JP2012236946A - 超疎水性パターン印刷用インク、これを用いて得られる超疎水性パターン印刷物及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマー(A)のフィラメントがシリカ(B)で被覆されてなる有機無機複合のナノ構造体からなる粉末(X1)と、重合性不飽和基を有する硬化性含フッ素化合物(Y1)と、沸点が115〜300℃の有機溶剤(Z)と、を含有することを特徴とする超疎水性パターン印刷用インク、及びこれを基材にパターン印刷し硬化させてなる印刷物。
【選択図】 図1
Description
本発明で用いる直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマー(A)としては、線状、星状、櫛状構造の単独重合体であっても、他の繰り返し単位を有する共重合体であっても良い。共重合体の場合には、該ポリマー中の直鎖状ポリエチレンイミン骨格のモル比が20%以上であることが、安定なフィラメントを形成できる点から好ましく、該ポリエチレンイミン骨格の繰り返し単位数が10以上である、ブロック共重合体であることがより好ましい。
本発明で提供するインクは、前記直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマー(A)のフィラメントがシリカで被覆されてなる有機無機複合のナノ構造体からなる粉末(X1)、又は当該粉末(X1)から前記ポリマーを焼成により除去して得られる焼成物である粉末(X2)を用いることを必須とする。
本発明では、前述の粉体(X1)(X2)、又はこれを表面処理してなる粉体を基材表面に固定して印刷物とするバインダー樹脂として、重合性不飽和基を有する硬化性含フッ素化合物(Y1)を用いることを必須とするものである。即ち、前述のナノ構造体からなる粉体は、それのみでナノメートルオーダーの微細な凹凸を有し、これが水滴よりも小さなエアーポケットとなることから水滴等との直接接触を阻害し、超疎水性を発現させうる可能性を有するものであるが、この効果を最大に発現させるためには印刷部表面をも疎水性であることが必要であるため、含フッ素化合物であることが好ましく、更に粉末の基材表面からの脱落による疎水性劣化の防止等のために、重合性不飽和基を有する化合物であることが必要である。
F−[CF(CF3)CF2O]l−CF(CF3)CH2OH (Krytox−OH)
HO(CH2CH2O)n−CH2−CF2O−[CF2CF2O]l−[CF2O]m−CF2CH2(OCH2CH2)nOH (Zdol−TX)
HOCH2CH(OH)CH2O−CH2−CF2O−[CF2CF2O]l−[CF2O]m−CF2CH2OCH2CH(OH)CH2OH(Z−Tetraol)
本発明のインクには常圧における沸点が115〜300℃の有機溶剤(Z)を、印刷適性を発現させるために使用する。前記有機溶剤(Z)に求められる性質としては、蒸発速度が適度に遅くスクリーン版の目詰まりを起こしにくいものであればよく、パターン印刷時の印刷方法・乾燥(硬化)条件等によって適宜選択されるものであり、特に限定されるものではない。前記有機溶剤(Z)の沸点の範囲の根拠は、沸点と蒸発速度は概ね逆相関の関係にあるので、115℃未満では乾燥が速すぎて適さず、逆に300℃を超えると乾燥が遅すぎて実用的ではないためである。前記溶剤としては例えばキシレン、イソホロン、酢酸ブチル、メチルイソブチルケトン、ジアセトンアルコール、シクロヘキサノン、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、セロソルブ、ブチルセロソルブ、エチルカルビトール、ブチルカルビトール、セロソルブアセテート、ブチルセロソルブアセテート、カルビトールアセテートなどを単独または併用して用いることができる。
前述の硬化性フッ素化合物(Y1)は、含有するフッ素原子の働きにより、パターン印刷部表面に集まる傾向があり、これが界面活性剤、表面改質剤といわれる所以となっている。即ち、本発明の印刷物においては、パターン印刷部の最表面に当該硬化性フッ素化合物(Y1)の硬化膜が存在すればよいので、インク中にはバインダー樹脂としてその他の硬化性化合物(Y2)を含有するものであってもよい。
