JP2010121030A - 透光性樹脂複合体及び光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】セルロース誘導体をフィラーとして用い、かつ屈折率が１．５０以上の樹脂を用いて作製することができる透光性樹脂複合体及び光学素子を得る。
【解決手段】セルロースのＯＨ基の水素の一部または全部を芳香環を有する基で置換したセルロース誘導体１を、透光性樹脂２に含有させたことを特徴としており、好ましくは、セルロース誘導体１と透光性樹脂２との屈折率差が、０．０１以下であ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、ガラスと樹脂とを組み合わせて複合材料にする方法がある。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。

上述のように、フィラー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ことができる。しかしながら、セルロースの屈折率は、一般に１．４９と非常に低い値である。屈折率が１．４９程度である透光性樹脂は非常に限られており、従来のセルロースあるいはセルロース誘導体と組み合わせて透光性樹脂が得られる樹脂は非常に限定されていた。このため、材料強度を高くするなどの自由な設計ができないという問題があった。
特公昭６２−１３３８号公報 特開昭６２−２５１２２７号公報 特開２００５−６０６８０号公報

本発明の目的は、セルロース誘導体をフィラーとして用い、かつ屈折率が１．５０以上の樹脂を用いて作製することができる透光性樹脂複合体及び該透光性樹脂複合体を用いた光学素子を提供することにある。

本発明の透光性樹脂複合体は、セルロースのＯＨ基の水素の一部または全部を芳香環を有する基で置換したセルロース誘導体を、透光性樹脂に含有させたことを特徴としている。

本発明におけるセルロース誘導体は、セルロースのＯＨ基の水素の一部または全部を芳香環を有する基で置換している。芳香環を有する基で置換することにより、セルロース誘導体の屈折率を高めることができ、例えば、１．５０以上にすることができる。このため、本発明のセルロース誘導体を用いることにより、屈折率が１．５０以上の透光性樹脂を用いて、透光性樹脂複合体を作製することができる。本発明における屈折率の値は、波長５８９ｎｍの光に対する屈折率である。

本発明におけるセルロース誘導体は、以下に示す繰り返し単位を有するセルロース誘導体である。

上記化学式において、Ｒは、Ｈ、または芳香環を有する基である。芳香環を有する基としては、例えば、ベンジル基、ベンゾイル基、フェニル基、フェノキシ基、トリル基、キシリル基、メシチル基、フェニルフェノール基、ナフチル基、ナフトキシ基、フルオレン基などが挙げられる。

図３は、本発明のセルロース誘導体における平均置換数と屈折率の関係を示す図である。平均置換数とは、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。芳香環を有する基として、ベンゾイル基を用いた場合、図３に示すような値となる。従って、平均置換数が多くなれば、セルロース誘導体の屈折率が高くなる。

一般的な樹脂の屈折率を表１に示す。

表１に示すように、一般的な樹脂においては、屈折率が１．５０以上のものが多くなっている。従って、セルロース誘導体の屈折率を１．５０以上にすることにより、組み合わせることができる透光性樹脂の種類が多くなり、材料強度など種々の特性を自由に設計することができるようになる。また、アクリル樹脂を用いる場合にも、屈折率が高くなるモノマーである多官能（メタ）アクリレートや芳香族系（メタ）アクリレートを含むアクリル系樹脂を用いることができるようになる。また、アクリル／スチレン共重合体や、ポリエチレン樹脂、シクロオレフィン樹脂、エポキシ樹脂などをマトリクス樹脂として用いることができるようになる。

さらに、芳香環を有する基は、いずれも親油性であるため、芳香環を有する基で置換することにより、セルロース誘導体が樹脂に分散しやすくなる。

本発明におけるセルロース誘導体の平均繊維長としては、特に限定されるものではないが、例えば、１０μｍ〜１ｍｍの範囲が挙げられる。また、セルロース誘導体の平均繊維径としては、１０ｎｍ〜４０μｍの範囲を挙げることができる。

本発明において、セルロース誘導体と、透光性樹脂との屈折率差は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。

