JP2012251110A - Transparent polymer nanocomposite material and production method of the same - Google Patents

Transparent polymer nanocomposite material and production method of the same Download PDF

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篤 穂積
Frederick Cheng Dalton
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a transparent polymer nanocomposite material and a production method of the material.SOLUTION: The transparent polymer nanocomposite material shows decrease (by 5 to 15%) in transmittance for visible light and changes into opaque in a high temperature field (at 60°C or higher). The transparent polymer nanocomposite material comprises: a matrix component formed of two kinds of monomers, in which one of the two monomers has a reactive functional terminal comprising one or more selected from a vinyl group and a Si-H group; and SiOnanoparticles included in an amount of most 30 wt.% with respect to the matrix component. A production method of the transparent polymer nanocomposite material is also provided. Thereby, a novel transparent polymer nanocomposite material and technology for producing the material can be obtained, the material responding to temperature (at 60°C or higher) and showing an instant and significant change (by 5 to 15%) in the transmittance for visible light.

Description

本発明は、温度に応答して(60℃以上)可視光透過率が瞬時に大幅に変化(不透明化)する透明ポリマーナノコンポジット材料とその製造方法に関するものであり、更に詳しくは、酸化シリコン(SiO)ナノ粒子(粒径25nm以下)が、ポリマーマトリックス中に高濃度(最大で30wt.%)で均一に分散、固定化された透明ポリマーナノコンポジットのバルク体(厚さ〜1mm)、及び、SiOナノ粒子をあらかじめポリマーマトリックスの原料となる2種類のモノマーのうちの1種類のモノマー液中で表面処理を行った後、残りのモノマー液とPt触媒(Karstedt触媒)を添加して調製した溶液を、樹脂製の型に流し込み、加熱処理により架橋を促進させることで、透明ポリマーナノコンポジットのバルク体を、任意の形状に、クラックフリーで形成することを可能にする透明ポリマーナノコンポジット材料とその製造技術に関するものである。 The present invention relates to a transparent polymer nanocomposite material whose visible light transmittance changes instantaneously (opaque) instantaneously in response to temperature (60 ° C. or more) and a method for producing the same. A bulk body (thickness ˜1 mm) of transparent polymer nanocomposites in which SiO 2 ) nanoparticles (particle size of 25 nm or less) are uniformly dispersed and immobilized at a high concentration (up to 30 wt.%) In the polymer matrix; and , SiO 2 nanoparticles are prepared in advance by surface-treating them in one of the two types of monomers used as raw materials for the polymer matrix, and then adding the remaining monomer solution and Pt catalyst (Karstedt catalyst) The bulk solution of the transparent polymer nanocomposite is poured by pouring the solution into a resin mold and promoting crosslinking by heat treatment. The shape at will, it relates to a manufacturing technique and a transparent polymeric nanocomposite material which makes it possible to form in the crack-free.

本発明は、機械的強度、耐熱性、耐久性に優れ、温度に応答して(60℃以上)可視光透過率を瞬時に大幅に変化(不透明化)させることが可能な、透明ポリマーナノコンポジットのバルク体を、任意の形状に、クラックフリーで作製することで、例えば、光学スイッチ、センサーなどのリミッター、簡易な熱検出材料などへの応用を可能にする、透明ポリマーナノコンポジット材料及びその製造技術に関する新技術・新製品を提供するものである。   The present invention is a transparent polymer nanocomposite that is excellent in mechanical strength, heat resistance, and durability, and capable of instantaneously and drastically changing (opaque) visible light transmittance in response to temperature (60 ° C. or higher). A transparent polymer nanocomposite material and its manufacture, which can be applied to, for example, optical switches, limiters such as sensors, simple heat detection materials, etc. It provides new technology and new products related to technology.

現在、ポリマーに、無機フィラー(主として、ナノ粒子やナノファイバー)を添加したポリマーナノコンポジット(ハイブリッド)材料は、耐熱性、ガスバリア特性、引っぱり特性、耐摩耗性が大幅に向上した軽量な高機能材料として、様々な産業分野で使用されている。   Currently, polymer nanocomposite (hybrid) materials with inorganic fillers (mainly nanoparticles and nanofibers) added to polymers are lightweight, highly functional materials with significantly improved heat resistance, gas barrier properties, pulling properties, and wear resistance. It is used in various industrial fields.

例えば、ポリイミドに、レイヤードシリケートを2wt.%添加して作製したナノコンポジット材料の引張係数は、添加していないものと比較して、約42%増加するとともに、ガラス転移温度も高くなり、優れた耐熱性を示すことが報告されている(例えば、非特許文献1)。   For example, 2 wt. It has been reported that the nanocomposite material produced with the addition of% increases the tensile modulus by about 42% compared to the non-additional material, and the glass transition temperature also increases and exhibits excellent heat resistance. (For example, Non-Patent Document 1).

ポリマーナノコンポジット材料を、光学材料に応用する場合、材料の透明性は、極めて重要である。一般的に、ポリマーナノコンポジットの光学特性は、1)添加する無機ナノフィラーと、マトリックスを構成するポリマーの屈折率、及び、2)前者の後者への分散性、の二つの要因に支配される。透明性の高いポリマーナノコンポジット材料を作製するためには、屈折率の近い材料を選ぶこと、すなわち、屈折率のマッチングが重要である。   When a polymer nanocomposite material is applied to an optical material, the transparency of the material is extremely important. In general, the optical properties of polymer nanocomposites are governed by two factors: 1) the inorganic nanofiller to be added, the refractive index of the polymer constituting the matrix, and 2) the dispersibility of the former in the latter. . In order to produce a highly transparent polymer nanocomposite material, it is important to select a material having a refractive index close to each other, that is, matching of the refractive index.

例えば、Gilmerらは、ポリメチルメタアクリレート(PMMA、屈折率1.48)に、芳香族シロキサン(屈折率1.48)を含有させ、透明なコンポジット材料を開発している(例えば、非特許文献2)。しかしながら、ポリマーマトリックスと無機フィラーの屈折率が同じか、あるいは近いものは、その数が限られており、その組み合わせは、おのずと限定されてしまうため、実用的ではない。   For example, Gilmer et al. Have developed an aromatic composite (refractive index: 1.48) in polymethyl methacrylate (PMMA, refractive index: 1.48) to develop a transparent composite material (for example, non-patent literature). 2). However, those having the same or close refractive index of the polymer matrix and the inorganic filler are limited in number, and combinations thereof are naturally limited, and are not practical.

また、光の散乱と濁度を減少させるには、添加する無機フィラーナ粒径(サイズ)を50nm以下にすることが必要である。しかしながら、添加する無機フィラーナノ粒子の粒径が小さくなるに従って、粒子同士の凝集が著しくなり、非常に少ない添加量(0.5wt.%)にも関わらず、無機フィラーナノ粒子の均一分散が困難になり、透明性が著しく低下する(例えば、非特許文献3)。   Moreover, in order to reduce light scattering and turbidity, it is necessary to add an inorganic filler having a particle diameter (size) of 50 nm or less. However, as the particle size of the inorganic filler nanoparticles to be added becomes smaller, the particles become more agglomerated and it is difficult to uniformly disperse the inorganic filler nanoparticles despite the very small addition amount (0.5 wt.%). And the transparency is significantly reduced (for example, Non-Patent Document 3).

このような無機フィラーナノ粒子の凝集を抑制するために、Palkovitsらは、ポリメチルメタアクリレート(PMMA)マトリックス中で、テトラエトキシシランの加水分解反応を利用したゾルーゲル法により、粒径26nmのSiOナノ粒子をin−situで作製する手法を提案している(例えば、非特許文献4)。しかしながら、この場合でも、わずかSiOナノ粒子の6.67wt.%の添加量で、可視光透過率が著しく低下する。 In order to suppress such aggregation of inorganic filler nanoparticles, Palkovits et al. Have reported that SiO 2 having a particle size of 26 nm by a sol-gel method using a hydrolysis reaction of tetraethoxysilane in a polymethyl methacrylate (PMMA) matrix. A method for producing nanoparticles in-situ has been proposed (for example, Non-Patent Document 4). However, even in this case, 6.67Wt just SiO 2 nanoparticles. With an addition amount of%, the visible light transmittance is significantly reduced.