本発明のインクにおいては、前記粉末(X1)又は粉末(X2)と、前記硬化性フッ素化合物(Y1)との使用割合としては特に限定されるものではなく、目的とするパターン印刷物の疎水性や耐摩耗性等のレベルに応じて適宜決定されるものであるが、得られる印刷物に超疎水性が簡単に発現される観点から、粉末(X1)又は(X2)/(Y1)の質量比としては通常5/95〜90/10の範囲であり、粉末(X1)又は(X2)が比較的嵩高いものである点を鑑み、取り扱いやすさの観点も踏まえ、30/70〜60/40の範囲になるように調製することが好ましい。
本発明では、前述のインクを固体基材表面に印刷し、加熱硬化又は活性エネルギー線硬化反応等の硬化反応(乾燥のみを含む)を行うことによって簡便に超疎水性パターン印刷物を得ることができる。
単離乾燥した会合体や粉体を両面テープにてサンプル支持台に固定し、それをキーエンス製表面観察装置VE−9800にて観察した。
粉末状態のサンプルをメタノール中に分散し、それを銅グリッドに乗せ、日本電子株式会社製透過型電子顕微鏡「JEM−2200FS」にて観察した。
接触角は自動接触角計Contact Angle System OCA(Dataphysics社製)により測定した。
シリカナノ構造体に導入された重合性基の含有率をTG−DTA 6300 (SII Nano Technology Inc社製)により測定した。
比表面積はFlow Sorb II 2300(Micrometrics社製)により測定した。
[シリカナノ構造体の合成]
特許文献(特開2005−264421号公報、特開2005−336440号公報、特開2006−063097号公報、特開2007−051056号公報)に開示した方法により、形状が異なる粉体を作製した。
市販のポリエチルオキサゾリン(数平均分子量500,000、平均重合度5,000、Aldrich社製)100gを、5Mの塩酸水溶液300mLに溶解させた。その溶液をオイルバスにて90℃に加熱し、その温度で10時間攪拌した。反応液にアセトン50mLを加え、ポリマーを完全に沈殿させ、それを濾過し、メタノールで3回洗浄し、白色のポリエチレンイミンの粉末を得た。得られた粉末を1H−NMR(重水)にて同定したところ、ポリエチルオキサゾリンの側鎖エチル基に由来したピーク1.2ppm(CH3)と2.3ppm(CH2)が完全に消失していることが確認された。即ち、ポリエチルオキサゾリンが完全に加水分解され、ポリエチレンイミンに変換されたことが示された。
一定量のP5Kを蒸留水中に混合し、それを90℃に加熱し透明溶液を得た後、全体を3%の水溶液に調製した。該水溶液を室温で自然冷却し、真っ白のP5Kの会合体液を得た。攪拌しながら、その会合体液100mL中に、70mLのMS51(メトキシシランの5量体、)のエタノール溶液(体積濃度50%)を加え、室温で1時間攪拌を続けた。析出した沈殿物をろ過し、それをエタノールで3回洗浄した後、40℃で加熱下乾燥することにより、粉体(X1)として16gの会合体を得た。SEM写真によりナノファイバーの会合体であることを確認した。
[粉体(X2)の合成]
合成例1で得た粉体(X1)5gを空気導入条件下、電気炉にて600℃、2時間加熱し、粉体(X1)に含まれたポリエチレンイミンを除去し、白い粉体(X2)を得た。比表面積は208m2/gであった。SEM写真により、焼成前後のナノファイバー構造には変化がないことを確認した。
[硬化性含フッ素化合物(Y1−1)の合成]
