JP2009195794A - Method of preparing structural color membrane, substrate coated with structural color membrane, and structural color membrane - Google Patents

Method of preparing structural color membrane, substrate coated with structural color membrane, and structural color membrane Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of preparing a structural color membrane capable of preparing one having a large surface area without defects such as a crack, peeling-off or falling-off and one having an arbitrary intended shape, and a structural color membrane of a large surface area comprised primarily of a metal oxide which membrane is characterized by having a structural color developed by the presence of spherical voids forming a three-dimensional periodic structure. <P>SOLUTION: The method of preparing a structural color membrane comprises applying an aqueous paint composition comprised of a metal oxide obtained by the sol-gel reaction of a metal alkoxide and of hollow polymer particles of a monodispersion type onto a solid substrate having heat resistance at a temperature of 250°C or higher to obtain a coated substrate, and subsequently calcining the resulting coated substrate. The structural color membrane is characterized by having an inverse opal structure comprised of the metal oxide prepared by the sol-gel reaction of a metal alkoxide as its principal constituent with the length of the shortest side of the membrane plane being at least 1,000 times greater relative to the thickness of the membrane. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、亀裂や剥離、脱落などの欠陥のない大面積の構造色膜作製を容易に可能とする構造色膜の製造方法、及び金属光沢を有し鮮やかな発色を示す構造色膜に関する。   The present invention relates to a method for producing a structural color film that can easily produce a large-area structural color film free from defects such as cracks, peeling and dropping, and a structural color film having a metallic luster and showing vivid color.

一般の着色性塗膜材料は、色素として染料や顔料を内部に包含したものであり、この色素の分子構造に基づく光の吸収もしくは反射によって着色するものである。このような染料や顔料による着色は、光エネルギーによってしばしば化学反応を引き起こし、変色や褪色の原因となる。これに対し、材料の物理的な構造に基づく光の屈折、回折、散乱や干渉効果を利用した発色は、材料による光エネルギーの吸収が無いために変色や褪色を引き起こすことがなく、構造が壊れない限り半永久的に安定な着色を与えることができる。このような光学的な回折や干渉効果による発色現象は「構造色」と呼ばれ、宝石のオパールやモルフォ蝶のハネの発色現象として広く知られているように、金属光沢を示す鮮やかな発色であり、さらに、対象物である材料に対する光源や観測の角度により干渉条件が変化し、明るさや色が変化する非常に意匠性の高いものである。   A general coloring film material contains a dye or a pigment inside as a coloring matter, and is colored by absorption or reflection of light based on the molecular structure of the coloring matter. Coloring with such dyes and pigments often causes a chemical reaction by light energy, causing discoloration and discoloration. On the other hand, color development using light refraction, diffraction, scattering and interference effects based on the physical structure of the material will not cause discoloration or discoloration due to the absence of light energy absorption by the material, and the structure will be broken. As long as it is not, permanent and stable coloring can be given. This color phenomenon due to optical diffraction and interference effect is called “structural color”, and it is a vivid color that shows metallic luster, as is widely known as the color development phenomenon of gem opal and morpho butterfly honey. Furthermore, the interference condition changes depending on the light source and the observation angle with respect to the material that is the object, and the brightness and color change.

光の回折・干渉効果を利用する構造色発色材料として、一次元的な屈折率の周期構造を有する積層構造を利用する方法が知られており、積層する材料と、その屈折率によって、発色を制御することができる(例えば、非特許文献1参照。)。この原理を用いた特殊な顔料や着色剤は既に開発されており、例えば、雲母、アルミナ、シリカ、酸化チタン等の小薄片上にシリカ、酸化チタン、アルミナ、酸化鉄等の無機酸化物を単層、もしくは多層設けたものである。その大きさは、通常、数ミクロンから数十ミクロン程度の面積で、基本的に大面積の構造色膜を構成するものではない。   As a structural color coloring material that utilizes the diffraction / interference effect of light, a method using a laminated structure having a periodic structure with a one-dimensional refractive index is known. Color development is achieved by the material to be laminated and its refractive index. (For example, refer nonpatent literature 1.). Special pigments and colorants using this principle have already been developed. For example, inorganic oxides such as silica, titanium oxide, alumina, and iron oxide are simply applied on small flakes such as mica, alumina, silica, and titanium oxide. Layers or multilayers are provided. The size is usually an area of about several microns to several tens of microns and basically does not constitute a structural color film having a large area.

又、粒径のそろった微粒子が規則的に配列した、いわゆる「オパール」構造を作製すると、微粒子の配列構造により光の回折、干渉が起こり、鮮やかな発色が認められることが知られており、配列させる微粒子の粒径を制御することで発色の中心色を変えることができ、この原理を利用した構造色膜も提案されている(例えば、特許文献1〜4、非特許文献2参照。)。しかしながら、これら微粒子を規則配列させる技術では、基本的に微粒子間、および、基材と微粒子配列膜の間に強い接着はなく、接触や温度変化によって容易に膜は剥離、脱落し、膜自身の安定性が悪いという問題があった。   In addition, it is known that when a so-called "opal" structure in which fine particles having a uniform particle size are regularly arranged is produced, light diffraction and interference occur due to the fine particle arrangement structure, and vivid color development is recognized. The central color of color development can be changed by controlling the particle size of the arranged fine particles, and structural color films using this principle have also been proposed (see, for example, Patent Documents 1 to 4 and Non-Patent Document 2). . However, in the technology for regularly arranging these fine particles, there is basically no strong adhesion between the fine particles and between the base material and the fine particle arrangement film, and the film easily peels off and drops by contact or temperature change, and the film itself There was a problem of poor stability.

一方、微粒子の配列構造そのものを利用するのでなく、微粒子配列膜をテンプレート(鋳型)として、微粒子配列膜の空隙中に別の物質を充填した後、微粒子を除去することで周期的な多孔構造を形成し構造色膜とする技術も提案されている。例えば、ポリスチレン微粒子の分散液を吸引濾過してコロイド結晶体を作成し、この上から金属アルコキシドの溶液を滴下して微粒子間に浸透させ、これを焼成することによって微粒子間に金属酸化物の連続体構造を形成し、その後ポリスチレンを除去して逆オパール構造を作成する方法(例えば、非特許文献3参照。)、高分子微粒子からなるコロイド分散液を遠心法によって沈降、配列させてコロイド結晶体を作製し、これを粉末状に砕いた後、この上から金属アルコキシドの溶液を滴下して微粒子間に浸透させ、これを焼成することによって微粒子間に金属酸化物の連続体構造を形成し、高分子を除去して逆オパール構造を作成する方法(例えば、非特許文献4参照。)、沈降法によって得られたコロイド結晶体の微粒子間にCVDでゲルマニウムを充填する方法(例えば、非特許文献5参照。)、コロイド結晶体を電極基板上に作成し、この粒子間に電気化学的に金属を充填して、加熱、もしくは酸処理することによって逆オパール構造を作成する方法(例えば、特許文献5参照。)などが開示されている。   On the other hand, instead of using the fine particle arrangement structure itself, the fine particle arrangement film is used as a template (template), and after filling the voids of the fine particle arrangement film with another substance, the fine particles are removed to form a periodic porous structure. A technique for forming a structural color film has also been proposed. For example, a colloidal crystal is prepared by suction filtration of a dispersion of polystyrene fine particles, and a metal alkoxide solution is dropped from the top to penetrate between the fine particles. A method of forming a body structure and then removing polystyrene to create an inverse opal structure (see, for example, Non-Patent Document 3), colloidal dispersions composed of polymer fine particles are precipitated and arranged by centrifugation, and colloidal crystals After pulverizing this into a powder, a metal alkoxide solution is dropped from above to infiltrate between the fine particles, and this is fired to form a metal oxide continuum structure between the fine particles, A method of creating an inverted opal structure by removing a polymer (see, for example, Non-Patent Document 4), and by means of CVD between fine particles of a colloidal crystal obtained by a precipitation method. A method of filling with rumanium (for example, refer to Non-Patent Document 5), a colloidal crystal body is formed on an electrode substrate, a metal is filled between the particles electrochemically, and heated or acid-treated to reverse. A method of creating an opal structure (see, for example, Patent Document 5) is disclosed.

しかしながら、以上の方法では、コロイド結晶体の作製後、密に充填された非常に狭い粒子間の空隙に有機もしくは無機材料を充填していくので、表面の空隙部がこれらの材料で満たされると、それより奥には入り込めなくなり、粒子間の空隙が充分に満たされず、不均一な周期構造となってしまう問題点があった。さらに、充填されなかった余剰の無機材料は周期構造を持たない連続体を形成するため、この場合には周期構造を示す部位と周期構造を持たない部分が混在した不均一な材料となる問題があった。また逆オパール構造を有する三次元周期構造体部分は、粒子同士が接触した鋳型を用いているため、接点で孔が連結した脆弱な構造となり、焼成に伴う収縮によって亀裂が入るため、構造を維持しにくい。この不均一性と強度の問題は、材料が大きなものになればなるほどさらに深刻になるので、基本的に大面積の構造色膜を作製することは困難であった。   However, in the above method, after the production of the colloidal crystal, the space between the closely packed very narrow particles is filled with an organic or inorganic material, so that the surface void is filled with these materials. However, there is a problem that it cannot enter deeper than that, and the voids between the particles are not sufficiently filled, resulting in a non-uniform periodic structure. Furthermore, since the excess inorganic material that has not been filled forms a continuum that does not have a periodic structure, in this case, there is a problem that a non-uniform material in which a portion having a periodic structure and a portion having no periodic structure are mixed is present. there were. In addition, the three-dimensional periodic structure part with an inverse opal structure uses a mold in which particles are in contact with each other, so it becomes a fragile structure where holes are connected at the contact points, and cracks are generated due to shrinkage caused by firing, so the structure is maintained. Hard to do. This problem of non-uniformity and strength becomes more serious as the material becomes larger, so it is basically difficult to produce a structural color film with a large area.

この不均一性と強度の問題を解決するために、本発明者は既に、微粒子をコア部とし、架橋された親水性有機高分子化合物をシェル部として有するコア−シェル粒子を、水または親水性溶媒に分散させたゾルに、金属系アルコキシドを加えて該アルコキシドのゾル−ゲル反応により有機無機複合三次元周期構造体を簡便に作製し、これを焼成して得られた構造体のコア部を除去することにより、逆オパール構造を有する無機酸化物周期構造体を得る技術を開示している(特許文献6参照。)。この技術では、微粒子配列膜を乾燥させることなく、架橋されたヒドロゲル層をゾル−ゲル反応の反応場として利用するため、微粒子間に均一で充分厚い無機酸化物層を容易に形成させることができることから強固な逆オパール型構造になり、従って従来の方法に比べて大きな三次元周期多孔構造体を得ることが可能である。しかしながら、この方法では、コア−シェル型微粒子の分散ゾルを基板上に塗布し、これを金属系アルコキシド中に浸漬させ、シェル層中でゾル−ゲル反応を起こさせて微粒子配列構造を固定化するので、基板は、金属系アルコキシドに対して安定な材料であることが必要となる。さらに、基板全体を浸漬するため、大型の構造色膜を得るためにはその基板の大きさに合わせて大きな浸漬槽を用意する必要があり、金属系アルコキシドの使用量も多くなるといった実用上の課題が残されていた。また、この方法で基板上に作製したコア−シェル型微粒子からなる三次元周期構造体は、シェル層中でのゾルゲル反応によって、それ自体は強固な有機無機複合三次元周期構造体を形成するものの、共有結合に基づく、強固な基板との接着は元々存在しない。従って、大きな構造色膜を得ようとすると、ゾル−ゲル反応の進行に伴って基板から剥離する場合や、焼成時に基板から剥離する場合がある。このように膜が剥離する場合には、局所的な応力がかかり、結果として、得られる構造色膜が反ったり、巻いたりして膜に亀裂が入りやすく、大型の構造色膜、或いは構造色被覆基材が得られにくい。   In order to solve the problem of non-uniformity and strength, the present inventor has already used core-shell particles having fine particles as a core portion and crosslinked hydrophilic organic polymer compounds as shell portions as water or hydrophilicity. A metal-based alkoxide is added to a sol dispersed in a solvent, and an organic-inorganic composite three-dimensional periodic structure is simply produced by a sol-gel reaction of the alkoxide, and the core portion of the structure obtained by firing this is formed. The technique which obtains the inorganic oxide periodic structure which has an inverse opal structure by removing is disclosed (refer patent document 6). In this technique, since the crosslinked hydrogel layer is used as a reaction field for the sol-gel reaction without drying the fine particle arrangement film, a uniform and sufficiently thick inorganic oxide layer can be easily formed between the fine particles. Therefore, it is possible to obtain a large three-dimensional periodic porous structure as compared with the conventional method. However, in this method, a dispersion sol of core-shell type fine particles is applied onto a substrate, and this is immersed in a metal alkoxide, and a sol-gel reaction is caused in the shell layer to fix the fine particle arrangement structure. Therefore, the substrate is required to be a material that is stable with respect to the metal alkoxide. Furthermore, since the entire substrate is immersed, in order to obtain a large structural color film, it is necessary to prepare a large immersion tank according to the size of the substrate, and the usage amount of metal alkoxide increases. There were still challenges. In addition, the three-dimensional periodic structure composed of core-shell type fine particles produced on the substrate by this method itself forms a strong organic-inorganic composite three-dimensional periodic structure by a sol-gel reaction in the shell layer. There is originally no adhesion to a strong substrate based on covalent bonds. Therefore, when trying to obtain a large structural color film, it may peel from the substrate as the sol-gel reaction proceeds, or may peel from the substrate during firing. When the film is peeled off in this way, a local stress is applied, and as a result, the resulting structural color film is warped or rolled, and the film is prone to cracks, resulting in a large structural color film or structural color. It is difficult to obtain a coated substrate.

特開平8−234007号公報JP-A-8-234007 特開2001−206719号公報JP 2001-206719 A 特開2004−269922号公報JP 2004-269922 A 特表2004−514558号公報JP-T-2004-514558 特開2000−233998号公報JP 2000-233998 A 特開2006−213534号公報JP 2006-213534 A Pfaff他一名、Chemical Reviews、99巻、1999,1963−1981Pfaff et al., Chemical Reviews, Vol. 99, 1999, 1963-1981 Raul Maypral 他9名、Advanced Materials 第9巻、1997年、p.257Raul Maypral and 9 others, Advanced Materials, Vol. 9, 1997, p. 257 Brian T.Holland、他2名,「サイエンス(Science)」,第281巻,1998年,p.538−540Brian T. Holland, et al., “Science”, Vol. 281, 1998, p. 538-540 Rick C.Schroden、他3名、“インバース・オパール・フォトニッククリスタルズ ラボラトリー ガイド”、[online]、2001年10月30日、ミネソタ大学、[平成16年9月21日]、インターネット<URL:http://www.mrsec.umn.edu/ehr/InverseOpal.Guide.pdf>Rick C.I. Schroden and three others, “Inverse Opal Photonic Crystals Laboratory Guide”, [online], October 30, 2001, University of Minnesota, [September 21, 2004], Internet <URL: http: // / Www. mrsec. umn. edu / ehr / InverseOpal. Guide. pdf> Hernan Miguez、他10名,「アドヴァンスド・マテリアルズ(Advanced Materials)」,第13巻,第21号,2001年,p.1634−1637Hernan Miguez, 10 others, “Advanced Materials”, Vol. 13, No. 21, 2001, p. 1634-1637

上記実情に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、亀裂や剥離、脱落などの欠陥のない大面積での構造色膜作製や、任意形状への構造色膜作製を可能とする構造色膜の製造方法、及び主として金属酸化物からなる大面積の薄膜であり、かつ薄膜内部には球状の空孔が三次元周期的に存在することによって構造色を有することを特徴とする構造色膜を提供することにある。   In view of the above situation, the problem to be solved by the present invention is a structural color film capable of producing a structural color film in a large area free from defects such as cracks, peeling and dropping, and a structural color film in an arbitrary shape. And a structural color film characterized by having a structural color due to three-dimensional periodic existence of spherical vacancies inside the thin film, and a large-area thin film mainly composed of a metal oxide It is to provide.

上記の課題を解決するために、本発明者らは、鋭意検討を行ったところ、金属アルコキシドのゾルゲル反応で得られる金属酸化物と単分散性の中空ポリマー粒子とを含有する水性塗料組成物は、固体基材表面に塗布した際、膜形成過程で、該中空ポリマー粒子の最密充填配列に沿って、金属酸化物ゾルが硬化されるため、塗膜内部は規則性のある中空構造を有し、且つ塗膜表面には半球状の凹凸パターンが形成されている有機無機複合塗膜を形成し、さらにこの塗膜内部の構造は、加熱焼成によっても構造変化することがなく、周期的多孔構造を維持し、構造色を有する塗膜になることを見出し、本発明を完成するに至った。   In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have conducted intensive studies and found that an aqueous coating composition containing a metal oxide obtained by a sol-gel reaction of a metal alkoxide and monodisperse hollow polymer particles is obtained. When applied to the surface of a solid substrate, the metal oxide sol is cured along the close-packed arrangement of the hollow polymer particles during the film formation process, so that the inside of the coating film has a regular hollow structure. In addition, an organic-inorganic composite coating film having a hemispherical concavo-convex pattern is formed on the surface of the coating film, and the structure inside the coating film does not change even when heated and fired. The present inventors have found that a coating film having a structural color is maintained, and the present invention has been completed.

