JP2020164801A - 有機無機複合粒子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
有機無機複合粒子は、例えば、特許第3437881号(特許文献1)、特開平5−209027号公報(特許文献2)、特開平7−17820号公報(特許文献3)、特許第6301639号(特許文献4)等で提案されている。
特許文献1〜3では、ケイ素系化合物で処理したコロイダルシリカのような無機粒子と、重合性単量体とを溶媒中に分散させ、溶媒を留去した後に、重合性単量体を重合することで、有機無機複合粒子を製造する方法が記載されている。
特許文献4では、有機溶媒であるイソプロピルアルコールを添加した単量体中にシリカ粒子を分散させたシリカ分散単量体を重合させることで、有機無機複合粒子を製造する方法が記載されている。
ここで、コロイダルシリカ及びシリカ粒子は、イソプロピルアルコールのような有機溶媒に分散しているため、重合時の溶媒には、この有機溶媒も含まれている。
そのため、有機溶媒を使用しない、有機無機複合粒子の製造方法を提供することが望まれていた。
かくして本発明によれば、有機溶媒の非存在下、重合性単量体中で、無機粒子の表面を、ケイ素系化合物及び有機酸を用いて処理する表面処理工程と、表面処理された無機粒子と重合性単量体を含む重合性単量体組成物を、懸濁安定剤を含む水系分散媒に懸濁させ、前記重合性単量体を重合することで有機無機複合粒子を得る重合工程と、を含むことを特徴とする有機無機複合粒子の製造方法が提供される。
また、以下のいずれかの場合、より好適な有機無機複合粒子の製造方法を提供できる。
(1)有機酸が、リン酸系化合物、カルボン酸系化合物及びスルホン酸系化合物より選択される。
(2)有機酸が、下記一般式(I):
(3)有機酸が、重合性単量体組成物100重量部に対して、0.01〜5重量部使用される。
(4)無機粒子が、1〜100nmの一次平均粒子径を有する親水性シリカ粒子であり、有機無機複合粒子が、1〜100μmの体積平均粒子径を有する。
(5)無機粒子が、重合性単量体100重量部に対して、15〜200重量部使用される。
(6)ケイ素系化合物が、無機粒子100重量部に対して、0.1〜30重量部使用される。
(7)懸濁安定剤が、難水溶性無機化合物であり、重合性単量体組成物100重量部に対して、0.1〜30重量部使用される。
(1−1)有機溶媒
有機溶媒は、有機無機複合粒子の製造時に、何らかの反応が生じない性質を有する有機の溶媒を意味する。何らかの反応が生じない性質は、「非反応性」、「不活性」、「非重合性」等と言い換えることができる。
表面処理工程において非存在とされる有機溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール等のアルコール類、ブタン、ペンタン、ヘキサン、シクロヘキサン、ヘプタン、デカン、ヘキサデカン、トルエン、キシレン、酢酸エチル、酢酸ブチル、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、1,4−ジオキサン、塩化メチル、塩化メチレン、クロロホルム、四塩化炭素等が挙げられる。
重合性単量体としては、懸濁重合可能なものであれば特に限定されるものではなく、一般的に用いられている各種のビニル系単量体を使用できる。単量体としては、ビニル基を1つ以上有する単官能性単量体、ビニル基を2つ以上有する架橋性単量体等が挙げられる。
単官能性単量体としては、例えば、スチレン、o−メチルスチレン、m−メチルスチレン、p−メチルスチレン、α−メチルスチレン、ジメチルスチレン、エチルスチレン、プロピルスチレン、p−t−ブチルスチレン、p−メトキシスチレン、p−フェニルスチレン、o−クロロスチレン、m−クロロスチレン、p−クロロスチレン、ブロモスチレン等のスチレン系単量体;アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸プロピル、アクリル酸n−ブチル、アクリル酸イソブチル、アクリル酸n−オクチル、アクリル酸ドデシル、アクリル酸ステアリル、アクリル酸2−エチルヘキシル、アクリル酸テトラヒドロフルフリル、アクリル酸ステアリル、アクリル酸セチル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸プロピル、メタクリル酸n−ブチル、メタクリル酸イソブチル、メタクリル酸n−オクチル、メタクリル酸ドデシル、メタクリル酸2−エチルヘキシル、メタクリル酸テトラヒドロフルフリル、メタクリル酸ステアリル、メタクリル酸セチル等の(メタ)アクリル酸エステル系単量体;アクリル酸、メタアクリル酸、塩化ビニル、酢酸ビニル、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、アクリルアミド、メタクリルアミド、N−ビニルピロリドン、ジメチルマレエート、ジメチルフマレート、ジエチルフマレート、エチルフマレート、無水マレイン酸、N−ビニルカルバゾール等が挙げられる。単官能性単量体は、1種又は2種以上組合せて用いることができる。
架橋性単量体としては、例えば、ジビニルベンゼン、ジビニルナフタレン、これらの誘導体等の芳香族ジビニル化合物、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、アリル(メタ)アクリレート、t−ブチルアミノエチル(メタ)アクリレート、テトラエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、1,3−ブタンジオールジ(メタ)アクリレート等のジエチレン性不飽和カルボン酸エステル、N,N−ジビニルアニリン、ジビニルエーテル、ジビニルサルファイド、ジビニルスルホン、N,N’−メチレンビス(メタ)アクリルアミド、N,N’−エチレンビス(メタ)アクリルアミド等が挙げられる。架橋性単量体は、1種又は2種以上組合せて用いることができる。
