JP2023019376A - 近赤外線硬化型インク組成物、近赤外線硬化膜、近赤外線硬化物の製造方法 - Google Patents

近赤外線硬化型インク組成物、近赤外線硬化膜、近赤外線硬化物の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】複合タングステン酸化物を含有する近赤外線吸収粒子を含み、硬化させた場合によりニュートラルな色調とすることが可能な近赤外線硬化型インク組成物を提供する。【解決手段】熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂と、近赤外線吸収粒子と、を含み、前記近赤外線吸収粒子は、一般式CsxW1-yO3-z(0.2≦x≦0.4、0<y≦0.4、0<z≦0.46)で表わされ、斜方晶または六方晶の結晶構造を備えたセシウムタングステン酸化物を含有する近赤外線硬化型インク組成物。【選択図】図1

Description

本発明は、近赤外線硬化型インク組成物、近赤外線硬化膜、近赤外線硬化物の製造方法
に関する。
近年、紫外線の光を利用して硬化させる紫外線硬化型塗料は、加熱することなく印刷が可能である為、例えば特許文献1~特許文献6に記載されているように環境対応型塗料として広く知られている。
しかしながら、紫外線硬化型のインクや塗料として、紫外線照射によりラジカル重合が行われる組成物を用いた場合には酸素が存在すると重合(硬化)が阻害される。他方、紫外線の照射によりカチオン重合が行われる組成物を用いた場合には、その重合中に強酸が発生する、という問題があった。
さらに、得られた印刷面や塗布面の耐光性を高める為に、一般的に、当該印刷面や塗布面へ紫外線吸収剤が添加される。しかし、紫外線硬化型のインクや塗料へ紫外線吸収剤を添加した場合には、紫外線照射による硬化が阻害されるという問題があった。
これらの問題を解決するために、特許文献7、特許文献8には紫外線ではなく近赤外線の照射により硬化する近赤外線硬化型組成物が提案されている。
また、本出願の出願人は特許文献9、特許文献10において、複合タングステン酸化物を含む近赤外線硬化型インク組成物を開示している。
特開平7-100433号公報 特開2001-146559号公報 特開2009-057548号公報 特開2012-140516号公報 特開2000-037943号公報 特開2004-18716号公報 特開2008-214576号公報 特開2015-131928号公報 国際公開第2017/047736号 国際公開第2019/054478号
K. Adachi and T. Asahi, "Activation of plasmons and polarons in solar control cesium tungsten bronze and reduced tungsten oxide nanoparticles," Journal of Material Research, Vol. 27, 965-970 (2012) S. Yoshio and K. Adachi, "Polarons in reduced cesium tungsten bronzes studied using the DFT+U method," Materials Research Express, Vol. 6, 026548 (2019) K. Machida, M. Okada, and K. Adachi, "Excitations of free and localized electrons at nearby energies in reduced cesium tungsten bronze nanocrystals," Journal of Applied Physics, Vol. 125, 103103 (2019) S. F. Solodovnikov, N.V. Ivannikova, Z.A. Solodovnikova, E.S. Zolotova, "Synthesis and X-ray diffraction study of potassium, rubidium, and cesium polytungstates with defect pyrochlore and hexagonal tungsten bronze structures," Inorganic Materials, Vol. 34, 845-853 (1998) M. Okada, K. Ono, S. Yoshio, H. Fukuyama and K. Adachi, "Oxygen vacancies and pseudo Jahn-Teller destabilization in cesium-doped hexagonal tungsten bronzes," Journal of American Ceramic Society, Vol. 102, 5386-5400 (2019) S. Yoshio, M. Okada, K. Adachi, "Destabilization of Pseudo Jahn-Teller Distortion in Cesium-doped Hexagonal Tungsten Bronzes", J. Appl. Phys., vol. 124, 063109-1-8 (2018)
しかし本発明の本発明者らの検討によると、上述した特許文献7、特許文献8に記載の近赤外線硬化型組成物は、いずれも近赤外線吸収特性が十分でないといった問題を有していた。
これに対して、特許文献9、特許文献10に開示された近赤外線硬化型インク組成物が含有する複合タングステン酸化物微粒子は、可視光の透過率が高く、かつ吸収率が低いにも関わらず、近赤外領域の光の透過率が低く、かつ吸収率が高い材料である。このため、係る複合タングステン酸化物微粒子を含有する近赤外線硬化型インク組成物についても近赤外線吸収特性に優れている。
しかしながら、複合タングステン酸化物微粒子は、可視光のうち長波長の光、すなわち赤色の光を優先的に吸収するため、青色の着色を伴い、青色の度合いは該微粒子の添加量が増加すると強くなった。このため、複合タングステン酸化物微粒子を近赤外線吸収成分として含有させて得られた硬化膜等は、青の着色を伴い、青の補色である黄系や青以外の淡色へ、他の顔料の添加により彩るのは困難であった。
そこで、本発明の一側面では、複合タングステン酸化物を含有する近赤外線吸収粒子を含み、硬化させた場合によりニュートラルな色調とすることが可能な近赤外線硬化型インク組成物を提供することを目的とする。
本発明の一側面では、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂と、
近赤外線吸収粒子と、を含み、
前記近赤外線吸収粒子は、一般式Cs1-y3-z(0.2≦x≦0.4、0<y≦0.4、0<z≦0.46)で表わされ、斜方晶または六方晶の結晶構造を備えたセシウムタングステン酸化物を含有する近赤外線硬化型インク組成物を提供する。
本発明の一側面では、複合タングステン酸化物を含有する近赤外線吸収粒子を含み、硬化させた場合によりニュートラルな色調とすることが可能な近赤外線硬化型インク組成物を提供することができる。
図1は、セシウムタングステン酸化物の結晶構造の説明図である。 図2は、セシウムタングステン酸化物のエネルギーバンド構造である。 図3は、セシウムタングステン酸化物の誘電関数である。 図4は、実験例1-1で得られた粉末A´のc軸方向から撮った電子線回折像である。 図5は、実験例1-1で得られた粉末Aの擬六方晶粒子の[001]HEX晶帯軸の電子線回折像である。 図6は、実験例1-1で得られた粉末Aの擬六方晶粒子の[221]晶帯軸から観察したSTEM-HAADF像である。 図7は、実験例1-2で得られた粉末Bの擬六方晶粒子の[001]HEX晶帯軸の電子線回折像である。 図8は、実験例1-3で得られた粉末Cの擬六方晶粒子の[001]HEX晶帯軸の電子線回折像である。
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明するが、本発明は、下記の実施形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、下記の実施形態に種々の変形および置換を加えることができる。
[近赤外線硬化型インク組成物]
本実施形態の近赤外線硬化型インク組成物について、[1]近赤外線吸収粒子および近赤外線吸収粒子の製造方法、[2]近赤外線吸収粒子分散液、[3]近赤外線硬化型インク組成物、[4]近赤外線硬化型インク組成物の製造方法の順に説明する。
[1]近赤外線吸収粒子および近赤外線吸収粒子の製造方法
(近赤外線吸収粒子)
従来から、近赤外線吸収粒子として用いられているセシウム添加六方晶タングステンブロンズ粒子の透過色は、その誘電関数虚部(ε)(実験で得られたεは非特許文献1に掲載されている)、およびバンド構造(非特許文献2)により規定される。
