JP2021147556A - 撥水撥油性膜形成用液組成物及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
撥水撥油性膜形成用液組成物は次の方法により、概略製造される。
図1に示すように、金属酸化物粒子11と有機溶媒12を混合して金属酸化物粒子の分散液13を調製する。この分散液13にフッ素系官能基成分(B)を含むフッ素系化合物14を混合し、更に水15と触媒16を混合してフッ素含有金属酸化物粒子の分散液17を調製する。一方、ケイ素アルコキシド21とアルコール22と水23と、必要に応じてアルキレン基成分24を混合し、この混合液に触媒25を加えることにより、シリカゾルゲル液26を調製する。
このシリカゾルゲル液26にアルコール27を混合し、この混合液と上記フッ素含有金属酸化物粒子の分散液17とを混合することにより、撥水撥油性膜形成用液組成物30を製造する。以下、各工程毎に詳しく述べる。
先ず、有機溶媒中に、金属酸化物粒子を分散させて金属酸化物粒子の分散液を調製する。金属酸化物粒子は、2nm〜90nm、好ましくは2nm〜85nmの平均粒子径を有する。平均粒子径が2nm未満では、金属酸化物粒子の凝集が起こりやすくなり、媒体中に分散しにくくなる。90nmを超えると、液組成物を成膜したときに、金属酸化物粒子が撥水撥油性膜から脱落する。金属酸化物粒子としては、SiO2、Al2O3、MgO、CaO、TiO2、ZnO、ZrO2の粒子、これらの混合粒子、MgAl2O4等の複合酸化物粒子等が例示される。
有機溶媒としては、メタノール、エタノール、イソプロパノール(以下、IPAということもある。)、テトラヒドロフラン、ヘキサン、クロロホルム、トルエン、酢酸エチル、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ジメチルホルムアミド(DMF)、アセトン、フッ素系溶剤などが例示される。これらの中でも、沸点が120℃未満の炭素数1〜4の範囲にあるメタノール、エタノール、イソプロパノールなどのアルコールが好ましい。なお、本明細書において、金属酸化物粒子の平均粒子径とは、透過型電子顕微鏡(TEM)で観察した粒子形状のうち、200点の粒子サイズを画像解析により測定したものの平均値をいう。
次に、調製された金属酸化物粒子の分散液中に、上述した式(1)又は式(2)で表されるフッ素系官能基成分を含むフッ素系化合物を添加して、金属酸化物粒子とフッ素系官能基成分とがナノコンポジット化された複合材料を合成する。更に反応を促進するために、水及び触媒を添加する。これにより、フッ素含有金属酸化物粒子の分散液を調製する。
先ず、ケイ素アルコキシドとしてのテトラメトキシシラン又はテトラエトキシシランと、沸点が120℃未満の炭素数1〜4の範囲にあるアルコールと、水とを混合して混合液を調製する。このときアルキレン基成分となるエポキシ基含有シランを一緒に混合してもよい。このケイ素アルコキシドとしては、具体的には、テトラメトキシシラン、そのオリゴマー又はテトラエトキシシラン、そのオリゴマーが挙げられる。例えば、耐久性の高い撥水撥油性膜を得る目的には、テトラメトキシシランを用いることが好ましく、一方、加水分解時に発生するメタノールを避ける場合は、テトラエトキシシランを用いることが好ましい。
本実施の形態の撥水撥油性膜形成用液組成物は、上記製造方法で製造され、前述したフッ素系官能基成分(A)が結合した金属酸化物粒子(B)と、シリカゾルゲル(C)と、溶媒(D)とを含む。このフッ素系官能基成分は、上記の一般式(1)又は式(2)で示されるペルフルオロエーテル構造を有し、溶媒(D)を除く全成分量を100質量%としたとき、液組成物中、1質量%〜30質量%含まれる。フッ素系官能基成分が1質量%未満では形成した膜に撥油性を付与できず、30質量%を超えると膜の弾き等が発生し成膜性に劣る。好ましいフッ素系官能基成分の含有割合は2質量%〜28質量%である。またフッ素系官能基成分(A)と金属酸化物粒子(B)とを合計した含有割合は、溶媒(D)を除く全成分量を100質量%としたとき、液組成物中、5質量%〜80質量%、好ましくは7質量%〜75質量%である。更に金属酸化物粒子(B)に対するフッ素系官能基成分(A)の質量比(A/B)が0.05〜0.80、好ましくは0.07〜0.70の範囲にある。
