JP2015212354A - 光硬化性塗料、積層体及び自動車ヘッドランプ被覆用シート - Google Patents

光硬化性塗料、積層体及び自動車ヘッドランプ被覆用シート Download PDF

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Abstract

【課題】酸化チタン微粒子を組み込んだ透明性と長期の紫外線遮蔽能に優れた光硬化性塗料、該塗料の塗膜を有する積層体、及び該積層体を用いた自動車ヘッドランプ被覆用シートを提供する。
【解決手段】(1)無機酸化物(但し酸化チタンを除く)を複合してもよい酸化チタンを核とし、該核の外側に酸化ケイ素の殻を有するコアシェル型微粒子に対して、式(I)及び式(II)で表される表面処理成分の双方により処理されてなる表面処理酸化チタン、(2)光重合性モノマー及び/又はオリゴマー、(3)光開始剤、を含む光硬化性塗料。R1Si(OR23(I)(R1は(メタ)アクリル基を有してもよいC1−15の有機基、R2はC1−4のアルキル基)(R34 2Si)2NH(II)(R3は(メタ)アクリル基を有してもよいC1−15の有機基、R4はC1−6のアルキル基)
【選択図】なし

Description

本発明は、光硬化性塗料に関する。更に詳しくは、酸化チタンを含有する光硬化性塗料であって、特に長期間の紫外線カット能に優れた透明塗料、該塗料の塗膜を有する積層体、及び該積層体を用いた自動車ヘッドランプ被覆用シートに関する。
光硬化性の塗料は、硬化プロセスが簡便であるため生産性に優れている。光硬化性塗料の分野においては、この優れた生産性を活かしつつ、耐候性も付与することが望まれている。耐候性の付与のために、既存の光硬化性塗料に紫外線吸収剤を添加する提案がなされているが、まだ耐候性が十分であるとは言えない。
特許文献1(米国特許第5990188号明細書)では、光硬化性塗料に有機紫外線吸収剤を添加する手法について開示されている。しかしながら、有機紫外線吸収剤は耐候安定性に問題のあることが多く、長期間の紫外線遮蔽能を付与することは困難であった。
有機紫外線吸収剤に変えて無機紫外線吸収剤(例えば、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化セリウム等)を用いることで、特許文献1に挙げた問題を克服することができると考えられる。特許文献2(特許第5148846号公報)には、特定の表面電荷を有する無機微粒子を含有する光硬化性塗料について開示されている。この手法では、微粒子を配向させるために、特定の表面電荷量の範囲内に制御することが有効であるとされているが、紫外線遮蔽能の付与を企図した場合は、微粒子は配向させるより均一に分散させる方が好ましい。しかしながら、特許文献2の手法では、均一に分散させ、かつ、透明性を維持することは困難であった。
以上のように、長期の紫外線遮蔽能に優れており、かつ透明性に優れた光硬化性の塗料はこれまでに知られていなかった。
米国特許第5990188号明細書 特許第5148846号公報
本発明は、酸化チタン微粒子を組み込んだ透明性と長期の紫外線遮蔽能に優れた光硬化性塗料、該塗料の塗膜を有する積層体、及び該積層体を用いた自動車ヘッドランプ被覆用シートを提供することを目的とする。
本発明者らは、酸化チタン含有光硬化性透明塗料における上記の課題を解決するために鋭意検討した結果、酸化チタンを核とし、該核の外側に酸化ケイ素の殻を有するコアシェル型微粒子を用い、このコアシェル型微粒子を下記一般式(I)及び下記一般式(II)で表される表面処理成分の双方の特定量で処理してなる表面処理酸化チタンを光重合性モノマー及び/又はオリゴマー及び光開始剤と組み合わせた光硬化性塗料が有効であることを知見した。
従って、本発明は、下記の光硬化性塗料、積層体及び自動車ヘッドランプ被覆用シートを提供する。
〔1〕
(1)無機酸化物(但し酸化チタンを除く)を複合してもよい酸化チタンを核とし、該核の外側に酸化ケイ素の殻を有するコアシェル型微粒子100質量部に対して、下記一般式(I)及び下記一般式(II)で表される表面処理成分の双方により、該表面処理成分の合計量11〜200質量部において処理されてなる表面処理酸化チタン、
1Si(OR23 (I)
(式(I)中において、R1は(メタ)アクリル基を有してもよい炭素数1以上15以下の有機基、R2は炭素数1以上4以下のアルキル基を表す。)
(R34 2Si)2NH (II)
(式(II)中において、R3は(メタ)アクリル基を有してもよい炭素数1以上15以下の有機基、R4は炭素数1以上6以下のアルキル基を表す。)
(2)光重合性モノマー及び/又はオリゴマー、
(3)光開始剤
を含むことを特徴とする光硬化性塗料。
〔2〕
一般式(I)の表面処理剤と一般式(II)の表面処理剤の処理量割合が、質量比として10:190〜199:1である〔1〕記載の光硬化性塗料。
〔3〕
表面処理酸化チタンが、
コアシェル型微粒子の水分散液を準備する工程(A)、水と完全には相溶せず2相系を形成するアルコールを添加する工程(B)、下記一般式(I)で示されるシラン化合物及び/又は同シラン化合物の(部分)加水分解縮合物を添加する工程(C)、マイクロ波を照射する工程(D)、有機溶媒を添加する工程(E)、共沸蒸留によって水を留去する工程(F)、必要に応じて水を1,000ppm以下まで除去する工程(G)、及び下記一般式(II)で示されるシラン化合物と反応させる工程(H)
を含む工程によって製造されることを特徴とする〔1〕又は〔2〕に記載の光硬化性塗料。
1Si(OR23 (I)
(式(I)中において、R1は(メタ)アクリル基を有してもよい炭素数1以上15以下の有機基、R2は炭素数1以上4以下のアルキル基を表す。)
(R34 2Si)2NH (II)
(式(II)中において、R3は(メタ)アクリル基を有してもよい炭素数1以上15以下の有機基、R4は炭素数1以上6以下のアルキル基を表す。)
〔4〕
工程(A)で準備されるコアシェル型微粒子の水分散液が、スズ並びにマンガンを固溶した正方晶系酸化チタン固溶体微粒子を核とし、核の外側に酸化ケイ素の殻を有するコアシェル型正方晶系酸化チタン固溶体水分散液であって、動的光散乱法で測定した該核微粒子の体積平均50%累計分布径が30nm以下で、該コアシェル型微粒子の50%累計分布径が50nm以下であり、前記スズ成分の固溶量が、チタンとのモル比(Ti/Sn)で10〜1,000、前記マンガン成分の固溶量が、チタンとのモル比(Ti/Mn)で10〜1,000であることを特徴とする〔3〕に記載の光硬化性塗料。
〔5〕
一般式(I)で示される表面処理成分が、3−アクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン又は3−メタクリロイルオキシプロピルトリメトキシシランであることを特徴とする〔1〕〜〔4〕のいずれかに記載の光硬化性塗料。
〔6〕
塗膜を5μmの厚みで石英板上に形成した際の塗膜の曇価が2以下であることを特徴とする〔1〕〜〔5〕のいずれかに記載の光硬化性塗料。
〔7〕
塗膜を5μmの厚みで石英板上に形成した際の塗膜の500nmにおける光透過率が80%以上であることを特徴とする〔1〕〜〔6〕のいずれかに記載の光硬化性塗料。
〔8〕
塗膜を5μmの厚みで石英板上に形成した際の塗膜の300nmにおける光透過率が10%以下であることを特徴とする〔1〕〜〔7〕のいずれかに記載の光硬化性塗料。
〔9〕
基材の少なくとも一方の面に〔1〕〜〔8〕のいずれかに記載の光硬化性塗料硬化塗膜を形成させてなることを特徴とする積層体。
〔10〕
基材がポリカーボネートであることを特徴とする〔9〕に記載の積層体。
〔11〕
塗膜をASTM1044に準じたテーバー摩耗試験した際に10以下の値を示すことを特徴とする〔9〕又は〔10〕に記載の積層体。
〔12〕
塗膜に対し1m2当たり300MJの紫外光照射した前後のイエローインデックスの差が10以下であることを特徴とする〔9〕〜〔11〕のいずれかに記載の積層体。
〔13〕
塗膜に対し1m2当たり300MJの紫外光照射した前後の曇価の差が10未満であることを特徴とする〔9〕〜〔12〕のいずれかに記載の積層体。
〔14〕
〔9〕〜〔13〕のいずれかに記載の積層体からなることを特徴とする自動車ヘッドランプ被覆用シート。
本発明によれば、酸化チタンを含有しているにもかかわらず、透明性や耐擦傷性に優れた塗料を提供することができる。また、含有している酸化チタンの特性によって、紫外線遮蔽能に優れた塗膜を形成することが可能となる。本発明の塗料を用いた被覆物品は、基材の紫外線による劣化を抑制すると共に、傷つきを防止し、被覆物品の外観を長期間にわたって美しく維持することができる。
合成例1の工程(F)で得られたオルガノチタニアゾルの動的光散乱法による体積平均50%累計粒子径を示すチャートである。 同オルガノチタニアゾルの透過型電子顕微鏡写真である(倍率30万倍)。 合成例1で得られた表面処理酸化チタンの29Si核磁気共鳴スペクトルのチャートである。 合成例2で得られた表面処理酸化チタンの29Si核磁気共鳴スペクトルのチャートである。 比較合成例1で得られた表面処理酸化チタンの29Si核磁気共鳴スペクトルのチャートである。 実施例8と比較例5の積層体の耐候性評価試験において、紫外線照射前後における紫外可視透過率スペクトルのチャートである。
以下に本発明の光硬化性塗料を詳細に説明する。
(1)表面処理酸化チタン
本発明における表面処理酸化チタンは、無機酸化物、特に金属酸化物(但し酸化チタンを除く)を複合してもよい酸化チタンを核とし、該核の外側に酸化ケイ素の殻を有するコアシェル型微粒子であって、コアシェル型微粒子100質量部に対して、下記一般式(I)及び下記一般式(II)で表される表面処理成分の双方で該表面処理成分の合計量が11〜200質量部となるように処理したものであることを特徴としている。
1Si(OR23 (I)
(式(I)中において、R1は(メタ)アクリル基を有してもよい炭素数1以上15以下の有機基、R2は炭素数1以上4以下のアルキル基を表す。)
(R34 2Si)2NH (II)
(式(II)中において、R3は(メタ)アクリル基を有してもよい炭素数1以上15以下の有機基、R4は炭素数1以上6以下のアルキル基を表す。)
1としては、特に(メタ)アクリロイルオキシ基を有してもよい炭素数1〜15、特に4〜12のアルキル基が挙げられる。一般式(I)で表される化合物の具体例としては、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、プロピルトリメトキシシラン、プロピルトリエトキシシラン、(メタ)アクリロイルオキシメチルトリメトキシシラン、(メタ)アクリロイルオキシメチルトリエトキシシラン、(メタ)アクリロイルオキシエチルトリメトキシシラン、(メタ)アクリロイルオキシエチルトリエトキシシラン、(メタ)アクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン、(メタ)アクリロイルオキシプロピルトリエトキシシラン、(メタ)アクリロイルオキシオクチルトリメトキシシラン、(メタ)アクリロイルオキシオクチルトリエトキシシラン等の(メタ)アクリロイルオキシ基で置換可能な炭素基を有するシラン化合物を挙げることができる。このような化合物は、合成しても市販されているものを用いてもよい。市販品では、メチルトリメトキシシランとして信越化学工業(株)製の「KBM−13」、プロピルトリメトキシシランとして「KBM−3033」、アクリロイルオキシプロピルトリメトキシシランとして「KBM−5103」、メタアクリロイルオキシプロピルトリメトキシシランとして「KBM−503」等を使用することができる。
3としては、特に(メタ)アクリロイルオキシ基を有してもよい炭素数1〜15、特に4〜12のアルキル基が挙げられる。一般式(II)で表される化合物の具体例としては、ヘキサメチルジシラザン、ビス{(アクリロイルオキシメチル)ジメチルシリル}アザン、ビス{(アクリロイルオキシプロピル)ジメチルシリル}アザン、ヘキサエチルジシラザン、ヘキサプロピルジシラザン等を例示することができる。これらの化合物は、公知の手法(特開2009−67778号公報)によって合成することができる。
ここで、上記式(I)及び(II)で表される表面処理剤成分の合計量は、コアシェル型微粒子100質量部に対し11〜200質量部であるが、好ましくは40〜190質量部、更に好ましくは60〜180質量部である。
この場合、式(I)の表面処理剤成分と式(II)の表面処理剤成分との処理量割合は、質量比として10:190〜199:1であることが好ましく、より好ましくは20:170〜170:20、更に好ましくは30:150〜150:30である。
表面処理酸化チタンの製造方法は特に限定されるものではなく、市販の有機溶剤分散酸化チタン(例えば、日揮触媒化成(株)製、「オプトレイク」シリーズ等)に対して、一般式(I)及び一般式(II)で示されるシラン化合物によって表面処理したものを用いてもよいが、以下に記載する工程(A)〜工程(H)によって製造したものを用いることがより好ましい。
工程(A)
本発明における、工程(A)において準備する酸化チタン分散液は無機酸化物コロイドの水分散液として準備されることが好ましい。無機酸化物コロイド水分散液は、好ましくは1〜200nmの平均累計粒子径を有する無機酸化物粒子が水等の液体分散媒中に凝集せずに分散しているものである。
コロイド溶液の分散質
本発明で用いるコロイド溶液の分散質は、無機酸化物、特に金属酸化物を複合してもよい酸化チタン(以下、単に酸化チタンという場合がある)である。酸化チタンと複合されることが可能な金属酸化物を構成する元素としては、酸化チタン以外の13族元素、14族元素(炭素を除く)、第1系列遷移元素、第2系列遷移元素、第3系列遷移元素、ランタノイド等が挙げられる。特にスズ及びマンガンであることが好ましい。
本発明で用いる酸化チタンと複合されることが可能な金属酸化物は、前記の金属酸化物の群から選ばれるものであれば、1種単独で又は2種以上を複合したものを用いることができる。なお、本発明において複合とは、広義の意味であり、単純混合及び化学結合を介して複合化されたものであればよい。化学結合を介した複合とは、下記一般式(X)で表されるような形態をいう。
(M1xm(M2yn (X)
ここで、M1は、Al、B、In、Si、Ge、Sn、Ti、Mn、Zn、Y、Zr、Hf、Ta、La、Ce、Pr、Nd、Tb、Dy、Ybの元素記号で表されるいずれか1種である。M2は、Al、B、In、Si、Ge、Sn、Ti、Mn、Zn、Y、Zr、Hf、Ta、La、Ce、Pr、Nd、Tb、Dy、Ybの元素記号で表されるいずれか1種であり、M1で選択されたものと同一ではない元素である。x、yは、M1の価数をaとすればx=a/2、M2の価数をbとすればy=b/2で表すことができる。m、nは、m+n=1を満たす実数であって、かつ0<m<1及び0<n<1を満たす。即ち、構造中において、M1とM2が酸素を介して結合した単位を有している。M1とM2は、構造中において散在していてもよく、また偏在していてもよい。M1とM2が構造中において散在しているものは、複数種の金属アルコキシドの共加水分解物において見られる構造である。M1とM2が構造中において偏在しているものは、コアシェル粒子(金属酸化物微粒子を核とし、この核の外側に他の金属酸化物の殻を有する粒子)において見られる構造であり、例えば、複数種の金属アルコキシドを種類に応じて段階的に加水分解することで形成される。特にスズ及びマンガンであることが好ましい。
酸化チタン分散質の粒子径(平均累計粒子径)は、種々の方法で測定できる。本発明での粒径の範囲は、レーザー光を用いた動的光散乱法で測定したものの体積基準の50%累積分布径(D50)として議論するが、傍証として電子顕微鏡法を用いて観測することも可能である。これらの測定法によって求められる値は、測定装置に依存したものではないが、例えば、動的光散乱法としては、ナノトラックUPA−EX150(日機装(株)製)等の装置を用いることができる。また、電子顕微鏡法としては透過型電子顕微鏡H−9500(日立ハイテクノロジーズ(株)製)を装置として例示することができる。例えば、コロイド溶液をコーティング塗料に添加する場合は、可視領域における透明性が重要であるため、分散質の平均累計粒子径は、1〜200nmが好ましく、1〜100nmであることがより好ましく、1〜80nmであることが更に好ましく、1〜50nmであることが特に好ましい。分散質の平均累計粒子径が200nmを超えると、可視領域の光波長より大きくなり、散乱が顕著となる場合がある。また、1nm未満になると、分散質の系中での総表面積が極めて大きくなることにより、酸化チタン分散液としての取り扱いが困難になる場合がある。
酸化チタン分散液の分散媒
本発明の工程(A)で準備するコロイド溶液は、水を分散媒とすることを特徴とする。水としては、水道水、工業用水、井戸水、天然水、雨水、蒸留水、イオン交換水等の淡水を用いることができるが、特にイオン交換水であることが好ましい。イオン交換水は、純水製造器(例えば、オルガノ(株)製、製品名「FW−10」、メルクミリポア(株)製、製品名「Direct−QUV3」等)を用いて製造することができる。また、分散媒には、以下に述べるように酸化チタン分散液を製造する工程で水と任意に混和可能な1価のアルコールを含んでいてもよい。水と任意に混和可能な1価のアルコールは、コアシェル型微粒子を製造する際の共溶媒及びゾル−ゲル反応における金属アルコキシドの加水分解副生成物としての由来で含有してもよい。水と任意に混和可能な1価のアルコールは、水に対して0質量%以上30質量%以下で含んでいることが好ましく、0質量%以上25質量%以下であることがより好ましく、0質量%以上20質量%以下であることが更に好ましい。水と任意に混和可能な1価のアルコールの含有量が30質量%より多くなると、工程(B)において添加する水と完全には相溶しないアルコールの相溶化剤として作用することがあるため好ましくないことがある。
酸化チタン分散液の濃度