架橋性単量体は、単官能性単量体100重量部に対して、100重量部以下使用されることが好ましい。100重量部より多い場合、硬く脆い重合物が得られ実用上好ましくない。使用量は、50重量部以下であることがより好ましく、30重量部以下であることが更に好ましい。
無機粒子は、一次平均粒子径を有する粒子であることが好ましい。無機粒子は、できるだけ小さい一次平均粒子径を有する粒子であることが好ましい。できるだけ小さいとは、製造できる範囲で小さいことを意味する。具体的には、一次平均粒子径は100nm以下であることが好ましい。一次平均粒子径が、100nmより大きい場合、比表面積が小さくなった結果、樹脂との接着界面が減少し、十分な力学特性が得られないことがある。一次平均粒子径は、1〜100nmであることが好ましい。一次平均粒子径は、1〜50nmであることがより好ましい。
無機粒子としては、主としてSiO2から構成されるシリカ粒子が挙げられる。シリカ粒子は、例えば、シリカ前駆体をゲル化させることで得ることができる。シリカ前駆体としては、同一分子内に1つ以上のケイ素原子とアルコキシ基(例えば、炭素数1〜4)を有するシリコンアルコキシドが挙げられる。具体的には、テトラエトキシシラン(TEOS)、テトラメトキシシラン、テトラプロポキシシラン等が挙げられる。また、テトラメトキシシランの部分加水分解オリゴマーであるメチルシリケートオリゴマー、テトラエトキシシランの部分加水分解オリゴマーであるエチルシリケートオリゴマー、シロキサンオリゴマー等のオリゴマーが挙げられる。
無機粒子は、親水性シリカ粒子であることが好ましい。親水性シリカ粒子としては、EVONIK社から市販されている親水性フュームドシリカAEROSIL(商品名)シリーズ(例えば、OX−50、50、90G、130、150、200、255、300、380、TT600、200F、380F、200Pharma、300Pharma等)、旭化成社から市販されている高分散シリカWACKER HDK(商品名)の親水性グレード(例えば、HDKN20、HDKT30、HDKT40、HDKV15等)が挙げられる。これらの親水性シリカ粒子を単独又は複数を組み合わせて用いることができる。なお、親水性とは、実施例の欄に記載された方法で測定された疎水性指数で規定できる。すなわち、疎水性指数が高いほうが、親水性が低く、疎水性指数が低いほうが、親水性が高いことを意味する。疎水性指数は、20以下の範囲であることが好ましく、0〜20の範囲であることがより好ましい。
ケイ素系化合物としては、メチルトリメトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、n−プロピルトリメトキシシラン、n−プロピルトリエトキシシラン、ヘキシルトリメトキシシラン、ヘキシルトリエトキシシラン、オクチルトリエトキシシラン、デシルトリメトキシシラン、1,6−ビス(トリメトキシシリル)ヘキサン、トリフルオロプロピルトリメトキシシラン等のアルコキシシランや、ヘキサメチルジシラザン等のシラザン、トリメチルシリルクルロライド等のクロロシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、p−スチリルトリメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン、3−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、N−2−(アミノエチル)−3−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N−2−(アミノエチル)−3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−アミノプロピルトリエトキシシラン、3−トリエトキシシリル−N−(1,3−ジメチル−ブチリデン)プロピルアミン、N−フェニル−3−アミノプロピルトリメトキシシラン、トリス−(トリメトキシシリルプロピル)イソシアヌレート、3−ウレイドプロピルトリアルコキシシラン、3−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、ビス(トリエトキシシリルプロピル)テトラスルフィド、3−イソシアネートプロピルトリエトキシシラン等のシランカップリング剤が挙げられる。ケイ素系化合物は、1種又は2種以上組合せて用いることができる。
ケイ素系化合物は、無機粒子100重量部に対して、0.1〜30重量部使用されることが好ましい。使用量が0.1重量部未満の場合、無機粒子の表面処理が不十分となり、懸濁重合過程で水性媒体中に無機粒子が流出してしまうことがあるため好ましくない。使用量が30重量部より多い場合、添加量を増加させてもその効果はさほど向上しないため好ましくない。使用量は、3〜25重量部であることがより好ましく、5〜20重量部であることが更に好ましい。
有機酸は、ケイ素化合物の加水分解及び/又は縮合反応を行なうために使用される。有機酸としては、リン酸系化合物、カルボン酸系化合物、スルホン酸系化合物等が挙げられる。有機酸は、1種又は2種以上組合せて用いることができる。
