JP2022546933A - 付加造形のための液状ハイブリッドuv/vis放射線硬化性樹脂組成物 - Google Patents
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Abstract
UV/vis領域でピークスペクトル強度を有する化学放射線源を利用する付加造形装置によって加工するときに、ハイブリッド(すなわち、カチオン及びフリーラジカル)重合に適した液状放射線硬化性組成物が開示される。一態様によると、本組成物は、非フッ素化ボレートアニオンのヨードニウム塩である第1の光開始剤を有する。別の態様によると、本組成物は、ノリッシュI型及び/又はII型光開始剤を実質的に欠いている。また、ハイブリッド重合に適した液状放射線硬化性組成物を用いて、UV/vis領域でピークスペクトル強度を有する化学放射線源を利用する付加造形プロセスによって3次元部品を作製する方法、並びにそれから硬化された部品も開示される。【選択図】なし
Description
[技術分野]
本発明は、UV又は可視スペクトルにおいてハイブリッド硬化性である付加造形プロセス用の液状組成物に関する。
本発明は、UV又は可視スペクトルにおいてハイブリッド硬化性である付加造形プロセス用の液状組成物に関する。
[関連出願の相互参照]
[001]本出願は、2019年8月30日に出願された米国仮特許出願第62/893969号に対する優先権を主張するものであり、その内容全体は、本明細書中に完全に記載されたかのように参照によってその全体が本明細書に援用される。
[001]本出願は、2019年8月30日に出願された米国仮特許出願第62/893969号に対する優先権を主張するものであり、その内容全体は、本明細書中に完全に記載されたかのように参照によってその全体が本明細書に援用される。
[背景]
[002]3次元物体を製造するための付加造形プロセスは周知である。付加造形プロセスは、物体のコンピュータ支援設計(CAD)データを利用して3次元部品を構築する。これらの3次元部品は、液状樹脂、粉末、又は他の材料から形成され得る。
[002]3次元物体を製造するための付加造形プロセスは周知である。付加造形プロセスは、物体のコンピュータ支援設計(CAD)データを利用して3次元部品を構築する。これらの3次元部品は、液状樹脂、粉末、又は他の材料から形成され得る。
[003]付加造形プロセスの周知の非限定的な例は、ステレオリソグラフィー(SL)である。ステレオリソグラフィーは、特定の用途において、モデル、プロトタイプ、パターン、及び製造部品を迅速に製造するためのプロセスである。SLは物体のCADデータを使用し、このデータは、3次元物体の薄い断面に変換される。データはコンピュータにロードされ、これによりレーザーが制御され、バット内に含有される液状放射線硬化性樹脂組成物によって断面のパターンをトレースして、断面に対応する樹脂の薄層を凝固させる。凝固層は樹脂で再被覆され、レーザーが別の断面をトレースして、前の層の上部に別の樹脂層を硬化させる。プロセスは、3次元物体が完成するまで1層ずつ繰り返される。最初に形成されたとき、3次元物体は、一般に完全には硬化されておらず、「グリーンモデル」と呼ばれる。必要なわけではないが、完成部品の機械的特性を高めるために、グリーンモデルは後硬化を受けてもよい。SLプロセスの例は、例えば、米国特許第4,575,330号明細書に記載されている。
[004]レーザーは、伝統的に、ステレオリソグラフィーなどの付加造形プロセスにおいて最適な放射線源としての役割を果たしてきた。液状放射線硬化性樹脂組成物を硬化させるためのガスレーザーの使用は周知である。ステレオリソグラフィーシステムにおけるレーザーエネルギーの送達は、連続波(CW)又はQスイッチパルスであり得る。CWレーザーは連続レーザーエネルギーを提供し、高速走査プロセスにおいて使用することができる。歴史的には、伝統的に193nm~355nmの波長範囲のピークスペクトル出力を有するいくつかのタイプのレーザーがステレオリソグラフィーで使用されてきたが、他の波長のものも存在する。レーザーから放出される光は単色であり、すなわち、全スペクトル出力のかなりの割合が非常に狭い波長範囲内に存在する。当業界におけるレーザーベースの付加製造システムの間で、355nmのピークスペクトル出力で動作するものが最も普及してきている。
[005]しかしながら、レーザーベースのシステム、特に355nm又はその近傍のピークスペクトル出力で動作するものには、欠点がないわけではない。このようなレーザーベースのシステムの著しいパワー出力は照射点で過剰な熱を発生することがあり、樹脂にとって有害になり得る。さらに、いずれかの波長におけるレーザーの使用は樹脂表面上の点ごとの走査を必要とし、これは、硬化させる断面パターンが大きい又は複雑である場合に、特に時間がかかる可能性のあるプロセスである。また、355nmレーザーベースのシステムは高価であり、且つ高い保守費用及びエネルギー消費に関連する。
[006]レーザーベースのシステムに関連する欠点のいくつかに対抗するために、他の付加造形システムでは、化学放射線源として画像投影技術が利用され始めている。これの一例は、テレビ及びコンピュータモニターの製造などの他の業界において周知の技術である液晶ディスプレイ(LCD)である。別の非限定的な例は、Digital Light Processing(DLP(登録商標))と呼ばれる、Texas Instrumentsにより開発されたものである。DLPシステムは、デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)として知られている、マイクロチップにより制御され且つそれに固定されたピクセルを表す微小鏡を用いて、入力源からの光を選択的に伝達し、その光を所望の出力パターン又はマスクで投影する。DLP技術は、LCDベースの技術の代替ディスプレイシステムとして画像投影システムで使用するために開発された。硬化及び作製される3次元物体の境界は、投影された光の境界によって最終的に画定されるので、DLPシステムに関連する並外れた画像鮮鋭度、輝度、及び均一性により、DLPシステムは、画像解像度及び精度が重要である付加造形に非常に役立つ。さらに、LCD及びDLPなどの画像投影システムは、断面層全体を同時に曝露及び硬化させることができるという点で、理論速度の利点を提供する。さらに、ここで、レーザーベースのシステムにおいて必要とされる硬化時間は走査される断面の複雑性に正比例するが、画像投影システムは断面に依存しないと言われており、これは、所与の層の曝露時間が任意の所与の層の形状複雑性の増大と共に変化しないことを意味する。これにより、画像投影システムは、付加造形によって複雑且つ詳細な幾何学を有する部品が作製されるのに特によく適している。
[007]DLP及びLCDは光自体を生成する代替方法ではなく、既存の光源から発せられた光を処理してより望ましいパターンにする方法を提供する。したがって、結合された入力光源も依然として必要とされる。画像投影システムに入力される光は、伝統的なランプ、又はさらにレーザーを含む任意の光源からのものであり得るが、より一般的には、入力光は1つ又は複数の発光ダイオード(LED)から平行化される。
[008]LEDは、エレクトロルミネセンスの現象を利用して光を発生させる半導体デバイスである。今のところ、付加造形システムのためのLED光源は現在300~475nmの波長の光を放出し、365nm、375nm、395nm、401nm、405nm、及び420nmが一般的なピークスペクトル出力である。LED光源のより詳細な考察については、Cambridge University Pressにより刊行されたテキスト「Light-Emitting Diodes」,E.Fred Schubert著,第2版,(著作権)E.Fred Schubert 2006を参照されたい。LEDは、理論的に、他の光源よりも長い持続期間にわたってほぼピーク効率で動作するという利点を提供する。さらに、LEDは通常、対レーザーベースの光学系よりも、エネルギー効率が高く且つ維持費用が安いので、結果として、初期及び継続所有コストが低くなる。
[009]したがって、種々の付加造形システムでは、以下の光学配置の非限定的な例:(1)レーザーのみ、(2)レーザー/DLP、(3)LEDのみ、(4)LED/DLP、又は(5)LED/LCDのうちの1つが使用されている。DLP技術を利用しないシステムも、光を液状樹脂上に選択的に方向付けるために他の平行化又は集束レンズ/鏡を組み込み得る。
[010]近年、より新しい付加造形システム(光学配置に関係なく)では、伝統的な355nmの出力よりも大きい波長の放射線を放出する光源がより頻繁に使用され始めている。他のシステムでは、単色光源から離れて、代わりに、より広いスペクトル出力分布を有する光を放出する光源を選ぶことにシフトされている。したがって、レーザー/DLPベース、LEDベース、LED/DLPベース、又はLED/LCDベースの光学配置を組み込んだこのようなより新しいシステムは、これまで一般的であったよりも、長い波長のピークスペクトル出力及び広いスペクトル分布で動作し始めている。そこで使用される波長は355nmから離れて可視スペクトルの方向にシフトしており、可視範囲内でピークスペクトル出力を有するものさえある。このようなより長い波長(すなわち、375nm~500nm)は、これまで「UV/vis」と呼ばれている。
[011]UV/vis領域における光学系の使用が増大している現在の傾向について一般に挙げられるいくつかの非限定的な理由は、(1)UV/vis範囲で動作する光源のコスト(初期コスト及び維持コストの両方)の削減、並びに(2)より深くUV領域内で発光する光源よりも低いエネルギーの放射線を放出するUV/vis光源が、他の全てが等ければ、ヒト組織に対してあまり損傷を与えないという事実である。これにより、UV/vis光源は、より深くUV領域内で動作するものよりも、偶発的な曝露の際に与える害が少なくなる。消費者、「プロシューマー」、及び産業市場区分の間で付加製造の人気は高まり続けているので、液状フォトポリマーを硬化させるためのより低コストで危険性の低い化学放射線源を使用する付加造形システムの必要性はますます重要になるであろう。
[012]しかしながら、UV/vis光源/光学系を利用することの利点は、顕著なトレードオフがないわけではない。今日まで、最大の欠点は、UV/vis光学系を利用するシステムに適したフォトポリマーを開発することの困難が比較的大きいことである。この主な理由の1つは、より長い波長の光のエネルギーがより低いという自然現象に加えて、商業用の光源の強度も、ピークスペクトル出力の波長の増大と共に通常低下することである。したがって、伝統的な355nmレーザーベースの光システムは樹脂表面で1500W/cm2の照射量を付与し得るが、約400nmで動作する商業用システムは、樹脂表面でおよそその値のわずか約1/1000の照射量を付与することが知られている。実際に、既存の365nm又は405nmのDLPベースの商業用付加造形システムにおいてUV/vis光学系により付与される樹脂表面での照射量は、いくつかのより経済的なデスクトップユニットでは、0.1W/cm2又はさらに0.0002W/cm2まで低いこともある。これらの比較的低減された放射線エネルギー/強度により、曝露時間が極めて長くならない限り、このようなUV/vis光学系を用いて、放射線硬化性樹脂において光重合反応を生じさせることはより困難になる。これは次に、部品の構築時間を著しく増大させ、その結果、フォトマスキングディスプレイシステムの理論速度の利点がなくなる。さらに、このようなより長いUV/vis波長で光重合を促進するための光開始系、特にカチオン光開始系は、市場により少数しか存在しない。
[013]上述の課題の結果、355nmレーザーベースのシステムなどのより深くUV領域内で動作するシステムに利用可能な様々な選択肢に対して、UV/vis領域で動作する現代の光学系のために利用可能にされるフォトポリマーの数は限られている。
[014]UV/vis光学系を用いるシステムのためのラジカル重合性樹脂は、存在することが知られている。このような樹脂は、一般に、ラジカル発生のためのフリーラジカル光開始剤と共に、1つ又は複数の(メタ)アクリレート化合物(又は他のフリーラジカル重合性有機化合物)からなる。米国特許第5,418,112号明細書には、1つのこのようなラジカル硬化系が記載されている。ラジカル重合性樹脂は、UV/vis光学系により提供される比較的より低いエネルギー及びより低い強度下でも容易に硬化し得るが、これらは、全ての付加造形用途に適しているわけではない。第1に、付加造形プロセスに適していると考えられる(メタ)アクリレート系樹脂は、伝統的に、多数の最終用途に組み込まれるには不十分な機械的特性を有する硬化部品を製造してきた。したがって、通常、非プロトタイピング用途のために十分に頑強ではない部品が製造される。また、このような樹脂は、硬化中の収縮差に起因する残留ひずみのために、通常、反りのある部品又は形の悪い部品が製造されるなどの変形の問題を呈する。より大きいプラットフォームの付加造形機ではこのような問題は悪化し、この場合、硬化物体が大きくなるにつれて、累積される収縮差の影響により、部品の反り又は形の悪さが増幅される。これらの変形の問題は、固体3次元部品を作成するCADファイルを修正することにより既知の収縮率を説明するソフトウェアによって部分的に是正可能である。しかしながら、ソフトウェア補正は、入り組んだ複雑な形状を有するか又は長距離にわたって厳密な寸法許容差を必要とする部品の変形を完全に補償するには不十分である。
[015]付加造形システムにおいて使用するのに適した別の周知のタイプの樹脂は「ハイブリッド」硬化性樹脂、すなわち(1)エポキシ、オキセタン、又は他のタイプのカチオン重合性化合物と、(2)1つ又は複数のカチオン光開始剤と、(3)アクリレート樹脂又は他のタイプのフリーラジカル重合性化合物と、(4)1つ又は複数のフリーラジカル光開始剤とを含むものである。このようなハイブリッド硬化系の例は、例えば、米国特許第5,434,196号明細書に記載されている。このような樹脂は、付加造形プロセスにより製造される、オールアクリレート系樹脂と比べて優れた機械的特性を有する硬化部品をもたらすことが以前から知られている。さらに、ハイブリッド硬化系は、長い間オールアクリレート系を悩ませてきた収縮差問題による影響をあまり受けないという点で、オールアクリレート系よりも優れている。
[016]しかしながら、カチオン重合の開環プロセスは一般にフリーラジカル重合よりも低速で行われ、より多くの活性化エネルギーを必要とするので、付加造形用途のためのこのような配合物が適切に硬化すること、又は3次元物体をうまく「構築する」ことを保証するのは、本質的により困難である。そして、ハイブリッド硬化性樹脂が化学放射線を受けた後に硬化が少なくとも部分的に生じたとしても、それから製造されるグリーンモデルは、例えば弾性率又は破壊強度によって測定したときに、多くの付加製造用途で使用するには不十分な機械的強度(又は「グリーン強度」)を有する。従来のシステムよりも低いエネルギー及び強度の放射線を放出するUV/vis光学系によって、このような問題は著しく悪化する。