本発明の工程(A)で準備する酸化チタン分散液の濃度は、好ましくは1質量%以上35質量%以下、より好ましくは5質量%以上30質量%以下、更に好ましくは10質量%以上25質量%以下である。酸化チタン分散液の濃度が1質量%より低いと、製造効率がよくないことがあり、酸化チタン分散液の濃度が35質量%より高いと、pHや温度等の条件によっては、ゲル化し易くなることがある。ここでいう濃度とは、酸化チタン分散液全体(分散質及び分散媒の質量の総和)中に含まれる分散質の質量の割合を100分率で表したものである。濃度は、酸化チタン分散液の一定量を秤量して、分散媒を強制乾固した際の質量変化から求めることができる。
コアシェル構造を有する酸化チタン分散液
本発明で用いる酸化チタン分散液としては、とりわけ、上述した金属元素の酸化物の1種単独又は2種以上と酸化チタンを複合したものを核とし、この核の外側に上述した金属元素の酸化物の1種単独又は2種以上を複合したものの殻を有するコアシェル型微粒子を含有するコアシェル構造を有する酸化チタンの分散液を用いるのが好ましい。このようなコアシェル型微粒子含有酸化チタンの分散液としては、酸化チタン−酸化スズ−酸化マンガン複合酸化物(スズとマンガンを固溶した酸化チタン微粒子)を核とし、この核の外側に酸化ケイ素の殻を有するコアシェル型微粒子を含む酸化チタン分散液等が挙げられる。以下に、本発明で用いられるコアシェル型微粒子(コアシェル型正方晶系酸化チタン固溶体)酸化チタン分散液について詳細に説明する。
コアシェル型正方晶系酸化チタン固溶体(微粒子)コロイド溶液
コアシェル型正方晶系酸化チタン固溶体コロイド溶液は、スズ及びマンガンを固溶した正方晶系酸化チタン微粒子を核とし、該核の外側に酸化ケイ素の殻を有するコアシェル型正方晶系酸化チタン固溶体を水等の水性分散媒中に分散したものである。
ここで、酸化チタンには、通常、ルチル型、アナターゼ型、ブルッカイト型の3つがあるが、本発明では、光触媒活性が低く、紫外線吸収能力に優れた正方晶系ルチル型の酸化チタンをスズ及びマンガンの固溶媒として用いることが好ましい。
固溶質としてのスズ成分は、スズ塩から誘導されるものであればよく、酸化スズ、硫化スズ等のスズカルコゲナイドが候補として挙げられ、酸化スズであることが好ましい。スズ塩としては、フッ化スズ、塩化スズ、臭化スズ、ヨウ化スズ等のスズハロゲン化物、又は、シアン化スズ、イソチオシアン化スズ等のスズ擬ハロゲン化物、又は、硝酸スズ、硫酸スズ、燐酸スズ等のスズ鉱酸塩等を用いることができるが、安定性と入手の容易さから塩化スズを用いることが好ましい。また、スズ塩におけるスズは2価から4価の原子価のものから選択できるが、4価のスズを用いることが特に好ましい。
固溶質としてのマンガン成分は、マンガン塩から誘導されるものであればよく、酸化マンガン、硫化マンガン等のマンガンカルコゲナイドが挙げられ、酸化マンガンであることが好ましい。マンガン塩としては、フッ化マンガン、塩化マンガン、臭化マンガン、ヨウ化マンガン等のマンガンハロゲン化物、シアン化マンガン、イソチオシアン化マンガン等のマンガン擬ハロゲン化物、硝酸マンガン、硫酸マンガン、燐酸マンガン等のマンガン鉱酸塩等を用いることができるが、安定性と入手の容易さから塩化マンガンを用いることが好ましい。また、マンガン塩におけるマンガンは2価から7価の原子価のものから選択できるが、2価のマンガンを用いることが特に好ましい。
スズ及びマンガンを正方晶系酸化チタンに固溶させる場合、スズ成分の固溶量が、チタンとのモル比(Ti/Sn)で10〜1,000、より好ましくは20〜200であり、マンガン成分の固溶量が、チタンとのモル比(Ti/Mn)で10〜1,000、より好ましくは20〜200である。スズ成分、マンガン成分の固溶量が、チタンとのモル比(Ti/Sn)、(Ti/Mn)で10よりも少ないとき、スズ及びマンガンに由来する可視領域の光吸収が顕著となり、一方、1,000を超えると、光触媒活性が十分に失活せず、結晶系も可視吸収能の小さいアナターゼ型となる場合がある。
スズ成分及びマンガン成分の固溶様式は、置換型であっても侵入型であってもよい。ここでいう、置換型とは、酸化チタンのチタン(IV)イオンのサイトにスズ及びマンガンが置換されて形成される固溶様式のことであり、侵入型とは、酸化チタンの結晶格子間にスズ及びマンガンが存在することにより形成される固溶様式のことである。侵入型では、着色の原因となるF中心が形成され易く、また金属イオン周囲の対称性が悪いため金属イオンにおける振電遷移のフランク−コンドン因子も増大し、可視光を吸収し易くなる。そのため、置換型であることが好ましい。
スズ及びマンガンを固溶した正方晶系酸化チタン微粒子の核の外側に形成される酸化ケイ素の殻は、酸化ケイ素を主成分とし、スズやアルミニウムなどその他の成分を含有していてもよく、どのような手法で形成させたものであってもよい。例えば、該酸化ケイ素の殻は、テトラアルコキシシランの加水分解縮合によって形成することができる。テトラアルコキシシランとしては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラ(n−プロポキシ)シラン、テトラ(i−プロポキシ)シラン、テトラ(n−ブトキシ)シラン等の通常入手可能なものを用いればよいが、反応性と安全性の観点からテトラエトキシシランを用いることが好ましい。このようなものとして、例えば、市販の「KBE−04」(信越化学工業(株)製)を用いることができる。また、テトラアルコキシシランの加水分解縮合は、水中で行えばよく、アンモニア、アルミニウム塩、有機アルミニウム、スズ塩、有機スズ等の縮合触媒を適宜用いればよいが、アンモニアは該核微粒子の分散剤としての作用も兼ね備えているため、特に好ましい。
このようなスズ及びマンガンを固溶した正方晶系酸化チタン微粒子を核とし、該核の外側に酸化ケイ素の殻を有するコアシェル型正方晶系酸化チタン固溶体全体に対する殻の酸化ケイ素の割合は、20〜50質量%、好ましくは25〜45質量%、より好ましくは30〜40質量%であることがよい。20質量%よりも少ないとき、殻の形成が不十分となる場合があり、一方、50質量%を超えると、該粒子の凝集を促進し分散液が不透明となる場合がある。
コアシェル型正方晶系酸化チタン固溶体において、レーザー光を用いた動的光散乱法で測定した核となるスズ及びマンガンを固溶した正方晶系酸化チタン微粒子の体積基準の50%累積分布径(D50)は30nm以下、より好ましくは20nm以下であり、コアシェル型正方晶系酸化チタン固溶体の体積基準の50%累積分布径(D50)は50nm以下であり、より好ましくは30nm以下である。上記核微粒子及びコアシェル型固溶体のD50値が上記上限値を超えるとき、分散液が不透明となる場合がある。また、特に限定されないが、通常、上記核微粒子のD50の下限値は、5nm以上、コアシェル型固溶体のD50下限値は、6nm以上である。なお、このような体積基準の50%累積分布径(D50、以下、「平均粒子径」ということがある。)を測定する装置としては、例えば、ナノトラックUPA−EX150(日機装(株)製)等を挙げることができる。
コアシェル型正方晶系酸化チタン固溶体を分散する水性分散媒としては、水、及び水と任意の割合で混合される親水性有機溶媒との混合溶媒が挙げられる。水としては、例えば、脱イオン水(イオン交換水)、蒸留水、純水等が好ましい。親水性有機溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、イソプロパノール等のアルコールが好ましい。この場合、親水性有機溶媒の混合割合は、水性分散媒中0〜30質量%であることが好ましい。30質量%を超えると、工程(B)において、水と完全には相溶しないアルコールの相溶化剤として作用することがあるため好ましくないことがある。中でも、生産性、コスト等の点から脱イオン水、純水が最も好ましい。
コアシェル型正方晶系酸化チタン固溶体と水性分散媒とから形成されるコアシェル型正方晶系酸化チタン固溶体コロイド溶液において、上記コアシェル型正方晶系酸化チタン固溶体の濃度は、0.1質量%以上10質量%未満が好ましく、より好ましくは0.5〜5質量%、更に好ましくは1〜3質量%である。なお、この水性分散媒中には、後述するコアシェル型正方晶系酸化チタン固溶体の製造過程において使用された塩基性物質(分散剤)等を含んでいることを許容する。特に、塩基性物質は、pH調整剤、分散剤としての性質を兼ね備えているので、上記水性分散媒と共に適当な濃度の水溶液にして用いてもよい。但し、コアシェル型正方晶系酸化チタン固溶体コロイド溶液には、アンモニア、アルカリ金属の水酸化物、リン酸化合物、リン酸水素化合物、炭酸化合物及び炭酸水素化合物以外の分散剤(塩基性物質)を含有していないことが好ましい。これは、上記塩基性物質を含有させておくことによって、従来、酸化チタン微粒子の分散剤として使用せざるを得なかった高分子分散剤を敢えて使用する必要がなくなり、従って、該高分子分散剤を含む酸化チタン微粒子分散剤をコーティング剤に適用した際に生じていた塗膜(硬化膜)の耐擦傷性及び基材との密着性に係る阻害を回避できるためである。
このようなコアシェル型正方晶系酸化チタン固溶体水分散液における塩基性物質(分散剤)としては、例えば、アンモニア、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化セシウム、リン酸二水素一リチウム、リン酸二水素一ナトリウム、リン酸二水素一カリウム、リン酸二水素一セシウム、リン酸水素二リチウム、リン酸水素二ナトリウム、リン酸水素二カリウム、リン酸水素二セシウム、リン酸三リチウム、リン酸三ナトリウム、リン酸三カリウム、リン酸三セシウム、炭酸水素リチウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム、炭酸水素セシウム、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸セシウム等を挙げることができ、特に、アンモニア及び水酸化ナトリウムが好ましい。
このような構成のコアシェル型正方晶系酸化チタン固溶体コロイド溶液は高い透明性を有し、例えば、1質量%濃度のコアシェル型正方晶系酸化チタン固溶体コロイド溶液が満たされた光路長1mmの石英セルを通過する550nmの波長の光の透過率が通常80%以上、より好ましくは85%以上、更に好ましくは90%以上である。なお、このような透過率は、紫外可視透過スペクトルを測定することによって、容易に求めることができる。
特に、以下に述べるスズとマンガンを固溶したコアシェル型正方晶系酸化チタン固溶体コロイド溶液の製造方法によるものは、該固溶体を得るに際し、製造工程中で粉砕や分級等の機械的単位操作を経ていないにもかかわらず、上記の特定の累積粒度分布径にすることができるので、生産効率が非常に高いだけでなく、上記の高い透明性を確保できる。
コアシェル型正方晶系酸化チタン固溶体コロイド溶液の製造方法
上述した構成を有するスズ及びマンガンを固溶したコアシェル型正方晶系酸化チタン固溶体水分散液の製造方法は、次の工程(イ)、(ロ)からなる。
工程(イ)
この工程では、まず、スズ成分及びマンガン成分が正方晶系酸化チタンに固溶している正方晶系酸化チタン固溶体微粒子の水分散体を用意する。この水分散体を得る方法は、特に限定されないが、原料となるチタン化合物、スズ化合物、マンガン化合物、塩基性物質及び過酸化水素を水性分散媒中で反応させて、一旦、スズ及びマンガンを含有したペルオキソチタン酸溶液を得た後、これを水熱処理してスズ及びマンガンを固溶した正方晶系酸化チタン微粒子分散液を得る方法が好ましい。
前段のスズ及びマンガンを含有したペルオキソチタン酸溶液を得るまでの反応は、水性分散媒中の原料チタン化合物に塩基性物質を添加して水酸化チタンとし、含有する不純物イオンを除去し、過酸化水素を添加してペルオキソチタン酸とした後にスズ化合物及びマンガン化合物を添加して、スズ及びマンガンを含有したペルオキソチタン酸溶液とする方法でも、水性分散媒中の原料チタン化合物にスズ化合物及びマンガン化合物を添加した後に塩基性物質を添加してスズ及びマンガンを含有した水酸化チタンとし、含有する不純物イオンを除去し、過酸化水素を添加してスズ及びマンガンを含有したペルオキソチタン酸溶液とする方法でもよい。
ここで、原料のチタン化合物としては、例えば、チタンの塩酸塩、硝酸塩、硫酸塩等の無機酸塩、蟻酸、クエン酸、蓚酸、乳酸、グリコール酸等の有機酸塩、これらの水溶液にアルカリを添加して加水分解することにより析出させた水酸化チタン等が挙げられ、これらの1種単独で又は2種以上を組み合わせて使用してもよい。
スズ化合物としては、スズ塩から誘導されるものであればよく、酸化スズ、硫化スズ等のスズカルコゲナイドが候補として挙げられ、酸化スズであることが好ましい。スズ塩としては、フッ化スズ、塩化スズ、臭化スズ、ヨウ化スズ等のスズハロゲン化物、又は、シアン化スズ、イソチオシアン化スズ等のスズ擬ハロゲン化物、又は、硝酸スズ、硫酸スズ、燐酸スズ等のスズ鉱酸塩等を用いることができるが、安定性と入手の容易さから塩化スズを用いることが好ましい。また、スズ塩におけるスズは2価から4価の原子価のものから選択できるが、4価のスズを用いることが特に好ましい。それぞれ前述の固溶量となるように使用される。また、水性分散媒、塩基性物質も、それぞれ前述のものが、前述の配合となるように使用される。
マンガン化合物としては、マンガン塩から誘導されるものであればよく、酸化マンガン、硫化マンガン等のマンガンカルコゲナイドが挙げられ、酸化マンガンであることが好ましい。マンガン塩としては、フッ化マンガン、塩化マンガン、臭化マンガン、ヨウ化マンガン等のマンガンハロゲン化物、シアン化マンガン、イソチオシアン化マンガン等のマンガン擬ハロゲン化物、硝酸マンガン、硫酸マンガン、燐酸マンガン等のマンガン鉱酸塩等を用いることができるが、安定性と入手の容易さから塩化マンガンを用いることが好ましい。また、マンガン塩におけるマンガンは2価から7価の原子価のものから選択できるが、2価のマンガンを用いることが特に好ましい。
過酸化水素は、上記原料チタン化合物又は水酸化チタンをペルオキソチタン、つまりTi−O−O−Ti結合を含む酸化チタン系化合物に変換させるためのものであり、通常、過酸化水素水の形態で使用される。過酸化水素の添加量は、チタン、スズ及びマンガンの合計モル数の1.5〜5倍モルとすることが好ましい。また、この過酸化水素を添加して原料チタン化合物又は水酸化チタンをペルオキソチタン酸にする反応における反応温度は、5〜60℃とすることが好ましく、反応時間は、30分〜24時間とすることが好ましい。
こうして得られるスズ及びマンガンを含有したペルオキソチタン酸溶液は、pH調整等のため、塩基性物質又は酸性物質を含んでいてもよい。ここでいう、塩基性物質としては、例えば、アンモニア等が挙げられ、酸性物質としては、例えば、硫酸、硝酸、塩酸、炭酸、リン酸、過酸化水素等の無機酸及び蟻酸、クエン酸、蓚酸、乳酸、グリコール酸等の有機酸が挙げられる。この場合、得られたスズ及びマンガンを含有したペルオキソチタン酸溶液のpHは1〜7、特に4〜7であることが取り扱いの安全性の点で好ましい。
次いで、後段のスズ及びマンガンを固溶した正方晶系酸化チタン微粒子コロイド溶液を得るまでの反応は、上記スズ及びマンガンを含有したペルオキソチタン酸溶液を、圧力0.01〜4.5MPa、好ましくは0.15〜4.5MPa、温度80〜250℃、好ましくは120〜250℃、反応時間1分〜24時間の条件下での水熱反応に供される。その結果、スズ及びマンガンを含有したペルオキソチタン酸は、スズ及びマンガンを固溶した正方晶系酸化チタン微粒子に変換されていく。
本発明においては、こうして得られるスズ及びマンガンを固溶した正方晶系酸化チタン微粒子分散液に、1価アルコール、アンモニア、及びテトラエトキシシラン等のテトラアルコキシシランを配合する。
1価アルコールとしては、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロピルアルコール、及びこれらの任意の混合物が使用され、特に好ましくはエタノールが使用される。このような1価アルコールの配合量は、上記酸化チタン微粒子分散液100質量部に対して、100質量部以下、好ましくは30質量部以下で使用される。特に、1価アルコールの配合量を変えることによって、次工程において、スズ及びマンガンを固溶した正方晶系酸化チタン微粒子からなる核の外側に形成する酸化ケイ素の殻の厚さを制御することが可能になる。一般に、1価アルコールの配合量を増やせば、テトラアルコキシシラン等のケイ素反応剤の反応系への溶解度が増大する一方で酸化チタンの分散状態には悪影響を与えないので、該殻の厚さは厚くなる。即ち、次工程において得られるスズ及びマンガンを固溶したコアシェル型正方晶系酸化チタン固溶体水分散液は、製造工程中で粉砕や分級等の機械的単位操作を経ていないにもかかわらず、上記特定の累積粒度分布径の範囲にすることができ、可視部における透明性を付与し得る。1価アルコールの配合量は、30質量部以下であることが好ましいが、これ以上のアルコールを含有する場合であっても、濃縮の工程でアルコールを選択的に取り除くことも可能であるため、適宜必要な操作を追加することができる。なお、1価アルコールの配合量下限は、5質量部以上、特に10質量部以上であることが好ましい。
アンモニアは、アンモニア水であり、スズ及びマンガンを固溶した正方晶系酸化チタン微粒子分散液中にアンモニアガスを吹き込むことによってアンモニア水の添加に代えてもよく、更に該分散液中でアンモニアを発生し得る反応剤を加えることによってアンモニア水の添加に代えてもよい。アンモニア水の濃度は、特に限定されるものではなく、市販のどのようなアンモニア水を用いてもよい。本発明の工程においては、例えば、28質量%の濃アンモニア水を用いて、スズとマンガンを固溶した正方晶系酸化チタン微粒子分散液のpHを9〜12、より好ましくは9.5〜11.5となる量までアンモニア水を添加することが好ましい。
テトラアルコキシシランとしては、上述したものを用いることができるが、テトラエトキシシランが好ましい。テトラエトキシシランには、それ自体の他、テトラエトキシシランの(部分)加水分解物も用いることができる。このようなテトラエトキシシラン又はテトラエトキシシランの(部分)加水分解物としては、市販のどのようなものでもよく、例えば、製品名「KBE−04」(テトラエトキシシラン:信越化学工業(株)製)、製品名「シリケート35」,「シリケート45」(テトラエトキシシランの部分加水分解縮合物:多摩化学工業(株)製)、製品名「ESI40」,「ESI48」(テトラエトキシシランの部分加水分解縮合物:コルコート(株)製)等を使用してもよい。これらのテトラエトキシシラン等は、1種を用いても、複数種を用いてもよい。
