JP2020180276A - 混合組成物 - Google Patents

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Abstract

【課題】耐摩耗性および撥液性に優れた皮膜を実現することのできる組成物を提供することを目的とする。【解決手段】有機ケイ素化合物(A)とケイ素化合物(B)との混合組成物であって、前記有機ケイ素化合物(A)が、少なくとも1つのトリアルキルシリル基含有分子鎖と、少なくとも1つの加水分解性基とがケイ素原子に結合している有機ケイ素化合物であり、前記ケイ素化合物(B)が、下記式(b)で表されるケイ素化合物(b)およびその縮合物(bb)よりなる群から選ばれる1種以上のケイ素化合物であり、前記混合組成物のGPCクロマトグラフィーで得られたクロマトグラムにおいて、前記有機ケイ素化合物(A)及び前記ケイ素化合物(B)の少なくとも一方に由来する化合物の標準ポリスチレン換算の重量平均分子量Mwが2000〜12000である混合組成物。Si(X)p(ORb)4-p・・・(b)[前記式(b)中、Xは炭素数1〜6のアルキル基又は水素原子であり、Rbは炭素数1〜6のアルキル基であり、pは0〜3の整数である。]【選択図】なし

Description

本発明は、複数のケイ素化合物の混合組成物に関する。
各種の表示装置、光学素子、半導体素子、建築材料、自動車部品、ナノインプリント技術等において、基材の表面に液滴(特に、水滴)が付着すると、基材が汚れたり、腐食したり、さらにこの汚れや腐食に由来する性能低下等の問題が生じることがある。そのためこれらの分野においては、基材表面の撥水性、撥油性などの撥液性が良好であることが求められている。
基材表面の撥液性を高められる皮膜として、有機ケイ素化合物が混合されている組成物から得られる皮膜が挙げられ、例えば特許文献1には、式(a):Si(OR1p(X14-p(R1は炭素数1〜6のアルキル基、X1はハロゲン原子、pは0〜4の整数)で表されるシラン化合物(A)と、式(b):R2Si(OR3q(X23-q(R2は、無置換もしくは置換基を有する炭素数4〜14のアルキル基を表し、R3は、炭素数1〜6のアルキル基を表し、X2は、ハロゲン原子、qは0〜3の整数)で表されるシラン化合物(B)を含む防汚層形成用組成物より形成された防汚層(Y)が開示されている。また、特許文献1では、(ポリ)シラザン系化合物を含有する中間層(X)の表面上に、前記防汚層(Y)を有する防汚性シートにより、面状態及び硬化性が良好な防汚層を備え、水滴を瞬時に滑落させ得る優れた撥水性を有する防汚性シートが提供できたことが記載される。
国際公開第2015/147196号
ところで、有機ケイ素化合物が混合されている組成物を用いて得られる皮膜は、摩擦等を受けて破壊されることがあり、液滴が付着しやすくなったり、付着した液滴が除去されにくくなる場合があった。
そこで、本発明は耐摩耗性および撥水性、撥油性などの撥液性(特に撥水性。撥液性について以下同じ)に優れた皮膜を実現することのできる組成物を提供することを目的とする。
[1]有機ケイ素化合物(A)とケイ素化合物(B)との混合組成物であって、
前記有機ケイ素化合物(A)が、少なくとも1つのトリアルキルシリル基含有分子鎖と、少なくとも1つの加水分解性基とがケイ素原子に結合している有機ケイ素化合物であり、
前記ケイ素化合物(B)が、下記式(b)で表されるケイ素化合物(b)およびその縮合物(bb)よりなる群から選ばれる1種以上のケイ素化合物であり、
前記混合組成物のGPCクロマトグラフィーで得られたクロマトグラムにおいて、前記有機ケイ素化合物(A)及び前記ケイ素化合物(B)の少なくとも一方に由来する化合物の標準ポリスチレン換算の重量平均分子量Mwが2000〜12000である混合組成物。
Si(X)p(ORb4-p ・・・(b)
[前記式(b)中、Xは炭素数1〜6のアルキル基又は水素原子であり、Rbは炭素数1〜6のアルキル基であり、pは0〜3の整数である。]
[2]下記式(bz)で表される化合物(BZ1)を含む[1]に記載の組成物。
Figure 2020180276

[前記式(bZ)中、D1及びD4〜D6は、それぞれ独立に、炭素数1〜6のアルキル基、水素原子、ヒドロキシ基、または炭素数1〜6のアルコキシ基であり、D2、およびD3は、それぞれ独立に、炭素数1〜6のアルキル基、水素原子、ヒドロキシ基、炭素数1〜6のアルコキシ基、又は−O−であり、
2、またはD3が−O−であるときは、化合物(BZ1)が、式(bZ)で表され且つ(BZ1)とは別の化合物である(BZ2)と結合しており、化合物(BZ1)中の−O−であるD2、またはD3は、(BZ2)のD1〜D6のいずれかに代えて(BZ2)のSiと直接結合しており、
qは平均繰り返し数である。]
[3]前記組成物のGPCクロマトグラフ測定で、前記有機ケイ素化合物(A)及び前記ケイ素化合物(B)の少なくとも一方に由来する成分の面積に対する、分子量が5500以上である成分の面積の割合が75%以下である[1]または[2]に記載の組成物。
[4]前記混合組成物のNMR測定において、ジメチルシロキサン基のピーク面積に対する総アルコキシ基のピーク面積割合が0.020以上、1.000未満である[1]〜[3]のいずれかに記載の組成物。
[5]前記有機ケイ素化合物(A)が下記式(a1)で表される[1]〜[4]のいずれかに記載の組成物。
Figure 2020180276

[式(a1)中、
複数のAa1は、それぞれ独立に、加水分解性基を表し、
a1は、トリアルキルシリル基含有分子鎖、シロキサン骨格含有基、または炭化水素鎖含有基を表し、
xは、0または1であり、
a1は、トリアルキルシリル基含有分子鎖を表す。
a1およびRa1の前記トリアルキルシリル基に含まれる水素原子はフッ素原子に置換されていてもよい。]
[6]前記有機ケイ素化合物(A)が下記式(a2)で表される[5]に記載の組成物。
Figure 2020180276

[前記式(a2)中、Aa1、Za1、xは、前記と同義である。
s1は、−O−または2価の炭化水素基を表し、該2価の炭化水素基に含まれる−CH2−は、−O−に置き換わっていてよく、
複数のRs2は、それぞれ独立に、炭素数1〜10のアルキル基を表し、
n1は、1以上の整数であり、
s1は、単結合または−Si(Rs22−Ls1−を表し、該Ls1は、2価の炭化水素基を表し、該2価の炭化水素基に含まれる−CH2−は、−O−に置き換わっていてもよく、
複数のRs1は、それぞれ独立に、炭化水素基またはトリアルキルシリルオキシ基を表す。]
本発明の組成物によれば、耐摩耗性および撥液性に優れた皮膜を実現できる。
本発明の組成物は、前記の通り、前記有機ケイ素化合物(A)と、前記ケイ素化合物(B)との混合組成物である。以下、有機ケイ素化合物(A)、ケイ素化合物(B)についてそれぞれ説明する。
1.有機ケイ素化合物(A)
本発明における有機ケイ素化合物(A)は、少なくとも1つのトリアルキルシリル基含有分子鎖と、少なくとも1つの加水分解性基とが、ケイ素原子(以下、このケイ素原子を「中心ケイ素原子」という場合がある)に結合している。
前記トリアルキルシリル基含有分子鎖とは、トリアルキルシリル含有基が分子鎖の末端に結合した構造を有する1価の基であり、分子鎖にトリアルキルシリル含有基が結合していることで、本発明の組成物から形成される皮膜の撥液性が向上する。好ましい態様においては、トリアルキルシリル基含有分子鎖が存在することで、液滴(水滴等)と該皮膜の間の摩擦が低減され、液滴が移動しやすくなり、また水滴の滑落性が向上する。またトリアルキルシリル含有基のアルキル基がフルオロアルキル基に置き換わっている場合においても、同様に該皮膜界面(表面)の撥液性(好ましくは、更に水滴の滑落性)を向上させることができる。
前記トリアルキルシリル含有基に含まれるアルキル基(アルキル基1つ当たり)の炭素数は、1〜4が好ましく、より好ましくは1〜3、さらに好ましくは1または2である。
前記トリアルキルシリル基含有分子鎖において、トリアルキルシリル含有基が結合している分子鎖としては、直鎖状または分岐鎖状が好ましく、直鎖状がより好ましい。
前記トリアルキルシリル含有基が結合している分子鎖は、ジアルキルシロキサン鎖を含むことが好ましく、直鎖状ジアルキルシロキサン鎖を含むことがより好ましい。また、ジアルキルシロキサン鎖を含む前記分子鎖は、2価の炭化水素基を含んでいてもよい。該分子鎖の一部が2価の炭化水素基であっても、残部がジアルキルシロキサン鎖であるため、得られる皮膜の化学的・物理的耐久性が良好である。
前記有機ケイ素化合物(A)において、中心ケイ素原子に結合するトリアルキルシリル基含有分子鎖の個数は、1以上であり、3以下が好ましく、より好ましくは2以下である。中心ケイ素原子に結合するトリアルキルシリル基含有分子鎖の個数は、1が特に好ましい。
前記加水分解性基とは、加水分解によってヒドロキシ基を与える基(ケイ素原子と結合してシラノール基となる基)であり、例えば、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基等の炭素数1〜4のアルコキシ基;ヒドロキシ基;アセトキシ基;塩素原子;イソシアネート基;等を好ましく挙げることができる。これらの中でも、炭素数1〜4のアルコキシ基が好ましく、炭素数1または2のアルコキシ基がより好ましい。
前記有機ケイ素化合物(A)において、中心ケイ素原子に結合する加水分解性基の個数は、1以上であり、2以上が好ましく、通常、3以下が好ましい。
前記有機ケイ素化合物(A)の中心ケイ素原子には、トリアルキルシリル基含有分子鎖、加水分解性基のほか、シロキサン骨格含有基(好ましくは、トリアルキルシリル基含有分子鎖の分子鎖を構成する原子数よりも少ない原子数のシロキサン骨格含有基)、または炭化水素鎖含有基(好ましくは、トリアルキルシリル基含有分子鎖の分子鎖を構成する原子数よりも少ない炭素数の炭化水素鎖を含有する炭化水素鎖含有基)が結合していてもよい。炭化水素鎖含有基は、少なくとも一部に炭化水素基を有する基を意味する。
本発明の組成物は、前記有機ケイ素化合物(A)を2種以上用いてもよい。
前記有機ケイ素化合物(A)は、具体的には、下記式(a1)で表される化合物であることが好ましい。
Figure 2020180276
[式(a1)中、複数のAa1は、それぞれ独立に、加水分解性基を表し、Za1は、トリアルキルシリル基含有分子鎖、シロキサン骨格含有基、または炭化水素鎖含有基を表し、xは、0または1であり、Ra1は、トリアルキルシリル基含有分子鎖を表す。Za1およびRa1の該トリアルキルシリル基に含まれる水素原子はフッ素原子に置換されていてもよい。]
前記式(a1)中、複数のAa1は、それぞれ独立に、加水分解性基であり、加水分解によってヒドロキシ基を与える基(ケイ素原子と結合してシラノール基となる基)であればよく、例えば、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基等の炭素数1〜4のアルコキシ基;ヒドロキシ基;アセトキシ基;塩素原子;イソシアネート基;等を好ましく挙げることができる。これらの中でも、炭素数1〜4のアルコキシ基が好ましく、炭素数1または2のアルコキシ基がより好ましい。
