JP2020100692A - 被覆された酸化ジルコニウムナノ粒子と極性溶媒と親水性樹脂を含む組成物 - Google Patents
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Description
[1]R1−COOH、(R1O)3-n−P(O)−(OH)n、(R1)3-n−P(O)−(OH)n、(R1O)−S(O)(O)−(OH)、R1−S(O)(O)−(OH)、(R1)4-m−Si(R4)mからなる群より選択される1以上の化合物で被覆されている酸化ジルコニウムナノ粒子と、
極性溶媒と、
親水性樹脂を含む組成物であって、
前記R1は、酸素原子、窒素原子および硫黄原子からなる群より選ばれる1以上の元素と炭素原子とを含み、前記R1中の炭素原子、酸素原子、窒素原子および硫黄原子の総原子数が8以下の基であり、前記R4はハロゲン原子又は−OR2であり、前記R2は水素原子又はアルキル基であり、前記nは1または2、前記mは1〜3の整数であり、
前記親水性樹脂の炭素原子数に対する酸素原子数の比(酸素原子数/炭素原子数)が1/3以下であることを特徴とする組成物。
[2]前記R1中、炭素原子数に対する酸素原子、窒素原子及び硫黄原子の和の比(酸素原子、窒素原子及び硫黄原子の和/炭素原子数)が1/7以上1/1以下である[1]に記載の組成物。
[3]前記化合物中、炭素原子数に対する酸素原子数の比(酸素原子数/炭素原子数)が1/6超1/0.2以下である[1]または[2]に記載の組成物。
[4]被覆された酸化ジルコニウムナノ粒子の平均粒子径が1〜100nmである[1]〜[3]のいずれかに記載の組成物。
親水性樹脂と良好に混合させるための溶媒としては、極性溶媒を用いることが重要であり、本発明における被覆された酸化ジルコニウムナノ粒子は、基R1を有するR1−COOH、(R1O)3-n−P(O)−(OH)n、(R1)3-n−P(O)−(OH)n、(R1O)−S(O)(O)−(OH)、R1−S(O)(O)−(OH)、(R1)4-m−Si(R4)mからなる群より選択される化合物(以下、単に「化合物(1)」と総称する場合がある)で被覆されているため、水、アルコール等の極性溶媒に対する分散性が高まる。前記R1は、酸素原子、窒素原子および硫黄原子からなる群より選ばれる1以上の元素と炭素原子とを含み、前記R1中の炭素原子、酸素原子、窒素原子および硫黄原子の総原子数が8以下の基であり、前記R4はハロゲン原子又は−OR2であり、前記R2は水素原子又はアルキル基であり、前記nは1または2、前記mは1〜3の整数である。
(R3)2=4*(D1−D2)2+(P1−P2)2+(H1−H2)2
〔式中、D1、P1、H1は物質1のHSPパラメータであり、D2、P2、H2は物質2のHSPパラメータである。〕
前記鎖式炭化水素基は、飽和または不飽和のいずれも好ましく、より好ましくは飽和である。また前記鎖式炭化水素基は、直鎖状または分岐状のいずれも好ましく、より好ましくは直鎖状である。前記鎖式炭化水素基は、好ましくは飽和鎖式炭化水素基であり、より好ましくは直鎖状の飽和鎖式炭化水素基である。
前記環式炭化水素基は、飽和または不飽和のいずれも好ましい。
前記カルボン酸塩含有組成物と前記酸化ジルコニウム前駆体とを反応させるには、水溶液同士又は水溶液と有機溶媒を混合させるのが好ましい。反応温度は水溶液を保持できる温度であれば特に問わないが、室温から100℃が好ましく、40℃〜80℃がより好ましい。
(ii)の実施形態では、事前に調製したカルボン酸(2)のジルコニウム塩を用いるものである。上記の様な煩雑な工程を経ることなく、水熱反応に供することが出来る利点がある。但し、容易に入手できる化合物が限られているため、目的とする有機基で被覆された酸化ジルコニウム粒子が得られないことがある。
