JP2020100771A - 透明塗膜形成用組成物 - Google Patents

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Abstract

【課題】ポリシラザンの溶解性が高く、塗布時に適切な速さで揮発し、安全性・作業性が高い有機溶剤を用いたポリシラザン含有透明塗膜形成用組成物であって、硬化後に均質で高い透明性及び硬度を有する塗膜を形成する透明塗膜形成用組成物を提供する。【解決手段】透明塗膜形成用組成物であって、特定のポリシラザンと、(B)下記(B−1)および(B−2)を含む有機溶剤と、(B−1)比誘電率が平均2.1〜15.0の範囲であり、(B−2)成分として含まれる有機溶剤よりも大気圧(1013hPa)下での沸点が高いものを含む有機溶剤、および(B−2)飽和脂肪族炭化水素系有機溶剤、(C)所定の硬化触媒と、を少なくとも含み、(A)成分と(B)成分の混合比率が、所定の範囲を満たす透明塗膜形成用組成物。【選択図】なし

Description

本発明は、透明で均一なガラス質塗膜を形成でき、かつ、作業性、硬化性に優れた透明塗膜形成用組成物に関する。
車体や建物外壁などは常に自然環境に曝されるため室内環境と比べて汚れやすいことから、汚れが付着しにくい、もしくは付着した汚れが落ちやすいコーティングを施すことが一般的である。従来はアクリルやウレタン等の有機系塗料やシリコーン系塗料が使用されているが、飛び石などによる擦過傷がつきやすい屋外環境ではこれらの塗料による塗膜では硬度が不十分である。また、この傷に汚れが付着してしまうと洗浄が困難になる場合もある。
これらの問題を解決するために最近では塗膜がガラス質である塗料が使われるようになってきた。しかし、実際はシリカ粒子を有機樹脂に混ぜたものやシラザン構造を有する化合物を一部使用したのみのものが主流であり、簡便な施工方法でシリカガラス同等の硬度や膜質を得られるものはほとんどなかった。被塗装面の外観を維持したまま防汚や高硬度化を施すにはガラス塗膜を形成することが望ましい。しかし、屋外環境下にある車体や建物外壁に均質なガラス膜を形成する方法はほとんどなく、塗布工程や硬化工程を考慮すると、ペルヒドロポリシラザン溶液を使用することが現状では最も簡便である(例えば特許文献1参照)。しかし、従来の塗料で低臭気性を謳ったものはペルヒドロポリシラザン含有量が少なく、一度の塗布では薄い塗膜しか得られない問題がある。
ペルヒドロポリシラザンは、有機EL表示装置などの半導体表示装置や電子ディスプレイの防湿膜、また半導体やLEDなどの装置における層間絶縁膜、パッシベーション膜、保護膜、平坦化膜等の形成材料として様々な用途に検討されており、これらの膜はペルヒドロポリシラザンとそれを溶解させる溶媒とを含むコーティング液を基材上に塗布後、硬化処理を施し、ペルヒドロポリシラザンをシリカ質膜に転化させることにより形成されている(例えば、特許文献2〜5参照)。従来、ペルヒドロポリシラザンが溶解する溶剤として主に使用されているのはトルエン、キシレン、ジブチルエーテルなどが挙げられる。しかし、トルエンやキシレンなどの芳香族炭化水素系溶剤は健康に対する有害性が指摘されており、必ずしも安全であるとは言いがたい。また、上記の溶剤は独特の臭気を伴うため、多量に使用すると作業者によっては不快に感じることがある。匂いは長期間作業を行う作業者にとって無視できない項目であり、仮に作業者にとって不快な匂いを長時間吸引すると頭痛、眩暈、吐き気、食欲不振を催し、場合によっては嘔吐する場合もある。そこで、安全性と低臭気性を持つ優れた溶剤として脂肪族炭化水素系溶剤が挙げられるが、これらの溶剤はペルヒドロポリシラザンの溶解性に乏しいためごく少量であれば混和するが、多量に混合すると即座に白色の濁り及び沈殿を生じる。さらに室温で硬化させるための触媒を添加すると白化が顕著になるため、脂肪族炭化水素系溶剤を単体で使用する場合には用途に応じて任意の濃度で混和することができず塗料として使用することは難しい。溶剤への溶解性はペルヒドロポリシラザンを有機基で置換することで改善させることができるが、ペルヒドロポリシラザン硬化物が持つシリカガラス質の特性は低下してしまうため好ましくない。また、塗料として使用するためには塗布する間の一定時間中に硬化せず、かつ、塗布し終わったら速やかに常温で硬化する必要がある。この時、硬化が早過ぎると溶剤が乾く前に重合反応が進行し、高分子化して溶解できなくなったポリマーが析出することで塗膜の白化が起こる場合がある。この白化現象は塗膜の外観不良を引き起こすのみならず、塗膜強度などの種々の特性も著しく低下させる恐れがあるため好ましくない。逆に硬化速度が遅すぎる場合は塗膜にごみが付着する可能性が高まるため適切な速さで固まる必要がある。これらの理由からシリカガラス様の特性、溶剤の安全性および低臭気性の両立、作業性および均質で透明な塗膜を同時に得ることは困難であり、これらの問題を解決するため、上記課題を達成する透明塗膜形成用組成物の提供が待たれている。
国際公開WO2002/088269号公報 特開2011−54898号公報 特開2005−45230号公報 特開平9−031333号公報 特開平9−275135号公報
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、ポリシラザンの溶解性が高く、塗布時に適切な速さで揮発し、かつ、低毒性、弱臭気などの安全性・作業性が高い有機溶剤を用いたポリシラザン含有透明塗膜形成用組成物であって、硬化後に均質で高い透明性及び硬度を有する塗膜を形成する透明塗膜形成用組成物を提供することを目的とする。
上記課題を達成するために、本発明では、透明塗膜形成用組成物であって、
(A)下記式(1)で示される単位及び下記式(2)で示される単位を有し、前記式(1)におけるSi−H結合の数と前記式(2)におけるSi−H結合の数と前記式(2)におけるSi−R結合の数との合計数に対する前記式(2)におけるSi−R結合の数の比が0.01〜0.1であり、重量平均分子量が100〜1,000,000の範囲内であるポリシラザンと、