即ち、本発明は、
(1)250℃以上の耐熱性を有する固体基材(X1)上に、金属アルコキシド(a)のゾルゲル反応で得られる金属酸化物(A)と、単分散性の中空ポリマー粒子(B)と、を含有する水性塗料組成物を塗布し塗装基材を得る工程、
(2)(1)で得られた塗装基材を焼成する工程、
を有することを特徴とする構造色膜の製造方法を提供するものである。
That is, the present invention
(1) On a solid substrate (X1) having a heat resistance of 250 ° C. or higher, a metal oxide (A) obtained by a sol-gel reaction of a metal alkoxide (a), monodisperse hollow polymer particles (B), A step of applying a water-based coating composition containing, to obtain a coated substrate,
(2) A step of firing the coated substrate obtained in (1),
The present invention provides a method for producing a structural color film characterized by comprising:

更に、本発明は、
(1)固体基材(X2)上に、金属アルコキシド(a)のゾルゲル反応で得られる金属酸化物(A)と単分散性の中空ポリマー粒子(B)とを含有する水性塗料組成物を塗布し塗装基材を得る工程、
(2)(1)で得られた塗装基材から塗膜を剥離する工程、
(3)(2)で得られた剥離塗膜を焼成する工程、
を有することを特徴とする構造色膜の製造方法を提供するものである。
Furthermore, the present invention provides
(1) An aqueous coating composition containing a metal oxide (A) obtained by a sol-gel reaction of a metal alkoxide (a) and monodisperse hollow polymer particles (B) is applied onto a solid substrate (X2). The process of obtaining a coated substrate,
(2) The process of peeling a coating film from the coating base material obtained by (1),
(3) A step of firing the release coating obtained in (2),
The present invention provides a method for producing a structural color film characterized by comprising:

又本発明は、250℃以上の耐熱性を有する固体基材(X1)が構造色膜で被覆されてなる構造色膜被覆基材であって、該構造色膜が金属酸化物(A)を主構成成分とする逆オパール構造のマトリックスからなるものであり、且つ膜の厚みに対する膜平面の最短辺の長さが1,000倍以上であることを特徴とする構造色膜被覆基材を提供するものである。   The present invention also relates to a structural color film-coated substrate in which a solid base material (X1) having a heat resistance of 250 ° C. or higher is coated with a structural color film, wherein the structural color film comprises a metal oxide (A). Provided is a structural color film-coated substrate comprising a matrix having an inverse opal structure as a main constituent, and the length of the shortest side of the film plane with respect to the film thickness being 1,000 times or more To do.

更に又、本発明は金属酸化物(A)を主構成成分とする逆オパール構造のマトリックスからなり、且つ膜の厚みに対する膜平面の最短辺の長さが1,000倍以上であることを特徴とする構造色膜をも提供するものである。   Furthermore, the present invention comprises a matrix having an inverse opal structure containing the metal oxide (A) as a main constituent, and the length of the shortest side of the film plane with respect to the film thickness is 1,000 times or more. The structural color film is also provided.

本発明の構造色膜の製造方法は、欠陥の無い、内部に三次元周期多孔構造を有する構造色膜を、ガラス、金属、金属酸化物など、種々の固体基材上に任意の形状で容易に作製できる方法であり、又、基材上の膜のみならず、セルフスタンディングの薄膜として得ることができる。この様にして得られる本発明の構造色膜又は構造色膜被覆基材は、大面積であっても割れやカケがなく、均一で鮮やかな発色を発現するものであり、意匠工芸、装飾分野等で好適に用いることができる。更に、光の干渉作用を利用したフォトニッククリスタルや各種センサー、偽造防止コーティング、多孔構造を生かした生体分子・触媒の固定、色素増感型太陽電池、燃料電池、超疎水性または超親水性表面構築、断熱、遮音材料など、多くの分野でも応用することができる。   The method for producing a structural color film of the present invention is easy to form a structural color film having a defect and having a three-dimensional periodic porous structure in any shape on various solid substrates such as glass, metal, and metal oxide. In addition to the film on the substrate, it can be obtained as a self-standing thin film. The structural color film or the structural color film-coated substrate of the present invention obtained in this way is free of cracks and chips even in a large area and expresses a uniform and vivid color, and is used in the design crafts and decoration fields. Etc. can be suitably used. In addition, photonic crystals and various sensors that use light interference, anti-counterfeit coatings, immobilization of biomolecules and catalysts using porous structures, dye-sensitized solar cells, fuel cells, superhydrophobic or superhydrophilic surfaces It can be applied in many fields such as construction, heat insulation, and sound insulation materials.

本発明の構造色膜の製造方法では、金属アルコキシド(a)のゾルゲル反応で得られる金属酸化物(A)と単分散性の中空ポリマー粒子(B)とを含有する水性塗料組成物を塗布し、塗装基材を得る第一工程を有する。該塗装基材とは、固体基材上に、有機無機複合塗膜が形成されたものである。ここで有機無機複合塗膜は、金属酸化物(A)からなるマトリクス中に、単分散性の中空ポリマー粒子(B)が三次元周期構造を持ちながら複合化されていることを特徴とする。金属酸化物(A)からなるマトリクスとは、シリカ、およびケイ素の酸化物を含む金属酸化物材料の連続相が塗膜全体にわたって構築された構造をいうものであり、また、単分散性とは、中空ポリマー粒子の粒径の変動係数が0.1以下のものを言う。   In the method for producing a structural color film of the present invention, an aqueous coating composition containing a metal oxide (A) obtained by a sol-gel reaction of a metal alkoxide (a) and monodisperse hollow polymer particles (B) is applied. And a first step of obtaining a coated substrate. The coated substrate is obtained by forming an organic-inorganic composite coating film on a solid substrate. Here, the organic-inorganic composite coating film is characterized in that monodisperse hollow polymer particles (B) are combined in a matrix made of a metal oxide (A) while having a three-dimensional periodic structure. The matrix composed of the metal oxide (A) refers to a structure in which a continuous phase of a metal oxide material including an oxide of silica and silicon is constructed over the entire coating film. The hollow polymer particles have a coefficient of variation in particle size of 0.1 or less.

[有機無機複合塗膜]
本発明の第一工程で得られる有機無機複合塗膜は、内部に球状の中空構造、表面には凹凸パターンを有するものである。本発明で言う球状の中空構造とは、金属酸化物の連続相となる塗膜断面に沿って、中空ポリマー粒子が規則的に配列した構造をいうものであって、特に三次元空間で最密充填されてなる規則性多孔体構造であることが好ましい。また、膜表面の凹凸パターンは、塗膜の表面全体にわたって、中空ポリマー粒子の配列により形成された半球状の凹凸構造をいうものであって、最密配列による半球状の凹凸パターンであることが好ましく、該パターンがハニカム状であることが最も好ましい。すなわち、金属酸化物(A)が中空ポリマー粒子(B)の三次元配列構造の全体に沿って連続した膜を形成しており、金属酸化物(A)と中空ポリマー粒子(B)からなる有機化合物とが一体化した自己組織化的な塗膜である。
[Organic inorganic composite coating film]
The organic-inorganic composite coating film obtained in the first step of the present invention has a spherical hollow structure inside and an uneven pattern on the surface. The spherical hollow structure referred to in the present invention refers to a structure in which hollow polymer particles are regularly arranged along the cross section of the coating film, which is a continuous phase of a metal oxide, and is particularly dense in a three-dimensional space. A regular porous structure filled is preferable. Further, the uneven pattern on the film surface refers to a hemispherical uneven structure formed by the arrangement of hollow polymer particles over the entire surface of the coating film, and may be a hemispherical uneven pattern by a close-packed array. Preferably, the pattern is most preferably honeycomb. That is, the metal oxide (A) forms a continuous film along the entire three-dimensional array structure of the hollow polymer particles (B), and an organic material composed of the metal oxide (A) and the hollow polymer particles (B). It is a self-organizing coating film in which a compound is integrated.

本発明において、中空ポリマー粒子(B)が最終的に規則的な三次元周期構造を誘導する理由については以下のように推定することができる。中空ポリマー粒子を含むゾル状塗液において、粒子内外には常に浸透圧が生じる。この浸透圧により、粒子間では一定の排斥相互作用が起こり、粒子と粒子の無秩序の凝集を防ぐことになる。即ち、中空ポリマー粒子(B)はゾル状塗液中すでに一定配列構造を備えている。従って、この塗液を塗布した時には、三次元構造の粒子配列はすでに形成され、ゾル液中の水分とアルコール類の蒸発につれて、ゾルからゲルへの相変換が進行し、そのゲル化塗膜中には配列状態の粒子が閉じ込まれる。ゾルのゲル化過程は粒子外部ないし粒子外表面で進行するが、その際、中空ポリマー粒子(B)中からの水分またはアルコール類は一定時間遅延して放出される。この遅延効果はゲル化したバインダー相の急激な形成を防ぎ、塗膜形成の応力を緩和させる。このような協調の結果、粒子配列構造が維持された安定した大面積塗膜が形成したと考えられる。   In the present invention, the reason why the hollow polymer particles (B) finally induce a regular three-dimensional periodic structure can be estimated as follows. In a sol coating solution containing hollow polymer particles, osmotic pressure is always generated inside and outside the particles. Due to this osmotic pressure, a certain exclusion interaction occurs between the particles, preventing disordered aggregation of the particles. That is, the hollow polymer particles (B) already have a fixed arrangement structure in the sol coating liquid. Therefore, when this coating solution is applied, a three-dimensional particle array is already formed, and phase conversion from sol to gel proceeds as the water and alcohols in the sol solution evaporate. The particles in the array state are closed. The gelation process of the sol proceeds on the outside of the particle or on the outer surface of the particle. At this time, moisture or alcohols from the hollow polymer particle (B) are released with a certain delay. This retarding effect prevents abrupt formation of the gelled binder phase and relaxes the stress of film formation. As a result of such cooperation, it is considered that a stable large-area coating film in which the particle arrangement structure was maintained was formed.

前記有機無機複合塗膜の厚みは後述する中空ポリマー粒子(B)の大きさ、または前記水性塗料組成物の塗布量により、1〜50μmに調整可能である。厚み方向での塗膜断面構造での球状の孔径は、中空ポリマー粒子(B)の大きさによるものであり、40〜780nmの範囲にあることが好ましい。   The thickness of the organic-inorganic composite coating film can be adjusted to 1 to 50 μm depending on the size of the hollow polymer particles (B) described later or the coating amount of the aqueous coating composition. The spherical pore diameter in the cross-sectional structure of the coating film in the thickness direction depends on the size of the hollow polymer particles (B), and is preferably in the range of 40 to 780 nm.

前記有機無機複合塗膜の表面パターンは、基本的には、中空ポリマー粒子(B)の最表面での配列パターンであり、その中空ポリマー粒子(B)の半分当たりが突出したことに由来する凹凸パターン構造である。従って、半球状凹凸パターン構造は、中空ポリマー粒子の直径を反映し、その半球の最大幅は中空ポリマー粒子(B)の直径以下である50〜800nm、凹凸の最大深さは中空ポリマー粒子(B)の最大半径以下の25〜400nmの範囲に制御できる。   The surface pattern of the organic-inorganic composite coating film is basically an arrangement pattern on the outermost surface of the hollow polymer particles (B), and irregularities resulting from protrusion of half of the hollow polymer particles (B). It is a pattern structure. Therefore, the hemispherical uneven pattern structure reflects the diameter of the hollow polymer particles, the maximum width of the hemisphere is 50 to 800 nm which is not more than the diameter of the hollow polymer particles (B), and the maximum depth of the unevenness is the hollow polymer particles (B ) Within the range of 25 to 400 nm which is less than the maximum radius.

また、凹凸パターンは、ハニカム状であることが好ましく、その構造は塗膜表面全体に渡り形成可能である。ハニカム状を形成する隣接凸起部または凹下部間距離は、中空ポリマー粒子(B)の直径増大により広くなるが、概ね中空ポリマー粒子(B)の直径の1.2〜1.5倍に制御できる。   The uneven pattern is preferably in the form of a honeycomb, and the structure can be formed over the entire surface of the coating film. The distance between adjacent protruding portions or concave lower portions forming the honeycomb shape becomes wider as the diameter of the hollow polymer particles (B) increases, but is generally controlled to 1.2 to 1.5 times the diameter of the hollow polymer particles (B). it can.

有機無機複合塗膜中の金属酸化物(A)の含有量としては、30〜90質量%の範囲であることが好ましく、35〜75%の範囲であるとより好ましい。金属酸化物(A)の量が当該範囲内であれば、塗膜全体に均一な金属酸化物のマトリクスを形成できると共に、有機無機複合塗膜の割れが生じにくくなる。   As content of the metal oxide (A) in an organic inorganic composite coating film, it is preferable that it is the range of 30-90 mass%, and it is more preferable in it being the range of 35-75%. If the amount of the metal oxide (A) is within the above range, a uniform metal oxide matrix can be formed on the entire coating film, and cracking of the organic-inorganic composite coating film is less likely to occur.

[固体基材]
本発明で用いる固体基材(X1)としては、前述の有機無機複合塗膜を当該基材上に形成させた後、焼成する工程において基材自身の変化がないものであることを必須とし、具体的には250℃以上の耐熱性を有することが必要である。前記固体基材(X1)の形状や構成成分としては特に限定されるものではなく、金属アルコキシド(a)のゾルゲル反応で得られる金属酸化物(A)と単分散性の中空ポリマー粒子(B)とを含有する水性塗料組成物を塗布可能であればよく、種々のガラス材料、金属材料、無機酸化物材料等からなる基材を好適に用いることができる。このような基材を用いると、塗膜の形成過程で、基材表面の水酸基との縮合反応によって共有結合が形成され、また、親水基や酸化物層と水素結合を形成する等、塗膜と基材との間に強固な結合が形成され、安定な大面積の塗装基材を得ることができる。なお、固体基材が250℃以上の耐熱性を有するということは、当該基材の軟化点もしくは融点が250℃以上であることをいう。
[Solid substrate]
As the solid base material (X1) used in the present invention, it is essential that the organic / inorganic composite coating film is formed on the base material and then the base material itself is not changed in the firing step. Specifically, it is necessary to have heat resistance of 250 ° C. or higher. The shape and components of the solid substrate (X1) are not particularly limited, and the metal oxide (A) obtained by the sol-gel reaction of the metal alkoxide (a) and the monodisperse hollow polymer particles (B) The base material which consists of various glass materials, a metal material, an inorganic oxide material, etc. can be used suitably. When such a substrate is used, in the coating film formation process, a covalent bond is formed by a condensation reaction with a hydroxyl group on the substrate surface, and a hydrogen bond is formed with a hydrophilic group or an oxide layer. A strong bond is formed between the substrate and the substrate, and a stable large-area coated substrate can be obtained. In addition, that a solid base material has heat resistance of 250 degreeC or more means that the softening point or melting | fusing point of the said base material is 250 degreeC or more.

ガラス材料としてはソーダ石灰ガラス、クリスタルガラス、ほうけい酸ガラス、石英ガラスなどを用いることができ、これらのガラス中に金属、金属酸化物等を含んでいても良い。また、金属材料としては、例えば、金、銀、白金、鉄、銅、亜鉛、タングステン、ニッケル、アルミニウム、カーボン、シリコン等の材料を挙げることができ、さらに無機酸化物材料としては、例えば、アルミナ、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化鉄、酸化インジウム、酸化スズ等の一種もしくは複数種の混合酸化物の基材を用いることができ、また、これらの組成に、さらに、LiO、NaO、KO、MgO、CaO、SrO、BaO、B、P等を含有していても良い。 As the glass material, soda lime glass, crystal glass, borosilicate glass, quartz glass, and the like can be used, and these glasses may contain a metal, a metal oxide, or the like. Examples of the metal material include gold, silver, platinum, iron, copper, zinc, tungsten, nickel, aluminum, carbon, silicon, and the like, and examples of the inorganic oxide material include alumina. , Titanium oxide, zirconium oxide, zinc oxide, iron oxide, indium oxide, tin oxide and other mixed oxide base materials can be used, and in addition to these compositions, Li 2 O, Na 2 O, K 2 O, MgO, CaO, SrO, BaO, B 2 O 3 , P 2 O 5 and the like may be contained.

基材の形状としては、板状の基材の他に、棒状、球状、半球状、角錐状など、種々の形状のものを使用することが可能であり、塗布面は、平面状のものに限定されず、曲面を有するものも好適に用いることができる。従って、一般に市販されているグラス、茶碗、皿、タイルなどを基材として用いることが可能である。   As the shape of the substrate, in addition to the plate-like substrate, various shapes such as a rod shape, a spherical shape, a hemispherical shape and a pyramid shape can be used, and the coated surface is a flat shape. It is not limited, What has a curved surface can also be used suitably. Therefore, commercially available glasses, teacups, dishes, tiles, and the like can be used as the base material.

また、基材状への塗布が困難な場合には、予め、基材上にプライマーと呼ばれる地塗り剤を塗工しておいても良い。   In addition, when it is difficult to apply the base material, a base coating called a primer may be applied on the base material in advance.