本実施形態の撥水撥油性膜を基材表面に形成するには、撥水撥油性膜形成用液組成物を基材上に塗布した後に、大気中で室温乾燥させて上記液組成物を硬化することにより形成される。この基材としては、特に限定されないが、ステンレス鋼(SUS)、アルミニウム、鉄等の金属板、窓ガラス、鏡等のガラス、タイル、ポリ塩化ビニル(PVC)等のプラスチック又はポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート等のポリエステルフィルム等が挙げられる。上記液組成物の塗布方法としては、スクリーン印刷法、バーコート法、ダイコート法、ドクターブレード、スピン法、刷毛塗り法等が挙げられる。
<合成例1>
平均粒子径が12nmの二酸化ケイ素のIPA分散液(IPA−ST、日産化学社製、SiO2濃度30%)が50.0g入ったビーカーに、上述した式(19)で表されるフッ素系化合物を9.75g添加し混合した。次に、水を3.51g添加し混合した。更に、硝酸を0.031g添加し、40℃で2時間混合し、フッ素系化合物が二酸化ケイ素粒子に結合した二酸化ケイ素(シリカ)粒子の分散液を得た。金属酸化物粒子(B)である二酸化ケイ素に対するフッ素系官能基成分(A)の質量比(A/B)は0.61であった。
平均粒子径が45nmの二酸化ケイ素のIPA分散液(IPA−ST−L、日産化学社製、SiO2濃度30%)が50.0g入ったビーカーに、上述した式(20)で表されるフッ素系化合物を1.50g添加し混合した。次に、水を0.54g添加し混合した。更に、硝酸を0.005g添加し、以下、合成例1と同様にして二酸化ケイ素(シリカ)粒子の分散液を得た。質量比(A/B)は0.09であった。
平均粒子径が80nmの二酸化ケイ素のIPA分散液(IPA−ST−ZL、日産化学社製、SiO2濃度30%)が50.0g入ったビーカーに、上述した式(21)で表されるフッ素系化合物を0.75g添加し混合した。次に、水を0.27g添加し混合した。更に、硝酸を0.005g添加し、以下、合成例1と同様にして二酸化ケイ素(シリカ)粒子の分散液を得た。質量比(A/B)は0.05であった。
合成例1と同じ二酸化ケイ素のIPA分散液が50.0g入ったビーカーに、上述した式(22)で表されるフッ素系化合物を2.25g添加し混合した。次に、水を0.81g添加し混合した。更に、硝酸を0.010g添加し、以下、合成例1と同様にして二酸化ケイ素(シリカ)粒子の分散液を得た。質量比(A/B)は0.14であった。
合成例4で用いたフッ素系化合物を上述した式(27)で表されるフッ素系化合物に代えた以外は、合成例4と同様にして二酸化ケイ素(シリカ)粒子の分散液を得た。質量比(A/B)は0.14であった。
平均粒子径が3nmの二酸化ジルコニウムのメタノール分散液(SZR−M、堺化学社製、ZrO2濃度30%)が50.0g入ったビーカーに、上述した式(27)で表されるフッ素系化合物を11.25g添加し混合した。次に、水を4.05g添加し混合した。更に、硝酸が0.035g添加し、以下、合成例1と同様にして二酸化ジルコニウム粒子の分散液を得た。金属酸化物粒子(B)である二酸化ジルコニウムに対するフッ素系官能基成分(A)の質量比(A/B)は0.71であった。
平均粒子径が6nmの二酸化チタンのIPA分散液(TKD−701、テイカ社製、TiO2濃度18%)が50.0g入ったビーカーに、上述した式(27)で表されるフッ素系化合物を2.70g添加し混合した。次に、水を0.97g添加し混合した。更に、硝酸が0.010g添加し、以下、合成例1と同様にして二酸化チタン粒子の分散液を得た。金属酸化物粒子(B)である二酸化チタンに対するフッ素系官能基成分(A)の質量比(A/B)は0.28であった。