[017]このような制限のために、これまで、UV/vis光学系を使用するより現代の付加造形システムにおける使用に適した、付加造形のためのハイブリッド液状放射線硬化性樹脂は少ししか知られていない。いくつかは米国特許第9,708,442号明細書及び同第10,604,659号明細書(それぞれ、DSM IP Assets B.V.に譲渡)に記載されているが、UV/vis光学系を使用する付加製造システムにおける幅広い変化を考慮すれば、さらなる解決法が歓迎される。
[018]したがって、UV/vis光学系を使用する付加造形システムに適しており、そしてまた同時に(1)十分に迅速に硬化し、且つ(2)それから硬化される3次元部品に、十分な機械的強度と、収縮変形への抵抗性とを付与可能でもある、付加造形のための液状放射線硬化性樹脂(ハイブリッド硬化性又は他のもの)を提供することが望ましいであろう。さらに又は代替的に、少なくとも、伝統的なレーザーベースの355nmシステムのために設計された既存のハイブリッド硬化性材料に相当する優れた正確度及び/又は機械的特性を有する3次元部品を製造することができる、UV/vis光学系を用いる付加造形システムにおける使用に適したハイブリッド硬化性液状放射線樹脂組成物を提供することが望ましいであろう。
[簡単な概要]
[019]本明細書には、本発明のいくつかの実施形態が記載される。第1の態様によると、本発明は、カチオン硬化性成分及びフリーラジカル硬化性成分を含む放射線硬化性組成物を含み、上記組成物はさらに、少なくとも、非フッ素化ボレートアニオンのヨードニウム塩である第1の光開始剤を含む。第1の態様の他の実施形態によると、ヨードニウム塩の非フッ素化ボレートアニオンは、式
(式中、R1~R4は、アルキル、アルケニル、アルキニル、シクロアルキル、ヘテロシクロアルキル、アリール、及びヘテロアリールからなる群から独立して選択され、さらに、(i)アルキル、アルケニル、又はアルキニルの1つ又は複数の置換可能な炭素原子が、ヒドロキシ、カルボキシ、アルコキシ、アルカノイル、ヒドロキシアルキル、カルボキシアルキル、アルコキシアルキル、又はアルカノイルアルキルによって任意選択的に置換されているか、或いは(ii)シクロアルキル、ヘテロシクロアルキル、アリール、又はヘテロアリールの1つ又は複数の置換可能な炭素原子が、アルキル、ヒドロキシ、カルボキシ、アルコキシ、アルカノイル、ヒドロキシアルキル、カルボキシアルキル、アルコキシアルキル、又はアルカノイルアルキルによって任意選択的に置換されている)
を有する。
[019]本明細書には、本発明のいくつかの実施形態が記載される。第1の態様によると、本発明は、カチオン硬化性成分及びフリーラジカル硬化性成分を含む放射線硬化性組成物を含み、上記組成物はさらに、少なくとも、非フッ素化ボレートアニオンのヨードニウム塩である第1の光開始剤を含む。第1の態様の他の実施形態によると、ヨードニウム塩の非フッ素化ボレートアニオンは、式
(式中、R1~R4は、アルキル、アルケニル、アルキニル、シクロアルキル、ヘテロシクロアルキル、アリール、及びヘテロアリールからなる群から独立して選択され、さらに、(i)アルキル、アルケニル、又はアルキニルの1つ又は複数の置換可能な炭素原子が、ヒドロキシ、カルボキシ、アルコキシ、アルカノイル、ヒドロキシアルキル、カルボキシアルキル、アルコキシアルキル、又はアルカノイルアルキルによって任意選択的に置換されているか、或いは(ii)シクロアルキル、ヘテロシクロアルキル、アリール、又はヘテロアリールの1つ又は複数の置換可能な炭素原子が、アルキル、ヒドロキシ、カルボキシ、アルコキシ、アルカノイル、ヒドロキシアルキル、カルボキシアルキル、アルコキシアルキル、又はアルカノイルアルキルによって任意選択的に置換されている)
を有する。
[020]またさらなる実施形態によると、組成物は、リン含有光開始剤、ノリッシュI型光開始剤、及び/又はノリッシュII型光開始剤などの特定のタイプのフリーラジカル光開始剤を実質的に欠いている。
[021]またさらなる実施形態によると、組成物はさらに、光増感剤及び/又は還元剤を含む。上記還元剤は、好ましくは、ビニル基に結合した電子供与性置換基、例えば、1分子当たり少なくとも2つのビニル基を含有する多官能性ビニルエーテル化合物である。
[022]特許請求される本発明の第2の態様は、第1の態様に従う組成物のいずれかを利用して、UV/vis光学系を利用する付加造形システムによって3次元物品を形成する方法を説明する。
[023]特許請求される本発明の第3の態様は、本発明の第1の態様の液状放射線硬化性組成物を用いて本発明の第2の態様によって形成される3次元部品である。
[詳細な説明]
[024]本明細書を通して、「UV/vis」は、375ナノメートル(nm)~500ナノメートル(nm)電磁スペクトル領域として定義される。
[024]本明細書を通して、「UV/vis」は、375ナノメートル(nm)~500ナノメートル(nm)電磁スペクトル領域として定義される。
[025]したがって、本明細書を通して、「UV/vis光学系」は、375nm~500nmのピークスペクトル強度で動作する化学放射線を発生させ、そして方向付け/表示する任意の電気、機械、又は電気機械的システムとして定義される。UV/vis光学系の特定の非限定的な例としては、レーザー、LED、DLPディスプレイシステムに結合された1つ又は複数のLED、LCDディスプレイシステムに結合された1つ又は複数のLED、DLPディスプレイシステムに結合されたレーザー、及びLCDディスプレイシステムに結合されたレーザーが挙げられる。
[026]さらに、本明細書で使用される場合、「実質的に欠いている」は、特定の組成物又は成分(文脈により指定される)が、重量による量の特定の物質を事実上全く有さない、例えば0.1wt.%未満、又は0.05wt.%未満、又は好ましくは0.01wt%未満、又は約0.00wt.%の特定の物質を有すると示すことが意図される。
[027]本発明の第1の実施形態は、カチオン硬化性成分及びフリーラジカル硬化性成分を含む放射線硬化性組成物であり、上記組成物はさらに、少なくとも、非フッ素化ボレートアニオンのヨードニウム塩である第1の光開始剤を含む。
[028]第1の態様に従う組成物は、したがって、カチオン硬化性成分、フリーラジカル重合性成分、及び光開始剤を含有する。好ましい実施形態では、上記組成物は、フリーラジカル光開始剤及びカチオン光開始剤の両方を含む。上記組成物はさらに、1つ又は複数の光増感剤、還元剤、及び/又は添加剤を含み得る。
[カチオン硬化性成分]
[029]実施形態によると、本発明の付加造形のための液状放射線硬化性樹脂は、少なくとも1つのカチオン重合性成分、すなわち、カチオンによって又は酸発生体の存在下で開始される重合を受ける成分を含む。カチオン重合性成分はモノマー、オリゴマー、及び/又はポリマーでよく、脂肪族部分、芳香族部分、脂環式部分、アリール脂肪族部分、複素環式部分、及びこれらの任意の組合せを含有し得る。好ましくは、カチオン重合性成分は、少なくとも1つの脂環式化合物を含む。適切な環状エーテル化合物は、側基又は脂環式若しくは複素環式環系の一部を形成する基として環状エーテル基を含むことができる。
[029]実施形態によると、本発明の付加造形のための液状放射線硬化性樹脂は、少なくとも1つのカチオン重合性成分、すなわち、カチオンによって又は酸発生体の存在下で開始される重合を受ける成分を含む。カチオン重合性成分はモノマー、オリゴマー、及び/又はポリマーでよく、脂肪族部分、芳香族部分、脂環式部分、アリール脂肪族部分、複素環式部分、及びこれらの任意の組合せを含有し得る。好ましくは、カチオン重合性成分は、少なくとも1つの脂環式化合物を含む。適切な環状エーテル化合物は、側基又は脂環式若しくは複素環式環系の一部を形成する基として環状エーテル基を含むことができる。
[030]カチオン重合性成分は、環状エーテル化合物、環状アセタール化合物、環状チオエーテル化合物、スピロ-オルトエステル化合物、環状ラクトン化合物、及びこれらの任意の組合せからなる群から選択される。
[031]適切なカチオン重合性成分には、エポキシ化合物及びオキセタンなどの環状エーテル化合物、環状ラクトン化合物、環状アセタール化合物、環状チオエーテル化合物、並びにスピロ-オルトエステル化合物が含まれる。カチオン重合性成分の具体例としては、ビスフェノールAジグリシジルエーテル、ビスフェノールFジグリシジルエーテル、ビスフェノールSジグリシジルエーテル、臭素化ビスフェノールAジグリシジルエーテル、臭素化ビスフェノールFジグリシジルエーテル、臭素化ビスフェノールSジグリシジルエーテル、エポキシノボラック樹脂、水素化ビスフェノールAジグリシジルエーテル、水素化ビスフェノールFジグリシジルエーテル、水素化ビスフェノールSジグリシジルエーテル、3,4-エポキシシクロヘキシルメチル-3’,4’-エポキシシクロヘキサンカルボキシレート、2-(3,4-エポキシシクロヘキシル-5,5-スピロ-3,4-エポキシ)-シクロヘキサン-1,4-ジオキサン、ビス(3,4-エポキシシクロヘキシルメチル)アジペート、ビニルシクロヘキセンオキシド、4-ビニルエポキシシクロヘキサン、ビニルシクロヘキセンジオキシド、リモネンオキシド、リモネンジオキシド、ビス(3,4-エポキシ-6-メチルシクロヘキシルメチル)アジペート、3,4-エポキシ-6-メチルシクロヘキシル-3’,4’-エポキシ-6’-メチルシクロヘキサンカルボキシレート、ε-カプロラクトン修飾3,4-エポキシシクロヘキシルメチル-3’,4’-エポキシシクロヘキサンカルボキシレート、トリメチルカプロラクトン修飾3,4-エポキシシクロヘキシルメチル-3’,4’-エポキシシクロヘキサンカルボキシレート、β-メチル-δ-バレロラクトン修飾3,4-エポキシシクロヘキシルメチル-3’,4’-エポキシシクロヘキサンカルボキシレート、メチレンビス(3,4-エポキシシクロヘキサン)、ビシクロヘキシル-3,3’-エポキシド、-O-、-S-、-SO-、-SO2-、-C(CH3)2-、-CBr2-、-C(CBr3)2-、-C(CF3)2-、-C(CCl3)2-又は-CH(C6H5)-の連結を有するビス(3,4-エポキシシクロヘキシル)、ジシクロペンタジエンジエポキシド、エチレングリコールのジ(3,4-エポキシシクロヘキシルメチル)エーテル、エチレンビス(3,4-エポキシシクロヘキサンカルボキシレート)、エポキシヘキサヒドロジオクチルフタレート、エポキシヘキサヒドロ-ジ-2-エチルヘキシルフタレート、1,4-ブタンジオールジグリシジルエーテル、1,6-ヘキサンジオールジグリシジルエーテル、ネオペンチルグリコールジグリシジルエーテル、グリセロールトリグリシジルエーテル、トリメチロールプロパントリグリシジルエーテル、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル、ポリプロピレングリコールジグリシジルエーテル、脂肪族長鎖二塩基酸のジグリシジルエステル、脂肪族高級アルコールのモノグリシジルエーテル、フェノール、クレゾール、ブチルフェノール、又はポリエーテルアルコールのモノグリシジルエーテル(これらの化合物へのアルキレンオキシドの付加により得られる)、高級脂肪酸のグリシジルエステル、エポキシ化大豆油、エポキシブチルステアリン酸、エポキシオクチルステアリン酸、エポキシ化アマニ油、エポキシ化ポリブタジエン、1,4-ビス[(3-エチル-3-オキセタニルメトキシ)メチル]ベンゼン、3-エチル-3-ヒドロキシメチルオキセタン、3-エチル-3-(3-ヒドロキシプロピル)オキシメチルオキセタン、3-エチル-3-(4-ヒドロキシブチル)オキシメチルオキセタン、3-エチル-3-(5-ヒドロキシペンチル)オキシメチルオキセタン、3-エチル-3-フェノキシメチルオキセタン、ビス((1-エチル(3-オキセタニル))メチル)エーテル、3-エチル-3-((2-エチルヘキシルオキシ)メチル)オキセタン、3-エチル-((トリエトキシシリルプロポキシメチル)オキセタン、3-(メタ)-アリルオキシメチル-3-エチルオキセタン、3-ヒドロキシメチル-3-エチルオキセタン、(3-エチル-3-オキセタニルメトキシ)メチルベンゼン、4-フルオロ-[1-(3-エチル-3-オキセタニルメトキシ)メチル]ベンゼン、4-メトキシ-[1-(3-エチル-3-オキセタニルメトキシ)メチル]-ベンゼン、[1-(3-エチル-3-オキセタニルメトキシ)エチル]フェニルエーテル、イソブトキシメチル(3-エチル-3-オキセタニルメチル)エーテル、2-エチルヘキシル(3-エチル-3-オキセタニルメチル)エーテル、エチルジエチレングリコール(3-エチル-3-オキセタニルメチル)エーテル、ジシクロペンタジエン(3-エチル-3-オキセタニルメチル)エーテル、ジシクロペンテニルオキシエチル(3-エチル-3-オキセタニルメチル)エーテル、ジシクロペンテニル(3-エチル-3-オキセタニルメチル)エーテル、テトラヒドロフルフイル(tetrahydrofurfuyl)(3-エチル-3-オキセタニルメチル)エーテル、2-ヒドロキシエチル(3-エチル-3-オキセタニルメチル)エーテル、2-ヒドロキシプロピル(3-エチル-3-オキセタニルメチル)エーテル、及びこれらの任意の組合せが挙げられる。
[032]カチオン重合性成分は、任意選択的に、エポキシ又はオキセタン官能基を有する樹状ポリマー、例えば、デンドリマー、線状樹状ポリマー、デンドリグラフトポリマー、超分枝ポリマー、星型分枝ポリマー、及びハイパーグラフトポリマーを含む多官能性材料も含有し得る。樹状ポリマーは、1つのタイプの重合性官能基又は種々のタイプの重合性官能基、例えばエポキシ及びオキセタン官能基を含有し得る。
[033]実施形態において、本発明の組成物は、1つ又は複数の、脂肪族アルコール、脂肪族ポリオール、ポリエステルポリオール又はポリエーテルポリオールのモノ又はポリグリシジルエーテルも含む。好ましい成分の例としては、1,4-ブタンジオールジグリシジルエーテル、分子量約200~約10,000のポリオキシエチレン及びポリオキシプロピレングリコール及びトリオールのグリシジルエーテル;ポリテトラメチレングリコール又はポリ(オキシエチレン-オキシブチレン)ランダム若しくはブロックコポリマーのグリシジルエーテルが挙げられる。特有の実施形態では、カチオン重合性成分は、分子中にシクロヘキサン環を欠いている多官能性グリシジルエーテルを含む。別の特有の実施形態では、カチオン重合性成分は、ネオペンチルグリコールジグリシジルエーテルを含む。別の特有の実施形態では、カチオン重合性成分は、1,4シクロヘキサンジメタノールジグリシジルエーテルを含む。
[034]市販の好ましい多官能性グリシジルエーテルの例は、ErisysTMGE 22(ErisysTM製品は、Emerald Performance MaterialsTMから入手可能である)、HeloxyTM48、HeloxyTM67、HeloxyTM68、HeloxyTM107(HeloxyTM調節剤は、Momentive Specialty Chemicalsから入手可能である)、及びGrilonit(登録商標)F713である。市販の好ましい単官能性グリシジルエーテルの例は、HeloxyTM71、HeloxyTM505、HeloxyTM7、HeloxyTM8、及びHeloxyTM61である。