可視光線のエネルギー領域(1.6eV~3.3eV)において、セシウム添加六方晶タングステンブロンズ(以下Cs-HTBと短縮する)はバンドギャップが十分に大きくなっている。加えてタングステンのd-d軌道間電子遷移などがFermi黄金律により禁制となるため電子遷移の確率が小さくなり、εが小さい値を取る。εは電子による光子の吸収を表わすため、εが可視波長で小さければ可視光透過性が生ずる。しかしながら可視光線領域で波長が最も短い青波長の近傍では、バンド間遷移による吸収が存在し、また波長が最も長い赤波長の近傍では、局在表面プラズモン共鳴(LSPR)吸収とポーラロニックな電子遷移吸収が存在する(非特許文献3)。このため、それぞれ光透過性の制約を受ける。
上述の様にCs-HTBではバンドギャップが十分大きいためにバンド間遷移が青波長の光のエネルギー以上となり、青の透過性が高くなる。逆に赤波長の側では、Cs-HTBは伝導電子が多いためLSPR吸収とポーラロニック吸収が強くなり、同時に吸収波長が赤波長の側に近寄るため、透過性が低くなる。従ってCs-HTB粒子分散膜等の透過色は青く見えるのである。
すなわちCs-HTBの青系の透過色を中性化するためには、青側の吸収を強め、赤側の透過を強めればよいが、そのためにはバンド間遷移の吸収位置を低エネルギーにシフトさせ、またLSPR吸収とポーラロニック吸収を弱めて低エネルギー側へシフトさせることが好ましい。
LSPR吸収やポーラロニック吸収を弱めるには、材料に含有される自由電子と束縛電子の量を減少させることが有効である。
上述の青側の吸収の増加は、バンドギャップを低エネルギーにもつような異なるエネルギーバンド構造の材料をベースとすることにより実現される。また、赤側の透過は、自由電子や束縛電子の発生源であるセシウムイオン(Cs)や酸素の空孔(V)の量を加減してコントロールできる。
本発明の発明者らは、以上の考察に基づき、セシウム(Cs)、およびタングステン(W)を含む酸化物であるセシウムタングステン酸化物を種々検討の結果、CsおよびWを含むセシウムタングステン酸化物前駆体nCsO・mWO(n,mは整数、3.6≦m/n≦9.0)の結晶粉末を還元することで得られたセシウムタングステン酸化物を含有する近赤外線吸収粒子とした場合に、分散させた透過膜等の近赤外線吸収粒子分散体や、近赤外線吸収粒子分散液の色調も青みが減少して中性化することを見出した。また、係る近赤外線吸収粒子を含有する近赤外線硬化型インク組成物やその硬化物についても、よりニュートラルな色調を有することが可能になることを見出した。
上記近赤外線吸収粒子は、バンドギャップが六方晶Cs-HTBよりも狭く青の透過性が低い化合物から出発して、これを還元することによってVを徐々に増加させ、LSPR吸収とポーラロニック吸収を許容される範囲内で徐々に大きくして赤の透過率を適正化することで色調が中性化したものと考えられる。
Csを含む上記セシウムタングステン酸化物前駆体nCsO・mWOでは陽性元素であるCsとWの電荷はOによって中和されており、非導電体である。Cs22、Cs2063、Cs19、Cs1135、Cs1136、Cs10などWO-CsOラインに並ぶ化合物では、価数がバランスしているため、フェルミエネルギーEは価電子帯と伝導帯の間に存在し、非導電体となっている。Cs/W比(モル比)が0.2以上では、イオン半径の大きなCsを取り込むために、W-O八面体が作る基本骨格は、大きな六方空隙を有する六方対称の構造か、または大きな六方空隙を持つ六方晶や立方晶(パイロクロア構造)の原子配列にW欠損(タングステン欠損)を含む面欠陥が入って対称性が斜方晶や単斜晶に下がった結晶構造となっている。
例えば2CsO・11WOでは、Solodovnikov1998(非特許文献4)のモデルにおいて、六方晶タングステンブロンズと同様なW-O八面体の六方配列の中に、六方晶(110)面(=斜方晶(010)面)に斜方晶単位胞のb/8ピッチでWとOが欠損した面が挿入されて全体としては斜方晶になっている。これらのセシウムタングステン酸化物前駆体nCsO・mWO(n,mは整数、3.6≦m/n≦9.0)ではバンドギャップがCs-HTBよりも狭く、従って青の透過性は低い。しかし、これを加熱還元すると、全体が徐々にタングステンブロンズの六方晶構造へと変化し、その過程でバンド構造が変化し、バンドギャップが広がって青の吸収が弱くなっていくために、青の透過が強くなっていくことが分かった。加えてこの時、還元の進行と共に、伝導帯に電子が徐々に注入されて導電体になると共に、バンドギャップはBurstein-Moss効果により徐々に広がるので、青の透過は更に強くなる。