また、本発明の構造色膜をセルフスタンディングの薄膜(自立膜)として作製する場合に用いる固体基材(X2)としては、前述の固体基材(X1)のような耐熱性を必要とせず、金属アルコキシド(a)のゾルゲル反応で得られる金属酸化物(A)と単分散性の中空ポリマー粒子(B)とを含有する水性塗料組成物を塗布することができる基材であれば、特に制限無く用いることができ、目的に応じて選択可能である。特に一般的な水性の組成物に対しての接着力が弱いポリエチレン、ポリ塩化ビニル等の基材であれば、有機無機複合塗膜を得た後の剥離工程が容易である点から好ましく用いることができる。   Further, the solid substrate (X2) used when the structural color film of the present invention is produced as a self-standing thin film (self-supporting film) does not require heat resistance like the solid substrate (X1) described above, Especially if it is a base material which can apply | coat the aqueous coating composition containing the metal oxide (A) obtained by the sol-gel reaction of a metal alkoxide (a) and a monodisperse hollow polymer particle (B), it will be restrict | limited. It can be used without any limitation and can be selected according to the purpose. In particular, if it is a base material such as polyethylene or polyvinyl chloride having a low adhesive strength to a general aqueous composition, it is preferably used since the peeling step after obtaining the organic-inorganic composite coating film is easy. Can do.

例えば、ポリエチレンやポリ塩化ビニルの基材に、前記水性塗料組成物を塗布した場合、乾燥に伴い前記有機無機複合塗膜が形成されると、その一部、もしくは、全面が表面から剥離する。乾燥後にこれを引き剥がすことによって、独立した有機無機複合塗膜を得ることができる。この後、後述する方法で薄膜状の構造色膜を得ることができる。   For example, when the water-based coating composition is applied to a polyethylene or polyvinyl chloride substrate, when the organic-inorganic composite coating film is formed upon drying, a part or the entire surface thereof peels off from the surface. By peeling it off after drying, an independent organic-inorganic composite coating film can be obtained. Thereafter, a thin structural color film can be obtained by a method described later.

[金属酸化物(A)]
前述の有機無機複合塗膜中の金属酸化物(A)は、金属アルコキシド(a)のゾルゲル反応により得られるものである。加水分解・縮合反応によりシリカ又はケイ素の酸化物を含む金属酸化物のネットワークを形成することができ、強固な塗膜が得られる点から、加水分解可能なアルコキシド基を三価以上有する金属アルコキシドを用いることが好ましい。特にテトラアルコキシシラン等の四価以上の金属アルコキシドを使用する場合には、得られる塗膜の硬度を高くすることができるため好ましい。塗膜硬度を高くする目的で、官能基数の多い金属アルコキシドを使用する場合には、全金属アルコキシド(a)中の四価以上の金属アルコキシドの含有率が、30質量%以上であることが好ましく、50質量%以上であることがより好ましい。
[Metal oxide (A)]
The metal oxide (A) in the organic-inorganic composite coating film is obtained by a sol-gel reaction of the metal alkoxide (a). Metal alkoxides having trivalent or higher alkoxide groups that can be hydrolyzed are capable of forming a metal oxide network containing oxides of silica or silicon by hydrolysis / condensation reaction and obtaining a strong coating film. It is preferable to use it. In particular, when a tetravalent or higher-valent metal alkoxide such as tetraalkoxysilane is used, the hardness of the resulting coating film can be increased, which is preferable. In the case of using a metal alkoxide having a large number of functional groups for the purpose of increasing the coating film hardness, it is preferable that the content of tetravalent or higher metal alkoxide in the total metal alkoxide (a) is 30% by mass or higher. 50% by mass or more is more preferable.

前記金属アルコキシド(a)の金属種としては、例えば、ケイ素、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、ホウ素、ゲルマニウム、亜鉛等が挙げられ、これらの中でもゾルゲル反応が容易である点から、ケイ素、チタン、ジルコニウム、アルミニウムであることが好ましく、工業的入手容易性の点からケイ素であることが特に好ましい。   Examples of the metal species of the metal alkoxide (a) include silicon, titanium, zirconium, aluminum, boron, germanium, and zinc. Among these, sol-gel reaction is easy, and silicon, titanium, zirconium, Aluminum is preferable, and silicon is particularly preferable from the viewpoint of industrial availability.

ケイ素を金属種として有する金属アルコキシドとしては、反応性の官能基を有していても良いアルコキシシラン等を挙げることができる。尚、本発明において特に断りのない限り、アルコキシシランは加水分解反応によりオリゴマー化しているものも含む。オリゴマー化したものは、シラノールとなったシリカゾル状態で使用しても良い。オリゴマー化したアルコキシシランとしては、その平均重合度が2〜20のものを好適に使用することができる。この場合の加水分解反応に用いる触媒としては、各種の酸類、アルカリ類を用いることができる。   Examples of the metal alkoxide having silicon as a metal species include an alkoxysilane which may have a reactive functional group. In the present invention, unless otherwise specified, alkoxysilanes include those oligomerized by a hydrolysis reaction. The oligomerized product may be used in a silica sol state converted to silanol. As the oligomerized alkoxysilane, those having an average degree of polymerization of 2 to 20 can be suitably used. As the catalyst used for the hydrolysis reaction in this case, various acids and alkalis can be used.

前記アルコキシシランとしては、例えば、ジメチルジメトキシシラン、ジエチルジメトキシシラン、メチルエチルジメトキシシラン、ジフェニルジメトキシシラン、フェニルメチルジメトキシシラン等のジアルコキシシラン、メチルトリメトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、プロピルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メタクリロイルプロピルトリメトキシシラン、γ−(2−アミノエチル)アミノプロピルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン等のトリアルコキシシラン、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラ(2−エタノール)オルソシリケート、テトラ(n−プロポキシ)シラン、テトラ(イソプロポキシ)シラン等のテトラアルコキシシラン等が挙げられる。   Examples of the alkoxysilane include dialkoxysilanes such as dimethyldimethoxysilane, diethyldimethoxysilane, methylethyldimethoxysilane, diphenyldimethoxysilane, and phenylmethyldimethoxysilane, methyltrimethoxysilane, ethyltrimethoxysilane, propyltrimethoxysilane, Trialkoxy such as phenyltrimethoxysilane, γ-glycidoxypropyltrimethoxysilane, γ-methacryloylpropyltrimethoxysilane, γ- (2-aminoethyl) aminopropyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, phenyltriethoxysilane Silane, tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetra (2-ethanol) orthosilicate, tetra (n-propoxy) silane, tetra (isopropyl) Epoxy) tetraalkoxysilane such as silane.

更に官能基を有するアルコキシシランとしては、例えば、ハロゲンを有するシラン類として、テトラクロロシラン、メチルトリクロロシランといったクロロシラン等が挙げられる。   Furthermore, examples of the alkoxysilane having a functional group include chlorosilanes such as tetrachlorosilane and methyltrichlorosilane as halogen-containing silanes.

チタンを金属種として有する金属アルコキシドとしては、例えば、テトライソプロポキシチタン、テトラエトキシチタン、テトラブトキシチタン、テトラプロポキシチタン等のアルコキシチタンが挙げられ、また、チタンアセチルアセトナート、チタンオクチレングリコール、チタンテトラアセチルアセトナート、チタンエチルアセテート等、チタンの金属アルコキシドから調製される種々のチタンキレートを用いても良い。アルミニウムを金属種として有する金属アルコキシドとしては、例えば、トリエトキシアルミニウム等のアルコキシアルミニウムが挙げられる。   Examples of the metal alkoxide having titanium as a metal species include alkoxytitanium such as tetraisopropoxytitanium, tetraethoxytitanium, tetrabutoxytitanium, and tetrapropoxytitanium, and titanium acetylacetonate, titanium octylene glycol, and titanium. Various titanium chelates prepared from a metal alkoxide of titanium such as tetraacetylacetonate and titanium ethyl acetate may be used. Examples of the metal alkoxide having aluminum as a metal species include alkoxyaluminum such as triethoxyaluminum.

これらの金属アルコキシド(a)は、単独で用いても、二種以上を併用しても良いが、得られる複合塗膜の硬度を高くするためには、二価以下のアルコキシシランやアルコキシチタン、アルコキシアルミニウム等のシラン以外の金属種を有する金属アルコキシドの使用割合を、全金属アルコキシド(a)中、10質量%以下にすることが好ましい。   These metal alkoxides (a) may be used singly or in combination of two or more, but in order to increase the hardness of the resulting composite coating film, divalent or lower valent alkoxysilane, alkoxy titanium, The proportion of metal alkoxide having a metal species other than silane such as alkoxyaluminum is preferably 10% by mass or less in the total metal alkoxide (a).

[中空ポリマー粒子]
前記有機無機複合塗膜において使用する中空ポリマー粒子(B)は、前述の金属酸化物(A)と複合化でき、単分散性であればよいが、その該表面が親水性であって水性媒体中で安定に分散しているものが好ましい。また、該中空ポリマー粒子の殻壁が薄いことが、得られる有機無機複合塗膜内部の多孔体構造と表面の凹凸構造を形成しやすく、ひいては目的とする構造色膜の発色の点から好ましい。この様な中空ポリマー粒子が容易に得られる点から、本発明で用いる中空ポリマー粒子(B)は、ラジカル重合性の水溶性モノマー(b1)とラジカル重合性の非水溶性モノマー(b2)とを水性媒体中で擬エマルジョン形式のラジカル重合反応を行うことにより得られるものであることが最も好ましい。
[Hollow polymer particles]
The hollow polymer particles (B) used in the organic / inorganic composite coating film can be combined with the metal oxide (A) described above and may be monodisperse, but the surface thereof is hydrophilic and the aqueous medium Among these, those that are stably dispersed are preferred. In addition, it is preferable that the hollow polymer particles have a thin shell wall from the viewpoint of color formation of the intended structural color film because the porous structure inside the resulting organic-inorganic composite coating film and the uneven structure on the surface can be easily formed. From the point that such hollow polymer particles can be easily obtained, the hollow polymer particles (B) used in the present invention comprise a radical polymerizable water-soluble monomer (b1) and a radical polymerizable water-insoluble monomer (b2). Most preferably, it is obtained by carrying out a pseudo-emulsion type radical polymerization reaction in an aqueous medium.

ラジカル重合性の水溶性モノマー(b1)と、ラジカル重合性の非水溶性モノマー(b2)とを含有する単量体群を水性媒体中で共重合する際に、水溶性モノマー(b1)は非水溶性モノマー(b2)に比べ、そのモル濃度は非常に低い。水溶性開始剤を用いて重合を行うと、水溶性モノマー(b1)が優先的に重合され、該モノマー(b1)由来の親水性のセグメントが形成される。ところが、末端ラジカルの親水性のセグメントが一定の大きさに成長すると、重合度の増大等の要因により非水溶性モノマーの液滴との間にdepletion(枯渇)相互作用が強く誘導され、その液滴表面に成長中の親水性セグメントが濃縮される現象が起こる。言い換えれば、親水性セグメントの成長末端周辺は、非水溶性モノマー(b2)で埋まる状態になる。従って、親水性セグメントのラジカル成長末端には非水溶性モノマー(b2)の付加反応が始まり、非水溶性モノマー(b2)の重合が急速に進行し、その結果、二つの相反する性質のセグメントを有する共重合体が生成する。このようにして生成した疎水性セグメントと親水性セグメントとを有する共重合体は、いわゆる高分子界面活性剤として働き、重合反応途中、該共重合体は自発的に疎水セグメントがサンドイッチされたような二分子膜ポリマー会合体粒子(ポリマーベシクル)へ集合する。その結果、残存する多くの非水溶性モノマー(b2)はその会合体粒子の膜中に取り込まれながら重合し、最終的にはポリマーベシクル構造に類似した内外表面が親水性であり、殻壁の厚みが薄い中空ポリマー粒子が与えられる。本発明では、上記のような重合過程を擬エマルジョン重合と定義する。   When the monomer group containing the radically polymerizable water-soluble monomer (b1) and the radically polymerizable water-insoluble monomer (b2) is copolymerized in an aqueous medium, the water-soluble monomer (b1) is not Compared to the water-soluble monomer (b2), its molar concentration is very low. When the polymerization is carried out using a water-soluble initiator, the water-soluble monomer (b1) is preferentially polymerized to form a hydrophilic segment derived from the monomer (b1). However, when the hydrophilic segment of the terminal radical grows to a certain size, a depletion interaction is strongly induced between the water-insoluble monomer droplets due to factors such as an increase in the degree of polymerization. A phenomenon occurs in which the growing hydrophilic segment is concentrated on the droplet surface. In other words, the periphery of the growth end of the hydrophilic segment is filled with the water-insoluble monomer (b2). Accordingly, the addition reaction of the water-insoluble monomer (b2) starts at the radical growth terminal of the hydrophilic segment, and the polymerization of the water-insoluble monomer (b2) proceeds rapidly. The copolymer which has is produced | generated. The copolymer having the hydrophobic segment and the hydrophilic segment thus produced acts as a so-called polymer surfactant, and during the polymerization reaction, the copolymer spontaneously sandwiches the hydrophobic segment. Aggregates into bilayer polymer aggregate particles (polymer vesicles). As a result, a large amount of the remaining water-insoluble monomer (b2) is polymerized while being taken into the film of the aggregated particles, and finally the inner and outer surfaces similar to the polymer vesicle structure are hydrophilic, and the shell wall Thin hollow polymer particles are provided. In the present invention, the above polymerization process is defined as pseudoemulsion polymerization.

この様にして得られる中空ポリマー粒子の平均粒子径や殻壁の厚みは、目的に応じて調整可能である。前記有機無機複合塗膜において、塗膜内部の中空構造を維持しながら、塗膜全体としての強度を発現させ、目的とする構造色膜の強度を高めるためには、該中空ポリマー粒子(B)の殻壁厚みが10nm以上20nm以下で平均粒径が50nm以上150nm未満の粒子、または殻壁厚みが10nm以上80nm以下で平均粒径が150nm以上800nm以下の粒子であることが好ましい。   The average particle diameter and the shell wall thickness of the hollow polymer particles thus obtained can be adjusted according to the purpose. In the organic-inorganic composite coating film, the hollow polymer particles (B) are used for developing the strength of the entire coating film while maintaining the hollow structure inside the coating film and increasing the strength of the target structural color film. The shell wall thickness is preferably 10 nm to 20 nm and the average particle size is 50 nm to less than 150 nm, or the shell wall thickness is 10 nm to 80 nm and the average particle size is 150 nm to 800 nm.

前記ラジカル重合性の水溶性モノマー(b1)としては、特に限定されるものではないが、25℃の蒸留水に対して1.0質量%以上溶解するものであることが好ましく、蒸留水と任意に混和可能であるものがより好ましく、その構造中に例えば、アミド基、アミノ基、オキシアルキレン鎖、シアノ基、酸無水物基等を有するもの、また、例えばカルボキシ基、ヒドロキシ基、スルホン酸基、リン酸基等を有するもの、及びこれらのアルカリ金属塩又はアンモニウム塩を有するものを用いることができる。具体的には、アミド基を有する水溶性モノマーとしては、例えばアクリルアミドやN−エチルアクリルアミド、N−エチルメタクリルアミド、N−イソプロピルアクリルアミド、N−イソプロピルメタクリルアミド、N−n−プロピルアクリルアミド、N−n−プロピルメタクリルアミド、N−シクロプロピルアクリルアミド、N−シクロプロピルメタクリルアミド、N,N―ジメチルアクリルアミド、N,N―ジエチルアクリルアミド、N,N−ジメチルアミノプロピルアクリルアミド、N−メチル−N−エチルアクリルアミド、N−メチル−N−イソプロピルアクリルアミド、N−メチル−N−n−プロピルアクリルアミド等のN−置換(メタ)アクリルアミドやN−ジ置換(メタ)アクリルアミド、N−ヒドロキシエチルアクリルアミド、アクリロイルモルフォリン、N−ビニルピロリドン、ダイアセトンアクリルアミド、N,N’−メチレンビスアクリルアミド等が挙げられる。アミノ基を有する水溶性モノマーとしては、例えば、アリルアミン、N,N―ジメチルアミノエチルアクリレート、ジメチルアミノエチルメタクリレート等が挙げられる。また、カルボキシ基を有する水溶性モノマーとしては、アクリル酸、メタクリル酸、マレイン酸等が挙げられ、ヒドロキシ基を有する水溶性モノマーとしては、2−ヒドロキシエチルアクリレート、2−ヒドロキシプロピルアクリレート、2−ヒドロキシエチルメタクリレート、2−ヒドロキシプロピルメタクリレート、4−ヒドロキシブチルアクリレート、1,4−シクロヘキサンジメタノールモノアクリレート等を挙げることができる。スルホン酸基を有する水溶性モノマーとしては、スチレンスルホン酸、スチレンスルホン酸ナトリウム、スチレンスルホン酸リチウム、スチレンスルホン酸アンモニウム、スチレンスルホン酸エチルエステル、スチレンスルホン酸シクロヘキシルエステル、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸等が挙げられる。さらにビニルピリジンやグリシジルメタクリレートに有機アミンを反応させて合成したモノマーを四級化させて得られる、四級化モノマーを用いても良い。   The radically polymerizable water-soluble monomer (b1) is not particularly limited, but is preferably one that dissolves 1.0% by mass or more with respect to 25 ° C. distilled water. More preferable are those that are miscible with, for example, an amide group, an amino group, an oxyalkylene chain, a cyano group, an acid anhydride group, etc. Those having a phosphate group and the like, and those having an alkali metal salt or an ammonium salt thereof can be used. Specifically, examples of the water-soluble monomer having an amide group include acrylamide, N-ethylacrylamide, N-ethylmethacrylamide, N-isopropylacrylamide, N-isopropylmethacrylamide, Nn-propylacrylamide, Nn. -Propylmethacrylamide, N-cyclopropylacrylamide, N-cyclopropylmethacrylamide, N, N-dimethylacrylamide, N, N-diethylacrylamide, N, N-dimethylaminopropylacrylamide, N-methyl-N-ethylacrylamide, N-substituted (meth) acrylamide such as N-methyl-N-isopropylacrylamide, N-methyl-Nn-propylacrylamide, N-disubstituted (meth) acrylamide, N-hydroxyethylacrylamide , Acryloyl morpholine, N- vinylpyrrolidone, diacetone acrylamide, N, N'-methylene bis-acrylamide. Examples of the water-soluble monomer having an amino group include allylamine, N, N-dimethylaminoethyl acrylate, dimethylaminoethyl methacrylate, and the like. Examples of the water-soluble monomer having a carboxy group include acrylic acid, methacrylic acid, and maleic acid. Examples of the water-soluble monomer having a hydroxy group include 2-hydroxyethyl acrylate, 2-hydroxypropyl acrylate, and 2-hydroxy Examples thereof include ethyl methacrylate, 2-hydroxypropyl methacrylate, 4-hydroxybutyl acrylate, 1,4-cyclohexanedimethanol monoacrylate and the like. Examples of water-soluble monomers having a sulfonic acid group include styrene sulfonic acid, sodium styrene sulfonate, lithium styrene sulfonate, ammonium styrene sulfonate, ethyl styrene sulfonate, cyclohexyl styrene ester, 2-acrylamido-2-methylpropane A sulfonic acid etc. are mentioned. Furthermore, a quaternized monomer obtained by quaternizing a monomer synthesized by reacting vinyl pyridine or glycidyl methacrylate with an organic amine may be used.