Changらも、同様に、ゾルーゲル法により、in−situでSiO成分(ドメインサイズ:20nm以下)を54.9wt.%含んだ透明なポリイミド系ナノコンポジットを作製しているが(例えば、非特許文献5)、透明性を維持するために、膜厚を3μm程度に制御している。 Similarly, Chang et al. Also added 54.9 wt.% Of SiO 2 component (domain size: 20 nm or less) in-situ by the sol-gel method. % Of a transparent polyimide-based nanocomposite is produced (for example, Non-Patent Document 5), but the film thickness is controlled to about 3 μm in order to maintain transparency.

一方、ポリマーナノコンポジットに期待される様々な機能の中で、最近、温度応答光学特性が注目されており、光スイッチ、センサーや、目の保護のためのレンズや、リミッター材料としての利用が検討されている。   On the other hand, among various functions expected for polymer nanocomposites, recently, temperature-responsive optical characteristics have attracted attention, and their use as optical switches, sensors, lenses for eye protection, and limiter materials are being studied. Has been.

poly(N−isopropylacrylamide)(PNIPAM)は、代表的な温度応答性ポリマーであり、分子内に水素結合性部分を有し、水分子がポリマー鎖のまわりに強く付着し、室温下では水に溶解している。温度を上げると、この水素結合が切断され、水と相分離し、収縮する。このような現象を下限臨界溶解現象といい、相分離を起こす温度を下限臨界溶解温度(Lowercritical Solution Temperature:LCST)と呼ぶ。   poly (N-isopropyla lamide) (PNIPAM) is a typical temperature-responsive polymer that has a hydrogen-bonding moiety in the molecule, and water molecules adhere strongly around the polymer chain and dissolve in water at room temperature. is doing. When the temperature is raised, this hydrogen bond is broken, phase-separates from water, and contracts. Such a phenomenon is referred to as a lower critical solution temperature phenomenon, and the temperature at which phase separation occurs is referred to as a lower critical solution temperature (LCST).

PNIPAMをベースにしたハイドロジェルナノ粒子、PNIPAMで被覆された各種ナノ粒子、金ナノ粒子を含有させたPNIPAMなどが開発されている(例えば、非特許文献6〜10)。これらの材料のLCSTは、50℃以下であり、相転移が起こる温度領域は、わずか1〜2℃である。また、この相転移は、主として水中で観察されており、大気中かつ広い温度領域で、相転移が起こり、光学特性が大きく変化(不透明化)するポリマーナノコンポジットは、未だ開発されていないことから、当技術分野においては、大気中かつ広い温度領域で、相転移が起こり、光学特性が大きく変化(不透明化)するポリマーナノコンポジット材料を開発することが強く要請されていた。   Hydrogel nanoparticles based on PNIPAM, various nanoparticles coated with PNIPAM, PNIPAM containing gold nanoparticles, and the like have been developed (for example, Non-Patent Documents 6 to 10). The LCST of these materials is 50 ° C. or lower, and the temperature range where the phase transition occurs is only 1 to 2 ° C. In addition, this phase transition is mainly observed in water, and a polymer nanocomposite in which optical properties change greatly (opacity) has occurred in the air and in a wide temperature range. In this technical field, there has been a strong demand to develop a polymer nanocomposite material that undergoes a phase transition in the atmosphere and in a wide temperature range, and whose optical properties are greatly changed (opaque).

T.Agag,T.Koga,T.Takeichi,Polymer 2001,42,3399T.A. Agag, T .; Koga, T .; Takeichi, Polymer 2001, 42, 3399 T.C.Gilmer,P.K.Hall,H.Ehrenfeld,K.Wilson,T.Bivens,D.Clay,C.Endreszl,J.Polym.Sci.Pol.Chem.1996,34,1025T.A. C. Gilmer, P.M. K. Hall, H .; Ehrenfeld, K.M. Wilson, T .; Bivens, D.M. Clay, C.I. Endreszl, J. et al. Polym. Sci. Pol. Chem. 1996, 34, 1025 Y.Q.Li,S.Y.Fu,Y.Yang,Y.W.Mai,Chem.Mat.2008,20,2637Y. Q. Li, S.M. Y. Fu, Y .; Yang, Y. et al. W. Mai, Chem. Mat. 2008, 20, 2637 R.Palkovits,H.Althues,A.Rumplecker,B.Tesche,A.Dreier,U.Holle,G.Fink,C.H.Cheng,D.F.Shantz,S.Kaskel,Langmuir 2005,21,6048R. Parkovits, H .; Althues, A .; Rumplecker, B.M. Tesche, A .; Dreier, U .; Halle, G. et al. Fink, C.I. H. Cheng, D.C. F. Shantz, S .; Kaskel, Langmuir 2005, 21, 6048 C.C.Chang,W.C.Chen,Chem.Mat.2002,14,4242C. C. Chang, W.M. C. Chen, Chem. Mat. 2002, 14, 4242 J.P.Wang,D.J.Gan,L.A.Lyon,M.A.El−Sayed,J.Am.Chem.Soc.2001,123,11284J. et al. P. Wang, D.W. J. et al. Gan, L.M. A. Lyon, M.M. A. El-Sayed, J.A. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 11284 J.Shan,H.Chen,M.Nuopponen,T.Viitala,H.Jiang,J.Peltonen,E.Kauppinen,H.Tenhu,Langmuir 2006,22,794J. et al. Shan, H .; Chen, M.C. Nuopponen, T .; Viitala, H .; Jiang, J. et al. Peltonen, E .; Kauppinen, H.M. Tenhu, Langmuir 2006, 22, 794 Y.Lu,Y.Mei,M.Drechsler,M.Ballauff,Angew.Chem.,Int.Ed.2006,45,813Y. Lu, Y .; Mei, M .; Drechsler, M.M. Ballauff, Angew. Chem. , Int. Ed. 2006, 45, 813 A.M.Schmidt,Colloid Polym.Sci.2007,285,953A. M.M. Schmidt, Colloid Polym. Sci. 2007, 285, 953 C.Wang,N.T.Flynn,R.Langer,Adv.Mater.2004,16,1074C. Wang, N .; T.A. Flynn, R.M. Langer, Adv. Mater. 2004, 16, 1074

このような状況の中で、本発明者は、上記従来技術に鑑みて、可視光透過率が大気中で、ある温度領域(60℃以上)で瞬時に大きく変化(不透明化)する透明ポリマーナノコンポジット材料を開発することを目標として鋭意研究を進めた結果、ポリマー(主として、シリコーン)マトリックスの原料となる2種類のモノマーのうちの1種類のモノマー液中で、酸化シリコン(SiO)ナノ粒子を加熱処理し、表面に膜厚1nm以下程度のモノマー由来の分子膜を形成し、続いて、該SiOナノ粒子が分散したモノマー溶液に、残りのモノマーとPt触媒(Karstedt触媒)を添加して調製した溶液を、樹脂製の型に流し込み、加熱処理により架橋することで、SiOナノ粒子をポリマーマトリックスと共有結合により強固に固定化し、また、ポリマーマトリックスの架橋を促進することで、機械的特性、耐久性、耐熱性、温度応答性に優れた透明ポリマーナノコンポジット材料のバルク体(厚さ〜1mm:1mm以下)を、任意の形状に、クラックフリーで形成できることを見いだし、本発明を完成させるに至った。 Under such circumstances, the present inventor, in view of the above-mentioned prior art, the transparent polymer nanoparticle whose visible light transmittance changes greatly (opacity) instantaneously in a certain temperature range (60 ° C. or higher) in the atmosphere. As a result of diligent research with the goal of developing composite materials, silicon oxide (SiO 2 ) nanoparticles in one monomer liquid of two types of monomers used as raw materials for polymer (mainly silicone) matrices Is heated to form a monomer-derived molecular film with a film thickness of about 1 nm or less on the surface, and then the remaining monomer and Pt catalyst (Karstedt catalyst) are added to the monomer solution in which the SiO 2 nanoparticles are dispersed. The solution prepared in this manner is poured into a resin mold and crosslinked by heat treatment, so that the SiO 2 nanoparticles are strongly bonded to the polymer matrix by covalent bonds. By immobilizing and promoting cross-linking of the polymer matrix, a bulk body (thickness ˜1 mm: 1 mm or less) of a transparent polymer nanocomposite material excellent in mechanical properties, durability, heat resistance, and temperature responsiveness, It has been found that cracks can be formed in any shape, and the present invention has been completed.

