JP2009029941A - 有機無機複合組成物および光学部品 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 疎水性セグメントおよび親水性セグメントで構成されるブロック共重合体と、数平均粒子径が1nm〜15nmの無機微粒子とを含む有機無機複合組成物であって、波長589nmにおける屈折率が1.60以上である有機無機複合組成物を用いた光学部品。
【選択図】なし
Description
それに伴い、レンズを薄肉化するために素材自体を高屈折率化することが求められるようになっており、例えば、硫黄原子をポリマー中に導入する技術(例えば、特許文献1および2参照)や、ハロゲン原子や芳香環をポリマー中に導入する技術(例えば、特許文献3参照)等が活発に研究されてきた。しかし、屈折率が大きくて良好な透明性を有しており、ガラスの代替となるようなプラスチック材料は未だ開発されるに至っていない。また、光ファイバーや光導波路では、異なる屈折率を有する材料を併用したり、屈折率に分布を有する材料を使用する。これらに対応するために、屈折率を任意に調節できる技術の開発も望まれている。
本発明は前記実状に鑑みてなされたものであり、その目的は、微粒子が樹脂マトリックス中に均一に分散され、優れた透明性と高い屈折率とを有する有機無機複合組成物、並びに、これを用いたレンズ基材等の光学部品を提供することにある。
[2] 前記ブロック共重合体が、前記無機微粒子と任意の化学結合を形成しうる官能基を有することを特徴とする[1]に記載の有機無機複合組成物。
[3] 前記ブロック共重合体が、下記から選ばれる官能基を有する熱可塑性樹脂であることを特徴とする[1]または[2]に記載の有機無機複合材料成形物。
[4] 前記官能基の含有量が前記ブロック共重合体の全体に対して0.05〜5.0mmol/gであることを特徴とする[1]〜[3]のいずれか1項に記載の有機無機複合材料成形物。
[5] 前記無機微粒子が屈折率が1.90〜3.00の金属酸化物微粒子であることを特徴とする[1]〜[4]のいずれか1項に記載の有機無機複合材料成形物。
[6] 前記無機微粒子が酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、または酸化チタンを含有する微粒子であることを特徴とする[1]〜[5]のいずれか1項に記載の有機無機複合材料成形物。
[7] 前記無機微粒子を20質量%以上含むことを特徴とする[1]〜[6]のいずれか一項に記載の有機無機複合組成物。
[9] [1]〜[8]のいずれか一項に記載の有機無機複合組成物を成形した成形体。
[10] 波長589nmにおいて厚さ1mm換算の光線透過率が70%以上であることを特徴とする[9]に記載の成形体。
[11] 最大厚みが0.1mm以上であることを特徴とする[9]または[10]に記載の成形体。
[13] レンズ基材であることを特徴とする[12]に記載の光学部品。
本発明の有機無機複合組成物(以下、単に「本発明の材料組成物」という場合がある。)は、疎水性セグメントおよび親水性セグメントで構成されるブロック共重合体と、数平均粒子径が1nm〜15nmの無機微粒子とを含む有機無機複合組成物であって、波長589nmにおける屈折率が1.60以上であることを特徴とする。即ち、本発明の有機無機複合組成物は、本発明におけるブロック共重合体に無機微粒子が分散している組成物である。
本発明に用いられる無機微粒子としては特に制限はなく、例えば特開2002−241612号公報、特開2005−298717号、特開2006−70069号公報等に記載の微粒子を用いることができる。
ここで、上述の数平均粒子サイズとは例えば、X線回折(XRD)装置あるいは透過型電子顕微鏡(TEM)などで測定することができる。