前記式(a1)中、Ra1は、トリアルキルシリル基含有分子鎖であり、上述した通り、トリアルキルシリル含有基が分子鎖の末端に結合した構造を有する1価の基である。前記トリアルキルシリル含有基は、少なくとも1つのトリアルキルシリル基を含む基であり、好ましくは2つ以上、さらに好ましくは3つのトリアルキルシリル基を含む基である。
前記トリアルキルシリル含有基は、下記式(s1)で表される基が好ましい。
Figure 2020180276
[前記式(s1)中、複数のRs1は、それぞれ独立に、炭化水素基またはトリアルキルシリルオキシ基を表し、該炭化水素基またはトリアルキルシリルオキシ基に含まれる水素原子は、フッ素原子に置換されていてもよい。*は結合手を表す。]
前記式(s1)において、Rs1の少なくとも1つがトリアルキルシリルオキシ基であるか、Rs1が全てアルキル基であることが好ましい。
前記Rs1が炭化水素基である場合、その炭素数は、1〜4が好ましく、より好ましくは1〜3、さらに好ましくは1または2である。
前記Rs1が炭化水素基である場合、脂肪族炭化水素基が好ましく、アルキル基がより好ましい。該アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基等が挙げられる。
複数のRs1は、同一でも異なっていてもよく、同一であることが好ましい。Rs1が全て炭化水素基である場合(特にアルキル基)、3つのRs1の合計の炭素数は、9以下が好ましく、より好ましくは6以下、さらに好ましくは4以下である。3つのRs1のうち少なくとも1つがメチル基であることが好ましく、少なくとも2つがメチル基であることがより好ましく、3つのRs1全てがメチル基であることが特に好ましい。
前記Rs1が全て炭化水素基(アルキル基)である基(トリアルキルシリル基)としては、具体的には、下記式で表される基等が挙げられる。式中、*は結合手を表す。
Figure 2020180276
前記式(s1)において、Rs1の少なくとも1つは、トリアルキルシリルオキシ基が好ましい。
前記トリアルキルシリルオキシ基とは、アルキル基が3つ結合したケイ素原子(トリアルキルシリル基)に酸素原子が結合している基を意味する。前記式(s1)において、2個以上のRs1がトリアルキルシリルオキシ基であることが好ましく、3個のRs1がトリアルキルシリルオキシ基であることが更に好ましい。
s1の少なくとも1つがトリアルキルシリルオキシ基である基としては、下記式で表される基が挙げられる。
Figure 2020180276
前記トリアルキルシリル基含有分子鎖において、トリアルキルシリル含有基は、分子鎖の末端(自由端側)、特に分子鎖の主鎖(最長直鎖)の末端(自由端側)に結合していることが好ましい。
前記トリアルキルシリル含有基が結合している分子鎖は、直鎖状または分岐鎖状が好ましく、直鎖状がより好ましい。
前記トリアルキルシリル含有基が結合している分子鎖は、ジアルキルシロキサン鎖を含むことが好ましく、直鎖状ジアルキルシロキサン鎖を含むことがより好ましい。また、ジアルキルシロキサン鎖を含む前記分子鎖は、2価の炭化水素基を含んでいてもよい。該分子鎖の一部が2価の炭化水素基であっても、残部がジアルキルシロキサン鎖であるため、得られる皮膜の化学的・物理的耐久性が良好である。
前記トリアルキルシリル含有基が結合している分子鎖は、下記式(s2)で表される基が好ましい。
Figure 2020180276
[式(s2)中、Zs1は、−O−または2価の炭化水素基を表し、該2価の炭化水素基に含まれる−CH2−は、−O−に置き換わっていてもよく、複数のRs2は、それぞれ独立に、炭素数1〜10のアルキル基を表し、n1は、1以上の整数であり、Ys1は、単結合または−Si(Rs22−Ls1−を表し、該Ls1は、2価の炭化水素基を表し、該2価の炭化水素基に含まれる−CH2−は、−O−に置き換わっていてもよい。前記式(s2)において、左側の*は、中心ケイ素原子との結合手を表し、右側の*は、トリアルキルシリル含有基との結合手を表す。]
前記Rs2で表されるアルキル基の炭素数は、1〜4が好ましく、より好ましくは1〜3、さらに好ましくは1または2である。
n1は、1〜100の整数が好ましく、より好ましくは1〜80の整数、さらに好ましくは1〜50の整数、特に好ましくは1〜30の整数である。
s1またはLs1で表される2価の炭化水素基の炭素数は、1〜10が好ましく、より好ましくは1〜6、さらに好ましくは1〜4である。前記2価の炭化水素基は、鎖状が好ましく、鎖状である場合、直鎖状、分岐鎖状のいずれであってもよい。また、前記2価の炭化水素基は、2価の脂肪族炭化水素基が好ましく、アルカンジイル基が好ましい。前記2価の炭化水素基としては、メチレン基、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基等が挙げられる。
さらに、前記2価の炭化水素基に含まれる一部の−CH2−は、−O−に置き換わっていてもよい。この場合、連続する2つの−CH2−が同時に−O−に置き換わることはなく、Si原子に隣接する−CH2−が−O−に置き換わることはない。2つ以上の−CH2−が−O−に置き換わっている場合、−O−と−O−の間の炭素数は、2〜4が好ましく、2または3がさらに好ましい。前記2価の炭化水素基の一部が−O−に置き換わった基としては、具体的には、(ポリ)エチレングリコール単位を有する基、(ポリ)プロピレングリコール単位を有する基等を例示することができる。
前記式(s2)において、Zs1が−O−であり、Ys1が単結合であること、すなわち前記分子鎖は、ジアルキルシリルオキシ基の繰り返しのみからなることが好ましい。ジアルキルシロキサン鎖がジアルキルシリルオキシ基の繰り返しのみからなる場合、得られる皮膜の化学的・物理的耐久性が良好である。
トリアルキルシリル基含有分子鎖に含まれる分子鎖としては、下記式で表される分子鎖を挙げることができる。下記式中、q1は、1〜30の整数を表し、*は、中心ケイ素原子またはトリアルキルシリル含有基に結合する結合手を表すものとする。
Figure 2020180276
Figure 2020180276
Figure 2020180276
また、トリアルキルシリル基含有分子鎖を構成する原子の合計数は、24以上が好ましく、より好ましくは40以上、さらに好ましくは50以上であり、一層好ましくは100以上であり、5000以下が好ましく、より好ましくは4000以下であり、更に好ましくは2000以下、より更に好ましくは1200以下が好ましく、ことさら好ましくは700以下、特に好ましくは400以下であり、最も好ましくは250以下である。
前記トリアルキルシリル基含有分子鎖は、下記式(s3)で表される基が好ましい。
Figure 2020180276
[式(s3)中、Zs1、Rs2、n1、Ys1、Rs1は、前記と同義である。*は、中心ケイ素原子との結合手を表す。]
前記トリアルキルシリル基含有分子鎖は、下記式(s3−1)または下記式(s3−2)で表される基が好ましく、下記式(s3−2)で表される基がより好ましい。
前記トリアルキルシリル基含有分子鎖が、下記式(s3−1)で表される場合、下記式(s3−1−1)で表される基がより好ましい。
Figure 2020180276
[式(s3−1)および式(s3−1−1)中、Zs1、Rs2、n1、Ys1は、前記と同義である。Rs3は、炭素数1〜4のアルキル基を表す。*は、中心ケイ素原子との結合手を表す。]
s3で表されるアルキル基の炭素数は、1〜3が好ましく、より好ましくは1または2である。また、式(s3−1)および式(s3−1−1)中−Si(Rs33に含まれるRs3の合計の炭素数は、9以下が好ましく、より好ましくは6以下、さらに好ましくは4以下である。さらに、−Si(Rs33に含まれるRs3のうち、少なくとも1つがメチル基であることが好ましく、2つ以上のRs3がメチル基であることがより好ましく、3つのRs3全てがメチル基であることが特に好ましい。
前記トリアルキルシリル基含有分子鎖が、下記式(s3−2)で表される場合、下記式(s3−2−1)で表される基がより好ましい。
Figure 2020180276
[前記式(s3−2)および式(s3−2−1)中、Zs1、Rs2、n1、Ys1は、前記と同義である。Rs4は、炭素数1〜4のアルキル基を表す。*は、中心ケイ素原子との結合手を表す。]
s4で表されるアルキル基の炭素数は、1〜3が好ましく、より好ましくは1または2である。また、*−Si(Rs43に含まれるRs4の合計の炭素数は、9以下が好ましく、より好ましくは6以下、さらに好ましくは4以下である。さらに、*−Si(Rs43に含まれるRs4のうち、少なくとも1つがメチル基であることが好ましく、2つ以上のRs4がメチル基であることがより好ましく、3つのRs4全てがメチル基であることが特に好ましい。
前記トリアルキルシリル基含有分子鎖としては、具体的には、下記式(s3−I)で表される基が挙げられる。
Figure 2020180276
[前記式(s3−I)中、*は中心ケイ素原子との結合手を表す。]
前記式(s3−I)中、Zs10、Rs20、n10、Ys10、Rs10は、下記表1、2に示す組み合わせが好ましい。
Figure 2020180276
Figure 2020180276
(s3−I−1)〜(s3−I−50)において、n10はより好ましくは2以上の整数であり、更に好ましくは3以上の整数であり、また50以下の整数がより好ましく、更に好ましくは40以下の整数であり、一層好ましくは30以下の整数であり、最も好ましくは25以下の整数である。
前記式(a1)中、Za1は、トリアルキルシリル基含有分子鎖、シロキサン骨格含有基、または炭化水素鎖含有基を表す。
a1がトリアルキルシリル基含有分子鎖である場合は、前記Ra1と同様のものが挙げられる。
a1がシロキサン骨格含有基である場合、前記シロキサン骨格含有基は、シロキサン単位(Si−O−)を含有する1価の基であり、Ra1のトリアルキルシリル基含有分子鎖を構成する原子数よりも少ない数の原子で構成されるものであることが好ましい。これにより、シロキサン骨格含有基は、トリアルキルシリル基含有分子鎖よりも長さが短いか、立体的な広がり(かさ高さ)が小さな基となる。シロキサン骨格含有基には、2価の炭化水素基が含まれていてもよい。
前記シロキサン骨格含有基は、下記式(s4)で表される基が好ましい。
Figure 2020180276
[式(s4)中、Zs1、Rs2、およびYs1は前記と同義である。Rs5は、炭化水素基またはヒドロキシ基を表し、該炭化水素基に含まれる−CH2−は、−O−に置き換わっていてもよく、該炭化水素基に含まれる水素原子は、フッ素原子に置換されていてもよい。n3は、0〜5の整数を表す。*は、中心ケイ素原子との結合手を表す。]
s5で表される炭化水素基としては、Rs1で表される炭化水素基と同様の基が挙げられ、脂肪族炭化水素基が好ましく、アルキル基がより好ましい。