本発明は、高温場(60℃以上)で、可視光透過率が、可逆的に瞬時に大幅に変化する、優れた温度応答性能を有する透明なナノコンポジット材料を提供することを目的とするものである。また、本発明は、該透明ポリマーナノコンポジット材料をバルク体(厚さ〜1mm)として、任意の形状に、クラックを引き起こすことなく製造することを可能とするナノコンポジット材料の製造技術を提供することを目的とするものである。また、本発明は、ナノ粒子をポリマー中に高濃度で均一に分散/充填させることを可能にする、ナノ粒子の表面改質技術を提供することを目的とするものである。更に、本発明は、例えば、光学スイッチ、センサーなどのリミッター、簡易な熱検出材料などへの応用を可能にする、有効な透明ポリマーナノコンポジット材料を提供することを目的とするものである。   An object of the present invention is to provide a transparent nanocomposite material having excellent temperature response performance in which visible light transmittance changes reversibly and instantaneously in a high temperature field (60 ° C. or higher). It is. In addition, the present invention provides a technique for producing a nanocomposite material that makes it possible to produce the transparent polymer nanocomposite material as a bulk body (thickness to 1 mm) in any shape without causing cracks. It is intended. Another object of the present invention is to provide a nanoparticle surface modification technique that enables nanoparticles to be uniformly dispersed / filled in a polymer at a high concentration. Furthermore, an object of the present invention is to provide an effective transparent polymer nanocomposite material that can be applied to limiters such as optical switches and sensors, and simple heat detection materials.

上記課題を解決する本発明は、以下の技術的手段から構成される。
(1)高温場(60℃以上)で可視光透過率が減少(5〜15%)し、不透明になる、シリコーン系ポリマーからなる透明ポリマーナノコンポジット材料であって、
該透明ポリマーナノコンポジット材料のマトリックス成分が、2種類のモノマーから形成され、2種類のモノマーのどちらかが、ビニル基、Si−H基の中から選択した1種類以上の反応性官能基で終端されていて、酸化シリコン(SiO)ナノ粒子が、マトリックス成分に対して、最大で30wt.%含有されていることを特徴とする、透明ポリマーナノコンポジット材料。
(2)透明ポリマーナノコンポジット材料の可視光透過率の温度応答性が、可逆的である、前記(1)に記載の透明ポリマーナノコンポジット材料。
(3)透明ポリマーナノコンポジット材料の可視光透過率とその変化量が、含有されているナノ粒子の濃度に依存する、前記(1)又は(2)に記載の透明ポリマーナノコンポジット材料。
(4)充填されるナノ粒子が、SiOナノ粒子であり、その粒径が、50nm以下である、前記(1)から(3)のいずれかに記載の透明なポリマーナノコンポジット材料。
(5)SiOナノ粒子表面が、マトリックスを形成する2種類のモノマーのうちの1種類のモノマー成分の膜で被覆されており、その膜厚が、1nm以下である、前記(1)から(4)のいずれかに記載の透明なポリマーナノコンポジット材料。
(6)SiOナノ粒子が、ポリマーマトリックスに共有結合を介して固定化されている、前記(1)から(5)のいずれかに記載の透明ポリマーナノコンポジット材料。
(7)常温では、該SiOナノ粒子の屈折率と、ポリマーマトリックスの屈折率がほぼ同じで、透明になる、前記(1)から(6)のいずれかに記載の透明ポリマーナノコンポジット材料。
(8)加熱により、該SiOナノ粒子とポリマーマトリックスの屈折率のミスマッチが起こり、可視光領域の透過率が減少する、前記(1)から(7)のいずれかに記載の透明ポリマーナノコンポジット材料。
(9)冷却により、該SiOナノ粒子とポリマーマトリックスの屈折率が元に戻り、再び可視光領域の透過率が増加する、前記(1)から(8)のいずれかに記載の透明ポリマーナノコンポジット材料。
(10)シリコーン系ポリマーからなる透明ポリマーナノコンポジット材料を製造する方法であって、
該透明ポリマーナノコンポジット材料のマトリックス成分が、2種類のモノマーから形成され、2種類のモノマーのどちらかが、ビニル基、Si−H基の中から選択した1種類以上の反応性官能基で終端されていて、SiOナノ粒子を2種類のモノマーのうちの1種類のモノマー液中で加熱処理を行った後、残りのモノマーとPt触媒(Karstedt触媒)を添加し、当該溶液を樹脂製の型に流し込み、加熱処理により架橋を促進させることを特徴とする、透明ポリマーナノコンポジット材料の製造方法。
(11)SiOナノ粒子を、2種類のモノマーのうちの1種類のモノマー液中で、80〜100℃で最長72時間熱処理した後、残りのモノマーとPt触媒(Karstedt触媒)を添加し、当該溶液を樹脂製の型に流し込み、室温で最長24時間、50〜80℃で最長24時間、更に120〜150℃で最長24時間の加熱処理により架橋を促進させる、前記(10)に記載の透明ポリマーナノコンポジット材料の製造方法。
The present invention for solving the above-described problems comprises the following technical means.
(1) A transparent polymer nanocomposite material composed of a silicone-based polymer that has a visible light transmittance that decreases (5 to 15%) and becomes opaque in a high-temperature field (60 ° C. or higher),
The matrix component of the transparent polymer nanocomposite material is formed from two types of monomers, and one of the two types of monomers is terminated with one or more reactive functional groups selected from vinyl groups and Si-H groups. Silicon oxide (SiO 2 ) nanoparticles with a maximum of 30 wt. % Transparent polymer nanocomposite material, characterized in that
(2) The transparent polymer nanocomposite material according to (1), wherein the temperature responsiveness of the visible light transmittance of the transparent polymer nanocomposite material is reversible.
(3) The transparent polymer nanocomposite material according to (1) or (2), wherein the visible light transmittance and the amount of change of the transparent polymer nanocomposite material depend on the concentration of the contained nanoparticles.
(4) The transparent polymer nanocomposite material according to any one of (1) to (3), wherein the nanoparticles to be filled are SiO 2 nanoparticles and the particle size thereof is 50 nm or less.
(5) From the above (1), the SiO 2 nanoparticle surface is coated with a film of one kind of monomer component of two kinds of monomers forming a matrix, and the film thickness is 1 nm or less ( The transparent polymer nanocomposite material according to any one of 4).
(6) The transparent polymer nanocomposite material according to any one of (1) to (5), wherein the SiO 2 nanoparticles are fixed to the polymer matrix via a covalent bond.
(7) The transparent polymer nanocomposite material according to any one of (1) to (6), wherein the refractive index of the SiO 2 nanoparticles and the refractive index of the polymer matrix are substantially the same and become transparent at normal temperature.
(8) The transparent polymer nanocomposite according to any one of (1) to (7), wherein a mismatch between the refractive indexes of the SiO 2 nanoparticles and the polymer matrix occurs due to heating, and the transmittance in the visible light region decreases. material.
(9) The transparent polymer nanoparticle according to any one of (1) to (8), wherein the refractive index of the SiO 2 nanoparticles and the polymer matrix is restored to the original by cooling, and the transmittance in the visible light region is increased again. Composite material.
(10) A method for producing a transparent polymer nanocomposite material comprising a silicone polymer,
The matrix component of the transparent polymer nanocomposite material is formed from two types of monomers, and one of the two types of monomers is terminated with one or more reactive functional groups selected from vinyl groups and Si-H groups. After heating the SiO 2 nanoparticles in one of the two types of monomer solution, the remaining monomer and Pt catalyst (Karstedt catalyst) are added, and the solution is made of resin. A method for producing a transparent polymer nanocomposite material, characterized by pouring into a mold and promoting crosslinking by heat treatment.
(11) After heat-treating SiO 2 nanoparticles in one monomer liquid of two types at 80 to 100 ° C. for a maximum of 72 hours, the remaining monomer and Pt catalyst (Karstedt catalyst) are added, The solution is poured into a resin mold, and crosslinking is promoted by heat treatment at room temperature for a maximum of 24 hours, at 50 to 80 ° C. for a maximum of 24 hours, and further at 120 to 150 ° C. for a maximum of 24 hours. A method for producing a transparent polymer nanocomposite material.

