JP2014509327A - 二酸化炭素溶媒を用いた超撥水共重合体の合成とその応用 - Google Patents

二酸化炭素溶媒を用いた超撥水共重合体の合成とその応用 Download PDF

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Abstract

本発明は、二酸化炭素溶媒を用いた超撥水ランダム共重合体の製造方法に関するものであって、より詳細には、超臨界二酸化炭素溶媒を共重合溶媒として用い、炭化水素単量体とシリコーン単量体またはフッ素化単量体とをラジカル共重合することにより超撥水性能を有する表面コーティング用共重合体を製造する方法を提供する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、環境に優しい二酸化炭素溶媒下、シリルオキシシリル基またはペルフルオロアルキル基を含むメタクリレート系単量体またはスチレン系単量体と、メチル基またはグリシジル基を含むメタクリレート系単量体とをランダム共重合して超撥水共重合体を製造する方法および前記超撥水共重合体をコーティングさせることにより超撥水物品を製造する方法に関するものである。
全世界的に、毎年、膨大な量の有機またはハロゲン溶媒が高分子重合溶媒、洗浄剤および分散剤として使用されている。使用される溶媒はいずれも健康上の危険および安全上の危険が伴い、環境に有害である。特に、石油系溶媒は引火性およびスモッグを発生させ、このような揮発性溶媒の代わりに水溶液のような不揮発性の溶媒を使用する場合、廃水が発生し、洗浄後乾燥に多くの時間とエネルギーを必要とするという大きな欠点がある。
この理由により、無毒性で、不燃性物質であり、安価で環境に優しい物質である二酸化炭素を溶媒として使用することが代案として提示された。二酸化炭素は、低い臨界温度(31.1℃)と臨界圧力(73.8bar)を有して容易に超臨界状態に到達することができ、超臨界状態で高い圧縮性により圧力の変化に応じて密度または溶媒強度を変化させやすく、減圧によってガス状態に変化するため、溶質から溶媒を簡単に分離できるという利点がある。すなわち、合成された高分子物質は二酸化炭素と分離されやすく、価値ある物質を回収したり廃棄物を処理するのに有利であり、二酸化炭素溶媒は大気または様々な化学工程の副産物として豊富に得ることができ、別途に発生させる必要がない上に、使用された二酸化炭素は再循環して再活用可能である。
本発明で合成しようとする共重合体の場合、その単量体が二酸化炭素に対して良い溶解度を有するだけでなく、共重合体が形成された後も二酸化炭素と高い親和力を有することにより、スプレーコーティングに有利な条件となる。
一方、寒い地方で雪や氷が物体の表面に付着して積層され、これにより、物体の機械的欠陥または障害だけでなく、これらの落下による災害が問題として台頭している。超撥水技術はその解決方法であって、超撥水材料を用いて物質の表面をコーティングすることにより、雪や氷の付着を防止することができる。
超撥水/撥油特性を有するために、物質の表面は、表面エネルギーの低いマイクロ/ナノ大きさの3次元構造を持たなければならない。このために、低い表面エネルギーを有する高分子物質が不可欠となり、このように製造された高分子物質は二酸化炭素に良い溶解度を有し、二酸化炭素溶媒を用いたコーティングが可能となる。
表面コーティング材料は、塗料、粘着剤、繊維、精密化学、電気電子、自動車、造船産業などの各種産業において多様な用途に活用されている。
表面コーティング剤として使用される高分子物質の種類は多様であるが、超撥水性能を有する高分子材料は、防汚性、潤滑性、低表面エネルギーなどの機能を共に有し、その応用性が大きい。この優れた超撥水性能を有する高分子材料は、シリコーン系およびフッ素系単量体を基本単量体とし、炭化水素系単量体を副単量体として用い、ラジカル重合法を利用して共重合することにより製造することができる。