[035]実施形態において、エポキシドは、3,4-エポキシシクロヘキシルメチル-3’,4-エポキシシクロヘキサンカルボキシレート(Daicel ChemicalからCELLOXIDETM2021Pとして、又はDow ChemicalからCYRACURETMUVR-6105として入手可能)、水素化ビスフェノールA-エピクロロヒドリン系エポキシ樹脂(MomentiveからEPONTM1510として入手可能)、1,4-シクロヘキサンジメタノールジグリシジルエーテル(MomentiveからHELOXYTM107として入手可能)、水素化ビスフェノールAジグリシジルエーテル(MomentiveからEPONTM825として入手可能)、ジシクロヘキシルジエポキシド及びナノシリカの混合物(NANOPOXTMとして入手可能)、並びにこれらの任意の組合せである。
[036]特有の実施形態では、カチオン重合性成分は、脂環式エポキシ、例えば以下の式I:
(式中、Rは、炭素原子、エステル含有C1~C10脂肪族鎖、又はC1~C10アルキル鎖である)
に従う2つ又は3つ以上のエポキシ基を有する脂環式エポキシを含む。
(式中、Rは、炭素原子、エステル含有C1~C10脂肪族鎖、又はC1~C10アルキル鎖である)
に従う2つ又は3つ以上のエポキシ基を有する脂環式エポキシを含む。
[037]別の特有の実施形態では、カチオン重合性成分は、2つ(二官能性)又は3つ以上(多官能性)のエポキシ基を有する芳香族又は脂肪族グリシジルエーテル基を有するエポキシを含む。
[038]上述のカチオン重合性化合物は、単独で又はこれらの2つ以上を組み合わせて使用することができる。本発明の実施形態において、カチオン重合性成分はさらに、少なくとも2つの異なるエポキシ成分を含む。
[039]本発明の他の実施形態では、カチオン重合性成分は、オキセタン成分も含む。特有の実施形態では、カチオン重合性成分は、オキセタン、例えば、1、2又は3つ以上のオキセタン基を含有するオキセタンを含む。別の実施形態では、使用されるオキセタンは単官能性であり、さらにヒドロキシル基を有する。実施形態によると、オキセタンは、以下の構造:
を有する。
を有する。
[040]組成物において利用する場合、オキセタン成分は、樹脂組成物の約5~約50wt%の適切な量で存在する。別の実施形態では、オキセタン成分は、樹脂組成物の約10~約25wt%の量で存在し、さらに別の実施形態では、オキセタン成分は、樹脂組成物の20~約30wt%の量で存在する。
[041]付加造形のための液状放射線硬化性樹脂は、したがって、適切な量、例えば、特定の実施形態では、重量により樹脂組成物の約10~約80%の量、さらなる実施形態では樹脂組成物の約20~約70wt%、さらなる実施形態では樹脂組成物の約25~約65wt%、さらに好ましい実施形態では樹脂組成物の約30~約80wt%、より好ましくは約50~約85wt%のカチオン硬化性成分を含むことができる。
[フリーラジカル硬化性成分]
[042]本発明の実施形態によると、本発明の付加造形のための液状放射線硬化性樹脂は、少なくとも1つのフリーラジカル硬化性成分、すなわちフリーラジカルにより開始される重合を受ける成分を含む。フリーラジカル重合性成分はモノマー、オリゴマー、及び/又はポリマーであり、これらは単官能性又は多官能性材料であり、すなわち、フリーラジカル開始により重合することができる1、2、3、4、5、6、7、8、9、10...20...30...40...50...100、又はそれ以上の官能基を有し、脂肪族部分、芳香族部分、脂環式部分、アリール脂肪族部分、複素環式部分、又はこれらの任意の組合せを含有し得る。多官能性材料の例としては、樹状ポリマー、例えば、デンドリマー、線状樹状ポリマー、デンドリグラフトポリマー、超分枝ポリマー、星型分枝ポリマー、及びハイパーグラフトポリマーが挙げられ、例えば、米国特許出願公開第2009/0093564A1号明細書を参照されたい。樹状ポリマーは、1つのタイプの重合性官能基又は種々のタイプの重合性官能基、例えばアクリレート及びメタクリレート官能基を含有し得る。
[042]本発明の実施形態によると、本発明の付加造形のための液状放射線硬化性樹脂は、少なくとも1つのフリーラジカル硬化性成分、すなわちフリーラジカルにより開始される重合を受ける成分を含む。フリーラジカル重合性成分はモノマー、オリゴマー、及び/又はポリマーであり、これらは単官能性又は多官能性材料であり、すなわち、フリーラジカル開始により重合することができる1、2、3、4、5、6、7、8、9、10...20...30...40...50...100、又はそれ以上の官能基を有し、脂肪族部分、芳香族部分、脂環式部分、アリール脂肪族部分、複素環式部分、又はこれらの任意の組合せを含有し得る。多官能性材料の例としては、樹状ポリマー、例えば、デンドリマー、線状樹状ポリマー、デンドリグラフトポリマー、超分枝ポリマー、星型分枝ポリマー、及びハイパーグラフトポリマーが挙げられ、例えば、米国特許出願公開第2009/0093564A1号明細書を参照されたい。樹状ポリマーは、1つのタイプの重合性官能基又は種々のタイプの重合性官能基、例えばアクリレート及びメタクリレート官能基を含有し得る。
[043]フリーラジカル硬化性又は重合性成分の例としては、アクリレート及びメタクリレート、例えば、イソボルニル(メタ)アクリレート、ボルニル(メタ)アクリレート、トリシクロデカニル(メタ)アクリレート、ジシクロペンタニル(メタ)アクリレート、ジシクロペンテニル(メタ)アクリレート、シクロヘキシル(メタ)アクリレート、ベンジル(メタ)アクリレート、4-ブチルシクロヘキシル(メタ)アクリレート、アクリロイルモルホリン、(メタ)アクリル酸、2-ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2-ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、2-ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート、メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、プロピル(メタ)アクリレート、イソプロピル(メタ)アクリレート、ブチル(メタ)アクリレート、アミル(メタ)アクリレート、イソブチル(メタ)アクリレート、t-ブチル(メタ)アクリレート、ペンチル(メタ)アクリレート、カプロラクトンアクリレート、イソアミル(メタ)アクリレート、ヘキシル(メタ)アクリレート、ヘプチル(メタ)アクリレート、オクチル(メタ)アクリレート、イソオクチル(メタ)アクリレート、2-エチルヘキシル(メタ)アクリレート、ノニル(メタ)アクリレート、デシル(メタ)アクリレート、イソデシル(メタ)アクリレート、トリデシル(メタ)アクリレート、ウンデシル(メタ)アクリレート、ラウリル(メタ)アクリレート、ステアリル(メタ)アクリレート、イソステアリル(メタ)アクリレート、テトラヒドロフルフリル(メタ)アクリレート、ブトキシエチル(メタ)アクリレート、エトキシジエチレングリコール(メタ)アクリレート、ベンジル(メタ)アクリレート、フェノキシエチル(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコールモノ(メタ)アクリレート、メトキシエチレングリコール(メタ)アクリレート、エトキシエチル(メタ)アクリレート、メトキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレート、メトキシポリプロピレングリコール(メタ)アクリレート、ジアセトン(メタ)アクリルアミド、ベータ-カルボキシエチル(メタ)アクリレート、フタル酸(メタ)アクリレート、ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート、ジエチルアミノエチル(メタ)アクリレート、ブチルカルバミルエチル(メタ)アクリレート、n-イソプロピル(メタ)アクリルアミド フッ素化(メタ)アクリレート、7-アミノ-3,7-ジメチルオクチル(メタ)アクリレートが挙げられる。
[044]多官能性フリーラジカル重合性成分の例としては、(メタ)アクリロイル基を有するもの、例えば、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ペンタエリトリトール(メタ)アクリレート、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ビスフェノールAジグリシジルエーテルジ(メタ)アクリレート、ジシクロペンタジエンジメタノールジ(メタ)アクリレート、[2-[1,1-ジメチル-2-[(1-オキソアリル)オキシ]エチル]-5-エチル-1,3-ジオキサン-5-イル]メチルアクリレート;3,9-ビス(1,1-ジメチル-2-ヒドロキシエチル)-2,4,8,10-テトラオキサスピロ[5.5]ウンデカンジ(メタ)アクリレート;ジペンタエリトリトールモノヒドロキシペンタ(メタ)アクリレート、プロポキシル化トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、プロポキシル化ネオペンチルグリコールジ(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、ポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、1,4-ブタンジオールジ(メタ)アクリレート、1,6-ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート、ポリブタンジオールジ(メタ)アクリレート、トリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、グリセロールトリ(メタ)アクリレート、リン酸モノ及びジ(メタ)アクリレート、C7~C20アルキルジ(メタ)アクリレート、トリス(2-ヒドロキシエチル)イソシアヌレートトリ(メタ)アクリレート、トリス(2-ヒドロキシエチル)イソシアヌレートジ(メタ)アクリレート、ペンタエリトリトールトリ(メタ)アクリレート、ペンタエリトリトールテトラ(メタ)アクリレート、ジペンタエリトリトールヘキサ(メタ)アクリレート、トリシクロデカンジイルジメチルジ(メタ)アクリレート、及び前述のモノマーのいずれかのアルコキシル化物(例えば、エトキシル化及び/又はプロポキシル化物)、さらにはビスフェノールAへのエチレンオキシド又はプロピレンオキシド付加生成物であるジオールのジ(メタ)アクリレート、水素化ビスフェノールAへのエチレンオキシド又はプロピレンオキシド付加生成物であるジオールのジ(メタ)アクリレート、ジグリシジルエーテルのビスフェノールAへの(メタ)アクリレート付加生成物であるエポキシ(メタ)アクリレート、ポリオキシアルキル化ビスフェノールAのジアクリレート、及びトリエチレングリコールジビニルエーテル、並びにヒドロキシエチルアクリレートの付加生成物が挙げられる。
[045]実施形態によると、ラジカル重合性成分は多官能性(メタ)アクリレートである。多官能性(メタ)アクリレートは、全てメタクリロイル基、全てアクリロイル基、又はメタクリロイル及びアクリロイル基の任意の組合せを含み得る。実施形態において、フリーラジカル重合性成分は、ビスフェノールAジグリシジルエーテルジ(メタ)アクリレート、エトキシル化又はプロポキシル化ビスフェノールA又はビスフェノールFジ(メタ)アクリレート、ジシクロペンタジエンジメタノールジ(メタ)アクリレート、[2-[1,1-ジメチル-2-[(1-オキソアリル)オキシ]エチル]-5-エチル-1,3-ジオキサン-5-イル]メチルアクリレート、ジペンタエリトリトールモノヒドロキシペンタ(メタ)アクリレート、ジペンタエリトリトールペンタ(メタ)アクリレート、ジペンタエリトリトールヘキサ(メタ)クリレート(crylate)、プロポキシル化トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、及びプロポキシル化ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート、並びにこれらの任意の組合せからなる群から選択される。
[046]実施形態において、多官能性(メタ)アクリレートは、3つ以上の官能基を有する。別の実施形態によると、多官能性(メタ)アクリレートは、4つ以上の官能基を有する。さらに別の実施形態では、多官能性(メタ)アクリレートは、5つ以上の官能基を有する。別の好ましい実施形態では、ラジカル重合性成分は、排他的に、単一の多官能性(メタ)アクリレート成分からなる。さらなる実施形態では、排他的なラジカル重合性成分は四官能性であり、さらなる実施形態では、排他的なラジカル重合性成分は五官能性であり、さらなる実施形態では、排他的なラジカル重合性成分は六官能性である。
[047]別の実施形態では、フリーラジカル重合性成分は芳香族(メタ)アクリレートを含有する。芳香族アクリレートは、非限定的な例として、ビスフェノールA、ビスフェノールS、又はビスフェノールFから誘導され得る。特定の実施形態では、芳香族は、ビスフェノールAジグリシジルエーテルジアクリレート、ジシクロペンタジエンジメタノールジアクリレート、[2-[1,1-ジメチル-2-[(1-オキソアリル)オキシ]エチル]-5-エチル-1,3-ジオキサン-5-イル]メチルアクリレート、ジペンタエリトリトールモノヒドロキシペンタアクリレート、プロポキシル化トリメチロールプロパントリアクリレート、及びプロポキシル化ネオペンチルグリコールジアクリレート、並びにこれらの任意の組合せからなる群から選択される。実施形態において、芳香族(メタ)アクリレートは二官能性である。
[048]特有の実施形態では、本発明の付加造形のための液状放射線硬化性樹脂は、ビスフェノールAジグリシジルエーテルジ(メタ)アクリレート、ジシクロペンタジエンジメタノールジ(メタ)アクリレート、ジペンタエリトリトールモノヒドロキシペンタ(メタ)アクリレート、プロポキシル化トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、及び/又はプロポキシル化ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレートのうちの1つ又は複数、より具体的には、ビスフェノールAジグリシジルエーテルジアクリレート、ジシクロペンタジエンジメタノールジアクリレート、ジペンタエリトリトールペンタアクリレート、プロポキシル化トリメチロールプロパントリアクリレート、及び/又はプロポキシル化ネオペンチルグリコールジアクリレートのうちの1つ又は複数を含む。
[049]上述のラジカル重合性化合物は、単独で又はこれらの2つ以上を組み合わせて使用することができる。付加造形用の液状放射線硬化性樹脂は、任意の適切な量、例えば、特定の実施形態では、樹脂組成物の約50wt%まで、特定の実施形態では、樹脂組成物の約2~約40wt%、他の実施形態では、約5~約30wt%、さらなる実施形態では、樹脂組成物の約10~約20wt%、またさらに好ましい実施形態では、約8~約50wt%、より好ましくは樹脂組成物の約15~約25wt%の量のフリーラジカル重合性成分を含むことができる。
[光開始剤]