s5で表される炭化水素基の炭素数は、1〜4が好ましく、より好ましくは1〜3、さらに好ましくは1または2である。
n3は、1〜5の整数が好ましく、より好ましくは1〜3の整数である。
前記シロキサン骨格含有基の原子数の合計は、600以下が好ましく、より好ましくは500以下、更に好ましくは350以下、更により好ましくは100以下、一層好ましくは50以下、より一層好ましくは30以下であり、また10以上が好ましい。また、Ra1のトリアルキルシリル基含有分子鎖とZa1のシロキサン骨格含有基の原子数の差は、10以上が好ましく、より好ましくは20以上であり、1000以下が好ましく、より好ましくは500以下、さらに好ましくは200以下である。
前記シロキサン骨格含有基としては、具体的には、下記式で表される基が挙げられる。
Figure 2020180276
a1が炭化水素鎖含有基である場合、トリアルキルシリル基含有分子鎖の分子鎖を構成する原子数よりも炭化水素鎖部分の炭素数が少ないものであることが好ましい。また、トリアルキルシリル基含有分子鎖の最長直鎖を構成する原子数よりも、炭化水素鎖の最長直鎖の炭素数が少ないものであることが好ましい。炭化水素鎖含有基は、通常、炭化水素基(炭化水素鎖)のみから構成されるが、必要により、この炭化水素鎖の一部のメチレン基(−CH2−)が酸素原子に置き換わった基であってもよい。また、Si原子に隣接するメチレン基(−CH2−)は酸素原子に置き換わることはなく、また連続する2つのメチレン基(−CH2−)が同時に酸素原子に置き換わることもない。
なお、炭化水素鎖部分の炭素数とは、酸素非置換型の炭化水素鎖含有基では炭化水素基(炭化水素鎖)を構成する炭素原子の数を意味し、酸素置換型の炭化水素鎖含有基では、酸素原子をメチレン基(−CH2−)と仮定して数えた炭素原子の数を意味するものとする。
以下、特に断りがない限り、酸素非置換型の炭化水素鎖含有基(すなわち1価の炭化水素基)を例にとって炭化水素鎖含有基について説明するが、いずれの説明でも、そのメチレン基(−CH2−)のうち一部を酸素原子に置き換えることが可能である。
前記炭化水素鎖含有基は、それが炭化水素基の場合には、炭素数は1以上、3以下が好ましく、より好ましくは1である。また、前記炭化水素鎖含有基は、分岐鎖であっても直鎖であってもよい。前記炭化水素鎖含有基は、飽和または不飽和の脂肪族炭化水素鎖含有基が好ましく、飽和脂肪族炭化水素鎖含有基がより好ましい。前記飽和脂肪族炭化水素鎖含有基としては、飽和脂肪族炭化水素基がより好ましい。飽和脂肪族炭化水素基には、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基等が含まれる。
飽和脂肪族炭化水素基の一部のメチレン基(−CH2−)が酸素原子に置き換わる場合、具体的には、(ポリ)エチレングリコール単位を有する基等を例示することができる。
前記式(a1)中、xは、好ましくは0である。
前記有機ケイ素化合物(A)は、下記式(a2)で表される化合物が好ましい。
Figure 2020180276
[式(a2)中、Aa1、Za1、x、Zs1、Rs2、n1、Ys1、Rs1は、それぞれ前記と同義である。]
前記式(a2)において、前記n1は、1〜60の整数が好ましい。前記n1は、より好ましくは2以上の整数、更に好ましくは3以上の整数であり、より好ましくは50以下の整数、更に好ましくは40以下の整数、特に好ましくは30以下の整数、最も好ましくは25以下の整数である。
前記式(a2)で表される有機ケイ素化合物(A)は、下記式(a2−1)または下記式(a2−2)で表されるものが好ましく、下記式(a2−2)で表されるものがより好ましい。
前記式(a2)で表される有機ケイ素化合物(A)が、下記式(a2−1)で表される場合、下記式(a2−1−1)で表される化合物がより好ましい。
Figure 2020180276
[式(a2−1)および式(a2−1−1)中、Aa1、Zs1、Rs2、n1、Ys1、Rs3は、前記と同義である。]
前記式(a2)で表される有機ケイ素化合物(A)が、下記式(a2−2)で表される場合、下記式(a2−2−1)で表される化合物がより好ましい。
Figure 2020180276
[式(a2−2)および式(a2−2−1)中、Aa1、Zs1、Rs2、n1、Ys1、Rs4は、前記と同義である。]
前記式(a2)で表される有機ケイ素化合物(A)は、具体的には、式(A−I)で表される化合物が挙げられる。
Figure 2020180276
前記式(A−I)において、Aa10、Zs10、Rs20、n10、Ys10、Rs10は、下記表3−1、3−2、4−1、4−2に示す組み合わせが好ましい。
Figure 2020180276
Figure 2020180276
Figure 2020180276
Figure 2020180276
前記(A−I−1)〜(A−I−100)において、n10はより好ましくは2以上の整数であり、更に好ましくは3以上の整数であり、また50以下の整数がより好ましく、更に好ましくは40以下の整数であり、一層好ましくは30以下の整数であり、最も好ましくは25以下の整数である。
前記式(A−I)の中でも、(A−I−26)で表されるものがより好ましい。すなわち、前記式(a2)で表される有機ケイ素化合物(A)としては、下記式(a3)で表されるものが好ましい。
Figure 2020180276
[式(a3)中、n2は、1〜60の整数である。]
前記n2は、より好ましくは2以上の整数、更に好ましくは3以上の整数であり、より好ましくは50以下の整数、更に好ましくは40以下の整数、特に好ましくは30以下の整数、最も好ましくは25以下の整数である。
前記有機ケイ素化合物(A)の量は、組成物全体を100質量%としたとき、0.01質量%以上が好ましく、より好ましくは0.015質量%以上、さらに好ましくは0.02質量%以上であり、0.5質量%以下が好ましく、より好ましくは0.4質量%以下、さらに好ましくは0.3質量%以下である。
前記の有機ケイ素化合物(A)の量は、組成物の調製時に調整できる。前記有機ケイ素化合物(A)の量は、組成物の分析結果から算出してもよい。なお、本明細書において、各成分の量、質量比またはモル比の範囲を記載している場合、前記と同様に、該範囲は、組成物の調製時に調整できる。
前記有機ケイ素化合物(A)の合成方法としては、特開2017−201009号公報に記載の方法が挙げられる。
2.ケイ素化合物(B)
ケイ素化合物(B)は、下記式(b)で表されるケイ素化合物(b)およびその縮合物(bb)からなる群から選ばれる1種以上のケイ素化合物である。
ケイ素化合物(b)は下記式(b)で表される。
Si(X)p(ORb4-p ・・・(b)
[前記式(b)中、Xは炭素数1〜6のアルキル基又は水素原子であり、Rbは炭素数1〜6のアルキル基であり、pは0〜3の整数である。]
Xは炭素数1〜4のアルキル基又は水素原子であることが好ましく、より好ましくはメチル基又はエチル基又は水素原子である。メチル基又は水素原子であることが最も好ましい。Rbは炭素数1〜4のアルキル基であることが好ましく、より好ましくはメチル基又はエチル基である。pは2以下が好ましく、より好ましくは1以下であり、0であることが更に好ましい。
縮合物(bb)は、2以上のケイ素化合物(b)が縮合した化合物であり、平均の縮合数は3以上が好ましく、4以上が好ましく、また70以下が好ましく、より好ましくは60以下が好ましく、50以下がより好ましく、30以下が更に好ましい。
縮合物(bb)として、組成の異なる2種以上の化合物を用いてもよい。
ケイ素化合物(B)としては、耐摩耗性および撥液性に優れた皮膜を容易に得る観点で、ケイ素化合物(b)の縮合物(bb)を用いることが好ましい。ケイ素化合物(B)として縮合物(bb)を用いる場合、ケイ素化合物(b)が混在していてもよい。
ケイ素化合物(B)の量(複数種である場合は合計量)は、組成物の全体を100質量%としたとき、0.03質量%以上が好ましく、より好ましくは0.05質量%以上であり、また0.7質量%以下が好ましく、より好ましくは0.5質量%以下であり、更に好ましくは0.3質量%以下である。
有機ケイ素化合物(A)とケイ素化合物(B)との合計量は、組成物の全体を100質量%としたとき、0.05質量%以上であり、より好ましくは0.07質量%以上であり、また1.0質量%以下が好ましく、より好ましくは0.7質量%以下である。
有機ケイ素化合物(A)に対するケイ素化合物(B)の質量比(ケイ素化合物(B)/有機ケイ素化合物(A))は、例えば1.5以上であり、より好ましくは2以上であり、更に好ましくは3以上であり、また10以下が好ましく、より好ましくは8以下であり、更に好ましくは7以下である。
本発明の混合組成物は、前記有機ケイ素化合物(A)及び前記ケイ素化合物(B)が混合された組成物であり、これら(A)及び(B)を混合することにより得られる((A)、(B)以外の成分が混合されている混合組成物においても同様である)。本発明の混合組成物は、混合後、例えば保管中に反応が進んだものも含む。
本発明の混合組成物は、前記有機ケイ素化合物(A)と前記ケイ素化合物(B)が混合されており、該混合組成物には前記ケイ素化合物(b)が含まれていてもよい。また、本発明の混合組成物には、通常、2以上の前記ケイ素化合物(B)が縮合して形成された化合物(BB)が含まれている。
本発明の混合組成物は、前記有機ケイ素化合物(A)と前記ケイ素化合物(B)の共縮合物が含まれていることが好ましい。前記共縮合物の存在は、各種質量分析法(例えばMALDI/TOFMS法)や、NMR測定を用いて確認することができる。この共縮合物が存在すると、本発明の組成物を製膜し、耐摩耗試験を実施した際には、有機ケイ素化合物(A)がより強固に皮膜と結合することができ、耐摩耗性の向上に良い影響を与えると考えられる。より具体的には、NMR測定において、ジメチルシロキサン基のピーク面積に対する総アルコキシ基のピーク面積割合が0.010以上、1.600未満であることが好ましく、より好ましくは0.020以上、1.000未満である。
本発明の混合組成物のGPCクロマトグラフィーで得られたクロマトグラムにおいて、前記有機ケイ素化合物(A)及び前記ケイ素化合物(B)の少なくとも一方に由来する化合物の標準ポリスチレン換算の重量平均分子量Mwは2000〜12000である。前記Mwをこの範囲とすることによって、優れた耐摩耗性を実現できる。前記Mwは2300以上が好ましく、より好ましくは2500以上であり、更に好ましくは3000以上であり、また10000以下が好ましく、9300以下がより好ましく、更に好ましくは5500以下である。かかるMwは、用いる有機ケイ素化合物(A)およびケイ素化合物(B)ならびにその他の成分の種類や量、混合後の撹拌温度や撹拌時間等を適宜調整することにより、得ることができる。
本発明の混合組成物は、下記式(bz)で表される化合物(Bz1)を含むことが好ましい。
下記式(bz)で表される化合物(Bz1)は、前記縮合物(bb)であってもよいし、2以上の前記ケイ素化合物(B)がさらに縮合して形成された化合物(BB)であってもよい。