リン酸系化合物としては、例えば、亜リン酸モノエステル、亜リン酸ジエステル、リン酸モノエステル、リン酸ジエステル等が挙げられる。
リン酸系化合物は、下記一般式(I):
上記一般式(I)で表される酸性リン酸エステルは、R1〜R3、m、n、a及びbの選択により、種々の化合物が包含される。有機酸は、複数の化合物の混合物であってもよい。複数の混合物の場合、m、n、a及びbは、整数以外の数値を取り得る。
R1のアルキル基としては、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル、オクチル、ノニル、デシル、ウンデシル、ドデシル、トリデシル、テトラデシル、ヘキサデシル、オクタデシル等が挙げられる。これらアルキル基は、可能であれば、構造異性体を含み得る。
R2としては、メチレン、エチレン、トリメチレン、テトラメチレン等が挙げられる。R2は、可能であれば、構造異性体を含み得る。
R3としては、メチレン、エチレン、トリメチレン、テトラメチレン、ペンタメチレン、ヘキサメチレン、ヘプタメチレン、オクタメチレン等が挙げられる。R3は、可能であれば、構造異性体を含み得る。
カルボン酸系化合物としては、例えば、ギ酸、氷酢酸、クロロ酢酸、ジクロロ酢酸、トリクロロ酢酸、トリフルオロ酢酸、シュウ酸、安息香酸、プロピオン酸、酪酸、ペンタン酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、オクタン酸、ノナン酸、デカン酸、ドデカン酸、テトラデカン酸、ヘキサデカン酸、ヘプタデカン酸、ステアリン酸、グリコール酸、パーフルオロ酪酸等が挙げられる。また、アクリル酸、メタクリル酸、マレイン酸、イタコン酸、マレイン酸モノメチルエステル、シトラコン酸モノメチルエステル、アクリル酸2−カルボキシエチル、メタクリル酸2−カルボキシエチル、コハク酸モノ(2−アクリロイルオキシエチル)、コハク酸モノ(2−メタクリロイルオキシエチル)等の一種単独又は二種以上の組み合わせが挙げられる。
スルホン酸系化合物としては、例えば、硫酸、フルオロスルホン酸、メタンスルホン酸、エタンスルホン酸、1−プロパンスルホン酸等のアルキルスルホン酸系化合物、ベンゼンスルホン酸、ドデシルベンゼンスルホン酸、p−トルエンスルホン酸、4−エチルベンゼンスルホン酸、p−クロロベンゼンスルホン酸、m−キシレン−4−スルホン酸、3−ピリジンスルホン酸、ジノニルナフタレンスルホン酸、ジノニルナフタレンジスルホン酸、1−ピレンスルホン酸等のアリールスルホン酸系化合物等が上げられる。また、スチレンスルホン酸、アリルスルホン酸、2−(メタ)アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、(メタ)アクリルアミドプロパンスルホン酸、スルホプロピル(メタ)アクリレート、(メタ)アクリロイルオキシナフタレンスルホン酸等が挙げられる。
有機酸は、例えば、塩酸、フッ化水素酸、臭化水素酸等のハロゲン化水素酸や、硫酸、硝酸、リン酸等の無機酸と併用してもよい。
表面処理条件は、特に限定されず、重合性単量体が重合しない条件下で、撹拌することで、無機粒子の表面を、ケイ素系化合物及び有機酸を用いて処理できる。例えば、表面処理工程では、例として上記(1−1)にあげた有機溶媒を存在させないで、重合性単量体中で、無機粒子と、ケイ素系化合物(シリカ粒子を除く)と、有機酸とを所定温度の範囲で所定時間にわたって混合する。所定温度は、10℃以上100℃以下であることが好ましい。このような混合によって、無機粒子の表面がケイ素系化合物および有機酸によって処理される。このような混合によって、重合性単量体組成物が得られる。重合性単量体組成物は、少なくとも、表面処理された無機粒子と、重合性単量体と、を含む組成物である。
重合工程は、表面処理された無機粒子と重合性単量体を含む重合性単量体組成物を、懸濁安定剤を含む水系分散媒に懸濁させ、重合性単量体を重合することで有機無機複合粒子を得る工程である。水系分散媒は、水性媒体と、懸濁安定剤とを含む媒体である。重合工程では、(1)の表面処理工程で形成される重合性単量体組成物を、水系分散媒に入れて拡散して乳化液を形成し、乳化液を所定温度条件で拡散することによって重合性単量体を重合させる。所定温度条件は、温度プロファイルを含んでもよい。
(2−1)水性媒体
水性媒体としては、水が好ましい。水性媒体は、重合性単量体組成物100重量部に対して、100重量部以上使用されることが好ましい。
(2−2)懸濁安定剤
水系分散媒に含まれる懸濁安定剤としては、例えば、リン酸カルシウム、リン酸マグネシウム、リン酸アルミニウム、リン酸亜鉛等のリン酸塩、ピロリン酸カルシウム、ピロリン酸マグネシウム、ピロリン酸アルミニウム、ピロリン酸亜鉛等のピロリン酸塩、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム、メタケイ酸カルシウム、硫酸カルシウム、硫酸バリウム、コロイダルシリカ等の難水溶性無機化合物が挙げられる。懸濁安定剤は、1種又は2種以上組合せて用いることができる。なかでも、重合終了後に系のpHを調整することにより容易に溶解し、除去可能な無機化合物を用いるのがよい。そのような無機化合物としては、例えば、第三リン酸カルシウムや副分解生成法によるピロリン酸マグネシウム、ピロリン酸カルシウム及びコロイダルシリカが挙げられる。これらは、目的とする樹脂粒子をより安定して得ることができる。