[050]本発明に従う実施形態において、組成物は少なくとも1つの光開始剤を含む。光開始剤は、光の作用(又は光の作用と増感色素の電子励起との間の相乗効果)により化学的に変化して、ラジカル、酸、及び塩基の少なくとも1つを生じる化合物であり、その後、そのラジカル、酸、及び/又は塩基は、対応する組成物中に存在する重合性物質の1つ又は複数において重合反応をもたらす。本発明の第1の態様の実施形態によると、組成物は、フリーラジカル硬化性成分、カチオン硬化性成分、又はこのような成分の両方において重合をもたらすのに有用な光開始剤を含む。
[050]本発明に従う実施形態において、組成物は少なくとも1つの光開始剤を含む。光開始剤は、光の作用(又は光の作用と増感色素の電子励起との間の相乗効果)により化学的に変化して、ラジカル、酸、及び塩基の少なくとも1つを生じる化合物であり、その後、そのラジカル、酸、及び/又は塩基は、対応する組成物中に存在する重合性物質の1つ又は複数において重合反応をもたらす。本発明の第1の態様の実施形態によると、組成物は、フリーラジカル硬化性成分、カチオン硬化性成分、又はこのような成分の両方において重合をもたらすのに有用な光開始剤を含む。
[051](適切な波長及び/又は強度の光にさらされたときに)フリーラジカル硬化性成分の重合をもたらすことができる光開始剤はフリーラジカル光開始剤である。(適切な波長及び/又は強度の光にさらされたときに)カチオン硬化性成分の重合をもたらすことができる光開始剤はカチオン光開始剤である。特定の光開始剤はフリーラジカル光開始剤及びカチオン光開始剤の両方としての機能を果たし得るが、通常、少なくとも2つの異なる光開始剤がこのために使用される。実施形態によると、液状放射線硬化性樹脂組成物は、カチオン開始官能基を有する少なくとも1つの光開始剤と、フリーラジカル開始官能基を有する少なくとも1つの光開始剤とを含有する光開始系を含む。別の実施形態では、光開始系は、同一分子上にフリーラジカル開始官能基及びカチオン開始官能基の両方を含有する光開始剤を含むことができる。
[052]実施形態において、本発明の付加造形のための液状放射線硬化性樹脂は、フリーラジカル光開始剤を含む。通常、フリーラジカル光開始剤は、ノリッシュI型又はII型機構のいずれかによってラジカルを形成するものを含む。このような機構は、本発明が適用される技術分野においてよく知られており、例えば、Parikh,A.,Parikh,H.,& Parikh,K.(2006).Norrish Type I and II Reaction(Cleavage).In Name Reactions in Organic Synthesis(pp.325-329).Foundation Booksに記載されている。このような光開始剤は、「ノリッシュI型」として知られている開裂によりラジカルを形成するものと、「ノリッシュII型」として知られている水素引抜きによりラジカルを形成するものとを含む。ノリッシュII型光開始剤は、フリーラジカル源としての機能を果たす水素供与体を必要とする。開始は二分子反応に基づくので、ノリッシュII型光開始剤は一般に、ラジカルの単分子形成に基づくノリッシュI型光開始剤よりも遅い。一方、ノリッシュII型光開始剤は、近UV分光領域においてより良好な光吸収特性を有する。アルコール、アミン、又はチオールなどの水素供与体の存在下におけるベンゾフェノン、チオキサントン、ベンジル、及びキノンなどの芳香族ケトンの光分解は、カルボニル化合物から生じるラジカル(ケチル型ラジカル)及び水素供与体から誘導される別のラジカルの形成をもたらす。ビニルモノマーの光重合は通常、水素供与体から生じるラジカルによって開始される。ケチルラジカルは通常、立体障害及び不対電子の非局在化のために、ビニルモノマーに対して反応性ではない。
[053]本発明者らは、現在、フリーラジカル重合を促進するため、特に、UV/vis光源を利用する付加造形プロセスにおける放射線硬化性組成物の重合を促進するために使用するのに適した全ての化合物が、上述の2つの分類のいずれかにおいて特徴付けできるとは限らないことを見出した。本発明者らの驚いたことに、いくつかの光開始剤は、ノリッシュI型又はII型機構を利用しないにもかかわらず、フリーラジカル重合を(及び潜在的にカチオン重合も)促進するのに効果的である。この具体的な例としては、特定のヨードニウム塩、好ましくは非フッ素化ボレートアニオンのヨードニウム塩が挙げられる。本明細書で使用される場合、「非フッ素化」は、フッ素原子を含有しないことを意味する。非フッ素化であることに加え、ヨードニウム塩化合物のアニオンは、好ましくは、非ハロゲン化でもある。本明細書で使用される場合、「非ハロゲン化」は、どのハロゲン族原子も含有しないことを意味する。
[054]付加造形のための液状放射線硬化性樹脂をうまく配合するために、当然ながら、硬化光を提供するように選択された放射線源によって活性化されることになるかどうかを決定するために、樹脂組成物中に存在する光開始剤の波長感度を再調査することが必要である。
[055]しかしながら、実施形態において、組成物は、以下の構造:
[056](式中、R1~R4は、アルキル、アルケニル、アルキニル、シクロアルキル、ヘテロシクロアルキル、アリール、及びヘテロアリールからなる群から独立して選択され、さらに、(i)アルキル、アルケニル、又はアルキニルの1つ又は複数の置換可能な炭素原子が、ヒドロキシ、カルボキシ、アルコキシ、アルカノイル、ヒドロキシアルキル、カルボキシアルキル、アルコキシアルキル、又はアルカノイルアルキルによって任意選択的に置換されているか、或いは(ii)シクロアルキル、ヘテロシクロアルキル、アリール、又はヘテロアリールの1つ又は複数の置換可能な炭素原子が、アルキル、ヒドロキシ、カルボキシ、アルコキシ、アルカノイル、ヒドロキシアルキル、カルボキシアルキル、アルコキシアルキル、又はアルカノイルアルキルによって任意選択的に置換されている)
のヨードニウム塩光開始剤を含む。
[056](式中、R1~R4は、アルキル、アルケニル、アルキニル、シクロアルキル、ヘテロシクロアルキル、アリール、及びヘテロアリールからなる群から独立して選択され、さらに、(i)アルキル、アルケニル、又はアルキニルの1つ又は複数の置換可能な炭素原子が、ヒドロキシ、カルボキシ、アルコキシ、アルカノイル、ヒドロキシアルキル、カルボキシアルキル、アルコキシアルキル、又はアルカノイルアルキルによって任意選択的に置換されているか、或いは(ii)シクロアルキル、ヘテロシクロアルキル、アリール、又はヘテロアリールの1つ又は複数の置換可能な炭素原子が、アルキル、ヒドロキシ、カルボキシ、アルコキシ、アルカノイル、ヒドロキシアルキル、カルボキシアルキル、アルコキシアルキル、又はアルカノイルアルキルによって任意選択的に置換されている)
のヨードニウム塩光開始剤を含む。
[057]実施形態において、R1~R4は、1つ又は複数の置換可能な炭素原子においてアルキル又はアルコキシによって任意選択的に置換されたアリールラジカルから独立して選択される。より具体的には、R1~R4は、アルキル又はアルコキシ基によって任意選択的に独立して置換されたフェニル基であってもよく、ここで、アルキル又はアルコキシ基のアルキル部分は1~10個の炭素原子を含有する。
[059]上述の非フッ素化ボレートアニオンのヨードニウム塩のカチオンは、任意の適切なタイプであり得る。実施形態において、ヨードニウム塩は、ジアリールヨードニウムカチオンを有する。実施形態において、カチオンは、アルキル又はアルコキシ基によって任意選択的に置換された2つのフェニルラジカルを有するジフェニルヨードニウム塩であり、ここで、アルキル又はアルコキシ基のアルキル部分は1~10個の炭素原子を有する。
[061]実施形態において、光開始剤は、ビス4-クミルヨードニウムテトラフェニルボレート又はビス4-tert-ブチルヨードニウムテトラフェニルボレートを含む。このような化合物は、Hampford ResearchからそれぞれFP5041及びFP5028として市販されている。
[062]本発明者らは、光開始剤が上記のヨードニウム塩光開始剤の1つ又は複数を含む、からなる、又はから本質的になる場合に、UV/光学系を使用する光源を利用する付加造形システムに放射線硬化性組成物がさらされると、フリーラジカル及び/又はカチオン重合が最大化され得ることを発見した。本発明者らはさらに、驚くべきことに、他のより周知のフリーラジカル光開始剤のさらなる添加によって、重合効力が改善されない(さらには阻害される)可能性があることを発見した。したがって、実施形態において、第1の態様に従う組成物は、あらゆるノリッシュI型光開始剤を実質的に欠いている。別の実施形態では、組成物は、付加的又は代替的に、あらゆるノリッシュII型光開始剤を欠いている。実施形態において、組成物は、約0.1wt%未満、又は約0.05wt%未満、又は約0.01wt%未満、又は約0.00wt.%の重量による量のノリッシュI型及び/又はノリッシュII型光開始剤を含有する。
[063]実施形態によると、付加造形用の液状放射線硬化性樹脂は、少なくとも1つのフリーラジカル光開始剤、例えば、ベンゾイルホスフィンオキシド、アリールケトン、ベンゾフェノン、ヒドロキシル化ケトン、1-ヒドロキシフェニルケトン、ケタール、メタロセン、及びこれらの任意の組合せからなる群から選択されるものを含む。
[064]それにもかかわらず、いくつかの実施形態において、組成物は、さらなるフリーラジカル光開始剤を有し得る。実施形態において、付加造形用の液状放射線硬化性樹脂はさらに、例えば、2,4,6-トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキシド及び2,4,6-トリメチルベンゾイルフェニル、エトキシホスフィンオキシド、ビス(2,4,6-トリメチルベンゾイル)-フェニルホスフィンオキシド、2-メチル-1-[4-(メチルチオ)フェニル]-2-モルホリノプロパノン-1,2-ベンジル-2-(ジメチルアミノ)-1-[4-(4-モルホリニル)フェニル]-1-ブタノン、2-ジメチルアミノ-2-(4-メチル-ベンジル)-1-(4-モルホリン-4-イル-フェニル)-ブタン-1-オン、4-ベンゾイル-4’-メチルジフェニルスルフィド、4,4’-ビス(ジエチルアミノ)ベンゾフェノン、及び4,4’-ビス(N,N’-ジメチルアミノ)ベンゾフェノン(ミヒラーケトン)、ベンゾフェノン、4-メチルベンゾフェノン、2,4,6-トリメチルベンゾフェノン、ジメトキシベンゾフェノン、1-ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、フェニル(1-ヒドロキシイソプロピル)ケトン、2-ヒドロキシ-1-[4-(2-ヒドロキシエトキシ)フェニル]-2-メチル-1-プロパノン、4-イソプロピルフェニル(1-ヒドロキシイソプロピル)ケトン、オリゴ-[2-ヒドロキシ-2-メチル-1-[4-(1-メチルビニル)フェニル]プロパノン]、カンファーキノン、4,4’-ビス(ジエチルアミノ)ベンゾフェノン、又はベンジルジメチルケタール、ビス(イータ5-2-4-シクロペンタジエン-1-イル)ビス[2,6-ジフルオロ-3-(1H-ピロール-1-イル)フェニル]チタン、並びにこれらの任意の組合せであるがこれらに限定されない、少なくとも1つのフリーラジカル光開始剤を含む。
[065]300~475nmの波長範囲で発光する光源、特に、365nm、390nm、又は395nmで発光するものについて、この領域で吸収する潜在的に適切なフリーラジカル光開始剤の例としては、ベンゾイルホスフィンオキシド、例えば、2,4,6-トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキシド(BASFからのLucirin TPO)及び2,4,6-トリメチルベンゾイルフェニル,エトキシホスフィンオキシド(BASFからのLucirin TPO-L)、ビス(2,4,6-トリメチルベンゾイル)-フェニルホスフィンオキシド(CibaからのIrgacure 819又はBAPO)、2-メチル-1-[4-(メチルチオ)フェニル]-2-モルホリノプロパノン-1(CibaからのIrgacure 907)、2-ベンジル-2-(ジメチルアミノ)-1-[4-(4-モルホリニル)フェニル]-1-ブタノン(CibaからのIrgacure 369)、2-ジメチルアミノ-2-(4-メチル-ベンジル)-1-(4-モルホリン-4-イル-フェニル)-ブタン-1-オン(CibaからのIrgacure 379)、4-ベンゾイル-4’-メチルジフェニルスルフィド(ChitecからのChivacure BMS)、4,4’-ビス(ジエチルアミノ)ベンゾフェノン(ChitecからのChivacure EMK)、並びに4,4’-ビス(N,N’-ジメチルアミノ)ベンゾフェノン(ミヒラーケトン)が挙げられる。またこれらの混合物も適している。
[066]本発明の実施形態によると、フリーラジカル光開始剤はさらに、アシルホスフィンオキシド光開始剤を含み得る。アシルホスフィンオキシド光開始剤は、例えば、米国特許第4,324,744号明細書、同第4,737,593号明細書、同第5,942,290号明細書、同第5,534,559号明細書、同第6,020,528号明細書、同第6,486,228号明細書、及び同第6,486,226号明細書に開示されている。アシルホスフィンオキシド光開始剤は、ビスアシルホスフィンオキシド(BAPO)及びモノアシルホスフィンオキシド(MAPO)を含む。一般的に、アシルホスフィンオキシド光開始剤は光照射時にホスフィノイルラジカルの良好な非局在化を有するので、これらはUV/vis光学系と共に使用するのに好ましいが、非フッ素化ボレートアニオンのヨードニウム塩光開始剤が使用される場合、このようなリン含有光開始剤は必ずしも必要とされず、硬化をあまり又はさらには全く促進し得ない。したがって、実施形態において、組成物はフリーラジカルリン含有光開始剤を実質的に欠いているか、或いは約0.1wt%未満、好ましくは約0.05wt%未満、又は好ましくは約0.01wt%未満、又は約0.00wt.%の重量による量のフリーラジカルリン含有光開始剤を含有する。
[067]付加造形のための液状放射線硬化性樹脂は、任意の適切な量、例えば、特定の実施形態では、樹脂組成物の約10wt%までの量、特定の実施形態では、樹脂組成物の約0.1~約10wt%、さらなる実施形態では、樹脂組成物の約1~約6wt%の本明細書に記載されるフリーラジカル光開始剤を含むことができる。
[068]いくつかの実施形態によると、液状放射線硬化性樹脂組成物はカチオン光開始剤を含む。カチオン光開始剤は、光が照射されるとカチオン開環重合を開始させる。好ましい実施形態では、カチオン光開始剤は、ヨードニウム塩系カチオン光開始剤を含む、からなる、又はから本質的になる。
[069]実施形態において、任意の適切なヨードニウム系カチオン光開始剤、例えば、ジアリールヨードニウム塩、トリアリールヨードニウム塩、芳香族ヨードニウム塩、及びこれらの任意の組合せからなる群から選択されるカチオンを有するものを使用することができる。