Figure 2020180276
[前記式(bZ)中、D1及びD4〜D6は、それぞれ独立に、炭素数1〜6のアルキル基、水素原子、ヒドロキシ基、または炭素数1〜6のアルコキシ基であり、D2、およびD3は、それぞれ独立に、炭素数1〜6のアルキル基、水素原子、ヒドロキシ基、炭素数1〜6のアルコキシ基、又は−O−であり、
2、またはD3が−O−であるときは、化合物(BZ1)が、式(bZ)で表され且つ(BZ1)とは別の化合物である(BZ2)と結合しており、化合物(BZ1)中の−O−であるD2、またはD3は、(BZ2)のD1〜D6のいずれかに代えて(BZ2)のSiと直接結合しており、
qは平均繰り返し数である。]
1及びD4〜D6は、それぞれ独立に、炭素数1〜4のアルキル基(特に炭素数1〜2のアルキル基)、ヒドロキシ基、水素原子、又は炭素数1〜4のアルコキシ基であることが好ましく、より好ましくはメチル基、ヒドロキシ基、水素原子又は炭素数1〜4のアルコキシ基であり、更に好ましくはヒドロキシ基、水素原子、又は炭素数1〜2のアルコキシ基(特にエトキシ基)である。D2、およびD3は、それぞれ独立に、炭素数1〜4のアルキル基(特に炭素数1〜2のアルキル基)、ヒドロキシ基、水素原子、炭素数1〜4のアルコキシ基、又は−O−であることが好ましく、より好ましくはメチル基、ヒドロキシ基、水素原子、炭素数1〜4のアルコキシ基、又は−O−であり、更に好ましくはヒドロキシ基、水素原子、炭素数1〜2のアルコキシ基(特にエトキシ基)、又は−O−である。qは平均繰り返し数であって前記式(bz)で表される化合物の分子量に応じて定まる値である。
qは、好ましくは2〜145であり、より好ましくは4〜100であり、さらに好ましくは5〜75であり、よりさらに好ましくは10〜70であり、特に好ましくは12〜70である。
本発明の組成物のGPCクロマトグラフ測定で、前記有機ケイ素化合物(A)及び前記ケイ素化合物(B)の少なくとも一方に由来する成分の面積に対する、分子量が5500以上である成分の面積の割合が75%以下であることが好ましい。このようにすることで、耐摩耗性をより向上できる。分子量が5500以上である成分の面積割合は、65%以下がより好ましく、更に好ましくは50%以下であり、一層好ましくは40%以下であり、また、5%以上が好ましく、より好ましくは15%以上であり、更に好ましくは25%以上である。
また、本発明の混合組成物には、前記有機ケイ素化合物(A)及び前記ケイ素化合物(B)の他、触媒(C)、水(D)、及び溶媒(E)の少なくとも1種が混合されていることが好ましい。
3.触媒(C)
前記触媒(C)は、有機ケイ素化合物(A)における加水分解性基、またケイ素化合物(B)が加水分解性基を有する場合はケイ素化合物(B)における加水分解性基の、加水分解・縮合触媒として作用する触媒であることが好ましい。
触媒(C)は、酸触媒、塩基触媒、有機金属触媒のいずれかを含んでいてもよい。酸触媒としては、塩酸、硝酸、硫酸、リン酸等の無機酸;クエン酸、シュウ酸、酢酸などの有機酸が挙げられる。塩基触媒としては、アンモニア、アミン類などが挙げられる。有機金属触媒としては、Al、Fe、Zn、Sn、Zr等の金属元素を中心金属とする有機金属化合物が挙げられ、アルミニウムアセチルアセトン錯体、アルミニウムエチルアセトアセテート錯体等の有機アルミニウム化合物;オクチル酸鉄等の有機鉄化合物;亜鉛アセチルアセトナートモノハイドレート、ナフテン酸亜鉛、オクチル酸亜鉛等の有機亜鉛化合物;ジブチル錫ジアセテート錯体等の有機錫化合物;などが挙げられる。触媒は、酸触媒が好ましく、特に酢酸等の有機酸触媒が好ましい。特に、第1解離時のpKa(酸解離定数)が1以上である酸が好ましく、皮膜形成時の反応を穏やかに進行させることができ、良好な皮膜を形成できる。触媒(C)が酸触媒である場合の第1解離時におけるpKaは、1.5以上が好ましく、より好ましくは2.5以上、更に好ましくは3.5以上であり、またpKaは10以下が好ましく、より好ましくは8以下、更に好ましくは6以下である。
第1解離時のpKaが1以上である酸として、具体的には、マレイン酸(pKa=1.92)、リン酸(pKa=2.12)、マロン酸(pKa=2.60)、ギ酸(pKa=3.75)、安息香酸(pKa=4.2)、フェニルエタン酸(pKa=4.31)、酢酸(pKa=4.76)、ブタン酸(pKa=4.83)、2−メチルプロパン酸(pKa=4.84)、プロパン酸(pKa=4.87)、2,2−ジメチルプロパン酸(pKa=5.03)が挙げられる。
触媒(C)の量は、有機ケイ素化合物(A)とケイ素化合物(B)の合計100質量%に対して(触媒(C)/{有機ケイ素化合物(A)+ケイ素化合物(B)})、0.05質量%以上が好ましく、より好ましくは0.1質量%以上、更に好ましくは1質量%以上であり、20質量%以下が好ましく、より好ましくは18質量%以下、更に好ましくは13質量%以下である。
4.水(D)
前記水(D)の量は、本発明の組成物の全体を100質量%としたとき、2質量%以下であることが好ましく、このようにすることで皮膜形成時の反応を穏やかに進行させることができ、良好な皮膜を形成できるという利点を有する。水(D)の量は、1.5質量%以下が好ましく、より好ましくは1.0質量%以下であり、0.005質量%以上が好ましく、より好ましくは0.01質量%以上、更に好ましくは0.015質量%以上である。
水(D)の量は、有機ケイ素化合物(A)とケイ素化合物(B)の合計100質量%に対して(水(D)/{有機ケイ素化合物(A)+ケイ素化合物(B)})、40質量%以上が好ましく、より好ましくは60質量%以上であり、更に好ましくは90質量%以上であり、また300質量%以下が好ましく、より好ましくは250質量%以下である。
5.溶媒(E)
前記溶媒(E)は、水以外の溶媒を意味し、例えば、アルコール系溶媒、エーテル系溶媒、ケトン系溶媒、エステル系溶媒、アミド系溶媒等が挙げられる。
前記アルコール系溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、2−プロパノール(イソプロピルアルコール)、ブタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール等が挙げられる。
前記エーテル系溶媒としては、例えば、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキサン等が挙げられる。
前記ケトン系溶媒としては、例えば、アセトン、メチルエチルケトン(2−ブタノン)等が挙げられる。
前記エステル系溶媒としては、例えば、酢酸エチル、酢酸ブチル等が挙げられる。
前記アミド系溶媒としては、例えば、ジメチルホルムアミド等が挙げられる。これらの中でも、アルコール系溶媒またはエーテル系溶媒が好ましく、アルコール系溶媒がより好ましい。
溶媒(E)の量は、組成物の全体100質量%に対して、10質量%以上が好ましく、より好ましくは50質量%以上、更に好ましくは90質量%以上、特に好ましくは95質量%以上であり、99.95質量%以下が好ましく、より好ましくは99.90質量%以下、更に好ましくは99.80質量%以下である。
本発明の組成物は、本発明の効果を阻害しない範囲で、例えば、酸化防止剤、防錆剤、紫外線吸収剤、光安定剤、防カビ剤、抗菌剤、生物付着防止剤、消臭剤、顔料、難燃剤、帯電防止剤等の各種の添加剤を共存させてもよい。
本発明の混合組成物を調製する際の成分の混合順序は特に限定されず、全ての成分を添加した後、40〜80℃程度で1〜6時間撹拌することが好ましい。撹拌後の組成物を硬化することによって、膜が得られる。硬化した膜は、撥液層となり、撥液性および耐摩耗性に優れている。前記撹拌条件を採用することで、前記した分子量の調整や、また好ましい態様における前記有機ケイ素化合物(A)と前記ケイ素化合物(B)の共縮合物の生成が促進され、本発明の組成物から得られる膜の耐摩耗性が向上するため好ましい。
本発明の組成物を硬化した膜は、基板上に形成されていてもよい。
本発明の組成物(以下、撥液層形成用組成物ということがある。)を基材と接触させる方法としては、例えば、組成物を基材にコーティングする方法が挙げられる。具体的には、スピンコーティング法、ディップコーティング法、スプレーコーティング法、ロールコート法、バーコート法、手塗り(布等に液を染み込ませ、基材に塗りこむ方法)、かけ流し(スポイトなどを用いて液を基材にそのままかけ、塗布する方法)、霧吹き(霧吹きを用いて基材に塗布する方法)などが挙げられる。特に、作業性の観点から、スピンコーティング法、スプレーコーティング法、手塗り、かけ流し、霧吹きが好ましい。
本発明の撥液層形成用組成物を基材と接触させた状態で、空気中、常温で静置(例えば、10〜48時間)するか、または1〜10時間程度加熱(例えば、80〜300℃)することで、加水分解性基の加水分解、および重縮合が促進され、基材上に皮膜を形成できる。
前記皮膜(撥液層)の膜厚は、例えば、0.5〜100nm程度とできる。
本発明の撥液層形成用組成物を接触させる基材は特に限定されず、基材の形状は平面、曲面のいずれでもよいし、多数の面が組み合わさった三次元的構造でもよい。
前記基材の材質も限定されず、有機系材料、無機系材料のいずれで構成されていてもよい。前記有機系材料としては、例えば、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、スチレン樹脂、アクリル−スチレン共重合樹脂、セルロース樹脂、ポリオレフィン樹脂等の熱可塑性樹脂;フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂等の熱硬化性樹脂;等が挙げられる。前記無機系材料としては、例えば、セラミックス;ガラス;鉄、シリコン、銅、亜鉛、アルミニウム等の金属;前記金属を含む合金;等が挙げられる。
前記基材には予め易接着処理を施してもよい。前記易接着処理としては、例えば、コロナ処理、プラズマ処理、紫外線処理等の親水化処理が挙げられる。また、樹脂、シランカップリング剤、テトラアルコキシシラン等によるプライマー処理を施しても良いし、ポリシラザンなどのガラス皮膜を基材に予め塗布しておいても良い。
本発明の撥液層形成用組成物から得られる撥液層と、前記基材との間に、さらに中間層を形成することが好ましい。すなわち、基材上に中間層形成用組成物から得られる中間層を形成し、この中間層の表面(基材とは反対側の表面)に前記撥液層形成用組成物から得られる撥液層を形成することが好ましい。
前記中間層形成用組成物としては、例えば、ポリシラザン(F)と、下記式(g1)で表される金属化合物(G)および/またはシロキサン鎖を含む化合物(H)の混合組成物が挙げられる。こうした中間層形成用組成物から得られる中間層を、前記撥液層と前記基材との間に形成することにより、基材上に撥液層のみを形成した場合と比べて、撥液層の形成反応が促進され、撥液層の架橋密度が高くなり、撥液層の耐摩耗性が著しく向上する。また、従来は撥液層を実用的な速度で形成する際に加熱が必要であったが、前記中間層を前記撥液層と前記基材との間に形成することにより、実用的な速度での撥液層の常温硬化が容易となる。