加熱還元によって斜方晶が六方晶になる時、斜方晶中のW欠損を含む面欠陥は徐々に消滅して、W-O八面体の六方晶骨格が形成される。W欠損を含む面欠陥は(010)ORTH面上に存在するが、この面は六方晶プリズム面{100}HEX、すなわち[(100)HEX,(010)HEX,(110)HEX]に引き継がれるので、加熱還元と共に徐々に{100}HEX面に欠陥を含む六方晶となる。この時の六方晶は{100}HEX面に欠陥を含むために完全な六方対称からはずれており、擬六方晶とも言える状態である。このように加熱還元と共に結晶構造は、斜方晶から擬六方晶、さらには六方晶へと変化をする。この時斜方晶に含まれていたW欠損を含む(010)ORTH面の面欠陥は、{100}HEX面の面欠陥に継承されて徐々に減少し、最終的に消滅すると考えられる。
加熱還元時の結晶構造変化に伴って、電子構造も変化する。W欠損の消滅は材料に多量の電子注入をもたらす。斜方晶ではCsの外殻電子はOの中和に費やされて全体として電荷中性となっているが、W欠損が減少して擬六方晶になると、W原子1個当たり6個の外殻電子がOの中和に費やされることにより、Csの外殻電子は伝導帯下部のW-5d軌道に入って自由電子となる。この自由電子はLSPR吸収により近赤外線の吸収をもたらす。一方加熱還元は、同時にVを生成する作用がある。Vの生成はランダムなサイトで進行する。Vが生ずるとその両隣のW原子は電荷過剰となり、W5+に束縛された局在電子が発生する(非特許文献2)。この局在電子は伝導帯上部の空位に遷移してポーラロニック吸収をもたらすが、一部は自由電子軌道に励起されてLSPR吸収をもたらす(非特許文献3)。これらの自由電子と束縛電子による吸収は、いずれもピーク波長が近赤外であるために、吸収の裾野が赤の波長にかかり、従って赤の透過性を低くする。自由電子と束縛電子の量が多いほど、すなわち還元の度合いが増すほど、LSPR吸収とポーラロニック吸収波長は高波長へシフトし、吸収量も大きくなるので、赤の透過性は減少する。
従って、セシウムタングステン酸化物前駆体nCsO・mWO(n,mは整数、3.6≦m/n≦9.0)の結晶粉末を還元し、その際の還元の度合いを調整することで、青系の透過色を中性化できる。
以上に説明した本実施形態の近赤外線吸収粒子は、CsおよびWを含むセシウムタングステン酸化物前駆体nCsO・mWOの結晶粉末を、650℃以上950℃以下の還元雰囲気中で加熱することにより作製できる。上記セシウムタングステン酸化物の式中のn,mは整数であり、3.6≦m/n≦9.0を満たすことが好ましい。
すなわち、近赤外線吸収粒子として、セシウムおよびタングステンを含むセシウムタングステン酸化物前駆体nCsO・mWO(n,mは整数、3.6≦m/n≦9.0)の結晶粉末を、還元性気体の雰囲気中、650℃以上950℃以下で加熱、還元して得られた粒子を用いることができる。
加熱、還元によって全部または一部が六方晶タングステンブロンズとなるためには、上記m/nの値は上述のように3.6≦m/n≦9.0の範囲にある必要がある。もし3.6未満の場合は加熱、還元後に立方晶パイロクロア相となり、着色が強く近赤外線吸収も起こらない。また9.0より大きい場合には、加熱、還元後に六方晶タングステンブロンズと三酸化タングステンに相分離して、近赤外線吸収効果が著しく減少する。上記セシウムタングステン酸化物前駆体は、m/n=5.5である、Cs1135であることがより好ましい。すなわち、近赤外線吸収粒子として、主相としてCs1135相を含むセシウムタングステン酸化物前駆体を、還元性気体の雰囲気中、650℃以上950℃以下で加熱、還元して得られた粒子を用いることがより好ましい。Cs1135の高温還元により得られた近赤外線吸収粒子とすることで、該近赤外線吸収粒子を分散させた際に、青みの抑制された透過色をもちつつ大きな近赤外線吸収効果が得られる。なお、ここでいう主相とは、質量比で最も多く含まれている相であることを意味する。
