JP2022131851A - 発色材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリカ微粒子を用いて比較的容易に構造色が得られる発色材料の製造方法を提供する。【解決手段】本開示に係る発色材料１００の製造方法は、基材１０の表面を親水化処理するステップと、親水化処理された基材１０の表面に親水性シリカ微粒子、ポリビニルアルコール及び水系溶剤を含む塗布液を塗布するステップと、塗布された塗布液を乾燥させて塗布層２０を形成するステップとを含むことを特徴とする。【選択図】図２

Description

本開示は、発色材料の製造方法に関する。

数百ナノメートルオーダーの一定構造を３次元空間内で周期的に分布させた周期構造を備えることによって発現する、いわゆる構造色を備えた材料が、１．色褪せしない、２．光の当たり方により色目が変わる、３．高輝度感があるなどの利点を有していることから、新しい表面機能を備えた機能材料として注目されている。例えば、特許文献１には、ガラス転移温度が２０℃以下の有機ポリマー球状微粒子分散体と、ハイドロゲル能を有する水溶性樹脂と、水系溶剤とを含む樹脂組成物とを基材に塗工し、乾燥させることを特徴とする微粒子膜の製造方法が開示されている。

特開２０１６－１８７８０３号公報

ところで、特許文献１によれば、微粒子としてシリカ粒子を用いた場合に粒子間の相互作用が弱く、それを補うために添加剤を加えることで粒子の規則構造が崩れて十分な着色が得られない場合があったため、改善の余地があった。

本開示は、このような問題点を解決することを課題とするものであり、シリカ微粒子を用いて比較的容易に構造色が得られる発色材料の製造方法を提供することにある。

本開示の発色材料の製造方法は、
基材の表面を親水化処理するステップと、
親水化処理された前記基材の表面に親水性シリカ微粒子、ポリビニルアルコール及び水系溶剤を含む塗布液を塗布するステップと、
塗布された前記塗布液を乾燥させて塗布層を形成するステップと
を含むことを特徴とする。

また、本開示の発色材料の製造方法は、上記構成において、前記親水性シリカ微粒子は、粒子径が２００ナノメートル以上６００ナノメートル以下であり、前記塗布液における前記親水性シリカ微粒子の濃度は、２．０重量パーセント以上３０重量パーセント以下であることが好ましい。

また、本開示の発色材料の製造方法は、上記構成において、前記塗布液における前記ポリビニルアルコールの濃度は、０．１重量パーセント以上３．０重量パーセント以下であることが好ましい。

また、本開示の発色材料の製造方法は、上記構成において、前記塗布液における前記親水性シリカ微粒子の濃度は、１０重量パーセント以上３０重量パーセント以下であり、前記ポリビニルアルコールの濃度は、０．１重量パーセント以上３．０重量パーセント以下であることが好ましい。

また、本開示の発色材料の製造方法は、上記構成において、前記塗布液は、エタノールを更に含むことが好ましい。

また、本開示の発色材料の製造方法は、上記構成において、前記塗布液における前記エタノールの濃度は、５０重量パーセント以下であることが好ましい。

また、本開示の発色材料の製造方法は、上記構成において、前記塗布層の表面に可視光の少なくとも一部を透過させるオーバーコート層を形成するステップを更に含むことが好ましい。

本開示によれば、シリカ微粒子を用いて比較的容易に構造色が得られる発色材料の製造方法を提供することができる。

本開示の一実施形態である発色材料の断面図である。 本開示の一実施形態である発色材料の製造方法の実施手順を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本開示をより詳細に例示説明する。

図１に示す本開示の一実施形態である発色材料１００は、例えばポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）又はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの合成樹脂材料で形成された基材１０と、基材１０の一方の表面に形成されたシリカ微粒子を含む塗布層２０と、塗布層２０の表面に形成されたオーバーコート層３０とを備えている。

塗布層２０は、粒子径２００ナノメートル以上６００ナノメートル以下の親水性の球状シリカ微粒子を含み、球状シリカ微粒子が３次元的な波長オーダーの周期構造を形成している。この構成によって、塗布層２０への光の入射角度によって回折面が異なるため、利用者が見る角度によって塗布層２０の色調を変化させることができる。なお、本実施形態に係る発色材料１００の塗布層２０は、後述するように親水性シリカ微粒子を含む塗布液を親水化処理された基材１０に塗布し乾燥させることによって形成することができる。

本実施形態に係る発色材料１００は、塗布層２０の表面にオーバーコート層３０が設けられている。オーバーコート層３０は、可視光の少なくとも一部を透過させる透明または半透明の層である。オーバーコート層３０は、可視光領域のほぼ全ての光を透過させてもよいし、可視光領域の光に対して所定の透過率を有していてもよい。また、オーバーコート層３０は、可視光領域における特定の波長領域の光のみを透過させるように構成してもよい。