例えば、ハロゲン化金属やアルコキシ金属を原料に用い、水を含有する反応系において加水分解することにより、所望の酸化物微粒子を得ることができる。この方法の詳細は、例えば、ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス第37巻4603〜4608頁(1998年)、あるいは、ラングミュア第16巻第1号241〜246頁(2000年)等に記載されている。
これらの方法に用いられる溶媒としては、アセトン、2−ブタノン、ジクロロメタン、クロロホルム、トルエン、酢酸エチル、シクロヘキサノン、アニソール等が例として挙げられる。これらは、1種類を単独で使用してもよく、また複数種を混合して使用してもよい。
本発明で用いられる樹脂は、疎水性セグメントおよび親水性セグメントで構成されるブロック共重合体であり、熱可塑性であることが好ましい。
アクリル酸エステル類やメタクリル酸エステル類(エステル基は置換または無置換の脂肪族エステル基、置換または無置換の芳香族エステル基であり、例えば、メチル基、フェニル基、ナフチル基など);
アクリル酸、メタクリル酸、エステル部位に親水性の置換基を有するアクリル酸エステル類およびメタクリル酸エステル類;芳香環部に親水性の置換基を有するスチレン類;親水性の置換基を有するビニルエーテル、アクリルアミド、メタクリルアミド、N−モノ置換アクリルアミド、N−ジ置換アクリルアミド、N−モノ置換メタクリルアミドならびにN−ジ置換メタクリルアミドなどが挙げられる。
R15、R16の好ましい範囲は、R11、R12、R13、R14と同様である。m1は、好ましくは3である。
本発明においては上記熱可塑性樹脂および無機微粒子以外に、均一分散性、成形時の流動性、離型性、耐候性等の観点から適宜各種添加剤を配合しても良い。例えば、表面処理剤、可塑剤、帯電防止剤、分散剤、離型剤等を挙げることができる。また前記熱可塑性樹脂以外に前記官能基を有さない樹脂を添加しても良く、このような樹脂の種類に特に制限はないが、前記熱可塑性樹脂と同様の光学物性、熱物性、分子量を有するものが好ましい。
これら添加剤の配合割合は目的に応じて異なるが、前記無機微粒子および熱可塑性樹脂を足しあわせた量に対して、0〜50質量%であることが好ましく、0〜30質量%であることがよりこのましく、0〜20質量%であることが特に好ましい。
本発明では、後述するように水中またはアルコール溶媒中に分散された無機微粒子を熱可塑性樹脂と混合する際に、有機溶媒への抽出性または置換性を高める目的、熱可塑性樹脂への均一分散性を高める目的、微粒子の吸水性を下げる目的、あるいは耐候性を高める目的など種々目的に応じて、上記熱可塑性樹脂以外の微粒子表面修飾剤を添加しても良い。該表面処理剤の重量平均分子量は50〜50000であることが好ましく、より好ましくは100〜20000、さらに好ましくは200〜10000である。
一般式(1)
A−B
一方、前記Bの化学構造は、相溶性の観点から該樹脂マトリックスの主体である熱可塑性樹脂の化学構造と同一または類似であることが好ましい。本発明では特に高屈折率化の観点から前記熱可塑性樹脂とともにBの化学構造が芳香環を有していることが好ましい。
これらの表面処理剤は1種類を単独で用いてもよく、また複数種を併用しても良い。
これら表面処理剤の添加量の総量は無機微粒子に対して、質量換算で、0.01〜2倍であることが好ましく、0.03〜1倍であることがより好ましく、0.05〜0.5倍であることがとくにこのましい。
本発明における樹脂のガラス転移温度が高い場合、材料組成物の成形が必ずしも容易ではないことがある。このため、本発明の材料組成物の成形温度を下げるために可塑剤を使用してもよい。成形体の透明性を損ねない範囲で、可塑剤の構造に特に限定はないが、本発明で使用できる可塑剤としては、下記一般式(2)で表される構造を有するものが好ましい。