[070]別の実施形態では、カチオン光開始剤のカチオンは、芳香族ジアゾニウム塩、芳香族スルホニウム塩、芳香族ヨードニウム塩、メタロセン系化合物、芳香族ホスホニウム塩、アシルスルホニウム塩、及びこれらの任意の組合せからなる群から選択される。別の実施形態では、カチオンは、米国特許第5380923号明細書若しくは米国特許第5047568号明細書などの高分子スルホニウム塩、又は米国特許第7611817号明細書、米国特許第7230122号明細書、米国特許出願公開第2011/0039205号明細書、米国特許出願公開第2009/0182172号明細書、米国特許第7678528号明細書、EP2308865号明細書、国際公開第2010046240号パンフレット、若しくはEP2218715号明細書などの他の芳香族ヘテロ原子含有カチオン及びナフチル-スルホニウム塩である。別の実施形態では、カチオン光開始剤は、トリアリールスルホニウム塩、ジアリールヨードニウム塩、及びメタロセン系化合物、並びにこれらの任意の組合せからなる群から選択される。オニウム塩、例えば、ヨードニウム塩及びスルホニウム塩、並びにフェロセニウム塩は、一般的により熱安定性であるという利点を有する。
[071]特定の実施形態では、カチオン光開始剤は、BF4
-、AsF6
-、SbF6
-、PF6
-、[B(CF3)4]-、B(C6F5)4
-、B[C6H3-3,5(CF3)2]4
-、B(C6H4CF3)4
-、B(C6H3F2)4
-、B[C6F4-4(CF3)]4
-、Ga(C6F5)4
-、[(C6F5)3B-C3H3N2-B(C6F5)3]-、[(C6F5)3B-NH2-B(C6F5)3]-、テトラキス(3,5-ジフルオロ-4-アルキルオキシフェニル)ボレート、テトラキス(2,3,5,6-テトラフルオロ-4-アルキルオキシフェニル)ボレート、ペルフルオロアルキルスルホネート、トリス[(ペルフルオロアルキル)スルホニル]メチド、ビス[(ペルフルオロアルキル)スルホニル]イミド、ペルフルオロアルキルホスフェート、トリス(ペルフルオロアルキル)トリフルオロホスフェート、ビス(ペルフルオロアルキル)テトラフルオロホスフェート、トリス(ペンタフルオロエチル)トリフルオロホスフェート、及び(CH6B11Br6)-、(CH6B11Cl6)-、並びに他のハロゲン化カルボランアニオンからなる群から選択されるアニオンを有する。
[072]他のオニウム塩開始剤及び/又はメタロセン塩についての調査は、“UV Curing,Science and Technology”,(S.P.Pappas編,Technology Marketing Corp.,642 Westover Road,Stamford,Conn.,U.S.A.)“Chemistry & Technology of UV & EB Formulation for Coatings,Inks & Paints”,Vol.3(P.K.T.Oldring編)、又はJ.P.Fouassier,J.Lavelee,“Photoinitiators for polymer synthesis”Wiley 2012 ISBN978-3-527-33210-6において見出すことができる。
[073]実施形態において、カチオン光開始剤は、少なくとも、SbF6
-、PF6
-、B(C6F5)4
-、[B(CF3)4]-、テトラキス(3,5-ジフルオロ-4-メトキシフェニル)ボレート、ペルフルオロアルキルスルホネート、ペルフルオロアルキルホスフェート、トリス[(ペルフルオロアルキル)スルホニル]メチド、及び[(C2F5)3PF3]-からなる群から選択されるアニオンと共に、芳香族スルホニウム塩、芳香族ヨードニウム塩、及びメタロセン系化合物からなる群から選択されるカチオンを有する。
[074]既知のカチオン光開始剤の例としては、4-[4-(3-クロロベンゾイル)フェニルチオ]フェニルビス(4-フルオロフェニル)スルホニウムヘキサフルオロアンチモネート、4-[4-(3-クロロベンゾイル)フェニルチオ]フェニルビス(4-フルオロフェニル)スルホニウムテトラキス(ペンタフルオロフェニル)ボレート、4-[4-(3-クロロベンゾイル)フェニルチオ]フェニルビス(4-フルオロフェニル)スルホニウムテトラキス(3,5-ジフルオロ-4-メチルオキシフェニル)ボレート、4-[4-(3-クロロベンゾイル)フェニルチオ]フェニルビス(4-フルオロフェニル)スルホニウムテトラキス(2,3,5,6-テトラフルオロ-4-メチルオキシフェニル)ボレート、トリス(4-(4-アセチルフェニル)チオフェニル)スルホニウムテトラキス(ペンタフルオロフェニル)ボレート(BASFからのIrgacure(登録商標)PAG 290)、トリス(4-(4-アセチルフェニル)チオフェニル)スルホニウムトリス[(トリフルオロメチル)スルホニル]メチド(BASFからのIrgacure(登録商標)GSID 26-1)、トリス(4-(4-アセチルフェニル)チオフェニル)スルホニウムヘキサフルオロホスフェート(BASFからのIrgacure(登録商標)270)、及びSan-Apro Ltd.から入手可能なHS-1が挙げられる。
[075]既知のカチオン光開始剤は、ビス[4-ジフェニルスルホニウムフェニル]スルフィドビスヘキサフルオロアンチモネート;チオフェノキシフェニルスルホニウムヘキサフルオロアンチモネート(ChitecからChivacure 1176として入手可能)、トリス(4-(4-アセチルフェニル)チオフェニル)スルホニウムテトラキス(ペンタフルオロフェニル)ボレート(BASFからのIrgacure(登録商標)PAG 290)、トリス(4-(4-アセチルフェニル)チオフェニル)スルホニウムトリス[(トリフルオロメチル)スルホニル]メチド(BASFからのIrgacure(登録商標)GSID 26-1)、及びトリス(4-(4-アセチルフェニル)チオフェニル)スルホニウムヘキサフルオロホスフェート(BASFからのIrgacure(登録商標)270)、[4-(1-メチルエチル)フェニル](4-メチルフェニル)ヨードニウムテトラキス(ペンタフルオロフェニル)ボレート(RhodiaからRhodorsil 2074として入手可能)、(4-オクチルオキシフェニル)フェニルヨードニウムヘキサフルオロアンチモネート(HampfordからOPPI FP 5386として入手可能)、4-[4-(2-クロロベンゾイル)フェニルチオ]フェニルビス(4-フルオロフェニル)スルホニウムヘキサフルオロアンチモネート(AdekaからSP-172として)、AdekaからのSP-300、並びに(PF6-m(CnF2n+1)m)-(式中、mは1~5の整数であり、nは1~4の整数である)のアニオンを伴う芳香族スルホニウム塩(San-Apro Ltd.から一価のスルホニウム塩であるCPI-200K若しくはCPI-200Sとして入手可能、San-Apro Ltd.から入手可能なTK-1、又はSan-Apro Ltd.から入手可能なHS-1)を単独で又は混合物で含む。
[076]本発明の実施形態において、付加造形のための液状放射線硬化性樹脂は、芳香族トリアリールスルホニウム塩カチオン光開始剤を含む。付加造形用途における芳香族トリアリールスルホニウム塩の使用は既知である。テトラキス(ペンタフルオロフェニル)ボレートを含むテトラアリールボレートアニオンを伴う芳香族トリアリールスルホニウム塩と、ステレオリソグラフィー用途におけるその化合物の使用とが考察されている、米国特許出願公開第20120251841号明細書(DSM IP Assets,B.V.)、米国特許第6,368,769号明細書(Asahi Denki Kogyo)を参照されたい。トリアリールスルホニウム塩は、例えば、J Photopolymer Science & Tech(2000),13(1),117-118及びJ Poly Science,Part A(2008),46(11),3820-29に開示されている。錯体金属ハロゲン化物アニオン、例えばBF4
-、AsF6
-、PF6
-、及びSbF6
-を伴うトリアリールスルホニウム塩Ar3S+MXn-は、J Polymr Sci,Part A(1996),34(16),3231-3253に開示されている。
[077]トリアリールスルホニウムテトラキス(ペンタフルオロフェニル)ボレートカチオン光開始剤の一例は、トリス(4-(4-アセチルフェニル)チオフェニル)スルホニウムテトラキス(ペンタフルオロフェニル)ボレートである。トリス(4-(4-アセチルフェニル)チオフェニル)スルホニウムテトラキス(ペンタフルオロフェニル)ボレートは、IRGACURE(登録商標)PAG-290として商業的に知られており、Ciba/BASFから入手可能である。
[078]別の実施形態では、カチオン光開始剤は、SbF6
-、PF6
-、BF4
-、(CF3CF2)3PF3
-、(C6F5)4B-、((CF3)2C6H3)4B-、(C6F5)4Ga-、((CF3)2C6H3)4Ga-、トリフルオロメタンスルホネート、ノナフルオロブタンスルホネート、メタンスルホネート、ブタンスルホネート、ベンゼンスルホネート、又はp-トルエンスルホネートによって表されるアニオンを有する芳香族トリアリールスルホニウム塩である。このような光開始剤は、例えば、米国特許第8,617,787号明細書に記載されている。
[079]別のカチオン光開始剤は、フルオロアルキル置換フルオロホスフェートであるアニオンを有する芳香族トリアリールスルホニウムカチオン光開始剤である。フルオロアルキル置換フルオロホスフェートアニオンを有する芳香族トリアリールスルホニウムカチオン光開始剤の市販の例は、San-Apro Limitedから入手可能なCPI-200シリーズ(例えば、CPI-200K(登録商標)又はCPI-210S(登録商標))又は300シリーズである。
[080]液状放射線硬化性樹脂組成物は、任意の適切な量、例えば、特定の実施形態では、樹脂組成物の約15重量%まで、特定の実施形態では、樹脂組成物の約5重量%まで、さらなる実施形態では、樹脂組成物の約2重量%~約10重量%、他の実施形態では、樹脂組成物の約0.1重量%~約5重量%の量のカチオン光開始剤を含むことができる。さらなる実施形態では、カチオン光開始剤の量は、全樹脂組成物の約0.2wt%~約4wt%であり、他の実施形態では、約0.5wt%~約3wt%である。
[光増感剤]
[081]いくつかの実施形態において、液状放射線硬化性樹脂を硬化させるために使用される光の波長に応じて、液状放射線硬化性樹脂組成物は光増感剤を含むことが望ましい。「光増感剤」という用語は、光開始重合の速度を増大させるか又は重合が起こる波長をシフトさせるかのいずれかである任意の物質を指すために使用される。G.Odianによるテキスト、Principles of Polymerization,第3版,1991,222頁を参照されたい。後者の定義によって動作し、他の形で特定の波長の光を吸収し得ない光開始剤と共に使用される物質は、その関連の光開始剤と共に「間接励起」機構によって動作すると言われている。本出願人らは、UV/vis光学系による硬化に適した本発明の組成物を配合するためにこの機構を利用した。
[081]いくつかの実施形態において、液状放射線硬化性樹脂を硬化させるために使用される光の波長に応じて、液状放射線硬化性樹脂組成物は光増感剤を含むことが望ましい。「光増感剤」という用語は、光開始重合の速度を増大させるか又は重合が起こる波長をシフトさせるかのいずれかである任意の物質を指すために使用される。G.Odianによるテキスト、Principles of Polymerization,第3版,1991,222頁を参照されたい。後者の定義によって動作し、他の形で特定の波長の光を吸収し得ない光開始剤と共に使用される物質は、その関連の光開始剤と共に「間接励起」機構によって動作すると言われている。本出願人らは、UV/vis光学系による硬化に適した本発明の組成物を配合するためにこの機構を利用した。
[082]複素環式及び縮合環芳香族炭化水素、有機染料、並びに芳香族ケトンを含む様々な化合物を光増感剤として使用することができる。光増感剤の例としては、メタノン、キサンテノン、ピレンメタノール、アントラセン、ピレン、ペリレン、キノン、キサントン、チオキサントン、ベンゾイルエステル、ベンゾフェノン、及びこれらの任意の組合せからなる群から選択されるものが挙げられる。光増感剤の特定の例としては、[4-[(4-メチルフェニル)チオ]フェニル]フェニル-メタノン、イソプロピル-9H-チオキサンテン-9-オン、1-ピレンメタノール、9-(ヒドロキシメチル)アントラセン、9,10-ジエトキシアントラセン、9,10-ジメトキシアントラセン、9,10-ジプロポキシアントラセン、9,10-ジブチルオキシアントラセン、9-アントラセンメタノールアセテート、2-エチル-9,10-ジメトキシアントラセン、2-メチル-9,10-ジメトキシアントラセン、2-t-ブチル-9,10-ジメトキシアントラセン、2-エチル-9,10-ジエトキシアントラセン及び2-メチル-9,10-ジエトキシアントラセン、アントラセン、アントラキノン、2-メチルアントラキノン、2-エチルアントラキノン、2-tertブチルアントラキノン、1-クロロアントラキノン、2-アミルアントラキノン、チオキサントン及びキサントン、イソプロピルチオキサントン、2-クロロチオキサントン、2,4-ジエチルチオキサントン、1-クロロ-4-プロポキシチオキサントン、メチルベンゾイルホルマート(BASFからのDarocur MBF)、メチル-2-ベンゾイルベンゾエート(ChitecからのChivacure OMB)、4-ベンゾイル-4’-メチルジフェニルスルフィド(ChitecからのChivacure BMS)、4,4’-ビス(ジエチルアミノ)ベンゾフェノン(ChitecからのChivacure EMK)、並びにこれらの任意の組合せからなる群から選択されるものが挙げられる。
[083]また新規の混合物は、UV光源のより良好な利用を得るために、異なる波長の輝線の放射線に対して異なる感度を有する種々の光開始剤も含有し得る。輝線の放射線に対して異なる感度を有する既知の光開始剤の使用は付加造形の技術分野において周知であり、例えば、351nm、355nm、365nm、385nm、及び405nmの放射線源に従って選択され得る。これに関連して、種々の光開始剤は、使用される輝線によって等しい光吸収が生じるように選択され、そのような濃度で使用されることが有利である。
[084]実施形態において、光増感剤は、フルオロン、例えば、5,7-ジヨード-3-ブトキシ-6-フルオロン、5,7-ジヨード-3-ヒドロキシ-6-フルオロン、9-シアノ-5,7-ジヨード-3-ヒドロキシ-6-フルオロンであるか、或いは光増感剤は、
、及びこれらの任意の組合せである。
、及びこれらの任意の組合せである。
[085]光増感剤を使用する場合、より短い波長で吸収する他の光開始剤を使用することができる。このような光開始剤の例としては、ベンゾフェノン、4-メチルベンゾフェノン、2,4,6-トリメチルベンゾフェノン、及びジメトキシベンゾフェノンなどのベンゾフェノン、並びに1-ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、フェニル(1-ヒドロキシイソプロピル)ケトン、2-ヒドロキシ-1-[4-(2-ヒドロキシエトキシ)フェニル]-2-メチル-1-プロパノン、及び4-イソプロピルフェニル(1-ヒドロキシイソプロピル)ケトンなどの1-ヒドロキシフェニルケトン、ベンジルジメチルケタール、並びにオリゴ-[2-ヒドロキシ-2-メチル-1-[4-(1-メチルビニル)フェニル]プロパノン](LambertiからのEsacure KIP 150)が挙げられる。