次に、本実施形態に係る発色材料１００の製造方法について、図２等を用いて詳細に説明する。

本実施形態に係る発色材料１００を製造するに際しては、例えばポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）などの合成樹脂材料で形成された板状の基材１０の片側の表面をフレーム処理、コロナ処理又はプラズマ処理などにより親水化処理を行う（図２のステップＳ１０１）。上述の親水化処理によって、合成樹脂表面の分子の化学結合を切断し、親水性の官能基を生成することができる。

基材１０の親水化処理とは別に、親水性のシリカ微粒子と、ポリビニルアルコールと、エタノールと、イオン交換水などの水系溶剤とを含む塗布液を作製する（図２のステップＳ１０３）。この塗布液に含まれる親水性のシリカ微粒子は、粒子径が２００ナノメートル以上６００ナノメートル以下である。シリカ微粒子の粒子径をこの範囲に収めることによって、可視光の波長オーダーの周期構造を備えた塗布層２０を形成することができる。本実施形態では、約２７０ナノメートル又は約３００ナノメートルの粒子径のシリカ微粒子を用いている。なお、水系溶媒としては精製水が好適であり、上述したイオン交換水に限らず、蒸留水、ＲＯ水及び純水などの他の精製水を使用してもよい。

また、この塗布液における親水性のシリカ微粒子の濃度は、２．０重量パーセント以上３０重量パーセント以下とすることが好ましい。シリカ微粒子の濃度が２．０重量パーセント以上であれば、発色材料１００の構造色を良好に発色させることができる。また、シリカ微粒子の濃度が３０重量パーセントを超えるとシリカ微粒子を塗布液に均一に分散させることが難しくなるため、シリカ微粒子の濃度は３０重量パーセント以下であることが好ましい。

また、この塗布液におけるポリビニルアルコールの濃度は、０．１重量パーセント以上３．０重量パーセント以下であることが好ましい。塗布液におけるポリビニルアルコールの濃度を０．１重量パーセント以上とすることによって、乾燥後の塗布層２０の基材１０への密着性を向上させることができる。また、塗布液におけるポリビニルアルコールの濃度を３．０重量パーセント以下とすることによって、ポリビニルアルコールが発色材料１００の構造色の発色を阻害しないようにすることができる。本実施形態では、ポリビニルアルコールは、シリカ微粒子同士を結び付ける接着剤の機能を果たしている。

また、この塗布液におけるエタノールの濃度は、５０重量パーセント以下とすることが好ましい。エタノールを適量添加することによって塗布液の乾燥時間を短くすることができるが、塗布液におけるエタノールの濃度が５０重量パーセントを超えると、塗布液中にポリビニルアルコールが析出してしまう場合がある。従って、エタノールの濃度は５０重量パーセント以下であることが好ましい。

なお、上述の親水化処理（ステップＳ１０１）及び塗布液の作製（ステップＳ１０３）はこの順序で行う必要は無く、塗布液の作製を先に行ってもよい。

次に、塗布液を上述の基材１０のステップＳ１０１で親水化処理された表面に塗布する（図２のステップＳ１０５）。

基材１０表面への塗布液の塗布は、例えば、スプレー塗布、ディップコート又はスピンコートなどによって行うことができる。

次に、ステップＳ１０５で塗布した塗布液を乾燥させて塗布層２０を形成する（図２のステップＳ１０７）。この塗布液を乾燥させるステップは、例えば常温で乾燥させてもよいし、熱風を吹き付けて乾燥させてもよい。

次に、ステップS１０７において乾燥させて形成した塗布層２０の表面にオーバーコート層３０を形成する。オーバーコート層３０を設けることによって塗布層２０を傷、汚れ等から保護することができる。オーバーコート層３０は、上述のように可視光の少なくとも一部を透過させることができればよい。すなわち、オーバーコート層３０は、可視光領域の光に対して所定の透過率を有していてもよいし、可視光領域における特定の波長領域の光のみを透過させるように構成してもよい。なお、オーバーコート層３０を設けない構成としてもよい。

以上述べたように、本実施形態に係る発色材料１００の製造方法は、基材１０の表面を親水化処理するステップと、親水化処理された基材１０の表面に親水性シリカ微粒子、ポリビニルアルコール及び水系溶剤を含む塗布液を塗布するステップと、塗布された塗布液を乾燥させて塗布層２０を形成するステップとを含むように構成した。このような構成の採用によって、ポリビニルアルコールをシリカ微粒子の接着剤として用いて、シリカ微粒子を含み構造色を発現する塗布層２０を形成するとともに、基材１０と塗布層２０との密着性を向上させることができる。また、塗布液を基材１０に塗布し乾燥させるという比較的簡素な工程で発色材料１００を製造することができるので、製造時間（塗布液の固化時間）を短縮し、製造コストを抑制することができる。また、図１に示すシート形状の基材１０のみならず、化粧品容器やコンパクト容器、ボトル等の包装容器を基材１０として、その表面に本実施形態の塗布層２０を形成することによって、これらの容器の外面に構造色を容易に発現させることができる。