テトラアルコキシシランの配合量は、加水分解後の酸化ケイ素を含有する酸化チタンに対して20〜50質量%、好ましくは25〜45質量%、より好ましくは30〜40質量%となるように用いる。20質量%よりも少ないとき、殻の形成が不十分となり、50質量%よりも多いとき、該粒子の凝集を促進し、分散液が不透明となることがある。
スズ及びマンガンを固溶した正方晶系酸化チタン微粒子分散液に、1価アルコール、アンモニア、及びテトラエトキシシラン等のテトラアルコキシシランを加えて混合する方法は、どのような方法で実施してもよく、例えば、磁気攪拌、機械攪拌、振とう攪拌等を用いることができる。
工程(ロ)
ここでは、上記工程(イ)で得られた混合物を急速加熱することにより、スズ及びマンガンを固溶した正方晶系酸化チタン微粒子を核とし、該核の外側に酸化ケイ素の殻を有するコアシェル型正方晶系酸化チタン固溶体の微粒子を形成させる。
工程(イ)で得られた混合物を急速加熱する方法は、既存のどのようなものであってもよく、マイクロ波による加熱、高い熱交換効率を達成できるマイクロリアクター、及び大きな熱容量を持った外部熱源との熱交換等を用いることができる。特に、マイクロ波を用いた加熱方法は、均一かつ急速に加熱することができるため好ましい。なお、マイクロ波を照射して加熱する工程は、回分工程であっても連続工程であってもよい。
急速加熱法は、室温から分散媒の沸点直下(通常、10〜80℃程度)に達するまでの時間が10分以内であることが好ましい。これは、10分を超える加熱方法のとき、該粒子が凝集することとなり、好ましくないからである。
このような急速加熱法にマイクロ波加熱を用いるときは、例えば、その周波数が300MHz〜3THzの電磁波の中から適宜選択することができる。日本国内においては、電波法によって、通常使用可能なマイクロ波周波数帯域が、2.45GHz、5.8GHz、24GHz等に決められているが、中でも2.45GHzは、民生用にも多く使用されており、この周波数の発振用マグネトロンは設備価格上有利である。しかしながら、この基準は特定の国や地域の法律や経済状況に依存したものであり、技術的には周波数を限定するものではない。マイクロ波の出力は100W〜24kW、好ましくは100W〜20kWの定格を有する限り、市販のどのような装置を用いてもよい。例えば、μReactorEx(四国計測工業(株)製)、Advancer(バイオタージ(株)製)等を用いることができる。
マイクロ波加熱のとき、加熱に要する時間を10分以内とするためには、マイクロ波の出力を調節するか、回分反応の場合は反応液量を、連続反応の場合は反応流量を適宜調節して行うことができる。
このようにして得られたスズ及びマンガンを固溶したコアシェル型正方晶系酸化チタン固溶体コロイド溶液は、本発明のオルガノゾルの製造に好適に用いることができる。
無機酸化物コロイド水分散液の固形分濃度は、好ましくは1質量%以上30質量%以下であり、より好ましくは5質量%以上25質量%以下であり、更に好ましくは10質量%以上20質量%以下である。1質量%未満であると、オルガノゾル製造における産業上の効率から好ましくないことがあり、30質量%を超えると、コロイド溶液が流動性を失いゲル化することがあるため好ましくない場合がある。
無機酸化物コロイド溶液の液性は、好ましくはpHが2以上12以下であり、より好ましくはpHが3以上11以下であり、更に好ましくは4以上10以下である。pHが2より小さい又は12より大きいとコロイド溶液が流動性を失いゲル化することがあるため好ましくない場合がある。
工程(B)
工程(B)は、水と完全には相溶せず2相系を形成するアルコールを添加する工程である。通常の条件では、ここで添加するアルコールは無機酸化物コロイド水分散液とは混合せず、また分散液中の無機酸化物分散質が該アルコール中に移行することはない。
工程(B)で添加するアルコールは、炭素数4以上8以下の、芳香族基を有してもよい直鎖状、分岐鎖状又は環状の1価のアルコール、及び炭素数3以上8以下のフッ素原子で(部分)置換された1価のアルコールからなる群から選ばれる1種以上であることが好ましい。炭素数が2以下のアルコールは通常の条件では、水と任意に混和するために本工程で用いることはできない。また炭素数が8より大きくなると、パラフィンとしての性質が強くなり、本工程での適用が困難なことがある。炭素数4以上8以下の芳香族基を有してもよい直鎖状、分岐鎖状又は環状の1価のアルコールであることがより好ましい。フッ素原子での置換は、全置換(パーフルオロアルキル)型及び部分置換のいずれであってもよい。長鎖アルキル基において全置換型のアルコールは高価となるため、置換数は原価に応じて調整可能である。アルコールの価数が2より大きくなると、水溶性が強くなる傾向があり、また増粘して取り扱いが困難になることもある。
工程(B)で添加するアルコールの具体例としては、1−ブタノール、2−ブタノール、イソブチルアルコール、1−ペンタノール、2−ペンタノール、3−ペンタノール、ネオペンチルアルコール、シクロペンタノール、1−ヘキサノール、2−ヘキサノール、3−ヘキサノール、tert−ヘキシルアルコール、シクロヘキサノール等の直鎖・分岐鎖・環状アルコール類、フェノール、o−クレゾール、m−クレゾール、p−クレゾール、ベンジルアルコール等の含芳香環アルコール類、ヘプタフルオロプロパン−1−オール、ヘプタフルオロプロパン−2−オール、3,3,4,4,4−ペンタフルオロブタン−1−オール、ノナフルオロブタン−1−オール、ノナフルオロブタン−2−オール等のフッ素原子で(部分)置換された直鎖・環状アルコール類を挙げることができる。
工程(B)において添加するアルコールの20℃における水に対する溶解度は、1(アルコール1g/水100g)以上、30(アルコール30g/水100g)以下であることが好ましく、5以上28以下であることがより好ましく、10以上26以下であることが更に好ましい。1より小さいと本発明の効果を発現できないことがあり、30を超えると、工程(A)で用いた水と任意に混和するアルコールの作用によって、完全相溶することがある。
工程(B)において添加するアルコールの水に対する溶解度は、常法に従って測定することが可能である。例えば、20℃において該アルコールをビュレットに入れ、純水100gが入ったコニカルビーカー中に対してよく攪拌しながら滴下する。該アルコールが溶解できずに二相系を形成した時点で滴下を終了する。その際の重量増加量が、水100gに対する該アルコールの溶解度である。
工程(B)において添加するアルコールの添加量は、工程(A)で用いた無機酸化物コロイド水分散液の水成分に対して、好ましくは10質量%以上1,000質量%以下、より好ましくは15質量%以上500質量%以下、更に好ましくは20質量%以上300質量%以下である。添加量が10質量%よりも少ないと、抽出効率が高くない場合があり、添加量が1,000質量%よりも多くなると、有機溶媒を大量に使用することによる産業上及び環境上の問題があるため好ましくないことがある。
工程(C)
工程(C)は、下記一般式(I)で示されるシラン化合物及び/又は同シラン化合物の(部分)加水分解縮合物を添加する工程である。
1Si(OR23 (I)
(式(I)中において、R1は(メタ)アクリル基を有してもよい炭素数1以上15以下の有機基、R2は炭素数1以上4以下のアルキル基を表す。)
一般式(I)で表される化合物の具体例としては、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、プロピルトリメトキシシラン、プロピルトリエトキシシラン、(メタ)アクリロイルオキシメチルトリメトキシシラン、(メタ)アクリロイルオキシメチルトリエトキシシラン、(メタ)アクリロイルオキシエチルトリメトキシシラン、(メタ)アクリロイルオキシエチルトリエトキシシラン、(メタ)アクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン、(メタ)アクリロイルオキシプロピルトリエトキシシラン、(メタ)アクリロイルオキシオクチルトリメトキシシラン、(メタ)アクリロイルオキシオクチルトリエトキシシラン等の(メタ)アクリロイルオキシ基で置換可能な炭素基を有するシラン化合物を挙げることができる。このような化合物は、合成しても市販されているものを用いてもよい。市販品では、メチルトリメトキシシランとして信越化学工業(株)製の「KBM−13」、プロピルトリメトキシシランとして「KBM−3033」、アクリロイルオキシプロピルトリメトキシシランとして「KBM−5103」、メタアクリロイルオキシプロピルトリメトキシシランとして「KBM−503」等を使用することができる。
本発明の表面処理酸化チタンは、工程(A)における無機酸化物コロイド水分散液の固形分に対して、上記一般式(I)で示されるシラン化合物及び/又は同シラン化合物の(部分)加水分解縮合物と、後述する工程(H)において一般式(II)で表される表面処理成分との合計量11〜200質量%、好ましくは40〜190質量%、更に好ましくは60〜180質量%で処理することによって得られる。添加量が200質量%よりも多いと、オルガノゾル中における有効成分である無機酸化物の割合が相対的に低下し、紫外線遮蔽性が不足する。添加量が11質量%よりも少ないと、有機溶媒中での無機酸化物微粒子の分散安定性が確保できなくなる。
工程(C)において添加するシラン化合物及び/又は同シラン化合物の(部分)加水分解縮合物の添加量は、工程(A)における無機酸化物コロイド水分散液の固形分に対して、好ましくは10質量%以上199質量%以下であり、より好ましくは20質量%以上170質量%以下であり、更に好ましくは30質量%以上150質量%以下である。添加量が199質量%よりも多いと、オルガノゾル中における有効成分である無機酸化物の割合が相対的に低下する場合がある。添加量が10質量%よりも少ないと、有機溶媒中での無機酸化物微粒子の分散安定性が確保しにくくなることがある。
工程(C)におけるシラン化合物及び/又は同シラン化合物の(部分)加水分解縮合物の添加方法は、液中滴下、液外滴下、ポーション添加などを実施することができ、液中滴下であることが好ましい。
工程(C)におけるシラン化合物及び/又は同シラン化合物の(部分)加水分解縮合物添加時の液温は、好ましくは0℃以上45℃以下であり、より好ましくは5℃以上40℃以下であり、更に好ましくは10℃以上35℃以下である。液温が0℃より低くなると、無機酸化物コロイド水分散液が凍結による状態変化を経て変質する可能性がある。液温が45℃より高くなると、添加したシラン化合物及び/又は同シラン化合物の(部分)加水分解縮合物が予期せぬ加水分解縮合反応を起こすことがある。
工程(D)
工程(D)はマイクロ波を照射する工程である。マイクロ波照射は、その周波数が300MHz〜3THzの電磁波の中から適宜選択することができる。日本国内においては、電波法によって、通常使用可能なマイクロ波周波数帯域が、2.45GHz、5.8GHz、24GHz等に決められているが、中でも2.45GHzは、民生用にも多く使用されており、この周波数の発振用マグネトロンは設備価格上有利である。しかしながら、この基準は特定の国や地域の法律や経済状況に依存したものであり、技術的には周波数を限定するものではない。マイクロ波の出力は100W〜24kW、好ましくは100W〜20kWの定格を有する限り、市販のどのような装置を用いてもよい。例えば、μReactorEx(四国計測工業(株)製)、Advancer(バイオタージ(株)製)等を用いることができる。
マイクロ波照射は結果として反応液の温度上昇をもたらす。マイクロ波照射後の温度範囲は、好ましくは10℃以上150℃以下、より好ましくは60℃以上100℃以下、更に好ましくは80℃以上90℃以下である。マイクロ波照射後の温度が10℃より低いと反応に時間を要する場合があり、またマイクロ波照射後の温度が150℃より高いと、無機酸化物コロイド水分散液の溶媒が沸騰して反応系が扱いにくくなることがある。
マイクロ波を照射する時間は、好ましくは60秒以上3,600秒以内、より好ましくは120秒以上1,800秒以内、更に好ましくは180秒以上900秒以内である。時間が60秒より短いと工程(C)で添加したシランと無機酸化物微粒子の表面水酸基の反応が不十分となることがあり、3,600秒より長いと産業効率上好ましくないことがある。反応時間はこれらの範囲に入るようにその他の反応条件(pH・濃度)を調整することにより実施することが可能である。
工程(D)では、更に攪拌しながらマイクロ波を照射することを特徴としている。攪拌は、機械攪拌、磁気攪拌、振とう攪拌等を用いることができる。攪拌することによって、工程(B)で添加した疎水性アルコールと無機酸化物水性分散液が懸濁し、マイクロ波によって表面処理された微粒子が効率的に疎水性アルコールへと移行することができる。攪拌は乱流攪拌であることが好ましい。攪拌の程度は系のレイノルズ数を計算することによって見積もることができる。攪拌レイノルズ数は、好ましくは3,000以上1,000,000以下、より好ましくは5,000以上500,000以下、更に好ましくは10,000以上200,000以下である。3,000より小さいと、層流攪拌となり効率的な懸濁が困難な場合があり、1,000,000より大きいと攪拌に要するエネルギーが不必要に大きくなることによる産業効率上の観点から好ましくないことがある。なお、上記レイノルズ数(Re)は、数式(1)から求めることができる。数式(1)においてρは密度(kg/m3)、nは回転数(rps)、dは攪拌子長(m)、μは粘度(Pa・s)をそれぞれ表す。
Re=ρ・n・d2/μ 数式(1)
本発明で扱うオルガノゾルは、ρが900〜2,000(kg/m3)、好ましくは1,000〜1,500(kg/m3)であり、μは0.001〜0.05(Pa・s)、好ましくは0.002〜0.01(Pa・s)である。例えば、5(cm)の磁気回転子を700(rpm)でρが1,000(kg/m3)、μが0.002(Pa・s)のオルガノゾルを回転した場合のReは約15,000である。nとdを適宜選択することによって上記所望のReの範囲となるように調節することができる。
また、攪拌には、邪魔板を設置した反応器を用いることによる攪拌効率の向上方法を実施してもよい。
工程(E)
工程(E)は、有機溶媒を添加する工程である。この工程の実施は、好ましくは0℃以上45℃以下、より好ましくは5℃以上40℃以下、更に好ましくは10℃以上30℃以下の温度で行う。温度が0℃より低いと、無機酸化物コロイド水分散液由来の水成分が凍結して変質する可能性があり、また、温度が45℃より高いと、VOC(揮発性有機化合物)が大気環境及び作業環境に放出され易くなり、安全上及び労働環境衛生上好ましくないことがある。
工程(E)で添加される有機溶媒は、炭素数5以上30以下の炭化水素化合物、アルコール化合物、エーテル化合物、エステル化合物、ケトン化合物、及びアミド化合物からなる群から選ばれる1種以上である。
このような有機溶媒の具体例としては、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、ウンデカン、ドデカン、トリデカン、テトラデカン、ペンタデカン、ヘキサデカン、ヘプタデカン、オクタデカン、ノナデカン、イコサン、エイコサン、ドコサン、トリイコサン、テトライコサン、ペンタイコサン、ヘキサイコサン、ヘプタイコサン、オクタイコサン、ノナイコサン、トリアコンタン、ベンゼン、トルエン、o−キシレン、m−キシレン、p−キシレン、及びこれらを含む混合物である石油エーテル、ケロシン、リグロイン、ヌジョール等の炭素数5以上30以下の炭化水素化合物;メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、シクロペンタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、β−チアジグリコール、ブチレングリコール、グリセリン等の単価及び多価アルコール類;ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、シクロペンチルメチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノプロピルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノプロピルエーテル、プロピレングリコールモノブチルエーテル、ブチレングリコールモノメチルエーテル、ブチレングリコールモノエチルエーテル、ブチレングリコールモノプロピルエーテル、ブチレングリコールモノブチルエーテル等のエーテル類;蟻酸メチル、蟻酸エチル、蟻酸プロピル、蟻酸ブチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸プロピル、プロピオン酸ブチル、酪酸メチル、酪酸エチル、酪酸プロピル、酪酸ブチル、安息香酸メチル、安息香酸エチル、安息香酸プロピル、安息香酸ブチル、シュウ酸ジメチル、シュウ酸ジエチル、シュウ酸ジプロピル、シュウ酸ジブチル、マロン酸ジメチル、マロン酸ジエチル、マロン酸ジプロピル、マロン酸ジブチル、エチレングリコールジフォルメート、エチレングリコールジアセテート、エチレングリコールジプロピオネート、エチレングリコールジブチレート、プロピレングリコールジアセテート、プロピレングリコールジプロピオネート、プロピレングリコールジブチレート、エチレングリコールメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールメチルエーテルアセテート、ブチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、エチレングリコールエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールエチルエーテルアセテート、ブチレングリコールモノエチルエーテルアセテート等のエステル類;アセトン、ダイアセトンアルコール、ジエチルケトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、メチルノルマルブチルケトン、ジブチルケトン、シクロペンタノン、シクロヘキサノン、シクロヘプタノン、シクロオクタノン等のケトン類;ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、テトラアセチルエチレンジアミド、テトラアセチルヘキサメチレンテトラミド、N,N−ジメチルヘキサメチレンジアミンジアセテート等のアミド類;をそれぞれ挙げることができる。