前記(i)〜(iii)の少なくとも1種を水熱反応に供することで酸化ジルコニウムナノ粒子組成物が得られる。前記(i)〜(iii)だけでは、粘度が高く水熱反応が効率的に進行しない場合には、該(i)〜(iii)に対して良好な溶解性を示す有機溶媒を添加するとよい。
本発明における極性溶媒としては、水に対するHSP距離が、好ましくは40(MPa)1/2以下、より好ましくは35(MPa)1/2以下、更に好ましくは30(MPa)1/2以下であり、下限は特に限定されないが、通常0(MPa)1/2以上であることが好ましい。このような極性溶媒としては、例えば水;メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、エチレングリコールなどのアルコール類;酢酸エチル、酢酸プロピルなどのエステル類;ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドンなどのアミド類を挙げることができる。極性溶媒は、1種のみを用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。好ましい極性溶媒は、水、アルコール類、及びエステル類の少なくとも1種であり、より好ましくは水及びアルコール類の少なくとも1種であり、更に好ましくは、水、メタノール及びエタノールの少なくとも1種である。
本発明の親水性樹脂は、炭素原子数に対する酸素原子数の比(酸素原子数/炭素原子数)が1/3以下であり、例えばN−ビニルピロリドン、ビニルイミダゾールの単独重合体、または共重合体;ジメチル(メタ)アクリルアミド、ジエチル(メタ)アクリルアミド、イソプロピル(メタ)アクリルアミド等のN−アルキル(メタ)アクリルアミドの単独重合体、または共重合体;ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレートのハロゲン化アルキル四級塩の単独重合体、または共重合体;ジメチルアミノメチル(メタ)アクリルアミド、ジメチルアミノエチル(メタ)アクリルアミド、ジメチルアミノプロピル(メタ)アクリルアミド等の三級アミンを有する(メタ)アクリルアミド及びその四級塩の単独重合体、または共重合体;(メタ)アクリロイルモルフォリンの単独重合体、または共重合体;のような不飽和結合含有モノマーの単独重合体、または共重合体や、ポリエチレンイミンが挙げられ、N−ビニルピロリドン、ビニルイミダゾールの単独重合体、または共重合体が好ましく、特にN−ビニルピロリドンの単独重合体、または共重合体が好ましい。共重合体の場合、共重合させるモノマーは、共重合体組成として炭素原子に対する酸素原子の比が1/3以下を満たし、かつ水溶性となるものであればよい。炭素原子数に対する酸素原子数の比(酸素原子数/炭素原子数)は1/4以下が好ましく、下限は特に限定されず0であってもよい。前記親水性樹脂のガラス転移温度Tgは100℃以上であることが好ましく、より好ましくは120℃以上であり、更に好ましくは140℃以上であり、ガラス転移温度Tgが高い親水性樹脂を用いることで、使用時に高温となるデバイスにも使用しやすい点で有利である。前記ガラス転移温度Tgの上限は特に限定されないが、例えば200℃であってもよい。前記親水性樹脂の重量平均分子量は、例えば5,000〜1,500,000である。
酸化ジルコニウムナノ粒子の結晶構造は、X線回折装置(リガク社製、RINT−TTRIII)を用いて解析した。測定条件は以下の通りである。
X線源:CuKα(0.154nm)
X線出力設定:50kV、300mA
サンプリング幅:0.0200°
スキャンスピード:10.0000°/min
測定範囲:10〜75°
測定温度:25℃