平均粒子径が60nmのアルミナと二酸化ケイ素のIPA分散液(バイラールAS−L10、多木化学社製、3Al2O3・2SiO2濃度10%)が50.0g入ったビーカーに、上述した式(27)で表されるフッ素系化合物を0.25g添加し混合した。次に、水0.09gを添加混合した。更に、硝酸0.005g添加し、以下、合成例1と同様にしてアルミナと二酸化ケイ素の粒子の分散液を得た。金属酸化物粒子(B)であるアルミナと二酸化ケイ素に対するフッ素系官能基成分(A)の質量比(A/B)は0.05であった。
平均粒子径が25nmの酸化亜鉛のIPA分散液(MZ−500、テイカ社製、ZnO濃度30%)が50.0g入ったビーカーに、上述した式(27)で表されるフッ素系化合物を1.50g添加し混合した。次に、水を0.54g添加し混合した。更に、硝酸を0.005g添加し、以下、合成例1と同様にして酸化亜鉛粒子の分散液を得た。金属酸化物粒子(B)である酸化亜鉛に対するフッ素系官能基成分(A)の質量比(A/B)は0.09であった。
平均粒子径が230nmの二酸化チタンのIPA分散液(R32、堺化学社製、TiO2濃度30%)が50.0g入ったビーカーに、上述した式(27)で表されるフッ素系化合物を1.50g添加し混合した。次に、水を0.54g添加し混合した。更に、硝酸を0.005g添加し、以下、合成例1と同様にして二酸化チタン粒子の分散液を得た。金属酸化物粒子(B)である二酸化チタンに対するフッ素系官能基成分(A)の質量比(A/B)は0.09であった。
合成例1と同じ二酸化ケイ素のIPA分散液が50.0g入ったビーカーに、上述した式(27)で表されるフッ素系化合物を0.45g添加し混合した。次に、水を0.16g添加し混合した。更に、硝酸を0.005g添加し、以下、合成例1と同様にして二酸化ケイ素(シリカ)粒子の分散液を得た。質量比(A/B)は0.03であった。
合成例1と同じ二酸化ケイ素のIPA分散液が50.0g入ったビーカーに、上述した式(27)で表されるフッ素系化合物を15.00g添加し混合した。次に、水を5.40g添加し混合した。更に、硝酸を0.047g添加し、以下、合成例1と同様にして二酸化ケイ素(シリカ)粒子の分散液を得た。質量比(A/B)は0.95であった。
<実施例1>
正ケイ酸エチル30gとエタノール60gと水10gを混合した後、硝酸を1g添加し、30℃で3時間混合し、シリカゾルゲル液を得た。得られたシリカゾルゲル液10.00gに工業アルコール(AP−7、日本アルコール産業社製)を72.18g、ジアセトンアルコール1.70g、イソプロピルグリコール11.04gをそれぞれ添加し混合した後、合成例1の金属酸化物粒子の分散液11.51gを添加し混合し、撥水撥油性膜形成用液組成物を調製した。この内容を以下の表2に示す。表2には、『溶媒を除く液組成物中のフッ素系官能基成分(A)』の含有割合及び『溶媒を除く液組成物中のフッ素系官能基成分(A)と金属酸化物粒子(B)を合計した含有割合』も示す。なお、溶媒を除く液組成物中のフッ素系官能基成分(A)の含有割合(%)は、金属酸化物粒子(C)の含有割合を考慮して表現をすれば、[(A)/[(A)+(B)+(C)]]の百分率であり、溶媒を除く液組成物中のフッ素系官能基成分(A)と金属酸化物粒子(B)を合計した含有割合(%)は、金属酸化物粒子(C)の含有割合を考慮して表現をすれば、[[(A)+(B)]/[(A)+(B)+(C)]]の百分率である。
実施例2〜9及び比較例1〜3について、表2に示すように、フッ素含有金属酸化物粒子の分散液の種類と秤量、シリカゾルゲル液の秤量、及び実施例1と同一の工業アルコール、ジアセトンアルコール及びイソプロピルグリコールの秤量をそれぞれ決定して、実施例2〜9及び比較例1〜3の各撥水撥油性膜形成用液組成物を調製した。
シリカゾルゲル液に関して、実施例2〜9及び比較例1〜3では、実施例1で用いた正ケイ酸エチルの代わりに、テトラメトキシシラン(TMOS)の3量体〜5量体(三菱化学社製、商品名:MKCシリケートMS51)28.50gと、アルキレン基成分となるエポキシ基含有シランとして3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(GPTMS:信越化学工業社製、商品名:KBM−403)1.50gを用いた。それ以外は、実施例1と同様の操作を行った。