Figure 2020100771
Figure 2020100771
(式中、Rは炭素数1〜6の脂肪族炭化水素基、炭素数6〜12の芳香族炭化水素基、炭素数1〜6のアルコキシ基から選ばれる基であり、ポリシラザン1分子中でRは同一であっても異なっていてもよい。)
(B)下記(B−1)および(B−2)を含む有機溶剤と、
(B−1)比誘電率が平均2.1〜15.0の範囲であり、下記(B−2)成分として含まれる有機溶剤よりも大気圧(1013hPa)下での沸点が高いものを含む有機溶剤、および
(B−2)飽和脂肪族炭化水素系有機溶剤、
(C)1分子中に1個以上のアルコキシシリル基及び1個以上のアミノ基を有する有機ケイ素化合物である硬化触媒と、
を少なくとも含み、前記(A)成分と前記(B)成分の混合比率が、質量比で(A)成分/[(A)成分+(B)成分]=0.005〜0.2を満たすものであることを特徴とする透明塗膜形成用組成物を提供する。
このような透明塗膜形成用組成物であれば、ポリシラザンの溶解性が高く、塗布時に適切な速さで揮発し、かつ、低毒性、弱臭気などの安全性・作業性が高い有機溶剤を用いたポリシラザン含有透明塗膜形成用組成物であって、硬化後に均質で高い透明性及び硬度を有する塗膜を形成できる。
また、前記式(2)のRがメチル基であることが好ましい。
変性基としてメチル基を有するポリシラザンであれば、調製がより容易なものとなる。
また、前記(B−1)成分が2種以上の溶剤からなり、そのうち少なくとも1種が1分子中に1個以上のエーテル基もしくはカルボキシル基を持つものであることが好ましい。
さらに、前記(B−1)成分が2種以上の溶剤からなり、そのうちの少なくとも1種が1分子中に2個以上のエーテル基を有するものであることが好ましい。
このような官能基を有する有機溶剤を用いることによって、塗膜の均一性の改善および白化防止といった効果をより好適に得ることができる。
また、JIS 5600−1−1:1999記載の23℃×50%Rhにおける指触乾燥状態になる時間が30分以下であることが好ましい。
このような透明塗膜形成用組成物であれば、上記条件においても、作業性が良好であり、透明で均一な塗膜を短時間で得ることができる。
上記のように、本発明の透明塗膜形成用組成物は、有機変性したポリシラザンと2種類以上の有機溶剤および硬化触媒を含む透明塗膜形成用組成物であって、ポリシラザンが良く溶解し、適切な速さで揮発する有機溶剤を用いることで、塗膜の白化などがないため透明な塗膜を得ることができ、なおかつ、安全性の向上や不快なにおいの低減が可能である。そのため従来よりも作業性に優れる透明塗膜形成用組成物を得ることができる。
上述のように、ポリシラザンの溶解性が高く、塗布時に適切な速さで揮発し、かつ、低毒性、弱臭気などの安全性・作業性が高い有機溶剤を用いたポリシラザン含有透明塗膜形成用組成物であって、硬化後に均質で高い透明性及び硬度を有する塗膜を形成する透明塗膜形成用組成物の開発が求められていた。
本発明者は、上記課題について鋭意検討を重ねた結果、所定の範囲の変性率を満たすポリシラザン及び所定の2種類以上の有機溶剤を、所定の混合比率で含み、さらに所定の硬化触媒を含む透明塗膜形成用組成物であれば、これらの有機溶剤はポリシラザンを良く溶解し、適切な速さで揮発でき、かつ、安全性・作業性が高いことを見出した。また、このような透明塗膜形成用組成物であれば、硬化後に均質で高い透明性及び硬度を有する塗膜を形成できることを見出し、本発明を完成させた。
即ち、本発明は、透明塗膜形成用組成物であって、
(A)下記式(1)で示される単位及び下記式(2)で示される単位を有し、前記式(1)におけるSi−H結合の数と前記式(2)におけるSi−H結合の数と前記式(2)におけるSi−R結合の数との合計数に対する前記式(2)におけるSi−R結合の数の比が0.01〜0.1であり、重量平均分子量が100〜1,000,000の範囲内であるポリシラザンと、
Figure 2020100771
Figure 2020100771
(式中、Rは炭素数1〜6の脂肪族炭化水素基、炭素数6〜12の芳香族炭化水素基、炭素数1〜6のアルコキシ基から選ばれる基であり、ポリシラザン1分子中でRは同一であっても異なっていてもよい。)
(B)下記(B−1)および(B−2)を含む有機溶剤と、
(B−1)比誘電率が平均2.1〜15.0の範囲であり、下記(B−2)成分として含まれる有機溶剤よりも大気圧(1013hPa)下での沸点が高いものを含む有機溶剤、および
(B−2)飽和脂肪族炭化水素系有機溶剤、
(C)1分子中に1個以上のアルコキシシリル基及び1個以上のアミノ基を有する有機ケイ素化合物である硬化触媒と、
を少なくとも含み、前記(A)成分と前記(B)成分の混合比率が、質量比で(A)成分/[(A)成分+(B)成分]=0.005〜0.2を満たすものであることを特徴とする透明塗膜形成用組成物である。
以下、本発明について詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
<透明塗膜形成用組成物>
本発明の透明塗膜形成用組成物は、上述したように、下記の(A)成分であるポリシラザンと、(B−1)成分および(B−2)成分を含む有機溶剤と、(C)成分である硬化触媒を必須成分として少なくとも含むものである。
[(A)成分:ポリシラザン]
本発明におけるポリシラザンは、下記式(1)で示される単位及び下記式(2)で示される単位を有し、前記式(1)におけるSi−H結合の数と前記式(2)におけるSi−H結合の数と前記式(2)におけるSi−R結合の数との合計数に対する前記式(2)におけるSi−R結合の数の比(以下、「SiR/(SiR+SiH)」とも表す)が0.01〜0.1であり、重量平均分子量が100〜1,000,000の範囲内であるポリシラザンである。
Figure 2020100771
Figure 2020100771
(式中、Rは炭素数1〜6の脂肪族炭化水素基、炭素数6〜12の芳香族炭化水素基、炭素数1〜6のアルコキシ基から選ばれる基であり、ポリシラザン1分子中でRは同一であっても異なっていてもよい。)