懸濁安定剤は、重合性単量体組成物100重量部に対して、0.1〜30重量部使用されることが好ましい。使用量が0.1重量部未満の場合、十分分散できないことがある。使用量が30重量部より多い場合、使用量に見合った効果が得られずコスト的に不経済であるため好ましくない。使用量は、0.5〜20重量部であることがより好ましく、1〜15重量部であることが更に好ましい。
(2−3−1)界面活性剤
水性媒体には、アニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤、両性イオン界面活性剤、ノニオン性界面活性剤等の界面活性剤が添加されていてもよい。
アニオン性界面活性剤としては、例えば、オレイン酸ナトリウム、ヒマシ油カリ等の脂肪酸油、ラウリル硫酸ナトリウム、ラウリル硫酸アンモニウム等のアルキル硫酸エステル塩、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム等のアルキルベンゼンスルホン酸塩、アルキルスルホン酸塩、アルキルナフタレンスルホン酸塩、アルカンスルホン酸塩、ジアルキルスルホコハク酸塩、アルキルリン酸エステル塩、ナフタレンスルホン酸ホルマリン縮合物、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル硫酸エステル塩、ポリオキシエチレンアルキル硫酸エステル塩等が挙げられる。
ノニオン性界面活性剤としては、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル、ポリオキシエチレン脂肪酸エステル、ソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンアルキルアミン、グリセリン脂肪酸エステル、オキシエチレン−オキシプロピレンブロックポリマー等が挙げられる。
カチオン性界面活性剤としては、例えば、ラウリルアミンアセテート、ステアリルアミンアセテート等のアルキルアミン塩、ラウリルトリメチルアンモニウムクロライド等の第四級アンモニウム塩等が挙げられる。
両性イオン界面活性剤としては、ラウリルジメチルアミンオキサイドや、リン酸エステル系又は亜リン酸エステル系界面活性剤が挙げられる。
上記界面活性剤は、1種又は2種以上組合せて用いることができる。
界面活性剤は、重合性単量体組成物100重量部に対して、0.01〜5重量部使用されることが好ましい。使用量が0.01重量部未満の場合、十分な分散効果が得られないことがある。使用量が5重量部より多い場合、使用量に見合った効果が得られずコスト的に不経済であるため好ましくない。使用量は、0.05〜3重量部であることがより好ましい。
重合性単量体組成物は、重合開始剤を含んでいてもよい。重合開始剤は、表面処理工程において重合性単量体組成物に添加されてもよい。重合開始剤は、表面処理工程を終えた溶液に添加されてもよい。重合開始剤は、重合工程において乳化液に添加されてもよい。
重合開始剤としては、特に限定されず、例えば、過硫酸アンモニウム、過硫酸カリウム、過硫酸ナトリウム等の過硫酸塩類、クメンハイドロパーオキサイド、ジ−t−ブチルパーオキサイド、ジクミルパーオキサイド、ベンゾイルパーオキサイド、ラウロイルパーオキサイド、ジメチルビス(t−ブチルパーオキシ)ヘキサン、ジメチルビス(t−ブチルパーオキシ)ヘキシン−3、ビス(t−ブチルパーオキシイソプロピル)ベンゼン、ビス(t−ブチルパーオキシ)トリメチルシクロヘキサン、ブチル−ビス(t−ブチルパーオキシ)バレラート、2−エチルヘキサンペルオキシ酸t−ブチル、ジベンゾイルパーオキサイド、パラメンタンハイドロパーオキサイド、t−ブチルパーオキシベンゾエート等の有機過酸化物類、2,2’−アゾビス[2−(2−イミダゾリン−2−イル)プロパン]二塩酸塩、2,2’−アゾビス[2−(2−イミダゾリン−2−イル)プロパン]二硫酸塩二水和物、2,2’−アゾビス(2−アミジノプロパン)二塩酸塩、2,2’−アゾビス[N−(2−カルボキシエチル)−2−メチルプロピオンアミジン]水和物、2,2’−アゾビス{2−[1−(2−ヒドロキシエチル)−2−イミダゾリン−2−イル]プロパン}二塩酸塩、2,2’−アゾビス[2−(2−イミダゾリン−2−イル)プロパン]、2,2’−アゾビス(1−イミノ−1−ピロリジノ−2−エチルプロパン)二塩酸塩、2,2’−アゾビス{2−メチル−N−[1,1−ビス(ヒドロキシメチル)−2−ヒドロキシエチル]プロピオンアミド}、2,2’−アゾビス[2−メチル−N−(2−ヒドロキシエチル)プロピオンアミド]、4,4’−アゾビス(4−シアノペンタン酸)、2,2’−アゾビスイソブチロニトリル、2,2’−アゾビス(2−メチル−ブチロニトリル)、2,2’−アゾビス(2−イソプロピルブチロニトリル)、2,2’−アゾビス(2,3−ジメチルブチロニトリル)、2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルブチロニトリル)、2,2’−アゾビス(2−メチルカプロニトリル)、2,2’−アゾビス(2,3,3−トリメチルブチロニトリル)、2,2’−アゾビス(2,4,4−トリメチルバレロニトリル)、2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)、2,2’−アゾビス(2,4−ジメチル−4−エトキシバレロニトリル)、2,2’−アゾビス(2,4−ジメチル−4−n−ブトキシバレロニトリル)、2,2’−アゾビス(4−メトキシ−2,4−ジメチルバレロニトリル)、2,2’−アゾビス[N−(2−プロペニル)−2−メチルプロピオンアミド]、2,2’−アゾビス(N−ブチル−2−メチルプロピオンアミド)、2,2’−アゾビス(N−シクロヘキシル−2−メチルプロピオンアミド)、1,1’−アゾビス(1−アセトキシ−1−フェニルエタン)、1,1’−アゾビス(シクロヘキサン−1−カルボニトリル)、ジメチル−2,2’−アゾビス(2−メチルプロピネート)、ジメチル−2,2’−アゾビスイソブチレート、ジメチル−2,2'−アゾビス(2−メチルプロピオネート)、2−(カルバモイルアゾ)イソブチロニトリル、4,4’−アゾビス(4−シアノバレリン酸)等のアゾ化合物類等のラジカル性重合開始剤が挙げられる。