これらの水溶性モノマー(b1)の中でも、その構造中にアミド基、アミノ基、カルボキシ基又はその塩、スルホン酸基又はその塩を有するものは、工業的入手容易性、水溶性、ラジカル重合容易性等に優れる点から好ましいものである。   Among these water-soluble monomers (b1), those having an amide group, amino group, carboxy group or salt thereof, sulfonic acid group or salt thereof in the structure are industrially available, water-soluble, and easily radically polymerized. From the viewpoint of excellent properties and the like, it is preferable.

更に、N−置換アクリルアミドやN,N−ジ置換アクリルアミドは、疎水性基と親水性基とを1分子中に有する点から、界面活性作用を有すると考えられ、また、その単独重合体は、重合度や水性媒体の温度によって水溶性の度合いが変化するという特異な性質を有する。これらの性質によって、前述の反応機構が容易に達成されることになり、本発明で用いる中空ポリマー粒子(B)をより容易に製造することができる。   Furthermore, N-substituted acrylamide and N, N-disubstituted acrylamide are considered to have a surface-active action from the viewpoint of having a hydrophobic group and a hydrophilic group in one molecule, and the homopolymers thereof are: It has a unique property that the degree of water solubility varies depending on the degree of polymerization and the temperature of the aqueous medium. By these properties, the reaction mechanism described above can be easily achieved, and the hollow polymer particles (B) used in the present invention can be more easily produced.

前記ラジカル重合性の非水溶性モノマー(b2)としては、前記の水溶性モノマー(b1)と共重合可能な基を有するものであれば、種々のモノマーを用いることが可能であるが、25℃の蒸留水に対する溶解度が0.5質量%以下であることが好ましく、特に前記の水溶性モノマー(b1)との反応性に優れ、且つ工業的入手が容易である点から、アクリレートやメタクリレートであることが好ましい。   As the radical polymerizable water-insoluble monomer (b2), various monomers can be used as long as they have a group copolymerizable with the water-soluble monomer (b1). It is preferable that the solubility in distilled water is 0.5% by mass or less, particularly acrylate and methacrylate from the viewpoint of excellent reactivity with the water-soluble monomer (b1) and easy industrial availability. It is preferable.

アクリレートとしては、例えば、アクリル酸ブチル、アクリル酸ラウリル、アクリル酸シクロヘキシル、アクリル酸フェニル、アクリル酸イソボニル、アクリル酸グリシジル、tert−ブチル−α−トリフルオロメチルアクリレート、1−アダマンチル−α−トリフルオロメチルアクリレート、(3−メチル−3−オキセタニル)メチルアクリレート、アクリロイルプロピルトリメトキシシラン、アクリロイルプロピルトリエトキシシラン、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル等を挙げることが出来る。   Examples of the acrylate include butyl acrylate, lauryl acrylate, cyclohexyl acrylate, phenyl acrylate, isobornyl acrylate, glycidyl acrylate, tert-butyl-α-trifluoromethyl acrylate, 1-adamantyl-α-trifluoromethyl. Examples thereof include acrylate, (3-methyl-3-oxetanyl) methyl acrylate, acryloylpropyltrimethoxysilane, acryloylpropyltriethoxysilane, methyl acrylate, and ethyl acrylate.

また、メタクリレートとしては、例えば、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸n−ブチル、メタクリル酸−i−ブチル、メクリル酸シクロヘキシル、メタクリル酸ラウリル、メタクリル酸ステアリル、メタクリル酸グリシジル、メタクリル酸アリル、2,2,2−トリフルオロエチルメタクリレート、(3−メチル−3−オキセタニル)メチルメタクリレート、メタクリロイルプロピルトリメトキシシラン、メタクリロイルプロピルトリエトキシシラン等を挙げることが出来る。これらラジカル重合性の非水溶性モノマー(b1)は、単独でも2種以上を混合して用いることもできる。以下、本文中で使用する(メタ)アクリレートは特に断りのない限り、アクリレート単独、メタクリレート単独及びそれらの混合物を総称するものとして用いる。   Examples of the methacrylate include methyl methacrylate, ethyl methacrylate, n-butyl methacrylate, i-butyl methacrylate, cyclohexyl methacrylate, lauryl methacrylate, stearyl methacrylate, glycidyl methacrylate, allyl methacrylate, 2 2,2-trifluoroethyl methacrylate, (3-methyl-3-oxetanyl) methyl methacrylate, methacryloylpropyltrimethoxysilane, methacryloylpropyltriethoxysilane, and the like. These radically polymerizable water-insoluble monomers (b1) can be used alone or in admixture of two or more. Hereinafter, (meth) acrylate used in the text is used as a general term for acrylate alone, methacrylate alone and mixtures thereof unless otherwise specified.

前記ラジカル重合性の非水溶性モノマー(b2)の中でも、グリシジル(メタ)アクリレート、オキセタン(メタ)アクリレート等の環状エーテル構造を有するものは、前記ラジカル重合性の水溶性モノマー(b1)との共重合体を形成する途中、若しくは共重合体となった後、該共重合体の分子内、若しくは分子間で架橋反応することが可能であり、該架橋反応によって、得られる中空ポリマー粒子の殻の部分を形成する共重合体の強度を高め、該中空ポリマー粒子の安定性を高めることに寄与すると考えられるので、特に好適に用いることができる。   Among the radical polymerizable water-insoluble monomers (b2), those having a cyclic ether structure such as glycidyl (meth) acrylate and oxetane (meth) acrylate are co-polymerized with the radical polymerizable water-soluble monomer (b1). During the formation of the polymer, or after becoming a copolymer, it is possible to carry out a crosslinking reaction within the molecule of the copolymer or between the molecules. Since it is thought that it contributes to increasing the strength of the copolymer forming the part and enhancing the stability of the hollow polymer particles, it can be used particularly suitably.

前記ラジカル重合性の非水溶性モノマー(b2)として、二官能のジ(メタ)アクリレート、例えば、エチレンジ(メタ)アクリレート、ジエチレン(メタ)アクリレート、トリエチレンジ(メタ)アクリレート等のポリエチレンジ(メタ)アクリレート類、プロピレンジ(メタ)アクリレート、ジプロピレンジ(メタ)アクリレート、トリプロピレンジ(メタ)アクリレート、等のポリプロピレンジ(メタ)アクリレート類、グリセロールジ(メタ)アクリレート等も単独で、または2種以上を併用して用いることができる。これらのジ(メタ)アクリレートを用いる場合には、得られる中空粒子の凝集を防ぐ目的で、単官能の前記(メタ)アクリレートと併用することが好ましく、特にラジカル重合性の非水溶性モノマー(b2)中の(メタ)アクリレートの使用割合がモル比で0.7以上であることが好ましい。   As the radical polymerizable water-insoluble monomer (b2), bifunctional di (meth) acrylate, for example, polyethylene di (meth) acrylate such as ethylene di (meth) acrylate, diethylene (meth) acrylate, triethylene di (meth) acrylate, etc. , Polypropylene di (meth) acrylates such as propylene di (meth) acrylate, dipropylene di (meth) acrylate, tripropylene di (meth) acrylate, glycerol di (meth) acrylate, etc. alone or in combination of two or more Can be used. When these di (meth) acrylates are used, they are preferably used in combination with the monofunctional (meth) acrylate for the purpose of preventing aggregation of the resulting hollow particles, and in particular, radically polymerizable water-insoluble monomers (b2 ) Is preferably 0.7 or more in terms of molar ratio.

前記ラジカル重合性の非水溶性モノマー(b2)としては、(メタ)アクリレート以外の、例えば、スチレン系化合物、ビニルエステル、ビニルエーテル、ビスビニル化合物等を単独で、または2種以上を併用して用いることができる。このとき、本発明で用いる中空ポリマー粒子(B)を容易に得られる点から、(メタ)アクリレートと併用することが好ましく、特に、ラジカル重合性の非水溶性モノマー(b2)中の(メタ)アクリレートの使用割合がモル比で0.5以上であることが好ましい。   As the radical polymerizable water-insoluble monomer (b2), for example, a styrene compound, vinyl ester, vinyl ether, bisvinyl compound, etc. other than (meth) acrylate may be used alone or in combination of two or more. Can do. At this time, it is preferable to use in combination with (meth) acrylate from the viewpoint of easily obtaining the hollow polymer particles (B) used in the present invention, and in particular, (meth) in the radical polymerizable water-insoluble monomer (b2). It is preferable that the use ratio of the acrylate is 0.5 or more in terms of molar ratio.

前記スチレン系化合物は、スチリル基を有する化合物であって、例えば、スチレン、α−メチルスチレン、ビニルトルエン、α−クロロスチレン、o−、m−、p−クロロスチレン、p−エチルスチレン、p−tert−ブトキシスチレン、m−tert−ブトキシスチレン、p−アセトキシスチレン、p−(1−エトキシエトキシ)スチレン、p−メトキシスチレン、スチリルトリメトキシシラン、スチリルトリエトキシシラン、ビニルナフタレン、ビニルビフェニル、ビニルアントラセン、ビニルピレン等が挙げられる。   The styrenic compound is a compound having a styryl group. For example, styrene, α-methylstyrene, vinyltoluene, α-chlorostyrene, o-, m-, p-chlorostyrene, p-ethylstyrene, p- tert-butoxystyrene, m-tert-butoxystyrene, p-acetoxystyrene, p- (1-ethoxyethoxy) styrene, p-methoxystyrene, styryltrimethoxysilane, styryltriethoxysilane, vinylnaphthalene, vinylbiphenyl, vinylanthracene And vinylpyrene.

前記ビニルエステルとしては、例えば、ギ酸ビニル、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、モノクロロ酢酸ビニル、ピバリン酸ビニル、酪酸ビニル等が挙げられる。   Examples of the vinyl ester include vinyl formate, vinyl acetate, vinyl propionate, vinyl monochloroacetate, vinyl pivalate, and vinyl butyrate.

前記ビニルエーテル類としては、例えば、メチルビニルエーテル、エチルビニルエーテル、n−プロピルビニルエーテル、イソプロピルビニルエーテル、n−ブチルビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル、2−エチルヘキシルビニルエーテル、オクタデシルビニルエーテル、シクロヘキシルビニルエーテル、アリルビニルエーテル、シクロヘキサンジメタノールモノビニルエーテル、1,4−ブタンジオールジビニルエーテル、ノナンジオールジビニルエーテル、シクロヘキサンジオールジビニルエーテル、シクロヘキサンジメタノールジビニルエーテル、トリメチルプロパントリビニルエーテル、ペンタエリスリトールテトラビニルエーテル、フェニルビニルエーテル等が挙げられる。   Examples of the vinyl ethers include methyl vinyl ether, ethyl vinyl ether, n-propyl vinyl ether, isopropyl vinyl ether, n-butyl vinyl ether, isobutyl vinyl ether, 2-ethylhexyl vinyl ether, octadecyl vinyl ether, cyclohexyl vinyl ether, allyl vinyl ether, cyclohexane dimethanol monovinyl ether, Examples include 1,4-butanediol divinyl ether, nonanediol divinyl ether, cyclohexanediol divinyl ether, cyclohexanedimethanol divinyl ether, trimethylpropane trivinyl ether, pentaerythritol tetravinyl ether, and phenyl vinyl ether.

前記ビスビニル化合物としては、例えば、ジビニルベンゼン等が挙げられ、得られる中空ポリマー粒子(B)の殻中に架橋構造を生じるため、安定した中空粒子を製造することが可能である点から好ましいものである。   Examples of the bisvinyl compound include divinylbenzene and the like, and a cross-linked structure is generated in the shell of the resulting hollow polymer particle (B), which is preferable from the viewpoint that stable hollow particles can be produced. is there.

前記ラジカル重合性の水溶性モノマー(b1)と前記ラジカル重合性の非水溶性モノマー(b2)との使用割合としては、目的とする中空ポリマー粒子の平均粒子径や殻壁の厚み等により選択されるものであるが、水性媒体中で安定に存在できる中空ポリマー粒子が得られ、且つ中空構造も安定である点から、ラジカル重合性の水溶性モノマー(b1)とラジカル重合性の非水溶性モノマー(b2)とのモル比(b2)/(b1)が3.5〜12であることが好ましく、特に該比率が3.5〜10であることが好ましい。尚、モノマー類を一括で添加するのではなく、ある程度重合が進行し、中空ポリマー粒子が形成されてからラジカル重合性の非水溶性モノマー(b2)を加えて該中空ポリマー粒子の平均粒子径や殻壁の厚みをコントロールする際には、該比率が12を超える場合においても安定な中空ポリマー粒子を得ることができる。   The use ratio of the radical polymerizable water-soluble monomer (b1) and the radical polymerizable water-insoluble monomer (b2) is selected depending on the average particle diameter of the intended hollow polymer particles, the thickness of the shell wall, and the like. However, since a hollow polymer particle that can exist stably in an aqueous medium is obtained and the hollow structure is also stable, the radically polymerizable water-soluble monomer (b1) and the radically polymerizable water-insoluble monomer The molar ratio (b2) / (b1) to (b2) is preferably 3.5 to 12, and particularly preferably 3.5 to 10. Instead of adding the monomers all at once, the polymerization proceeds to some extent, and after the formation of the hollow polymer particles, the radically polymerizable water-insoluble monomer (b2) is added and the average particle size of the hollow polymer particles or When controlling the thickness of the shell wall, stable hollow polymer particles can be obtained even when the ratio exceeds 12.

前記擬エマルジョン重合に用いる水性媒体としては、水を単独で用いる他、水にメタノール、エタノール、イソプロパノール等の低級アルコール、エチレングリコール、プロピレングリコール、ブタンジオール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール等の多価アルコール、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類、テトラヒドロフラン等のエーテル類を単独、もしくは複数種混合した混合溶媒を挙げることができる。   As an aqueous medium used for the pseudo-emulsion polymerization, in addition to using water alone, lower alcohols such as methanol, ethanol, and isopropanol, polyhydric alcohols such as ethylene glycol, propylene glycol, butanediol, diethylene glycol, and triethylene glycol are used. Mention may be made of ketones such as acetone and methyl ethyl ketone, and ethers such as tetrahydrofuran alone or a mixed solvent in which a plurality of them are mixed.

混合溶媒を用いる際の、その配合割合としては、後述する水溶性重合開始剤とラジカル重合性の水溶性モノマー(b1)が可溶であり、かつ、ラジカル重合性の非水溶性モノマー(b2)の溶解度が0.5質量%以下の範囲であれば良く、目的に応じて適宜選択することができるが、水溶性重合開始剤による重合開始効率を高く保つために、水の割合を50質量%以上、特に80質量%以上にすることが好ましい。   The mixing ratio when using the mixed solvent is such that the water-soluble polymerization initiator and radical-polymerizable water-soluble monomer (b1) described later are soluble, and the radical-polymerizable water-insoluble monomer (b2). In the range of 0.5% by mass or less, and can be appropriately selected according to the purpose, but in order to keep the polymerization initiation efficiency by the water-soluble polymerization initiator high, the proportion of water is 50% by mass. As mentioned above, it is preferable to make it 80 mass% or more especially.