本発明におけるポリシラザンのSiR/(SiR+SiH)は、0.01以上0.05以下であることが好ましい。この比が0.01より小さいと有機溶剤に対する溶解性が乏しくなる。また、0.1より大きいと硬化後の膜の特性がペルヒドロポリシラザンによるシリカガラス膜に比べて低下するため好ましくない。
また、上記の範囲内であれば、硬化後にペルヒドロポリシラザン硬化膜と同等の特性を持つシリカガラス様の硬化物を生成することができる。この特性とは、例えば硬度、ガスバリア性、光透過性、耐熱性などが挙げられ、一般的にこれらの特性はペルヒドロポリシラザンに対して有機基で変性された割合が増えるほど低下する傾向にある。
前記式(2)中のRは、炭素数1〜6、好ましくは1〜3の脂肪族炭化水素基、炭素数6〜12、好ましくは6〜8の芳香族炭化水素基、炭素数1〜6、好ましくは1〜3のアルコキシ基から選ばれる基であり、例えばメチル基、エチル基、フェニル基、メトキシ基、エトキシ基などが挙げられ、好ましくはメチル基である。式(2)のRにメチル基を有するポリシラザンであれば、より容易に調製できる。Rはポリシラザン1分子中で繰り返し単位毎に適宜選択することができ、同一であっても異なっていてもよい。
本発明におけるポリシラザンは、塗布時の作業性の観点からTHF(テトラヒドロフラン)を溶離液とし、ゲルパーミエーションクロマトグラフィ(GPC)で測定した重量平均分子量が100〜1,000,000であり、好ましくは1,000〜500,000、より好ましくは3,000〜50,000の範囲内である。重量平均分子量が100未満であれば、揮発性が高いため、有機溶剤の乾燥及び硬化処理時に塗膜の膜質が劣化する恐れあるため好ましくない。また、1,000,000を超えると、有機溶剤に対して十分に溶解しないため、塗布後の溶剤乾燥工程で不均一に析出する恐れがあるため好ましくない。
なお、本発明中で言及する重量平均分子量とは、下記条件で測定したゲルパーミエーションクロマトグラフィ(GPC)によるポリスチレンを標準物質とした重量平均分子量を指すこととする。
[測定条件]
展開溶媒:テトラヒドロフラン(THF)
流量:0.6mL/min
検出器:UV検出器
カラム:TSK Guardcolumn SuperH−L
TSKgel SuperMultiporeHZ−M(4.6mmI.D.×15cm×4)
(いずれも東ソー社製)
カラム温度:40℃
試料注入量:20μL(濃度0.5重量%のTHF溶液)
本発明の(A)成分であるポリシラザンは、空気中の水分と反応して容易に加水分解するため、取扱いを容易にするために後述する(B−1)成分の全部または一部を用いて希釈して用いることが望ましい。
[(B)成分:有機溶剤]
本発明で用いるポリシラザンの希釈溶剤としては、(B−1)比誘電率が平均2.1〜15.0の範囲内の有機溶剤、および(B−2)飽和脂肪族炭化水素系有機溶剤の混合溶剤を用いることができる。なお、(B−1)成分は、(B−2)成分として含まれる有機溶剤よりも大気圧(1013hPa)下での沸点が高いものを含む。
ここで(B−1)成分は塗膜の均一性の改善および白化防止を目的としたものであり、(B−2)成分は低臭気および低環境負荷を目的としたものである。これらを併用することによって、作業性に優れ、透明なポリシラザンの硬化被膜が得られる塗膜形成用組成物となる。
(B−1):比誘電率が平均2.1〜15.0の範囲内の有機溶剤
溶剤に対するポリマーの溶解性は一般的には溶解パラメーター(SP値)により判定する。しかし、ポリシラザンは正確な構造が判明しておらず溶解パラメーターを計算することが困難である。また、仮に構造が判別できたとしても合成のたびに構造の解析と溶解度パラメーターの計算をすることは効率的な方法とは言えない。そこで、本発明者は、溶解度パラメーターの代わりに比誘電率を指標として溶剤を選定することでポリシラザンの溶解性を簡便に判別できることを見出した。検討の結果、本発明で用いる(A)成分のポリシラザンは比誘電率が2.1以上の溶剤に溶解し、特に3.0以上の溶剤に任意の割合で溶解することが判明した。
一方、比誘電率が高くなれば一般的に分子の極性が大きくなり吸湿しやすくなる傾向にあることが知られている。ポリシラザンは水分により重合反応および硬化反応が促進されることが知られており、吸湿性が高い溶剤を使用すると保存安定性が低下する。
他方、臭気の少ない脂肪族炭化水素などの有機溶剤は比誘電率が低く、ポリシラザンの溶剤として使用すると塗布後の乾燥工程で溶解しきれなくなったポリシラザンが析出し、白化などの外観不良や塗膜の不均一化を引き起こす。
そのため、本発明で用いる有機溶剤(B−1)の比誘電率は、ポリシラザン化合物の溶解性を考慮して、平均2.1以上15.0以下であり、より好ましくは3.0以上5.0以下である。比誘電率が2.1未満ではポリシラザンの溶解性が不十分となり、比誘電率が15.0を超えると有機溶剤中に含まれる水分によって、ポリシラザン化合物が加水分解してしまう恐れがある。
(B−1)成分として用いる有機溶剤は、1種単独でも2種以上を併用してもよく、好ましくは2種以上、さらに好ましくは2種または3種を併用して用いることが好ましい。
なお、2種以上の有機溶剤を併用する場合は、各有機溶剤の比誘電率の加重平均値を(B−1)成分全体の比誘電率とみなす。例えば、A,B2種の有機溶剤を(B−1)成分として併用する場合、有機溶剤Aの比誘電率をε、配合量をwとし、有機溶剤Bの比誘電率をε、配合量をwとすると、混合有機溶剤全体の比誘電率εは下記式、
ε=(ε×w+ε×w)/(w+w
によって求めることができる。なお、ε、ε共に上記比誘電率の範囲内であることを前提とする。
