JP2010077306A - 透光性樹脂複合体 - Google Patents

Abstract

【課題】容易に製造することができるセルロースで強化された透光性樹脂複合体を得る。
【解決手段】水溶性セルロースエーテル固形物と透光性樹脂とを複合させた透光性樹脂複合体であり、例えば、水溶性セルロースエーテル固形物が多孔質成形体３であり、多孔質成形体３に液状樹脂を含浸させた後、液状樹脂を硬化させて透光性樹脂にするか、あるいは水溶性セルロースエーテル固形物が、フィルム、鱗片状フィラー、または繊維状フィラーの形態で透光性樹脂中に含有されていることを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、レンズなどの光学素子に用いることができる透光性樹脂複合体に関するものである。

従来より、光学材料としては、ガラスまたは樹脂材料が用いられている。ガラスは、特性が安定で信頼性の高い材料であるが、硬質であり、融点が高いため、加工にコストがかかるという問題がある。一方、樹脂材料は、加工は容易であるが、特性の温度依存性が大きく、経時劣化もガラスに比べると大きいという問題がある。

ガラス及び樹脂材料の欠点を補うため、ガラスと樹脂を複合化する方法がある。その一例として、自動車部品やスキー板などのスポーツ用品などに用いられるガラス繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）がある。ＦＲＰは、一般に不透明であるが、特許文献１及び特許文献２においては、ガラスと樹脂の屈折率を一致させることにより、透明な複合材料を得る方法が開示されている。

特許文献３においては、フィラーとしてガラスの代わりにセルロースを用いる方法が開示されている。セルロースは、機械的性能がガラスと同等以上であり、また、軽量であること、及び生分解性を有し、焼却可能であることから、廃棄も容易であるという特徴を有している。

しかしながら、セルロースはほとんどの溶媒に不溶であり、また高温でも軟化せずに分解するため、所望の形状に成型することは困難である。

特許文献３においては、フィラーとして、微生物が生成したバクテリアセルロース繊維を使用しているので、その製造に時間を要するとういう問題がある。

特許文献４においては、セルロース不織布を用い、セルロース不織布に樹脂を充填させている。しかしながら、綿花やパルプから生成したセルロースを用いた場合、その繊維径や形状にばらつきが大きく、このようなセルロース不織布を用いた場合、良好な透光性を有する複合材料が得られないという問題がある。
特公昭６２−１３３８号公報 特開昭６２−２５１２２７号公報 特開２００５−６０６８０号公報 特開２００６−３１６２５３号公報

本発明の目的は、容易に製造することができるセルロースで強化された透光性樹脂複合体を提供することにある。

本発明は、水溶性セルロースエーテル固形物と透光性樹脂とを複合化させたことを特徴としている。

セルロースは、分子中に含まれるＯＨ基の水素結合により結晶化するため、ほとんどの溶媒に不溶であるが、セルロースエーテルは、このＯＨ基の一部または全部を他の基で置き換えているので、可溶性を有している。置換基を親水性基とすることにより、水溶性にすることができる。

本発明に用いることができる水溶性セルロースエーテルとしては、例えば、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロースなどが挙げられる。水溶性のセルロースエーテルであれば、他のセルロースエーテルも使用することができる。本発明においては、特にヒドロキシプロピルメチルセルロースを好ましく用いることができる。

本発明においては、水溶性セルロースエーテル固形物と、透光性樹脂との屈折率差が０．０１以下であることが好ましい。屈折率差を０．０１以下とすることにより、より透光性に優れた樹脂複合体とすることができる。

本発明に従う好ましい実施形態においては、水溶性セルロースエーテル固形物が多孔質成形体であり、該多孔質成形体に液状樹脂を含浸させた後、この液状樹脂を硬化させて透光性樹脂にしている。