前記シリコーン系およびフッ素系単量体に含まれているシリコーン官能基およびフッ素官能基で構成されたオイルの表面張力はそれぞれ21mJ/mおよび18mJ/m以下と極疎水性を示し、現存する物質の官能基の中で最も低い表面エネルギーを有する。これらシリコーン官能基とフッ素官能基は、その低い表面エネルギーにより、物質の表面に塗布された時、空気側に配向するようになり、独特の超撥水性能が発現する。
一方、表面コーティング剤の材料を製造する公知の方法としては、シリコーン官能基またはフッ素官能基を含むビニル系の単量体と炭化水素系ビニルグループの単量体とを二酸化炭素溶媒下でラジカル重合開始剤を用いて共重合することにより製造可能である。この方法は、工程が簡単で、優れた性能を発揮する。
より詳細には、二酸化炭素溶媒下、メタクリレート系またはスチレン系単量体を重合開始剤の存在下でランダム共重合させて超撥水高分子を製造することができるが、前記単量体としては、トリメチルシリルオキシシリル基またはペルフルオロアルキル基を含むメタクリレート系単量体(例えば、SiMAないしZonyl TM)が挙げられる。前記単量体のモノマーの含有量を調整することにより共重合体の物理化学的特性を調整することができるが、前記単量体の成分が増加するほど、二酸化炭素に対する溶解度は増加する。特に、ペルフルオロアルキル系単量体成分の量が増加する場合、一般有機溶媒に対する共重合体の溶解度が減少するものの、二酸化炭素溶媒には溶解度がさらに増加する特性を有する。すなわち、一般溶媒下における共重合ではペルフルオロアルキル系の含有量を増加させにくいが、二酸化炭素溶媒下ではその含有量を100%まで増加させることができるという利点がある。したがって、適切な二酸化炭素溶媒の条件下で単量体およびこれらの濃度を選択することにより共重合体の物理化学的特性を調整し、超撥水性質に優れた共重合体を合成する必要がある。
そこで、本発明者は、二酸化炭素溶媒を用いた超撥水共重合体の製造方法を研究した結果、二酸化炭素溶媒下、シリコーン系またはフッ素系ビニル単量体と炭化水素系ビニル単量体との間のラジカル共重合を用いてランダム共重合体を合成し、この共重合体を二酸化炭素溶媒下で物質の表面にコーティングした場合、優れた超撥水性能を示すことを確認し、本発明に至った。
本発明は、表面コーティング時、撥水性が大きく向上し、二酸化炭素に良い溶解度を有し、別の有機溶剤および乳化剤を使用しなくても優れた超撥水能力を示す表面コーティング用超撥水ランダム共重合体を製造する方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、前記超撥水共重合体を二酸化炭素溶媒下でコーティングして超撥水物品を製造する方法を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明は、一態様として、重合開始剤の存在下、下記化学式IIIおよび下記化学式IVで表される単量体混合物を二酸化炭素溶媒下でランダム共重合させることを含む、下記化学式Iで表される、超撥水ランダム共重合体の製造方法を提供する。
Figure 2014509327
Figure 2014509327
Figure 2014509327
前記式において、
はCOO(CH−Si(OSi(CH、COO(CH(CF−CFまたはフェニルであり、
は水素またはC1−3のアルキルであり、
は水素、C1−3のアルキルまたはオキシラニル(C1−3のアルキル)であり、
は水素またはC1−3のアルキルであり、
xは1〜10000であり、yは1〜10000であり、
nは1〜4であり、mは1〜4であり、oは0〜13である。
本発明において、前記化学式Iの好ましい実施形態において、前記Rは水素またはメチルであり、前記Rは水素、メチル、またはオキシラニルメチルであり、前記Rは水素またはメチルである。
好ましい実施形態において、前記RはCOO(CH−Si(OSi(CH、またはCOO(CH(CF−CFであり(nは1〜4であり、oは0〜13である)、前記RはC1−3のアルキルであるか、あるいは、前記Rはフェニルであり、前記Rは水素である。
好ましい実施形態において、前記RおよびRはそれぞれ水素であるか、あるいは、前記RおよびRはそれぞれC1−3のアルキルであるか、あるいは、前記Rはオキシラニル(C1−3のアルキル)であり、Rはメチルである。