比誘電率が2.1以上15.0以下の有機溶剤は例えば、1−オクテン、1−ノネン、1−デセン、1−ドデセン、β−ミルセンなどのアルケン化合物、シクロヘキセンなどのシクロアルケン化合物、p−メンタン、d−リモネン、l−リモネン、ジペンテンなどのテルペン化合物、酢酸n−プロピル、酢酸イソプロピル、酢酸n−ブチル、酢酸イソブチル、酢酸イソアミル、アセト酢酸エチル、カプロン酸エチルなどのエステル化合物、ジエチルエーテル、ブチルエーテルなどのアルキルエーテル化合物、ビス(2‐メトキシエチル)エーテル、ビス(2‐エトキシエチル)エーテル、ビス(2‐ブトキシエチル)エーテルなどのグリコールエーテル化合物などが挙げられる。その中から組み合わせる有機溶剤や目的とする指触乾燥時間などによって最適なものを選択できる。特に、(B−1)成分が2種以上の溶剤からなり、そのうち少なくとも1種が1分子中に1個以上のエーテル基もしくはカルボキシル基を持つものであることが好ましく、2種以上の溶剤のうちの少なくとも1種が1分子中に2個以上のエーテル基を有するものであることがより好ましい。
また、上記のように塗布乾燥時のポリシラザンの析出を防ぐためにはポリシラザンが任意の濃度で溶解できる有機溶剤が最後に揮発しなければならない。有機溶剤が揮発する順序は組み合わせる有機溶剤によって変わるため一概には言えないが、(B−1)成分は、後述する(B−2)成分として含まれる有機溶剤よりも大気圧(1013hPa)下での沸点が高く、30℃以上沸点が高いことが好ましい。なお、(B−1)成分として2種以上を用いる場合は、そのうちの1種以上が(B−2)成分よりも沸点が高ければよい。また、2種以上の(B−2)成分を用いる場合は、そのうちの沸点が最も高い(B−2)成分よりも沸点が高ければよい。
本発明の(B−1)成分は、前述したように(A)成分であるポリシラザンの取扱い性を改善するために、その配合量の全部または一部を(A)成分の希釈溶剤として用いることが好ましい。配合量の一部を希釈溶剤として用いる場合、それ以外については、同じ種類の有機溶剤であっても、異なる種類の有機溶剤でも良い。
(B−1)成分中に含まれる水分量は、500ppm以下が好ましく、300ppm以下がより好ましい。この範囲内であれば、(A)成分のポリシラザンが前記有機溶剤中の水分で加水分解されることなく、本発明の透明塗膜形成用組成物の経時安定性等が良好となる。
なお、本発明において比誘電率は『CRC Handbook of Chemistry and Physics 98th Edition』(CRC Press社)に記載の値を採用した。また、記載されていない化合物についてはJIS C 2101:2010に記載の方法に基づいて測定を行った。
(B−2):飽和脂肪族炭化水素系有機溶剤
本発明において「飽和脂肪族炭化水素系有機溶剤」とは、飽和脂肪族炭化水素を主成分とする有機溶剤のことを指す。
有機溶剤はその分子構造により独特な臭気を発生する。この臭気は塗装時に作業性に大きな影響を与えるものである。有機溶剤が揮発する際に、作業者が有機溶剤の蒸気を吸引する可能性は高く、この時有機溶剤の匂いが不快であれば作業中に作業者が体調を崩す恐れがある。また、近隣へ臭気が拡散してしまうと、最悪の場合には公害問題に発展する可能性がある。そのため、使用する有機溶剤は可能な限り多くの人にとって不快ではない臭いを有する物質を選定することが好ましい。一般的には飽和脂肪族炭化水素化合物は無臭に近いものが多く、万人に受け入れられやすいので好ましく用いられる。
本発明で用いる飽和脂肪族炭化水素系有機溶剤は、炭素数4〜20の範囲であることが好ましく、より好ましくは炭素数5〜16であり、更に好ましくは8〜12の範囲である。
具体的には、n−ペンタン、i−ペンタン、n−ヘキサン、i−ヘキサン、n−ヘプタン、i−ヘプタン、n−オクタン、i−オクタン、2,2,4−トリメチルペンタン(イソオクタン)、n−ノナン、i−ノナン、n−デカン、i−デカン、及び2,2,4,6,6−ペンタメチルヘプタン(イソドデカン)などの飽和鎖状脂肪族炭化水素、シクロペンタン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、ジメチルシクロヘキサン、エチルシクロヘキサン、p−メンタン、およびデカヒドロナフタレンなどの飽和環状脂肪族炭化水素などが挙げられる。このほかにも複数種の飽和脂肪族炭化水素を混合した低臭気溶剤なども塗料の希釈剤や洗浄剤として市販されているためこれらを用いてもよい。また、これらの有機溶剤は単一でも2種以上を混合しても良く、作業環境や作業性により任意のものを選択できる。なお、飽和脂肪族炭化水素系有機溶剤は、純度が95%以上のものが好ましく、より好ましくは99%以上であり、この範囲を満たせば、飽和脂肪族炭化水素以外の有機化合物を含んでいてもよい。
また、(B−1)成分と(B−2)成分の配合比は特に制限はなく、塗料の塗布乾燥時にポリシラザンが析出しないことが最も重要であるが、臭気の低減や指触乾燥時間の調整などを考慮して配合することが好ましい。
本発明において、(A)成分であるポリシラザンと(B)成分である有機溶剤の配合比(混合比率:(A)成分/[(A)成分+(B)成分])(以下、「A/(A+B)」とも表す)は、質量比で0.005〜0.2を満たし、好ましくは0.01〜0.1、さらに好ましくは0.02〜0.05の範囲内である。A/(A+B)が0.005未満、つまり、ポリシラザン溶液100質量部に対してポリシラザンが0.5質量部より少ないと、組成物を塗布した際に十分な厚みの塗膜を得られない。また、A/(A+B)が0.2より大きい、つまり、ポリシラザン溶液100質量部に対してポリシラザンが20質量部より多いと、本発明の透明塗膜形成用組成物の長期保管時にポリシラザンが析出しやすくなる。
また、本発明の透明塗膜形成用組成物中の水分は500ppm以下であることが好ましく、300ppm以下であることがより好ましい。水分が500ppm以下であれば、ポリシラザンと水分とが反応しないため、発熱、水素ガスやアンモニアガスの発生、増粘、ゲル化などを引き起こす恐れがなく好ましい。
[(C)成分:硬化触媒]
本発明の透明塗膜形成用組成物には、屋外環境や耐熱性のない有機基板への塗工など、熱をかけることができない条件でも塗膜を形成できるように硬化触媒を添加する。