本発明の有機無機複合組成物の帯電圧を調節するために、帯電防止剤を添加することができる。本発明の有機無機複合組成物では、光学特性改良の目的で添加した無機微粒子自体が別の効果である帯電防止効果にも寄与する場合がある。帯電防止剤を添加する場合には、アニオン性帯電防止剤、カチオン性帯防止剤、ノ二オン性帯電防止剤、両性イオン性帯電防止剤、高分子帯電防止剤、あるいは帯電性微粒子などが挙げられ、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。これらの例としては、特開2007−4131号公報、特開2003−201396号公報に記載された化合物を挙げることができる。
帯電防止剤の添加量はまちまちであるが、全固形分の0.001〜50質量%であることが好ましく、より好ましくは0.01〜30質量%であり、特に好ましくは0.1〜10質量%である。
上記成分以外に、成形性を改良する目的で変性シリコーンオイル等の公知の離型剤を添加したり、耐光性や熱劣化を改良する目的で、ヒンダードフェノール系、アミン系、リン系、チオエーテル系等の公知の劣化防止剤を適宜添加したりしても良く、これらを配合する場合には材料組成物の全固形分に対して0.1〜5質量%程度が好ましい。
本発明に用いられる無機微粒子は、少なくとも1方の高分子鎖末端に前記官能基を有する熱可塑性樹脂と結合して樹脂中に分散される。
本発明に用いられる無機微粒子は粒子サイズが小さく、表面エネルギーが高いため、固体で単離すると再分散させることが難しい。よって、無機微粒子は溶液中に分散された状態で上記熱可塑性樹脂と混合し安定分散物とすることが好ましい。複合物の好ましい製造方法としては(1)無機粒子を上記表面処理剤の存在下に表面処理を行い、表面処理された無機微粒子を有機溶媒中に抽出し、抽出した該無機微粒子を前記熱可塑性樹脂と均一混合して無機微粒子と熱可塑性樹脂の複合物を製造する方法、(2)無機微粒子と熱可塑性樹脂の両者を均一に分散あるいは溶解できる溶媒を用いて両者を均一混合して無機微粒子と熱可塑性樹脂の複合物を製造する方法、が挙げられる。
有機溶媒中に抽出された無機微粒子と熱可塑性樹脂を混合する際に、可塑化剤、離型剤、あるいは別種のポリマー等の添加剤を必要に応じて添加しても良い。
上述の本発明の有機無機複合組成物を成形することにより、本発明の成形体を製造することができる。本発明の成形体では、材料組成物の説明で前記した屈折率、光学特性を示すものが有用である。
また本発明の成形体は最大0.1mm以上の厚みを有する高屈折率の光学部品に対して特に有用であり、好ましくは0.1〜5mmの厚みを有する光学部品への適用であり、特に好ましくは1〜3mmの厚みを有する透明部品への適用である。
これらの厚い成形体は溶液キャスト法での製造では、溶剤が抜けにくく通常容易ではないが、本発明の材料を用いることにより、成形が容易で非球面などの複雑な形状も容易に付与することができ、微粒子の高い屈折率特性を利用しながら良好な透明性を有する材料とすることができる。
前記の成形体は、高屈折性、光線透過性、軽量性を併せ持ち、光学特性に優れた成形体である。本発明の光学部品は、前記の成形体からなるものである。本発明の光学部品の種類は、特に制限されない。特に、有機無機複合組成物の優れた光学特性を利用した光学部品、特に光を透過する光学部品(いわゆるパッシブ光学部品)として好適に利用することができる。かかる光学部品を備えた光学機能装置としては、例えば、各種ディスプレイ装置(液晶ディスプレイやプラズマディスプレイ等)、各種プロジェクタ装置(OHP、液晶プロジェクタ等)、光ファイバー通信装置(光導波路、光増幅器等)、カメラやビデオ等の撮影装置等が例示される。