重合開始剤は、1種又は2種以上組合せて用いることができる。重合開始剤は、重合性単量体組成物100重量部に対して、0.01〜10重量部使用されることが好ましい。使用量が0.01重量部未満の場合、重合が十分進まないことがある。使用量が10重量部より多い場合、使用量に見合った効果が得られずコスト的に不経済であるため好ましくない。使用量は、0.1〜5重量部であることがより好ましい。
水性媒体中での重合性単量体の懸濁重合は、水系での乳化重合生成物の発生を抑えるために、水溶性の重合禁止剤の存在下で行ってもよい。ここで、水溶性とは、25℃の水100gに1g以上溶解することを意味する。
水溶性の重合禁止剤としては、例えば、亜硝酸塩類、亜硫酸塩類、ハイドロキノン類、アスコルビン酸類、水溶性ビタミンB類、クエン酸、ポリフェノール類等を挙げることができる。前記重合禁止剤の添加量は、前記重合性単量体組成物100重量部に対して0.02〜0.2重量部の範囲内であることが好ましい。
重合工程後、必要に応じて、懸濁安定剤の分解工程、遠心分離工程、水洗工程、乾燥工程等を行ってもよい。
懸濁安定剤の分解工程では、例えば、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸等の無機酸を分解に使用できる。
(4−1)形状
有機無機複合粒子の形状は、特に限定されないが、球状であることが好ましい。
有機無機複合粒子は、1〜100μmの平均粒子径を有していることが好ましい。平均粒子径が1μm未満の場合、有機無機複合粒子由来の物性を発揮し難いことがある。100μmより大きい場合、有機無機複合粒子を使用する部材の外観に悪影響を与えることがある。平均粒子径は、3〜80μmであることが好ましい。
(4−2)無機成分の含有量
有機無機複合粒子は、無機粒子に由来する無機成分を5〜80重量%含むことが好ましい。含有割合が5重量%未満の場合、力学特性の向上の効果が十分に得られないことがある。80重量%より多い場合、分散媒となる重合性単量体の割合が少なくなり無機粒子が十分に分散できないことがある。含有割合は、7〜50重量%であることがより好ましく、10〜40重量%であることが更に好ましい。なお、含有割合は、有機無機複合粒子を焼成することによる有機成分の除去後の残渣量が、有機無機複合粒子に占める割合を意味する。
有機無機複合粒子は、化粧料、塗料組成物、断熱性樹脂組成物、光拡散性樹脂組成物、光拡散フィルム等の用途で使用できる。
(4−3−1)化粧料
化粧料は、有機無機複合粒子を1〜40重量%の範囲で含んでいることが好ましい。
化粧料としては、石鹸、ボディシャンプー、洗顔クリーム、スクラブ洗顔料等の洗浄用化粧品、化粧水、クリーム、乳液、パック類、おしろい類、ファンデーション、口紅、リップクリーム、頬紅、眉目化粧品、マニキュア化粧品、洗髪用化粧品、染毛料、整髪料、芳香性化粧品、歯磨き、浴用剤、制汗剤、日焼け止め製品、サンタン製品、ボディーパウダー、ベビーパウダー等のボディー用化粧料、ひげ剃り用クリーム、プレシェーブローション、アフターシェーブローション、ボディローション等のローション等が挙げられる。
油脂及びロウ類としてはアボガド油、アーモンド油、オリーブ油、カカオ脂、牛脂、ゴマ油、小麦胚芽油、サフラワー油、シアバター、タートル油、椿油、パーシック油、ひまし油、ブドウ油、マカダミアナッツ油、ミンク油、卵黄油、モクロウ、ヤシ油、ローズヒップ油、硬化油、シリコーン油、オレンジラフィー油、カルナバロウ、キャンデリラロウ、鯨ロウ、ホホバ油、モンタンロウ、ミツロウ、ラノリン等が挙げられる。
炭化水素としては、流動パラフィン、ワセリン、パラフィン、セレシン、マイクロクリスタリンワックス、スクワラン等が挙げられる。
高級脂肪酸としては、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、オレイン酸、ベヘニン酸、ウンデシレン酸、オキシステアリン酸、リノール酸、ラノリン脂肪酸、合成脂肪酸が挙げられる。
ステロールとしては、コレステロール、ジヒドロコレステロール、フィトコレステロール等が挙げられる。
脂肪酸エステルとしては、リノール酸エチル、ミリスチン酸イソプロピル、ラノリン脂肪酸イソプロピル、ラウリン酸ヘキシル、ミリスチン酸ミリスチル、ミリスチン酸セチル、ミリスチン酸オクチルドデシル、オレイン酸デシル、オレイン酸オクチルドデシル、ジメチルオクタン酸ヘキサデシル、イソオクタン酸セチル、パルミチン酸デシル、トリミリスチン酸グリセリン、トリ(カプリル・カプリン酸)グリセリン、ジオレイン酸プロピレングリコール、トリイソステアリン酸グリセリン、トリイソオクタン酸グリセリン、乳酸セチル、乳酸ミリスチル、リンゴ酸ジイソステアリルやイソステアリン酸コレステリル、12−ヒドロキシステアリン酸コレステリル等の環状アルコール脂肪酸エステル等が挙げられる。
保湿剤としては、グリセリン、プロピレングリコール、1,3−ブチレングリコール、ポリエチレングリコール、dl−ピロリドンカルボン酸ナトリウム、乳酸ナトリウム、ソルビトール、ヒアルロン酸ナトリウム、ポリグリセリン、キシリット、マルチトール等が挙げられる。