比較例4では、撥水撥油性膜形成用液組成物を上記実施例1〜9及び比較例1〜3とは異なる方法で調製した。即ち、ケイ素アルコキシドとしてテトラメトキシシラン(TMOS)の3量体〜5量体(三菱化学社製、商品名:MKCシリケートMS51)8.52gと、アルキレン基成分となるエポキシ基含有シランとして3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(GPTMS:信越化学工業社製、商品名:KBM−403)0.48gと、フッ素系化合物として式(27)で表わされるフッ素含有シラン(R:エチル基)0.24gと、有機溶媒としてエタノール(EtOH)(沸点78.3℃)17.34gとを混合し、更にイオン交換水3.37gを添加して、セパラブルフラスコ内で25℃の温度で5分間撹拌することにより混合液を調製した。またこの混合液に、触媒として濃度35質量%の塩酸0.05gを添加し、40℃で2時間撹拌してフッ素含有シリカゾルゲル液を得た。このシリカゾルゲル液10gに、実施例1と同一の工業アルコール90g、ジアセトンアルコール2g及びイソプロピルグリコール13gをそれぞれ混合し、金属酸化物粒子の分散液として、合成例1と同一の平均粒子径が12nmの二酸化ケイ素のIPA分散液を10g添加し混合して、撥水撥油性膜形成用液組成物を調製した。
比較例4において、比較例4で得られたシリカゾルゲル液10gに、実施例1と同一の工業アルコール90g、ジアセトンアルコール2g及びイソプロピルグリコール13gをそれぞれ混合した後で、金属酸化物粒子の分散液である合成例1と同一の平均粒子径が12nmの二酸化ケイ素のIPA分散液を添加せずに、撥水撥油性膜形成用液組成物を調製した。
実施例1で用いた合成例1の金属酸化物粒子の分散液を調製するためのフッ素系化合物の代わりに、下記の式(30)のペルフルオロアミン構造のフッ素系官能基成分を含むフッ素系化合物を用いた。それ以外は、実施例1と同様にして、撥水撥油性膜形成用液組成物を調製した。
実施例1で調製したシリカゾルゲル液の代わりに、メチルトリエトキシシランのシランカップリング剤を用いた。それ以外は、実施例1と同様にして、撥水撥油性膜形成用液組成物を調製した。
実施例1〜9及び比較例1〜7で得られた16種類の液組成物を、刷毛(末松刷子製ナイロン刷毛マイスター)を用いて、厚さ2mm、たて150mm、よこ75mmのSUS304基材上にそれぞれ乾燥後の厚さが1〜3μmとなるように塗布し、16種類の塗膜を形成した。すべての塗膜を室温の大気雰囲気中にて3時間静置し、塗膜を乾燥させて上記SUS304基材上に16種類の膜を得た。これらの膜について、膜表面の水濡れ性(撥水性)、撥油性及び膜の外観を評価し、膜の強度試験、膜のセロテープ(登録商標)剥離試験及び耐指紋性試験を行った。これらの結果を表3に示す。なお、膜の耐指紋性とは、膜に指紋付着後に指紋が膜表面に目立ちにくく、また付着した場合の指紋の拭き取りが容易であることに加えて、指紋が膜に付着しにくい特性である。
協和界面科学製ドロップマスターDM-700を用いて、シリンジに22℃±1℃のイオン交換水を準備し、シリンジの針の先端から2μLの液滴を飛び出した状態にする。次いで評価するSUS304基材上の膜をこの液滴に近づけて膜に液滴を付着させる。この付着した水の接触角を測定した。静止状態で水が膜表面に触れた1秒後の接触角をθ/2法により解析した値を水の接触角とし、膜表面の水濡れ性(撥水性)を評価した。
協和界面科学製ドロップマスターDM-700を用いて、シリンジに22℃±1℃のn−ヘキサデカン(以下、油という。)を準備し、シリンジの針の先端から2μLの液滴を飛び出した状態にする。次いで評価するSUS304基材上の膜をこの液滴に近づけて膜に液滴を付着させる。この付着した油の接触角を測定した。静止状態で油が膜表面に触れた1秒後の接触角をθ/2法により解析した値を油の接触角とし、膜表面の撥油性を評価した。