本発明で用いる硬化触媒は、1分子中に1個以上のアルコキシシリル基及び1個以上のアミノ基を有する有機ケイ素化合物である。このような硬化触媒を使用すれば、得られる塗膜に十分な硬度を付与することができる。前記有機ケイ素化合物の具体例としては、3−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、3−アミノプロピルトリエトキシシラン、3−(2−アミノエチルアミノ)プロピルトリメトキシシラン、3−(2−アミノエチルアミノ)プロピルメチルジエトキシシランなどのアミノシラン類が挙げられ、3−アミノプロピルトリエトキシシランなどが硬化速度と触媒作用温度の観点から好ましい。その他にもこれらの触媒を2種又は3種以上を任意の割合で添加してもよい。
本発明の透明塗膜形成用組成物は、具体的には、JIS 5600−1−1:1999記載の23℃×50%Rhにおける指触乾燥状態になる時間が30分以下となる透明塗膜形成用組成物であることが好ましく、指触乾燥状態になる時間が5〜10分であることがより好ましい。また、塗膜の23℃×50%Rhにおける硬化時間が24時間以下となることが好ましい。この範囲内であれば、前記条件においても、作業性が良好であり、透明で均一な塗膜を短時間で得ることができる。本発明における硬化時間とは鉛筆硬度5H以上の基材に作成した塗膜の鉛筆硬度が5H以上に達するまでにかかる時間のことを指す。鉛筆硬度5H以上の基板とは具体的にはガラス、SUS304、SUS430、鉄などである。
[添加物]
本発明の透明塗膜形成用組成物にはポリシラザンと有機溶剤と硬化触媒の他にも無機充填材などの添加物を含んでいても良い。無機充填材の例としては、マグネシウム、アルミニウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、亜鉛、ガリウム、ジルコニウム、ニオブ、パラジウム、白金などの金属元素を含む金属フィラー、ヒュームドシリカ、ヒュームド二酸化チタン、ヒュームドアルミナ等の補強性無機充填材、溶融シリカ、アルミナ、酸化ジルコニウム、炭酸カルシウム、ケイ酸カルシウム、二酸化チタン、酸化第二鉄、酸化亜鉛等の非補強性無機充填材などが挙げられ、その他にもヒドロシリル基、アルケニル基、アルコキシシリル基、エポキシ基から選ばれる官能性基を少なくとも2種、好ましくは2種又は3種含有するオルガノシロキサンオリゴマー、オルガノオキシシリル変性イソシアヌレート化合物およびその加水分解縮合物などの接着助剤、ジメチルシリコーンやフェニルシリコーンなどのシリコーンオイルなどが挙げられ任意の割合で添加できる。
[透明な塗膜の形成方法]
本発明の透明塗膜形成用組成物は、そのままコーティング組成物として使用できる。前記透明塗膜形成用組成物を塗布する方法としては、例えば、チャンバードクターコーター、一本ロールキスコーター、リバースキスコーター、バーコーター、リバースロールコーター、正回転ロールコーター、ブレードコーター、ナイフコーターなどを用いるロールコート法やスピンコート法、ディスペンス法、ディップ法、スプレー法、転写法、スリットコート法等が挙げられる。また、上記の塗布方法を用いることができない場合には、任意の布や紙などに前記塗膜形成用組成物を染み込ませ、手で基材に塗布する拭き上げ塗装方法を用いることもできる。
塗布対象となる基材としては、シリコン基板、ガラス基板、金属基板、樹脂基板、樹脂フィルム等が挙げられ、必要であれば半導体素子を形成する過程での半導体膜や回路などの設けられた基板などに塗布してもよい。塗膜の厚さは、膜の使用目的などにより異なるが、一般的には、硬化膜厚で、10〜100,000nm、好ましくは100〜1,000nmとされる。
こうして透明塗膜形成用組成物の塗布によりポリシラザン樹脂塗膜を形成した後、該塗膜の硬化のため塗膜を静置することが好ましい。この工程は、塗膜中に含まれる溶媒の除去と、ポリシラザンからポリシロキサン結合への交換反応を触媒により促進させることを目的とするものである。
前記静置工程は、室温(25℃)で行ってもよいし、可能であれば加熱してもよい。加熱する場合は、50〜150℃が好ましい。静置工程を行う時間は、温度、湿度などの条件によって適宜最適化されるが、少なくとも指触乾燥状態になるまで静置することが望ましい。
「指触乾燥状態」とは、JIS 5600−1−1:1999に記載されているように、塗面の中央に指先で軽く触れて、指先が汚れない状態を指す。目安としては、23℃×50%Rhで30分以内に指触乾燥状態になることが好ましく、前記条件で24時間以内に完全に硬化していることがより好ましい。
以下、合成例、実施例及び比較例を示して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。なお、下記の例で部は質量部を示し、沸点とは大気圧(1013hPa)下での沸点を指す。また、常温とはJIS Z 8703:1993に記載されたように5〜35℃の範囲の温度条件下にあることを示す。
[合成例1]
純度99%以上のジクロロシラン0.189molとメチルジクロロシラン0.02molとを、窒素ガスとともに−10℃の脱水ピリジン300ml中に撹拌しながら吹き込んだ。その後、純度99%以上のアンモニアを0.63mol吹き込み、生成した塩を加圧濾過して取り除きポリシラザン溶液を得た。このポリシラザン溶液を150℃に加熱しピリジンを150ml溜去した。次にジ−n−ブチルエーテル(以下、ジブチルエーテルと略記)を300ml加え、共沸蒸留によりピリジンを溜去し、溶液全体を100部としたときに質量比でポリシラザンが50質量部となるようにジブチルエーテルを加えて調整し、ポリシラザン含有組成物(a−1)を得た。得られたポリシラザン(A−1)の重量平均分子量は3,288であり、Si−H結合の数とSi−CH結合の数との合計数に対するSi−CH結合の数の比は、0.05であった。
[合成例2]