国際公開WO2009/133770の実施例1に記載の方法に従って、重合性不飽和基を有する硬化性含フッ素化合物(Y1−1)を合成した。フッ素原子数25〜80個の両末端水酸基含有パーフルオロポリエーテル化合物(フッ素原子の数が平均46、GPCによる数平均分子量は1,500)20部、ジイソプロピルエーテル20部、p−メトキシフェノール0.02部、トリエチルアミン3.1部を用いて、空気気流下にて攪拌を開始し、10℃に保ちながらアクリル酸クロリド2.7部を滴下した。滴下終了後、昇温して攪拌しアクリル酸クロリドの消失を確認するまで反応を進行させた。次いで、ジイソプロピルエーテル、イオン交換水を用いる洗浄を行い、減圧下で溶媒を留去することによって、原料の両末端水酸基含有パーフルオロポリエーテル化合物にアクリロイル基が導入された、ニ官能性モノマーを合成した。別のフラスコにメチルイソブチルケトン63部を仕込み、窒素気流下にて攪拌しながら105℃に昇温した。前記で得られたモノマー21.5部、2−ヒドロキシエチルメタクリレート41.3部、t−ブチルペルオキシ−2−エチルヘキサノエート9.4部とメチルイソブチルケトン126部を混合した開始剤溶液135.4部の3種類の滴下液をそれぞれ別々の滴下装置にセットし、フラスコ内を105℃に保ちながら同時に2時間かけて滴下した。滴下終了後、105℃で10時間攪拌した後、減圧下で溶媒を留去することによって、重合体67.5質量部を得た。更に、メチルエチルケトン74.7部、p−メトキシフェノール0.1部、ジブチル錫ジラウレート0.06部を仕込み、空気気流下で攪拌を開始し、60℃を保ちながら2−アクリロイルオキシエチルイソシアネート44.8部を1時間で滴下した。滴下終了後、60℃で1時間攪拌した後、80℃に昇温して10時間攪拌することにより反応を行い、IRスペクトル測定によりイソシアネート基の消失を確認した。次いで、メチルエチルケトン37.4部を添加し、硬化性含フッ素化合物(Y1−1)50%含有のメチルエチルケトン溶液224.6部を得た。硬化性含フッ素化合物(Y1−1)の数平均分子量は2,400、重量平均分子量は7,100である(GPC測定の結果)。
[ポリシロキサン骨格とビニル基とを有する化合物(Y2−1)の合成]
特開2006−328354号公報の実施例1に記載の方法で、ポリシロキサン骨格含有硬化型樹脂を合成した。攪拌機、温度計、滴下ロート、冷却管及び窒素ガス導入口を備えた反応容器に、フェニルトリメトキシシラン191部を仕込んで、120℃まで昇温した。次いで、メチルメタクリレート169部、3−メタクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン11部、tert−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート18部からなる混合物を、前記反応容器中へ4時間かけて滴下した。その後、同温度で16時間撹拌し、トリメトキシシリル基を有するビニル重合体を合成した。次いで、前記反応容器の温度を80℃に調整し、メチルトリメトキシシラン131部、3−アクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン226部、ジメチルジメトキシシラン116部を、前記反応容器中へ添加した。その後、堺化学株式会社製の、iso−プロピルアシッドホスフェート6.3部と脱イオン水97部との混合物を滴下し、同温度で2時間撹拌することにより、加水分解縮合反応させ、反応生成物を得た。その後、前記反応生成物を、10〜300mmHgの減圧下で、40〜60℃の条件で蒸留することにより、不揮発分が99.4%であるポリシロキサン骨格とビニル基とを有する化合物(Y2−1)を得た。ここに酢酸n−ブチルとメチルエチルケトンの混合溶剤を加え、不揮発分を40%に調整した。
[銀ナノ粒子分散体の合成]
特開2011−46770号公報の合成例1に記載の方法に従って、銀ナノ粒子分散体を合成した。窒素雰囲気下、メトキシポリエチレングリコール[Mn=2,000]20.0g(10.0mmol)、ピリジン8.0g(100.0mmol)、クロロホルム20mlの混合溶液に、p−トルエンスルホン酸クロライド9.6g(50.0mmol)を含むクロロホルム(30ml)溶液を、氷冷撹拌しながら30分間滴下した。滴下終了後、浴槽温度40℃でさらに4時間攪拌した。反応終了後、クロロホルム50mlを加えて反応液を希釈した。引き続き、5%塩酸水溶液100ml、飽和炭酸水素ナトリウム水溶液100ml、そして飽和食塩水溶液100mlで順次に洗浄した後、硫酸マグネシウムで乾燥し、濾過、減圧濃縮した。得られた固形物をヘキサンで数回洗浄した後、濾過、80℃で減圧乾燥して、トシル化された生成物22.0gを得た。