界面活性剤としては、高級脂肪酸石鹸、高級アルコール硫酸エステル、N−アシルグルタミン酸塩、リン酸エステル塩等のアニオン性界面活性剤、アミン塩、第4級アンモニウム塩等のカチオン性界面活性剤、ベタイン型、アミノ酸型、イミダゾリン型、レシチン等の両性界面活性剤、脂肪酸モノグリセリド、プロピレングリコール脂肪酸エステル、ソルビタン脂肪酸エステル、蔗糖脂肪酸エステル、ポリグリセリン脂肪酸エステル、酸化エチレン縮合物等の非イオン性界面活性剤が挙げられる。
防腐・殺菌剤としては、メチルパラベン、エチルパラベン、プロピルパラベン、ベンザルコニウム、ベンゼトニウム等が挙げられる。
酸化防止剤としては、ジブチルヒドロキシトルエン、ブチルヒドロキシアニソール、没食子酸プロピル、トコフェロール等が挙げられる。
紫外線吸収剤としては、微粒子酸化チタン、微粒子酸化亜鉛、微粒子酸化セリウム、微粒子酸化鉄、微粒子酸化ジルコニウム等の無機系吸収剤、安息香酸系、パラアミノ安息香酸系、アントラニル酸系、サリチル酸系、桂皮酸系、ベンゾフェノン系、ジベンゾイルメタン系等の有機系吸収剤が挙げられる。
塗料、断熱性及び光拡散性の組成物、断熱性組成物、並びに、光拡散性組成は、必要に応じて、バインダー樹脂、UV硬化性樹脂、溶剤等が含まれる。バインダー樹脂としては、有機溶剤又は水に可溶な樹脂もしくは水中に分散できるエマルション型の水性樹脂を使用できる。
バインダー樹脂又はUV硬化性樹脂及び有機無機複合粒子の添加量は、形成される塗膜の膜厚、有機無機複合粒子の平均粒子径及び塗装方法によっても異なる。有機無機複合粒子の添加量は、バインダー樹脂(エマルジョン型の水性樹脂を使用する場合は固形分)と有機無機複合粒子との合計に対して5〜50重量%が好ましい。より好ましい含有量は10〜50重量%であり、更に好ましい含有量は20〜40重量%である。
バインダー樹脂としては、アクリル樹脂、アルキド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、塩素化ポリオレフィン樹脂、アモルファスポリオレフィン樹脂等が挙げられ、UV硬化性樹脂としては多価アルコール多官能(メタ)アクリレート等のような多官能(メタ)アクリレート樹脂;ジイソシアネート、多価アルコール、及びヒドロキシ基を有する(メタ)アクリル酸エステル等から合成されるような多官能ウレタンアクリレート樹脂等が挙げられる。
光重合開始剤としては、例えば、アセトフェノン類、ベンゾイン類、ベンゾフェノン類、ホスフィンオキシド類、ケタール類、α−ヒドロキシアルキルフェノン類、α−アミノアルキルフェノン、アントラキノン類、チオキサントン類、アゾ化合物、過酸化物類(特開2001−139663号公報等に記載)、2,3−ジアルキルジオン化合物類、ジスルフィド化合物類、フルオロアミン化合物類、芳香族スルホニウム類、オニウム塩類、ボレート塩、活性ハロゲン化合物、α−アシルオキシムエステル等が挙げられる。
これらバインダー樹脂又はUV硬化性樹脂は、塗装される基材への塗料の密着性や使用される環境等によって適宜選択され得る。
組成物を使用した塗膜の形成方法は、特に限定されず、公知の方法をいずれも使用できる。例えば、スプレー塗装法、ロール塗装法、ハケ塗り法等の方法、及び薄層としてフィルム等基材にコーティングするにはコーティングリバースロールコート法、グラビアコート法、ダイコート法、コンマコート法、スプレーコート法が挙げられる。組成物は、必要に応じて粘度を調整するために、希釈してもよい。希釈剤としては、トルエン、キシレン等の炭化水素系溶剤;メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等のケトン系溶剤;酢酸エチル、酢酸ブチル等のエステル系溶剤;ジオキサン、エチレングリコールジエチルエーテル等のエーテル系溶剤;水;アルコール系溶剤等が挙げられる。これら希釈剤は、単独で使用してもよく、2種以上混合して使用してもよい。
基材等の任意の塗工面に塗工して塗工膜を作製し、この塗工膜を乾燥させた後、必要に応じて塗工膜を硬化させることによって、塗膜を形成できる。なお、塗料組成物を使用した塗膜は各種基材にコーティングして使用され、金属、木材、ガラス、プラスチックス等特に限定されない。また、ポリエチレンテレフタラート(以下、PETと略す)、ポリエチレンカーボネート(以下、PCと略す)、アクリル等の透明基材にコーティングして用いることもできる。
光拡散フィルムは、ガラス、ポリカーボネート、アクリル樹脂、PET、トリアセチルセルロース(TAC)等のプラスチックシート、プラスチックフィルム、プラスチックレンズ、プラスチックパネル等の基材、陰極線管、蛍光表示管、液晶表示板等の基材の表面に前記の光拡散性組成物による光拡散層を形成したものである。用途によって異なるが、被膜が単独であるいは基材上に保護膜、ハードコート膜、平坦化膜、高屈折率膜、絶縁膜、導電性樹脂膜、導電性金属微粒子膜、導電性金属酸化物微粒子膜、その他必要に応じて用いるプライマー膜等と組み合わせて形成されている。なお、組み合わせて用いる場合、光拡散層が必ずしも最外表面に形成されている必要はない。
(シリカ粒子の疎水性指数)
底部に撹拌子を置いた内容量100mlのガラス製ビーカーに、イオン交換水50mlを投入し、水面にシリカ粒子0.2gを浮かべた後、撹拌子を緩やかに回転させた。その後、ビーカー内の中央付近で、水面とビーカー底面との中間付近の水中までビュレットの先端を沈め、撹拌子を緩やかに回転させながら、前記シリカ粒子添加から5分後に、ビュレットからメタノールを1ml/分の速度で徐々に水中に導入した。メタノールは1mlずつ導入し、1ml導入する度に5分撹拌を行った。水面のシリカ粒子の全量が水中に沈むまで(水面に浮いているシリカ粒子が実質的になくなるまで)メタノールの導入を続け、水中に粒子の全量が沈んだ時点までのメタノール導入量(ml)を測定した。