本発明における「レンズ基材」とは、レンズ機能を発揮することができる単一部材を意味する。レンズ基材の表面や周囲には、レンズの使用環境や用途に応じて膜や部材を設けることができる。例えば、レンズ基材の表面には、保護膜、反射防止膜、ハードコート膜等を形成することができる。また、レンズ基材の周囲を基材保持枠などに嵌入して固定することもできる。ただし、これらの膜や枠などは、本発明でいうレンズ基材に付加される部材であり、本発明でいうレンズ基材そのものとは区別される。
本実施例において、各分析および評価方法は、下記の手段でおこなった。
日立製作所(株)社製「H−9000UHR型透過型電子顕微鏡」(加速電圧200kV、観察時の真空度約7.6×10-9Pa)にて行った。
測定する樹脂を成形して厚さ1.0mmの基板を作製し、紫外可視吸収スペクトル測定用装置「UV−3100」((株)島津製作所製)で測定した。
アッベ屈折計(アタゴ社製「DR−M4」)にて、波長589nmの光について行った。
リガク(株)製「RINT1500」(X線源:銅Kα線、波長1.5418Å)を用いて、23℃で測定した。
重量平均分子量は、「TSKgel GMHxL」、「TSKgel G4000HxL」、「TSKgel G2000HxL」(何れも、東ソー(株)製の商品名)のカラムを使用したGPC分析装置により、溶媒テトラハイドロフラン、示差屈折計検出によるポリスチレン換算で表した分子量である。
(1)酸化チタン微粒子分散液の調製
特開2003−73559号公報の合成例9に記載の方法に従い、酸化チタン微粒子の分散液を調製した。XRDとTEMより、アナタ−ス型酸化チタン微粒子(数平均粒子サイズは約5nm)の生成を確認した。微粒子の屈折率は2.5であった。
50g/Lの濃度のオキシ塩化ジルコニウム溶液を48%水酸化ナトリウム水溶液で中和し、水和ジルコニウム懸濁液を得た。この懸濁液をろ過した後、イオン交換水で洗浄し、水和ジルコニウムケーキを得た。このケーキを、イオン交換水で溶媒として酸化ジルコニウム換算で濃度15質量%に調整して、オートクレーブに入れ、圧力150気圧、150℃で24時間水熱処理して酸化ジルコニウム微粒子懸濁液を得た。TEMより数平均粒子サイズが5nmの酸化ジルコニウム微粒子の生成を確認した。微粒子の屈折率は2.1であった。
前記(2)で合成した酸化ジルコニウム微粒子懸濁液と日本化薬製の「KAYAMER PM−21」を溶解させたトルエン溶液を混合し、50℃で8時間攪拌した後、トルエン溶液を抽出して酸化ジルコニウム微粒子トルエン分散液を作製した。
前記(2)で調製した酸化ジルコニウム微粒子懸濁液(濃度15質量%)500gに500gのN,N’−ジメチルアセトアミドを加え約500g以下になるまで減圧濃縮して溶媒置換を行った後、N,N’−ジメチルアセトアミドの添加で濃度調整をすることによって15質量%の酸化ジルコニウムジメチルアセトアミド分散液を得た。
(1)熱可塑性樹脂(Q−1)の合成
tert−ブチルアクリレート2.1g、2−ブロモ−2−メチルプロピオン酸tert−ブチルエステル0.72g、臭化銅(I)0.46g、N,N,N',N',N”,N”−ペンタメチルジエチレンテトラミン0.56g、メチルエチルケトン9mlからなる混合液を調製し、窒素置換した。油浴温度80℃で1時間攪拌し、スチレン136.2gを窒素気流下添加した。油浴温度90℃で16時間攪拌し、室温に戻してから酢酸エチル100ml、アルミナ30gを加え30分攪拌した。この反応液をろ過し、濾液を過剰のメタノールに滴下した。生じた沈殿を濾取、メタノール洗浄、乾燥し、樹脂を61g得た。この樹脂をトルエン300mlに溶解し、p−トルエンスルホン酸一水和物6gを添加し、3時間加熱還流した。この反応液を過剰のメタノールに滴下した。生じた沈殿を濾取、メタノール洗浄、乾燥し、ブロック共重合体Q−1を55g得た。GPCで測定した該樹脂の数平均分子量は32000、重量平均分子量は35000であった。またアッベ屈折計で測定した該樹脂の屈折率は1.59であった。