合成例2で得られた粉体(X2)と合成例3で得られた硬化性含フッ素化合物(Y1−1)と合成例4で得られたポリシロキサン骨格とビニル基とを有する化合物(Y2−1)とを不揮発分として粉体(X2)/(Y1−1)/(Y2−1)=36/9/55になるように混合し、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(沸点146℃)を有機溶剤(Z)として不揮発分28%となるように希釈し、インク1を得た。これをガラス基板上にバーコート法で製膜し、空気中170℃で15分間加熱処理して連続塗膜を得た。接触角を測定したところ175°以上であった。
合成例1で得られた粉体(X1)と合成例3で得られた硬化性含フッ素化合物(Y1−1)と合成例4で得られたポリシロキサン骨格とビニル基とを有する化合物(Y2−1)とを不揮発分として粉体(X1)/(Y1−1)/(Y2−1)=42/9/49になるように混合し、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートを溶剤として不揮発分20%となるように希釈し、インク2を得た。これをガラス基板上にバーコート法で製膜し、空気中170℃で15分間加熱処理して連続塗膜を得た。接触角を測定したところ175°以上であった。
実施例1で得られたインク1 100部に対して架橋剤であるヘキサメチレンジイソシアネート1部を加えインク3を得た。これを用いて実施例1と同様に連続塗膜を作製して接触角を測定したところ、175°以上であった。
実施例1においてプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(沸点146℃)のかわりに、トルエン(沸点110.6℃)30%/2−プロパノール(沸点82.4℃)70%の混合溶媒を用いる以外は同様の方法でインク4を調製した。これを120メッシュのスクリーン版を通してガラススライド上に印刷し、パターンを作製した。このとき乾燥が速いため目詰まりが起こってインクが抜けず、パターンが印刷されない部分が発生した。インク4で印刷された部分の撥水性はインク1で印刷したものと比較して遜色無かった。
実施例1で作製したガラス基板上の超疎水性パターン印刷物を、当該ガラス基板ごと合成例5で得られた銀ナノ粒子分散体にディッピングして取り出した。銀ナノ粒子分散体は超疎水性パターン印刷部には全く付着せず、印刷されていない部分には強く付着したため、超疎水性パターン印刷物によって区切られた銀のパターンを作製できた(図6参照)。
合成例3で得られた硬化性含フッ素化合物(Y1−1)を、実施例1で用いたものと同じ120メッシュのスクリーン版を使用してガラス基板上に印刷し、170℃で15分間加熱処理して疎水性パターン印刷物を得た。(Y1−1)の硬化膜と水滴との接触角は113°であった。このガラス基板を応用例1と同様にして銀ナノ粒子分散液にディッピングして取り出した。分散体は疎水性パターンが印刷された場所にも印刷されていない場所にも同様に強く付着したため、銀パターンを作製できなかった(図7参照)。
実施例1で作製したインク1を用いて印刷した、線幅1mm、線厚み0.02mmの超疎水性パターンで囲まれた4mm×4mm(面積16mm2)のスポットに水滴を載せた。水滴量が100mg(面積16mm2×高さ6.3mm)を超えるまで、線を跨ぐことはなかった。また水滴量を20mg、35mg、50mg、65mg、80mgで載せて基板を90°傾けたところ、50mg(面積16mm2×高さ3.1mm)までは線を跨がず、その位置に保持された。
合成例3で得られた硬化性含フッ素化合物(Y1−1)を用いて印刷した、線幅1mm、線厚み0.02mmの疎水パターンで囲まれた4mm×4mmのスポットに水滴を載せ、応用例2の結果と比較した。水では地面と平行の場合40mgで線上に載ってしまい、垂直では20mgで滑落した。33%エタノール水溶液では地面と平行では10mgで線に載り、垂直でも10mgで滑落した。