本発明で使われる用語「二酸化炭素」とは、高圧状態で形成された液体二酸化炭素を意味する。前記重合過程で使用される二酸化炭素溶媒の温度範囲は50℃〜100℃、圧力範囲は150bar〜500barで使用する。
本発明で使われる用語「超撥水」とは、固体表面の突起により、液体、すなわち、水が接触する時、接触角が150゜以上または流れ角が10゜以内と水滴との接触面積が最小化され、水滴が突起上にできたり転がり落ちることを意味する。
本発明で使われる用語「ランダム共重合体」とは、共重合体をなす2またはそれ以上の単量体が無作為に配列されて共重合体をなす共重合体を意味する。
本発明で使われる用語「メタクリレート系」とは、HC=C(CH)C(=O)OR形態の化合物を意味する。本発明に使用されるメタクリレート系単量体のRとしては、−(CH−Si(OSi(CH、−(CH−(CF−CF(oは1〜8)、−(CH−CH(xは0〜12)、エポキシ官能基、または水素などが挙げられる。
本発明で使われる用語「スチレン系」とは、ベンゼン環に二重結合がコンジュゲートされたCH=CH−フェニル形態の化合物およびその誘導体を意味する。
本発明で使われる用語「SiMA」とは、3−[トリス(トリメチルシリルオキシ)シリル]−プロピルメタクリレートを意味する。
本発明で使われる用語「Zonyl TM」とは、デュポン(Dupont)社のフルオロアルキルメタクリレートの混合物を意味するものである。
本発明で使われる用語「MMA」とは、メチルメタクリレートを意味するものである。
本発明で使われる用語「GMA」とは、グリシジルメタクリレートを意味するものである。
本発明で使われる用語「AA」とは、アクリル酸を意味するものである。
前記化学式Iで表される超撥水ランダム共重合体としては、
Figure 2014509327
Figure 2014509327
Figure 2014509327

が挙げられる(ただし、xは1〜10000であり、yは1〜10000である)。
前記化学式IIIの単量体および化学式IVの単量体は1〜10000:1〜10000の重量比で使用することが好ましい。
本発明で使われる用語「重合開始剤」とは、前記化学式IIIまたはIVの単量体と反応して中間体を形成することにより、重合の開始を誘導する物質を意味する。前記重合開始剤は、ラジカル重合開始剤であって、具体的には、アゾビスイソブチロニトリル(AIBN)、ジ−t−ブチルペロキシド、ベンゾイルペロキシド、または1,1'−アゾビス(シクロヘキサンカルボニトリル)などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
前記単量体の総量に対して、前記重合開始剤は0.1〜10重量%の範囲で使用することが好ましい。
他の態様として、本発明は、重合開始剤の存在下、下記化学式III、下記化学式IVおよび下記化学式Vで表される単量体混合物を二酸化炭素溶媒下でランダム共重合させることを含む、下記化学式IIで表される、超撥水ランダム共重合体の製造方法を提供する。
Figure 2014509327
Figure 2014509327
Figure 2014509327
Figure 2014509327
前記式において、
はCOO(CH−Si(OSi(CH、COO(CH(CF−CFまたはフェニルであり、
は水素またはC1−3のアルキルであり、
は水素、C1−3のアルキルまたはオキシラニル(C1−3のアルキル)であり、
は水素またはC1−3のアルキルであり、
は水素またはC1−3のアルキルであって、ただし、前記Rと同じでなく、
は水素またはC1−3のアルキルであり、
xは1〜10000であり、yは1〜10000であり、zは1〜10000であり、
nは1〜4であり、mは1〜4であり、oは0〜13である。
本発明において、前記化学式IIの好ましい実施形態において、前記Rは水素またはメチルであり、前記Rは水素、メチル、またはオキシラニルメチルであり、前記Rは水素またはメチルであり、前記Rはメチルまたはオキシラニルメチルであり、前記Rはメチルである。