次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、酸化シリコン(SiO)ナノ粒子と、シリコーン系ポリマーのポリマーマトリックスの屈折率が、温度により可逆的に変化する現象を利用して、屈折率のマッチ/ミスマッチによる可視光透過率の制御を可能とする透明ポリマーナノコンポジット材料を、バルク体(厚さ〜1mm)として、任意の形状に、クラックフリーで製造することを可能とする点に特徴を有するものである。
Next, the present invention will be described in more detail.
The present invention utilizes the phenomenon that the refractive index of the silicon oxide (SiO 2 ) nanoparticles and the polymer matrix of the silicone polymer reversibly change depending on the temperature, and the visible light transmittance due to the refractive index match / mismatch. It is characterized in that the transparent polymer nanocomposite material enabling control can be manufactured as a bulk body (thickness to 1 mm) in an arbitrary shape without cracks.

具体的には、本発明は、SiOナノ粒子を、ビニル基やSi−H基を有する2種類のモノマー中から選んだ1種類のモノマー液中で加熱処理し、表面に膜厚1nm以下のモノマー由来の分子膜を形成し、続いて、改質されたSiOナノ粒子が均一に分散しているモノマー溶液中に、残りのモノマー液とPt触媒(Karstedt触媒、約10ppm)を添加し、当該溶液を樹脂製の型に流し込み、加熱処理により架橋を促進させることで、モノマー間だけでなく、SiOナノ粒子とモノマー間の架橋を促進させることで、透明で任意な形状のバルク体をクラックフリーで形成するものである。 Specifically, the present invention heat-treats SiO 2 nanoparticles in one monomer liquid selected from two types of monomers having vinyl groups and Si—H groups, and has a film thickness of 1 nm or less on the surface. A monomer-derived molecular film is formed, and then the remaining monomer solution and a Pt catalyst (Karstedt catalyst, about 10 ppm) are added to the monomer solution in which the modified SiO 2 nanoparticles are uniformly dispersed. By pouring the solution into a resin mold and promoting crosslinking by heat treatment, not only between the monomers, but also promoting crosslinking between the SiO 2 nanoparticles and the monomer, a transparent and arbitrarily shaped bulk body It is formed without cracks.

本発明では、予め100℃で24時間以上乾燥させた粒径50nm以下、例えば、粒径25nmのSiOナノ粒子を、ポリマーマトリックスの原料となる、2種類のモノマー原料のうちの1種類である、例えば、1,3,5,7−tetramethylcyclotetrasiloxane(D 、液体)中に、相対湿度5%以下の窒素雰囲気下で添加し、50〜80℃で最長72時間、撹拌/加熱処理し、SiOナノ粒子表面に膜厚1nm以下のD 由来の分子膜を形成する。 In the present invention, SiO 2 nanoparticles having a particle size of 50 nm or less, for example, a particle size of 25 nm, which has been dried at 100 ° C. for 24 hours or more in advance, is one of two types of monomer raw materials used as a raw material for the polymer matrix. For example, in 1,3,5,7-tetramethylcyclotetrasiloxane (D 4 H , liquid) under a nitrogen atmosphere with a relative humidity of 5% or less and stirred / heat treated at 50-80 ° C. for a maximum of 72 hours, A molecular film derived from D 4 H having a thickness of 1 nm or less is formed on the surface of the SiO 2 nanoparticles.

この場合、モノマー中に、活性な官能基(Si−H基)が含まれていることが好ましい。また、当該モノマーが、SiOナノ粒子表面の酸素含有極性基である水酸基との間で、共有結合を介して固定化されていることが好ましい。本発明では、上記モノマー原料として、上記D あるいはそれと同等又は類似の効果を奏する以下に示す化合物が例示される。 In this case, it is preferable that an active functional group (Si—H group) is contained in the monomer. Further, the monomer is between hydroxyl oxygen-containing polar group of SiO 2 nanoparticle surface, which is preferably immobilized via covalent bonds. In the present invention, examples of the monomer raw material include the following compounds that exhibit the above D 4 H or the same or similar effects.

すなわち、上記モノマー原料として、以下の化合物を用いることができる。
Hydride Terminated PolyDimethylsiloxanes;
polyPhenyl−(DiMethylHydrosiloxy)siloxane, hydride terminated;
MethylHydrosiloxane−Dimethylsiloxane Copolymers, Trimethylsiloxy terminated;
MethylHydrosiloxane−Dimethylsiloxane Copolymers, Hydride terminated;
polyMethylHydrosiloxanes, Trimethylsiloxy terminated;
polyEthylHydrosiloxane, Triethylsiloxy t−erminated;
polyPhenylMethylsiloxane, hydride terminated;
MethylHydrosiloxane−PhenylMethylsiloxane copolymer, hydride terminated;
MethylHydrosiloxane−OctylMethylsiloxane copolymers and terpolymers。
That is, the following compounds can be used as the monomer raw material.
Hydride Terminated PolyDimethylsiloxanes;
polyPhenyl- (DiMethyl Hydrosiloxy) siloxane, hydride terminated;
Methyl Hydrosiloxane-Dimethyl Siloxane Copolymers, Trimethylsilylated terminated;
Methyl Hydrosiloxane-Dimethyl Siloxane Copolymers, Hydride terminated;
polyMethylHydrosiloxanes, Trimethylsilylated terminated;
polyEthyl Hydrosiloxane, Triethyl Siloxy t-erminated;
polyphenylmethylsiloxane, hydride terminated;
Methyl Hydrosiloxane-Phenyl Methyl Siloxane copolymer, hydride terminated;
Methyl Hydrosiloxane-Octyl Methyl Siloxane copolymers and terpolymers.

本発明において、使用しうる無機ナノ粒子としては、SiO、アルミナ、酸化ジルコニア、シリコンカーバイドなどの適宜の無機ナノ粒子を任意に使用することができるが、本発明は、高い透明性を得るために、ポリマーマトリックスの原料となる2種類のモノマーと屈折率の近いSiOナノ粒子を用いることを好ましい実施態様としている。これらの無機ナノ粒子のサイズは、光の散乱を抑制するために、50nm以下、好ましくは30nm以下、より好ましくは25nm以下であることが望ましい。 In the present invention, suitable inorganic nanoparticles such as SiO 2 , alumina, zirconia oxide, and silicon carbide can be arbitrarily used as the inorganic nanoparticles that can be used, but the present invention provides high transparency. In addition, it is a preferred embodiment to use two kinds of monomers as raw materials for the polymer matrix and SiO 2 nanoparticles having a refractive index close to each other. The size of these inorganic nanoparticles is desirably 50 nm or less, preferably 30 nm or less, more preferably 25 nm or less in order to suppress light scattering.