tert−ブチルアクリレート12.6g、2−ブロモ−2−メチルプロピオン酸tert−ブチルエステル0.72g、臭化銅(I)0.46g、N,N,N',N',N”,N”−ペンタメチルジエチレンテトラミン0.56g、メチルエチルケトン9mlからなる混合液を調製し、窒素置換した。油浴温度80℃で1時間攪拌し、スチレン136.2gを窒素気流下添加した。油浴温度90℃で16時間攪拌し、室温に戻してから酢酸エチル100ml、アルミナ30gを加え30分攪拌した。この反応液をろ過し、濾液を過剰のメタノールに滴下した。生じた沈殿を濾取、メタノール洗浄、乾燥し、樹脂を70g得た。この樹脂をトルエン300mlに溶解し、p−トルエンスルホン酸一水和物6gを添加し、3時間加熱還流した。この反応液を過剰のメタノールに滴下した。生じた沈殿を濾取、メタノール洗浄、乾燥し、ブロック共重合体Q−1を67g得た。GPCで測定した該樹脂の数平均分子量は31000、重量平均分子量は36000であった。またアッベ屈折計で測定した該樹脂の屈折率は1.59であった。
tert−ブチルアクリレート2.1g、2−ブロモ−2−メチルプロピオン酸tert−ブチルエステル0.72g、臭化銅(I)0.46g、N,N,N',N',N”,N”−ペンタメチルジエチレンテトラミン0.56g、メチルエチルケトン9mlからなる混合液を調製し、窒素置換した。油浴温度80℃で1時間攪拌し、メチルメタクリレート160.7gを窒素気流下添加した。油浴温度90℃で8時間攪拌し、室温に戻してから酢酸エチル100ml、アルミナ30gを加え30分攪拌した。この反応液をろ過し、濾液を過剰のメタノールに滴下した。生じた沈殿を濾取、メタノール洗浄、乾燥し、樹脂を72g得た。この樹脂をトルエン300mlに溶解し、p−トルエンスルホン酸一水和物6gを添加し、3時間加熱還流した。この反応液を過剰のメタノールに滴下した。生じた沈殿を濾取、メタノール洗浄、乾燥し、ブロック共重合体Q−1を68g得た。GPCで測定した該樹脂の数平均分子量は26000、重量平均分子量は28000であった。またアッベ屈折計で測定した該樹脂の屈折率は1.59であった。
メタクリル酸メチル5.00g、アゾビスイソブチロ二トリル0.25gを2-ブタノン中に加え、窒素下70℃で重合を行い、PMMAを合成した。重量平均分子量は100,000であった。
[実施例1]
前記酸化ジルコニウムジメチルアセトアミド分散液に、樹脂(Q−1)および表面処理剤(4−プロピル安息香酸)を、質量比がZrO2固形分/Q−1/4−プロピル安息香酸=42/50/8となるように添加して均一に攪拌混合した後、加熱減圧下ジメチルアセトアミド溶媒を濃縮した。該濃縮残渣の表面をSUS製の金型で加熱圧縮成形し(温度;180℃、圧力;13.7MPa、時間2分)、厚さ1mmの透明成形体(レンズ基材)を得た。
実施例1におけるZrO2固形分、樹脂、表面処理剤の質量比を、ZrO2固形分/Q−1/3−フェニルプロピオン酸=50/42/8とする以外は実施例1と同様にして実施例2の透明成形体(レンズ基材)を得た。
実施例1におけるZrO2固形分、樹脂、表面処理剤の質量比を、ZrO2固形分/Q−1/4−プロピル安息香酸=46/45/9とする以外は実施例1と同様にして実施例3の透明成形体(レンズ基材)を得た。
前述した酸化チタン微粒子分散液を、樹脂(Q−1)および表面処理剤(4−プロピル安息香酸)が溶解したクロロホルム溶液に撹拌しながら常温で5分かけて滴下し、得られた混合液から溶媒を留去した(質量比:TiO2固形分/Q−1/4−プロピル安息香酸=31/61/8)。濃縮残渣を実施例1と同様にして成形することにより実施例4の透明成形体(レンズ基材)を得た。
実施例1におけるZrO2固形分、樹脂、表面処理剤の質量比を、ZrO2固形分/Q−14/3−フェニルプロピオン酸=52/38/10とする以外は実施例1と同様にして実施例5の透明成形体(レンズ基材)を得た。