[086]いくつかのカチオン光開始剤は、好ましい化学線波長で低い吸収を有することが注目され得る。例えば、実施形態において、対象の付加造形用途は、約400nmでピーク強度を有するUV/光学系を利用する。例えば、Rhodia Siliconesから入手可能なRhodorsil 2074、Cibaから入手可能なIrgacure 250ヨードニウム,(4-メチルフェニル)[4-(2-メチルプロピル)フェニル]-ヘキサフルオロホスフェート(1-)、及びGE Siliconesから入手可能なUV9380cなどのヨードニウム塩は、好ましい波長で不十分な直接吸収を有し、したがって過剰な濃度を必要とするか又は増感剤を必要とする。したがって、化学線エネルギーを吸収し、次にそのエネルギーをヨードニウム開始剤に効率良く伝達するために、チオキサントン及びミヒラーケトンなどの三重項増感剤を使用することがある。しかしながら、いくつかのチオキサントン及びミヒラーケトンはオレンジ又は赤色を生じやすく、安全性への懸念を起こしやすく、そしてこれらは、430nmに対して有意な化学線吸収を有するが、約400nmの硬化光波長において光反応を増感させるのにあまり効果的ではない。
[087]しかしながら、実施形態において、クロロプロピルチオキサントン(CPTX)は、500nm超の有意な光吸収を有さず、着色の少ない物品を形成するので、特にステレオリソグラフィーにおいて使用するためのヨードニウム開始剤に適した増感剤である。
[088]配合物において使用される増感剤の濃度を低減し、比較的高濃度の増感剤に起因し得る組成物の最終の物理的特性に対する悪影響を防止するために、400nmにおいて高い吸光係数を有する増感剤を使用することが好ましい。例えば、ベンゾフェノンは、いくつかの場合に、三重項増感剤として作用し得るが、例えば、約355nmで動作する周波数三逓倍YAGレーザー(Coherent AVIAモデル#355-1800)のレーザー波長において、吸光係数は108リットル/モル・cm程度である。一方、約400nm同じレーザー波長で同じレーザーを使用する際のCPTXは、ベンゾフェノンのほぼX倍である2585リットル/モル・cmの吸光係数を有する。これにより、CPTXは、等価の光吸収効果を提供するために配合物中で1/Xの濃度を必要とし得ることが示唆される。したがって、増感剤は、380nm超の硬化光波長において300リットル/モル・cm以上、例えば、1000リットル/モル・cm超、好ましくは2000リットル/モル・cm超の吸光係数を有することが好ましいが、必要ではない。
[089]CPTXはカチオン光開始剤の活性を改善するために使用され得るが、上述のカチオン光開始剤と組み合わせて使用される増感剤は、必ずしもそれに限定されるわけではない。複素環式及び縮合環芳香族炭化水素、有機染料、並びに芳香族ケトンを含む様々な化合物を光増感剤として使用することができる。増感剤の例としては、J.V.Crivello in Advances in Polymer Science,62,1(1984)、及びJ.V.Crivello & K.Dietliker,“Photoinitiators for Cationic Polymerization”in Chemistry & technology of UV & EB formulation for coatings,inks & paints.Volume III,Photoinitiators for free radical and cationic polymerization by K.Dietliker;[P.K.T.Oldring編],SITA Technology Ltd,London,1991によって開示される化合物が挙げられる。具体例としては、多環芳香族炭化水素及びその誘導体、例えば、アントラセン、ピレン、ペリレン及びその誘導体、置換チオキサントン、α-ヒドロキシアルキルフェノン、4-ベンゾイル-4’-メチルジフェニルスルフィド、アクリジンオレンジ、並びにベンゾフラビンが挙げられる。
[091]実施形態において、使用される光増感剤は、アントラセン系光開始剤である。市販のこのような光増感剤には、Kawasaki Chemicalから入手可能なAnthracureTMUVS-1101及びUVS-1331が含まれる。
[092]光増感剤は、約0.5wt.%~約10wt.%、より好ましくは0.5wt.%~3wt.%の任意の適切な量で存在する。
[093]付加造形のための液状放射線硬化性樹脂は、任意の適切な量、例えば、特定の実施形態では、樹脂組成物の0.1~10wt%、特定の実施形態では、樹脂組成物の約1~約8wt%、さらなる実施形態では、樹脂組成物の約2~約6wt%の量の他のカチオン光開始剤又は光増感剤を含むことができる。実施形態において、上記範囲は、エポキシモノマーと共に使用するのに特に適している。別の実施形態では、光増感剤は、それが組み込まれる全組成物の約0.05重量%~約2重量%の量で使用され得る。
[還元剤]
[094]本明細書で使用される場合、還元剤は、本発明に従う付加造形のための液状放射線組成物の重合中に、レドックス化学反応においてカチオン光開始剤成分に対して1つ又は複数の電子を失う、すなわち「供与する」成分である。このような成分は、解離後にフリーラジカルを形成するか又は分解してフリーラジカルになるまで、或いは他の方法で、UV/vis波長の化学放射線を受けて励起状態になるまで電子を容易に供与する能力を有し得ないとしても、本発明のためには依然として還元剤であると考えられる。したがって、これらは、本明細書では代替的に「活性化還元剤」と呼ばれ得る。
[094]本明細書で使用される場合、還元剤は、本発明に従う付加造形のための液状放射線組成物の重合中に、レドックス化学反応においてカチオン光開始剤成分に対して1つ又は複数の電子を失う、すなわち「供与する」成分である。このような成分は、解離後にフリーラジカルを形成するか又は分解してフリーラジカルになるまで、或いは他の方法で、UV/vis波長の化学放射線を受けて励起状態になるまで電子を容易に供与する能力を有し得ないとしても、本発明のためには依然として還元剤であると考えられる。したがって、これらは、本明細書では代替的に「活性化還元剤」と呼ばれ得る。
[095]エポキシド及びビニルエーテルなどのモノマーの光開始カチオン重合は、ハイブリッド硬化付加造形用途において必要な役割を果たす。様々な用途で添加剤が使用されるため、特定の分光感度を標的とする場合、光開始の波長柔軟性は、特定の配合物の硬化性能を決定する基本的要因になる。したがって、特に、現代のUV/vis光学系により放出される波長など、より長い波長に対して敏感であるカチオン重合のための光開始系は、ますます重要になっている。カチオン重合のための既存の光開始系の多くは、ジフェニルヨードニウム、トリフェニルスルホニウム、及びアルコキシピリジニウム塩などの特定のオニウム塩の使用に基づく。しかしながら、これらの塩は、付加的な発色団が塩構造に取り込まれない限り、UV/visスペクトルにおいてあまり吸収しない(たとえ吸収したとしても)。したがって、特に、UV/visスペクトルで吸収するように既に設計されている市販の光開始剤は他の理由で付加造形のためのハイブリッド硬化系に取り込むのに適さないという事実を踏まえて、容易に入手可能なオニウム塩の感度範囲をUV/vis波長まで合成的に拡張するための代替方法を見出すことが重要である。
[096]これは、間接励起と呼ばれる機構により増感剤の組合せを用いて達成されることが知られている。さらに、オニウム塩は、フリーラジカル、電荷移動錯体中の電子供与体化合物、及び増感剤の長寿命電子励起状態をそれぞれ伴って、レドックス反応で電子受容体として作用する。これらのアプローチのうち、いわゆる「フリーラジカル促進」カチオン重合は、モノマーのカチオン重合を開始させることができるカチオン種を発生させるためのさらなる効果的且つ柔軟な方法であると思われる。全体の機構は、適切な還元電位を有するオニウム塩(On+)による光化学的に形成されたラジカルの酸化を含む:
R・+ON+ → R+ (1)
R・+ON+ → R+ (1)
[097]フリーラジカル促進カチオン重合を促進すると言われる潜在的な還元剤は、一般に、いくつか例を挙げると、アミン、ベンゾイン及びその誘導体、o-ファトアルデヒド(phataldehyde)、ポリシラン、並びにビニルエーテル又はビニルハライドなどのビニル基に結合した電子供与性置換基を有する化合物と共に、アシルホスフィンオキシドなどの上述のフリーラジカル光開始剤のいくつかを含む。
[098]アミンは効率的な水素供与体であると考えられ、連鎖移動機構によって、関連するカチオン光開始剤を還元し得るフリーラジカルを容易に形成するであろう。したがって、特定の実施形態では、適切な還元剤として作用することができる。しかしながら、それに含まれる窒素原子は他の方法でカチオン重合反応を阻害する傾向が知られているので、付加造形のためのハイブリッド放射線硬化性組成物中にこのような化合物を含む場合、注意を払う必要がある。
[099]UV/vis光源の存在下で酸化性ラジカルを発生させるためにいくつかの系が存在する。例えば、キサンテン染料及び芳香族アミンを含有する系の照射によって形成されるラジカルは、ジフェニルヨードニウム塩に対する還元剤としての機能を果たすことができる。同様に、デカカルボニル二マンガン-有機ハロゲン化物の組合せは、オニウム塩と共に使用される場合、UV/vis波長におけるカチオン重合のための効率的な還元剤である。さらに、Irgacure 784などの市販のチタノセン型光開始剤は、可視光による照射によって発生される還元剤源として使用することができる。
[0100]好ましくは、還元剤は、ビニル基に結合した電子供与性置換基を有する成分を含む、からなる、又はから本質的になる。このような成分はさらに、UV/vis光学系を用いる付加造形システムのための液状放射線硬化性組成物のカチオン硬化を改善する機構を提供することができる。ビニルエーテルなどのこのような化合物は、(1)その高速重合の発熱反応により過剰な熱を生じる傾向;及び(2)共重合と、同時に不均一なポリマーとを誘導し、それにより一貫性のない低い物理的特性を有する3次元部品を生じる傾向のために、伝統的なUVベースの放射線源を用いる付加造形システムにさらされる多数の現代の市販のハイブリッド硬化性組成物では回避される。それにもかかわらず、より低いエネルギー/強度を有するUV/vis光学系を利用するシステムに合わせた組成物中にこれらを包含させることは、本発明に従う他の必要とされる成分と共に使用されると望ましくなる。具体的には、ビニル基に結合した電子供与性置換基を有する付加的な成分を包含させると、重合が相乗的に改善される。
[0101]ビニル基に結合した電子供与性置換基を有する成分の1つの好ましい例はビニルエーテルである。ビニルエーテルは、エーテル、エステル若しくはビスカルバメート、又はビニルエーテル末端(ポリ)ウレタン若しくはカーボネートなどの様々な出発材料から形成することができる。それぞれのいくつかの非限定的な例としては、以下のものが挙げられる。
[0102]エーテルからのビニルエーテルモノマー:多官能性ビニルエーテルの具体例としては、ジビニルエーテル、例えば、エチレングリコールジビニルエーテル、ジエチレングリコールジビニルエーテル、トリエチレングリコールジビニルエーテル、ポリエチレングリコールジビニルエーテル、プロピレングリコールジビニルエーテル、ジプロピレングリコールジビニルエーテル、イソブチルビニルエーテル、ブチレングリコールジビニルエーテル、ブタンジオールジビニルエーテル、ヘキサンジオールジビニルエーテル、シクロヘキサンジオールジビニルエーテル、ビスフェノールAアルキレンオキシドジビニルエーテル、及びビスフェノールFアルキレンオキシドジビニルエーテル;並びに多官能性ビニルエーテル、例えば、トリメチロールエタントリビニルエーテル、トリメチロールプロパントリビニルエーテル、ジトリメチロールプロパンテトラビニルエーテル、グリセロールトリビニルエーテル、ペンタエリトリトールテトラビニルエーテル、ペンタエリトリトールジビニルエーテル ジペンタエリトリトールペンタビニルエーテル、ジペンタエリトリトールヘキサビニルエーテル、トリメチロールプロパントリビニルエーテルのエチレンオキシド付加生成物、トリメチロールプロパントリビニルエーテルのプロピレンオキシド付加生成物、ジトリメチロールプロパンテトラビニルエーテルのエチレンオキシド付加生成物、ジトリメチロールプロパンテトラビニルエーテルのプロピレンオキシド付加生成物、ペンタエリトリトールテトラビニルエーテルのエチレンオキシド付加生成物、ペンタエリトリトールテトラビニルエーテルのプロピレンオキシド付加生成物、ジペンタエリトリトールヘキサビニルエーテルのエチレンオキシド付加生成物、ジペンタエリトリトールヘキサビニルエーテルのプロピレンオキシド付加生成物が挙げられる。
[0103]エステル又はビスカルバメートからのビニルエーテルモノマー:ジビニルアジペート、ジビニルテレフタレート、ジビニルシクロヘキシルジカロキシラート(dicaroxylate)などの多官能性ビニルエーテルの具体例。ビス[4-(ビニルオキシ)ブチル]アジペート(VEctomer(登録商標)4060)、ビス[4-(ビニルオキシ)ブチル]スクシネート(VEctomer(登録商標)4030)、ビス[4-(ビニルオキシ)ブチル]イソフタルト(isophthalte)(VEctomer(登録商標)4010)、ビス[4-(ビニルオキシメチル)シクロヘキシルメチル]グルタレート(VEctomer(登録商標)4020)、トリス[4-(ビニルオキシ)ブチル]トリメリタート(VEctomer(登録商標)5015)、ビス[4-(ビニルオキシメチル)シクロヘキシルメチル]イソフタレート(VEctomer(登録商標)4040)、ビス[4-(ビニルオキシ)ブチル](4-メチル-1,3-フェニレン)ビスカルバメート(VEctomer(登録商標)4220)、及びビス[4-(ビニルオキシ)ブチル](メチレンジ-4,1-フェニレン)ビスカルバメート(VEctomer(登録商標)4210)など。
[0104]ビニルエーテル末端ウレタン又はカーボネート:少なくともヒドロキシル基と、少なくともビニルエーテル基とを分子内に有するヒドロキシビニルエーテルでエンドキャップされたポリウレタン又はポリカーボネートなどの多官能性ビニルエーテルの具体例。例えば、2-ヒドロキシエチルビニルエーテル、3-ヒドロキシプロピルビニルエーテル、2-ヒドロキシプロピルビニルエーテル、2-ヒドロキシイソプロピルビニルエーテル、4-ヒドロキシブチルビニルエーテル、3-ヒドロキシブチルビニルエーテル、2-ヒドロキシブチルビニルエーテル、3-ヒドロキシイソブチルビニルエーテル、2-ヒドロキシイソブチルビニルエーテル、1-メチル-3-ヒドロキシプロピルビニルエーテル、1-メチル-2-ヒドロキシプロピルビニルエーテル、1-ヒドロキシメチルプロピルビニルエーテル、4-ヒドロキシシクロヘキシルビニルエーテル、1,6-ヘキサンジオールモノビニルエーテル、1,4-シクロヘキサンジメタノールモノビニルエーテル、1,3-シクロヘキサンジメタノールモノビニルエーテル、1,2-シクロヘキサンジメタノールモノビニルエーテル、p-キシレングリコールモノビニルエーテル、m-キシレングリコールモノビニルエーテル、o-キシレングリコールモノビニルエーテル、ジエチレングリコールモノビニルエーテル、トリエチレングリコールモノビニルエーテル、テトラエチレングリコールモノビニルエーテル、ペンタエチレングリコールモノビニルエーテル、オリゴエチレングリコールモノビニルエーテル、ポリエチレングリコールモノビニルエーテル、ジプロピレングリコールモノビニルエーテル、トリプロピレングリコールモノビニルエーテル、テトラプロピレングリコールモノビニルエーテル、これらの誘導体、例えば、ペンタプロピレングリコールモノビニルエーテル、オリゴプロピレングリコールモノビニルエーテル、及びポリプロピレングリコールモノビニルエーテルなど。