続いて、当該表面処理済みSiOナノ粒子含モノマー溶液に、残りのモノマーとPt触媒(Karstedt触媒、platinum−divinyltetramethyldisiloxane complex、2.1〜2.4% Pt in キシレン、約10ppm)を添加し、最終溶液を樹脂製容器の中に静かに流し込み、室温で最長24時間放置した後、50〜80℃で最長24時間、更に、120〜150℃で最長24時間、加熱処理し、透明ポリマーナノコンポジット材料を形成する。 Subsequently, the remaining monomer and a Pt catalyst (Karsttedt catalyst, platinum-diethyltetramethyldisiloxane complex, 2.1 to 2.4% Pt in xylene, about 10 ppm) are added to the surface-treated SiO 2 nanoparticle-containing monomer solution. The final solution is gently poured into a resin container and allowed to stand at room temperature for a maximum of 24 hours, followed by heat treatment at 50 to 80 ° C. for a maximum of 24 hours, and further at 120 to 150 ° C. for a maximum of 24 hours. Form material.

樹脂容器には、PETやテフロン(登録商標)などの一般的に使われている、様々な形状をした樹脂製容器を用いることができる。モノマーには、例えば、SiOナノ粒子の表面を終端しているSi−H基と反応するビニル基を有する1,3,5,7−tetravinyl−1,3,5,7−tetramethylcyclotetrasiloxane(D )が好適である。本発明では、上記モノマー原料として、D あるいはそれと同等又は類似の効果を奏する以下に示す化合物が例示される。 For the resin container, resin containers having various shapes such as PET and Teflon (registered trademark) can be used. Monomers include, for example, 1,3,5,7-tetravinyl-1,3,5,7-tetramethylcyclotetrasiloxane (D 4) having a vinyl group that reacts with the Si—H group terminating the surface of the SiO 2 nanoparticles. V ) is preferred. In the present invention, examples of the monomer raw material include D 4 V or the following compounds that exhibit the same or similar effects.

すなわち、上記モノマー原料として、以下の化合物を用いることができる。
Vinyl Terminated PolyDimethylsiloxanes;
Vinyl Terminated Diphenylsiloxane−Dimethylsiloxane Copolymers;
Vinyl Terminated polyPhenylMethylsiloxane;
VinylPhenylMethyl Terminated VinylPhenylsiloxane−PhenylMethylsiloxane Copolymer;
Vinyl Terminated TrifluoropropylMethylsiloxane−Dimethylsiloxane Copolymer;
VinylTerminated Diethylsiloxane−Dimethylsiloxane Copolymers;
Vinylmethylsiloxane−Dimethylsiloxane Copolymers, trimethylsiloxy terminated;
Vinylmethylsiloxane−Dimethylsiloxane Copolymers, silanol terminated 4−6% OH;
Vinylmethylsiloxane−Dimethylsiloxane Copolymers, vinyl terminated;
MonoVinyl Terminated PolyDimethylsiloxanes−asymmetric;
MonoVinyl Functional PolyDimethylsiloxane−symmetric;
(3−5% Vinylmethylsiloxane)−(35−40% OctylmethylSiloxane)−(Dimethylsiloxane)terpolymer;
(3−5% Vinylmethylsiloxane)−(35−40% PhenylmethylSiloxane)−(Dimethylsiloxane)terpolymer;
Vinylmethoxysiloxane Homopolymer;
Vinylethoxysiloxane Homopolymer;
sVinylethoxysiloxane−Propylethoxysiloxane Copolymer。
That is, the following compounds can be used as the monomer raw material.
Vinyl Terminated PolyDimethylsiloxanes;
Vinyl Terminated Diphenylsiloxane-Dimethylsiloxane Copolymers;
Vinyl Terminated polyPhenylMethylsiloxane;
Vinyl Phenyl Methyl Terminated Vinyl Phenyl Siloxane-Phenyl Methyl Siloxane Copolymer;
Vinyl Terminated Trifluoropropylmethylmethylsiloxane-Dimethylsiloxane Copolymer;
VinylTerminated Diethylsiloxane-Dimethylsiloxane Copolymers;
Vinylmethylsiloxane-Dimethylsiloxane Copolymers, trimethylsiloxy terminated;
Vinylmethylsiloxane-Dimethylsiloxane Copolymers, silanol terminated 4-6% OH;
Vinylmethylsiloxane-Dimethylsiloxane Copolymers, vinyl terminated;
MonoVinyl terminated polydimethylsiloxanes-asymmetric;
MonoVinyl Functional PolyDimethylsiloxane-symmetric;
(3-5% Vinylmethylsiloxane)-(35-40% OctylmethylSiloxane)-(Dimethylsiloxane) terpolymer;
(3-5% Vinylmethylsiloxane)-(35-40% PhenylmethylSiloxane)-(Dimethylsiloxane) terpolymer;
Vinylmethysiloxanexane Homopolymer;
Vinylethysiloxane Homopolymer;
sVinyloxysiloxane-Propyloxysiloxane Copolymer.

また、可視光透過率の変化量をより大きくするために、SiOナノ粒子を、ポリマーマトリックスに対して、最大で30wt.%まで充填することも可能である。これ以上、SiOナノ粒子の濃度が高くなると、透明性の高いポリマーナノコンポジット材料の形成が困難になるため、好ましくない。 Further, in order to increase the amount of change in the visible light transmittance, the SiO 2 nanoparticles are added at a maximum of 30 wt. It is also possible to fill up to%. If the concentration of the SiO 2 nanoparticles is higher than this, it is not preferable because it becomes difficult to form a highly transparent polymer nanocomposite material.

硬化条件は、特に限定されないが、室温で、最長24時間、50〜80℃で、最長24時間、更に、120〜150℃で、最長24時間処理することが望ましい。これ以上の温度で処理すると、架橋の促進により、硬度は増加するものの、クラックが発生しやすくなるため、好ましくない。   The curing conditions are not particularly limited, but it is desirable to treat at room temperature for a maximum of 24 hours at 50 to 80 ° C. for a maximum of 24 hours, and further at 120 to 150 ° C. for a maximum of 24 hours. When the treatment is performed at a temperature higher than this, the hardness increases due to the promotion of crosslinking, but cracks tend to occur, which is not preferable.

本発明の製造技術を用いることにより、温度に応答して(60℃以上)可視光透過率が瞬時に大幅(5〜15%)に変化する、機械的強度、耐久性、耐熱性、温度応答性に優れた透明ポリマーナノコンポジットを、バルク体(〜1mm)として、任意の形状に、クラックフリーで、形成することが容易になるという利点が得られる。   By using the manufacturing technology of the present invention, the mechanical strength, durability, heat resistance, temperature response, visible light transmittance changes instantaneously and drastically (5-15%) in response to temperature (60 ° C. or higher). The advantage is that it is easy to form a transparent polymer nanocomposite having excellent properties as a bulk body (˜1 mm) in an arbitrary shape without cracks.