工程(E)で添加する有機溶媒の量は、工程(A)で用いた無機酸化物コロイド水分散液の水成分に対して、好ましくは50質量%以上1,000質量%以下、より好ましくは100質量%以上500質量%以下、更に好ましくは120質量%以上300質量%以下である。添加量が50質量%よりも少ないと、次工程(F)において水を十分に除去できない場合があり、添加量が1,000質量%よりも多くなると、有機溶媒を大量に使用することによる産業上及び環境上の問題があるため好ましくないことがある。
工程(E)では、有機溶媒の添加によって表面処理された無機酸化物微粒子を均一に有機溶媒相に分散させることができる。工程(E)で溶媒を加えたことによって、系が均一相及び二相のいずれを形成してもよい。二相を形成した場合には有機層を分液によって分取することもできる。
工程(F)
工程(F)は、水を除去する工程である。水の除去は、共沸蒸留及び/又は限外ろ過で実施することが好ましい。
工程(F)における共沸蒸留は、工程(A)で用いた無機酸化物コロイド水分散液に由来する水を除去することを目的としている。この水と共沸する有機溶媒は、工程(B)及び工程(E)のいずれで加えたもの由来であってもよい。共沸蒸留では、水と有機溶媒の蒸気圧の総和が系の圧力とつりあった際に、気液平衡曲線から予測される割合で水と有機溶媒の混合物が留去される現象である。
工程(F)は、200mmHg以上760mmHg以下で実施することが好ましく、300mmHg以上760mmHg以下で実施することがより好ましく、400mmHg以上760mmHg以下で実施することが更に好ましい。200mmHgより低い圧力では、混合物が突沸して制御しにくいことがあり、760mmHgより高い圧力では水が蒸発しにくくなることがある。
工程(F)は、50℃以上250℃以下で実施することが好ましく、60℃以上200℃以下で実施することがより好ましく、80℃以上150℃以下で実施することが更に好ましい。50℃より低い温度では、留去に時間を要することがあり、250℃より高い温度ではオルガノゾルが変質することがある。このような範囲で実施できるように、圧力を適宜調節することができる。
工程(F)で要する加熱は、熱媒との接触による加熱、誘導加熱、及びマイクロ波による加熱の各種方法を用いることができる。
工程(F)では、共沸蒸留に代えて(又は組み合わせて)、限外ろ過を実施することができる。限外ろ過では、無機及び/又は有機基材の表面に設けられた細孔を通過させることによって実施することができる。このような細孔を有する基材であれば材料は特定されないが、好ましくは5nm以上50nm以下、より好ましくは5nm以上30nm以下の平均細孔径を有しているものを使用することができる。細孔径が5nmより小さいと、ろ過速度が遅くなり、50nmを超えると、ゾルの分散質がろ液側に流出するおそれがある。
限外ろ過を実施する場合には、溶媒の種類によるろ過膜の透過係数の違いを考慮して、有機溶媒を添加しながら実施することが可能である。
水の除去は、工程後の水分濃度を測定することによって確認することができる。このような確認方法としては、カール・フィッシャー反応を利用した電量滴定が利用可能である。このような目的に利用できる好適な滴定装置として、例えば、平沼産業(株)製「AQV−2100」、三菱化学アナリテック(株)製「KF−200」等を挙げることができる。
工程(F)後の水分濃度は、好ましくは1質量%以下であり、より好ましくは0.5質量%以下であり、更に好ましくは0.1質量%以下である。水分濃度が1質量%より大きいとオルガノゾルとして各種樹脂などと混合した際に白濁の原因となることがある。なお、本工程(F)実施後における水分濃度の下限値は特に定めないが0.1質量%程度であることが好ましい。工程(E)で用いた有機溶媒自体にも水が一定の割合で含まれていることがあり、工程(F)のみによって、水分濃度を0.1質量%を超えて低減させることは、エネルギー効率上好ましくないことがある。工程(F)の実施のみによって水分濃度が所望の水準に達しない場合は、次工程(G)を実施することができる。
工程(G)
工程(G)は、前工程(F)で除去しきれなかったオルガノゾル中に存在する痕跡量の水を除去する工程である。本工程では、水分濃度が好ましくは1,000ppm以下、より好ましくは500ppm以下、更に好ましくは100ppm以下、最も好ましくは10ppm以下まで低減する。
工程(G)の実施には、好ましくは3Å以上10Å以下の細孔直径を有するゼオライトを用いた物理吸着及び/又はオルト有機酸エステル又は、下記一般式(III)で示されるgem−ジアルコキシアルカンを用いた化学反応を伴う方法で実施することができる。
(R5O)(R6O)CR78 (III)
(式(III)中において、R5及びR6はそれぞれ独立に炭素数1〜10までの炭化水素であって、互いに結合して環形成可能な置換基であり、またR7及びR8はそれぞれ独立に炭素数1〜10までの炭化水素であって、互いに結合して環形成可能な置換基である。)
ゼオライトとして用いることができる物質の例としては、K4Na4[Al8Si832]、Na[AlSi26]、Na2[Al2Si718]、(K,Ba,Sr)2Sr2Ca2(Ca,Na)4[Al18Si1872]、Li[AlSi26]O、Ca8Na3[Al19Si77192]、(Sr,Ba)2[Al4Si1232]、(Sr,Ba)2[Al4Si1232]、(Ca0.5,Na,K)4[Al4Si824]、CaMn[Be2Si513(OH)2]、(Na,K,Ca0.5,Sr0.5,Ba0.5,Mg0.56[Al6Si3072]、Ca[Al2Si310]、(Ca0.5,Na,K)4-5[Al4-5Si20-1948]、Ba[Al2Si310]、(Ca,Na2)[Al2Si412]、K2(Na,Ca0.58[Al10Si2672]、(Na,Ca0.5,Mg0.5,K)z[AlzSi12-z24]、(K,Na,Mg0.5,Ca0.56[Al6Si3072]、NaCa2.5[Al6Si1032]、Na4[Zn2Si718]、Ca[Al2Si28]、(Na2,Ca,K24[Al8Si1648]、Na5[Al5Si1132]、(Na,Ca)6-8[(Al,Si)2040]、Ca[Al2Si616]、Na3Mg3Ca5[Al19Si117272]、(Ba0.5,Ca0.5,K,Na)5[Al5Si1132]、(Ca0.5,Sr0.5,Ba0.5,Mg0.5,Na,K)9[Al9Si2772]、Li2Ca3[Be3Si312]F2、K6[Al4Si620]B(OH)4Cl、Ca4[Al8Si1648]、K4Na12[Be8Si2872]、(Pb7Ca2)[Al12Si36(O,OH)100]、(Mg2.52Ca1.5)[Al10Si2672]、K5Ca2[Al9Si2364]、Na16Ca16[Al48Si72240]、K9[Al9Si2364]、(Na2,Ca,K24[Al8Si4096]、Na3Ca4[Al11Si85192]、Na2[Al2Si310]、CaKMg[Al5Si1336]、(Ca5.5Li3.61.2Na0.2)Li8[Be242496]、Ca2[Al4Si415(OH)2]、(K,Ca0.5,Na,Ba0.510[Al10Si3284]、K9Na(Ca,Sr)[Al12Si2472]、(K,Na,Ca0.5,Ba0.5z[AlzSi16-z32]、(Cs,Na)[AlSi26]、Ca2[Be(OH)2Al2Si413]、Ca[Al2Si310]、Ca[Al2Si718]、(Ca0.5,Na,K)9[Al9Si2772]、NaCa[Al3Si1740]、Ca2Na[Al5Si520]、Ca[Al2Si616]、Ca4(K2,Ca,Sr,Ba)3Cu3(OH)8[Al12Si1248]、Ca[Al2Si412]、Ca[Be3(PO42(OH)2]、KzCa(1.5-0.5z)[Al3Si312]、Ca[Al2Si616](zは0以上1以下の実数)等の化学組成を有するものを挙げることができ、これらの化学組成を有するものであって、好ましくは3Å以上10Å以下の細孔直径を有するものを使用することができる。細孔直径の範囲としては、好ましくは3Å以上10Å以下、より好ましくは4Å以上8Å以下、更に好ましくは4Å以上6Å以下である。細孔直径が3Åより小さいと水を十分に吸着できないことがあり、細孔直径が10Åより大きいと水の吸着に時間を要することがある。
このような脱水用ゼオライトとしては、モレキュラーシーブ3A、モレキュラーシーブ4A、モレキュラーシーブ5A、モレキュラーシーブ6A、モレキュラーシーブ7A、モレキュラーシーブ8A、モレキュラーシーブ9A、モレキュラーシーブ10A、モレキュラーシーブ3X、モレキュラーシーブ4X、モレキュラーシーブ5X、モレキュラーシーブ6X、モレキュラーシーブ7X、モレキュラーシーブ8X、モレキュラーシーブ9X、モレキュラーシーブ10X等という名称で市販されているものの中から適宜組み合わせて用いることができ、例えば、細孔直径が約4ÅであるLTA型ゼオライトとして、関東化学(株)製「カタログ番号25958−08」を用いることができる。
ゼオライトは、工程(F)で得られたオルガノゾルに対して、好ましくは1質量%以上20質量%以下、より好ましくは2質量%以上15質量%以下、更に好ましくは5質量%以上10質量%以下用いる。使用量が1質量%より少ないと、脱水効果が十分に得られないことがあり、使用量が20質量%より多くとも、脱水の程度が向上するわけではないことが多いため、これ以上使用することは実際上必要とされない。
工程(G)では、オルト有機酸エステル、又は、下記一般式(III)で示されるgem−ジアルコキシアルカンを用いた化学反応を伴う方法でも実施することができる。
(R5O)(R6O)CR78 (III)
(式(III)中において、R5及びR6はそれぞれ独立に炭素数1〜10までの炭化水素基であって、互いに結合して環形成可能な置換基であり、またR7及びR8はそれぞれ独立に炭素数1〜10までの炭化水素基であって、互いに結合して環形成可能な置換基である。)
オルト有機酸エステル及びgem−ジアルコキシアルカンは、いずれもアセタール骨格を分子中に有している。オルト有機酸エステルは有機酸エステルのアセタールであり、gem−ジアルコキシアルカンはケトンのアセタールである。アセタールは、水と反応してアルコールとカルボニル化合物に分解する性質があるため、脱水の目的で用いることができる。反応によって、水が消費されて有機溶媒を添加したことと同じ効果が得られる。
オルト有機酸エステルの具体例としては、オルト蟻酸メチル、オルト蟻酸エチル、オルト蟻酸プロピル、オルト蟻酸ブチル、オルト酢酸メチル、オルト酢酸エチル、オルト酢酸プロピル、オルト酢酸ブチル、オルトプロピオン酸メチル、オルトプロピオン酸エチル、オルトプロピオン酸プロピル、オルトプロピオン酸ブチル、オルト酪酸メチル、オルト酪酸エチル、オルト酪酸プロピル、オルト酪酸ブチル等を挙げることができる。
gem−ジアルコキシアルカンの具体例としては、アセトンジメチルアセタール、アセトンジエチルアセタール、アセトンジプロピルアセタール、アセトンジブチルアセタール、アセトンエチレングリコールアセタール、アセトンプロピレングリコールアセタール、メチルエチルケトンジメチルアセタール、メチルエチルケトンジエチルアセタール、メチルエチルケトンジプロピルアセタール、メチルエチルケトンジブチルアセタール、メチルエチルケトンエチレングリコールアセタール、メチルエチルケトンプロピレングリコールアセタール、メチルイソブチルケトンジメチルアセタール、メチルイソブチルケトンジエチルアセタール、メチルイソブチルケトンジプロピルアセタール、メチルイソブチルケトンジブチルアセタール、メチルイソブチルケトンエチレングリコールアセタール、メチルイソブチルケトンプロピレングリコールアセタール、シクロペンタノンジメチルアセタール、シクロペンタノンジエチルアセタール、シクロペンタノンジプロピルアセタール、シクロペンタノンジブチルアセタール、シクロペンタノンエチレングリコールアセタール、シクロペンタノンプロピレングリコールアセタール、シクロヘキサノンジメチルアセタール、シクロヘキサノンジエチルアセタール、シクロヘキサノンジプロピルアセタール、シクロヘキサノンジブチルアセタール、シクロヘキサノンエチレングリコールアセタール、シクロヘキサノンプロピレングリコールアセタール等を挙げることができる。
これらのアセタール骨格を有する化合物の選択は、水と反応した際に生成する分子の種類で好ましいものがある場合には、それを見越して使用することができる。例えば、オルガノゾル中から水を除いて、シクロヘキサノンとブタノールで置換する場合には、シクロヘキサノンジブチルアセタールを用いることによって目的を達成することができる。
アセタール骨格を有する化合物は、工程(F)で得られたオルガノゾルに対して、好ましくは0.5質量%以上20質量%以下、より好ましくは2質量%以上15質量%以下、更に好ましくは5質量%以上10質量%以下用いる。使用量が0.5質量%より少ないと、脱水効果が十分に得られないことがあり、使用量が20質量%より多くとも、脱水の程度が向上するわけではないことが多く、オルガノゾルとして樹脂等と混合した際に、エッチング等の予期せぬ効果をもたらすことがあるため、これ以上使用することは実際上必要とされない。
工程(H)
工程(H)では、下記一般式(II)で表される表面処理成分で表面処理される工程である。
(R34 2Si)2NH (II)
(式(II)中において、R3は(メタ)アクリル基を有してもよい炭素数1以上15以下の有機基、R4は炭素数1以上6以下のアルキル基を表す。)
一般式(II)で表される化合物の具体例としては、ヘキサメチルジシラザン、ビス{(アクリロイルオキシメチル)ジメチルシリル}アザン、ビス{(アクリロイルオキシプロピル)ジメチルシリル}アザン、ヘキサエチルジシラザン、ヘキサプロピルジシラザン等を例示することができる。
一般式(II)で表される化合物の添加量は、工程(A)における無機酸化物コロイド水分散液の固形分に対して、好ましくは1質量%以上190質量%以下であり、より好ましくは20質量%以上170質量%以下であり、更に好ましくは30質量%以上150質量%以下である。添加量が190質量%よりも多いと、オルガノゾル中における有効成分である無機酸化物の割合が相対的に低下する場合がある。添加量が1質量%よりも少ないと、有機溶媒中での無機酸化物微粒子の分散安定性が確保しにくくなることがある。
工程(H)では反応において副生するアンモニアガスをイオン交換樹脂を用いて除去しながら実施することができる。このような目的に使用可能なイオン交換樹脂としては、アンバーライトIR120B(オルガノ(株)製)、アンバーライト200CT(オルガノ(株)製)、アンバーライトIR124(オルガノ(株)製)、アンバーライトFPC3500(オルガノ(株)製)、アンバーライトIRC76(オルガノ(株)製)、ダイヤイオンSK104(三菱化学(株)製)、ダイヤイオンPK208(三菱化学(株)製)などの陽イオン交換樹脂を例示することができる。また、アンモニアガスの除去は分圧の原理を利用した不活性ガス等の吹き込みによって代えることもできる。
工程(H)の反応の進行は、29Si核磁気共鳴分光法によって確認することができる。核磁気共鳴分光法は、固体及び液体のいずれにおいて実施してもよいが、固体核磁気共鳴分光法では測定試料の前処理として乾固する必要があり、必ずしも試料中でのケイ素の結合状態を反映したものであるとは限らない。従って、液体状態の核磁気共鳴分光法によって確認することが好ましい。液体29Si核磁気共鳴分光法では、試料管及びプローブにケイ素を含有しない素材を用いて測定することが好ましい。ケイ素を含有しない核磁気共鳴分光法に使用可能な素材としてポリテトラフルオロエチレン(テフロンTM)を例示することができる。液体29Si核磁気共鳴分光法では、測定時間の短縮のために適切な緩和剤を用いることができる。緩和剤としては公知の試薬等(例えば、Organometallics誌、2008年、27巻、4号、500−502頁及びreferences therein)が利用できる。特に、トリス(アセチルアセトナト)鉄(III)錯体は水及び有機溶媒への溶解性にも優れており、酸化チタンの凝集を起こさしめることもないので優れている。例えば、トリス(アセチルアセトナト)鉄(III)をヘキサデューテリオアセトン(アセトン−d6)に1mol・dm-3程度の濃度で溶解した溶液を緩和剤として数滴使用することによって、緩和効果と重水素ロック効果の双方が得られるため好ましい。
工程(H)の工程前後での29Si核磁気共鳴分光法での測定では、3官能性ポリシロキサン(T単位)の縮合状態の変化を調べることができる。縮合状態の変化は、下記に示す(T0)〜(T3)の割合を調べることによって達成することができる。縮合度はT3>T2>T1>T0の順であり、検出磁場はT3>T2>T1>T0の順で高磁場側となることが多い。縮合状態の割合はシグナル強度から見積もることができる。この際に、29Si核は、負の磁気回転比(γB)を有しているために、核オーバーハウザー効果が逆となり、共鳴核の周囲に存在する核磁気緩和を抑制する。従って、負の核オーバーハウザー効果が顕著とならないような測定条件であることが好ましい。パルス−フーリエ変換型核磁気共鳴の場合では、適切なパルスシークエンスを用いることによってこの問題を解決できる。例えば、オフレゾナンス型のパルスシークエンスを用いることが好ましい。

(式中、Rは(メタ)アクリル基を有してもよい炭素数1以上15以下の有機基、Xは水素原子又は炭素数1以上4以下のアルキル基を表す。)