そして、イオン交換水の量X(=50(ml))及びメタノール導入量Y(ml)から、下式に基づき疎水性指数を求めた。
疎水性指数(%)=100×Y(ml)/(Y(ml)+X(ml))
なお、ビュレットからメタノールを水中に導入する前に、水面に浮かべたシリカ粒子が水中に完全に沈んだ場合は、疎水性指数を0と判定した。
粒子の平均粒子径(体積平均粒子径)は、コールターMultisizerTM3(ベックマン・コールター社製測定装置)により測定した。測定は、ベックマン・コールター社発行のMultisizerTM3ユーザーズマニュアルに従って校正されたアパチャーを用いて実施した。なお、測定に用いるアパチャーの選択は、測定する粒子の想定の体積平均粒子径が1μm以上10μm以下の場合は50μmのサイズを有するアパチャーを選択し、測定する粒子の想定の体積平均粒子径が10μmより大きく30μm以下の場合は100μmのサイズを有するアパチャーを選択し、粒子の想定の体積平均粒子径が30μmより大きく90μm以下の場合は280μmのサイズを有するアパチャーを選択し、粒子の想定の体積平均粒子径が90μmより大きく150μm以下の場合は400μmのサイズを有するアパチャーを選択する等、適宜行った。測定後の体積平均粒子径が想定の体積平均粒子径と異なった場合は、適正なサイズを有するアパチャーに変更して、再度測定を行った。
測定用試料としては、粒子0.1gを0.1重量%ノニオン性界面活性剤水溶液10m1中にタッチミキサー(ヤマト科学社製、「TOUCHMIXER MT−31」)及び超音波洗浄器(ヴェルヴォクリーア社製、「ULTRASONICCLEANER VS−150」)を用いて分散させ、分散液としたものを使用した。測定中はビーカー内を気泡が入らない程度に緩く撹拌しておき、粒子を10万個測定した時点で測定を終了した。粒子の体積平均粒子径は、10万個の粒子の体積基準の粒度分布における算術平均とした。
有機無機複合粒子1.0gを計量した後、計量した粒子を750℃で30分間、電気炉内で消失させて、残った残渣の重量(g)を測定した。そして、測定した残渣の重量(g)を、測定前の粒子の重量(g)で除し、百分率換算して得た強熱残分(重量%)を有機無機複合粒子中の無機粒子由来の無機成分量とした。
単官能性単量体としてのメチルメタクリレート(MMA)254.1g、架橋性単量体としてのエチレングリコールジメタクリレート(EGDMA)13.4g、無機粒子としての親水性フュームドシリカOX−50(EVONIK社、BET法による比表面積50m2/g、一次平均粒子径40nm、疎水性指数0)120g、ケイ素系化合物としての3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン(信越化学工業社製;製品名KBM−503)を12g、有機酸(酸性リン酸エステル)としての2−メタクリロイロキシエチルカプロエートアシッドホスフェート(日本化薬社製;製品名PM−21)を0.56g混合し、30℃12時間撹拌した。その後、重合開始剤としての、2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)1.40g(富士フイルム和光純薬工業社製;製品名V−65)を混合して、重合性単量体組成物を調製した。
一方、水相としてイオン交換水1200g(水性媒体)に、懸濁安定剤としてピロリン酸マグネシウム36.8gを添加して水系分散媒を得た。
水系分散媒中に、上記重合性単量体組成物を入れ、ホモジナイザー(セントラル科学貿易社製;製品名 ポリトロンホモジナイサーPT10−35)を用いて、回転数7500rpmにて5分間乳化・分散処理を行って乳化液を得た。得られた乳化液を2Lの撹拌翼付き圧力容器に投入し、撹拌翼を200rpmで撹拌しながら50℃で4時間重合をおこなった。更に、105℃に昇温し、1時間重合を継続した。
次いで、常温まで冷却し、塩酸を添加してピロリン酸マグネシウムを溶解した。次に、固液分離、水洗浄を繰り返し行なった後、80℃の熱風乾燥機で24時間乾燥させて有機無機複合粒子を得た。得られた粒子の体積平均粒子径は、28.32μmであった。
有機無機複合粒子中の無機成分量(強熱残分)は、31.3重量%であった。
有機酸として、PM−21の代わりに、ラウリルリン酸(日光ケミカルズ社製;製品名ホステンHLP)0.56gを使用したこと以外は実施例1と同様にして有機無機複合粒子を作製した。得られた粒子の体積平均粒子径は、27.68μmであった。有機無機複合粒子中の無機成分量(強熱残分)は、33.9重量%であった。
有機酸として、PM−21の代わりに、ポリオキシエチレンアルキル(C8)エーテルリン酸エステル(第一工業製薬社製;製品名プライサーフA208F)0.56gを使用したこと以外は実施例1と同様にして有機無機複合粒子を作製した。得られた粒子の体積平均粒子径は、43.0μmであった。有機無機複合粒子中の無機成分量(強熱残分)は、33.0重量%であった。
有機酸として、PM−21の代わりに、ポリオキシエチレンアルキル(C12,C13)エーテルリン酸エステル(第一工業製薬社製;製品名プライサーフA208N)0.56gを使用したこと以外は実施例1と同様にして有機無機複合粒子を作製した。得られた粒子の体積平均粒子径は、17.21μmであった。有機無機複合粒子中の無機成分量(強熱残分)は、32.9重量%であった。