X線回折装置(リガク社製、RINT−TTRIII)を用いて算出される値を元に、計算ソフト(リガク社製、PDXL)を用いて参照強度比法(RIP法)により定量した(ピークの帰属も計算ソフトの指定に従った)。
酸化ジルコニウムナノ粒子の結晶子径は、X線回折装置(リガク社製、RINT−TTRIII)によって解析及び算出される30°のピークの半値幅を元に、計算ソフト(リガク社製、PDXL)を用いて算出した。
なお、X線回折測定では酸化ジルコニウムナノ粒子の立方晶と正方晶を区別することが難しく、立方晶が存在する場合でもその割合は正方晶の割合としてカウントされる。
TG−DTA(熱重量−示差熱分析)装置により、空気雰囲気下、室温から800℃まで10℃/分で酸化ジルコニウムナノ粒子を昇温し、該粒子の重量(質量)減少率を測定した。この重量(質量)減少率により、酸化ジルコニウムナノ粒子を被覆している被覆剤の割合を知ることができる。
被覆された酸化ジルコニウム粒子の平均一次粒子径は、超高分解能電界放出型走査電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ社製、S−4800)で観察することによって測定した。倍率15万倍で被覆された酸化ジルコニウム粒子を観察し、任意の100個の粒子について、各粒子の長軸方向の長さを測定し、その平均値を平均一次粒子径とした。
下記実施例で、調製直後の組成液、及び23℃の条件下、14日経過した後の組成液について、光路長1cmのセルに組成液を充填し、濁度計(日本電色工業社製、NDH−7000)にて、可視光透過率及びヘイズを測定した。
下記実施例で得られた組成液を、ガラス基板上に塗布し、乾燥することで、膜厚が200μmの膜を得た。ガラス基板ごと、上記(vi)と同様の濁度計を用いて可視光透過率とヘイズを測定した。
(1)2−エチルヘキサン酸及び/又は2−エチルヘキサン酸由来のカルボキシレートで被覆された酸化ジルコニウムナノ粒子(被覆された酸化ジルコニウム粒子1)の作製
2−エチルヘキサン酸ジルコニウムミネラルスピリット溶液(90.4g、2−エチルヘキサン酸ジルコニウム含有率44質量%、第一稀元素化学工業社製)に純水(15.5g)を混合し、200mLの水熱合成容器に仕込んだ。この容器を190℃まで加熱し、該温度で16時間保持して反応させた。水熱合成の際の圧力は、1.3MPaG(ゲージ圧)であった。反応後、水熱合成反応溶液から水を分液して取り除いた。
水を除去した後の水熱合成反応液上層50gとメトキシ酢酸(エタノールに対するR1のハンセン溶解度パラメータ(HSP)距離は14(MPa)1/2)5gを60℃で30分撹拌混合した。次いで、n−ヘキサンを添加した後に凝集粒子を濾過により分離した。その後、分離した凝集粒子をn−ヘキサン中に添加、10分撹拌後、凝集粒子を濾過により分離し、得られた粒子を室温にて真空乾燥することで、メトキシ酢酸で被覆された酸化ジルコニウムナノ粒子2を得た。
1gの被覆された酸化ジルコニウム粒子2と、1gの水を混合し、均一になるまで撹拌することで、被覆された酸化ジルコニウム粒子2の水分散液を得た。
ポリビニルピロリドン((株)日本触媒製、K−30、重量平均分子量100,000)の20質量%水溶液5gに、前記した水分散液10gを配合し、均一になるまで撹拌することで、被覆された酸化ジルコニウムナノ粒子2と水とポリビニルピロリドンを含む組成液1を得た。前記組成液1中の、被覆された酸化ジルコニウムナノ粒子2に対するポリビニルピロリドンの質量比(ポリビニルピロリドン/被覆された酸化ジルコニウムナノ粒子2)は0.2であった。
ポリビニルピロリドン((株)日本触媒製、K−30)の20質量%水溶液10gに、実施例1の(3)で得られた被覆された酸化ジルコニウム粒子2の水分散液4gを配合し、均一になるまで撹拌することで、被覆された酸化ジルコニウムナノ粒子2と水とポリビニルピロリドンを含む組成液2を得た。前記組成液2中の、被覆された酸化ジルコニウムナノ粒子2に対するポリビニルピロリドンの質量比(ポリビニルピロリドン/被覆された酸化ジルコニウムナノ粒子2)は1であった。