水溶性セルロースエーテルは、粘稠性を有する水溶液とすることができ、このような水溶液を型に入れて成形した後、凍結乾燥することにより、多孔質成形体にすることができる。このような多孔質成形体に、液状樹脂を含浸させた後、液状樹脂を硬化させて本発明の透光性樹脂複合体にすることができる。このような方法を用いることにより、所望の形状に成形することができ、水溶性セルロースエーテルによって補強された高い機械的強度を有し、かつ透光性に優れた樹脂複合体とすることができる。

また、水溶性セルロースエーテル固形物を、フィルム、鱗片状フィラー、または繊維状フィラーの形態で透光性樹脂中に含有させてもよい。

本発明において用いることができる透光性樹脂としては、アクリレート樹脂、ポリプロピレン樹脂、フッ素化ポリエチレン樹脂などを用いることができる。アクリレート樹脂の場合には、屈折率の異なる種類のアクリレート樹脂を混合し、混合比率を調整することにより、屈折率を調整することができる。また、フッ素化ポリエチレンの場合には、フッ素置換率を調整することにより、屈折率を調整することができる。

本発明の透光性樹脂複合体における水溶性セルロースエーテル固形物の含有量は、２〜８０重量％の範囲であることが好ましく、さらに好ましくは、８〜５０重量％の範囲である。

本発明の透光性樹脂複合体は、水溶性セルロースエーテル固形物によって補強されているので、高い強度を有するとともに、良好な透明性を有している。従って、光学素子を形成する複合材料として用いることができる。光学素子としては、例えば、光送受信モジュール及び光スイッチ等の光通信デバイス、光導波路、光ファイバー、及びレンズアレイ等の光伝搬路構造、及びそれらを含む光ビームスプリッタ等の光デバイス、インテグレータレンズ、マイクロレンズアレイ、反射板、導光板、投射用スクリーン等の表示デバイス（ディスプレイまたは液晶プロジェクタ等）関連光学素子、眼鏡、ＣＣＤ用光学系、デジタルスチルカメラや携帯電話用カメラ等に用いられるレンズ、光学フィルタ、回折格子、干渉計、光結合器、光合分波器、光センサー、ホログラム光学素子、その他光学部品用材料、光起電力素子、コンタクトレンズ、医療用人工組織、発光ダイオード（ＬＥＤ）のモールド材等が挙げられる。また、電気配線用基板、機械部品用材料、反射防止膜及び表面保護膜等の各種コーティング材料としても用いることができる。

本発明の光学素子は、上記本発明の透光性樹脂複合体から形成されたことを特徴としている。

本発明によれば、容易に製造することができるセルロースで強化された透光性樹脂複合体とすることができる。

次に、本発明を具体的な実施例により説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
本実施例においては、水溶性セルロースエーテルとして、置換度１．９のヒドロキシプロピルメチルセルロース（ＨＰＭＣ）を用いた。ＨＰＭＣは、以下に示す繰り返し単位を有するセルロースである。

なお、上記化学式において、Ｒは、Ｈ、ＣＨ_３、またはＣＨ_２ＣＨ（ＣＨ_３）ＯＨである。置換度とは、単位グルコースに含まれる３つのＯＨ基のうち、置換されている平均数である。置換度が大きいほど溶媒に溶けやすくなるが、セルロースの機械的強度はＯＨ基の水素結合に依存するため、機械的強度は低下する。本発明においては、置換度が０．５〜２．０の範囲内であることが好ましい。

図１は、本実施例の透光性樹脂複合体を製造する工程を示す断面図である。

本実施例では、ＨＰＭＣ水溶性を金型で成型して冷却し、凍結することにより、ＨＰＣＭの多孔質成形体を作製し、この多孔質成形体に液状樹脂を含浸した後、硬化させることにより、透光性樹脂複合体を製造した。以下、具体的な作製方法を説明する。