M(Rg10r(Ag1m-r (g1)
[式(g1)中、
Mは、Al、Fe、In、Ge、Hf、Si、Ti、Sn、Zr、またはTaを表し、
g10は、炭化水素鎖含有基、または水素原子を表し、
rは、0または1である。
複数のAg1は、それぞれ独立に、加水分解性基を表し、
mは、金属原子Mの価数であって、3〜5から選ばれる整数である。]
以下、好ましい中間層形成用組成物について説明する。
6.ポリシラザン(F)
前記ポリシラザン(F)は、ケイ素−窒素結合を有する化合物であれば特に限定されないが、下記式(f1)で表される構造単位を有することが好ましい。
Figure 2020180276
[式(f1)中、Rf11、Rf12及びRf13は、それぞれ独立に、水素原子、置換基を有していてもよい炭素数1〜10の炭化水素基、又はアルキルシリル基を表す。]
f11〜Rf13で表される炭素数1〜10の炭化水素基としては、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、ノニル基、デシル基等の直鎖状の飽和脂肪族炭化水素基;イソプロピル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、メチルペンチル基、エチルペンチル基、メチルヘキシル基、エチルヘキシル基、プロピルヘキシル基、tert−オクチル基等の分岐状の飽和脂肪族炭化水素基;シクロペンチル基、シクロへキシル基、シクロヘプチル基、シクロオクチル基等の環状の飽和脂肪族炭化水素基;ビニル基、1−プロペニル基、2−プロペニル基、1−ブテニル基、2−ブテニル基、3−ブテニル基等の不飽和脂肪族炭化水素基;フェニル基、ナフチル基、p−tert−ブチルフェニル基、トリル基、キシリル基、クメニル基、メシチル基、2,6−ジエチルフェニル基、2−メチル−6−エチルフェニル基等の芳香族炭化水素基;アルキルシクロアルキル基、シクロアルキルアルキル基、アラルキル基等の前記に例示した炭化水素基を組合せた基が挙げられる。
該炭素数1〜10の炭化水素基が有していてもよい置換基としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子から選ばれるハロゲン原子;ヒドロキシ基;ニトロ基;アミノ基;シアノ基;チオール基;エポキシ基;グリシドキシ基;(メタ)アクロイルオキシ基;環を形成する原子数が6〜12のヘテロアリール基;メトキシ基、エトキシ基等の炭素数1〜3のアルコキシ基;環を形成する炭素数6〜12のアリールオキシ基等が挙げられる。
f11〜Rf13で表される炭素数1〜10の炭化水素基としては、無置換の炭素数1〜10の飽和脂肪族炭化水素基であることが好ましく、無置換の炭素数1〜6の直鎖状の飽和脂肪族炭化水素基であることがより好ましく、無置換のメチル基、エチル基、プロピル基、またはブチル基であることが更に好ましく、メチル基であることが最も好ましい。
f11〜Rf13で表されるアルキルシリル基としては、トリメチルシリル基、トリエチルシリル基、トリn−プロピルシリル基、トリイソプロピルシリル基、トリt−ブチルシリル基、メチルジエチルシリル基、ジメチルシリル基、ジエチルシリル基、メチルシリル基、エチルシリル基等が挙げられる。
ポリシラザン(F)は、前記式(f1)において、Rf11及びRf12の少なくとも一方が炭素数1〜10の炭化水素基である構造単位(f2)を有するポリシラザン、つまり有機ポリシラザンであることが好ましい。また、Rf13は水素原子であることが好ましい。
ポリシラザン(F)は、前記構造単位(f2)に加えて更に、下記式(f3)で表される構造単位を有することがより好ましい。
Figure 2020180276
[式(f3)中、Rf31及びRf32は、それぞれ独立に、水素原子又は炭素数1〜10の炭化水素基を表し、Yfは、炭素数1〜10の2価の炭化水素基を表し、複数のXfは、それぞれ独立に、加水分解性基を表す。]
f31及びRf32で表される炭素数1〜10の炭化水素基としては、前記Rf11〜Rf13で表される炭素数1〜10の炭化水素基で説明した基と同様のものが挙げられる。中でも、炭素数1〜10の飽和脂肪族炭化水素基であることが好ましく、炭素数1〜6の直鎖状の飽和脂肪族炭化水素基であることがより好ましく、メチル基、エチル基、プロピル基、またはブチル基であることが更に好ましい。
fで表される2価の炭化水素基としては、その炭素数1〜4であることが好ましく、より好ましくは1〜3、さらに好ましくは1〜2である。前記2価の炭化水素基は、鎖状であることが好ましく、鎖状である場合、直鎖状、分岐鎖状のいずれであってもよい。また、前記2価の炭化水素基は、2価の脂肪族炭化水素基であることが好ましく、アルカンジイル基であることが好ましい。前記2価の炭化水素基としては、メチレン基、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基等が挙げられる。
さらに、前記2価の炭化水素基に含まれる一部の−CH2−は−O−に置き換わっていてもよい。この場合連続する2つの−CH2−が同時に−O−に置き換わることはなく、Si原子に隣接する−CH2−が−O−に置き換わることはない。2つ以上の−CH2−が−O−に置き換わっている場合、−O−と−O−の間の炭素原子数は、2〜4であることが好ましく、2〜3であることがさらに好ましい。2価の炭化水素基の一部が−O−に置き換わった基としては、具体的には、(ポリ)エチレングリコール単位を有する基、(ポリ)プロピレングリコール単位を有する基等を例示することができる。
fの加水分解性基としては、加水分解によりヒドロキシ基(シラノール基)を与える基であればよく、例えば、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基等の炭素数1〜4のアルコキシ基;ヒドロキシ基;アセトキシ基;塩素原子;イソシアネート基;等を好ましく挙げることができる。中でも、炭素数1〜4のアルコキシ基が好ましく、炭素数1〜2のアルコキシ基がより好ましい。複数のXfは、同一でも異なっていてもよく、同一であることが好ましい。
前記式(f3)のSiXf 3基は、前記ポリシラザン(F)100質量%に対して、2質量%以上含有することが好ましく、より好ましくは5質量%以上、さらに好ましくは8質量%以上である。上限は限定されないが、50質量%以下であってもよく、40質量%以下であってもよく、30質量%以下であってもよい。
ポリシラザン(F)が有機ポリシラザンの場合、Si−Hの水素原子、及びSiに結合した炭素数1〜10の炭化水素基の含有比は適宜選択できるが、例えば炭化水素基/水素原子のモル比は0.1〜50であり、好ましくは0.2〜10である。なお、これらのモル比は、NMR測定等から算出できる。
ポリシラザン(F)の量は、組成物全体を100質量%としたとき、0.01質量%以上であることが好ましく、より好ましくは0.05質量%以上、更に好ましくは0.1質量%以上、より更に好ましくは0.3質量%以上であり、また、2.5質量%以下が好ましく、より好ましくは2質量%以下、更に好ましくは1.5質量%以下、より更に好ましくは1質量%以下である。
7.金属化合物(G)
前記金属化合物(G)は、下記式(g1)で表される金属化合物である。
M(Rg10r(Ag1m-r (g1)
[式(g1)中、Mは、Al、Fe、In、Ge、Hf、Si、Ti、Sn、Zr、またはTaを表し、Rg10は、炭化水素鎖含有基、または水素原子を表し、rは、0または1である。複数のAg1は、それぞれ独立に、加水分解性基を表し、mは、金属原子Mの価数であって、3〜5から選ばれる整数である。]
前記金属化合物(G)は、前記式(g1)で表される通り、金属原子Mに、少なくとも加水分解性基Ag1が結合した化合物である。なお、本明細書において「金属」とは、SiやGeなどの半金属も含む意味で用いる。
前記金属原子Mは、Al、Si、Ti、Sn、またはZrが好ましく、Al、Si、Ti、またはZrがより好ましく、Siが更に好ましい。
前記Ag1で表される加水分解性基、および前記Rg10で表される炭化水素鎖含有基は、前記有機ケイ素化合物(A)で説明した加水分解性基、および炭化水素鎖含有基の中から適宜選択でき、好ましい範囲も同様である。
前記mは、金属原子MがAl、Fe、In等の3価金属の場合には3であり、金属原子MがGe、Hf、Si、Ti、Sn、Zr等の4価金属の場合には4であり、金属原子MがTa等の5価金属の場合には5である。
前記中間層形成用組成物は、前記金属化合物(G)を2種以上用いてもよい。
前記金属化合物(G)としては、r=0、すなわち金属原子Mに加水分解性基Ag1のみが結合した金属化合物G1;または、r=1、すなわち金属原子Mに、炭化水素鎖含有基、または水素原子が1つと、加水分解性基Ag1が2つ以上結合した金属化合物G2;が挙げられる。
(金属化合物G1)
金属原子Mに、加水分解性基Ag1のみが結合した金属化合物G1としては、具体的には、トリエトキシアルミニウム、トリプロポキシアルミニウム、トリブトキシアルミニウム等のトリアルコキシアルミニウム;トリエトキシ鉄等のトリアルコキシ鉄;トリメトキシインジウム、トリエトキシインジウム、トリプロポキシインジウム、トリブトキシインジウム等のトリアルコキシインジウム;テトラメトキシゲルマニウム、テトラエトキシゲルマニウム、テトラプロポキシゲルマニウム、テトラブトキシゲルマニウム等のテトラアルコキシゲルマニウム;テトラメトキシハフニウム、テトラエトキシハフニウム、テトラプロポキシハフニウム、テトラブトキシハフニウム等のテトラアルコキシハフニウム;テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトラブトキシシラン等のテトラアルコキシシラン;テトラメトキシチタン、テトラエトキシチタン、テトラプロポキシチタン、テトラブトキシチタン等のテトラアルコキシチタン;テトラメトキシスズ、テトラエトキシスズ、テトラプロポキシスズ、テトラブトキシスズ等のテトラアルコキシスズ;テトラメトキシジルコニウム、テトラエトキシジルコニウム、テトラプロポキシジルコニウム、テトラブトキシジルコニウム等のテトラアルコキシジルコニウム;ペンタメトキシタンタル、ペンタエトキシタンタル、ペンタプロポキシタンタル、ペンタブトキシタンタル等のペンタアルコキシタンタル;等が挙げられる。
(金属化合物G2)
金属原子Mに、炭化水素鎖含有基、または水素原子が1つと、加水分解性基Ag1が2つ以上結合した金属化合物G2は、金属原子Mが4価の金属(Ge、Hf、Si、Ti、Sn、Zr等)であることが好ましく、金属原子MがSiの場合の具体例としては、メチルトリメトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、メチルトリプロポキシシラン等のアルキルトリアルコキシシラン;ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン等のアルケニルトリアルコキシシラン;トリメトキシシラン、トリエトキシシラン、トリプロポキシシラン等のトリアルコキシシラン;ジメトキシメチルシラン、ジエトキシメチルシラン等のジアルコキシアルキルシラン等が挙げられる。