ポリビニルピロリドン((株)日本触媒製、K−30)の20質量%水溶液12gに、実施例1の(3)で得られた被覆された酸化ジルコニウム粒子2の水分散液0.96gを配合し、均一になるまで撹拌することで、被覆された酸化ジルコニウムナノ粒子2と水とポリビニルピロリドンを含む組成液3を得た。前記組成液3中の、被覆された酸化ジルコニウムナノ粒子2に対するポリビニルピロリドンの質量比(ポリビニルピロリドン/被覆された酸化ジルコニウムナノ粒子2)は5であった。
ポリビニルピロリドン((株)日本触媒製、K−85、重量平均分子量:1,050,000)の20質量%水溶液5gに、実施例1の(3)で得られた被覆された酸化ジルコニウム粒子2の水分散液10gを配合し、均一になるまで撹拌することで、被覆された酸化ジルコニウムナノ粒子2と水とポリビニルピロリドンを含む組成液4を得た。前記組成液4中の、被覆された酸化ジルコニウムナノ粒子2に対するポリビニルピロリドンの質量比(ポリビニルピロリドン/被覆された酸化ジルコニウムナノ粒子2)は0.2であった。
ポリビニルピロリドン((株)日本触媒製、K−85)の20質量%水溶液10gに、実施例1の(3)で得られた被覆された酸化ジルコニウム粒子2の水分散液4gを配合し、均一になるまで撹拌することで、被覆された酸化ジルコニウムナノ粒子2と水とポリビニルピロリドンを含む組成液5を得た。前記組成液5中の、被覆された酸化ジルコニウムナノ粒子2に対するポリビニルピロリドンの質量比(ポリビニルピロリドン/被覆された酸化ジルコニウムナノ粒子2)は1であった。
ポリビニルピロリドン((株)日本触媒製、K−85)の20質量%水溶液12gに、実施例1の(3)で得られた被覆された酸化ジルコニウム粒子2の水分散液0.96gを配合し、均一になるまで撹拌することで、被覆された酸化ジルコニウムナノ粒子2と水とポリビニルピロリドンを含む組成液6を得た。前記組成液6中の、被覆された酸化ジルコニウムナノ粒子2に対するポリビニルピロリドンの質量比(ポリビニルピロリドン/被覆された酸化ジルコニウムナノ粒子2)は5であった。
Claims (4)
- R1−COOH、(R1O)3-n−P(O)−(OH)n、(R1)3-n−P(O)−(OH)n、(R1O)−S(O)(O)−(OH)、R1−S(O)(O)−(OH)、(R1)4-m−Si(R4)mからなる群より選択される1以上の化合物で被覆されている酸化ジルコニウムナノ粒子と、
極性溶媒と、
親水性樹脂を含む組成物であって、
前記R1は、酸素原子、窒素原子および硫黄原子からなる群より選ばれる1以上の元素と炭素原子とを含み、前記R1中の炭素原子、酸素原子、窒素原子および硫黄原子の総原子数が8以下の基であり、前記R4はハロゲン原子又は−OR2であり、前記R2は水素原子又はアルキル基であり、前記nは1または2、前記mは1〜3の整数であり、
前記親水性樹脂の炭素原子数に対する酸素原子数の比(酸素原子数/炭素原子数)が1/3以下であることを特徴とする組成物。 - 前記R1中、炭素原子数に対する酸素原子、窒素原子及び硫黄原子の和の比(酸素原子、窒素原子及び硫黄原子の和/炭素原子数)が1/7以上1/1以下である請求項1に記載の組成物。
- 前記化合物中、炭素原子数に対する酸素原子数の比(酸素原子数/炭素原子数)が1/6超1/0.2以下である請求項1または2に記載の組成物。
- 被覆された酸化ジルコニウムナノ粒子の平均粒子径が1〜100nmである請求項1〜3のいずれかに記載の組成物。
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