先ず、ＨＰＭＣ水溶液を作製する。７０℃の熱水に、１０重量％に相当するＨＰＭＣを入れ、攪拌した後に、除冷して、ＨＰＭＣ水溶液を作製する。なお、ＨＰＭＣを冷水に溶解させると、１０重量％では粘度が高くなりすぎ、攪拌が困難になる。７０℃程度以上の熱水は、ＨＰＭＣは溶解しないので、攪拌が容易であり、ＨＰＭＣ粉末が熱水中に一様に分散した後に除冷することにより、均一でかつ気泡の少ない水溶液を得ることができる。

図１（ａ）に示すように、型２ａ及び型２ｂからなる金型に、ＨＰＭＣ水溶液１を流し込む。金型の一部には開口部が形成されており、この開口部からＨＰＭＣ水溶液１を流し込むことができる。ＨＰＭＣ水溶液は非常に粘度が高く、ゲル状態であるので、へらで押し込むようにして金型内に充填し成型する。型２ａ及び型２ｂとしては、ガラス製の型を用いた。

次に、金型内に充填したＨＰＭＣ水溶液１を約−２０℃の温度で凍結し、型２ａと型２ｂを外すことにより、金型内から凍結したＨＰＭＣ水溶液を取り出し、これを真空チャンバー内に設置し、ロータリーポンプで１ｍｍＨｇ程度以下に排気した後、昇華した水分子を液体窒素で冷却し、ソープションポンプで吸着除去して、フリーズドライする。この結果、ＨＰＭＣがスポンジ状となった多孔質成形体が得られる。

図１（ｂ）は、得られたスポンジ状の多孔質成形体３を示す断面図である。この多孔質成形体３を、光硬化性樹脂組成物の液中に浸漬し、約７０℃に加熱し、減圧することにより、多孔質成形体３内の空孔部分に、液状の樹脂組成物を含浸させる。光硬化性樹脂組成物としては、ＰＥＧ（ポリエチレングリコール）４００アクリレートと、ジシクロペンテニルオキシエチルアクリレートとを重量比で９５：５の割合で混合し、光重合開始剤として１−ヒドロキシ−シクロヘキシル−フェニル−ケトンを１重量％添加したものを用いた。このように２種類のアクリレートを混合して使用することにより、ＨＰＭＣ固形物の屈折率１．４９とほぼ同じ屈折率を有する透光性樹脂とすることができる。

光硬化性樹脂組成物を含浸させたＨＰＭＣの多孔質成形体３を、再び金型に入れ、平板で押さえつけて余分な樹脂組成物を絞り出し、次に３６５ｎｍの波長の紫外光を、約３００ｍＷ／ｃｍ^２の強度で６０秒間照射することにより、光硬化性樹脂組成物を硬化させ、本発明の透光性樹脂複合体を作製した。

透光性樹脂複合体の重量と、ＨＰＭＣ多孔質成形体の重量から、得られた透光性樹脂複合体におけるＨＰＭＣの含有量は約８重量％であることがわかった。

図１（ｃ）は、得られた透光性樹脂複合体４を示す断面図である。作製した透光性樹脂複合体４は、レンズ形状を有するものであり、その形状は、直径３０ｍｍ、厚み１０ｍｍ、両面における曲率半径３０ｍｍである。また、光学レンズとして用いることができる十分な透明性を有するものであった。

（実施例２）
実施例１と同様にして、ＨＰＭＣ水溶液を調製し、この水溶液を、深さ１ｍｍ、１５ｍｍ角の直方体形状の凹部を有する金型内に流し込み、板状体を成形した。この成形体を、実施例１と同様にして、フリーズドライすることにより、板状のＨＰＭＣの多孔質成形体を作製した。この板状のＨＰＭＣ多孔質成形体に、実施例１と同様の光硬化性樹脂組成物を含浸させた後、実施例１と同様にして紫外線を照射して、光硬化性樹脂組成物を硬化させ、透光性樹脂複合体を作製した。