[0105]好ましい実施形態では、ビニル基に結合した電子供与性置換基を有する成分は、以下の:ビニルエーテル、ビニルエステル、ビニルチオエーテル、n-ビニルカルバゾール、n-ビニルピロリドン、n-ビニルカプロラクタム、アリルエーテル、及びビニルカーボネートのうちの1つ又は複数である。
[0106]別の好ましい実施形態では、ビニル基に結合した電子供与性置換基を有する成分は多官能性である。本明細書で使用される場合、「多官能性」は、ビニルエーテルが1分子当たり少なくとも2つのビニル基を有することを意味する。
[0107]ビニル基に結合した電子供与性置換基を有する上述の成分の1つ又は複数は、任意の適切な量で本発明に従う組成物中で使用することができ、単独で又は本明細書に列挙されるタイプの1つ又は複数を組み合わせて選択され得る。好ましい実施形態では、ビニル基に結合した電子供与性置換基を有する成分は、組成物の全重量に対して、約1wt.%~約25wt.%、より好ましくは約5wt.%~約20wt.%、より好ましくは約5wt.%~約12wt.%の量で存在する。別の実施形態では、ビニル基に結合した電子供与性置換基を有する成分は、1wt.%~15wt.%、より好ましくは1wt.%~10wt%、より好ましくは3wt.%~約8wt.%の量で存在する。
[添加剤]
[0108]安定剤は、粘度上昇、例えば固体画像形成プロセスでの使用中の粘度上昇をさらに防止するために樹脂組成物に添加されることが多い。有用な安定剤には、米国特許第5,665,792号明細書に記載されるものが含まれる。安定剤の存在は任意選択的である。特有の実施形態では、付加造形のための液状放射線硬化性樹脂組成物は、0.1wt%~3%の安定剤を含む。
[0108]安定剤は、粘度上昇、例えば固体画像形成プロセスでの使用中の粘度上昇をさらに防止するために樹脂組成物に添加されることが多い。有用な安定剤には、米国特許第5,665,792号明細書に記載されるものが含まれる。安定剤の存在は任意選択的である。特有の実施形態では、付加造形のための液状放射線硬化性樹脂組成物は、0.1wt%~3%の安定剤を含む。
[0109]他の可能性のある添加剤には、有機及び無機充填剤、染料、顔料、酸化防止剤、湿潤剤、気泡崩壊剤、連鎖移動剤、レベリング剤、消泡剤、界面活性剤などが含まれる。このような添加剤は知られており、当業者に認識されるように、一般に特定の用途に望ましいように使用することができる。
[0110]本発明の付加造形のための液状放射線硬化性樹脂組成物はさらに、気泡崩壊剤、酸化防止剤、界面活性剤、酸捕捉剤、顔料、染料、増粘剤、難燃剤、シランカップリング剤、紫外線吸収剤、樹脂粒子、コア-シェル粒子衝撃改質剤、可溶性ポリマー及びブロックポリマーからなる群から選択される1つ又は複数の添加剤を含むことができる。
[0111]さらに、付加造形のための既知の液状放射線硬化性樹脂組成の多くは、樹脂組成物から製造される部品の特性を向上させるためにヒドロキシ官能性化合物を使用する。存在する場合、任意のヒドロキシ基は、特定の目的で使用され得る。存在する場合、ヒドロキシル含有材料は、好ましくは、1つ又は複数の第1級又は第2級脂肪族ヒドロキシルを含有する。ヒドロキシル基は、分子内又は末端に存在し得る。モノマー、オリゴマー又はポリマーを使用することができる。ヒドロキシル当量、すなわち数平均分子量をヒドロキシル基の数で除した値は、好ましくは、31~5000の範囲である。存在する場合、樹脂組成物は、好ましくは、樹脂組成物の全重量に対して、最大で10wt%、より好ましくは最大で5wt%、最も好ましくは最大で2wt%の1つ又は複数の非フリーラジカル重合性ヒドロキシ官能性化合物を含む。
[0112]特許請求される本発明の第2の態様は、UV/vis光学系を利用する付加造形システムによって3次元物品を形成する方法であり、本方法は、
(1)本発明の第1の態様の付加造形のための液状放射線硬化性組成物を提供するステップと、
(2)液状放射線硬化性樹脂の第1の液状層を設置するステップと、
(3)UV/vis光学配置により第1の液状層を画像様に化学放射線に曝露して、画像形成された断面を形成し、それにより第1の硬化層を形成するステップと、
(4)第1の硬化層と接触して、液状放射線硬化性樹脂の新しい層を形成するステップと、
(5)上記新しい層を画像様に化学放射線に曝露して、付加的な画像形成された断面を形成するステップと、
(6)3次元物品を構築するためにステップ(4)及び(5)を十分な回数繰り返すステップと
を含み、ここで、UV/vis光学系は、約375nm~約500nm、より好ましくは約380nm~約450nm、より好ましくは約390nm~約425nm、より好ましくは約395nm~約410nmのピークスペクトル強度の放射線を放出する。
(1)本発明の第1の態様の付加造形のための液状放射線硬化性組成物を提供するステップと、
(2)液状放射線硬化性樹脂の第1の液状層を設置するステップと、
(3)UV/vis光学配置により第1の液状層を画像様に化学放射線に曝露して、画像形成された断面を形成し、それにより第1の硬化層を形成するステップと、
(4)第1の硬化層と接触して、液状放射線硬化性樹脂の新しい層を形成するステップと、
(5)上記新しい層を画像様に化学放射線に曝露して、付加的な画像形成された断面を形成するステップと、
(6)3次元物品を構築するためにステップ(4)及び(5)を十分な回数繰り返すステップと
を含み、ここで、UV/vis光学系は、約375nm~約500nm、より好ましくは約380nm~約450nm、より好ましくは約390nm~約425nm、より好ましくは約395nm~約410nmのピークスペクトル強度の放射線を放出する。
[0113]上述の本発明の第2の態様において提供される液状放射線硬化性組成物は、UV/vis光学系を利用する付加造形システムによる硬化に適していなければならない。このような組成物は、本発明の第1の態様に記載されている。第1の液状層の設置又は液状放射線硬化性樹脂の新しい層の形成において、層は任意の適切な厚さ及び形状でよく、利用される付加造形プロセスに依存する。例えば、層は、ジェッティングによって選択的に分配されてもよいし、或いはほとんどのステレオリソグラフィープロセスで典型的であるように、既に硬化した層を樹脂のバット中に浸漬させて、実質的に均一の厚さの層を生じさせることによって付加されてもよい。別の非限定的な実施形態では、代替的に、カートリッジ又はディスペンサーを用いて所定の厚さの箔、フィルム又は担体によって移行されてもよい。
[0114]上記において、「曝露」は、化学放射線による照射を指す。既に言及したように、本明細書に記載される本発明の付加造形のための液状放射線組成物は、UV/vis光学系によりハイブリッド硬化を与えるのに特に適している。実施形態において、UV/vis光学系は、光源として1つ又は複数のLEDを利用する。実施形態において、光源はレーザーである。実施形態において、LED又はレーザー光源は、DLP又はLCD画像投影システムに連結される。画像投影システムがLCDディスプレイを含む実施形態において、光源は、LCD構成要素に対してUV波長が有する有害作用を最小限にするために、排他的に400nmを超える化学放射線を放出するように構成され得る。
[0115]特許請求される本発明の第3の態様は、本発明の第1の態様の液状放射線硬化性組成物を用いて本発明の第2の態様によって形成された3次元部品である。
[0116]以下の実施例は本発明をさらに説明するが、当然ながら決してその範囲を限定すると解釈されるべきではない。
[実施例]
[0117]これらの実施例は、本発明の付加造形のための液状放射線硬化性樹脂の実施形態を説明する。表1には、本実施例で使用される付加造形のための液状放射線硬化性樹脂の種々の成分が記載される。
[0117]これらの実施例は、本発明の付加造形のための液状放射線硬化性樹脂の実施形態を説明する。表1には、本実施例で使用される付加造形のための液状放射線硬化性樹脂の種々の成分が記載される。
[試験方法]
[0118]各実施例の重合速度(硬化速度)を測定するために、リアルタイムフーリエ変換赤外(FTIR)分光法を使用した。データ取得頻度及び分解能を増大させるために、テルル化カドミウム水銀(MCT)検出器を使用した。透過モードの代わりに、減衰全反射(ATR)設定を使用した。重合速度測定は全て、Thermo Scientific Nicolet 8700モデルを用いて実施した。以下の表は、測定のための実験条件設定を示す。この条件下で、各測定について200秒間に全部で41個のスペクトルを得た。
[0118]各実施例の重合速度(硬化速度)を測定するために、リアルタイムフーリエ変換赤外(FTIR)分光法を使用した。データ取得頻度及び分解能を増大させるために、テルル化カドミウム水銀(MCT)検出器を使用した。透過モードの代わりに、減衰全反射(ATR)設定を使用した。重合速度測定は全て、Thermo Scientific Nicolet 8700モデルを用いて実施した。以下の表は、測定のための実験条件設定を示す。この条件下で、各測定について200秒間に全部で41個のスペクトルを得た。
[0119]UV/Vis光制御のために、Digital Light Lab LEDスポットランプ(波長385nm、強度5mW)及びコントローラ(AccuCure Photo Rheometer)を使用した。較正連続モードを選択した。測定前に光強度及び持続時間(露光時間)を選択した。
[0120]測定のために2~3滴の選択されたサンプルをATR結晶セットアップの中心に配置する。次に、3ミル(±0.4ミル)のドローダウンバードバー(draw down bird bar)を用いて、ATR結晶の上部に約3ミルのフィルム(±0.4ミル)を被覆した。3ミルのコーティングを適用した直後に、ATRセットアップの上部にLEDランプを保持し、保持の中心に孔を配置した。次に、リアルタイムFTIRスキャンを開始した。1つのスペクトルが得られたら、光源をオンにして重合を開始させた。上記で入力されたプログラムに基づいて、合計200秒間にわたって5秒ごとに各スペクトルを得た。各実験について合計41個のスペクトルを得た。
[0121]各官能基を表す特定のIRピーク変化に基づいて、時間に対する重合転化率を計算した。IRピーク変化の例は、上記の描写で示される。各関連官能基の転化率を計算するために、必要に応じて以下の表に従ってピーク高さ又はピーク面積を計算した。
[0122]得られた生データに関して、実験硬化速度手順は、FTIR検出装置のオンと、サンプルを硬化させるために使用される光源のオンとの間に未知の短いタイムラグを有するので、最初の1~2個のデータ点を除去することが重要であった。これらの予備データ点により発生する統計的ノイズの量に関連する任意の不確かさを説明するために、各データセットに対して3組の曲線フィットを作成した。いずれの場合にも、データセットをフィットさせたモデル式は、Conv=a(1-e(-b*(時間-c)))である。このために、データ分析が追加されたマイクロソフトエクセルバージョン14.0.7116.5000(32ビット)を使用して、生データをフィットさせた。
[0123]第1の場合、全データセット(最初の2つのデータ点を含む)をフィットさせた。第2の場合、全データセットから第1のデータ点を差し引いてフィットさせた。第3の場合、全データセットから第1及び第2のデータ点を差し引いてフィットさせた。いずれの場合も、曲線フィット係数r2を作成した。1%を超える転化率の第1のデータ点を有し、その曲線フィットの組合せが0.90を超えるr2をもたらすデータセットを選択して使用し、得られた曲線フィット式の結果を、プラトー転化率の95%における硬化速度のさらなる計算のために使用した。曲線フィット係数r2が0.90未満である場合には、もう一度データを再実行した。
[0124]上記で考察されるように、データは、方程式Conv=a(1-e(-b*(時間-c)))にフィットさせた。ここで、「Conv」は、FTIRピーク比で測定したときの転化率%であり、時間は、露光の持続時間であり、「a」はプラトー転化率であり、「b」は、結果として導出された、硬化速度を計算するために使用した硬化速度係数であり、「c」は、結果として導出された硬化誘導時間である。データをフィットさせたら、ソフトウェアにより、実験データ及びフィットから決定される「a」、「b」及び「c」の数値パラメータを有する実験的に導出された式を作成した。カチオン硬化性材料(すなわち、エポキシ及びオキセタン)の場合、硬化誘導時間がないので「c」は意味を持たない。したがって、このような場合、「c」は無視した。変数「a」は、使用した硬化条件下におけるプラトー転化率として使用され、成分が転化された漸近範囲全体を表す。変数「b」は、式T95=ln(.05/b)により「a」の95%プラトー転化率(T95)までの時間を計算するために使用した。以下の表3に報告されるのは、3つの異なる重合性成分(エポキシ、オキセタン、及びアクリレート)の100秒で計算された転化率である。
[実施例1~13]
[0125]最初に、当該技術分野において周知の方法に従い、オキセタン成分、脂環式エポキシド成分、ポリオール成分、グリシジルエーテルエポキシド成分、及びアクリレート成分を混ぜ合わせることによって、付加造形のためのベース樹脂を調製した。いわゆる「コントロールパッケージ」の詳細は、以下の表2に提供される。配合物1~13の全組成は、5mW、385nmのUV/vis光源を用いる転化率試験結果と共に、表3に提供される。
[0125]最初に、当該技術分野において周知の方法に従い、オキセタン成分、脂環式エポキシド成分、ポリオール成分、グリシジルエーテルエポキシド成分、及びアクリレート成分を混ぜ合わせることによって、付加造形のためのベース樹脂を調製した。いわゆる「コントロールパッケージ」の詳細は、以下の表2に提供される。配合物1~13の全組成は、5mW、385nmのUV/vis光源を用いる転化率試験結果と共に、表3に提供される。
[結果の考察]
[0126]表3のデータは、本発明に従う種々の実施形態が、UV/vis曝露条件下でハイブリッド硬化を促進するのに適していることを説明する。特に、配合物1を配合物10~12と比較すると、ノリッシュI型又はII型光開始剤の添加では、硬化性能はあまり認められなかった。事実、ホスフィン含有光開始剤(BAPO及びTPO;実施例10~11を参照)の存在は、実際に硬化性能を低下させた。
