン13gの混合液とジエチルアクリルアミド197g、アクリル酸3g、反応性乳化剤(商品名「アデカリアソープSR−1025」、旭電化(株)製、固形分25%水溶液)13g、過硫酸アンモニウムの2質量%水溶液40g、イオン交換水1950gの混合液を、反応容器中の温度を80℃に保った状態で約2時間かけて同時に滴下した。さらに反応容器中の温度が80℃の状態で約2時間撹拌を続行した後、室温まで冷却し、100メッシュの金網で濾過した後、イオン交換水で固形分を10.0質量%に調整し、数平均粒子径180nmの重合体エマルジョン粒子(B2−2)水分散体を得た。
調整例1で合成した重合体エマルジョン粒子(B2−1)水分散体100gに、数平均粒子径12nmの水分散コロイダルシリカ(商品名「スノーテックスO」、日産化学工業(株)製、固形分20%)5g、数平均粒子径10nmのシリカ被覆酸化チタンヒドロゾル(商品名「MPT−422」、石原産業(株)製、固形分20%)5gを混合、攪拌する事により水系汚染防止用組成物(E−1)を得た。
10cm×10cmのポリ塩化ビニルフィルム及びポリエチレンテレフタレートフィルム(東レ社製、ルミラーQ100D)に上記水系汚染防止用組成物(E−1)を膜厚が2μmとなるようにバーコートした後、室温で1週間乾燥する事により塗装物(F−1)を得た。その評価結果を表1に示した。
調整例2で合成した重合体エマルジョン粒子(B2−2)水分散体100gに、数平均粒子径12nmの水分散コロイダルシリカ(商品名「スノーテックスO」、日産化学工業(株)製、固形分20%)5g、数平均粒子径10nmのシリカ被覆酸化チタンヒドロゾル(商品名「MPT−422」、石原産業(株)製、固形分20%)5gを混合、攪拌する事により水系汚染防止用組成物(E−2)を得た。
10cm×10cmのポリ塩化ビニルフィルム及びポリ塩化ビニルフィルム及びポリエチレンテレフタレートフィルム(東レ社製、ルミラーQ100D)に上記水系汚染防止用組成物(E−2)を膜厚が2μmとなるようにバーコートした後、室温で1週間乾燥する事により、塗装物(F−2)を得た。その評価結果を表1に示した。
調整例2で合成した重合体エマルジョン粒子(B2−2)水分散体100gに、数平均粒子径12nmの水分散コロイダルシリカ(商品名「スノーテックスO」、日産化学工業(株)製、固形分20%)5gを混合する事により水系汚染防止用組成物(E−3)を得た。
10cm×10cmのポリ塩化ビニルフィルム及びポリ塩化ビニルフィルム及びポリエチレンテレフタレートフィルム(東レ社製、ルミラーQ100D)に上記水系汚染防止用組成物(E−3)を膜厚が2μmとなるようにバーコートした後、室温で1週間乾燥する事により塗装物(F−3)を得た。その評価結果を表1に示した。
[実施例4]
実施例1で調整した水系汚染防止用組成物(E−1)を10cm×10cmのメタクリル樹脂板(旭化成ケミカルズ株式会社製、デラグラスK)に膜厚が2μmとなるようにバーコートした後、室温で1週間乾燥する事により塗装物(F−6)を得た。その評価結果を表1に示した。
調整例1で合成した重合体エマルジョン粒子(B2−1)水分散体100gに、数平均粒子径10nmのシリカ被覆酸化チタンヒドロゾル(商品名「MPT−422」、石原産業(株)製、固形分20%)5gを攪拌する事により水系汚染防止用組成物(E−4)を得た。
10cm×10cmのポリ塩化ビニルフィルムに上記水系汚染防止用組成物(E−4)を膜厚が2μmとなるようにバーコートした後、室温で1週間乾燥する事により塗装物(F−4)を得た。その評価結果を表1に示した。
10cm×10cmのポリ塩化ビニルフィルムに参考例1で合成した重合体エマルジョン粒子(B2−1)水分散体を膜厚が2μmとなるようにバーコートした後、室温で1週間乾燥する事により塗装物(F−5)を得た。その評価結果を表1に示した。
Claims (13)
- 金属酸化物(A)と水系バインダー(B1)を含むことを特徴とする水系汚染防止用組成物。
- 該金属酸化物(A)が光触媒活性を有する金属酸化物から選ばれる少なくとも1種の金属酸化物と二酸化珪素であることを特徴とする請求項1記載の水系汚染防止用組成物。
- 該水系バインダー(B1)が、アミド基及び/または水酸基を有する数平均粒子径10〜800nmの重合体エマルジョン粒子(B2)を含有することを特徴とする請求項1又は2記載の水系汚染防止用組成物。
- 該重合体エマルジョン粒子(B2)が、水及び乳化剤の存在下に加水分解性金属化合物(b1)と2級及び/又は3級アミド基を有するビニル単量体(b2)を重合して得られることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の水系汚染防止用組成物。
- 該重合体エマルジョン粒子(B2)が、コア/シェル構造であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の水系汚染防止用組成物。
- 該金属酸化物(A)の数平均粒子径が1〜400nmであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の水系汚染防止用組成物。
- 基材の片面に請求項1〜6のいずれか一項に記載の水系汚染防止用組成物形成した汚染防止層を有することを特徴とする塗装物。
- 該塗装物表面の23℃の接触角が60度以下であることを特徴とする請求項7に記載の塗装物。
- 該基材がアクリル樹脂、メタクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂からなる群の中から選ばれる樹脂
であることを特徴とする請求項7又は8に記載の塗装物。 - 該塗装物が屋外表示用途であることを特徴とする請求項7〜9のいずれか一項に記載の塗装物。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の水系汚染防止用組成物により形成した汚染防止層を有することを特徴とするマーキングフィルム。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の水系汚染防止用組成物により形成した汚染防止層を有することを特徴とする看板。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の水系汚染防止用組成物により形成した汚染防止層を有することを特徴とする遮音壁。
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