Claims (16)
- 直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマー(A)のフィラメントがシリカ(B)で被覆されてなる有機無機複合のナノ構造体からなる粉末(X1)と、
重合性不飽和基を有する硬化性含フッ素化合物(Y1)と、
沸点が115〜300℃の有機溶剤(Z)と、
を含有することを特徴とする超疎水性パターン印刷用インク。 - 直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマー(A)のフィラメントがシリカ(B)で被覆されてなる有機無機複合ナノ構造体からなる粉末(X1)を焼成してなる、シリカを主構成成分とするナノ構造体からなる粉末(X2)と
重合性不飽和基を有する硬化性含フッ素化合物(Y1)と、
沸点が115〜300℃の有機溶剤(Z)と、
を含有することを特徴とする超疎水性パターン印刷用インク。 - 前記重合性不飽和基を有する硬化性含フッ素化合物(Y1)が、熱硬化性または活性エネルギー線硬化性である請求項1又は2記載の超疎水性パターン印刷用インク。
- 前記重合性不飽和基を有する硬化性含フッ素化合物(Y1)がパーフルオロアルキレンエーテル部位と、(メタ)アクリロイル基又はビニル基とを有する化合物である請求項3記載の超疎水性パターン印刷用インク。
- 前記ナノ構造体が10〜50nmの太さ又は厚みと、100nm〜10μmの長さを有するものである請求項1〜4の何れか1項記載の超疎水性パターン印刷用インク。
- 前記シリカ(B)に(メタ)アクリロイル基又はビニル基が化学結合しているものである請求項1〜5の何れか1項記載の超疎水性パターン印刷用インク。
- 前記粉末(X1)又は粉末(X2)と、前記硬化性フッ素化合物(Y1)との使用割合(X1)又は(X2)/(Y1)が30/70〜50/50(質量比)である請求項1〜6の何れか1項記載の超疎水性パターン印刷用インク。
- 前記有機溶剤(Z)が、キシレン、イソホロン、酢酸ブチル、メチルイソブチルケトン、ジアセトンアルコール、シクロヘキサノン、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、セロソルブ、ブチルセロソルブ、エチルカルビトール、ブチルカルビトール、セロソルブアセテート、ブチルセロソルブアセテート、及びカルビトールアセテートからなる群から選ばれる一種以上の有機溶剤である請求項1〜7の何れか1項記載の超疎水性パターン印刷用インク。
- 更にその他の硬化性化合物(Y2)を含有する請求項1〜8の何れか1項記載の超疎水性パターン印刷用インク。
- 前記その他の硬化性化合物(Y2)が、熱硬化性化合物または活性エネルギー線硬化性化合物である請求項9記載の超疎水性パターン印刷用インク。
- 前記その他の硬化性化合物(Y2)が、ポリシロキサン骨格を有する樹脂である請求項9記載の超疎水性パターン印刷用インク。
- 前記その他の硬化性化合物(Y2)が、ポリシロキサン骨格と(メタ)アクリル基又はビニル基とを有する化合物である請求項9記載の超疎水性パターン印刷用インク。
- 前記粉末(X1)又は粉末(X2)と、前記硬化性フッ素化合物(Y1)と前記その他の硬化性化合物(Y2)の使用割合、〔(X1)又は(X2)〕/〔(Y1)+(Y2)〕が30/70〜60/40(質量比)である請求項9〜12の何れか1項記載の超疎水性パターン印刷用インク。
- 超疎水性パターン印刷用インク中における不揮発分が5〜70質量%の範囲である請求項1〜13の何れか1項記載の超疎水性パターン印刷用インク。
- 請求項1〜14の何れか1項記載の超疎水性パターン印刷用インクを基材にスクリーン印刷した後、加熱硬化又は活性エネルギー線硬化を行うことを特徴とする超疎水性パターン印刷物の製造方法。
- 請求項15の製造方法で得られるパターン印刷物であり、その細線部が、表面張力が水よりも低い水性液体を弾くことを特徴とする超疎水性パターン印刷物。
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