本発明により、次のような効果が奏される。
(1)温度に応答して(60℃以上)可視光透過率が瞬時に大幅(5〜15%)に変化する新規な透明ポリマーナノコンポジット材料とその製造技術を提供することができる。
(2)充填するSiOナノ粒子表面は、ポリマーマトリックスを構成する2種類のモノマーのうちの1種類と同じ成分の分子膜(膜厚1nm以下)で被覆されているため、SiOナノ粒子を、凝集させることなく、ポリマーマトリックス中に高濃度(最大30wt.%)で均一に分散させることができる。
(3)当該SiOナノ粒子は、ポリマーマトリックスと共有結合を介して固定化されているため、極めて安定であり、マトリックス内から脱離することはない。
(4)当該SiOナノ粒子ナノコンポジットのバルク体(厚さ〜1mm)を、様々な形状にクラックフリーで作製することができる。
(5)本発明は、ポリマーナノコンポジット材料に温度応答光学特性を付与することで、例えば、光学スイッチ、センサーなどのリミッター、簡易な熱検出材料などへの応用を可能にする、透明ポリマーナノコンポジット材料の製造技術を提供することを可能にするものである。
(6)該透明ナノコンポジット材料の可視光透過率の温度応答性は可逆的であり、優れた耐久性がある。
(7)該透明ナノコンポジット材料は、耐熱性(200℃程度)に優れ、加熱/冷却を繰り返してもクラックが入らない。
(8)該透明ナノコンポジット材料の作製手法は、簡便(混合・加熱・成形のみ)であり、特殊な操作・装置等を必要としない。
The present invention has the following effects.
(1) It is possible to provide a novel transparent polymer nanocomposite material whose visible light transmittance changes instantaneously and greatly (5 to 15%) in response to temperature (60 ° C. or higher) and its manufacturing technology.
(2) Since the surface of the SiO 2 nanoparticles to be filled is covered with a molecular film (with a film thickness of 1 nm or less) of the same component as one of the two types of monomers constituting the polymer matrix, the SiO 2 nanoparticles are It can be uniformly dispersed at a high concentration (up to 30 wt.%) In the polymer matrix without agglomeration.
(3) Since the SiO 2 nanoparticles are fixed to the polymer matrix via a covalent bond, they are extremely stable and do not desorb from the matrix.
(4) The bulk body (thickness ˜1 mm) of the SiO 2 nanoparticle nanocomposite can be produced in various shapes without cracks.
(5) The present invention provides a transparent polymer nanocomposite that can be applied to, for example, an optical switch, a limiter such as a sensor, a simple heat detection material, etc. by imparting a temperature-responsive optical property to the polymer nanocomposite material. It is possible to provide material manufacturing technology.
(6) The temperature responsiveness of the visible light transmittance of the transparent nanocomposite material is reversible and has excellent durability.
(7) The transparent nanocomposite material is excellent in heat resistance (about 200 ° C.) and does not crack even after repeated heating / cooling.
(8) The method for producing the transparent nanocomposite material is simple (only mixing, heating and molding), and does not require any special operation or apparatus.

実施例1〜4に記載の、透明ポリマーナノコンポジット材料の透過性を示す。(A)は6wt.%、(B)は12wt.%、(C)は18wt.%、(D)は24wt.%である。The permeability | transmittance of the transparent polymer nanocomposite material as described in Examples 1-4 is shown. (A) is 6 wt. %, (B) is 12 wt. %, (C) is 18 wt. %, (D) is 24 wt. %. 実施例4に記載の、透明ポリマーナノコンポジット材料の各種温度における透過性を示す。(A)は室温、(B)は100℃、(C)は150℃である。The permeability at various temperatures of the transparent polymer nanocomposite material described in Example 4 is shown. (A) is room temperature, (B) is 100 ° C, and (C) is 150 ° C. 実施例1〜4に記載の、透明ポリマーナノコンポジット材料の各種温度におけるUV−visスペクトルを示す。(A)は6wt.%、(B)は12wt.%、(C)は18wt.%、(D)は24wt.%である。The UV-vis spectrum in various temperature of the transparent polymer nanocomposite material as described in Examples 1-4 is shown. (A) is 6 wt. %, (B) is 12 wt. %, (C) is 18 wt. %, (D) is 24 wt. %.

次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明する。以下の実施例は、本発明の好適な例を示すものであり、本発明は、該実施例によって何ら限定されるものではない。   Next, the present invention will be specifically described based on examples. The following examples show preferred examples of the present invention, and the present invention is not limited to the examples.

ガラス容器中に、100℃で24時間乾燥したSiOナノ粒子(粒径25nm)3.0gを、液体状のモノマー;1,3,5,7−tetramethylcyclotetrasiloxane(D )12.0gとともに、窒素雰囲気中で密閉した後、マグネティックスターラにて撹拌しながら、オイルバス(80℃)中で、72時間加熱処理して、20wt.%溶液を調製した。 In a glass container, 3.0 g of SiO 2 nanoparticles (particle size 25 nm) dried at 100 ° C. for 24 hours, together with 12.0 g of a liquid monomer; 1,3,5,7-tetramethylcyclotetrasiloxane (D 4 H ), After sealing in a nitrogen atmosphere, the mixture was heated in an oil bath (80 ° C.) for 72 hours while stirring with a magnetic stirrer, and 20 wt. % Solution was prepared.

この溶液0.3gに、モノマーの混合液(D /1,3,5,7−tetravinyl−1,3,5,7−tetramethylcyclotetrasiloxane(D ))0.7g(0.3080g/0.392g)と、Karstedt触媒(platinum−divinyltetramethyldisiloxane complex、2.1〜2.4% Pt in キシレン)を、約10ppm添加して調製した溶液(6wt.%)0.5mlを、PET製容器に流し込み、室温で24時間放置後、80℃で24時間加熱処理し、2.7cmx2.7cmx700μmのバルク体を作製した。 To 0.3 g of this solution, 0.7 g (0.3080 g / 0) of a mixture of monomers (D 4 H / 1,3,5,7-tetravinyl-1,3,5,7-tetramethylcyclotetrasiloxane (D 4 V )) 392 g) and 0.5 ml of a solution (6 wt.%) Prepared by adding about 10 ppm of Karstedt catalyst (platinum-divinyltetramethyldisiloxane complex, 2.1 to 2.4% Pt in xylene) was poured into a PET container. After standing at room temperature for 24 hours, heat treatment was performed at 80 ° C. for 24 hours to produce a bulk body of 2.7 cm × 2.7 cm × 700 μm.

ガラス容器中に、100℃で24時間乾燥した酸化シリコンナノ粒子(粒径25nm)3.0gを、液体状のモノマー;1,3,5,7−tetramethylcyclotetrasiloxane(D )12.0gとともに、窒素雰囲気中で密閉した後、マグネティックスターラにて撹拌しながら、オイルバス(80℃)中で、72時間加熱処理して、20wt.%溶液を調製した。 In a glass container, 3.0 g of silicon oxide nanoparticles (particle size 25 nm) dried at 100 ° C. for 24 hours, together with 12.0 g of a liquid monomer; 1,3,5,7-tetramethylcyclotetrasiloxane (D 4 H ), After sealing in a nitrogen atmosphere, the mixture was heated in an oil bath (80 ° C.) for 72 hours while stirring with a magnetic stirrer, and 20 wt. % Solution was prepared.

この溶液0.6gに、D /D =0.033g/0.367gと、Karstedt触媒を、約10ppm添加して調製した溶液(12wt.%)0.5mlを、PET製容器に流し込み、室温で24時間放置後、80℃で24時間加熱処理し、2.7cmx2.7cmx700μmのバルク体を作製した。 In a PET container, 0.5 ml of a solution (12 wt.%) Prepared by adding about 10 ppm of D 4 H / D 4 V = 0.033 g / 0.367 g and Karstedt catalyst to 0.6 g of this solution. After pouring and leaving at room temperature for 24 hours, heat treatment was performed at 80 ° C. for 24 hours to produce a bulk body of 2.7 cm × 2.7 cm × 700 μm.

ガラス容器中に、100℃で24時間乾燥した酸化シリコンナノ粒子(粒径25nm)3.0gを、液体状のモノマー;1,3,5,7−tetramethylcyclotetrasiloxane(D )12.0gとともに、窒素雰囲気中で密閉した後、マグネティックスターラにて撹拌しながら、オイルバス(80℃)中で、72時間加熱処理して、20wt.%溶液を調製した。 In a glass container, 3.0 g of silicon oxide nanoparticles (particle size 25 nm) dried at 100 ° C. for 24 hours, together with 12.0 g of a liquid monomer; 1,3,5,7-tetramethylcyclotetrasiloxane (D 4 H ), After sealing in a nitrogen atmosphere, the mixture was heated in an oil bath (80 ° C.) for 72 hours while stirring with a magnetic stirrer, and 20 wt. % Solution was prepared.