純度99%以上のジクロロシラン0.189molとメチルジクロロシラン0.004molとを、窒素ガスとともに−10℃の脱水ピリジン300ml中に撹拌しながら吹き込んだ。その後、純度99%以上のアンモニアを0.58mol吹き込み、生成した塩を加圧濾過して取り除きポリシラザン溶液を得た。このポリシラザン溶液を150℃に加熱しピリジンを150ml溜去した。次にジブチルエーテルを300ml加え、共沸蒸留によりピリジンを溜去し、溶液全体を100部としたときに質量比でポリシラザンが50質量部となるようにジブチルエーテルを加えて調整し、ポリシラザン含有組成物(a−2)を得た。得られたポリシラザン(A−2)の重量平均分子量は5,312であり、Si−H結合の数とSi−CH結合の数との合計数に対するSi−CH結合の数の比は、0.01であった。
[合成例3]
純度99%以上のジクロロシラン0.189molを窒素ガスとともに−10℃の脱水ピリジン300ml中に撹拌しながら吹き込んだ。その後、純度99%以上のアンモニアを0.57mol吹き込み、生成した塩を加圧濾過して取り除きポリシラザン溶液を得た。このポリシラザン溶液を150℃に加熱しピリジンを150ml溜去した。次にジブチルエーテルを300ml加え、共沸蒸留によりピリジンを溜去し、溶液全体を100部としたときに質量比でポリシラザンが50質量部となるようにジブチルエーテルを加えて調整し、ポリシラザン含有組成物(a−3)を得た。得られたポリシラザン(A−3)の重量平均分子量は6,725であった。
[合成例4]
純度99%以上のジクロロシラン0.076molとメチルジクロロシラン0.038molとを、窒素ガスとともに−10℃の脱水ピリジン300ml中に撹拌しながら吹き込んだ。その後、純度99%以上のアンモニアを0.35mol吹き込み、生成した塩を加圧濾過して取り除きポリシラザン溶液を得た。このポリシラザン溶液を150℃に加熱しピリジンを150ml溜去した。次にジブチルエーテルを300ml加え、共沸蒸留によりピリジンを溜去し、溶液全体を100部としたときに質量比でポリシラザンが50質量部となるようにジブチルエーテルを加えて調整し、ポリシラザン含有組成物(a−4)を得た。得られたポリシラザン(A−4)の重量平均分子量は1,796であり、Si−H結合の数とSi−CH結合の数との合計数に対するSi−CH結合の数の比は、0.2であった。
[実施例1]
合成例1で得られたポリシラザン含有組成物(a−1)[ポリシラザン(A−1)のジブチルエーテル50質量%溶液]に有機溶剤(B−1)としてビス[2−(n−ブトキシ)エチル]エーテル(以下、ビス(2−ブトキシエチル)エーテルと略記、沸点255℃)、有機溶剤(B−2)としてエクソールD40(炭素数9〜16の飽和炭化水素を含むミネラルスピリット、沸点166〜191℃、エクソンモービル社製)、硬化触媒(C)としてアミノプロピルトリエトキシシランを(a−1):(B−1):(B−2):(C)が1:3:96:0.025となるように配合し、透明塗膜形成用組成物を得た。この透明塗膜形成用組成物をガラス板に塗布したところ無色透明な塗膜が得られ、25℃、40%RH×24時間で十分に硬化した硬化膜が得られた。
[実施例2]
合成例1で得られたポリシラザン含有組成物(a−1)に有機溶剤(B−1)としてビス(2−ブトキシエチル)エーテル、有機溶剤(B−2)としてエクソールD40(エクソンモービル社製)、硬化触媒(C)としてアミノプロピルトリエトキシシランを(a−1):(B−1):(B−2):(C)が10:3:87:0.25となるように配合し、透明塗膜形成用組成物を得た。この透明塗膜形成用組成物をガラス板に塗布したところ無色透明な塗膜が得られ、25℃、40%RH×24時間で十分に硬化した硬化膜が得られた。
[実施例3]
合成例1で得られたポリシラザン含有組成物(a−1)に有機溶剤(B−1)としてビス(2−ブトキシエチル)エーテル、有機溶剤(B−2)としてn−オクタン(沸点125℃)、硬化触媒(C)としてアミノプロピルトリエトキシシランを(a−1):(B−1):(B−2):(C)が10:3:87:0.25となるように配合し、透明塗膜形成用組成物を得た。この透明塗膜形成用組成物をガラス板に塗布したところ無色透明な塗膜が得られ、25℃、40%RH×24時間で十分に硬化した硬化膜が得られた。
[実施例4]
合成例1で得られたポリシラザン含有組成物(a−1)に有機溶剤(B−1)としてカプロン酸エチル(沸点168℃)、有機溶剤(B−2)としてn−オクタン、硬化触媒(C)としてアミノプロピルトリエトキシシランを(a−1):(B−1):(B−2):(C)が10:3:87:0.25となるように配合し、透明塗膜形成用組成物を得た。この透明塗膜形成用組成物をガラス板に塗布したところ無色透明な塗膜が得られ、25℃、40%RH×24時間で十分に硬化した硬化膜が得られた。
[実施例5]
合成例1で得られたポリシラザン含有組成物(a−1)に有機溶剤(B−1)としてビス(2−ブトキシエチル)エーテル、有機溶剤(B−2)としてエクソールD40(エクソンモービル社製)、硬化触媒(C)としてアミノプロピルトリエトキシシランを(a−1):(B−1):(B−2):(C)が40:3:57:1となるように配合し、透明塗膜形成用組成物を得た。この透明塗膜形成用組成物をガラス板に塗布したところ無色透明な塗膜が得られ、25℃、40%RH×24時間で十分に硬化した硬化膜が得られた。
[実施例6]
合成例2で得られたポリシラザン含有組成物(a−2)[ポリシラザン(A−2)のジブチルエーテル50質量%溶液]に有機溶剤(B−1)としてビス(2−ブトキシエチル)エーテル、有機溶剤(B−2)としてエクソールD40(エクソンモービル社製)、硬化触媒(C)としてアミノプロピルトリエトキシシランを(a−2):(B−1):(B−2):(C)が10:3:87:0.25となるように配合し、透明塗膜形成用組成物を得た。この透明塗膜形成用組成物をガラス板に塗布したところ無色透明な塗膜が得られ、25℃、40%RH×24時間で十分に硬化した硬化膜が得られた。
[実施例7]
合成例1で得られたポリシラザン含有組成物(a−1)に有機溶剤(B−2)としてヘプタン(沸点98℃)、硬化触媒(C)としてアミノプロピルトリエトキシシランを(a−1):(B−2):(C)が10:90:0.25となるように配合し、透明塗膜形成用組成物を得た。なお、溶剤(B−1)はポリシラザン含有組成物(a−1)に含まれるジブチルエーテルである。この透明塗膜形成用組成物をガラス板に塗布したところ無色透明な塗膜が得られ、25℃、40%RH×24時間で十分に硬化した硬化膜が得られた。