共鳴磁場の表記はテトラメチルシランの29Si核の共鳴を基準とした際の共鳴磁場との差異を百万分率(ppm)で表したものとして表現することができる。この表記に従った場合、T0は−40〜−46ppm、好ましくは−42〜−45ppm、T1は−46〜−54ppm、好ましくは−48〜−52ppm、T2は−54〜−60ppm、好ましくは−56〜−58ppm、T3は−60〜−70ppm、好ましくは−62〜−68ppmの範囲に検出できることが多い。表記上の負の値は、共鳴磁場が基準線よりも高磁場側に差異があることを示している。共鳴線の幅は測定に用いる核磁気共鳴装置の磁場の強さに依存しており、上記の好ましい共鳴線の範囲は一例として11.75T(テスラ)の磁場を印加した場合の値である。核磁気共鳴装置に用いることのできる磁場は5T以上20T以下、好ましくは8T以上15T以下、更に好ましくは10T以上13T以下である。磁場が5T未満である場合は、S/N比が小さくなることによって測定が難しくなる場合があり、磁場が20Tを超える場合は共鳴装置が大掛かりなものとなって測定が難しくなる場合がある。磁場の強さと共鳴線の幅及びシグナル強度は、当業者であれば当然にここに記した情報から類推することができる。
前項の測定条件によって測定した29Si核磁気共鳴分光法で得られるT3のシグナル強度は、下記数式(2)で表した値を満足することが好ましい。
∫T3/ΣT=∫T3/(∫T3+∫T2+∫T1+∫T0)>0.5 数式(2)
ここで、ΣTは全ての3官能性ポリシロキサン(T単位)に由来する29Si核磁気共鳴シグナルの積分値であり、∫T3は、上記に示した(T3)に由来する29Si核磁気共鳴シグナルの積分値である。∫T3/ΣTが0.5以上である場合は、一般式(I)で示したシラン化合物の50%以上がすでにこれ以上縮合の余地がないということを示しており、従って微粒子の表面の疎水化度も大きく、アクリル系の樹脂との相溶性に優れるため好ましい。∫T3/ΣTが0.5未満である場合は縮合余地のあるシラノールが微粒子表面に存在することを示しており、アクリル系の樹脂と混合・塗料化した際に、微粒子同士の凝集の原因となり、結果として白化することがあり、好ましくない場合がある。ここでいう積分値は百万分率(ppm)に対してシグナル強度をプロットした際の求積問題のことをいう。求積は特定の基準のS/N比によって閾値を設けることが好ましい。S/N比は、5以上、好ましくは10以上、より好ましくは20以上である。5未満である場合はベースラインが太くなり積分の精度が悪くなるため好ましくないことがある。積分は電子計算機によるシンプソン法などで求めてもよく、またスペクトルを表示した均一な平面密度を有する印刷媒体をスペクトル形状に切断して、重量を計測することによって求めてもよい。
(2)光重合性モノマー及び/又はオリゴマー
本発明に用いることができる光重合性モノマーとしては、(メタ)アクリル酸と(多価)アルコールから形成された(メタ)アクリル酸エステル及び(メタ)アクリル酸を好適に用いることができる。
(メタ)アクリル酸と(多価)アルコールから形成された(メタ)アクリル酸エステルの具体例としては、メタクリル酸メチル(略称MMA)、アクリル酸メチル(略称MA)、メタクリル酸エチル、アクリル酸エチル、アクリル酸ヒドロキシエチル(略称HEA)、メタクリル酸ヒドロキシエチル(略称HEMA)、アクリル酸ヒドロキシプロピル、アクリル酸4−ヒドロキシルブチル、アクリル酸イソブチル、アクリル酸tert−ブチル、アクリル酸n−オクチル、アクリル酸イソオクチル、アクリル酸イソノニル、アクリル酸ラウリル、アクリル酸ステアリル、アクリル酸イソステアリル、アクリル酸イソノルボルニル、アクリル酸テトラヒドロフルフリル、アクリル酸(メトキシエチル)、アクリル酸メトキシポリエチレングリコール、アクリル酸(2−メチル−2−エチル−1,3−ジオキソラン−4−イル)、アクリル酸[{シクロヘキサンスピロ−2−(1,3−ジオキソラン−4イル)}メチル]、アクリル酸{(3−エチルオキセタン−3−イル)メチル}等のモノエステル類;エチレングリコールジアクリレート、プロピレングリコールジアクリレート、ブタンジオールジアクリレート、ペンタンジオールジアクリレート、ヘキサンジオールジアクリレート、ヘプタンジオールジアクリレート、オクタンジオールジアクリレート、ノナンジオールジアクリレート、デカンジオールジアクリレート、グリセリン−1,2−ジアクリレート、グリセリン−1,3−ジアクリレート、ペンタエリスリトースジアクリレート、2−ヒドロキシ−3−アクリロイロキシプロピルメタクリレート、トリシクロデカンジメタノールジアクリレート、ジプロピレングリコールジアクリレート、トリプロピレングリコールジアクリレート等のジエステル類;グリセリントリアクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレート、ジペンタエリスリトールトリアクリレート、エトキシ化イソシアヌル酸トリアクリレート、エトキシ化グリセリントリアクリエート、エトキシ化トリメチロールプロパントリアクリレート、ペンタエリスリトールテトラアクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート、ジトリメチロールプロパンテトラアクリレート、エトキシ化ペンタエリスリトールテトラアクリレート、トリメチロールプロパントリメタクリレート、トリスペンタエリスリトールオクタアクリレート、オクタ(3−アクリロキシプロピルシルセスキオキサン)、3−アクリロキシプロピルシルセスキオキサンオリゴマー、及びポリジメチルシロキサン鎖及び/又はパーフルオロ(オキシ)アルキル鎖で置換可能なアクリロキシプロピルシルセスキオキサンオリゴマー等の多価エステル類;をそれぞれ挙げることができる。
モノエステル類は、エステル類の総量に対して0質量%以上70質量%以下、より好ましくは0質量%以上60質量%以下、更に好ましくは0質量%以上50質量%以下用いることができる。ジエステル類は、エステル類の総量に対して1質量%以上30質量%以下、より好ましくは2質量%以上25質量%以下、更に好ましくは5質量%以上20質量%以下用いることができる。多価エステル類は、エステル類の総量に対して50質量%以上100質量%以下、より好ましくは50質量%以上90質量%以下、更に好ましくは50質量%以上80質量%以下用いることができる。モノエステル類は任意成分ではあるものの、塗料の無溶剤化という観点においては重要な成分であり、溶剤の代わりに用いることができる。モノエステル類の割合が70質量%より多い場合は膜が脆弱となることがある。ジエステル類の割合が1質量%未満であると膜の可撓性が不十分なことがあり、30質量%より多い場合は耐擦傷性が十分ではないことがある。多価エステル類は必須成分であるが、50質量%より少ない場合は膜の硬度が十分ではないことがある。
光重合性モノマーとして、3−アクリロキシプロピルシルセスキオキサンオリゴマー、及びポリジメチルシロキサン鎖及び/又はパーフルオロ(オキシ)アルキル鎖で置換可能なアクリロキシプロピルシルセスキオキサンオリゴマー等の多価エステル類を用いる場合は、公知の手法(特許第4868135号公報)を参考にすることができる。例えば、下記一般式(1)〜(4)

(式中、Rxは炭素数1〜4のアルキル基又はアセチル基であり、a、b、cはそれぞれ1〜3の整数、Ryは水素原子、メチル基又はエチル基であり、Rzは炭素数1〜4のアルキル基又はアセチル基、Aは酸素原子又はエチレン基であり、wは5〜100の整数、pは0〜10の整数、q及びtはそれぞれ独立に1〜5の整数、rは1〜5の整数、sは0〜5の整数である。)
で表される化合物群(α)、アルコール類(β)、塩基性触媒(γ)、及びイオン交換水を混合して加水分解縮合することによって合成することができる。
化合物群(α)において、(1)と(2)の合計の物質量は化合物群(α)中における総量の物質量に対して、10mol%以上100mol%以下、好ましくは20mol%以上100mol%以下、更に好ましくは30mol%以上100mol%以下である。10mol%未満であると反応性基の割合が低下して膜の硬度が十分ではないことがある。(3)の物質量は化合物群(α)中における総量の物質量に対して、0mol%以上20mol%以下、好ましくは0.5mol%以上10mol%以下、更に好ましくは1mol%以上5mol%以下である。20mol%よりも多いと塗膜のハジキの原因となることがあり、用途によっては好ましくないことがある。(4)の物質量は化合物群(α)中における総量の物質量に対して、0mol%以上30mol%以下、好ましくは2mol%以上20mol%以下、更に好ましくは4mol%以上15mol%以下である。30mol%よりも多いと、その他のアクリルモノマーとの相溶性がよくない場合があり、好ましくないことがある。
アルコール類(β)の具体例としては、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、プロピレングリコールモノメチルエーテル等を挙げることができ、これらのアルコールを化合物群(α)に対して10質量%以上500質量%以下用いることが好ましい。10質量%未満であると相溶性がよくない場合があり、500質量%より多いと物質効率上問題になることがある。
塩基性触媒(γ)としては、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、ナトリウムメチラート、プロピオン酸ナトリウム、プロピオン酸カリウム、酢酸ナトリウム、酢酸カリウム、蟻酸ナトリウム、蟻酸カリウム、トリメチルベンジルアンモニウムヒドロキサイド、テトラメチルアンモニウムヒドロキサイド、テトラメチルアンモニウムアセテート、n−ヘキシルアミン、トリブチルアミン、ジアザビシクロウンデセン(DBU)、ジシアンジアミド等の塩基性化合物類;テトライソプロピルチタネート、テトラブチルチタネート、チタンアセチルアセトナート、アルミニウムトリイソブトキシド、アルミニウムトリイソプロポキシド、トリス(アセチルアセトナート)アルミニウム、ジイソプロポキシ(エチルアセトアセテート)アルミニウム、過塩素酸アルミニウム、塩化アルミニウム、コバルトオクチレート、コバルトアセチルアセトナート、鉄アセチルアセトナート、スズアセチルアセトナート、ジブチルスズオクチレート、ジブチルスズラウレート等の含金属化合物類;p−トルエンスルホン酸、トリクロル酢酸等の酸性化合物類などが挙げられる。この中で特にプロピオン酸ナトリウム、酢酸ナトリウム、蟻酸ナトリウム、トリメチルベンジルアンモニウムヒドロキサイド、テトラメチルアンモニウムヒドロキサイド、トリス(アセチルアセトナート)アルミニウム、ジイソプロポキシ(エチルアセトアセテート)アルミニウムが好ましい。塩基性触媒(γ)は化合物群(α)に対して0.1質量%以上20質量%以下用いることが好ましい。0.1質量%未満であると反応効率がよくない場合があり、20質量%より多いと縮合度が高くなりすぎることがある。
イオン交換水は、化合物群(α)の加水分解縮合に必要な化学量論量の10mol%以上500mol%以下用いることが好ましい。10mol%未満であると反応効率がよくない場合があり好ましくないことがある。500mol%より多いと縮合度が高くなりすぎることがある。
このようにして得られたオリゴマーのゲルパーミエーションクロマトグラフィーによるポリスチレン換算重量平均分子量は、5,000以下であることが好ましく、より好ましくは1,500〜4,000である。1,500より小さいと縮合が不足しており、保存安定性が悪く、未反応のジメチルシロキサンが残ってしまい、被膜表面にハジキ等が発生する場合がある。5,000より大きいと、粘度が高くなり、ハンドリングが困難になるおそれがある。
(3)光開始剤
本発明では、アクリルコーティング組成物に用いられる硬化触媒が使用できる。好ましくは光重合開始剤を用いることができる。光重合開始剤として、2,2−ジメトキシ−1,2−ジフェニルエタン−1−オン、1−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニルプロパン−1−オン、1−[4−(2−ヒドロキシエトキシ)−フェニル]−2−ヒドロキシ−2−メチル−1−プロパン−1−オン、フェニルグリオキシル酸メチルエステル等のアルキルフェノン類;2−メチル−1−(4−メチルチオフェニル)−2−モルフォリノプロパン−1−オン、2−ベンジル−2−ジメチルアミノ−1−(4−モルフォリノフェニル)−ブタノン−1、2−(ジメチルアミノ)−2−[(4−メチルフェニル)メチル]−1−[4−(4−モルホリニル)フェニル]−1−ブタノン等のアミノアルキルフェノン類;2,4,6−トリメチルベンゾイル−ジフェニル−フォスフィンオキサイド、ビス(2,4,6−トリメチルベンゾイル)−フェニルフォスフィンオキサイド等のホスフィンオキシド類を用いることができる。
本発明では硬化触媒として、光開始剤の他に縮合触媒を用いることもできる。縮合触媒は、多価エステルとして、オクタ(3−アクリロキシプロピルシルセスキオキサン)、3−アクリロキシプロピルシルセスキオキサンオリゴマー等のシロキサン系アクリレートを用いた際に有効に用いることができる。通常、シリコーンコーティング組成物に用いられる硬化触媒が使用できる。具体的には、シラノール基、アルコキシ基等の縮合可能基が縮合する反応を促進する硬化触媒であり、例えば、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、ナトリウムメチラート、プロピオン酸ナトリウム、プロピオン酸カリウム、酢酸ナトリウム、酢酸カリウム、蟻酸ナトリウム、蟻酸カリウム、トリメチルベンジルアンモニウムヒドロキサイド、テトラメチルアンモニウムヒドロキサイド、テトラメチルアンモニウムアセテート、n−ヘキシルアミン、トリブチルアミン、ジアザビシクロウンデセン(DBU)、ジシアンジアミド等の塩基性化合物類;テトライソプロピルチタネート、テトラブチルチタネート、チタンアセチルアセトナート、アルミニウムトリイソブトキシド、アルミニウムトリイソプロポキシド、トリス(アセチルアセトナート)アルミニウム、ジイソプロポキシ(エチルアセトアセテート)アルミニウム、過塩素酸アルミニウム、塩化アルミニウム、コバルトオクチレート、コバルトアセチルアセトナート、鉄アセチルアセトナート、スズアセチルアセトナート、ジブチルスズオクチレート、ジブチルスズラウレート等の含金属化合物類;p−トルエンスルホン酸、トリクロル酢酸等の酸性化合物類などが挙げられる。この中で特にプロピオン酸ナトリウム、酢酸ナトリウム、蟻酸ナトリウム、トリメチルベンジルアンモニウムヒドロキサイド、テトラメチルアンモニウムヒドロキサイド、トリス(アセチルアセトナート)アルミニウム、ジイソプロポキシ(エチルアセトアセテート)アルミニウムが好ましい。
更に、硬化性、耐クラック性に加え、コーティング組成物の保存安定性を維持するためにより適した硬化触媒として、以下のものが使用可能である。
下記一般式(V)で表される分子中に芳香族基を含まない化合物である。
〔(R9)(R10)(R11)(R12)M〕+・X- (V)
(式中、R9、R10、R11、R12は各々独立にハロゲン原子で置換されていてもよい炭素数1〜18のアルキル基であって、R9、R10、R11、R12における各々のTaft−Duboisの置換基立体効果定数Esの合計が−0.5以下である。Mはアンモニウムカチオン又はホスホニウムカチオンであり、X-はハロゲンアニオン、ヒドロキシドアニオン、又は炭素数1〜4のカルボキシレートアニオンである。)
ここで、Taft−Duboisの置換基立体効果定数Esとは、置換カルボン酸の酸性下エステル化反応速度におけるメチル基CH3を基準にした相対速度であり、下記式で表される{J.Org.Chem.45,1164(1980)、J.Org.Chem.64,7707(1999)参照}。
Es=log(k/k0)
(式中、kは、特定条件下での置換カルボン酸の酸性下エステル化反応速度であり、k0は、同一条件下でのメチル基置換カルボン酸の酸性下エステル化反応速度である。)
このTaft−Duboisの置換基立体効果定数Esは、置換基の立体的嵩高さを表す一般的な指標であり、例えば、メチル基:0.00、エチル基:−0.08、n−プロピル基:−0.31、n−ブチル基:−0.31となっており、Esが小さいほど立体的に嵩高いことを示している。
本発明においては、式(V)中のR9、R10、R11、R12におけるEsの合計が−0.5以下であることが好ましい。Esの合計が−0.5より大きいと、コーティング組成物としての保存安定性が低下したり、塗膜化した際や耐水試験後にクラックや白化が発生したり、密着性、特に耐水密着性、煮沸密着性が低下するおそれがある。これはEsの合計が−0.5より大きい場合(例えばR9、R10、R11、R12がメチル基)、相当する式(V)で表される硬化触媒は触媒活性が強くなるものの、コーティング組成物の保存安定性は低下する傾向があり、またその塗膜は非常に吸湿し易くなり、耐水試験後の塗膜異常を引き起こす場合がある。なお、R9、R10、R11、R12におけるEsの合計は、通常、−3.2以上、特に−2.8以上であることが好ましい。
上記式中、R9、R10、R11、R12のハロゲン原子で置換されていてもよい炭素数1〜18、好ましくは1〜12のアルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基等のアルキル基;シクロペンチル基、シクロヘキシル基等のシクロアルキル基;クロロメチル基、γ−クロロプロピル基、3,3,3−トリフルオロプロピル基等のハロゲン置換炭化水素基などが挙げられる。
また、Mはアンモニウムカチオン又はホスホニウムカチオンであり、X-はハロゲンアニオン、ヒドロキシドアニオン、又は炭素数1〜4のカルボキシレートアニオンであり、ヒドロキシドアニオン又はアセテートアニオンであることが好ましい。