この溶液に、窒素ガスを吹き込み、D 成分を蒸発させ、濃度を40wt.%まで濃縮した。この溶液0.45gに、D /D =0.208g/0.342gと、Karstedt触媒を、約10ppm添加して調製した溶液(18wt.%)0.5mlを、PET製容器に流し込み、室温で24時間放置後、80℃で24時間加熱処理し、2.7cmx2.7cmx700μmのバルク体を作製した。 Nitrogen gas was blown into this solution to evaporate the D 4 H component, and the concentration was adjusted to 40 wt. Concentrated to%. In a PET container, 0.5 ml of a solution (18 wt.%) Prepared by adding about 10 ppm of D 4 H / D 4 V = 0.208 g / 0.342 g and Karstedt catalyst to 0.45 g of this solution After pouring and leaving at room temperature for 24 hours, heat treatment was performed at 80 ° C. for 24 hours to produce a bulk body of 2.7 cm × 2.7 cm × 700 μm.

ガラス容器中に、100℃で24時間乾燥した酸化シリコンナノ粒子(粒径25nm)3.0gを、液体状のモノマー;1,3,5,7−tetramethylcyclotetrasiloxane(D )12.0gとともに、窒素雰囲気中で密閉した後、マグネティックスターラにて撹拌しながら、オイルバス(80℃)中で、72時間加熱処理して、20wt.%溶液を調製した。 In a glass container, 3.0 g of silicon oxide nanoparticles (particle size 25 nm) dried at 100 ° C. for 24 hours, together with 12.0 g of a liquid monomer; 1,3,5,7-tetramethylcyclotetrasiloxane (D 4 H ), After sealing in a nitrogen atmosphere, the mixture was heated in an oil bath (80 ° C.) for 72 hours while stirring with a magnetic stirrer, and 20 wt. % Solution was prepared.

この溶液に、窒素ガスを吹き込み、D 成分を蒸発させ、濃度を40wt.%まで濃縮した。この溶液0.6gに、D /D =0.083g/0.317gと、Karstedt触媒を、約10ppm添加して調製した溶液(24wt.%)0.5mlを、PET製容器に流し込み、室温で24時間放置後、80℃で24時間加熱処理し、2.7cmx2.7cmx700μmのバルク体を作製した。 Nitrogen gas was blown into this solution to evaporate the D 4 H component, and the concentration was adjusted to 40 wt. Concentrated to%. In a PET container, 0.5 ml of a solution (24 wt.%) Prepared by adding approximately 10 ppm of D 4 H / D 4 V = 0.083 g / 0.317 g and Karstedt catalyst to 0.6 g of this solution. After pouring and leaving at room temperature for 24 hours, heat treatment was performed at 80 ° C. for 24 hours to produce a bulk body of 2.7 cm × 2.7 cm × 700 μm.

実施例1〜4で作製した試料を、UV−vis、TGAおよびナノインデンターにより評価した。図1は、実施例1〜4の試料の透過性の結果である。図2は、実施例4に記載の試料の各種温度における透過性の結果である。図3は、実施例1〜4に記載の試料の光学特性の結果(各種温度におけるUV−visスペクトル)である。   The samples prepared in Examples 1 to 4 were evaluated by UV-vis, TGA, and nanoindenter. FIG. 1 shows the results of permeability of the samples of Examples 1 to 4. FIG. 2 shows the results of permeability of the sample described in Example 4 at various temperatures. FIG. 3 shows the results of optical characteristics (UV-vis spectra at various temperatures) of the samples described in Examples 1 to 4.

[比較例1]
ガラス容器中に、D /D =1g/0.7165gと、Karstedt触媒を、約10ppm添加して調製した溶液0.5mlを、PET製容器に流し込み、室温で24時間放置後、80℃で24時間加熱処理し、2.7cmx2.7cmx700μmのバルク体を作製した。
[Comparative Example 1]
In a glass container, D 4 H / D 4 V = 1 g / 0.7165 g and a solution prepared by adding about 10 ppm of Karstedt catalyst, 0.5 ml of a solution was poured into a PET container and left at room temperature for 24 hours. It heat-processed at 80 degreeC for 24 hours, and produced the bulk body of 2.7cmx2.7cmx700micrometer.

[比較例2]
比較例1で作製した試料を、UV−vis、TGAおよびナノインデンターにより評価した。
[Comparative Example 2]
The sample prepared in Comparative Example 1 was evaluated by UV-vis, TGA, and nanoindenter.

以上の実施例1〜4、比較例1で作製した試料を相対的に評価したところ、上記実施例5の評価の結果からも明らかなように、実施例1〜4では、SiOナノ粒子を、透明性を維持しながら高濃度で均一に分散させることが可能であることが分かった。一方、比較例1では、透明性の高いポリマーバルク体を作製することはできたが、可視光透過率の温度応答性は全く得られなかった。また、SiOナノ粒子の添加量が増えるに従って、可視光透過率が若干は低下するものの、その変化量は著しく大きくなった。機械的強度(ヤング率)も、SiOナノ粒子の添加量に従って大きくなった。 When the samples prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 were relatively evaluated, as is clear from the evaluation results of Example 5 above, in Examples 1 to 4, SiO 2 nanoparticles were used. It was found that it was possible to uniformly disperse at a high concentration while maintaining transparency. On the other hand, in Comparative Example 1, it was possible to produce a highly transparent polymer bulk body, but no temperature responsiveness of visible light transmittance was obtained. Further, the visible light transmittance slightly decreased as the amount of SiO 2 nanoparticles added increased, but the amount of change was significantly increased. The mechanical strength (Young's modulus) also increased with increasing amount of SiO 2 nanoparticles.

実施例1、4で作製した試料のヤング率は、それぞれ、2.45、3.37GPaとなり、比較例1(1.46GPa)と比較しても、ヤング率は、1.7〜2.3倍程度増加していることが分かった。また、実施例1〜4、比較例1で作製したサンプルは、室温〜200℃の熱履歴テストを数十回繰り返した後にも、クラックが生じなかった。更に、実施例1〜4で作製した試料の500℃における質量損失は、実施例1〜4の試料では、それぞれ、約2.3%、約1.8%、約1.3%、約1.3%、比較例1の試料では、約1.1%であり、いずれの試料についても、優れた耐熱性が確認された。   The Young's modulus of the samples produced in Examples 1 and 4 were 2.45 and 3.37 GPa, respectively, and the Young's modulus was 1.7 to 2.3 even when compared with Comparative Example 1 (1.46 GPa). It was found that it increased about twice. Moreover, the sample produced in Examples 1-4 and the comparative example 1 did not produce a crack, even after repeating the thermal history test of room temperature to 200 degreeC several dozen times. Further, the mass loss at 500 ° C. of the samples prepared in Examples 1 to 4 is about 2.3%, about 1.8%, about 1.3%, and about 1 for the samples of Examples 1 to 4, respectively. The sample of Comparative Example 1 was about 1.1%, and excellent heat resistance was confirmed for all the samples.