前記水溶性重合開始剤としては、特に制限されるものではなく、種々のものを使用することができるが、過硫酸塩又はアミノ基含有アゾ化合物を用いる事が好ましく、例えば、過硫酸カリウム(KPS)、過硫酸アンモニウム(APS)、2,2’−アゾビス(2−アミジノプロパン)二塩酸塩、2,2’−アゾビス[2−(2−イミダゾリン−2−イル)プロパン]二塩酸塩、2,2’−アゾビス[2−(2−イミダゾリン−2−イル)プロパン]二硫酸塩二水和物、2,2’−アゾビス[N−(2−カルボキシエチル)2−メチルプロピオンアミド]、2,2’−アゾビス(1−イミノ−1−ピロリジノ−2−メチルプロパン]二塩酸塩、2,2’−アゾビス{2−[1−(2−ヒドロキシエチル)−2−イミダゾリン−2−イル]プロパン}ジヒドロクロライド、2,2’−アゾビス[2−(2−イミダゾリン−2−イル)プロパン]、2,2’−アゾビス[2−メチル−N−(2−ヒドロキシエチル)プロピオンアミド]、2,2’−アゾビス{2−メチル−N−[1,1−ビス(ヒドロキシメチル)−2−ヒドロキシエチル]プロピオンアミド}、2,2’−アゾビス(2−メチルブタンアミドオキシム)二塩酸塩四水和物、等が挙げられる。   The water-soluble polymerization initiator is not particularly limited, and various types can be used, but it is preferable to use a persulfate or an amino group-containing azo compound. For example, potassium persulfate (KPS) ), Ammonium persulfate (APS), 2,2′-azobis (2-amidinopropane) dihydrochloride, 2,2′-azobis [2- (2-imidazolin-2-yl) propane] dihydrochloride, 2, 2′-azobis [2- (2-imidazolin-2-yl) propane] disulfate dihydrate, 2,2′-azobis [N- (2-carboxyethyl) 2-methylpropionamide], 2, 2′-azobis (1-imino-1-pyrrolidino-2-methylpropane) dihydrochloride, 2,2′-azobis {2- [1- (2-hydroxyethyl) -2-imidazolin-2-yl] pro Dihydrochloride, 2,2′-azobis [2- (2-imidazolin-2-yl) propane], 2,2′-azobis [2-methyl-N- (2-hydroxyethyl) propionamide], 2 , 2′-azobis {2-methyl-N- [1,1-bis (hydroxymethyl) -2-hydroxyethyl] propionamide}, 2,2′-azobis (2-methylbutanamidooxime) dihydrochloride tetra Hydrate, etc. are mentioned.

これら水溶性重合開始剤の使用割合としては、ラジカル重合性の水溶性モノマー(b1)とラジカル重合性の非水溶性モノマー(b2)との合計100質量部に対して、0.1〜5質量部の範囲で適宜選択すれば良いが、重合反応の効率を上げ、且つ中空ポリマー粒子の凝集を抑制する目的で0.5〜3質量部の範囲で選択することがより好ましい。   The use ratio of these water-soluble polymerization initiators is 0.1 to 5 mass with respect to 100 mass parts in total of the radical polymerizable water-soluble monomer (b1) and the radical polymerizable water-insoluble monomer (b2). However, it is more preferable to select in the range of 0.5 to 3 parts by mass for the purpose of increasing the efficiency of the polymerization reaction and suppressing the aggregation of the hollow polymer particles.

また、前記重合時に、必要に応じて適宜各種の分散安定剤をともに用いても良い。前記分散安定剤としては、例えば、アニオン性界面活性剤、非イオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤、両性界面活性剤、有機懸濁保護剤等を挙げることができ、中でも得られる中空ポリマー粒子の分散安定性に優れる点から、アニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤を用いる事が好ましい。   Moreover, you may use various dispersion stabilizers suitably as needed at the time of the said superposition | polymerization. Examples of the dispersion stabilizer include an anionic surfactant, a nonionic surfactant, a cationic surfactant, an amphoteric surfactant, and an organic suspension protective agent. Among them, a hollow polymer is obtained. From the viewpoint of excellent dispersion stability of the particles, it is preferable to use an anionic surfactant or a cationic surfactant.

アニオン性界面活性剤としては、例えば、ロジン酸カリウム、ロジン酸ナトリウム等のロジン酸塩、オレイン酸カリウム、ラウリン酸カリウム、ラウリン酸ナトリウム、ステアリン酸ナトリウム、ステアリン酸カリウム等の脂肪酸のナトリウム塩又はカリウム塩、ラウリル硫酸ナトリウム等の脂肪族アルコールの硫酸エステル塩、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム等のアルキルアリルスルホン酸等を挙げることができる。   Examples of the anionic surfactant include rosin salts such as potassium rosinate and sodium rosinate, sodium oleate, potassium laurate, sodium laurate, sodium laurate, sodium stearate, potassium stearate, and the like. Examples thereof include salts, sulfate esters of aliphatic alcohols such as sodium lauryl sulfate, and alkylallyl sulfonic acids such as sodium dodecylbenzene sulfonate.

非イオン性界面活性剤としては、例えば、ポリエチレングリコールのアルキルエステル、アルキルエーテル、アルキルフェニルエーテル等を挙げることができる。   Examples of nonionic surfactants include polyethylene glycol alkyl esters, alkyl ethers, alkylphenyl ethers, and the like.

カチオン性界面活性剤としては、例えば、アルキルトリメチルアンモニウム塩、ジアルキルジメチルアンモニウム塩、アルキルジメチルベンジルアンモニウム塩、アミン塩系の界面活性剤を挙げることができる。   Examples of the cationic surfactant include alkyl trimethyl ammonium salts, dialkyl dimethyl ammonium salts, alkyl dimethyl benzyl ammonium salts, and amine salt surfactants.

両性界面活性剤としては、例えば、アルキルアミノ脂肪酸塩、アルキルベタイン、アルキルアミンオキシド等が挙げられる。   Examples of amphoteric surfactants include alkylamino fatty acid salts, alkylbetaines, and alkylamine oxides.

これらの分散安定剤は、必要に応じて、単独、あるいは2種以上を組み合わせて使用することができる。分散安定剤の使用にあたっては、得られる中空ポリマー粒子の凝集を防ぐため、水溶性重合開始剤によって該粒子に付与される表面電化と同電荷のイオン性界面活性剤、又は非イオン性界面活性剤を用いることが好ましい。   These dispersion stabilizers can be used alone or in combination of two or more as required. In using a dispersion stabilizer, an ionic surfactant or nonionic surfactant having the same charge as the surface electrification imparted to the particles by a water-soluble polymerization initiator in order to prevent aggregation of the resulting hollow polymer particles Is preferably used.

分散安定剤の使用量は、必要に応じて適宜選択すれば良いが、反応の初期段階での濃度が高すぎる場合には、通常の乳化重合が進行し、粒子が中空構造を発現しにくくなるため、初期段階では使用量を控え、粒子の形成に伴って後から添加しても良い。   The amount of the dispersion stabilizer used may be appropriately selected as necessary. However, when the concentration at the initial stage of the reaction is too high, normal emulsion polymerization proceeds and the particles are less likely to exhibit a hollow structure. Therefore, the amount used may be reduced in the initial stage, and may be added later as the particles are formed.

前記擬エマルジョン重合の反応温度としては、用いる水溶性重合開始剤の重合開始温度にあわせて、35〜90℃の範囲で適宜設定すれば良いが、該水溶性重合開始剤の開始能を上げ、且つ、水性媒体の蒸発を防いで反応系の不安定化を抑制する点から、40〜85℃の範囲で設定することが好ましく、60〜80℃の範囲で設定することがより好ましい。   The reaction temperature of the pseudo-emulsion polymerization may be appropriately set in the range of 35 to 90 ° C. according to the polymerization start temperature of the water-soluble polymerization initiator to be used. And it is preferable to set in the range of 40-85 degreeC from the point which prevents evaporation of an aqueous medium and suppresses destabilization of a reaction system, and it is more preferable to set in the range of 60-80 degreeC.

前記擬エマルジョン重合時のモノマーの濃度は、低すぎると、中空ポリマー粒子の合成効率が悪く、高すぎる場合には凝集が起こりやすいことから、0.5〜20質量%の範囲で目的に応じて適宜選択する事が好ましく、より安定性の高い中空ポリマー粒子を効率良く得られる点からは、該濃度が1〜10質量%の範囲から選択することが好ましい。   When the concentration of the monomer during the pseudo-emulsion polymerization is too low, the synthesis efficiency of the hollow polymer particles is poor, and when it is too high, aggregation is likely to occur. Therefore, depending on the purpose in the range of 0.5 to 20% by mass. It is preferable to select appropriately, and it is preferable to select the concentration from the range of 1 to 10% by mass from the viewpoint of efficiently obtaining more stable hollow polymer particles.

擬エマルジョン重合において、原料の仕込み方法としては、水性媒体中に予めラジカル重合性の水溶性モノマー(b1)と、ラジカル重合性の非水溶性モノマー(b2)の全使用量を加えた状態で、水溶性重合開始剤を用いて重合を行う、従来のラジカル重合のワンポットの製法を採用することが出来る。   In the pseudo-emulsion polymerization, the raw materials are charged in a state where the radical polymerizable water-soluble monomer (b1) and the radical polymerizable water-insoluble monomer (b2) are added in advance in an aqueous medium. A conventional one-pot manufacturing method of radical polymerization in which polymerization is performed using a water-soluble polymerization initiator can be employed.

また、水性媒体中に予めラジカル重合性の水溶性モノマー(b1)と、ラジカル重合性の非水溶性モノマー(b2)とを加えた状態で、水溶性重合開始剤を用いて重合を行い、重合反応が進行した状態で、さらにはじめに用いたものと同一又は異なるラジカル重合性の非水溶性モノマー(b2)を添加するワンポット製造方法でも合成可能である。この後添加の方法を用いる場合には、中空構造の殻壁の厚さを大きくすることができる。   In addition, polymerization is performed using a water-soluble polymerization initiator in a state where a radical polymerizable water-soluble monomer (b1) and a radical polymerizable water-insoluble monomer (b2) are added in advance in an aqueous medium. It can also be synthesized by a one-pot production method in which a radically polymerizable water-insoluble monomer (b2) that is the same as or different from that used at the beginning is added while the reaction has progressed. When the post-addition method is used, the thickness of the hollow shell wall can be increased.

[水性塗料組成物]
本発明の構造色膜作製法において、塗装基材を得る第一の工程で用いられる水性塗料組成物は、前述の有機無機複合塗膜を容易に与えうるものであって、金属アルコキシド(a)のゾルゲル反応で得られる金属酸化物(A)と中空ポリマー粒子(B)の水性分散体とを含有するものである。
[Water-based paint composition]
In the structural color film production method of the present invention, the aqueous coating composition used in the first step of obtaining a coated substrate can easily give the aforementioned organic-inorganic composite coating film, and comprises a metal alkoxide (a). Containing a metal oxide (A) obtained by the sol-gel reaction and an aqueous dispersion of hollow polymer particles (B).

また、本発明の構造色膜作製法において、第一の工程で用いられる水性塗料組成物の好ましい一形態は、中空ポリマー粒子(B)と前記金属酸化物(A)を与えうる加水分解性の官能基を三価以上有する金属アルコキシド、及び酸触媒を含有するものである。   In the method for producing a structural color film of the present invention, a preferred embodiment of the aqueous coating composition used in the first step is a hydrolyzable that can give the hollow polymer particles (B) and the metal oxide (A). It contains a metal alkoxide having a trivalent or higher functional group and an acid catalyst.

上記水性塗料組成物では、金属アルコキシド(a)の加水分解と縮合反応により金属酸化物のゾルが生成するが、そのゾルの一部は、中空ポリマー粒子(B)の外表面で濃縮されることになり、塗料組成物中で中空ポリマー粒子(B)の外表面が金属酸化物(A)のゾルと既にハイブリッドされた構造体が形成される。従って、水性塗料組成物中では、金属酸化物(A)のゾルと、外表面がゾルに覆われた中空ポリマー粒子(B)とが存在することになる。それを基材上に塗布した後、揮発成分を揮発させることで、金属酸化物(A)のゾルに覆われた中空ポリマー粒子(B)が最密充填の3次元配列構造を形成し、やがてその構造が金属酸化物(A)のゾルで固まり、結果的に塗膜内部に球状の空洞、外表面に半球状の凹凸パターンを有する塗膜を形成する。   In the aqueous coating composition, a metal oxide sol is formed by hydrolysis and condensation reaction of the metal alkoxide (a), and a part of the sol is concentrated on the outer surface of the hollow polymer particle (B). Thus, a structure is formed in which the outer surface of the hollow polymer particles (B) is already hybridized with the sol of the metal oxide (A) in the coating composition. Therefore, in the water-based coating composition, the sol of the metal oxide (A) and the hollow polymer particles (B) whose outer surface is covered with the sol are present. After coating it on the substrate, the volatile components are volatilized, so that the hollow polymer particles (B) covered with the metal oxide (A) sol form a close-packed three-dimensional array structure. The structure is solidified with the sol of the metal oxide (A), and as a result, a coating film having a spherical cavity inside and a hemispherical uneven pattern on the outer surface is formed.

上記水性塗料組成物の中空ポリマー粒子(B)及び金属アルコキシド(a)としては、前述の中空ポリマー粒子(B)、金属アルコキシド(a)を好ましく使用することができる。また、中空ポリマー粒子(B)の外表面で金属酸化物(A)のゾルが濃縮されやすく、本発明の構造色膜が容易に得られる点から、当該中空ポリマー粒子(B)の最外表面が親水性であることが好ましい。   As the hollow polymer particles (B) and the metal alkoxide (a) of the aqueous coating composition, the aforementioned hollow polymer particles (B) and metal alkoxide (a) can be preferably used. Further, the outermost surface of the hollow polymer particle (B) from the point that the sol of the metal oxide (A) is easily concentrated on the outer surface of the hollow polymer particle (B) and the structural color film of the present invention can be easily obtained. Is preferably hydrophilic.

特に中空ポリマー粒子の外表面が、(メタ)アクリルアミド、(メタ)アクリル酸、またはアミノ基含有(メタ)アクリルエステル由来の構造の密度が高いセグメントからなるものであることが好ましい。アミノ基含有(メタ)アクリルエステル由来の構造を有するものである場合には、それがプロトン化されていると、金属酸化物(A)のゾルを安定化する効果が高いため、該中空ポリマー粒子(B)のアミノ基は、部分プロトン化あるいは完全プロトン化されていることが好ましい。   In particular, the outer surface of the hollow polymer particles is preferably composed of segments having a high density of structures derived from (meth) acrylamide, (meth) acrylic acid, or amino group-containing (meth) acrylic ester. In the case of having a structure derived from an amino group-containing (meth) acrylic ester, when it is protonated, the hollow polymer particle has a high effect of stabilizing the sol of the metal oxide (A). The amino group (B) is preferably partially protonated or fully protonated.

該水性塗料組成物に使用する水性媒体は、水又は水と水溶性溶媒との混合溶媒であり、該水溶性溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、イソプロパノール等のアルコール類、アセトン等のケトン類、ピリジン、ジメチルホルムアミドなどの溶媒を使用できる。水と水溶性溶媒との混合溶媒を使用する場合には、水溶性溶媒の量が、使用する水の量に対して40質量%未満であることが好ましい。   The aqueous medium used in the aqueous coating composition is water or a mixed solvent of water and a water-soluble solvent. Examples of the water-soluble solvent include alcohols such as methanol, ethanol and isopropanol, and ketones such as acetone. , Pyridine, dimethylformamide and the like can be used. When using the mixed solvent of water and a water-soluble solvent, it is preferable that the quantity of a water-soluble solvent is less than 40 mass% with respect to the quantity of the water to be used.

混合の順序は特に制限されないが、中空ポリマー粒子(B)の水性分散体に、酸触媒の水溶液、金属アルコキシド(a)の溶液を添加する方法、または、金属アルコキシド(a)の水性溶液に酸触媒を加え、金属アルコキシド(a)の予備的な加水分解を行った後、中空ポリマー粒子(B)の水性分散体を添加する方法等で塗液を調製することができる。   Although the order of mixing is not particularly limited, a method of adding an aqueous solution of an acid catalyst, a solution of metal alkoxide (a) to an aqueous dispersion of hollow polymer particles (B), or an acid to an aqueous solution of metal alkoxide (a) After adding a catalyst and conducting preliminary hydrolysis of the metal alkoxide (a), a coating solution can be prepared by a method of adding an aqueous dispersion of hollow polymer particles (B).

前記酸触媒としては、例えば、塩酸、硝酸、硫酸、リン酸、ホウ酸等の無機酸や、酢酸、フタル酸、フマル酸、マレイン酸、リンゴ酸、アクリル酸、メタクリル酸、トリフルオロメチルスルホン酸、エチルスルホン酸等の有機酸を用いることができる。これらの酸は単独または2種以上を併用してもよい。これらの中でも、pH調整が容易であり、得られる水性塗料組成物の保存安定性が良好で、且つ得られる有機無機複合塗膜の耐水性に優れる点から、マレイン酸、アクリル酸など不飽和有機酸を用いることが好ましい。尚、水性塗料組成物の安定性と基材へ塗布した後の塗膜形成(硬化)が良好である点から、水性塗料組成物のpHは1.5〜6.5に調整することが好ましい。   Examples of the acid catalyst include inorganic acids such as hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, and boric acid, acetic acid, phthalic acid, fumaric acid, maleic acid, malic acid, acrylic acid, methacrylic acid, and trifluoromethylsulfonic acid. Organic acids such as ethyl sulfonic acid can be used. These acids may be used alone or in combination of two or more. Among these, unsaturated organic acids such as maleic acid and acrylic acid are preferred because pH adjustment is easy, the storage stability of the resulting aqueous coating composition is good, and the water resistance of the resulting organic-inorganic composite coating film is excellent. It is preferable to use an acid. The pH of the aqueous coating composition is preferably adjusted to 1.5 to 6.5 from the viewpoint of the stability of the aqueous coating composition and the good coating formation (curing) after application to the substrate. .