前記金属化合物(G)としては、具体的には、下記式(g2)で表される化合物が好ましい。
Si(ORg21y4-y (g2)
[式(g2)中、Rg21は、炭素数1〜6のアルキル基を表し、yは、3または4である。]
前記Rg21で表される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、ヘキシル基等が挙げられる。前記Rg21で表されるアルキル基の炭素数は、1〜4が好ましく、より好ましくは1〜3、さらに好ましくは1または2である。
前記中間層形成用組成物に前記金属化合物(G)が用いられる場合、その量は、例えば、組成物全体を100質量%としたとき、0.01質量%以上が好ましく、より好ましくは0.05質量%以上、更に好ましくは0.1質量%以上、特に好ましくは0.15質量%以上であり、また、10質量%以下が好ましく、より好ましくは3質量%以下、更に好ましくは1質量%以下、特に好ましくは0.8質量%以下である。
前記中間層形成用組成物に前記金属化合物(G)が用いられる場合、前記ポリシラザン(F)と前記金属化合物(G)との合計量は、例えば、組成物全体を100質量%としたとき、0.02質量%以上が好ましく、より好ましくは0.1質量%以上であり、また、10質量%以下が好ましく、より好ましくは5質量%以下、さらに好ましくは3質量%以下、特に好ましくは1質量%以下である。
8.シロキサン鎖を含む化合物(H)
前記シロキサン鎖を含む化合物(H)は、シロキサン結合を少なくとも1つ有する化合物であれば特に限定されず、シロキサン鎖は直鎖状であっても分岐鎖状であってもよいが、直鎖状であることが好ましい。
前記シロキサン鎖は、ジアルキルシロキサン鎖を含むことが好ましく、直鎖状ジアルキルシロキサン鎖を含むことがより好ましい。また前記シロキサン鎖は、シロキサン結合以外の2価の基をさらに含んでいてもよく、該2価の基としては、2価の炭化水素基、2価の炭化水素基の一部のメチレン基(−CH2−)が酸素原子に置き換わった基、及び−O−等が挙げられる。
前記シロキサン鎖の末端には、シリル基が結合していることが好ましい。シリル基はケイ素原子に3つの置換基が結合した基であり、該置換基としては、水素原子、炭化水素鎖含有基、アルキルシリルオキシ基、アルキルシリル基とシロキサン鎖を含む基及び加水分解性基等が挙げられる。
前記炭化水素鎖含有基は、炭化水素基(炭化水素鎖)のみから構成されることが好ましい。なお、炭化水素鎖部分の炭素数とは、酸素非置換型の炭化水素鎖含有基では炭化水素基(炭化水素鎖)を構成する炭素原子の数を意味し、酸素置換型の炭化水素鎖含有基では、酸素原子をメチレン基(−CH2−)と仮定して数えた炭素原子の数を意味するものとする。
以下、特に断りがない限り、酸素非置換型の炭化水素鎖含有基(すなわち1価の炭化水素基)を例にとって炭化水素鎖含有基について説明するが、いずれの説明でも、そのメチレン基(−CH2−)のうち一部を酸素原子に置き換えることが可能である。
前記炭化水素鎖含有基は、炭化水素基のみから構成され、炭素数は1以上、3以下であることが好ましく、より好ましくは1である。また、前記炭化水素鎖含有基は、飽和脂肪族炭化水素鎖含有基であることがより好ましい。前記飽和脂肪族炭化水素鎖含有基としては、飽和脂肪族炭化水素基(アルキル基)がより好ましい。飽和脂肪族炭化水素基には、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基等が含まれる。
前記加水分解性基としては、加水分解によりヒドロキシ基(シラノール基)を与える基であればよく、例えば、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基等の炭素数1〜6のアルコキシ基;ヒドロキシ基;アセトキシ基;塩素原子;イソシアネート基;等を好ましく挙げることができる。中でも、炭素数1〜6のアルコキシ基であることが好ましく、炭素数1〜4のアルコキシ基であることがより好ましく、炭素数1〜2のアルコキシ基がさらに好ましい。
前記シロキサン鎖の末端に結合するシリル基の1つのケイ素原子が複数の置換基を有している場合、複数の置換基は同一であっても異なっていてもよい。
前記シロキサン鎖の少なくとも片側の末端には、少なくとも1つの加水分解性基が結合したケイ素原子が結合していることが好ましく、2つ以上の加水分解性基が結合したケイ素原子が結合していることがより好ましく、3つの加水分解性基が結合したケイ素原子が結合していることが更に好ましい。該加水分解性基が結合したケイ素原子は、シロキサン鎖の両末端に結合していてもよいが、片末端側にのみ結合していることが好ましい。
前記シロキサン鎖の両末端には、置換基として3つのアルコキシ基を有するシリル基(トリアルコキシシリル基)、置換基として3つのアルキル基を有するシリル基(トリアルキルシリル基)、及び置換基として3つのトリアルキルシリルオキシ基を有するシリル基(トリス(トリアルキルシリルオキシ)シリル基)のいずれかが結合していることがより好ましく、片末端側にトリアルコキシシリル基、もう一方の末端側にトリアルキルシリル基又はトリス(トリアルキルシリルオキシ)シリル基が結合していることが特に好ましい。
前記シロキサン鎖を含む化合物(H)のより好ましい態様としては、トリアルキルシリル基とシロキサン鎖を有する分子鎖(以下、この分子鎖を「分子鎖(ts1)」という場合がある)が、少なくとも1つケイ素原子(以下、このケイ素原子を「中心ケイ素原子」という場合がある)に結合している化合物である。
前記シロキサン鎖を含む化合物(H)において、中心ケイ素原子に結合する分子鎖(ts1)の個数は、1以上であり、3以下であることが好ましく、より好ましくは2以下であり、特に好ましくは1である。
前記シロキサン鎖を含む化合物(H)の中心ケイ素原子には、分子鎖(ts1)のほか、加水分解性基、前記分子鎖(ts1)を構成する原子数よりも少ない原子数のシロキサン骨格含有基、又は分子鎖(ts1)を構成する原子数よりも少ない炭素数の炭化水素鎖を含有する炭化水素鎖含有基が結合していてもよい。
前記シロキサン鎖を含む化合物(H)は、具体的には、下記式(h1)で表される化合物であることが好ましい。
Figure 2020180276
[式(h1)中、Rh1は、トリアルキルシリル基とシロキサン鎖を有する分子鎖を表し、Ah1は、それぞれ独立に、加水分解性基を表し、Zh1は、トリアルキルシリル基とシロキサン鎖を有する分子鎖、シロキサン骨格含有基又は炭化水素鎖含有基を表し、Rh1及びZh1の該トリアルキルシリル基に含まれる水素原子はフッ素原子に置換されていてもよく、xは、0〜3の整数を表す。]
前記Rh1のトリアルキルシリル基とシロキサン鎖を有する分子鎖(分子鎖(ts1))は、トリアルキルシリル含有基が前記シロキサン鎖の末端に結合した構造を有する1価の基である。
前記トリアルキルシリル含有基は、少なくとも1つのトリアルキルシリル基を含む基であり、好ましくは2つ以上、さらに好ましくは3つのトリアルキルシリル基を含む。
前記トリアルキルシリル含有基は、前記有機ケイ素化合物(A)と同様、前記式(s1)で表される基が好ましい。
分子鎖(ts1)において、トリアルキルシリル含有基は、前記シロキサン鎖の末端(自由端側)、特にシロキサン鎖の主鎖(最長直鎖)の末端(自由端側)に結合していることが好ましい。
トリアルキルシリル含有基が結合しているシロキサン鎖は、前記で説明したシロキサン鎖と同様であり、直鎖状ジアルキルシロキサン鎖を含むことが好ましい。また前記分子鎖は、2価の炭化水素基を含んでいてもよい。分子鎖の一部が2価の炭化水素基であっても、残部がジアルキルシロキサン鎖であるため、得られる皮膜の化学的・物理的耐久性が良好である。
前記シロキサン鎖は、前記有機ケイ素化合物(A)で示した前記式(s2)で表される基が好ましい。
分子鎖(ts1)に含まれるシロキサン鎖としては、下記式で表されるシロキサン鎖を挙げることができる。式中、q1は1〜60の整数を表し、*は、中心ケイ素原子又はトリアルキルシリル含有基に結合する結合手を表すものとする。
Figure 2020180276
また、分子鎖(ts1)を構成する元素の合計数は、24以上であることが好ましく、より好ましくは40以上、さらに好ましくは50以上であり、1200以下であることが好ましく、より好ましくは700以下、さらに好ましく250以下である。
分子鎖(ts1)は、前記有機ケイ素化合物(A)で示した前記式(s3)で表される基が好ましい。
前記分子鎖(ts1)は、前記有機ケイ素化合物(A)で示した前記式(s3−1)または前記式(s3−2)で表される基が好ましく、前記式(s3−2)で表される基がより好ましい。
分子鎖(ts1)としては、前記有機ケイ素化合物(A)で説明した前記式(s3−I)で表される基が挙げられる。
次に、式(h1)におけるAh1について説明する。Ah1は、それぞれ独立に、加水分解性基であり、加水分解によりヒドロキシ基(シラノール基)を与える基であればよく、例えば、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基等の炭素数1〜6のアルコキシ基;ヒドロキシ基;アセトキシ基;塩素原子;イソシアネート基;等を好ましく挙げることができる。中でも、炭素数1〜6のアルコキシ基であることが好ましく、炭素数1〜4のアルコキシ基であることがより好ましく、炭素数1〜2のアルコキシ基がさらに好ましい。
式(h1)におけるZh1は、トリアルキルシリル基とシロキサン鎖を有する分子鎖、シロキサン骨格含有基又は炭化水素鎖含有基を表す。Zh1がトリアルキルシリル基とシロキサン鎖を有する分子鎖である場合は、前記Rh1と同様のものが挙げられ、また、Rh1で表される分子鎖(ts1)を構成する原子数よりも少ない原子数のシロキサン骨格含有基であってもよい。
h1が炭化水素鎖含有基である場合、分子鎖(ts1)を構成する原子数よりも炭化水素鎖部分の炭素数が少ないものであればよい。また、分子鎖(ts1)の最長直鎖を構成する原子数よりも、炭化水素鎖の最長直鎖の炭素数が少ないものであることが好ましい。炭化水素鎖含有基としては、前記で例示された炭化水素鎖含有基と同様の基を例示することができる。
式(h1)におけるxは、2以下の整数が好ましく、より好ましくは0または1であり、更に好ましくは0である。
式(h2)で表されるシロキサン鎖を含む化合物(H)としては、具体的には、式(h−I)で表される化合物が挙げられる。式(h−I)において、Ah10、Zh10、Rh20、h10、Yh10、Rh10は、下記表5−1、5−2、6−1、6−2に示す組み合わせが好ましい。
Figure 2020180276
Figure 2020180276
Figure 2020180276
Figure 2020180276
Figure 2020180276