本発明における透光性樹脂としては、ラジカル重合性のモノマーまたはオリゴマーを重合させた樹脂が挙げられる。このようなラジカル重合性のモノマーまたはオリゴマーとしては、ポリエチレン（メタ）アクリレート、ウレタン（メタ）アクリレート、エポキシ（メタ）アクリレートなどの（メタ）アクリレートオリゴマーや、多官能（メタ）アクリレート、芳香族系（メタ）アクリレートなどが挙げられる。このような樹脂を用いる場合、ラジカル重合性のモノマーまたはオリゴマーにセルロース誘導体及び必要に応じて重合開始剤を混合した後、所望の形状に成形し、紫外線照射または加熱することにより重合させて本発明の透光性樹脂複合体を製造することができる。

本発明の透光性樹脂複合体におけるセルロース誘導体の含有量は、３〜７５重量％の範囲であることが好ましく、さらに好ましくは８〜３０重量％の範囲である。セルロース誘導体の含有量が少なすぎると、後述する高い強度を付与する効果が十分に得られない場合がある。また、セルロース誘導体の含有量が多すぎると、透光性樹脂への充填が困難になる場合があり、またヘイズ値も大きくなる。

セルロース誘導体は繊維状物であるので、セルロース誘導体を配合することにより、透光性樹脂複合体を補強することができ、高い強度を付与することができる。従って、本発明の透光性樹脂複合体は、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、屈折率が１．５０以上の樹脂を用いて透光性樹脂複合体を作製することができる。

以下、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）
本実施例では、置換基としてベンゾイル基（Ｃ_６Ｈ_５−ＣＯ−）基を導入したセルロース誘導体を作製し、このセルロース誘導体をアクリル系樹脂中に配合して透光性樹脂複合体を作製した。

＜ベンゾイル置換セルロースの作製＞
以下の方法でベンゾイル置換セルロースを作製した。

１）Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド８ｍｌにピリジン０．２ｍｌを加え、溶媒とする。

２）上記溶媒に１ｇの塩化ベンゾイルを溶解させる。

３）塩化ベンゾイルを溶解させた上記溶媒に、セルロース（商品名「ＡＲＢＯＣＥＬ Ｂ４００」、ＲＥＴＴＥＮＭＩＥＲ社製）０．１ｇを添加した後、３日間撹拌する。

４）反応生成物をエタノールで洗浄し、ろ過して回収し、乾燥させる。

以上のようにして作製したベンゾイル置換セルロースは、セルロース０．１ｇに対し、０．１３ｇ得られた。従って、この重量変化を分子量に換算すると、セルロースの単位グルコース当たりのＯＨ基３個のうち、平均０．５個がベンゾイル基で置換されていると考えられる。従って、本実施例で得られたセルロース誘導体の平均置換数は０．５である。なお、本実施例で得られたセルロース誘導体の平均繊維長は９００μｍであり、平均繊維径は２０μｍであった。

＜アクリル系樹脂の作製＞
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を混合し、これに重合開始剤として１−ヒドロキシ−シクロヘキシル−フェニルケトンを約１重量％添加したものをマトリクス樹脂として用いた。ＰＥＧ４００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の混合比を少しずつ変化させることにより、硬化物である透光性樹脂の屈折率を変化させた。

＜樹脂複合体の作製＞
上記のように屈折率を変化させたマトリクス樹脂に、上記のベンゾイル置換セルロースを１０重量％となるように混合し、これを厚さ１ｍｍの板状に成形した後、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硬化した。この硬化物のヘイズ値と、マトリクス樹脂の屈折率との関係を、図４に「本実施例」として示す。

同様に、ベンゾイル基で置換していないセルロースを用い、このセルロースが１０重量％となるようにマトリクス樹脂に混合し、厚さ１ｍｍの板状に成形して、ヘイズ値を測定した。ヘイズ値と、マトリクス樹脂の屈折率との関係を、図４に「比較例」として示す。

図４から明らかなように、本発明のセルロース誘導体を用いた場合には、マトリクス樹脂の屈折率が１．５１〜１．５２であるときに、ヘイズ値が最も小さくなっており、透明度が最も高くなった。従って、本実施例におけるベンゾイル置換セルロースの屈折率は、１．５１〜１．５２であると考えられる。