（比較例１）
ＨＰＭＣを含有していない光硬化性樹脂組成物から、実施例２と同様の形状を有する成形体を作製した。

（比較例２）
市販のＨＰＭＣ粉末（信越化学社製、商品名「メトローズ６０ＳＨ」）を光硬化性樹脂組成物に、８重量％含有させて実施例２と同様の形状を有する成形体を作製した。

〔透明性の評価〕
実施例２及び比較例１〜２の成形体について、ＪＩＳ−Ｋ７１３６に従い、濁度を測定した。測定結果は以下の通りである。
実施例１：約５％
比較例１：約２％
比較例２：約２５％

以上のように、本発明に従う実施例の透光性樹脂複合体は、ＨＰＭＣを添加していない樹脂単独の成形体に近い濁度であり、良好な透明性を有していた。

〔曲げ強度の測定〕
実施例２及び比較例１〜２の各成形体から、１０ｍｍの長さの曲げ試験用試験片を作製し、曲げ強度を測定した。測定結果は以下の通りである。
実施例２：６６００ｋｇｆ・ｃｍ^−２
比較例１：４５００ｋｇｆ・ｃｍ^−２
比較例２：４８００ｋｇｆ・ｃｍ^−２

以上のように、本発明に従う実施例２の透光性樹脂複合体においては、樹脂単独の成形体に比べ、約１．５倍の曲げ強度が得られた。これに対して、市販のＨＰＭＣ粉末を添加した複合体では、樹脂単独の成形体と大きな差は認められなかった。

（実施例３）
図２は、本実施例の透光性樹脂複合体を示す断面図である。図２に示すように、透光性樹脂５中に、水溶性セルロースエーテルからなるフィルム６が含有されている。

本実施例の透光性樹脂複合体は、具体的には以下のようにして作製した。

実施例１と同様にして、ＨＰＭＣの５重量％水溶液を作製する。この水溶液を、テフロン（登録商標）シートの上に塗布した後、８０℃のオーブンで加熱し、乾燥させて、ＨＰＭＣのフィルムを作製する。このフィルムの厚みは、約２０μｍであり、屈折率は、波長５９８ｎｍの光に対し１．４９であった。

実施例１で用いたのと同様の光硬化性樹脂組成物を調製し、この光硬化性樹脂組成物を、深さ１ｍｍで１５ｍｍ角の凹部が形成された金型内に流し込み、深さの３分の１程度流し込んだ後、上記のＨＰＭＣフィルムを配置し、さらに３分の１程度流し込んだ後、上記のＨＰＭＣフィルムを配置し、さらに残りの３分の１を型に流し込んだ。その後、真空チャンバー内に入れ、排気して樹脂中の気泡を取り除いた後、波長３６５ｎｍの紫外光を約３００ｍＷ／ｃｍ^２の強度で６０秒間照射することにより、光硬化性樹脂を硬化させ、本実施例の透光性樹脂複合体を得た。

得られた透光性樹脂複合体におけるＨＰＭＣの含有量は、８重量％であった。

（比較例３）
ＨＰＭＣフィルムを含有させない以外は、上記実施例３と同様にして、光硬化性樹脂組成物単独からなる成形体を作製した。

〔曲げ強度の測定〕
実施例３及び比較例３で得られた成形体について、曲げ強度を測定した。測定結果は以下の通りである。
実施例３：６９００ｋｇｆ・ｃｍ^−２
比較例３：４５００ｋｇｆ・ｃｍ^−２

以上のように、実施例３ではＨＰＭＣフィルムを含有しない比較例３に比べ、約１．４倍の曲げ強度が得られた。

（実施例４）
図３は、本実施例の透光性樹脂複合体を示す断面図である。図３に示すように、本実施例においては、透光性樹脂５中に、ＨＰＭＣからなる鱗片状フィラー７が含有されている。