[実施例8]
合成例1で得られたポリシラザン含有組成物(a−1)に有機溶剤(B−1)としてビス(2−ブトキシエチル)エーテルおよび1−オクテン(沸点121.3℃)、有機溶剤(B−2)としてエクソールD40(エクソンモービル社製)、硬化触媒(C)としてアミノプロピルトリエトキシシランを(a−1):(B−1):(B−2):(C)が10:30:60:0.25となるように配合し、透明塗膜形成用組成物を得た。この透明塗膜形成用組成物をガラス板に塗布したところ無色透明な塗膜が得られ、25℃、40%RH×24時間で十分に硬化した硬化膜が得られた。
[実施例9]
合成例1で得られたポリシラザン含有組成物(a−1)に有機溶剤(B−1)としてビス(2−ブトキシエチル)エーテルおよび2−ヘキサノン(沸点127.6℃)、有機溶剤(B−2)としてエクソールD40(エクソンモービル社製)、硬化触媒(C)としてアミノプロピルトリエトキシシランを(a−1):(B−1):(B−2):(C)が10:30:60:0.25となるように配合し、透明塗膜形成用組成物を得た。この透明塗膜形成用組成物をガラス板に塗布したところ無色透明な塗膜が得られ、25℃、40%RH×24時間で十分に硬化した硬化膜が得られた。
[比較例1]
合成例3で得られたポリシラザン含有組成物(a−3)[ポリシラザン(A−3)のジブチルエーテル50質量%溶液]に有機溶剤(B−1)としてビス(2−ブトキシエチル)エーテル、有機溶剤(B−2)としてエクソールD40(エクソンモービル社製)、硬化触媒(C)としてアミノプロピルトリエトキシシランを(a−3):(B−1):(B−2):(C)が10:3:87:0.25となるように配合し、塗膜形成用組成物を得た。この塗膜形成用組成物をガラス板に塗布したところ白濁した塗膜が得られ、25℃、40%RH×24時間後に指で触ると膜がはがれた。
[比較例2]
合成例4で得られたポリシラザン含有組成物(a−4)[ポリシラザン(A−4)のジブチルエーテル50質量%溶液]に有機溶剤(B−1)としてビス(2−ブトキシエチル)エーテル、有機溶剤(B−2)としてエクソールD40(エクソンモービル社製)、硬化触媒(C)としてアミノプロピルトリエトキシシランを(a−4):(B−1):(B−2):(C)がが10:3:87:0.25となるように配合し、塗膜形成用組成物を得た。この塗膜形成用組成物をガラス板に塗布したところ無色透明な塗膜が得られ、25℃、40%RH×24時間で十分に硬化した硬化膜が得られた。
[比較例3]
合成例1で得られたポリシラザン含有組成物(a−1)に有機溶剤(B−1)としてビス(2−ブトキシエチル)エーテル、有機溶剤(B−2)としてエクソールD40(エクソンモービル社製)、硬化触媒(C)としてアミノプロピルトリエトキシシランを(a−1):(B−1):(B−2):(C)が0.6:3:96.4:0.015となるように配合し、塗膜形成用組成物を得た。この塗膜形成用組成物をガラス板に塗布したところ非常に薄く不均一な無色透明な塗膜が得られ、25℃、40%RH×24時間で十分に硬化した硬化膜が得られた。
[比較例4]
合成例1で得られたポリシラザン含有組成物(a−1)に有機溶剤(B−1)としてビス(2−ブトキシエチル)エーテル、有機溶剤(B−2)としてエクソールD40(エクソンモービル社製)、硬化触媒(C)としてアミノプロピルトリエトキシシランを(a−1):(B−1):(B−2):(C)が80:3:17:2となるように配合し、塗膜形成用組成物を得た。この塗膜形成用組成物をガラス板に塗布したところ無色透明な塗膜が得られ、25℃、40%RH×24時間で十分に硬化した硬化膜が得られたが多数のクラックが発生していた。
[比較例5]
合成例1で得られたポリシラザン含有組成物(a−1)に有機溶剤(B−2)としてエクソールD40(エクソンモービル社製)、硬化触媒(C)としてアミノプロピルトリエトキシシランを(a−1):(B−2):(C)が10:90:0.25となるように配合し、塗膜形成用組成物を得た。この塗膜形成用組成物をガラス板に塗布したところ白濁した塗膜が得られ、25℃、40%RH×24時間後に指で触ると膜がはがれた。
[比較例6]
合成例1で得られたポリシラザン含有組成物(a−1)に有機溶剤(B−1)としてベンズアルデヒド(沸点178℃)、有機溶剤(B−2)としてエクソールD40(エクソンモービル社製)、硬化触媒(C)としてアミノプロピルトリエトキシシランを(a−1):(B−1):(B−2):(C)が10:3:87:0.25となるように配合し、塗膜形成用組成物を得た。この塗膜形成用組成物をガラス板に塗布したところ白濁した塗膜が得られ、25℃、40%RH×24時間後に指で触ると膜がはがれた。
[比較例7]
合成例1で得られたポリシラザン含有組成物(a−1)に有機溶剤(B−1)としてビス(2−ブトキシエチル)エーテル、有機溶剤(B−2)としてエクソールD40(エクソンモービル社製)、硬化触媒(C)としてN,N’−ビス(3−アミノプロピル)エチレンジアミンを(a−1):(B−1):(B−2):(C)が10:3:87:0.25となるように配合し、塗膜形成用組成物を得た。この塗膜形成用組成物をガラス板に塗布したところ白濁した塗膜が得られ、25℃、40%RH×24時間後に指で触ると膜がはがれた。
[比較例8]
合成例3で得られたポリシラザン含有組成物(a−3)に有機溶剤(B−1)としてジブチルエーテル(沸点141℃)と硬化触媒(C)としてアミノプロピルトリエトキシシランを(a−3):(B−1):(C)が10:90:0.25となるように配合し、塗膜形成用組成物を得た。この塗膜形成用組成物をガラス板に塗布したところ無色透明な塗膜が得られ、25℃、40%RH×24時間で十分に硬化した無色透明の硬化膜が得られた。
[比較例9]