前記シロキサン鎖を含む化合物(H)としては、下記式(h3)及び下記式(h4)で表されるものがより好ましい。
Figure 2020180276
[式(h3)中、n2は、1〜60の整数である。]
Figure 2020180276
[式(h4)中、n4は、1〜60の整数である。]
前記n2及びn4は、より好ましくは2以上の整数、更に好ましくは3以上の整数であり、より好ましくは50以下の整数、更に好ましくは45以下の整数、より更に好ましくは30以下の整数、特に好ましくは25以下の整数である。
所定量のシロキサン鎖を含む化合物(H)を用いることにより、組成物を基材に接触させる際の塗工性が向上する。
前記シロキサン鎖を含む化合物(H)の合成方法の例としては、特開2017−201009号公報に記載の方法が挙げられる。
前記中間層形成用組成物に前記シロキサン鎖を含む化合物(H)が混合されている場合、その量は、例えば、組成物全体を100質量%としたとき、0.005質量%以上が好ましく、より好ましくは0.01質量%以上、更に好ましくは0.03質量%以上であり、また、0.3質量%以下が好ましく、より好ましくは0.2質量%以下、更に好ましくは0.15質量%以下である。
前記中間層形成用組成物に前記シロキサン鎖を含む化合物(H)が混合される場合、前記ポリシラザン(F)と前記シロキサン鎖を含む化合物(H)との合計量は、例えば、組成物全体を100質量%としたとき、0.01質量%以上が好ましく、より好ましくは0.1質量%以上、更に好ましくは0.3質量%以上であり、また、2.6質量%以下が好ましく、より好ましくは2質量%以下、さらに好ましくは1.5質量%以下、特に好ましくは1質量%以下である。
前記中間層形成用組成物に前記ポリシラザン(F)が混合され、前記金属化合物(G)、及び前記シロキサン鎖を含む化合物(H)も混合される場合、これらの合計量は、例えば、組成物全体を100質量%としたとき、0.3質量%以上が好ましく、より好ましくは0.4質量%以上、更に好ましくは0.5質量%以上であり、また、5質量%以下が好ましく、より好ましくは3質量%以下、更に好ましくは1.5質量%以下である。
9.溶媒(I)
前記中間層形成用組成物は、前記各成分に加えて、溶媒(I)が混合された混合組成物であることが好ましい。
前記溶媒(I)としては、アルコール系溶媒、エーテル系溶媒、ケトン系溶媒、エステル系溶媒、アミド系溶媒、脂肪族炭化水素系溶媒、芳香族炭化水素系溶媒等が挙げられる。
前記アルコール系溶媒としては、前記溶媒(E)として例示した溶媒以外に、1−プロポキシ2−プロパノール等が挙げられる。
前記エーテル系溶媒としては、前記溶媒(E)として例示した溶媒以外に、ジブチルエーテル等が挙げられる。
前記ケトン系溶媒としては、前記溶媒(E)として例示した溶媒が挙げられる。
前記エステル系溶媒としては、前記溶媒(E)として例示した溶媒が挙げられる。
前記アミド系溶媒としては、前記溶媒(E)として例示した溶媒が挙げられる。
前記脂肪族炭化水素系溶媒としては、例えば、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、イソオクタン、シクロペンタン、シクロヘキサン、シクロヘプタン、メチルシクロヘキサン、ミネラルスピリット等が挙げられる。
前記芳香族炭化水素系溶媒としては、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン等が挙げられる。
中でも、ケトン系溶媒、エーテル系溶媒、エステル系溶媒、脂肪族炭化水素系溶媒が好ましく、脂肪族炭化水素系溶媒がより好ましい。これらの溶媒は1種類を用いても良いし、2種類以上を適宜混合して用いてもよい。コーティング液の安定性が増し、塗工ブレや塗工時の異物が低減できることから、前記溶媒(I)は、水分を有していないことが好ましい。
前記溶媒(I)の量は、前記中間層形成用組成物全体を100質量%としたとき、50質量%以上が好ましく、より好ましくは80質量%以上、さらに好ましくは90質量%以上、特に好ましくは95質量%以上である。上限は、ポリシラザン(F)、金属化合物(G)、シロキサン鎖を含む化合物(H)、及びこれら以外の添加成分(以下、第三成分という)の量に応じて設定され、ポリシラザン(F)、金属化合物(G)、シロキサン鎖を含む化合物(H)、及び第三成分以外が溶媒(I)であってもよい。
前記第三成分として、触媒が挙げられる。
前記触媒は、ポリシラザンを硬化させ得る触媒であれば、特に制限されないが、例えば、1−メチルピペラジン、1−メチルピペリジン、4,4’−トリメチレンジピペリジン、4,4’−トリメチレンビス(1−メチルピペリジン)、ジアザビシクロ−[2.2.2]オクタン、シス−2,6−ジメチルピペラジン、4−(4−メチルピペリジン)ピリジン、ピリジン、ジピリジン、α−ピコリン、β−ピコリン、γ−ピコリン、ピペリジン、ルチジン、ピリミジン、ピリダジン、4,4’−トリメチレンジピリジン、2−(メチルアミノ)ピリジン、ピラジン、キノリン、キノキサリン、トリアジン、ピロール、3−ピロリン、イミダゾール、トリアゾール、テトラゾール、1−メチルピロリジンなどのN−ヘテロ環状化合物、例えば、メチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン、エチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン、プロピルアミン、ジプロピルアミン、トリプロピルアミン、ブチルアミン、ジブチルアミン、トリブチルアミン、ペンチルアミン、ジペンチルアミン、トリペンチルアミン、ヘキシルアミン、ジヘキシルアミン、トリヘキシルアミン、ヘプチルアミン、ジヘプチルアミン、オクチルアミン、ジオクチルアミン、トリオクチルアミン、フェニルアミン、ジフェニルアミン、トリフェニルアミンなどのアミン類、例えば、1,8−ジアザビシクロ[5.4.0]7−ウンデセン(DBU)、1,5−ジアザビシクロ[4.3.0]5−ノネン(DBN)、1,5,9−トリアザシクロドデカン、1,4,7−トリアザシクロノナンなどが挙げられる。
また、触媒としては前記触媒の他、ケイ素原子に結合する加水分解性基の加水分解、縮合触媒として作用する触媒も好ましく、かかる触媒として、例えば、酸性化合物;塩基性化合物;有機金属化合物;等が挙げられる。前記酸性化合物としては、塩酸、硝酸、硫酸、リン酸、過酸化水素、塩素酸、次亜塩素酸等の無機酸;酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、マレイン酸、ステアリン酸等の有機酸;等が挙げられる。前記塩基性化合物としては、アンモニア等が挙げられる。前記有機金属化合物としては、Al、Fe、Zn、Sn等の金属元素を中心金属とする有機金属化合物が挙げられ、カルボン酸アルミニウム、アルミニウムアセチルアセトン錯体、アルミニウムエチルアセトアセテート錯体等の有機アルミニウム化合物;カルボン酸鉄(オクチル酸鉄など)等の有機鉄化合物;亜鉛アセチルアセトナートモノハイドレート、ナフテン酸亜鉛、オクチル酸亜鉛等の有機亜鉛化合物;ジブチル錫ジアセテート錯体等の有機錫化合物;その他、有機金属化合物としては、Ni、Ti、Pt、Rh、Co、Ru、Os、Pd、Irなどを含む金属カルボン酸塩;Ni、Pt、Pd、Rhなどを含むアセチルアセトナ錯体;Au、Ag、Pd、Ni、Zn、Tiなどの金属微粒子;金属過酸化物;メタルクロライド;フェロセン、ジルコノセンなどの金属のシクロペンタジエニル錯体等が挙げられる。
前記中間層形成用組成物にも本発明の効果を損なわない範囲で、上述した本発明の組成物(撥液層形成用組成物)に混合されていてもよい添加剤と同様の添加剤を共存させてもよい。
前記中間層形成用組成物を前記基材と接触させる方法としては、前記撥液層形成用組成物を前記基材と接触させる方法として例示した方法を採用できる。
前記のようにして基材上に接触させた中間層形成用組成物を、空気中、常温で静置することで、空気中の水分と反応し、分解とシロキシ基化が進行し、基材上にSi−O骨格含有皮膜を形成できる。静置時間は特に限定されないが、1分以上であることが好ましく、より好ましくは2分以上である。また、実用性の観点から、12時間以下であることが好ましく、より好ましくは1時間以下、更に好ましくは30分以下、より更に好ましくは10分以下である。
前記中間層の膜厚は、例えば0.1〜200nm程度とでき、好ましくは0.2〜100nm、より好ましくは、0.3〜50nmである。
本発明の撥液層形成用組成物を硬化した膜上の液滴(具体的には、水滴)の接触角は、95°以上が好ましく、より好ましくは100°以上、さらに好ましくは102°以上である。この接触角は、後述する実施例の測定法に従って決定できる。
本発明の撥液層形成用組成物を硬化した膜上の液滴(具体的には、水滴)の滑落速度は、20mm/秒以上が好ましく、25mm/秒以上がより好ましく、更に好ましくは30mm/秒以上、位相好ましくは40mm/秒以上、特に好ましくは60mm/秒以上である。この滑落速度は、後述する実施例の測定法に従って決定できる。
本発明の撥液層形成用組成物を硬化した膜は、好ましくは400回以上、より好ましくは800回以上、更に好ましくは1200回以上、一層好ましくは1600回以上、特に好ましくは2000回以上の耐摩耗性を示す。この耐摩耗性は、後述する実施例の測定法に従って決定できる。
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前記、後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
(中間層形成用組成物Iの作製)
Durazane(登録商標) 1500 rapid cure (MERCK社製)0.15質量部(ポリシラザン(F))、テトラエトキシシラン0.09質量部(金属化合物(G))、および前記表5−2に示した(h−I−26)においてh10の平均が24である化合物0.015質量部(シロキサン鎖を含む化合物(H))を、イソオクタン29.75質量部(溶媒(I))に溶解させ、中間層形成用組成物Iを得た。
なお、Durazane(登録商標) 1500 rapid cure は、以下の下記式(f4)で表される構造単位を有する。
Figure 2020180276
前記式(f4)中、Rは水素原子又はメチル基を表す。
Durazane(登録商標) 1500 rapid cure (MERCK社製)は、9〜27質量%のSi(OC253基を有しており、また、前記(f4)中の構造における、SiH基の水素原子とSi−CH3基のメチル基のモル比(メチル基/水素原子)は、いずれも2.39であった。前記Si(OC253基の質量比、及び水素原子とメチル基のモル比は、1H−NMR(400MHz,基準:CDCl3(=7.24ppm))の積分値に基づいて定めた。すなわち、積分値から有機ポリシラザン中のSiH、SiCH3、及びSi(OCH2CH33のモル比を求め、水素原子とメチル基のモル比を算出した。また、それぞれを質量比に換算して、有機ポリシラザン中に含まれるSi(OC253基の質量%を算出した。