前記金属アルコキシド(a)は、使用する前記中空ポリマー粒子(B)の質量と、金属アルコキシド(a)の質量との比(B)/(a)が、概ね70/30〜5/95の範囲で適宜調整すればよく、40/60〜15/85の範囲にあることが好ましく、35/65〜25/75の範囲にあるとさらに好ましい。上記比(B)/(a)が5/95以上であれば得られる塗膜のクラックを低減することができ、また、70/30以下であると塗膜の耐水性の向上が図られる。   In the metal alkoxide (a), the ratio (B) / (a) of the mass of the hollow polymer particles (B) to be used and the mass of the metal alkoxide (a) is generally in the range of 70/30 to 5/95. May be adjusted as appropriate, preferably in the range of 40/60 to 15/85, more preferably in the range of 35/65 to 25/75. If the ratio (B) / (a) is 5/95 or more, cracks of the obtained coating film can be reduced, and if it is 70/30 or less, the water resistance of the coating film is improved.

また、使用する水性媒体の量としては、使用する金属アルコキシド(a)の0.2〜50倍量程度であることが好ましい。   The amount of the aqueous medium to be used is preferably about 0.2 to 50 times the amount of the metal alkoxide (a) to be used.

この水性塗料組成物中に、本発明の効果を損なわない範囲で、例えば、エチルセロソルブ、プロピレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールジブチルエーテル、ジエチレングリコールモノプロピルエーテルといった各種の有機溶剤を加えても良く、また、平滑剤・濡れ剤といった各種の添加剤を加えることもできる。   In the aqueous coating composition, various organic solvents such as ethyl cellosolve, propylene glycol monobutyl ether, propylene glycol dibutyl ether, diethylene glycol monopropyl ether may be added, as long as the effects of the present invention are not impaired. Various additives such as a smoothing agent and a wetting agent can also be added.

また、本発明の第一工程で用いる水性塗料組成物に、本発明の効果を損なわない範囲で、各種の硬化剤、例えば、水溶性のポリグリシジルエーテルなどを加えることもできる。   Moreover, various hardening | curing agents, for example, water-soluble polyglycidyl ether, etc. can also be added to the aqueous coating material composition used at the 1st process of this invention in the range which does not impair the effect of this invention.

上記水性塗料組成物は、前述の各種基材上に塗布後、常温もしくは、加熱処理によって容易に硬化でき、有機無機複合塗膜を形成する。加熱によって硬化させる場合には、加熱温度は60〜250℃範囲で選定でき、100℃程度で30分処理することが好ましい。   The aqueous coating composition can be easily cured at room temperature or by heat treatment after application on the above-mentioned various substrates to form an organic-inorganic composite coating film. In the case of curing by heating, the heating temperature can be selected in the range of 60 to 250 ° C, and it is preferable to treat at about 100 ° C for 30 minutes.

[構造色膜の作製工程]
(水性塗料組成物の塗布)
本発明の構造色膜の作製方法の第一工程において、基材上に有機無機複合塗膜を作製して塗装基材を得る際の前記水性塗料組成物の塗布方法は特に制限されず、例えば、刷毛塗り、ディップコート法、スプレーコート法、ロールコート法、バーコート法、エアナイフコート法といった各種の方法を用いることができ、さらにこれらを組み合わせて用いることもできる。
[Structural color film production process]
(Application of water-based paint composition)
In the first step of the method for producing the structural color film of the present invention, the application method of the water-based coating composition when producing an organic-inorganic composite coating film on a substrate to obtain a coated substrate is not particularly limited. Various methods such as brush coating, dip coating method, spray coating method, roll coating method, bar coating method and air knife coating method can be used, and these can also be used in combination.

(有機無機複合塗膜の焼成工程)
本発明の構造色膜の第一の作製方法においては、前記工程で得た塗装基材を焼成することによって構造色膜被覆基材を得る方法であり、この焼成温度は、固体基材(X1)の種類や目的によって、250〜1300℃の温度範囲から適宜選択できる。焼成温度は、固体基材の耐熱温度以下の温度を選択することが必要であり、例えば、低融点のソーダガラスを基材に用いた場合には、250〜500℃の範囲で焼成するのが好ましく、高融点の石英ガラスを基材に用いた場合は250〜1000℃の範囲で焼成することが可能である。また、アルミナ等、高耐熱性のセラミックスを用いた場合には250〜1300℃の範囲で焼成が可能である。
(Baking process of organic-inorganic composite coating film)
The first method for producing a structural color film of the present invention is a method for obtaining a structural color film-coated substrate by baking the coated substrate obtained in the above-mentioned step, and this baking temperature is determined by solid substrate (X1). ) Can be appropriately selected from a temperature range of 250 to 1300 ° C. The firing temperature needs to be selected at a temperature lower than the heat resistant temperature of the solid substrate. For example, when a low-melting soda glass is used as the substrate, firing is performed in the range of 250 to 500 ° C. Preferably, when a high melting point quartz glass is used as the substrate, it can be fired in the range of 250 to 1000 ° C. Further, when a high heat-resistant ceramic such as alumina is used, firing is possible in the range of 250 to 1300 ° C.

本発明の構造色膜の第二の作製方法は、塗装基材から剥離させた有機無機複合塗膜を焼成することによって自立した構造色膜を得る方法である。この焼成温度は、目的によって、250〜1300℃の温度範囲から適宜選択できる。剥離させた有機無機複合塗膜の焼成時には、塗膜の反りや亀裂の発生を抑制するため、耐熱性のある2枚の平面基材間に挟んで焼成を行っても良い。この場合、耐熱性の基材としては、前記固体基材(X1)の材料から、適宜選択することができる。   The 2nd preparation method of the structural color film of this invention is a method of obtaining the self-supporting structural color film by baking the organic inorganic composite coating film peeled from the coating base material. The firing temperature can be appropriately selected from a temperature range of 250 to 1300 ° C. depending on the purpose. When the peeled organic-inorganic composite coating film is fired, it may be fired by sandwiching it between two heat-resistant planar substrates in order to suppress warping and cracking of the coating film. In this case, the heat resistant substrate can be appropriately selected from the materials of the solid substrate (X1).

また、焼成温度の選択によって、構造色膜中に有機成分を残存させ、同じ塗装基材から、異なる発色を示す構造色膜を得ることが可能である。例えば、形成された有機無機複合塗膜中の有機成分が完全に分解消失しない条件で焼成を行うと、構造色膜内部の三次元周期多孔構造由来の発色に加えて、若干黄色〜茶色を加えた色味の構造色膜を得ることができる。膜中の有機成分が完全に分解消失しない条件は、例えば熱重量分析などを用いて、予め、塗膜の加熱分解挙動について測定しておくことによって設定することができる。   Further, by selecting the baking temperature, it is possible to leave the organic component in the structural color film and obtain a structural color film exhibiting different color from the same coated substrate. For example, when baking is performed under conditions where the organic components in the formed organic-inorganic composite coating are not completely decomposed and lost, in addition to the color derived from the three-dimensional periodic porous structure inside the structural color film, a slight yellow to brown color is added. A structural color film having a different color can be obtained. The conditions under which the organic components in the film are not completely decomposed and lost can be set by measuring the thermal decomposition behavior of the coating film in advance using, for example, thermogravimetric analysis.

さらに、塗装基材の焼成時の雰囲気を空気存在下から、窒素下、アルゴン下等に変えることによって、有機無機複合膜中の有機成分を炭化させ、構造色膜中に金属アルコキシド(a)及び/又は中空ポリマー粒子(B)由来の炭化物(C)を含有させることができる。この場合には、構造色膜内部の三次元周期多孔構造由来の発色に加えて炭化物(C)の黒色が加わり、同じ塗装基材から、より深みのある、異なる発色を示す構造色膜を得ることができる。雰囲気の変更は、目的によって、加熱焼成前に完全に雰囲気を交換して加熱焼成を行っても良いし、加熱段階で雰囲気を変更しても良い。   Furthermore, the organic component in the organic-inorganic composite film is carbonized by changing the atmosphere during firing of the coated substrate from the presence of air to under nitrogen, under argon, etc., and the metal alkoxide (a) and The carbide (C) derived from the hollow polymer particles (B) can be contained. In this case, in addition to the coloration derived from the three-dimensional periodic porous structure inside the structural color film, the black color of the carbide (C) is added, and a deeper structural color film showing different color development is obtained from the same coated substrate. be able to. Depending on the purpose, the atmosphere may be changed by completely exchanging the atmosphere before heating and baking, or by changing the atmosphere in the heating stage.

焼成には、一般に知られているマッフル炉、雰囲気炉、赤外線炉等の各種の焼成炉の他、マイクロウェーヴオーブン等も用いることができる。   For the firing, a microwave oven or the like can be used in addition to various known firing furnaces such as a muffle furnace, an atmospheric furnace, and an infrared furnace.

[構造色膜]
本発明の構造色膜は、前記金属酸化物(A)を主構成成分とする逆オパール構造のマトリックスからなる膜が、前記固体基材(X1)上に形成されたもの、もしくは独立した、前記金属酸化物(A)を主構成成分とする逆オパール構造のマトリックスからなる膜である。「逆オパール構造」とは、前述のように、粒子が三次元的に周期配列した「オパール構造」に対し、この構造を鋳型として写し取り、固体中に、三次元周期配列した均一径の球状空孔を有する構造のことをいう。
[Structural color film]
In the structural color film of the present invention, a film composed of a matrix having an inverse opal structure containing the metal oxide (A) as a main component is formed on the solid substrate (X1), or independent of the above. It is a film made of a matrix having an inverse opal structure containing a metal oxide (A) as a main constituent. As described above, the “opposite opal structure” refers to the “opal structure” in which particles are periodically arranged in a three-dimensional manner. A structure having pores.

本発明の構造色膜の厚み、及び、厚み方向での膜断面の球状の孔径は、製造の第一工程において作製される有機無機複合塗膜の厚さをほぼ維持しており、前述のように、厚みは1〜50μm、また、内部の球状の孔径は、概ね40〜780nmの範囲となる。   The thickness of the structural color film of the present invention and the spherical pore diameter of the film cross section in the thickness direction substantially maintain the thickness of the organic-inorganic composite coating film produced in the first step of production, as described above. Further, the thickness is 1 to 50 μm, and the inner spherical pore diameter is generally in the range of 40 to 780 nm.

本発明の構造色膜の作製法においては、このような厚みの膜が、少なくとも1cm角以上の大きさの基材に塗布され、亀裂等の欠陥の無い大面積の構造色膜を得ることが可能である。従って、膜の厚みに対する膜平面の最短辺の長さは、少なくとも1,000倍以上であり、10,000倍以上のものを簡便に作製することができる。本発明に置いて、膜平面の最短辺の長さとは、逆オパール構造からなる構造色膜中で、亀裂や断裂などの欠陥の無い膜の平面方向の最短辺長のことをいう。   In the method for producing a structural color film of the present invention, a film having such a thickness is applied to a substrate having a size of at least 1 cm square, and a large-area structural color film free from defects such as cracks can be obtained. Is possible. Accordingly, the length of the shortest side of the film plane with respect to the thickness of the film is at least 1,000 times or more, and 10,000 or more times can be easily produced. In the present invention, the length of the shortest side of the film plane refers to the shortest side length in the plane direction of a film having no defects such as cracks and tears in the structural color film having an inverse opal structure.

従来提案されている無機酸化物からなる逆オパール構造の構造色膜は、微粒子が配列したオパール構造の微粒子間に無機酸化物の前駆体を注入し、これを加熱焼成することによって、有機成分を除去しながら、無機酸化物の縮合反応を進行させて得られるものである。従って、加熱焼成に伴い、材料全体が収縮するので、膜を塗布した基材上で逆オパール構造を保持することはできず、多数の亀裂を生じやすいため大面積の構造色膜を作製することは困難である。一方、本発明の構造色膜の製造方法では、その第一工程において、基材上に有機無機複合塗膜を作製する。この有機無機複合塗膜は、前述の様に、金属酸化物からなるマトリクス中に単分散性の中空ポリマー粒子が三次元周期構造を持ちながら複合化されていることを特徴とし、当該無機酸化物からなるマトリクスは、金属酸化物材料の連続相が塗膜全体にわたって構築された構造である。マトリクスである金属酸化物材料からなる連続相は、引き続き行なう加熱焼成の工程によってもほとんど縮小することがなく、基材上に塗布された状態で、有機成分の除去のみを行うことができる。このことは、本発明の構造色膜が、第一工程で作製された有機無機複合塗膜の内部構造をほぼ維持していることから明らかである。従って構造色膜内部の逆オパール構造の均一径球状空孔の平均径としては50nm〜800nmのものを目的に応じて作製することができるが、可視光領域の光を充分に回折、干渉するためには、均一球状空孔の平均径は100nm〜600nmのものが好ましく、200nm〜500nmであることがより好ましい。   A structural color film of an inverse opal structure composed of an inorganic oxide that has been proposed in the past is a method of injecting an organic oxide precursor between fine particles of an opal structure in which fine particles are arranged, and then heating and firing the organic component. It is obtained by advancing the condensation reaction of the inorganic oxide while removing. Therefore, as the whole material shrinks with heating and baking, the inverted opal structure cannot be maintained on the substrate coated with the film, and a large-area structural color film is produced because many cracks are likely to occur. It is difficult. On the other hand, in the method for producing a structural color film of the present invention, an organic-inorganic composite coating film is produced on a substrate in the first step. As described above, this organic-inorganic composite coating film is characterized in that monodisperse hollow polymer particles are composited in a matrix made of a metal oxide while having a three-dimensional periodic structure. The matrix consisting of is a structure in which a continuous phase of a metal oxide material is constructed over the entire coating. The continuous phase made of the metal oxide material as the matrix is hardly reduced even by the subsequent heating and firing step, and only the organic component can be removed while being applied onto the substrate. This is clear from the fact that the structural color film of the present invention substantially maintains the internal structure of the organic-inorganic composite coating film produced in the first step. Accordingly, the average diameter of the uniform diameter spherical voids of the inverse opal structure inside the structural color film can be prepared depending on the purpose, but in order to sufficiently diffract and interfere the light in the visible light region. The average diameter of the uniform spherical pores is preferably 100 nm to 600 nm, more preferably 200 nm to 500 nm.

本発明の構造色膜の一形態として、構造色膜中に金属アルコキシド(a)及び/又は中空ポリマー粒子(B)由来の炭化物(C)を含有する構造色膜を作製することができる。金属酸化物(A)がシリカ等の比較的光透過性の高い材料や、酸化チタンの様に反射率の高い材料からなる場合には、周辺からの光の透過もしくは散乱によって、光の回折や干渉による構造色の発色が見えづらくなる場合がある。このときには黒色を呈する前記炭化物(C)を含有させて遮蔽効果を発現させることにより、より鮮やかな構造色を発色させることが可能になる。また、該炭化物(C)の残存量を制御することによって、透過、散乱光と回折、干渉光の割合が変化するので、異なる色調の構造色膜を作製することも可能である。   As one form of the structural color film of the present invention, a structural color film containing a metal alkoxide (a) and / or a carbide (C) derived from hollow polymer particles (B) in the structural color film can be produced. When the metal oxide (A) is made of a material having a relatively high light transmittance such as silica or a material having a high reflectance such as titanium oxide, light diffraction or light scattering is caused by transmission or scattering of light from the periphery. It may be difficult to see the structural color due to interference. At this time, it is possible to develop a more vivid structural color by containing the carbide (C) exhibiting a black color and exhibiting a shielding effect. Further, since the ratio of transmitted light, scattered light, diffraction, and interference light is changed by controlling the remaining amount of the carbide (C), it is also possible to produce a structural color film having a different color tone.

炭化物(C)の残存量の制御は、前記のように、構造色膜作製の第二工程における有機無機複合塗膜の焼成過程において、焼成温度及び焼成雰囲気を制御することによって行うことができる。炭化物(C)の残存量は、用いる中空ポリマー粒子(B)の種類や用いる水性塗料組成物の組成によって異なるが、焼成後の構造色膜中に1〜60質量%の割合で残存させるのが好ましく、1〜40質量%の範囲であることがより好ましい。   As described above, the remaining amount of the carbide (C) can be controlled by controlling the firing temperature and the firing atmosphere in the firing process of the organic-inorganic composite coating film in the second step of producing the structural color film. The remaining amount of the carbide (C) varies depending on the type of the hollow polymer particles (B) used and the composition of the aqueous coating composition used, but it is left at a ratio of 1 to 60% by mass in the structural color film after firing. Preferably, it is in the range of 1 to 40% by mass.

以下に実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。尚、特に断わりがない限り「%」は「質量%」を表わす。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples. Unless otherwise specified, “%” represents “mass%”.

測定機器
微粒子の形状及び中空性の観察には、キーエンス社製VE−9800走査型電子顕微鏡(SEM)を用いた。
Measuring instrument A VE-9800 scanning electron microscope (SEM) manufactured by Keyence Corporation was used for observation of the shape and hollowness of the fine particles.