鱗片状フィラー７は、実施例３で作製したフィルムを、数十〜数百μｍ程度の粒子径となるように鱗片状に粉砕したものである。

実施例１で用いたのと同様の光硬化性樹脂組成物中に、この鱗片状フィラーが、１０重量％となるように配合した後、波長３６５ｎｍの紫外光を約３００ｍＷ／ｃｍ^２の強度で６０秒間照射することにより、硬化させて、透光性樹脂複合体を得た。

比較として、市販のセルロース粉末を用いて、本実施例と同じ含有量となるように、光硬化性樹脂組成物に含有させて、紫外光を同様に照射して硬化させた。

本実施例の透光性樹脂複合体がほぼ透明であったのに対し、市販のセルロース粉末を配合した複合体では、白濁していた。これは、鱗片状とすることにより、同じ充填率でもフィラーと樹脂の界面が少なくなるため、高い透明度が得られたものと考えられる。

（実施例５）
本実施例では、エレクトロスピニング法により、ＨＰＭＣを微小繊維状に加工したものフィラーとして用いた。

図４は、エレクトロスピニング法を説明するための模式図である。図４に示すように、タンク１１内に、ＨＰＭＣの水溶液を入れておく。ＨＰＭＣ水溶液の濃度は、約５重量％としている。ノズル１２と、コレクタ１３の間に、電源１５からの電圧を印加し、ノズル１２から吐出した溶液を、赤外線ランプ１４で加熱し、乾燥させて、コレクタ１３に吸着させる。

ノズル１２から射出された溶液は、赤外線ランプ１４で加熱されることにより乾燥し、微小繊維１６となって、コレクタ１３に吸着される。

本実施例では、上記のエレクトロスピニング法により作製したＨＰＭＣの微小繊維を用いている。

図５は、本実施例の透光性樹脂複合体を示す断面図である。図５に示すように、透光性樹脂５中に、ＨＰＭＣの微小繊維１６が含有されている。

以上のように、本発明によれば、水溶性セルロースエーテル固形物により強化された透光性樹脂複合体を容易に製造することができる。

本発明に従う実施例１の透光性樹脂複合体を製造する工程を示す断面図。 本発明に従う実施例３の透光性樹脂複合体を示す断面図。 本発明に従う実施例４の透光性樹脂複合体を示す断面図。 本発明に従う実施例５において用いる微小繊維を製造するのに用いたエレクトロスピニング法による製造装置を説明するための模式図。 本発明に従う実施例５の透光性樹脂複合体を示す断面図。

符号の説明

１…ヒドロキシプロピルメチルセルロース（ＨＰＭＣ）水溶液
２ａ，２ｂ…型
３…ＨＰＭＣ多孔性成形体
４…透光性樹脂複合体
５…透光性樹脂
６…ＨＰＭＣフィルム
７…ＨＰＭＣ鱗片状フィラー
１１…タンク
１２…ノズル
１３…コレクタ
１４…赤外線ランプ
１５…電源
１６…ＨＰＭＣ微小繊維

Claims (5)

1. 水溶性セルロースエーテル固形物と透光性樹脂とを複合化させたことを特徴とする透光性樹脂複合体。
2. 前記水溶性セルロースエーテル固形物と、前記透光性樹脂との屈折率差が０．０１以下であることを特徴とする請求項１に記載の透光性樹脂複合体。
3. 前記水溶性セルロースエーテル固形物が多孔質成形体であり、該多孔質成形体に液状樹脂を含浸させた後、前記液状樹脂を硬化させて前記透光性樹脂にしたことを特徴とする請求項１または２に記載の透光性樹脂複合体。
4. 前記水溶性セルロースエーテル固形物が、フィルム、鱗片状フィラー、または繊維状フィラーの形態で前記透光性樹脂中に含有されていることを特徴とする請求項１または２に記載の透光性樹脂複合体。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の透光性樹脂複合体から形成したことを特徴とする光学素子。

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