このような硬化触媒の具体例としては、例えば、テトラn−プロピルアンモニウムヒドロキシド、テトラn−ブチルアンモニウムヒドロキシド、テトラn−ペンチルアンモニウムヒドロキシド、テトラn−ヘキシルアンモニウムヒドロキシド、テトラシクロヘキシルアンモニウムヒドロキシド、テトラキス(トリフロロメチル)アンモニウムヒドロキシド、トリメチルシクロヘキシルアンモニウムヒドロキシド、トリメチル(トリフロロメチル)アンモニウムヒドロキシド、トリメチルtert−ブチルアンモニウムヒドロキシド、テトラn−プロピルホスホニウムヒドロキシド、テトラn−ブチルホスホニウムヒドロキシド、テトラn−ペンチルホスホニウムヒドロキシド、テトラn−ヘキシルホスホニウムヒドロキシド、テトラシクロヘキシルホスホニウムヒドロキシド、テトラキス(トリフロロメチル)ホスホニウムヒドロキシド、トリメチルシクロヘキシルホスホニウムヒドロキシド、トリメチル(トリフロロメチル)ホスホニウムヒドロキシド、トリメチルtert−ブチルホスホニウムヒドロキシド等のヒドロキシド類、これらヒドロキシド類とハロゲン酸との塩、及び炭素数1〜4のカルボン酸との塩を挙げることができる。これらの中でも、テトラプロピルアンモニウムヒドロキシド、テトラプロピルアンモニウムアセテート、テトラブチルアンモニウムヒドロキシド、テトラブチルアンモニウムアセテート、テトラブチルホスホニウムヒドロキシド、テトラブチルホスホニウムアセテートが好ましい。これらは1種単独で使用しても2種以上を併用してもよく、更には前述の公知の硬化触媒と併用してもよい。
(4)その他の成分
本発明の光硬化性塗料組成物には、必要に応じて、溶剤、pH調整剤、レベリング剤、増粘剤、顔料、染料、金属酸化物微粒子、金属粉、酸化防止剤、紫外線吸収剤、紫外線安定剤、熱線反射・吸収性付与剤、可撓性付与剤、帯電防止剤、防汚性付与剤、撥水性付与剤などを本発明の目的や効果に悪影響を与えない範囲内で添加することができる。例えば、溶剤としてメタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、n−ブタノール、イソブタノール、tert−ブタノール、ジアセトンアルコール等のアルコール類;メチルプロピルケトン、ジエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン、ジアセトンアルコール等のケトン類;ジプロピルエーテル、ジブチルエーテル、アニソール、ジオキサン、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート等のエーテル類;酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、酢酸シクロヘキシル等のエステル類などを挙げることができ、これらからなる群より選ばれた1種もしくは2種以上の混合物を使用することができる。例えば、レベリング剤として信越化学工業(株)製「KP−341」、BYK Chemie製「BYK−180」、「BYK−190」を使用することができる。紫外線吸収剤としてはベンゾフェノン系、ベンゾトリアゾール系、トリアジン系の有機化合物であって、シリル基及び/又はアクリル基変性された有機化合物を挙げることができる。
本発明の光硬化性塗料組成物は、上記各成分(1)〜(3)及びその他の成分(4)を常法に準じて混合することにより得ることができる。
(1)表面処理酸化チタンの固形分は、塗料組成物の固形分中において、3質量%以上40質量%以下、好ましくは3質量%以上20質量%以下、更に好ましくは4質量%以上15質量%以下用いることができる。
(2)光重合性モノマー及び/又はオリゴマーは、塗料組成物の固形分中において、1質量%以上99質量%以下、好ましくは10質量%以上90質量%以下、更に好ましくは15質量%以上85質量%以下用いることができる。
(3)光開始剤は、塗料組成物の固形分中において0.01質量%以上10質量%以下、好ましくは0.01質量%以上8質量%以下、更に好ましくは0.01質量%以上5質量%以下用いることができる。
(1)〜(3)は固形分として換算される成分であるが、この(1)〜(3)の混合物に溶剤を添加することによって固形分濃度を1〜70質量%程度に希釈することができる。溶剤は(1)の分散媒として含まれているものが結果として混入することもあるが、混合後に意図的に溶剤を添加することもできる。なお、上記硬化触媒(光開始剤)の配合量は、0.05質量%以上20質量%以下であることが好ましく、また、その他の成分で例示したものは、溶剤中に溶解させて適宜添加することができる。添加量としては20質量%まで用いることができる。
積層体
このようにして得られた塗料組成物は、基材の少なくとも一方の面に、直接もしくは少なくとも1種の他の層を介して、上記塗料組成物を塗布し、これを硬化することにより被膜を形成した積層体を得ることができる。
ここで、塗料組成物の塗布方法としては、通常の塗布方法で基材にコーティングすることができ、例えば、刷毛塗り、スプレー、浸漬、フローコート、ロールコート、カーテンコート、スピンコート、ナイフコート等の各種塗布方法を選択することができる。
また、ここで用いられる基材としては、特に限定されることはないが、プラスチック成形体、木材系製品、セラミックス、ガラス、石英、金属、あるいはそれらの複合物などが挙げられ、各種プラスチック材料(有機樹脂基材)が好適に使用され、特にポリカーボネート、ポリスチレン、アクリル樹脂、変性アクリル樹脂、ウレタン樹脂、チオウレタン樹脂、ハロゲン化ビスフェノールAとエチレングリコールの重縮合物、アクリルウレタン樹脂、ハロゲン化アリール基含有アクリル樹脂、含硫黄樹脂などが好ましい。更にこれらの樹脂基材の表面が処理されたもの、具体的には、化成処理、コロナ放電処理、プラズマ処理、酸やアルカリ液での処理、及び基材本体と表層が異なる種類の樹脂で形成されている積層体を用いることもできる。積層体の例としては、共押し出し法やラミネート法により製造されるポリカーボネート樹脂基材の表層にアクリル樹脂層もしくはウレタン樹脂層が存在する積層体、又はポリエステル樹脂基材の表層にアクリル樹脂層が存在する積層体などが挙げられる。
本発明の塗料組成物を塗布した後の硬化は、好ましくは紫外線照射によって実施する。硬化温度、硬化紫外線量は限定されるものではないが、基材の耐熱温度以下で紫外線照射するのが好ましい。好ましくは50〜150℃、より好ましくは80〜135℃で溶剤成分を揮発させた後に、好ましくは300〜2,000mJ/cm2、より好ましくは500〜1,800mJ/cm2の紫外線を照射することにより実施することができる。溶剤成分の揮散工程は3分以上10分以下であることが好ましい。揮散工程が3分未満であると密着性がよくない場合があり、10分よりも長いと塗膜の表面がゆず肌化することがある。温度と紫外線強度は独立に設定できるが、より好ましいものを組み合わせたものがより好ましい。具体的には80℃、600mJ/cm2で実施することが好ましい。50℃よりも低い温度では、溶剤の揮発が不十分となることがあり、ボイドや膜の乱れが発生することがあるため通常は好ましくない。150℃よりも高い温度では、開始剤が熱分解して予期せぬ反応を引き起こすことがあるため通常は好ましくない。300mJ/cm2より強度が小さい場合は、硬化が不十分となることがあるため通常は好ましくない。2,000mJ/cm2より強度が大きい場合は、クラックの発生や不均一な硬化が進行することがあるため通常は好ましくない。
塗膜の厚みは特に制限はなく、使用用途により適宜選択すればよいが、0.1〜50μmであることが好ましく、塗膜の硬さ、耐擦傷性、長期的に安定な密着性、及びクラックが発生しないことを満たすためには、特に1〜20μmが好ましい。膜厚は、塗工方法上の工夫によって適宜調整することができる。
本発明の塗料組成物は、塗膜とした時の可視光透過性が特徴の一つである。その指標として、塗膜の曇価(ヘイズ(Haze))の値の上限を定めることができる。ヘイズは一般に膜厚が大きいほど大きくなるので、ここでは膜厚5μm以下でのヘイズが2.0以下、好ましくは1.5以下、より好ましくは1.0以下を満たすものが好ましい。塗膜のヘイズは、濁度計NDH2000(日本電色工業(株)製)で測定した値とする。
本発明の塗料組成物は、塗膜とした際の耐擦傷性が二つ目の特徴である。その指標として、塗膜の耐擦傷性ΔHzで上限を定めることができる。ΔHzはASTM1044に準じ、テーバー摩耗試験にて摩耗輪SC−10Fを装着、荷重500gの下での500回転後のヘイズを測定、試験前後のヘイズ差(ΔHz)である。膜厚5μm以下でのΔHzが15以下、好ましくは13以下、より好ましくは10以下を満たすものが好ましい。
本発明の塗料組成物の硬化塗膜は上述した通り、耐擦傷性に優れるものであるが、もう一段の耐擦傷性を得るために、無機蒸着膜層を本塗膜上に被覆してもよい。無機蒸着膜層としては、乾式成膜工法で形成されたものであれば特に制限されるものではなく、例えば、Si、Ti、Zn、Al、Ga、In、Ce、Bi、Sb、B、Zr、Sn、及びTa等の元素を有する少なくとも1種以上の各種金属又は金属酸化物、窒化物及び硫化物等を主成分とする層が挙げられる。また、例えば、高硬度で絶縁性に優れたダイヤモンドライクカーボン膜層も挙げられる。無機蒸着膜層の積層方法は、乾式成膜工法であれば特に限定されず、例えば、抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着、分子線エピタキシー法、イオンビームデポジション、イオンプレーティング、スパッタリング等の物理気相成長法や、熱CVD、プラズマCVD、光CVD、エピタキシャルCVD、アトミックレイヤーCVD、catCVD等の化学気相成長法等の乾式成膜工法を挙げることができる。
この場合、無機蒸着膜層の厚さは、0.1〜10μmであることが好ましい。
本発明の塗料組成物は、塗膜とした場合の耐候性が三つ目の特徴である。その指標として、塗膜の耐候性試験での塗膜の外観の変化で定めることができる。耐候性試験での塗膜の外観の変化は、岩崎電気(株)製アイスーパーUVテスターW−151を使用し、試験条件は、1×103W/m2の強度の紫外光、温度60℃、湿度50%RHの環境で塗膜クラックが発生するまでの積算時間の長さで評価することができる。例えば、1×103W/m2の強度の紫外光を1時間照射した場合の積算エネルギーは、1kWh/m2となるが、組立単位の変換の規則に従うと、これは3.6MJ(メガジュール)に等しい。本発明の硬化塗膜で被覆された物品は、1m2辺り300MJの積算紫外線エネルギーを照射後もクラック、白化及び黄変が発生せず、良好な外観を維持することができる。
本発明における耐候性試験の試験条件環境は任意に設定できるものであるが、1m2辺り300MJの積算紫外線エネルギーは、約2年の屋外暴露に相当するものである。試験条件と屋外暴露との相関は容易に見積もることができる。例えば、紫外線照度計(岩崎電気(株)製アイ紫外線照度計UVP365−1)を用いて屋外の紫外線量を測定すると1×101W/m2であることが分かる(群馬県安中市松井田町において晴天時の春分の日の正午に測定した場合)。年間を通して一日の平均日照時間を12時間であると仮定すれば、12(h/日)×365(日/年)×2(年)×10(W/m2)=88(kWh/m2)≒300(MJ/m2)となる。屋外の環境は、緯度や気候にも依存し、耐候性試験が人工的な環境であることを考慮すると、概算で300MJを2年の屋外暴露に相当すると考えるのが妥当である。試験条件は、硬化塗膜の使用環境に応じて適宜変更すればよい。
耐候性試験では、紫外線照射中に被覆物品を適宜取り出して外観を観測することによって、劣化度合いを調べることができる。外観の変化でクラックについては、目視又は顕微鏡を用いて評価できる。このような目的に使用できる顕微鏡は、特に限定されないが、例えば、レーザー顕微鏡(キーエンス(株)製、装置名「VK−8710」)を挙げることができる。
外観の変化で白化については、被覆物品のヘイズでその尺度を計ることができる。例えば、濁度計NDH2000(日本電色工業(株)製)を用いることができる。初期のヘイズをHz0、試験後のヘイズをHz1としたときに、耐候ヘイズ(ΔHz’=Hz1−Hz0)を求めることができる。耐候ヘイズ(ΔHz’)は、10未満であることが好ましく、8以下であることがより好ましく、5以下であることが更に好ましい。10以上の場合は、白化が進行し、透明性が悪くなるので好ましくない。
外観の変化で耐黄変性については、被覆物品のイエローインデックスでその尺度を計ることができる。例えば、色度計Z−300A(日本電色工業(株)製)を用いることができる。初期のイエローインデックスをYI0、試験後のイエローインデックスをYI1としたときに、耐候イエローインデックスの差(ΔYI’=YI1−YI0)を求めることができ、耐黄変性の指標とすることができる。耐候イエローインデックスの差(ΔYI’=YI1−YI0)は、10以下であることが好ましく、8以下であることがより好ましく、5以下であることが更に好ましい。10を超える場合は、黄変が進行し、基材の劣化及び意匠性の悪化が顕著となるため好ましくない。
本発明の塗料組成物は、塗膜とした際の基材との良好な密着性が四つ目の特徴である。その指標として、JIS K5400に準じ、カミソリ刃を用いて、塗膜に2mm間隔で縦、横6本ずつ切れ目を入れて25個の碁盤目を作製し、セロテープ(登録商標、ニチバン(株)製)をよく付着させた後、90°手前方向に急激に剥がした時、塗膜が剥離せずに残存するマス目数(X)を、X/25で表示すればよい。マス目数(X)の値が25に近いほど密着性が良好であるといえる。また、硬化塗膜を有する基材を100℃の水中で2時間煮沸し、同様のマス目試験を行えば、耐水密着性の指標とすることができる。
自動車ヘッドランプカバー
本発明の積層体は、自動車ヘッドランプカバーに特に好適に用いることができる。自動車ヘッドランプカバーは、自動車の保安基準によって特定の透明性が求められると共に、大量生産する必要があることから優れた生産性が求められる。また、擦傷防止と共に黄変防止も求められている。本発明の積層体はこれらの基準を満たしている。
以下、合成例、実施例及び比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。
[合成例1]
表面処理酸化チタン(T−1)の合成
工程(A)
無機酸化物コロイド水分散液として、酸化チタン−スズ−マンガン複合酸化物を核とし酸化ケイ素を殻とするコアシェル微粒子を分散質とし、水を分散媒とするものを調製した。まず、核となる酸化チタン微粒子を含有する分散液を製造し、次いで、テトラエトキシシランを加水分解縮合することで、コアシェル微粒子を含有するコロイド溶液とした。
36質量%の塩化チタン(IV)水溶液(石原産業(株)製、製品名「TC−36」)66.0gに塩化スズ(IV)五水和物(和光純薬工業(株)製)1.8g、塩化マンガン(II)四水和物(和光純薬工業(株)製)0.2gを添加し、よく混合した後、これをイオン交換水1,000gで希釈した。この金属塩水溶液混合物に5質量%のアンモニア水(和光純薬工業(株)製)300gを徐々に添加して中和、加水分解することによりスズとマンガンを含有する水酸化チタンの沈殿物を得た。このときの水酸化チタンスラリーのpHは8であった。得られた水酸化チタンの沈殿物を、イオン交換水の添加とデカンテーションを繰り返して脱イオン処理した。この脱イオン処理後のスズ及びマンガンを含有する水酸化チタン沈殿物に30質量%過酸化水素水(和光純薬工業(株)製)100gを徐々に添加し、その後60℃で3時間攪拌して十分に反応させた。その後、純水を添加して濃度調整を行うことにより、半透明のスズ及びマンガン含有ペルオキソチタン酸溶液(固形分濃度1質量%)を得た。容積500mLのオートクレーブ(耐圧硝子工業(株)製、製品名「TEM−D500」)に、上記のように合成したペルオキソチタン酸溶液350mLを仕込み、これを200℃、1.5MPaの条件下、240分間水熱処理した。その後、オートクレーブ内の反応混合物を、サンプリング管を経由して、25℃の水浴中に保持した容器に排出し、急速に冷却することで反応を停止させ、酸化チタン分散液(i)を得た。
磁気回転子と温度計を備えたセパラブルフラスコに、酸化チタン分散液(i)1,000質量部、エタノール100質量部、アンモニア2.0質量部を室温(25℃)で加えて磁気攪拌した。このセパラブルフラスコを氷浴に浸漬し、内容物温度が5℃になるまで冷却した。ここに、テトラエトキシシラン18質量部(信越化学工業(株)製、製品名「KBE−04」)を加えた後に、セパラブルフラスコをμReactorEx(四国計測工業(株)製)内に設置して、周波数2.45GHz・出力1,000Wのマイクロ波を1分間にわたって照射しながら磁気攪拌した。その間、温度計を観測して内容物温度が85℃に達するのを確認した。得られた混合物を定性ろ紙(Advantec 2B)でろ過して希薄コロイド溶液を得た。この希薄コロイド溶液を限外ろ過によって10質量%まで濃縮し、無機酸化物コロイド水分散液(WT−1)を得た。WT−1(200g)を磁気攪拌子を備えた1,000mLのセパラブルフラスコに入れた。
工程(B)
先の工程(A)でWT−1を入れたフラスコに、イソブチルアルコール(デルタ化成(株)製、200g)を入れた。水性チタニアゾルとイソブチルアルコールは完全に相溶せず、2相を成した。なお、イソブチルアルコールの20℃における水に対する溶解度は、10(g/100g水)であった。
工程(C)
先の工程(A)、工程(B)を経たフラスコに、3−アクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン(信越化学工業(株)製、製品名「KBM−5103」)、20gを入れた。シランは主として有機層(イソブチルアルコール層)に溶解する様子が観察された。
工程(D)
先の工程(A)〜工程(C)を経たフラスコをマイクロ波照射装置(四国計測工業(株)製、製品名「μReactorEx」)のキャビティー内に入れた。磁気攪拌子を700rpmで回転させながら、マイクロ波を5分間照射した。マイクロ波の照射は液温が最高で82℃に達するように、該装置に内蔵のプログラムで制御した。マイクロ波照射後、液温が40℃になるまで室温で静置した。この際に、コロイド溶液は懸濁状態であった。
工程(E)
先の工程(A)〜工程(D)を経たフラスコに、磁気攪拌子で攪拌(700rpm)しながら、有機溶媒としてプロピレングリコールモノメチルエーテル(日本乳化剤(株)製、300g)を添加した。有機溶媒添加後、反応液は均一で透明な状態を呈した。
工程(F)