構造色膜表面、断面形状の観察には、キーエンス社製VE−9800走査型電子顕微鏡(SEM)とSII社製SPI4000原子間力顕微鏡(AFM)を用いた。構造色膜のUV−Vis反射スペクトル測定には、村上光学社製の三次元変角分光測色システムGCMS−11を用いた。   A VE-9800 scanning electron microscope (SEM) manufactured by Keyence Corporation and an SPI4000 atomic force microscope (AFM) manufactured by SII Corporation were used for observing the surface of the structural color film and the cross-sectional shape. For measurement of the UV-Vis reflection spectrum of the structural color film, a three-dimensional variable angle spectrocolor measurement system GCMS-11 manufactured by Murakami Optical Co., Ltd. was used.

構造色膜の熱重量分析には、エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製、示差熱熱重量同時測定装置(EXSTAR6000 TG/DTA)を用いた。   For thermogravimetric analysis of the structural color film, a differential thermothermogravimetric simultaneous measurement apparatus (EXSTAR6000 TG / DTA) manufactured by SII Nano Technology Co., Ltd. was used.

焼成後の構造色膜中の有機成分の残存成分分析には、レニショー社製のラマンレーザー顕微鏡を用いた。   A Raman laser microscope manufactured by Renishaw was used for the residual component analysis of the organic components in the structural color film after firing.

合成例1
<PNIPAM−co−PGMAからなる中空ポリマー粒子B−1の合成>
1.8gのN−イソプロピルアクリルアミド(株式会社興人製、以下NIPAMと称す。)を溶解した水溶液290mlにグリシジルメタクリレート(和光純薬工業株式会社製、以下、GMAと称す。)11.8gを加えて70℃で窒素フローしながら攪拌した(GMA/NIPAM=5.2mol/mol)。水溶性重合開始剤として、2,2’−アゾビス(2−アミジノプロパン)二塩酸塩(V−50、和光純薬工業株式会社製)0.15gを溶解した水溶液10mlを添加した。同温度で1時間攪拌することにより粒子の分散液を得た。この分散液を遠心分離操作によって洗浄した後、この微粒子の形状をSEM観察したところ、平均粒径225nmの単分散真球状の粒子であった(図1)。この微粒子を押しつぶして、形態の観察を行ったところ、粒子の中央が空洞の中空ポリマー粒子であることが確認できた(図2)。この粒子の殻壁の厚みはおよそ10nmであった。以下、この中空ポリマー粒子をB−1と称す。
Synthesis example 1
<Synthesis of Hollow Polymer Particle B-1 Consisting of PNIPAM-co-PGMA>
11.8 g of glycidyl methacrylate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., hereinafter referred to as GMA) is added to 290 ml of an aqueous solution in which 1.8 g of N-isopropylacrylamide (manufactured by Kojin Co., Ltd., hereinafter referred to as NIPAM) is dissolved. The mixture was stirred while flowing nitrogen at 70 ° C. (GMA / NIPAM = 5.2 mol / mol). As a water-soluble polymerization initiator, 10 ml of an aqueous solution in which 0.15 g of 2,2′-azobis (2-amidinopropane) dihydrochloride (V-50, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was dissolved was added. A particle dispersion was obtained by stirring at the same temperature for 1 hour. After the dispersion was washed by centrifugation, the shape of the fine particles was observed with an SEM. As a result, the particles were monodisperse spherical particles having an average particle diameter of 225 nm (FIG. 1). When the fine particles were crushed and the morphology was observed, it was confirmed that the center of the particles was a hollow polymer particle having a hollow (FIG. 2). The thickness of the shell wall of this particle was approximately 10 nm. Hereinafter, this hollow polymer particle is referred to as B-1.

合成例2
<PACMO−co−PGMAからなる中空ポリマー粒子B−2の合成>
1.8gのアクリロイルモルフォリン(株式会社興人製、以下ACMOと称す。)を溶解した水溶液290mlにGMA 13.5gを加えて70℃で窒素フローしながら攪拌した(GMA/ACMO=4.8mol/mol)水溶性重合開始剤として、V−50 0.15gを溶解した水溶液10mlを添加した。同温度で1時間攪拌することにより粒子の分散液を得た。この分散液を遠心分離操作によって洗浄した後、この微粒子の形状をSEM観察したところ、平均粒径270nmの単分散真球状の粒子であった(図3)。この微粒子を押しつぶして、形態の観察を行ったところ、粒子の中央が空洞の中空ポリマー粒子であることが確認できた(図4)。この粒子の殻壁の厚みはおよそ10nmであった。以下、この中空ポリマー粒子をB−2と称す。
Synthesis example 2
<Synthesis of Hollow Polymer Particle B-2 Consisting of PACMO-co-PGMA>
GMA (13.5 g) was added to 290 ml of an aqueous solution in which 1.8 g of acryloylmorpholine (manufactured by Kojin Co., Ltd., hereinafter referred to as ACMO) was dissolved, and the mixture was stirred at 70 ° C. with nitrogen flow (GMA / ACMO = 4.8 mol). / Mol) As a water-soluble polymerization initiator, 10 ml of an aqueous solution in which 0.15 g of V-50 was dissolved was added. A particle dispersion was obtained by stirring at the same temperature for 1 hour. After the dispersion was washed by centrifugation, the shape of the fine particles was observed with an SEM. As a result, the particles were monodisperse spherical particles having an average particle diameter of 270 nm (FIG. 3). When the fine particles were crushed and the morphology was observed, it was confirmed that the center of the particles was hollow polymer particles (FIG. 4). The thickness of the shell wall of this particle was approximately 10 nm. Hereinafter, this hollow polymer particle is referred to as B-2.

実施例1
<B−1が含まれる水性塗料組成物>
合成例1で得た中空ポリマー粒子B−1の濃度が20%となる水分散体100部、10%のマレイン酸水溶液20部、シランオリゴマーMS−51(コルコート株式会社製)のイソプロパノール溶液(50%)100部を混合し、20℃の浴中2時間撹拌し、均一な分散状態である乳白色の水性塗料組成物を得た。
Example 1
<Water-based paint composition containing B-1>
100 parts of an aqueous dispersion in which the concentration of the hollow polymer particles B-1 obtained in Synthesis Example 1 is 20%, 20 parts of an aqueous 10% maleic acid solution, and an isopropanol solution of silane oligomer MS-51 (manufactured by Colcoat Co., Ltd.) (50 %) 100 parts were mixed and stirred in a bath at 20 ° C. for 2 hours to obtain a milky white aqueous coating composition in a uniform dispersion state.

実施例1で調製した水性塗料組成物を2.5cm×7cmの大きさのガラス基材にバーコーター(30番)で塗布して得られる複合塗膜を、25、80、130、180℃の各温度で30分間硬化させたところ、クラックの無い良好な有機無機複合塗膜が得られた。25、80℃で硬化させた複合塗膜表面のSEM観察では、微粒子が最密充填して規則的に配列した表面形態が確認された(図5及び図6)。この膜の断面をSEM観察した結果、規則的な多孔構造が確認された(図7)。   A composite coating film obtained by applying the aqueous coating composition prepared in Example 1 to a glass substrate having a size of 2.5 cm × 7 cm with a bar coater (No. 30) was used at 25, 80, 130, and 180 ° C. When cured at each temperature for 30 minutes, a good organic-inorganic composite coating film free from cracks was obtained. SEM observation of the surface of the composite coating cured at 25 and 80 ° C. confirmed a surface morphology in which fine particles were closely packed and regularly arranged (FIGS. 5 and 6). As a result of SEM observation of the cross section of this film, a regular porous structure was confirmed (FIG. 7).

上記で得られた有機無機複合塗膜の塗装基材を、電気炉を用いて、空気存在下、500℃、1時間の焼成を行ったところ、全面にわたって亀裂等の欠陥が無く、膜面に垂直の方向から観察して、青色の鮮やかな発色を示す、シリカからなる構造色膜が得られた。この膜は、平均膜厚約2.5μmであり、膜の厚み(D)に対する膜平面の最短辺の長さ(L)の比L/Dは、10,000であった。   When the coating substrate of the organic-inorganic composite coating film obtained above was baked at 500 ° C. for 1 hour in the presence of air using an electric furnace, there were no defects such as cracks over the entire surface, and the film surface was When observed from the vertical direction, a structural color film made of silica showing a bright blue color was obtained. This film had an average film thickness of about 2.5 μm, and the ratio L / D of the length (L) of the shortest side of the film plane to the film thickness (D) was 10,000.

実施例2
実施例1で用いた水性塗料組成物を、ガラス板上に絵画用ブラシで塗布して絵を描いた。得られた絵柄の有機無機複合塗膜塗装基材を、空気存在下、500℃の温度で0.5時間焼成すると、青色の鮮やかな発色を示すシリカからなる構造色膜が得られた。
Example 2
The aqueous coating composition used in Example 1 was applied on a glass plate with a painting brush to draw a picture. When the obtained organic / inorganic composite coating film-coated substrate of the pattern was baked for 0.5 hours at a temperature of 500 ° C. in the presence of air, a structural color film made of silica showing a vivid blue color was obtained.

実施例3
実施例1で用いた水性塗料組成物を、15cm角の黒タイル上にバーコーター(30番)を用いて塗布した。得られた塗装基材を、空気存在下、500℃の温度で0.5時間焼成すると、青色の鮮やかな発色を示すシリカからなる構造色膜が得られた。
Example 3
The water-based coating composition used in Example 1 was applied on a 15 cm square black tile using a bar coater (# 30). When the obtained coated substrate was baked for 0.5 hours at a temperature of 500 ° C. in the presence of air, a structural color film made of silica showing vivid blue color was obtained.

実施例4
実施例1で用いた水性塗料組成物に2.5cm×7cmの大きさのガラス基材を浸漬、引き上げることによって塗布し、ガラス表面に複合塗膜を形成させた。得られた複合塗膜塗装基材を空気存在下、500℃の温度で1時間焼成すると、全面にわたって亀裂等の欠陥が無く、膜面に垂直の方向から観察して、青色の鮮やかな発色を示すシリカからなる構造色膜が得られた。この膜は、平均膜厚約2μmであり、膜の厚み(D)に対する膜平面の最短辺の長さ(L)の比L/Dは、12,500であった。
Example 4
A glass substrate having a size of 2.5 cm × 7 cm was applied to the water-based coating composition used in Example 1 by dipping and pulling up to form a composite coating film on the glass surface. When the obtained composite coating substrate is baked at 500 ° C. for 1 hour in the presence of air, the entire surface is free from defects such as cracks, and a bright blue color is observed when observed from the direction perpendicular to the film surface. A structural color film made of the indicated silica was obtained. This film had an average film thickness of about 2 μm, and the ratio L / D of the length (L) of the shortest side of the film plane to the film thickness (D) was 12,500.

実施例5
実施例1で用いた水性塗料組成物を5cm角のポリエチレン板に塗布し、ポリエチレン板上に複合塗膜を形成させた。この複合塗膜は、乾燥に伴って、一部が基板から剥離した。この部分をピンセットでつかみ、引き剥がすことによって、独立した有機無機複合膜を得た。得られた膜を空気存在下、800℃まで昇温焼成すると、水色の鮮やかな発色を示す、欠陥の無い透明なシリカからなる構造色膜が得られた。この断面をSEM観察すると、粒子が最密充填した構造を保持した内部構造が確認された(図8)。
Example 5
The aqueous coating composition used in Example 1 was applied to a 5 cm square polyethylene plate to form a composite coating film on the polyethylene plate. A part of this composite coating film was peeled off from the substrate with drying. This part was grasped with tweezers and peeled off to obtain an independent organic-inorganic composite film. When the obtained film was heated to 800 ° C. in the presence of air, a structural color film made of transparent silica free from defects and showing a bright blue color was obtained. When this cross section was observed with an SEM, an internal structure maintaining a structure in which the particles were closely packed was confirmed (FIG. 8).

実施例6
<B−2が含まれる水性塗料組成物>
合成例2で得た中空ポリマー粒子B−2の濃度が25%となる水分散体100部、10%のマレイン酸水溶液20部、シランオリゴマーMS−51のイソプロパノール溶液(50%)100部を混合し、20℃の浴中2時間撹拌し、均一な分散状態である乳白色の水性塗料組成物を得た。
Example 6
<Aqueous paint composition containing B-2>
100 parts of an aqueous dispersion in which the concentration of the hollow polymer particles B-2 obtained in Synthesis Example 2 is 25%, 20 parts of a 10% maleic acid aqueous solution, and 100 parts of an isopropanol solution (50%) of the silane oligomer MS-51 are mixed. The mixture was stirred in a bath at 20 ° C. for 2 hours to obtain a milky white aqueous coating composition in a uniform dispersion state.

前記で調製した塗料組成物を2.5cm×7.5cmのガラス基材にバーコーター(30番)で塗布して得られる複合塗膜を25、80、130、180℃の各温度で30分間硬化させたところ、クラックの無い良好な膜が得られた。硬化温度25℃で得られた複合塗膜表面および断面のSEM観察から、微粒子の規則的な配列パターンが確認された(図9及び図10)。また、この塗膜のAFM観察では、表面粒子配列による凹凸パターンが明確に現れ(図11)、谷間距離は370〜400nmであった(図12)。   A composite coating film obtained by applying the coating composition prepared above on a 2.5 cm × 7.5 cm glass substrate with a bar coater (No. 30) at temperatures of 25, 80, 130, and 180 ° C. for 30 minutes. When cured, a good film free of cracks was obtained. From the SEM observation of the composite coating film surface and cross section obtained at a curing temperature of 25 ° C., a regular arrangement pattern of fine particles was confirmed (FIGS. 9 and 10). Moreover, in the AFM observation of this coating film, the uneven | corrugated pattern by surface particle arrangement appeared clearly (FIG. 11), and the valley distance was 370-400 nm (FIG. 12).

前記で得られた有機無機複合塗膜の塗装基材を、電気炉を用いて、空気存在下、500℃、1時間の焼成を行ったところ、全面にわたって亀裂等の欠陥が無く、膜面に垂直の方向から観察して、緑色の鮮やかな発色を示す、シリカからなる構造色膜が得られた。観察方向を傾けると、緑色から赤色方向への発色のシフトが観察された。   When the coating substrate of the organic-inorganic composite coating film obtained above was baked at 500 ° C. for 1 hour in the presence of air using an electric furnace, there were no defects such as cracks over the entire surface, and the film surface When observed from the vertical direction, a structural color film made of silica showing a bright green color was obtained. When the observation direction was tilted, a color shift from green to red was observed.

実施例7
実施例6で調製した水性塗料組成物を10cm×10cmのガラス基材にバーコーター(30番)で塗布して得られる複合塗膜塗装基材を、電気炉を用いて、空気存在下、500℃、1時間の焼成を行ったところ、全面にわたって亀裂等の欠陥が無く、膜面に垂直の方向から観察して、緑色の鮮やかな発色を示す、シリカからなる構造色膜が得られた。観察方向を傾けると、緑色から赤色方向への発色のシフトが観察された。この膜は、平均膜厚約10μmであり、膜の厚み(D)に対する膜平面の最短辺の長さ(L)の比L/Dは、10,000であった。
Example 7
A composite coating film coated substrate obtained by applying the aqueous coating composition prepared in Example 6 to a 10 cm × 10 cm glass substrate with a bar coater (No. 30) was used in an electric furnace in the presence of air. When calcination was carried out at 1 ° C. for 1 hour, a structural color film made of silica was obtained which had no defects such as cracks over the entire surface and showed a vivid green color when observed from a direction perpendicular to the film surface. When the observation direction was tilted, a color shift from green to red was observed. This film had an average film thickness of about 10 μm, and the ratio L / D of the length (L) of the shortest side of the film plane to the film thickness (D) was 10,000.

実施例8
合成例1、合成例2と同様にして合成した中空ポリマー粒子(表1)を含む水分散体100部を、実施例1、実施例6と同様にして、10%のマレイン酸水溶液20部、シランオリゴマーMS−51のイソプロパノール溶液(50%)100部を混合し、20℃の浴中2時間撹拌し、均一な分散状態である乳白色の水性塗料組成物を得た。この水性塗料組成物を、2.5cm×7.5cmのガラス基材にバーコーター(30番)で塗布して得られる複合塗膜を130℃で30分間硬化させたところ、クラックの無い良好な膜が得られた。
Example 8
100 parts of an aqueous dispersion containing hollow polymer particles (Table 1) synthesized in the same manner as in Synthesis Example 1 and Synthesis Example 2 were treated in the same manner as in Example 1 and Example 6, 20 parts of a 10% aqueous maleic acid solution. 100 parts of an isopropanol solution (50%) of silane oligomer MS-51 was mixed and stirred in a bath at 20 ° C. for 2 hours to obtain a milky white aqueous coating composition in a uniform dispersion state. A composite coating obtained by applying this aqueous coating composition to a 2.5 cm × 7.5 cm glass substrate with a bar coater (No. 30) was cured at 130 ° C. for 30 minutes. A membrane was obtained.

表1の脚注:
AIBN:2,2’−アゾビス(2−アミジノプロパン)二塩酸塩
KPS:過硫酸カリウム
Footnotes in Table 1:
AIBN: 2,2′-azobis (2-amidinopropane) dihydrochloride KPS: potassium persulfate

得られた塗装基材を、空気存在下、500℃、1時間の焼成を行ったところ、全面にわたって亀裂等の欠陥が無く、透明で鮮やかな発色を示す、シリカからなる構造色膜が得られた。これらのフィルムは、光の照射方向及び観察方向が変わると、観察色が変化して見えた。構造色膜の変角分光測定により得られた反射ピーク波長を表2に示す。300nmの粒子を用いて作製した構造色膜のSEM観察を行うと、構造色膜表面に規則的な多孔構造が観察された(図13)。   When the obtained coated substrate was baked at 500 ° C. for 1 hour in the presence of air, a structural color film made of silica showing a clear and vivid color without cracks and other defects was obtained over the entire surface. It was. These films appeared to change in observation color when the light irradiation direction and the observation direction were changed. Table 2 shows the reflection peak wavelengths obtained by the variable angle spectroscopic measurement of the structural color film. When SEM observation of the structural color film produced using 300 nm particles was performed, a regular porous structure was observed on the surface of the structural color film (FIG. 13).