評価するSUS304基材上の膜を目視で観察して、膜が透明であるか否か、また膜が白濁しているか否かを調べた。膜が透明であるものを『良好』とし、膜が白濁しているものは、その程度に応じて『白濁不良』又は『やや白濁不良』とした。
評価するSUS304基材上の膜に下記の接触子を所定の荷重をかけながら、次の条件で10往復移動した後で、基材上の膜が基材から剥離しないか否かを目視で調べた。膜が剥離しない場合を『合格』とし、剥離した場合を『不合格』とした。
(a) 測定器:静・動摩擦測定機TL201Tt(株式会社トリニティーラボ)
(b) 測定条件:
・移動距離:30mm
・垂直荷重:500g重
・移動速度:50mm/秒
・接触子:5mm×15mm角のネオプレーンゴム
評価するSUS304基材上の膜に碁盤目状に1mm幅のクロスカットを施し、その碁盤目状にクロスカットされた膜に粘着テープ(ニチバン社製、商品名「セロテープ(登録商標)」)を貼り、JISK5600−5−6(クロスカット法)の碁盤目テープ法に準拠してセロテープ(登録商標)剥離試験を行った。クロスカットを施したマス目100個を分母で表し、セロテープ(登録商標)剥離試験後に基材上に残存するマス目の数を分子で表した。
セルロース連続長繊維不織布(旭化成社製、製品名:ベンコットM−3II)を評価するSUS304基材上の膜の上に載せ、この不織布に人工指紋液(JIS K 2246に準じる)を100マイクロリットル滴下した。この不織布に黒ゴム24号(質量300g)を載せ、更に1kgの重りを載せて、30秒間静置することにより、膜に指紋液を付着させた。その後、不織布を剥がして、膜の耐指紋性を目視にて観察した。膜表面に指紋液が付着していなかったものを『良好』とし、付着しているものを『不良』とした。
2 撥水撥油性膜
3 金属酸化物粒子
4 シリカゾルゲル
Claims (8)
- 撥水撥油性膜を形成するための液組成物であって、
下記の一般式(1)又は式(2)で示されるペルフルオロエーテル構造を含むフッ素系官能基成分(A)が結合した平均粒子径2nm〜90nmの金属酸化物粒子(B)と、シリカゾルゲル(C)と、溶媒(D)とを含み、
前記溶媒(D)を除く全成分量を100質量%としたとき、前記フッ素系官能基成分(A)の含有割合が、1質量%〜30質量%であり、かつ前記フッ素系官能基成分(A)と前記金属酸化物粒子(B)とを合計した含有割合が、5質量%〜80質量%であり、
前記金属酸化物粒子(B)に対する前記フッ素系官能基成分(A)の質量比(A/B)が0.05〜0.80の範囲にあることを特徴とする撥水撥油性膜形成用液組成物。
- 前記金属酸化物粒子(B)は、Si,Al、Mg、Ca、Ti、Zn及びZrからなる群より選ばれた1種又は2種の金属の酸化物粒子である請求項1記載の撥水撥油性膜形成用液組成物。
- 前記シリカゾルゲル(C)は、前記シリカゾルゲルを100質量%としたときに、炭素数2〜7のアルキレン基成分を0.5質量%〜20質量%含む請求項1記載の撥水撥油性膜形成用液組成物。
- 前記溶媒(D)は、水と炭素数1〜4のアルコールとの混合溶媒であるか、或いは水と炭素数1〜4のアルコールと前記アルコール以外の有機溶媒との混合溶媒である請求項1記載の撥水撥油性膜形成用液組成物。
- フッ素含有金属酸化物粒子の分散液とシリカゾルゲル液とを混合して撥水撥油性膜形成用液組成物を製造する方法。
- 前記フッ素含有金属酸化物粒子の分散液が、金属酸化物粒子の分散液にフッ素系化合物を添加混合し、この混合液に水と触媒を添加混合して、調製される請求項5記載の撥水撥油性膜形成用液組成物の製造方法。
- 前記金属酸化物粒子がSi,Al、Mg、Ca、Ti、Zn及びZrからなる群より選ばれた1種又は2種の金属の酸化物粒子である請求項6記載の撥水撥油性膜形成用液組成物の製造方法。
- 前記シリカゾルゲル液が、ケイ素アルコキシドとアルコールと水の混合液に触媒を添加混合して、調製される請求項5記載の撥水撥油性膜形成用液組成物の製造方法。
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