また、本実施形態では、親水性シリカ微粒子は、粒子径が２００ナノメートル以上６００ナノメートル以下であり、塗布液における親水性シリカ微粒子の濃度は、２．０重量パーセント以上３０重量パーセント以下であるように構成した。親水性シリカ微粒子の粒子径を上述の範囲とすることで可視光の波長オーダーの周期構造を備えた塗布層２０を形成することができるので、構造色の発現性を向上させることができる。また、親水性シリカ微粒子の濃度を上述の範囲とすることで構造色の発現性を更に向上させるとともにシリカ微粒子を塗布液内に良好に分散させることができる。

また、本実施形態では、塗布液におけるポリビニルアルコールの濃度は、０．１重量パーセント以上３．０重量パーセント以下であるように構成した。塗布液におけるポリビニルアルコールの濃度を０．１重量パーセント以上とすることによって、乾燥後の基材１０と塗布層２０との密着性を向上させることができる。また、塗布液におけるポリビニルアルコールの濃度を３．０重量パーセント以下とすることによって発色材料１００の構造色の発色を阻害しないようにすることができる。

また、本実施形態では、塗布液における親水性シリカ微粒子の濃度は、１０重量パーセント以上３０重量パーセント以下であり、ポリビニルアルコールの濃度は、０．１重量パーセント以上３．０重量パーセント以下であるように構成した。親水性シリカ微粒子の濃度を上述の範囲とすることで構造色の発現性を更に効果的に向上させるとともにシリカ微粒子を塗布液内に良好に分散させることができる。また、ポリビニルアルコールの濃度を上述の範囲とすることで乾燥後の基材１０と塗布層２０との密着性を向上させるとともに、発色材料１００の構造色の発色を阻害しないようにすることができる。

また、本実施形態では、塗布液は、エタノールを更に含むように構成した。このような構成の採用によって、ステップＳ１０７における塗布液を乾燥させる工程時間を短くすることができる。

また、本実施形態では、塗布液におけるエタノールの濃度は、５０重量パーセント以下であるように構成した。このような構成の採用によって、塗布液にエタノールを含ませて塗布液の乾燥時間を短くした場合でも、ポリビニルアルコールの析出を抑制することができる。

また、本実施形態では、塗布層２０の表面に可視光の少なくとも一部を透過させるオーバーコート層３０を形成するステップを更に含むように構成した。このような構成の採用によって、塗布層２０を傷や汚れから保護して構造色の発現を持続させることができる。

本開示を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成部に含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部を１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。本発明の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。

例えば、本実施形態において、親水性シリカ微粒子の粒子径を２００ナノメートル以上６００ナノメートル以下の範囲とするように構成したが、当該範囲内であれば、複数のサイズを混在させてもよい。また、発色させる構造色の波長等に応じて親水性シリカ微粒子の粒子径が２００ナノメートル未満又は６００ナノメートルを超えるようにしてもよい。

また、本実施形態では、塗布液における親水性シリカ微粒子の濃度が、２．０重量パーセント以上３０重量パーセント以下であるように構成したが、この態様には限定されない。塗布液における親水性シリカ微粒子の濃度は、発色材料１００が構造色を発現し、塗布層２０が基材１０と密着する限りにおいて２．０重量パーセント未満又は３０重量パーセントを超えてもよい。

また、本実施形態では、塗布液におけるポリビニルアルコールの濃度は、０．１重量パーセント以上３．０重量パーセント以下であるように構成したが、この態様には限定されない。塗布液におけるポリビニルアルコールの濃度は、発色材料１００が構造色を発現し、塗布層２０が基材１０と密着する限りにおいて、０．１重量パーセント未満又は３．０重量パーセントを超えてもよい。

また、本実施形態では、塗布液がエタノールを含むように構成したが、この態様には限定されない。塗布液はエタノールを含まなくてもよい。

また、本実施形態では、塗布液におけるエタノールの濃度は、５０重量パーセント以下であるように構成したが、この態様には限定されない。塗布液におけるエタノールの濃度は、発色材料１００が構造色を発現し、塗布層２０が基材１０と密着する限りにおいて、５０重量パーセントを超えてもよい。

また、本実施形態では、塗布層２０の表面に可視光の少なくとも一部を透過させるオーバーコート層３０を形成するように構成したが、この態様には限定されず、オーバーコート層３０を形成しなくてもよい。