実施例9
実施例8で用いたものと同じ有機無機複合塗膜塗装基材を窒素気流下、種々の焼成温度で焼成を行ったところ、全面にわたって亀裂等の欠陥が無く、不透明で鮮やかな発色を示す、シリカからなる構造色膜が得られた。これらのフィルムは、光の照射方向及び観察方向が変わると、観察色が変化して見え、空気存在下で焼成したものと異なる発色を示した。各焼成条件と、構造色膜の変角分光測定により得られた反射ピーク波長を表3に示す。
Example 9
When the same organic-inorganic composite coating film coated substrate as used in Example 8 was baked at various firing temperatures under a nitrogen stream, there was no defect such as cracks over the entire surface, and an opaque and vivid coloration was exhibited. A structural color film made of silica was obtained. These films appeared to change in observation color when the light irradiation direction and the observation direction were changed, and showed a color development different from that obtained by baking in the presence of air. Table 3 shows the respective reflection conditions and the reflection peak wavelengths obtained by the variable angle spectroscopic measurement of the structural color film.

これらの構造色膜のラマンスペクトル測定を行うと、1354、1548cm−1に、ピークが現れ、膜中に炭化物の存在が確認できた。TG−DTA測定により、400、450,500℃における焼成後の炭化物の存在量は、それぞれ、おおむね15%、20%、33%であった。300nmの粒子を用いて作製した構造色膜のSEM観察を行うと、構造色膜表面に規則的な多孔構造が観察された(図14)。 When the Raman spectrum of these structural color films was measured, peaks appeared at 1354 and 1548 cm −1 , and the presence of carbides in the films could be confirmed. According to the TG-DTA measurement, the abundance of the carbides after firing at 400, 450, and 500 ° C. was approximately 15%, 20%, and 33%, respectively. When SEM observation of the structural color film produced using 300 nm particles was performed, a regular porous structure was observed on the surface of the structural color film (FIG. 14).

実施例10
合成例1、合成例2と同様にして合成した中空ポリマー粒子(表1)を含む水分散体100部を、10%のマレイン酸水溶液20部、シランオリゴマーMS−51とグリシドキシプロピルトリメトキシシラン(GPTMS)混合シリカソース(質量比 MS−51/GPTMS=2)のイソプロパノール溶液(50%)100部を混合し、20℃の浴中2時間撹拌し、均一な分散状態である乳白色の水性塗料組成物を得た。この水性塗料組成物を、2.5cm×7.5cmのガラス基材にバーコーター(30番)で塗布して得られる複合塗膜を130℃で30分間硬化させたところ、クラックの無い良好な膜が得られた。
Example 10
100 parts of an aqueous dispersion containing hollow polymer particles (Table 1) synthesized in the same manner as in Synthesis Examples 1 and 2 were mixed with 20 parts of a 10% maleic acid aqueous solution, silane oligomer MS-51 and glycidoxypropyltrimethoxy. Silane (GPTMS) mixed silica source (mass ratio MS-51 / GPTMS = 2) 100 parts of an isopropanol solution (50%) is mixed and stirred in a bath at 20 ° C. for 2 hours to give a milky white aqueous solution in a uniform dispersion state. A coating composition was obtained. A composite coating obtained by applying this aqueous coating composition to a 2.5 cm × 7.5 cm glass substrate with a bar coater (No. 30) was cured at 130 ° C. for 30 minutes. A membrane was obtained.

得られた塗装基材を、空気存在下、もしくは窒素気流下、種々の焼成温度において1時間の焼成を行ったところ、全面にわたって亀裂等の欠陥が無く、鮮やかな発色を示す、シリカからなる構造色膜が得られた。これらのフィルムは、光の照射方向及び観察方向が変わると、観察色が変化して見えた。構造色膜の変角分光測定により得られた反射ピーク波長を表4(空気存在下焼成)、及び表5(窒素気流下)に示す。   When the obtained coated substrate is baked for 1 hour at various calcination temperatures in the presence of air or in a nitrogen stream, the structure is made of silica and has no defects such as cracks over the entire surface and shows vivid color development A color film was obtained. These films appeared to change in observation color when the light irradiation direction and the observation direction were changed. The reflection peak wavelengths obtained by the variable angle spectroscopic measurement of the structural color film are shown in Table 4 (firing in the presence of air) and Table 5 (under a nitrogen stream).

比較例1
中空ポリマー粒子を用いない以外は、実施例1と同様の組成の塗液を調製し、ガラス基材にバーコーター(30番)で塗布して複合塗膜を得た。25、80℃で乾燥すると、膜には多数のクラックが発生し、膜は基材から脱落した。
Comparative Example 1
A coating liquid having the same composition as in Example 1 was prepared except that the hollow polymer particles were not used, and a composite coating film was obtained by applying the coating liquid to a glass substrate with a bar coater (No. 30). When dried at 25 and 80 ° C., many cracks were generated in the film, and the film was detached from the substrate.

比較例2
250nm径のポリスチレンの非中空コア、50nmの厚さの架橋したポリ(N−イソプロピルアクリルアミド)シェル層を有するコア−シェル型微粒子の20重量%分散液を、2.5cm角のガラス基材にスピンコーターの回転数1000rpmで10秒間回転塗布し、微粒子が三次元周期配列したフィルムを得た。このフィルムを、テトラエトキシシランを入れた直径5cmのシャーレ内に12時間浸漬し、シェル層内でのゾル−ゲル反応を進行させることで、ガラス基材全面に微粒子の三次元周期構造を固体化したフィルムを得た。このフィルムを500℃で加熱焼成すると、鮮やかな虹彩色を示す構造色膜が得られたが、膜表面に亀裂が入り、数mm幅の短冊状の剥離が起こった。
Comparative Example 2
Spin a 20% by weight dispersion of core-shell fine particles with a non-hollow core of polystyrene with a diameter of 250 nm and a cross-linked poly (N-isopropylacrylamide) shell layer with a thickness of 50 nm on a 2.5 cm square glass substrate. The film was spin-coated for 10 seconds at a coater rotation speed of 1000 rpm to obtain a film in which fine particles were three-dimensionally arranged. This film is immersed in a petri dish with a diameter of 5 cm containing tetraethoxysilane for 12 hours, and the sol-gel reaction in the shell layer proceeds to solidify the three-dimensional periodic structure of fine particles on the entire surface of the glass substrate. Film was obtained. When this film was heated and baked at 500 ° C., a structural color film showing a vivid iris color was obtained, but cracks occurred on the film surface, and strip-like peeling with a width of several mm occurred.

比較例2
250nm径のポリスチレンの非中空コア、50nmの厚さの架橋したポリ(N−イソプロピルアクリルアミド)シェル層を有するコア−シェル型微粒子の20重量%分散液を、5cm角のガラス基材にバーコーター(30番)で塗布し、微粒子が三次元周期配列したフィルムを得た。このフィルムを、テトラエトキシシランを入れた直径10cmのシャーレ内に12時間浸漬し、シェル層内でのゾル−ゲル反応を進行させると、ガラス基材表面から数mm幅で短冊状にフィルムが剥離した。
Comparative Example 2
A 20% by weight dispersion of core-shell type fine particles having a non-hollow core of polystyrene having a diameter of 250 nm and a crosslinked poly (N-isopropylacrylamide) shell layer having a thickness of 50 nm is applied to a 5 cm square glass substrate with a bar coater ( No. 30) to obtain a film in which fine particles are three-dimensionally periodically arranged. When this film is immersed in a petri dish with a diameter of 10 cm containing tetraethoxysilane for 12 hours and the sol-gel reaction is allowed to proceed in the shell layer, the film peels off in a strip shape with a width of several mm from the surface of the glass substrate. did.

合成例1で得られた中空ポリマー粒子の形態を表すSEM観察像である。3 is an SEM observation image showing the form of hollow polymer particles obtained in Synthesis Example 1. 合成例1で得られた中空ポリマー粒子を押し潰して観察した中空形態を表すSEM観察像である。It is a SEM observation image showing the hollow form observed by crushing the hollow polymer particle obtained in Synthesis Example 1. 合成例2で得られた中空ポリマー粒子の形態を表すSEM観察像である。4 is an SEM observation image showing the form of hollow polymer particles obtained in Synthesis Example 2. 合成例2で得られた中空ポリマー粒子を押し潰して観察した中空形態を表すSEM観察像である。It is a SEM observation image showing the hollow form observed by crushing the hollow polymer particles obtained in Synthesis Example 2. 実施例1で得られた25℃硬化複合塗膜表面の形態を表すSEM観察像である。2 is an SEM observation image showing the form of a 25 ° C. cured composite coating surface obtained in Example 1. FIG. 実施例1で得られた80℃硬化複合塗膜表面の形態を表すSEM観察像である。2 is an SEM observation image showing the form of the 80 ° C. cured composite coating film surface obtained in Example 1. FIG. 実施例1で得られた25℃硬化複合塗膜断面の形態を表すSEM観察像である。2 is an SEM observation image showing a form of a cross section of a 25 ° C. cured composite coating film obtained in Example 1. FIG. 実施例5で得られた800℃焼成構造色膜断面の形態を表すSEM観察像である。6 is an SEM observation image showing a form of a cross section of an 800 ° C. fired structural color film obtained in Example 5. FIG. 実施例6で得られた25℃硬化複合塗膜表面の形態を表すSEM観察像である。It is a SEM observation image showing the form of the 25 degreeC hardening composite coating film surface obtained in Example 6. FIG. 実施例6で得られた25℃硬化複合塗膜断面の形態を表すSEM観察像である。It is a SEM observation image showing the form of a 25 ° C hardening compound coat section obtained in Example 6. 実施例6で得られた25℃硬化複合塗膜表面のAFM観察像である。7 is an AFM observation image of the surface of a 25 ° C. cured composite coating obtained in Example 6. FIG. 実施例6で得られた25℃硬化複合塗膜のAFM観察断面プロファイルである。7 is an AFM observation cross-sectional profile of a 25 ° C. cured composite coating film obtained in Example 6. 実施例8中、粒径300nmの粒子を用いて作製された構造色膜の表面の形態を表すSEM観察像である。In Example 8, it is a SEM observation image showing the form of the surface of the structural color film produced using the particle | grains with a particle size of 300 nm. 実施例9中、粒径300nmの粒子を用いて作製された構造色膜の表面の形態を表すSEM観察像である。In Example 9, it is a SEM observation image showing the form of the surface of the structural color film produced using the particle | grains with a particle size of 300 nm.

Claims (14)

(1)250℃以上の耐熱性を有する固体基材(X1)上に、金属アルコキシド(a)のゾルゲル反応で得られる金属酸化物(A)と、単分散性の中空ポリマー粒子(B)と、を含有する水性塗料組成物を塗布し塗装基材を得る工程、
(2)(1)で得られた塗装基材を焼成する工程、
を有することを特徴とする構造色膜の製造方法。
(1) On a solid substrate (X1) having a heat resistance of 250 ° C. or higher, a metal oxide (A) obtained by a sol-gel reaction of a metal alkoxide (a), monodisperse hollow polymer particles (B), A step of applying a water-based coating composition containing, to obtain a coated substrate,
(2) A step of firing the coated substrate obtained in (1),
A method for producing a structural color film, comprising:
前記固体基材(X1)が、ガラス、金属又は無機酸化物である請求項1記載の構造色膜の製造方法。 The method for producing a structural color film according to claim 1, wherein the solid substrate (X1) is glass, metal or inorganic oxide. 前記金属アルコキシド(a)が、加水分解性の官能基を三価以上有する金属アルコキシドである請求項1又は2記載の構造色膜の製造方法。 The method for producing a structural color film according to claim 1 or 2, wherein the metal alkoxide (a) is a metal alkoxide having a trivalent or higher hydrolyzable functional group. 前記中空ポリマー粒子(B)と前記金属アルコキシド(a)との使用割合が(B)/(a)で表される質量比で70/30〜5/95の範囲である水性塗料組成物を用いる請求項1〜3の何れか1項記載の構造色膜の製造方法。 An aqueous coating composition is used in which the use ratio of the hollow polymer particles (B) and the metal alkoxide (a) is in the range of 70/30 to 5/95 by mass ratio represented by (B) / (a). The manufacturing method of the structural color film in any one of Claims 1-3. (1)固体基材(X2)上に、金属アルコキシド(a)のゾルゲル反応で得られる金属酸化物(A)と、単分散性の中空ポリマー粒子(B)と、を含有する水性塗料組成物を塗布し塗装基材を得る工程、
(2)(1)で得られた塗装基材から塗膜を剥離する工程、
(3)(2)で得られた剥離塗膜を焼成する工程、
を有することを特徴とする構造色膜の製造方法。
(1) An aqueous coating composition containing a metal oxide (A) obtained by a sol-gel reaction of a metal alkoxide (a) and monodisperse hollow polymer particles (B) on a solid substrate (X2). Applying a coating to obtain a coated substrate,
(2) The process of peeling a coating film from the coating base material obtained by (1),
(3) A step of firing the release coating obtained in (2),
A method for producing a structural color film, comprising:
前記固体基材(X2)が、ポリエチレン又はポリ塩化ビニルである請求項5記載の構造色膜の製造方法。 6. The method for producing a structural color film according to claim 5, wherein the solid substrate (X2) is polyethylene or polyvinyl chloride. 前記金属アルコキシド(a)が、加水分解性の官能基を三価以上有する金属アルコキシドである請求項5又は6記載の構造色膜の製造方法。 The method for producing a structural color film according to claim 5 or 6, wherein the metal alkoxide (a) is a metal alkoxide having a trivalent or higher hydrolyzable functional group. 前記中空ポリマー粒子(B)と前記金属アルコキシド(a)との使用割合が(B)/(a)で表される質量比で70/30〜5/95の範囲である水性塗料組成物を用いる請求項5〜7の何れか1項記載の構造色膜の製造方法。 An aqueous coating composition is used in which the use ratio of the hollow polymer particles (B) and the metal alkoxide (a) is in the range of 70/30 to 5/95 by mass ratio represented by (B) / (a). The manufacturing method of the structural color film in any one of Claims 5-7. 250℃以上の耐熱性を有する固体基材(X1)が構造色膜で被覆されてなる構造色膜被覆基材であって、該構造色膜が金属酸化物(A)を主構成成分とする逆オパール構造のマトリックスからなるものであり、且つ膜の厚みに対する膜平面の最短辺の長さが1,000倍以上であることを特徴とする構造色膜被覆基材。 A structural color film-coated substrate obtained by coating a solid substrate (X1) having a heat resistance of 250 ° C. or higher with a structural color film, the structural color film having a metal oxide (A) as a main constituent component A structural color film-coated substrate, comprising a matrix having an inverse opal structure, wherein the length of the shortest side of the film plane with respect to the film thickness is 1,000 times or more. 前記構造色膜が金属アルコキシド(a)のゾルゲル反応で得られる金属酸化物(A)と単分散性の中空ポリマー粒子(B)とを含有する水性塗料組成物を塗布して得られる塗膜を焼成したものである請求項9記載の構造色膜被覆基材。 A coating film obtained by applying an aqueous coating composition in which the structural color film contains a metal oxide (A) obtained by a sol-gel reaction of a metal alkoxide (a) and monodisperse hollow polymer particles (B) The structural color film-coated substrate according to claim 9, which is fired. 前記構造色膜中に、更に金属アルコキシド(a)及び/又は中空ポリマー粒子(B)由来の炭化物(C)を含有する請求項10記載の構造色膜被覆基材。 The structural color film-coated substrate according to claim 10, further comprising a metal alkoxide (a) and / or a carbide (C) derived from the hollow polymer particles (B) in the structural color film. 金属酸化物(A)を主構成成分とする逆オパール構造のマトリックスからなり、且つ膜の厚みに対する膜平面の最短辺の長さが1,000倍以上であることを特徴とする構造色膜。 A structural color film comprising a matrix having an inverse opal structure containing a metal oxide (A) as a main constituent, and having a length of the shortest side of the film plane with respect to the film thickness being 1,000 times or more. 前記構造色膜が金属アルコキシド(a)のゾルゲル反応で得られる金属酸化物(A)と単分散性の中空ポリマー粒子(B)とを含有する水性塗料組成物を塗布して得られる塗膜を基材から剥離した後、焼成したものである請求項12記載の構造色膜。 A coating film obtained by applying an aqueous coating composition in which the structural color film contains a metal oxide (A) obtained by a sol-gel reaction of a metal alkoxide (a) and monodisperse hollow polymer particles (B) The structural color film according to claim 12, which is fired after being peeled from the substrate. 前記構造色膜中に、更に金属アルコキシド(a)及び/又は中空ポリマー粒子(B)由来の炭化物(C)を含有する請求項13記載の構造色膜。 The structural color film according to claim 13, wherein the structural color film further contains a metal alkoxide (a) and / or a carbide (C) derived from the hollow polymer particles (B).
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