好ましい実施形態において、前記RはCOO(CH−Si(OSi(CH、またはCOO(CH(CF−CFであり(nは1〜4であり、oは0〜13である)、前記RはC1−3のアルキルであるか、あるいは、前記Rはフェニルであり、前記Rは水素である。
好ましい実施形態において、前記RおよびRはそれぞれ水素であるか、あるいは、前記RおよびRはそれぞれC1−3のアルキルであるか、あるいは、前記Rはオキシラニル(C1−3のアルキル)であり、Rはメチルである。
好ましい実施形態において、前記RおよびRはそれぞれC1−3のアルキルである。
前記化学式IIで表される超撥水ランダム共重合体としては、
Figure 2014509327
が挙げられる(ただし、xは1〜10000であり、yは1〜10000であり、zは1〜10000である)。
本発明において、前記コーティングは、スプレーコーティング法で実施できる。
本発明にかかる超撥水ランダム共重合体は、xおよびy、またはx、yおよびz間の相互の比に応じてその特性が変化し得、全体の分子量は10,000〜10,000,000が良い。
前記化学式III、化学式IVおよび化学式Vで表される単量体は1〜10000:1〜10000:1〜10000の重量比で使用することが好ましい。
前記単量体の総量に対して、前記重合開始剤は0.1〜10重量%の範囲で使用することが好ましい。
さらに他の態様として、本発明は、前記製造方法で製造される化学式IまたはIIで表される超撥水ランダム共重合体を二酸化炭素溶媒下で物品の表面にコーティングすることにより超撥水物品を製造する方法を提供する。
本発明において、前記物品としては、繊維、自動車、塗料またはフィルムなどを例に挙げることができる。
本発明にかかる超撥水ランダム共重合体は、低い表面エネルギーを有し、二酸化炭素溶媒に対する溶解度が良く、二酸化炭素を溶媒として用いて製造可能である。また、本発明にかかる超撥水ランダム共重合体は、超撥水ランダム共重合体がコーティングされた表面の場合、低い表面エネルギーによって水に対する濡れ性が低下し、水の付かない超撥水表面の形成が可能となる。
実施例1によるH NMR結果を示したものである。 実施例2によるH NMR結果を示したものである。 実施例3によるH NMR結果を示したものである。 スライドガラスにスピンコーティングされた重合体の水接触角写真を示したものである;(A)ポリ(SiMA)、(B)ポリ(SiMA−co−MMA)、(C)ポリ(Zonyl−co−MMA)。 スライドガラスにスプレーコーティングされた高分子のSEM写真と水接触角写真を示したものである;(A)ポリ(SiMA)、(B)ポリ(SiMA−co−MMA)、(C)ポリ(Zonyl−co−MMA)。
以下、本発明の理解のために好ましい実施例を提示する。しかし、下記の実施例は本発明をより容易に理解するために提供されるものであって、実施例によって本発明の内容が限定されるものではない。
比較例1:ポリ(3−[トリス(トリメチルシリルオキシ)シリル]−プロピルメタクリレート;SiMA)の合成
ステンレス高圧反応器(30ml)内のマグネチック(teflon-coated)バーと共に、3−[トリス(トリメチルシリルオキシ)シリル]−プロピルメタクリレート2g、およびAIBN0.02gを入れた後、ISCOシリンジ(Model 260D)ポンプを用いて反応器の内部に二酸化炭素を注入し、65℃、248barで12時間反応させた。重合完了後、反応器を冷却させて反応を終了した。以後、反応器を減圧して二酸化炭素をガス状態で排出させた後、生成された高分子物質を回収し、高真空下で24時間乾燥させた。乾燥生成物の重量を測定して重合体の収率を計算し、H NMRおよびGPC分析により単量体の組成比と分子量をそれぞれ測定した。
実施例1:ポリ(SiMA−co−MMA)の合成