先の工程(A)〜工程(E)を経たフラスコの内容物を蒸留用フラスコに移し、760mmHgの圧力下において加熱留去した。フラスコ内温が約85℃の時点で留去が起こった。留出量が500gに達するまで留去を続けた。留去終了時の内温は約120℃であった。フラスコ内容物を室温まで冷却し、水分濃度の分析(カールフィッシャー法)を行ったところ0.20%であった。合成されたオルガノチタニアゾルの動的光散乱法による体積平均50%累計粒子径を測定した。測定結果は図1の通りであった。合成されたオルガノチタニアゾルは、透過型電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ(株)製、装置名「HT−9000」)を用いて粒子の観察(50k)を行った。結果を図2に示した。
工程(G)
工程(A)〜工程(F)で製造したオルガノチタニアゾル(200g)をモレキュラーシーブ4A(関東化学(株)製、「カタログ番号25958−08」、20g)で処理したところ、水分濃度が250ppmまで低下した。この際に凝集は見られなかったことから、工程(F)で除去しきれなかった水分の低減にモレキュラーシーブ処理が有用であることが明らかとなった。
工程(H)
工程(A)〜工程(G)を経たオルガノチタニアゾル(200g、固形分11質量%)とビス{(アクリロイルオキシメチル)ジメチルシリル}アザン(10g)の反応を窒素気流下80℃で8時間反応した。反応後、陽イオン交換樹脂(10g、オルガノ(株)製、「アンバーライト200CT(H)−A」)と接触させることによって副生アンモニアを除去した。混合物を定性ろ紙(Advantec 2B)でろ過し、表面処理酸化チタン(T−1)を得た。T−1(10mL)に対して、トリスアセチルアセトナト鉄(III)(関東化学(株)製)のヘキサデューテリオアセトン(Cambridge Isotope Laboratories Inc.製)1M溶液を数滴(ca.0.2mL)加えた後、PTFE製NMRチューブ(φ10mm)に移し、29Si核磁気共鳴スペクトルの測定を行った。測定条件は、ゲート付デカップリング、45度パルス、パルス間隔6秒のパルスシークエンスを用い、磁場強度11.75Tにおいて7,200回の積算を行った。得られた核磁気共鳴スペクトルを図3に示した。図3からT単位(3官能ポリシロキサン)は50%以上がT3の状態であることが明らかとなった。
[合成例2]
合成例1において実施した工程(H)において、ビス{(アクリロイルオキシメチル)ジメチルシリル}アザン(10g)に代えてヘキサメチルジシラザン(8g)を用いた他は合成例1と同様の操作を行い、表面処理酸化チタン(T−2)を得た。得られた表面処理酸化チタン(T−2)に対して、トリスアセチルアセトナト鉄(III)(関東化学(株)製)のヘキサデューテリオアセトン(Cambridge Isotope Laboratories Inc.製)1M溶液を数滴(ca.0.2mL)、及び内部標準物質としてcyclo−オクタメチルオクタシロキサンを加えた後、PTFE製NMRチューブ(φ10mm)に移し、29Si核磁気共鳴スペクトルの測定を行った。測定条件は、ゲート付デカップリング、45度パルス、パルス間隔6秒のパルスシークエンスを用い、磁場強度11.75Tにおいて7,200回の積算を行った。得られた核磁気共鳴スペクトルを図4に示した。図4からT単位(3官能ポリシロキサン)は50%以上がT3の状態であることが明らかとなった。
[合成例3]
合成例1において実施した工程(H)において、ビス{(アクリロイルオキシメチル)ジメチルシリル}アザン(10g)に代えてビス{(アクリロイルオキシプロピル)ジメチルシリル}アザン(11g)を用いた他は合成例1と同様の操作を行い、表面処理酸化チタン(T−3)を得た。得られた表面処理酸化チタン(T−3)に対して、トリスアセチルアセトナト鉄(III)(関東化学(株)製)のヘキサデューテリオアセトン(Cambridge Isotope Laboratories Inc.製)1M溶液を数滴(ca.0.2mL)加えた後、PTFE製NMRチューブ(φ10mm)に移し、29Si核磁気共鳴スペクトルの測定を行った。測定条件は、ゲート付デカップリング、45度パルス、パルス間隔6秒のパルスシークエンスを用い、磁場強度11.75Tにおいて7,200回の積算を行った。核磁気共鳴スペクトルからT単位(3官能ポリシロキサン)は50%以上がT3の状態であることが明らかとなった。
[比較合成例1]
合成例1において実施した工程(H)を実施しなかった以外は合成例1と同様の操作を行った。得られた表面処理酸化チタン(T−4)に対して、トリスアセチルアセトナト鉄(III)(関東化学(株)製)のヘキサデューテリオアセトン(Cambridge Isotope Laboratories Inc.製)1M溶液を数滴(ca.0.2mL)加えた後、PTFE製NMRチューブ(φ10mm)に移し、29Si核磁気共鳴スペクトルの測定を行った。測定条件は、ゲート付デカップリング、45度パルス、パルス間隔6秒のパルスシークエンスを用い、磁場強度11.75Tにおいて7,200回の積算を行った。得られた核磁気共鳴スペクトルを図5に示した。図5からT単位(3官能ポリシロキサン)はT3の状態がほとんど存在しない(<5%)ことが明らかとなった。
[合成例4]
光重合性モノマー(シリコーンA)の合成
光重合性モノマーは多くの場合市販品を用いることができるが、シロキサン骨格を有するアクリル酸エステル類も本発明の成分(2)に含まれる。シロキサン系アクリル酸エステル(シリコーンAと称する)を以下の手順で合成した。
3−アクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン(信越化学工業(株)製、製品名「KBM−5103」、2,500g)、α,ω−ビス(トリメトキシシリルエチル)デカ(ジメチルシロキサン)(10g)、3−{2,5−ビス(トリフルオロメチル)−2,4,4,5,7,7,8,8,9,9,9−ウンデカフルオロ−3,6−ジオキサノニル}プロピル(トリメトキシ)シラン(200g)、イソプロピルアルコール(4,700g)に対して、水酸化テトラメチルアンモニウム(三菱ガス化学(株)製、製品名「ELM−D」、180g)及びイオン交換水(1,000g)を添加し、室温において5時間熟成した。トルエン(9,000g)を加えて室温で1時間攪拌した。水(5,000g)及び芒硝(500g)で洗浄し、70℃/5mmHgにおいて揮発性物質の除去を行った。得られたシリコーンの重量平均分子量は2,100であった。分子量の測定は、テトラヒドロフラン(関東化学(株)製、製品名「鹿一級」)を溶離液として用いたゲル浸透クロマトグラフィー(東ソー(株)製、製品名「HLC−8320」)においてポリスチレン充填カラム(東ソー(株)製、製品名「TSKgelG3000HXL」)の固定相からシリコーンAが溶離されるのに要する時間を測定し、ポリスチレン標準サンプル(東ソー(株)製、製品名「PStQuickE,F」)と比較することによって求めた。
[実施例1]
200mLの遮光性褐色ポリ瓶にジペンタエリスリトールヘキサアクリレート(略称DPHA、美源商事(株)製、製品名「MiramerM600」、70g)、1,6−ヘキサンジオールジアクリレート(略称HDDA、新中村化学(株)製、製品名「A−HD−N」、13g)、光開始剤1(BASF製、製品名「Irgacure754」、1.5g)、光開始剤2(BASF製、製品名「LucirinTPO」、1.5g)、レベリング剤(信越化学工業(株)製、製品名「KP−341」、0.6g)の混合物に対して、合成例1で合成した表面処理酸化チタン(T−1、固形分11質量%の分散液として40g、固形分として4.4g)を添加した。溶剤の総量が100gとなるようにPGMを64.4g添加した。ペイントシェーカ(200rpm)で30分間振とう攪拌し、光硬化性塗料組成物(P−1)を得た。
[実施例2]
200mLの遮光性褐色ポリ瓶にジペンタエリスリトールヘキサアクリレート(略称DPHA、美源商事(株)製、製品名「MiramerM600」、70g)、1,6−ヘキサンジオールジアクリレート(略称HDDA、新中村化学(株)製、製品名「A−HD−N」、13g)、光開始剤1(BASF製、製品名「Irgacure754」、1.5g)、光開始剤2(BASF製、製品名「LucirinTPO」、1.5g)、レベリング剤(信越化学工業(株)製、製品名「KP−341」、0.6g)、メタクリル酸[2−{3−(2H−ベンゾトリアゾール−2−イル)−4−ヒドロキシフェニル}エチル](大塚化学(株)製、製品名「RUVA−93」、4.0g)の混合物に対して、合成例1で合成した表面処理酸化チタン(T−1、固形分11質量%の分散液として40g、固形分として4.4g)を添加した。溶剤の総量が100gとなるようにPGMを64.4g添加した。ペイントシェーカ(200rpm)で30分間振とう攪拌し、光硬化性塗料組成物(P−2)を得た。
[実施例3]
200mLの遮光性褐色ポリ瓶にジペンタエリスリトールヘキサアクリレート(略称DPHA、美源商事(株)製、製品名「MiramerM600」、70g)、1,6−ヘキサンジオールジアクリレート(略称HDDA、新中村化学(株)製、製品名「A−HD−N」、13g)、光開始剤1(BASF製、製品名「Irgacure754」、1.5g)、光開始剤2(BASF製、製品名「LucirinTPO」、1.5g)、レベリング剤(信越化学工業(株)製、製品名「KP−341」、0.6g)の混合物に対して、合成例2で合成した表面処理酸化チタン(T−2、固形分11質量%の分散液として40g、固形分として4.4g)を添加した。溶剤の総量が100gとなるようにPGMを64.4g添加した。ペイントシェーカ(200rpm)で30分間振とう攪拌し、光硬化性塗料組成物(P−3)を得た。
[実施例4]
200mLの遮光性褐色ポリ瓶にジペンタエリスリトールヘキサアクリレート(略称DPHA、美源商事(株)製、製品名「MiramerM600」、70g)、1,6−ヘキサンジオールジアクリレート(略称HDDA、新中村化学(株)製、製品名「A−HD−N」、13g)、光開始剤1(BASF製、製品名「Irgacure754」、1.5g)、光開始剤2(BASF製、製品名「LucirinTPO」、1.5g)、レベリング剤(信越化学工業(株)製、製品名「KP−341」、0.6g)の混合物に対して、合成例3で合成した表面処理酸化チタン(T−3、固形分11質量%の分散液として40g、固形分として4.4g)を添加した。溶剤の総量が100gとなるようにPGMを64.4g添加した。ペイントシェーカ(200rpm)で30分間振とう攪拌し、光硬化性塗料組成物(P−4)を得た。
[実施例5]
200mLの遮光性褐色ポリ瓶にジペンタエリスリトールヘキサアクリレート(略称DPHA、美源商事(株)製、製品名「MiramerM600」、70g)、1,6−ヘキサンジオールジアクリレート(略称HDDA、新中村化学(株)製、製品名「A−HD−N」、8g)、コロイダルシリカ分散ヘキサンジオールジアクリレート(Nanoresin社製、製品名「NanocrylC140」、10g)、光開始剤1(BASF製、製品名「Irgacure754」、1.5g)、光開始剤2(BASF製、製品名「LucirinTPO」、1.5g)、レベリング剤(信越化学工業(株)製、製品名「KP−341」、0.6g)の混合物に対して、合成例1で合成した表面処理酸化チタン(T−1、固形分11質量%の分散液として40g、固形分として4.4g)を添加した。溶剤の総量が100gとなるようにPGMを64.4g添加した。ペイントシェーカ(200rpm)で30分間振とう攪拌し、光硬化性塗料組成物(P−5)を得た。
[実施例6]
200mLの遮光性褐色ポリ瓶にジペンタエリスリトールヘキサアクリレート(略称DPHA、美源商事(株)製、製品名「MiramerM600」、40g)、合成例4で合成したシロキサン系アクリル酸エステル(シリコーンA、40g)、光開始剤3(SB−PI703=2−ヒドロキシ−2−メトキシフェニルプロパノン(Shuang Bang Industrial Corp.製、6.0g)、光開始剤4(美源商事(株)製、製品名「MicureCP4」、6.0g)、光開始剤5(BASF製、製品名「Irgacure907」、1.6g)、レベリング剤(信越化学工業(株)製、製品名「KP−341」、0.6g)の混合物に対して、合成例1で合成した表面処理酸化チタン(T−1、固形分11質量%の分散液として40g、固形分として4.4g)を添加した。溶剤の総量が100gとなるようにPGMを64.4g添加した。ペイントシェーカ(200rpm)で30分間振とう攪拌し、光硬化性塗料組成物(P−6)を得た。
[実施例7]
200mLの遮光性褐色ポリ瓶にジペンタエリスリトールヘキサアクリレート(略称DPHA、美源商事(株)製、製品名「MiramerM600」、70g)、1,6−ヘキサンジオールジアクリレート(略称HDDA、新中村化学(株)製、製品名「A−HD−N」、13g)、光開始剤1(BASF製、製品名「Irgacure754」、1.5g)、光開始剤2(BASF製、製品名「LucirinTPO」、1.5g)、レベリング剤(信越化学工業(株)製、製品名「KP−341」、0.6g)の混合物に対して、合成例1で合成した表面処理酸化チタン(T−1、固形分11質量%の分散液として40g、固形分として4.4g)を添加した。溶剤の代わりにアクリル酸(2−メチル−2−エチル−1,3−ジオキソラン−4−イル)(大阪有機化学工業(株)製、製品名「MEDOL−10」)を56.0g添加した。ペイントシェーカ(200rpm)で30分間振とう攪拌し、光硬化性塗料組成物(P−7)を得た。
[比較例1]
200mLの遮光性褐色ポリ瓶にジペンタエリスリトールヘキサアクリレート(略称DPHA、美源商事(株)製、製品名「MiramerM600」、70g)、1,6−ヘキサンジオールジアクリレート(略称HDDA、新中村化学(株)製、製品名「A−HD−N」、13g)、光開始剤1(BASF製、製品名「Irgacure754」、1.5g)、光開始剤2(BASF製、製品名「LucirinTPO」、1.5g)、レベリング剤(信越化学工業(株)製、製品名「KP−341」、0.6g)の混合物に対して、比較合成例1で合成した表面処理酸化チタン(T−4、固形分11質量%の分散液として40g、固形分として4.4g)を添加した。溶剤の総量が100gとなるようにPGMを64.4g添加した。ペイントシェーカ(200rpm)で30分間振とう攪拌し、光硬化性塗料組成物(P−8)を得た。
[比較例2]
200mLの遮光性褐色ポリ瓶にジペンタエリスリトールヘキサアクリレート(略称DPHA、美源商事(株)製、製品名「MiramerM600」、70g)、1,6−ヘキサンジオールジアクリレート(略称HDDA、新中村化学(株)製、製品名「A−HD−N」、13g)、光開始剤1(BASF製、製品名「Irgacure754」、1.5g)、光開始剤2(BASF製、製品名「LucirinTPO」、1.5g)、レベリング剤(信越化学工業(株)製、製品名「KP−341」、0.6g)、メタクリル酸[2−{3−(2H−ベンゾトリアゾール−2−イル)−4−ヒドロキシフェニル}エチル](大塚化学(株)製、製品名「RUVA−93」、4.0g)の混合物に対して、PGMを100.0g添加した。ペイントシェーカ(200rpm)で30分間振とう攪拌し、光硬化性塗料組成物(P−9)を得た。
[比較例3]
200mLの遮光性褐色ポリ瓶にジペンタエリスリトールヘキサアクリレート(略称DPHA、美源商事(株)製、製品名「MiramerM600」、40g)、合成例4で合成したシロキサン系アクリル酸エステル(シリコーンA、40g)、光開始剤3(SB−PI703=2−ヒドロキシ−2−メトキシフェニルプロパノン(Shuang Bang Industrial Corp.製、6.0g)、光開始剤4(MicureCP4、6.0g)、光開始剤5(BASF製、製品名「Irgacure907」、1.6g)、レベリング剤(信越化学工業(株)製、製品名「KP−341」、0.6g)の混合物に対して、比較合成例1で合成した表面処理酸化チタン(T−4、固形分11質量%の分散液として40g、固形分として4.4g)を添加した。溶剤の総量が100gとなるようにPGMを64.4g添加した。ペイントシェーカ(200rpm)で30分間振とう攪拌し、光硬化性塗料組成物(P−10)を得た。
実施例1〜7及び比較例1〜3で製造した光硬化性塗料組成物について、用いた成分の割合を表1にまとめで示した。表1における略号の意味は次の通りである。
成分(1):
T−1=合成例1で合成した表面処理酸化チタン
T−2=合成例2で合成した表面処理酸化チタン
T−3=合成例3で合成した表面処理酸化チタン
T−4=比較合成例1で合成した表面処理酸化チタン
成分(2):
DPHA=ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート
HDDA=ヘキサンジオールジアクリレート
シリコーンA=合成例4で合成したシロキサン系アクリル酸エステル
MEDOL−10=アクリル酸(2−メチル−2−エチル−1,3−ジオキソラン−4−イル)(大阪有機化学工業(株)製)
成分(3):
I−754/I−907=BASF製「Irgacure754/907」
L−TPO=BASF製「Lucirin−TPO」
MicureCP4=ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン(美源商事(株)製、製品名「MicureCP4」)
SB−PI703=2−ヒドロキシ−2−メトキシフェニルプロパノン(Shuang Bang Industrial Corp.製)
成分(4):
溶剤;PGM=プロピレングリコールモノメチルエーテル
レベリング剤;KP−341=信越化学工業(株)製
光安定剤;RUVA−93=メタクリル酸[2−{3−(2H−ベンゾトリアゾール−2−イル)−4−ヒドロキシフェニル}エチル](大塚化学(株)製、製品名「RUVA−93」)
シリカゾル;C140=コロイダルシリカ分散ヘキサンジオールジアクリレート(Nanoresin社製、製品名「NanocrylC140」)
[実施例8]