以上詳述したように、本発明は、温度に応答して可視光透過率が瞬時に大幅に変化する透明ポリマーナノコンポジット材料とその製造方法に関するものであり、本発明により、機械的特性、耐熱性、耐久性、透明性に優れ、60℃以上で可視光透過率が急激に低下(不透明化)する透明ポリマーナノコンポジットのバルク体(厚さ〜1mm)を、任意の形状に、クラックフリーで作製できる新しいポリマーナノコンポジット材料の製造技術を提供することができる。また、本発明により、SiOナノ粒子を凝集させることなく、高濃度で均一にポリマーマトリックス中に分散することもできる。本発明は、可視光透過率の可逆的な温度応答性能を利用することで、例えば、高温下で使用可能な光デバイス、透光性を調整できる光学部品、使い捨て熱検出材料などへの応用を可能にする、透明ポリマーナノコンポジット材料を提供することを可能にするものとして有用である。 As described above in detail, the present invention relates to a transparent polymer nanocomposite material in which the visible light transmittance changes instantaneously and greatly in response to temperature, and a method for producing the transparent polymer nanocomposite material. A transparent polymer nanocomposite bulk body (thickness ~ 1mm) that has excellent properties, durability, and transparency, and whose visible light transmittance sharply decreases (opacity) at 60 ° C or higher, in any shape, crack-free Techniques for producing new polymer nanocomposite materials that can be produced can be provided. Moreover, according to the present invention, it is possible to uniformly disperse the SiO 2 nanoparticles in the polymer matrix at a high concentration without agglomerating the SiO 2 nanoparticles. By utilizing the reversible temperature response performance of visible light transmittance, the present invention can be applied to, for example, optical devices that can be used at high temperatures, optical components that can adjust translucency, and disposable heat detection materials. It is useful as it makes it possible to provide transparent polymer nanocomposite materials.

Claims (11)

高温場(60℃以上)で可視光透過率が減少(5〜15%)し、不透明になる、シリコーン系ポリマーからなる透明ポリマーナノコンポジット材料であって、
該透明ポリマーナノコンポジット材料のマトリックス成分が、2種類のモノマーから形成され、2種類のモノマーのどちらかが、ビニル基、Si−H基の中から選択した1種類以上の反応性官能基で終端されていて、酸化シリコン(SiO)ナノ粒子が、マトリックス成分に対して、最大で30wt.%含有されていることを特徴とする、透明ポリマーナノコンポジット材料。
A transparent polymer nanocomposite material composed of a silicone-based polymer that has a visible light transmittance that decreases (5 to 15%) at high temperature (60 ° C. or higher) and becomes opaque,
The matrix component of the transparent polymer nanocomposite material is formed from two types of monomers, and one of the two types of monomers is terminated with one or more reactive functional groups selected from vinyl groups and Si-H groups. Silicon oxide (SiO 2 ) nanoparticles with a maximum of 30 wt. % Transparent polymer nanocomposite material, characterized in that
透明ポリマーナノコンポジット材料の可視光透過率の温度応答性が、可逆的である、請求項1に記載の透明ポリマーナノコンポジット材料。   The transparent polymer nanocomposite material according to claim 1, wherein the temperature responsiveness of the visible light transmittance of the transparent polymer nanocomposite material is reversible. 透明ポリマーナノコンポジット材料の可視光透過率とその変化量が、含有されているナノ粒子の濃度に依存する、請求項1又は2に記載の透明ポリマーナノコンポジット材料。   The transparent polymer nanocomposite material according to claim 1 or 2, wherein the visible light transmittance and the amount of change of the transparent polymer nanocomposite material depend on the concentration of the contained nanoparticles. 充填されるナノ粒子が、SiOナノ粒子であり、その粒径が、50nm以下である、請求項1から3のいずれかに記載の透明なポリマーナノコンポジット材料。 The transparent polymer nanocomposite material according to any one of claims 1 to 3, wherein the nanoparticles to be filled are SiO 2 nanoparticles, and the particle size thereof is 50 nm or less. SiOナノ粒子表面が、マトリックスを形成する2種類のモノマーのうちの1種類のモノマー成分の膜で被覆されており、その膜厚が、1nm以下である、請求項1から4のいずれかに記載の透明なポリマーナノコンポジット材料。 The surface of SiO 2 nanoparticles is coated with a film of one monomer component of two kinds of monomers forming a matrix, and the film thickness is 1 nm or less. The transparent polymer nanocomposite material as described. SiOナノ粒子が、ポリマーマトリックスに共有結合を介して固定化されている、請求項1から5のいずれかに記載の透明ポリマーナノコンポジット材料。 The transparent polymer nanocomposite material according to claim 1, wherein the SiO 2 nanoparticles are immobilized on the polymer matrix via a covalent bond. 常温では、該SiOナノ粒子の屈折率と、ポリマーマトリックスの屈折率がほぼ同じで、透明になる、請求項1から6のいずれかに記載の透明ポリマーナノコンポジット材料。 The transparent polymer nanocomposite material according to any one of claims 1 to 6, wherein at a normal temperature, the refractive index of the SiO 2 nanoparticles and the refractive index of the polymer matrix are substantially the same and become transparent. 加熱により、該SiOナノ粒子とポリマーマトリックスの屈折率のミスマッチが起こり、可視光領域の透過率が減少する、請求項1から7のいずれかに記載の透明ポリマーナノコンポジット材料。 The transparent polymer nanocomposite material according to any one of claims 1 to 7, wherein a mismatch between the refractive indexes of the SiO 2 nanoparticles and the polymer matrix occurs by heating, and the transmittance in the visible light region is reduced. 冷却により、該SiOナノ粒子とポリマーマトリックスの屈折率が元に戻り、再び可視光領域の透過率が増加する、請求項1から8のいずれかに記載の透明ポリマーナノコンポジット材料。 The transparent polymer nanocomposite material according to any one of claims 1 to 8, wherein upon cooling, the refractive indexes of the SiO 2 nanoparticles and the polymer matrix are restored, and the transmittance in the visible light region is increased again. シリコーン系ポリマーからなる透明ポリマーナノコンポジット材料を製造する方法であって、
該透明ポリマーナノコンポジット材料のマトリックス成分が、2種類のモノマーから形成され、2種類のモノマーのどちらかが、ビニル基、Si−H基の中から選択した1種類以上の反応性官能基で終端されていて、SiOナノ粒子を2種類のモノマーのうちの1種類のモノマー液中で加熱処理を行った後、残りのモノマーとPt触媒(Karstedt触媒)を添加し、当該溶液を樹脂製の型に流し込み、加熱処理により架橋を促進させることを特徴とする、透明ポリマーナノコンポジット材料の製造方法。
A method for producing a transparent polymer nanocomposite material comprising a silicone polymer,
The matrix component of the transparent polymer nanocomposite material is formed from two types of monomers, and one of the two types of monomers is terminated with one or more reactive functional groups selected from vinyl groups and Si-H groups. After heating the SiO 2 nanoparticles in one of the two types of monomer solution, the remaining monomer and Pt catalyst (Karstedt catalyst) are added, and the solution is made of resin. A method for producing a transparent polymer nanocomposite material, characterized by pouring into a mold and promoting crosslinking by heat treatment.
SiOナノ粒子を、2種類のモノマーのうちの1種類のモノマー液中で、80〜100℃で最長72時間熱処理した後、残りのモノマーとPt触媒(Karstedt触媒)を添加し、当該溶液を樹脂製の型に流し込み、室温で最長24時間、50〜80℃で最長24時間、更に120〜150℃で最長24時間の加熱処理により架橋を促進させる、請求項10に記載の透明ポリマーナノコンポジット材料の製造方法。 After SiO 2 nanoparticles are heat-treated at 80-100 ° C. for a maximum of 72 hours in one monomer liquid of two kinds of monomers, the remaining monomer and Pt catalyst (Karsttedt catalyst) are added, and the solution is added. The transparent polymer nanocomposite according to claim 10, which is poured into a resin mold and promotes crosslinking by heat treatment at room temperature for a maximum of 24 hours, at 50 to 80 ° C. for a maximum of 24 hours, and further at 120 to 150 ° C. for a maximum of 24 hours. Material manufacturing method.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111580017A (en) * 2020-06-01 2020-08-25 哈尔滨理工大学 Transformer electric-heat combined simulation experiment device based on wide-range gradient temperature field

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