実施例4におけるTiO2固形分、樹脂、表面処理剤の質量比を、TiO2固形分/Q−14/4−プロピル安息香酸=41/49/10とする以外は実施例4と同様にして実施例6の透明成形体(レンズ基材)を得た。
実施例7〜12と比較例1〜3の各成形体(レンズ基材)を以下の手順で製造した。以下の手順において使用した樹脂の種類と無機微粒子の種類と使用量とは下記表3に示す通りとした。但し、比較例1では無機微粒子を添加せず樹脂のみを成形した。
トルエンに分散させた酸化チタン微粒子もしくは酸化ジルコニウム微粒子を、樹脂のアニソール溶液に5分かけて滴下し、これを1時間攪拌した後、溶媒を除去した。得られた有機無機複合組成物を220℃で加熱成形し、厚さ1mmの成形体(レンズ基材)を得た。
実施例1〜12と比較例1〜3で調製した各成形体(レンズ基材)を切削し、断面をTEMで観察して、無機微粒子が樹脂中に均一に分散しているか否かを確認した。さらに光線透過率測定と屈折率測定を行った。これらの結果は以下の表3に記載した。
また実施例1〜12の材料組成物は、いずれも耐電圧が−1.0〜7.0kVの範囲内であり、ガラス転移温度が100〜400℃の範囲内であり、250℃で2時間保持した際の揮発成分が2質量%以下であり、飽和吸水率は0.5質量%であった。
また、本発明の有機無機複合組成物は、凹レンズ、凸レンズ等の金型形状に合わせて生産性よく正確にレンズ形状を形成できることを確認した。
Claims (13)
- 疎水性セグメントおよび親水性セグメントで構成されるブロック共重合体と、数平均粒子径が1nm〜15nmの無機微粒子とを含む有機無機複合組成物であって、波長589nmにおける屈折率が1.60以上である有機無機複合組成物。
- 前記ブロック共重合体が、前記無機微粒子と任意の化学結合を形成しうる官能基を有することを特徴とする請求項1に記載の有機無機複合組成物。
- 前記ブロック共重合体が、下記から選ばれる官能基を有する熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項1または2に記載の有機無機複合材料成形物。
- 前記官能基の含有量が前記ブロック共重合体の全体に対して0.05〜5.0mmol/gであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の有機無機複合材料成形物。
- 前記無機微粒子が屈折率が1.90〜3.00の金属酸化物微粒子であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の有機無機複合材料成形物。
- 前記無機微粒子が酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、または酸化チタンを含有する微粒子であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の有機無機複合材料成形物。
- 前記無機微粒子を20質量%以上含むことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の有機無機複合組成物。
- 熱可塑性であることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一項に記載の有機無機複合組成物。
- 請求項1〜8のいずれか一項に記載の有機無機複合組成物を成形した成形体。
- 波長589nmにおいて厚さ1mm換算の光線透過率が70%以上であることを特徴とする請求項9に記載の成形体。
- 最大厚みが0.1mm以上であることを特徴とする請求項9または10に記載の成形体。
- 請求項9〜11のいずれか一項に記載の成形体からなることを特徴とする光学部品。
- レンズ基材であることを特徴とする請求項12に記載の光学部品。
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