ステンレス高圧反応器(30ml)内のマグネチック(teflon-coated)バーと共に、1gのMMA、0.02g(単量体の2wt%)のポリ3−[トリス(トリメチルシリルオキシ)シリル]−プロピルメタクリレート2g、およびメチルメタクリレート2g、およびAIBN0.04gを入れた後、ISCOシリンジ(Model 260D)ポンプを用いて反応器の内部に二酸化炭素を注入し、65℃、248barで12時間反応させた。重合完了後、反応器を冷却させて反応を終了した。以後、反応器を減圧して二酸化炭素をガス状態で排出させた後、生成された高分子物質を回収し、高真空下で24時間乾燥させた。乾燥生成物の重量を測定して重合体の収率を計算し、H NMRおよびGPC分析により単量体の組成比と分子量をそれぞれ測定した。
実施例2:ポリ(Zonyl−co−MMA)の合成
ステンレス高圧反応器(30ml)内のマグネチック(teflon-coated)バーと共に、Zonyl TM2g、メチルメタクリレート2g、およびAIBN0.04gを入れた後、ISCOシリンジ(Model 260D)ポンプを用いて反応器の内部に二酸化炭素を注入し、65℃、248barで12時間反応させた。重合完了後、前記反応器を氷水に入れて冷却させ、二酸化炭素を徐々に除去し、生成物を回収し、高真空下で24時間乾燥させた。乾燥生成物の重量を測定して重合体の収率を計算し、H NMRおよびGPC分析により単量体の組成比と分子量をそれぞれ測定した。
実施例3:ポリ(SiMA−co−GMA−co−MMA)の合成
ステンレス高圧反応器(30ml)内のマグネチック(teflon-coated)バーと共に、3−[トリス(トリメチルシリルオキシ)シリル]−プロピルメタクリレート2g、およびグリシジルメタクリレート1g、メチルメタクリレート2g、およびAIBN0.05gを入れた後、ISCOシリンジ(Model 260D)ポンプを用いて反応器の内部に二酸化炭素を注入し、65℃、248barで12時間反応させた。重合完了後、前記反応器を氷水に入れて冷却させ、二酸化炭素を徐々に除去し、生成物を回収し、高真空下で24時間乾燥させた。乾燥生成物の重量を測定して重合体の収率を計算し、H NMRおよびGPC分析により単量体の組成比と分子量をそれぞれ測定した。
下記表1に比較例1および実施例1ないし2で製造した重合体の物性を示した。
Figure 2014509327
前記表1に示されるように、比較例1によるSiMA単独重合体の場合、−33℃とガラス転移温度が非常に低いことを確認することができた。実施例1による共重合体の場合、共重合体中のSiMAの重量比が55%で、比較的ガラス転移温度が高いと知られたMMAと共重合され、ガラス転移温度が61.6℃に上昇していることを確認することができた。実施例2において、ポリ(Zonyl−co−MMA)の場合は、93.2℃のガラス転移温度を示し、重合において二酸化炭素に対する溶解度がSiMA含有高分子に比べて高く、相対的に分子量の大きい共重合体が形成されていることを確認することができた。
実験例1:合成した重合体の表面エネルギーの分析(スピンコーティングを利用した水の接触角の測定)
前記比較例1および実施例1ないし2で製造した共重合体の表面エネルギーを分析するために、各重合体をアセトンに溶解させた後、スライドガラスにスピンコーティングし、水の静的接触角を測定し、得られた結果を図4に示した。
図4に示されるように、(A)ポリ(SiMA)は118゜、(B)ポリ(SiMA−co−MMA)は97゜、(C)ポリ(Zonyl−co−MMA)は101゜の接触角特性を示すことを確認することができた。
実験例2:合成した重合体の表面エネルギーの分析(スプレーコーティングを利用した水の接触角の測定)
前記比較例1および実施例1ないし2で製造した重合体を二酸化炭素溶媒に溶解させた後、スプレーガンを用いてコーティングを行い、電子走査顕微鏡で観察し、得られた結果を図5Aないし図5Cに示した。
図5Aないし図5Cに示されるように、ポリ(SiMA)の場合、表面にほとんど粗性のない平らな表面特性を示しているが、ポリ(SiMA)のガラス転移温度が常温より低い非晶質重合体であるため、噴射後、ミクロン大きさの粒子が表面に流れ落ちて撥水性が低下すると予想された。