[0126]表3のデータは、本発明に従う種々の実施形態が、UV/vis曝露条件下でハイブリッド硬化を促進するのに適していることを説明する。特に、配合物1を配合物10~12と比較すると、ノリッシュI型又はII型光開始剤の添加では、硬化性能はあまり認められなかった。事実、ホスフィン含有光開始剤(BAPO及びTPO;実施例10~11を参照)の存在は、実際に硬化性能を低下させた。
[付加的な例示的実施形態]
[0127]第1の付加的な例示的実施形態は、
a.ヨードニウム塩カチオンと、フッ素原子を欠いているボレート含有アニオンとを有する第1の光酸発生剤であって、好ましくは、カチオンが以下の構造:
(ビス4-クミルヨードニウムテトラフェニルボレート;CAS1158840-74-4)、又は
(ビス(4-tert-ブチルフェニル)ヨードニウムテトラフェニルボレート CAS131725-16-1)
のうちの1つを有し、好ましくは、カチオンが以下の構造:
を有する、第1の光酸発生剤と、
b.第2の光酸発生剤、好ましくはヨードニウム塩と、
c.ビニル基に結合した電子供与性置換基、例えばビニルエーテルと、
d.任意選択的に、光増感剤と、
e.重合性成分と、
f.任意選択的に、1つ又は複数の安定剤を含む添加剤成分と
を含む放射線硬化性組成物であり、ここで組成物は、好ましくは、リン原子を有するフリーラジカル光開始剤を実質的に欠いているか、或いはノリッシュI型光開始剤を実質的に欠いているか、或いはノリッシュII型光開始剤を実質的に欠いている。
[0127]第1の付加的な例示的実施形態は、
a.ヨードニウム塩カチオンと、フッ素原子を欠いているボレート含有アニオンとを有する第1の光酸発生剤であって、好ましくは、カチオンが以下の構造:
(ビス4-クミルヨードニウムテトラフェニルボレート;CAS1158840-74-4)、又は
(ビス(4-tert-ブチルフェニル)ヨードニウムテトラフェニルボレート CAS131725-16-1)
のうちの1つを有し、好ましくは、カチオンが以下の構造:
を有する、第1の光酸発生剤と、
b.第2の光酸発生剤、好ましくはヨードニウム塩と、
c.ビニル基に結合した電子供与性置換基、例えばビニルエーテルと、
d.任意選択的に、光増感剤と、
e.重合性成分と、
f.任意選択的に、1つ又は複数の安定剤を含む添加剤成分と
を含む放射線硬化性組成物であり、ここで組成物は、好ましくは、リン原子を有するフリーラジカル光開始剤を実質的に欠いているか、或いはノリッシュI型光開始剤を実質的に欠いているか、或いはノリッシュII型光開始剤を実質的に欠いている。
[0128]第2の付加的な例示的実施形態の第1の態様は、フリーラジカル重合性成分、カチオン重合性成分、フリーラジカル光開始剤成分、及びカチオン光開始剤成分を含む放射線硬化性組成物であり、ここで、フリーラジカル光開始剤成分は、ノリッシュI型光開始剤を実質的に欠いているか、或いは0.1wt.%未満、又は0.05wt.%未満、又は0.01wt.%未満のノリッシュI型光開始剤を含有する。
[0129]第2の付加的な例示的実施形態の別の態様は、第2の付加的な例示的実施形態の第1の態様に従う放射線硬化性組成物であり、ここで、フリーラジカル光開始剤成分は、ノリッシュII型光開始剤を実質的に欠いているか、或いは0.1wt.%未満、又は0.05wt.%未満、又は0.01wt.%未満のノリッシュII型光開始剤を含有する。
[0130]第2の付加的な例示的実施形態の別の態様は、第2の付加的な例示的実施形態の前の態様のいずれかに従う放射線硬化性組成物であり、ここで、組成物は、ノリッシュI型光開始剤を実質的に欠いているか、或いは0.1wt.%未満、又は0.05wt.%未満、又は0.01wt.%未満のノリッシュI型光開始剤を含有する。
[0131]第2の付加的な例示的実施形態の別の態様は、第2の付加的な例示的実施形態の前の態様のいずれかに従う放射線硬化性組成物であり、ここで、フリーラジカル光開始剤成分は、1つ又は複数のヨードニウム塩系光開始剤を含む、から本質的になる、又はからなる。
[0132]第2の付加的な例示的実施形態の別の態様は、第2の付加的な例示的実施形態の前の態様に従う放射線硬化性組成物であり、ここで、ヨードニウム塩系光開始剤は、ボレート含有アニオンを含む。
[0133]第2の付加的な例示的実施形態の別の態様は、第2の付加的な例示的実施形態の前の2つの態様のいずれかに従う放射線硬化性組成物であり、ここで、ヨードニウム塩系光開始剤は、テトラフェニルボレートアニオンを含む。
[0134]第2の付加的な例示的実施形態の別の態様は、第2の付加的な例示的実施形態の前の態様のいずれかに従う放射線硬化性組成物であり、ここで、カチオン光開始剤成分は、1つ又は複数のヨードニウム塩系カチオン光開始剤を含む、からなる、又はから本質的になる。
[0135]第2の付加的な例示的実施形態の別の態様は、第2の付加的な例示的実施形態の前の態様のいずれかに従う放射線硬化性組成物であり、ここで、フリーラジカル重合性成分は、1つ又は複数の(メタ)アクリレート官能性化合物を含む、からなる、又はから本質的になる。
[0136]第2の付加的な例示的実施形態の別の態様は、第2の付加的な例示的実施形態の前の態様のいずれかに従う放射線硬化性組成物であり、ここで、カチオン重合性成分は、1つ又は複数のエポキシ-及び/又はオキセタン官能性化合物を含む、からなる、又はから本質的になる。
[0137]第2の付加的な例示的実施形態の別の態様は、第2の付加的な例示的実施形態の前の態様のいずれかに従う放射線硬化性組成物であり、ここで、カチオン重合性成分は、1つ又は複数の脂環式エポキシド、グリシジルエーテルエポキシド、及び/又はオキセタンを含む、からなる、又はから本質的になる。
[0138]第2の付加的な例示的実施形態の別の態様は、光増感剤をさらに含む、第2の付加的な例示的実施形態の前の態様のいずれかに従う放射線硬化性組成物である。
[0139]第2の付加的な例示的実施形態の別の態様は、多官能性ビニルエーテル化合物をさらに含む、第2の付加的な例示的実施形態の前の態様のいずれかに従う放射線硬化性組成物である。
[0140]第2の付加的な例示的実施形態の別の態様は、第2の付加的な例示的実施形態の前の態様に従う放射線硬化性組成物であり、ここで、多官能性ビニルエーテル化合物は、少なくとも2つのビニル基を有する。
[0141]第2の付加的な例示的実施形態の別の態様は、1つ又は複数の添加剤をさらに含む、第2の付加的な例示的実施形態の前の態様のいずれかに従う放射線硬化性組成物である。
[0142]第2の付加的な例示的実施形態の別の態様は、第2の付加的な例示的実施形態の前の態様のいずれかに従う放射線硬化性組成物であり、ここで、組成物全体の重量に対して、
フリーラジカル重合性成分は、5wt.%~50wt.%で存在し、
カチオン重合性成分は、20wt.%~90wt.%で存在し、
フリーラジカル光開始剤成分は、0.025wt.%~5wt.%で存在し、
カチオン光開始剤成分は、0.5~8wt.%で存在し、
添加剤は、0~40wt.%で存在し、
全ての成分の重量は100%に等しい。
フリーラジカル重合性成分は、5wt.%~50wt.%で存在し、
カチオン重合性成分は、20wt.%~90wt.%で存在し、
フリーラジカル光開始剤成分は、0.025wt.%~5wt.%で存在し、
カチオン光開始剤成分は、0.5~8wt.%で存在し、
添加剤は、0~40wt.%で存在し、
全ての成分の重量は100%に等しい。
[0143]他に規定されない限り、wt.%という用語は、特定の成分が取り込まれる付加造形用の液状放射線硬化性組成物全体に対する、その成分の質量による量を意味する。
[0144]本発明の記載との関連(特に、以下の特許請求の範囲との関連)における「a」及び「an」及び「the」という用語、並びに類似の指示対象の使用は、本明細書中で他に記載されない限り、又は文脈が明らかに矛盾しない限り、単数形及び複数形の両方を包含すると解釈されるべきである。「含む(comprising)」、「有する(having)」、「含む(including)」、及び「含有する(containing)」という用語は、他に言及されない限り、オープンエンドの用語(すなわち、「含むが、限定されない」を意味する)と解釈されるべきである。本明細書中の値の範囲の詳述は、本明細書中で他に記載されない限り、単にその範囲内に含まれるそれぞれ別の値を個別に言及する省略表記方法としての機能を果たすことが意図され、それぞれ別の値は、あたかも本明細書中に個別に記載されたかのように本明細書中に組み込まれる。本明細書に記載される全ての方法は、本明細書中で他に記載されない限り、又は他に文脈が明らかに矛盾しない限り、任意の適切な順序で実施することができる。本明細書に提供される任意及び全ての例又は例示的な言語(例えば、「など(such as)」)の使用は、単に本発明をより良く明らかにすることが意図されており、他に特許請求されない限り、本発明の範囲に限定を課すものではない。本明細書中の言語は、いずれかの特許請求されない要素が本発明の実施に不可欠であることを示すと解釈されるべきではない。
[0145]本発明の好ましい実施形態は、本発明を実行するために本発明者に知られている最良の形態を含め、本明細書に記載されている。それらの好ましい実施形態の変化形は、前述の説明を読めば当業者には明らかになるであろう。本発明者は、当業者が必要に応じてこのような変化形を使用することを予想しており、本発明者は、本明細書に具体的に記載された以外で本発明が実施されることを意図する。したがって、本発明は、適用法により許容されるように、特許請求の範囲に記載される主題の全ての変更物及び等価物を含む。さらに、その全ての可能な変化形における上記要素の任意の組合せは、本明細書中で他に記載されない限り、又は他に文脈が明らかに矛盾しない限り、本発明によって包含される。
[0146]本発明は詳細に、そしてその特定の実施形態を参照して記載されたが、特許請求される本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなくそこに種々の変化及び変更がなされ得ることは、当業者には明らかであろう。
Claims (20)
- カチオン硬化性成分及びフリーラジカル硬化性成分を含む放射線硬化性組成物であって、前記組成物が、少なくとも、非フッ素化ボレートアニオンのヨードニウム塩である第1の光開始剤をさらに含む、放射線硬化性組成物。
- 前記非フッ素化ボレートアニオンのヨードニウム塩が、非ハロゲン化ボレートアニオンのヨードニウム塩である、請求項1に記載の放射線硬化性組成物。
- 前記ヨードニウム塩の非フッ素化ボレートアニオンが、式:
(式中、R1~R4は、アルキル、アルケニル、アルキニル、シクロアルキル、ヘテロシクロアルキル、アリール、及びヘテロアリールからなる群から独立して選択され、さらに、(i)前記アルキル、アルケニル、又はアルキニルの1つ又は複数の置換可能な炭素原子が、ヒドロキシ、カルボキシ、アルコキシ、アルカノイル、ヒドロキシアルキル、カルボキシアルキル、アルコキシアルキル、又はアルカノイルアルキルによって任意選択的に置換されているか、或いは(ii)前記シクロアルキル、ヘテロシクロアルキル、アリール、又はヘテロアリールの1つ又は複数の置換可能な炭素原子が、アルキル、ヒドロキシ、カルボキシ、アルコキシ、アルカノイル、ヒドロキシアルキル、カルボキシアルキル、アルコキシアルキル、又はアルカノイルアルキルによって任意選択的に置換されている)
を有する、請求項1に記載の放射線硬化性組成物。 - R1~R4が、1つ又は複数の置換可能な炭素原子においてアルキル又はアルコキシによって任意選択的に置換されたアリールラジカルから独立して選択される、請求項3に記載の放射線硬化性組成物。
- R1~R4がそれぞれ、アルキル又はアルコキシによって任意選択的に独立して置換されたフェニルであり、前記アルキル又はアルコキシのアルキル部分が、1~10個の炭素原子を有する、請求項4に記載の放射線硬化性組成物。
- 前記非フッ素化ボレートアニオンのヨードニウム塩が、ジアリールヨードニウムカチオンを有する、請求項1~6のいずれか一項に記載の放射線硬化性組成物。
- 前記ヨードニウム塩のジアリールヨードニウムカチオンが、アルキル又はアルコキシによって任意選択的に置換された2つのフェニルラジカルを有するジフェニルヨードニウム塩であり、前記アルキル又はアルコキシのアルキル部分が1~10個の炭素原子を有する、請求項7に記載の放射線硬化性組成物。
- 前記第1の光開始剤が、ビス4-クミルヨードニウムテトラフェニルボレート又はビス4-tert-ブチルヨードニウムテトラフェニルボレートである、請求項1~9のいずれか一項に記載の放射線硬化性組成物。
- 前記組成物がフリーラジカルリン含有光開始剤を実質的に欠いているか、或いは約0.1wt%未満、好ましくは約0.05wt%未満、又は好ましくは約0.01wt%未満、又は約0.00wt.%の重量による量のフリーラジカルリン含有光開始剤を含有する、請求項1~10のいずれか一項に記載の放射線硬化性組成物。
- 前記組成物がノリッシュI型及び/又はノリッシュII型光開始剤を実質的に欠いているか、或いは約0.1wt%未満、又は約0.05wt%未満、又は約0.01wt%未満、又は約0.00wt%の重量による量のノリッシュI型及び/又はノリッシュII型光開始剤を含有する、請求項1~11のいずれか一項に記載の放射線硬化性組成物。
- 前記カチオン硬化性成分が、脂環式エポキシ化合物及びオキセタン化合物の両方を含む、請求項1~12のいずれか一項に記載の放射線硬化性組成物。
- 前記組成物が、375~405nmのピークスペクトル出力と、2mW/cm2の組成物の表面での照射量とを有する放射線を放出するUV/vis光学系に10秒間曝露されたときに、前記脂環式エポキシ化合物が少なくとも約35%、又は少なくとも約40%、又は少なくとも約45%の転化率を達成し、前記オキセタン化合物が少なくとも約40%、又は少なくとも約45%、又は少なくとも約50%の転化率を達成する、請求項13に記載の放射線硬化性組成物。
- 前記第1の光開始剤が、約0.1wt%~約1wt%の量で前記組成物中に存在する、請求項1~14のいずれか一項に記載の放射線硬化性組成物。
- 第2のヨードニウム塩カチオン光開始剤をさらに含み、前記第2のヨードニウム塩カチオン光開始剤が、約0.5wt%~約8wt%の量で前記組成物中に存在する、請求項1~15のいずれか一項に記載の放射線硬化性組成物。
- 光増感剤をさらに含む、請求項1~16のいずれか一項に記載の放射線硬化性組成物。
- 還元剤をさらに含み、前記還元剤が、ビニル基に結合した電子供与性置換基を有する、請求項1~17のいずれか一項に記載の放射線硬化性組成物。
- 前記還元剤が、ビニルエーテル化合物を含む、からなる、又はから本質的になり、好ましくは、前記ビニルエーテル化合物が少なくとも2つのビニル基を有する、請求項18に記載の放射線硬化性組成物。
- 前記光増感剤が、約0.05~約0.8wt%の重量による量で前記組成物中に存在し、前記還元剤が、約1wt%~約10wt%の重量による量で前記組成物中に存在する、請求項17~19のいずれか一項に記載の放射線硬化性組成物。
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