有機酸として、PM−21の代わりに、ポリオキシエチレンラウリルエーテルリン酸エステル(第一工業製薬社製;製品名プライサーフA208B)0.56gを使用したこと以外は実施例1と同様にして有機無機複合粒子を作製した。得られた粒子の体積平均粒子径は、16.82μmであった。有機無機複合粒子中の無機成分量(強熱残分)は、34.1重量%であった。
有機酸として、PM−21の代わりに、ポリオキシエチレンラウリルエーテルリン酸エステル(第一工業製薬社製;製品名プライサーフA210D)0.56gを使用したこと以外は実施例1と同様にして有機無機複合粒子を作製した。得られた粒子の体積平均粒子径は、26.18μmであった。有機無機複合粒子中の無機成分量(強熱残分)は、32.9重量%であった。
有機酸として、PM−21の代わりに、ポリオキシエチレンラウリルエーテルリン酸エステル(第一工業製薬社製;製品名プライサーフA219B)0.56gを使用したこと以外は実施例1と同様にして有機無機複合粒子を作製した。得られた粒子の体積平均粒子径は、27.5μmであった。有機無機複合粒子中の無機成分量(強熱残分)は、33.1重量%であった。
有機酸としてPM−21を、重合性単量体組成物100重量部に対して19.6重量部使用したこと以外は実施例1と同様にして、有機無機複合粒子を作製した。得られた粒子の体積平均粒子径は、20.07μmであった。有機無機複合粒子中の無機成分量(強熱残分)は、37.7重量%であった。
ケイ素化合物としてのKBM−503を無機粒子100重量部に対して36重量部使用したこと以外は実施例1と同様にして、有機無機複合粒子を作製した。得られた粒子の体積平均粒子径は、24.8μmであった。有機無機複合粒子中の無機成分量(強熱残分)は、34.3重量%であった。
ケイ素化合物としてKBM−503を用いず、KBM−503の代わりに、ヘキシルトリメトキシシラン(信越化学工業社製;製品名KBM−3063)を12g使用したこと以外は実施例1と同様にして有機無機複合粒子を作製した。得られた粒子の体積平均粒子径は、25.08μmであった。有機無機複合粒子中の無機成分量(強熱残分)は、33.0重量%であった。
架橋性単量体としてEGDMAを用いず、単官能単量体であるMMAの使用量を267.5gとした以外は実施例1と同様にして有機無機複合粒子を作製した。得られた粒子の体積平均粒子径は、16.82μmであった。有機無機複合粒子中の無機成分量(強熱残分)は、32.1重量%であった。
架橋性単量体としてのEGDMAを用いず、単官能単量体であるMMAの使用量を267.5gとした以外は、実施例2と同様にして有機無機複合粒子を作製した。得られた粒子の体積平均粒子径は、17.21μmであった。有機無機複合粒子中の無機成分量(強熱残分)は、31.7重量%であった。
実施例1の重合性単量体組成物のケイ素系化合物を添加しないこと以外は実施例1と同じ組成及び操作をおこない、重合性単量体組成物を得た。得られた重合性単量体組成物は、無機粒子が適切に分散できず、流動性を失っており重合操作不能であるため、有機無機複合粒子を得ることができなかった。
有機酸を添加しないこと以外は実施例1と同じ組成及び操作をおこない、重合性単量体組成物を得た。得られた重合性単量体組成物は、ケイ素系化合物による無機粒子の表面処理が緩慢になり、流動性を失っており重合操作不能であるため、有機無機複合粒子を得ることができなかった。
懸濁安定剤としてのピロリン酸マグネシウムを用いなかったこと以外は、実施例1と同じ組成及び操作をおこなったが、重合性単量体組成物が水系分散媒に分散できず、重合操作不能であるため、有機無機複合粒子を得ることができなかった。
Claims (8)
- 有機溶媒の非存在下、重合性単量体中で、無機粒子の表面を、ケイ素系化合物及び有機酸を用いて処理する表面処理工程と、
表面処理された無機粒子と重合性単量体を含む重合性単量体組成物を、懸濁安定剤を含む水系分散媒に懸濁させ、前記重合性単量体を重合することで有機無機複合粒子を得る重合工程とを含むことを特徴とする有機無機複合粒子の製造方法。 - 前記有機酸が、リン酸系化合物、カルボン酸系化合物及びスルホン酸系化合物より選択される請求項1に記載の有機無機複合粒子の製造方法。
- 前記有機酸が、下記一般式(I):
で表される酸性リン酸エステルである請求項1又は2に記載の有機無機複合粒子の製造方法。 - 前記有機酸が、前記重合性単量体組成物100重量部に対して、0.01〜5重量部使用される請求項1〜3のいずれか一項に記載の有機無機複合粒子の製造方法。
- 前記無機粒子が、1〜100nmの一次平均粒子径を有する親水性シリカ粒子であり、前記有機無機複合粒子が、1〜100μmの体積平均粒子径を有する請求項1〜4のいずれか一項に記載の有機無機複合粒子の製造方法。
- 前記無機粒子が、前記重合性単量体100重量部に対して、15〜200重量部使用される請求項1〜5のいずれか一項に記載の有機無機複合粒子の製造方法。
- 前記ケイ素系化合物が、前記無機粒子100重量部に対して、0.1〜30重量部使用される請求項1〜6のいずれか一項に記載の有機無機複合粒子の製造方法。
- 前記懸濁安定剤が、難水溶性無機化合物であり、前記重合性単量体組成物100重量部に対して、0.1〜30重量部使用される請求項1〜7のいずれか一項に記載の有機無機複合粒子の製造方法。
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