実施例1で製造した光硬化性塗料(P−1)を用いて積層体を製造した。ポリカーボネート製基材(住友ベークライト(株)製、製品名「ECK100UU」、厚み5mm)の片面に光硬化性塗料(P−1)を恒温恒湿室(25℃、50%)においてフローコートした。フローコート後、同室内において約80°の角度で5分間立てかけて、塗膜のレベリングを行った。レベリング後に80℃に熱したオーブンに5分間入れて溶剤の揮散を行った。溶剤揮散後にベルトコンベヤーの温度を80℃に設定した紫外線照射装置(アイグラフィックス(株)製、型式「ECS−401XN2」)に入れ、600mJ/cm2の線量を照射することによって積層体(L−8)を得た。L−8の表面を高速フーリエ変換薄膜干渉計(Filmetrics(株)製、「F−20」)で計測したところ膜厚は5×10-6mであった。基材を石英板に代えて同様の操作を行い、積層体(L−8’)を得た。L−8’の表面を高速フーリエ変換薄膜干渉計(Filmetrics(株)製、「F−20」)で計測したところ膜厚は5×10-6mであった。L−8は、曇価、ASTM1044に準じたテーバー摩耗試験、密着性試験、煮沸密着性試験、耐候性試験に付した。L−8’は、紫外可視透過率スペクトルの測定に付した。試験の詳細な条件及び試験の結果は表2にまとめて示した。
[実施例9]
実施例2で製造した光硬化性塗料(P−2)を用いて実施例8と同様に積層体(L−9)を製造した。L−9は、曇価、ASTM1044に準じたテーバー摩耗試験、密着性試験、煮沸密着性試験、耐候性試験に付した。L−9’は、紫外可視透過率スペクトルの測定に付した。試験の詳細な条件及び試験の結果は表2にまとめて示した。
[実施例10]
実施例3で製造した光硬化性塗料(P−3)を用いて実施例8と同様に積層体(L−10)を製造した。L−10は、曇価、ASTM1044に準じたテーバー摩耗試験、密着性試験、煮沸密着性試験、耐候性試験に付した。L−10’は、紫外可視透過率スペクトルの測定に付した。試験の詳細な条件及び試験の結果は表2にまとめて示した。
[実施例11]
実施例4で製造した光硬化性塗料(P−4)を用いて実施例8と同様に積層体(L−11)を製造した。L−11は、曇価、ASTM1044に準じたテーバー摩耗試験、密着性試験、煮沸密着性試験、耐候性試験に付した。L−11’は、紫外可視透過率スペクトルの測定に付した。試験の詳細な条件及び試験の結果は表2にまとめて示した。
[実施例12]
実施例5で製造した光硬化性塗料(P−5)を用いて実施例8と同様に積層体(L−12)を製造した。L−12は、曇価、ASTM1044に準じたテーバー摩耗試験、密着性試験、煮沸密着性試験、耐候性試験に付した。L−12’は、紫外可視透過率スペクトルの測定に付した。試験の詳細な条件及び試験の結果は表2にまとめて示した。
[実施例13]
実施例6で製造した光硬化性塗料(P−6)を用いて実施例8と同様に積層体(L−13)を製造した。L−13は、曇価、ASTM1044に準じたテーバー摩耗試験、密着性試験、煮沸密着性試験、耐候性試験に付した。L−13’は、紫外可視透過率スペクトルの測定に付した。試験の詳細な条件及び試験の結果は表2にまとめて示した。
[実施例14]
実施例7で製造した光硬化性塗料(P−7)を用いて実施例8と同様に積層体(L−14)を製造した。L−14は、曇価、ASTM1044に準じたテーバー摩耗試験、密着性試験、煮沸密着性試験、耐候性試験に付した。L−14’は、紫外可視透過率スペクトルの測定に付した。試験の詳細な条件及び試験の結果は表2にまとめて示した。
[比較例4]
比較例1で製造した光硬化性塗料(P−8)を用いて実施例8と同様に積層体(L−15)を製造した。L−15は、曇価、ASTM1044に準じたテーバー摩耗試験、密着性試験、煮沸密着性試験、耐候性試験に付した。L−15’は、紫外可視透過率スペクトルの測定に付した。試験の詳細な条件及び試験の結果は表2にまとめて示した。
[比較例5]
比較例2で製造した光硬化性塗料(P−9)を用いて実施例8と同様に積層体(L−16)を製造した。L−16は、曇価、ASTM1044に準じたテーバー摩耗試験、密着性試験、煮沸密着性試験、耐候性試験に付した。L−16’は、紫外可視透過率スペクトルの測定に付した。試験の詳細な条件及び試験の結果は表2にまとめて示した。
[比較例6]
比較例3で製造した光硬化性塗料(P−10)を用いて実施例8と同様に積層体(L−17)を製造した。L−17は、曇価、ASTM1044に準じたテーバー摩耗試験、密着性試験、煮沸密着性試験、耐候性試験に付した。L−17’は、紫外可視透過率スペクトルの測定に付した。試験の詳細な条件及び試験の結果は表2にまとめて示した。
[評価試験1]
曇価の評価
濁度計NDH2000(日本電色工業(株)製)を用いて積層体(L−8〜L−17)のヘイズを測定した。ヘイズの値が1以下のものを「◎」、2以下のものを「○」、2より大きいものを「×」として評価し、表2にまとめて示した。
[評価試験2]
耐擦傷性の評価
指標として、塗膜の耐擦傷性ΔHzを求めた。ΔHzはASTM1044に準じ、積層体(L−8〜L−17)に対して、テーバー摩耗試験にて摩耗輪SC−10Fを装着、荷重500gの下での500回転後のヘイズを測定(日本電色工業(株)製、NDH5000SP)、試験前後の値をヘイズ差(ΔHz)とした。ヘイズ差(ΔHz)が5以下のものを「◎」、10以下のものを「○」、10より大きいものを「×」として評価し、表2にまとめて示した。
[評価試験3]
密着性の評価
積層体(L−8〜L−17)に対して、JIS K5400に準じ、カミソリ刃を用いて、塗膜に2mm間隔で縦、横6本ずつ切れ目を入れて25個の碁盤目を作製し、セロテープ(登録商標、ニチバン(株)製)をよく付着させた後、90°手前方向に急激に剥がした時、塗膜が剥離せずに残存するマス目数(X)を、X/25で評価した。X=25のものを「○」、X<25のものを「×」として評価し、表2にまとめて示した。
[評価試験4]
煮沸密着性の評価
積層体(L−8〜L−17)を100℃の水中で2時間煮沸した後、JIS K5400に準じ、カミソリ刃を用いて、塗膜に2mm間隔で縦、横6本ずつ切れ目を入れて25個の碁盤目を作製し、セロテープ(登録商標、ニチバン(株)製)をよく付着させた後、90°手前方向に急激に剥がした時、塗膜が剥離せずに残存するマス目数(X)を、X/25で評価した。X=25のものを「○」、X<25のものを「×」として評価し、表2にまとめて示した。
[評価試験5]
<条件の設定>
紫外線照度計(岩崎電気(株)製アイ紫外線照度計UVP365−1)を用いて屋外の紫外線量を測定した。群馬県安中市松井田町において晴天時の春分の日(平成24年3月20日)の正午に紫外線量を測定したところ、1×101W/m2であることが明らかとなった。この紫外線量は従来から報告(International Commission on Illumination 1972年20巻47頁、CIE Publication)されているものと考量しても典型的な値であった。本発明における硬化塗膜の耐候性は、2年間の屋外暴露相当に設定した。年間を通して一日の平均日照時間を12時間であると仮定したところ、積算エネルギー線量は、12(h/日)×365(日/年)×2(年)×10(W/m2)=88(kWh/m2)≒300(MJ/m2)と見積もることができた。
耐候性の評価1
積層体(L−8〜L−17)を岩崎電気(株)製アイスーパーUVテスターW−151を使用し、試験条件は、1×103W/m2の強度の紫外光、温度60℃、湿度50%RHの環境で、1m2辺り300MJの積算紫外線エネルギーを照射した際の外観、試験前後の曇価(NDH2000、日本電色工業(株)製)の差(ΔHz’)、及びイエローインデックス(Z−300A、日本電色工業(株)製)の差(ΔYI’)で評価した。外観は、目視及びレーザー顕微鏡(キーエンス(株)製、装置名「VK−8710」)で観察した際にクラックが見られないものを「○」、クラックが見られるものを「×」として評価した。ΔHz’は、5以下であるものを「◎」、10未満であるものを「○」、10以上のものを「×」として評価した。ΔYI’は、5以下であるものを「◎」、10以下であるものを「○」、10より大きいものを「×」として評価した。これらの結果は表2にまとめて示した。
[評価試験6]
耐候性の評価2
石英基板上の積層体(L−8’〜L−17’)に岩崎電気(株)製アイスーパーUVテスターW−151を使用し、試験条件は、1×103W/m2の強度の紫外光、温度60℃、湿度50%RHの環境で、1m2辺り300MJの積算紫外線エネルギーを照射した。照射前後における紫外可視透過率スペクトルを測定した。一例として、実施例8の積層体(L−8’)と比較例5の積層体(L−16’)の場合について、変化の様子を図6に示した。実施例8の積層体では紫外線遮蔽能が大きく変化していないのに対し、比較例5の積層体では紫外線遮蔽能が小さくなっていることが明らかとなった。ここから、有機紫外線吸収剤を用いた場合は、有機物ゆえの光分解が発生して、吸収能が劣化するのに対して、表面処理酸化チタンを用いた際には紫外線吸収能を長期間維持できていることが明らかになった。特に、300nmにおける光透過率に着目した際に、試験後の透過率が10%以下であったものを「○」、10%より大きかったものを「×」として評価し、表2にまとめて示した。
[評価試験7]
紫外可視吸収能の評価
石英基板上の積層体(L−8’〜L−17’)の紫外可視吸収スペクトルを測定した。300nmにおける透過率が10%以下であって、かつ、500nmにおける透過率が80%以上であるものを「○」、この条件に当てはまらないものを「×」として評価し、表2にまとめて示した。なお、これらの積層体(L−8’〜L−17’)の表面を高速フーリエ変換薄膜干渉計(Filmetrics(株)製、「F−20」)で計測したところ膜厚は5×10-6mであった。
[実施例15]
自動車ヘッドランプ用物品
自動車ヘッドランプカバーの塗布されたハードコートトップ層をリムーバー(ソフト99(株)製、製品名「LIGHT ONEベースクリーナー」)で除去して基材とした。この基材に対し、実施例1で製造した光硬化性塗料(P−1)をスプレーコートした。紫外線(80℃、600mJ/cm2)を照射することによって塗膜を硬化させ、自動車ヘッドランプ用物品を得た。この物品の表面をスチールウールで擦ったところ、有意な傷は見られなかった。この物品の促進耐候試験(岩崎電気(株)製スーパーUVテスターW−151)を行った。300MJ/m2の紫外線を照射後も良好な外観を保っていることが確認された。
実施例及び比較例の説明
実施例8の積層体は塗膜に表面処理酸化チタン(T−1)を含んでおり、紫外線遮蔽能に優れていることが明らかとなった。光硬化性塗料に酸化チタンを添加すると溶解性の問題から、白濁することが多いがそのような問題は見られなかった。また、密着性も通常は悪化することが多いが、悪化することはなかった。これはT−1に含まれる特定の表面処理剤の効果であると考えられる。実施例9の積層体は、表面処理酸化チタン(T−1)に加えて、光安定剤(RUVA−93)を加えた塗料で形成されている。このように光安定剤は任意成分として耐候性の強化のために用いることもできることが明らかとなった。実施例10及び実施例11の積層体は、やや異なった表面処理成分が含まれる酸化チタン(T−2及びT−3)を用いているが、良好な評価結果であることが明らかとなった。
これに対して、比較例4の積層体(L−15)は、表面処理酸化チタン(T−4)を用いているが、透明性に優れず評価結果はよくなかった。T−1〜T−3とT−4の違いは、表面処理成分(II)の有無によるものであり、成分(II)は必須であることが明らかとなった。成分(II)の有無による違いは合成例1〜3及び比較合成例1で測定した29Si核磁気共鳴スペクトルによっても裏付けられており、T単位の縮合度の違いによるものと理解された。
実施例12では、任意成分としてシリカゾルを加えてもよいことが示された。実施例13では、光重合性モノマーとしてシロキサン系の成分が利用可能であることが示された。
実施例14では、光重合性モノマーとしてモノエステル類が併用可能であることが示された。比較例5は、表面処理酸化チタンを用いずに有機系光安定剤を含む塗膜を用いた積層体の例である。比較例5は公知(米国特許第5990188号明細書)の組成に近いものであって、良好な初期膜物性を示していることが明らかとなった。しかしながら、評価試験6で示されたように紫外線の遮蔽能は徐々に劣化することが明らかとなった。
比較例6は、表面処理酸化チタン(T−4)と光重合性モノマーとしてシロキサン成分を用いたものであるが、良好な物性ではないことが明らかとなった。
従来技術の欠点の改良として、特定の表面処理酸化チタンゾルが有効であることはこれまでに十分には明らかにされていなかった。特に、表面処理酸化チタンゾルの製造方法及び適用可能性を判断するための核磁気共鳴スペクトルの値はこれまでに知られていなかった。本発明は、従来から明らかにされていなかった問題の解決法を示すものである。当業者であれば当然にこの技術思想から類推される関連技術を発明できる。
本発明の光硬化性塗料は耐候性の積層体として利用できる。耐候性積層体の用途は自動車ヘッドランプカバーに限ったものではなく、屋外で使用される液晶ディスプレイの保護膜、カーポートやサンルーフ等の建材、二輪車の風防や新幹線の窓等の輸送機用物品、自動車用グレージング、CVD用プライマー、太陽電池用集光ミラーの保護膜等への利用可能性を有する。

Claims (14)

  1. (1)無機酸化物(但し酸化チタンを除く)を複合してもよい酸化チタンを核とし、該核の外側に酸化ケイ素の殻を有するコアシェル型微粒子100質量部に対して、下記一般式(I)及び下記一般式(II)で表される表面処理成分の双方により、該表面処理成分の合計量11〜200質量部において処理されてなる表面処理酸化チタン、
    1Si(OR23 (I)
    (式(I)中において、R1は(メタ)アクリル基を有してもよい炭素数1以上15以下の有機基、R2は炭素数1以上4以下のアルキル基を表す。)
    (R34 2Si)2NH (II)
    (式(II)中において、R3は(メタ)アクリル基を有してもよい炭素数1以上15以下の有機基、R4は炭素数1以上6以下のアルキル基を表す。)
    (2)光重合性モノマー及び/又はオリゴマー、
    (3)光開始剤
    を含むことを特徴とする光硬化性塗料。
  2. 一般式(I)の表面処理剤と一般式(II)の表面処理剤の処理量割合が、質量比として10:190〜199:1である請求項1に記載の光硬化性塗料。
  3. 表面処理酸化チタンが、
    コアシェル型微粒子の水分散液を準備する工程(A)、水と完全には相溶せず2相系を形成するアルコールを添加する工程(B)、下記一般式(I)で示されるシラン化合物及び/又は同シラン化合物の(部分)加水分解縮合物を添加する工程(C)、マイクロ波を照射する工程(D)、有機溶媒を添加する工程(E)、共沸蒸留によって水を留去する工程(F)、必要に応じて水を1,000ppm以下まで除去する工程(G)、及び下記一般式(II)で示されるシラン化合物と反応させる工程(H)
    を含む工程によって製造されることを特徴とする請求項1又は2に記載の光硬化性塗料。
    1Si(OR23 (I)
    (式(I)中において、R1は(メタ)アクリル基を有してもよい炭素数1以上15以下の有機基、R2は炭素数1以上4以下のアルキル基を表す。)
    (R34 2Si)2NH (II)
    (式(II)中において、R3は(メタ)アクリル基を有してもよい炭素数1以上15以下の有機基、R4は炭素数1以上6以下のアルキル基を表す。)
  4. 工程(A)で準備されるコアシェル型微粒子の水分散液が、スズ並びにマンガンを固溶した正方晶系酸化チタン固溶体微粒子を核とし、核の外側に酸化ケイ素の殻を有するコアシェル型正方晶系酸化チタン固溶体水分散液であって、動的光散乱法で測定した該核微粒子の体積平均50%累計分布径が30nm以下で、該コアシェル型微粒子の50%累計分布径が50nm以下であり、前記スズ成分の固溶量が、チタンとのモル比(Ti/Sn)で10〜1,000、前記マンガン成分の固溶量が、チタンとのモル比(Ti/Mn)で10〜1,000であることを特徴とする請求項3に記載の光硬化性塗料。
  5. 一般式(I)で示される表面処理成分が、3−アクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン又は3−メタクリロイルオキシプロピルトリメトキシシランであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の光硬化性塗料。
  6. 塗膜を5μmの厚みで石英板上に形成した際の塗膜の曇価が2以下であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の光硬化性塗料。
  7. 塗膜を5μmの厚みで石英板上に形成した際の塗膜の500nmにおける光透過率が80%以上であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の光硬化性塗料。
  8. 塗膜を5μmの厚みで石英板上に形成した際の塗膜の300nmにおける光透過率が10%以下であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の光硬化性塗料。
  9. 基材の少なくとも一方の面に請求項1乃至8のいずれか1項に記載の光硬化性塗料硬化塗膜を形成させてなることを特徴とする積層体。
  10. 基材がポリカーボネートであることを特徴とする請求項9に記載の積層体。
  11. 塗膜をASTM1044に準じたテーバー摩耗試験した際に10以下の値を示すことを特徴とする請求項9又は10に記載の積層体。
  12. 塗膜に対し1m2当たり300MJの紫外光照射した前後のイエローインデックスの差が10以下であることを特徴とする請求項9乃至11のいずれか1項に記載の積層体。
  13. 塗膜に対し1m2当たり300MJの紫外光照射した前後の曇価の差が10未満であることを特徴とする請求項9乃至12のいずれか1項に記載の積層体。
  14. 請求項9乃至13のいずれか1項に記載の積層体からなることを特徴とする自動車ヘッドランプ被覆用シート。
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