合成例1で得られたポリシラザン含有組成物(a−1)に有機溶剤(B−1)の代わりにn−テトラデカン(沸点253.6℃)、有機溶剤(B−2)としてエクソールD40(エクソンモービル社製)、硬化触媒(C)としてアミノプロピルトリエトキシシランを(a−1):n−テトラデカン:(B−2):(C)が10:3:87:0.25となるように配合し、塗膜形成用組成物を得た。この塗膜形成用組成物をガラス板に塗布したところ白濁した塗膜が得られ、25℃、40%RH×24時間後に指で触ると膜がはがれた。
[比較例10]
合成例1で得られたポリシラザン含有組成物(a−1)に有機溶剤(B−1)の代わりとして3−メチル−1−ブタノール(沸点131℃)、有機溶剤(B−2)としてn−オクタン、硬化触媒(C)としてアミノプロピルトリエトキシシランを(a−1):3−メチル−1−ブタノール:(B−2):(C)が10:3:87:0.25となるように配合し、塗膜形成用組成物を得た。この塗膜形成用組成物をガラス板に塗布したところ、塗布中にゲル化し均質な膜が得られなかった。
上記実施例1〜9及び比較例1〜10で得られた各塗膜に対して以下の評価を行った。
外観
ポリシラザンが溶剤に十分に溶解しているかを、得られた各塗膜を目視で評価した。
鉛筆硬度
鉛筆硬度の測定は鉛筆硬度試験器(ペパレス製作所製)を用いて行い、測定サンプルはSUS430製の試験片にスピンコーターを用いて塗布膜厚が1.0μmになるように塗布し、150℃で48時間加熱・硬化した。
[臭気評価]
5人のパネラーが、前記実施例、及び比較例で調製した各組成物の臭気を嗅ぎ、微臭であると判断した人数によって、以下の評価基準によって評価した。なお、評価を行う前に同じ評価基準サンプルを5名のパネラーが評価し、この基準以下であれば微臭であると判断するよう申し合わせた。
○:4〜5名
△:2〜3名
×:0〜1名
実施例及び比較例の結果を表1に示す。
Figure 2020100771
表1の結果から、実施例1〜9および比較例4、8では塗膜は無色透明で鉛筆硬度は7Hであった。しかし、比較例4では硬化時に塗膜にクラックが発生し、比較例8では塗布時に使用された唯一の有機溶媒であるジブチルエーテルの強い臭気が感じられた。
また、SiR/(SiR+SiH)の値が本発明の範囲外の比較例1、(B−2)成分よりも(B−1)成分の沸点が低い比較例5、6、および1分子中に1個以上のアルコキシシリル基及び1個以上のアミノ基を有する有機ケイ素化合物を硬化触媒として使用していない比較例7では、塗膜が白化し、脆いため鉛筆硬度を測定することができなかった。
SiR/(SiR+SiH)の値が本発明の範囲の上限より大きい比較例2では、硬化膜の特性が本発明と比べ劣る結果となった。
A/(A+B)の値が本発明の範囲の下限より小さい比較例3では、塗膜が薄すぎるため鉛筆硬度を測定することができなかった。
比誘電率が本発明の範囲の下限より小さい有機溶剤を用いた比較例9でも、塗膜が白化し、脆いため鉛筆硬度を測定することができなかった。一方、比誘電率が本発明の範囲の上限より大きい有機溶剤を用いた比較例10では、ゲル化のため鉛筆硬度を測定することができなかった。
臭気については実施例1〜9および比較例1〜7,9〜10では炭化水素系の弱い臭気であった。
以上の結果より、本発明の透明塗膜形成用組成物を用いた実施例1〜9では、塗膜外観が無色透明、かつ、塗膜の鉛筆硬度が比較例8であるペルヒドロポリシラザンと同等の7Hを達成することができた。また、比較例8の問題点である臭気も大幅に低減することができている。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

Claims (5)

  1. 透明塗膜形成用組成物であって、
    (A)下記式(1)で示される単位及び下記式(2)で示される単位を有し、前記式(1)におけるSi−H結合の数と前記式(2)におけるSi−H結合の数と前記式(2)におけるSi−R結合の数との合計数に対する前記式(2)におけるSi−R結合の数の比が0.01〜0.1であり、重量平均分子量が100〜1,000,000の範囲内であるポリシラザンと、
    Figure 2020100771
    Figure 2020100771
    (式中、Rは炭素数1〜6の脂肪族炭化水素基、炭素数6〜12の芳香族炭化水素基、炭素数1〜6のアルコキシ基から選ばれる基であり、ポリシラザン1分子中でRは同一であっても異なっていてもよい。)
    (B)下記(B−1)および(B−2)を含む有機溶剤と、
    (B−1)比誘電率が平均2.1〜15.0の範囲であり、下記(B−2)成分として含まれる有機溶剤よりも大気圧(1013hPa)下での沸点が高いものを含む有機溶剤、および
    (B−2)飽和脂肪族炭化水素系有機溶剤、
    (C)1分子中に1個以上のアルコキシシリル基及び1個以上のアミノ基を有する有機ケイ素化合物である硬化触媒と、
    を少なくとも含み、前記(A)成分と前記(B)成分の混合比率が、質量比で(A)成分/[(A)成分+(B)成分]=0.005〜0.2を満たすものであることを特徴とする透明塗膜形成用組成物。
  2. 前記式(2)のRがメチル基であることを特徴とする請求項1に記載の透明塗膜形成用組成物。
  3. 前記(B−1)成分が2種以上の溶剤からなり、そのうち少なくとも1種が1分子中に1個以上のエーテル基もしくはカルボキシル基を持つものであることを特徴とする請求項1又は2に記載の透明塗膜形成用組成物。
  4. 前記(B−1)成分が2種以上の溶剤からなり、そのうちの少なくとも1種が1分子中に2個以上のエーテル基を有するものであることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の透明塗膜形成用組成物。
  5. JIS 5600−1−1:1999記載の23℃×50%Rhにおける指触乾燥状態になる時間が30分以下であることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の透明塗膜形成用組成物。
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