これに対し、ベンゾイル基で置換していない比較例においては、屈折率が約１．４９のときに、最もヘイズ値が小さくなった。従って、ベンゾイル基で置換していないセルロースは、屈折率が約１．４９であることがわかる。

図４から明らかなように、本発明に従うセルロース誘導体を用いることにより、マトリクス樹脂の屈折率の幅広い範囲において低いヘイズ値が得られている。従って、本発明に従うセルロース誘導体を用いることにより、透光性に優れた樹脂複合体を製造することができる。

なお、図４に示す本実施例において最も低いヘイズ値を示したものは、ＰＥＧ４００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の混合比率を重量比で、４：６としたものである。

（実施例２）
本実施例においては、実施例１において作製したベンゾイル置換セルロースを用い、ＰＥＧ４００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を重量比で４：６に混合した樹脂をマトリクス樹脂として用い、図１に示すレンズを作製した。

図１に示すように、セルロース誘導体１を、マトリクス樹脂中に配合することにより、レンズ３が形成されている。レンズ形状は、直径３０ｍｍ、厚み１０ｍｍ、曲率半径３０ｍｍ（両面）である。ガラスからなる透明金型に、ベンゾイル置換セルロースを分散した未硬化の樹脂を流し入れ、高圧水銀ランプの波長３６５ｍｎ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た。

得られたレンズに、半導体レーザー光を照射したところ、集光が確認され、またフィラーによる散乱は目視ではほとんど観測されなかった。

（実施例３）
本実施例では、実施例２と同様のベンゾイル置換セルロース及びマトリクス樹脂を用い、図２に示す回折格子を作製した。

図２は、本実施例で作製した回折格子を示す模式的断面図である。図２に示すように、本実施例の回折格子４は、セルロース誘導体１をマトリクス樹脂２中に分散させて作製されている。

エドモントオプティクス社より市販されている格子ピッチ３００ライン／ｍｍの回折格子と、平板ガラスの間に、厚み１ｍｍとなるように、ベンゾイル置換セルロースを分散した未硬化の樹脂を流し入れ、実施例２と同様の方法で紫外線を照射して、硬化させ、回折格子を作製した。

図４及び図５は、本実施例の回折格子に、Ｔｉ：サファイア可変波長レーザー光を透過させた場合の一次回折光の回折角度と回折効率を示す。図４及び図５から明らかなように、本実施例の回折格子は、回折格子として機能するものである。

上記の実施例においては、ＰＥＧ４００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を所定の比率で混合し、屈折率が１．５１〜１．５２程度となるマトリクス樹脂を用いている。ＡＲＴＯＮ樹脂（ＪＳＲ社製）の屈折率も１．５１程度であるので、熱可塑性のマトリクス樹脂として用いることができる。このような熱可塑性のマトリクス樹脂を用いる場合には、樹脂を加熱溶融して、上記実施例のベンゾイル置換セルロースと混練し、これを金型に流し込んだ後、冷却することにより成形することができる。

本発明に従う実施例において作製したレンズを示す模式的断面図。 本発明に従う実施例において作製した回折格子を示す模式的断面図。 セルロース誘導体における平均置換数と屈折率との関係を示す図。 本発明に従う実施例におけるマトリクス樹脂の屈折率とヘイズ値との関係を示す図。 本発明に従う実施例において作製した回折格子の回折角度の波長依存性を示す図。 本発明に従う実施例において作製した回折格子の回折効率の波長依存性を示す図。

符号の説明

１…セルロース誘導体
２…マトリクス樹脂（透光性樹脂）
３…レンズ
４…回折格子

Claims (5)

1. セルロースのＯＨ基の水素の一部または全部を芳香環を有する基で置換したセルロース誘導体を、透光性樹脂に含有させたことを特徴とする透光性樹脂複合体。
2. 前記セルロース誘導体の屈折率が１．５０以上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. 前記セルロース誘導体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または２に記載の透光性樹脂複合体。
4. 前記透光性樹脂が、ラジカル重合性のモノマーまたはオリゴマーを重合させた樹脂であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の透光性樹脂複合体。
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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