また、SEM内部の接触角写真では、水の接触角が(A)ポリ(SiMA)は118゜、(B)ポリ(SiMA−co−MMA)と(C)ポリ(Zonyl−co−MMA)はいずれも180゜に近くなり、SEM写真に示されるように、サブミクロン大きさの重合体粒子が集まって新しいミクロン粒子を形成するバイナリ構造を形成していることを確認することができた。

Claims (10)

  1. 重合開始剤の存在下、下記化学式IIIおよび下記化学式IVで表される単量体混合物を二酸化炭素溶媒下でランダム共重合させることを含む、下記化学式Iで表される、超撥水ランダム共重合体の製造方法。
    Figure 2014509327
    Figure 2014509327
    Figure 2014509327
    前記式において、
    はCOO(CH−Si(OSi(CH、COO(CH(CF−CFまたはフェニルであり、
    は水素またはC1−3のアルキルであり、
    は水素、C1−3のアルキルまたはオキシラニル(C1−3のアルキル)であり、
    は水素またはC1−3のアルキルであり、
    xは1〜10000であり、yは1〜10000であり、
    nは1〜4であり、mは1〜4であり、oは0〜13である。
  2. 重合開始剤の存在下、下記化学式III、下記化学式IVおよび下記化学式Vで表される単量体混合物を二酸化炭素溶媒下でランダム共重合させることを含む、下記化学式IIで表される、超撥水ランダム共重合体の製造方法。
    Figure 2014509327
    Figure 2014509327
    Figure 2014509327
    Figure 2014509327
    前記式において、
    はCOO(CH−Si(OSi(CH、COO(CH(CF−CFまたはフェニルであり、
    は水素またはC1−3のアルキルであり、
    は水素、C1−3のアルキルまたはオキシラニル(C1−3のアルキル)であり、
    は水素またはC1−3のアルキルであり、
    は水素またはC1−3のアルキルであって、ただし、前記Rと同じでなく、
    は水素またはC1−3のアルキルであり、
    xは1〜10000であり、yは1〜10000であり、zは1〜10000であり、
    nは1〜4であり、mは1〜4であり、oは0〜13である。
  3. 前記化学式Iで表される超撥水ランダム共重合体は、
    Figure 2014509327
    Figure 2014509327
    である、請求項1に記載の超撥水ランダム共重合体の製造方法。
  4. 前記化学式IIで表される超撥水ランダム共重合体は、
    Figure 2014509327
    である、請求項2に記載の超撥水ランダム共重合体の製造方法。
  5. 前記重合開始剤は、アゾビスイソブチロニトリル(AIBN)、ジ−t−ブチルペロキシド、ベンゾイルペロキシド、または1,1'−アゾビス(シクロヘキサンカルボニトリル)である、請求項1または2に記載の超撥水ランダム共重合体の製造方法。
  6. 前記化学式IIIの単量体および前記化学式IVの単量体の重量比は1〜10000:1〜10000である、請求項1に記載の超撥水ランダム共重合体の製造方法。
  7. 前記化学式IIIの単量体、前記化学式IVの単量体および前記化学式Vの単量体の重量比は1〜10000:1〜10000:1〜10000である、請求項2に記載の超撥水ランダム共重合体の製造方法。
  8. 前記重合開始剤の量は、前記単量体の総量に対して0.1〜10重量%である、請求項1または2に記載の超撥水ランダム共重合体の製造方法。
  9. 請求項1または2に記載の方法で製造された超撥水ランダム共重合体を二酸化炭素溶媒下で物品の表面にコーティングすることにより超撥水物品を製造する方法。
  10. 前記物品は、繊維、自動車、塗料またはフィルムである、請求項9に記載の超撥水物品を製造する方法。
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