粒子径２７０ナノメートルの親水性シリカ微粒子と、ポリビニルアルコールとイオン交換水を含む塗布液を基材１０に塗布した後、乾燥させて発色材料１００の作製を行った。発色材料１００を作製するにあたり、塗布液における親水性シリカ微粒子濃度とポリビニルアルコール濃度を変えた発色材料１００のサンプルを作製し、構造色の発色性及び塗布層２０と基材１０との密着性の２点について評価を行った。

表１に示す評価結果における、構造色の評価結果は、〇：親水性シリカ微粒子の粒子径に対応する構造色が良好に発現、△：構造色の発現が不十分、又は発色むらがある、×：構造色が発現しない、である。また、密着性の評価結果は、塗布層２０の表面を指先で一方向になぞったときに、〇：剥離しない、△：指に一部付着（構造色は発現したまま）、×：完全に剥離する（構造色は発現しない）、である。

構造色の発現については、表１に示すように、親水性シリカ微粒子濃度が１．０重量パーセント以下では、ポリビニルアルコールの濃度にかかわらず、構造色の発現が不十分であった。この結果から、発明者が鋭意検討した結果、親水性シリカ微粒子濃度が２．０重量パーセント以上でかつポリビニルアルコールの濃度を適切に選ぶことによって構造色が良好に発現することが分かった。なお、表１に示すように、構造色の発現の観点からは、親水性シリカ微粒子濃度が５．０重量パーセント以上であることが好ましい。また、親水性シリカ微粒子濃度が５．０重量パーセント以上であっても、塗布液におけるポリビニルアルコールの濃度が５．０重量パーセント以上では構造色が発現しないことに留意すべきである。

一方、親水性シリカ微粒子濃度が３０重量パーセントを超えると、シリカ微粒子が塗布液内で均一に分散されないため、発色むらなどの要因になると考えられる。従って、塗布液における親水性シリカ微粒子の濃度は３０重量パーセント以下であることが好ましい。

密着性の評価結果については、表１に示すように、塗布液にポリビニルアルコールを添加しない場合では密着性が得られないが、ポリビニルアルコールを０．１重量パーセント添加することで密着性が改善し、０．５重量パーセント添加することで密着性が更に改善する。密着性の観点からは、ポリビニルアルコールを０．５重量パーセント以上添加することが最も好ましいことが分かった。

一方、表１によれば、塗布液におけるポリビニルアルコール濃度が３．０重量パーセントを超えると構造色の良好な発現が得られなくなるため、ポリビニルアルコール濃度は、３．０重量パーセント以下であることが好ましい。構造色の発現の観点からは、ポリビニルアルコール濃度は、１．０重量パーセント以下であることが更に好ましく、０．５重量パーセント以下とすることによって更に改善していく。ポリビニルアルコール濃度は、構造色の発現の観点からは、０．３重量パーセント以下が最も好ましい。

表１によれば、構造色の発現と、塗布層２０と基材１０の密着性とのバランスの観点から、塗布液における親水性シリカ微粒子の濃度は、１０重量パーセント以上３０重量パーセント以下であり、ポリビニルアルコールの濃度は、０．１重量パーセント以上３．０重量パーセント以下であることが好ましい。

１０ 基材
２０ 塗布層
３０ オーバーコート層
１００ 発色材料

Claims (7)

1. 基材の表面を親水化処理するステップと、
   親水化処理された前記基材の表面に親水性シリカ微粒子、ポリビニルアルコール及び水系溶剤を含む塗布液を塗布するステップと、
   塗布された前記塗布液を乾燥させて塗布層を形成するステップと
   を含むことを特徴とする発色材料の製造方法。
2. 前記親水性シリカ微粒子は、粒子径が２００ナノメートル以上６００ナノメートル以下であり、
   前記塗布液における前記親水性シリカ微粒子の濃度は、２．０重量パーセント以上３０重量パーセント以下である、請求項１に記載の発色材料の製造方法。
3. 前記塗布液における前記ポリビニルアルコールの濃度は、０．１重量パーセント以上３．０重量パーセント以下である、請求項１又は２に記載の発色材料の製造方法。
4. 前記塗布液における前記親水性シリカ微粒子の濃度は、１０重量パーセント以上３０重量パーセント以下であり、前記ポリビニルアルコールの濃度は、０．１重量パーセント以上３．０重量パーセント以下である、請求項１から３のいずれか一項に記載の発色材料の製造方法。
5. 前記塗布液は、エタノールを更に含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の発色材料の製造方法。
6. 前記塗布液における前記エタノールの濃度は、５０重量パーセント以下である、請求項５に記載の発色材料の製造方法。
7. 前記塗布層の表面に可視光の少なくとも一部を透過させるオーバーコート層を形成するステップを更に含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の発色材料の製造方法。

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