(撥液層形成用組成物No.1の作製)
前記表3−2に示した(A−I−26)においてn10の平均が24である化合物(1)0.014質量部、エチルシリケート40(テトラエトキシシランの平均5量体、Si54(OEt)12、平均分子量約745、コルコート株式会社製)0.036質量部を、イソプロピルアルコール0.1027質量部に溶解させ、室温で10分撹拌した。得られた溶液に0.1M酢酸水溶液を滴下した後、65℃で2時間撹拌し、試料溶液1を得た。得られた試料溶液1をイソプロピルアルコール46.7質量部で希釈し、撥液層形成用組成物No.1を作製した。撥液層形成用組成物No.1における各化合物の割合(質量%)は下記表7に記載の通りである(他の実施例及び比較例について同じ)。
撥液層形成用組成物の物性及び組成物中の分子量5500以上の成分の割合は、以下の方法で測定した。
(a)標準ポリスチレン換算の重量平均分子量Mw
前記有機ケイ素化合物(A)及び前記ケイ素化合物(B)の少なくとも一方に由来する化合物の重量平均分子量Mwは、混合組成物全体を、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)を用いて、以下の条件で測定し、溶媒(E)と触媒(C)のピークを除いて算出した。なお、前処理として、0.45μmメンブランフィルタによってろ過したものを測定溶液とした。
装置: 東ソーHLC−8220
カラム:TSKgel G2000HxL+G3000HxL+ guardcolum
nHxLL)
溶離液:テトラヒドロフラン
流量:1.0-mL/min
検出器:RI検出器
カラム温度:40℃
注入量:100μL
分子量標準:標準ポリスチレン 37900、17400、10200、5060、2630、994
(b)分子量が5500以上である成分の割合
分子量が5500以上である成分の割合の算出方法は次の手順に従った。得られたクロマトグラムの内、溶媒及び触媒由来のピーク以外のピークの全面積(a)を求めた。次に分子量が5500となる検出時間でクロマトグラムを分割し、分子量が5500以上となる成分の面積(b)を求めた。得られた面積の比(b)/(a)から、分子量が5500以上である成分の割合を算出した。
(c)NMRによるジメチルシロキサン基及び総アルコキシ基のピーク面積割合の測定
ジメチルシロキサン基及び総アルコキシ基の積分面積比は、1H−NMR(400MHz,基準:アセトン−d6(=2.052ppm))の積分値に基づいて定めた。
<皮膜No.1>
大気圧プラズマ処理によって表面を活性化させたガラス基板5×5cm2(EAGLE XG、Corning社)を仰角45°となるように設置し、前記中間層形成用組成物Iを500μLガラス基板上面からかけ流し、常温常湿にて5分間乾燥させた。さらにその上から、前記撥液層形成用組成物No.1を500μLかけ流し、常温常湿にて1日風乾させることによって、ガラス基板上に皮膜(中間層および撥液層)を形成した。
(撥液層形成用組成物No.2〜No.7の作製)
前記撥液層形成用組成物No.1において、有機ケイ素化合物(A)、ケイ素化合物(B)、触媒(C)、水(D)、および溶媒(E)の種類及び/又は量、試料溶液の撹拌条件を、下記表7に示すように変更した以外は前記撥液層形成用組成物No.1と同様にして撥液層形成用組成物No.2〜No.7を作製した。なお、エチルシリケート48は、テトラエトキシシランの平均10量体(Si109(OEt)22、平均分子量約1400、コルコート株式会社製)を意味する。
(撥液層形成用組成物No.8の作製)
特開2018−172660号公報の実施例5に記載の手順に従って、撥液層形成用組成物No.8を作製した。なお、No.8には、表7に記載される成分の他、特開2018−172660号公報の実施例5に記載の通りの量のマロン酸が用いられ、その量は質量比で0.014質量%である。
Figure 2020180276
<皮膜No.2〜No.8>
前記皮膜No.1と同じ条件で、前記中間層形成用組成物Iを500μLガラス基板上面からかけ流し、常温常湿にて5分間乾燥させた。さらにその上から、前記撥液層形成用組成物No.2〜No.8を500μLかけ流し、常温常湿にて1日風乾させることによって、ガラス基板上に皮膜(中間層および撥液層)を形成した。
皮膜No.1〜No.8を下記の方法で評価した。
(1)接触角
協和界面科学株式会社製の接触角測定装置「DM700」を用い、水滴量を3.0μLとし、解析方法をθ/2法として皮膜表面の水に対する接触角を測定した。接触角が95°以上の場合を撥水性に優れると評価した。
(2)滑落速度
皮膜表面に水を滴下し、皮膜表面における水滴の滑落速度によって撥水性を評価した。具体的には、協和界面科学株式会社製の接触角測定装置「DM700」を用い、20°に傾けたガラス基板上の皮膜表面に50μLの水を滴下し、水滴が、初期滴下位置から15mm滑落するまでの時間を測定し、皮膜表面における水滴の滑落速度(mm/秒)を算出した。水滴の滑落速度が20mm/秒以上の場合を撥水性に優れると評価した。
(3)耐摩耗性
皮膜の上に水2.5mLを滴下し、その上にシリコンシート(SR−400、タイガースポリマー社製)を接触させた。そして、シリコンシートの上から荷重500gfをかけた状態で、往復速度が毎分400mmの条件にて、20mmの距離を400回刻みで、シリコンシートと皮膜を擦り、摩耗した部位の中央部分3点における接触角をそれぞれ測定し、3点中2点が85°以下に低下するまでの回数を測定した。回数が400回以上の場合を耐摩耗性に優れると評価した。
結果を表8に示す。
Figure 2020180276
本発明の混合組成物の要件を満たす実施例1〜6では、良好な耐摩耗性および撥液性を実現できている一方で、重量平均分子量が大きすぎる比較例1や小さい比較例2では、耐摩耗性が劣る結果となった。比較例2の撥液層形成用組成物No.8の調製の際には、触媒として強酸水溶液を使ったため、反応制御が困難となり、低温で長時間の撹拌を行ったが、重量平均分子量は低い値にとどまった。
本発明の撥液層形成用組成物を用いて得られる皮膜は、撥液性、および耐摩耗性に優れている。そのため、本発明の撥液層形成用組成物を用いて処理した基材は、タッチパネルディスプレイ等の表示装置、光学素子、半導体素子、建築材料、自動車部品、ナノインプリント技術等における基材として有用である。また、本発明の撥液層形成用組成物から形成される皮膜は、電車、自動車、船舶、航空機等の輸送機器におけるボディー、窓ガラス(フロントガラス、サイドガラス、リアガラス)、ミラー、バンパー等の物品として好適に用いられる。また、建築物外壁、テント、太陽光発電モジュール、遮音板、コンクリートなどの屋外用途にも用いることができる。また、漁網、虫取り網、水槽などにも用いることができる。更に、台所、風呂場、洗面台、鏡、トイレ周りの各部材の物品、シャンデリア、タイルなどの陶磁器、人工大理石、エアコン等の各種屋内設備にも利用可能である。また、工場内の治具や内壁、配管等の防汚処理としても用いることができる。また、ゴーグル、眼鏡、ヘルメット、パチンコ、繊維、傘、遊具、サッカーボールなどにも好適である。更に、食品用包材、化粧品用包材、ポットの内部など、各種包材の付着防止剤としても用いることができる。

Claims (6)

  1. 有機ケイ素化合物(A)とケイ素化合物(B)との混合組成物であって、
    前記有機ケイ素化合物(A)が、少なくとも1つのトリアルキルシリル基含有分子鎖と、少なくとも1つの加水分解性基とがケイ素原子に結合している有機ケイ素化合物であり、
    前記ケイ素化合物(B)が、下記式(b)で表されるケイ素化合物(b)およびその縮合物(bb)よりなる群から選ばれる1種以上のケイ素化合物であり、
    前記混合組成物のGPCクロマトグラフィーで得られたクロマトグラムにおいて、前記有機ケイ素化合物(A)及び前記ケイ素化合物(B)の少なくとも一方に由来する化合物の標準ポリスチレン換算の重量平均分子量Mwが2000〜12000である混合組成物。
    Si(X)p(ORb4-p ・・・(b)
    [前記式(b)中、Xは炭素数1〜6のアルキル基又は水素原子であり、Rbは炭素数1〜6のアルキル基であり、pは0〜3の整数である。]
  2. 下記式(bz)で表される化合物(BZ1)を含む請求項1に記載の組成物。
    Figure 2020180276

    [前記式(bZ)中、D1及びD4〜D6は、それぞれ独立に、炭素数1〜6のアルキル基、水素原子、ヒドロキシ基、または炭素数1〜6のアルコキシ基であり、D2、およびD3は、それぞれ独立に、炭素数1〜6のアルキル基、水素原子、ヒドロキシ基、炭素数1〜6のアルコキシ基、又は−O−であり、
    2、またはD3が−O−であるときは、化合物(BZ1)が、式(bZ)で表され且つ(BZ1)とは別の化合物である(BZ2)と結合しており、化合物(BZ1)中の−O−であるD2、またはD3は、(BZ2)のD1〜D6のいずれかに代えて(BZ2)のSiと直接結合しており、
    qは平均繰り返し数である。]
  3. 前記組成物のGPCクロマトグラフ測定で、前記有機ケイ素化合物(A)及び前記ケイ素化合物(B)の少なくとも一方に由来する成分の面積に対する、分子量が5500以上である成分の面積の割合が75%以下である請求項1または2に記載の組成物。
  4. 前記混合組成物のNMR測定において、ジメチルシロキサン基のピーク面積に対する総アルコキシ基のピーク面積割合が0.020以上、1.000未満である請求項1〜3のいずれかに記載の組成物。
  5. 前記有機ケイ素化合物(A)が下記式(a1)で表される請求項1〜4のいずれかに記載の組成物。
    Figure 2020180276

    [式(a1)中、
    複数のAa1は、それぞれ独立に、加水分解性基を表し、
    a1は、トリアルキルシリル基含有分子鎖、シロキサン骨格含有基、または炭化水素鎖含有基を表し、
    xは、0または1であり、
    a1は、トリアルキルシリル基含有分子鎖を表す。
    a1およびRa1の前記トリアルキルシリル基に含まれる水素原子はフッ素原子に置換されていてもよい。]
  6. 前記有機ケイ素化合物(A)が下記式(a2)で表される請求項5に記載の組成物。
    Figure 2020180276

    [前記式(a2)中、Aa1、Za1、xは、前記と同義である。
    s1は、−O−または2価の炭化水素基を表し、該2価の炭化水素基に含まれる−CH2−は、−O−に置き換わっていてよく、
    複数のRs2は、それぞれ独立に、炭素数1〜10のアルキル基を表し、
    n1は、1以上の整数であり、
    s1は、単結合または−Si(Rs22−Ls1−を表し、該Ls1は、2価の炭化水素基を表し、該2価の炭化水素基に含まれる−CH2−は、−O−に置き換わっていてもよく、
    複数のRs1は、それぞれ独立に、炭化水素基またはトリアルキルシリルオキシ基を表す。]
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