上述のようにセシウムタングステン酸化物を還元する際の加熱温度は650℃以上950℃以下が好ましい。650℃以上とすることで斜方晶から六方晶への構造変化を十分に進行させ、近赤外線吸収効果を高められる。また、950℃以下とすることで、結晶構造変化のスピードを適切に保ち、容易に適切な結晶状態と電子状態に制御することができる。なお、上記加熱温度を950℃よりも高くし、還元が行き過ぎるとWメタルやWOなどの低級酸化物が生成される場合があり、係る観点からも好ましくない。
そして、本実施形態の近赤外線吸収粒子は、一般式Cs1-y3-z(0.2≦x≦0.4、0<y≦0.4、0<z≦0.46)で表わされ、斜方晶または六方晶の結晶構造を備えたセシウムタングステン酸化物を含有できる。なお、近赤外線吸収粒子は、斜方晶の結晶構造を備えたセシウムタングステン酸化物、および六方晶の結晶構造を備えたセシウムタングステン酸化物を同時に含有することもできる。
近赤外線吸収粒子が含有するセシウムタングステン酸化物が、上記一般式を充足することで、W欠損や、酸素の空孔Vの程度が適切な範囲にあり、分散させて近赤外線硬化型インク組成物等とした場合に、日射透過率を抑制しつつも、その硬化物についても透過色がよりニュートラルな色調とすることができる。
なお、近赤外線吸収粒子は、上記複合タングステン酸化物からなることもできる。ただし、この場合でも製造工程等で混入する不可避不純物を含有することを排除するものではない。
従来知られている近赤外線吸収用タングステンブロンズは六方晶構造を有している。一方、本実施形態の近赤外線吸収粒子が有する複合タングステン酸化物は、斜方晶または六方晶の結晶構造を有することができる。なお、ここでの六方晶には、擬六方晶も含まれる。
近赤外線吸収粒子が含有する複合タングステン酸化物であるセシウムタングステン酸化物は、斜方晶の(010)面、六方晶のプリズム面である{100}面、六方晶の底面である(001)面から選択された1以上の面に、線状または面状の欠陥を有することが好ましい。上記欠陥は、面相互のずれに基づく積層不正や、面内でのCs原子やW原子の配列や原子位置の乱れを含むものであり、そのために往々にして電子線回折スポットにストリークを伴うことがある。上記六方晶のプリズム面である{100}面は、(100)面、(010)面、および(110)面を意味する。複合タングステン酸化物の係る欠陥、すなわち格子欠陥は、少なくともW欠損、具体的にはWの一部欠損を伴っており、このW欠損が結晶中の電子の欠落を招き、既述のようにこれが本質的な原因の一つとなって青色調の中性化に作用する。
セシウムタングステン酸化物は欠陥を有し、係る欠陥は、上述のようにタングステン欠損を含むことができる。
また、セシウムタングステン酸化物の基本構造である斜方晶または六方晶の結晶を構成するW-O八面体、すなわちWO八面体の、Oの一部がさらに欠損を有することもできる。係る欠損はランダムな欠損とすることができる。この八面体酸素の空孔Vは上述のようにランダムに導入することができ、既知の六方晶タングステンブロンズCs0.32WO3―yにおいてはy=0.46またはO全格子点の最大15%に及ぶことが知られている(非特許文献5)。本実施形態の近赤外線吸収粒子が含有するセシウムタングステン酸化物を示す一般式Cs1―y3―zにおいて最大z=0.46の量のVを含むことができる。すなわちzは0.46以下とすることができる。
セシウムタングステン酸化物の格子定数は、結晶格子中の欠陥量、もしくは組成、および結晶性に対応している。a軸の値はこれらの変数に対してバラつきが観察されるが、c軸の値は格子欠陥量もしくは光学特性と比較的良く対応する。その結果、本実施形態の近赤外線吸収粒子が含有するセシウムタングステン酸化物は、六方晶換算のc軸長が7.560Å以上7.750Å以下であることが好ましい。セシウムタングステン酸化物の六方晶換算のc軸長を上記範囲とすることで、近赤外線吸収効果を十分高め、また可視光透過性を特に高められる。なお、セシウムタングステン酸化物が六方晶の場合には換算は不要であり、該六方晶でのc軸長が、上記六方晶換算のc軸長となる。
本実施形態の近赤外線吸収粒子が含有するセシウムタングステン酸化物は、X線粉末回折法で試料の回折パターンを測定すると、斜方晶と六方晶の混合相と同定されることが多い。例えばCs1135の原料を還元していくと、斜方晶Cs1135と六方晶Cs0.32WOの混相と同定される。この場合はRietveld解析などで各相の格子定数を求め、これらを六方晶換算の値に変換することができる。斜方晶は、既に説明の通り、格子欠陥面をもつ六方晶であるので、斜方晶の格子定数は、適切な格子対応モデルにより六方晶の格子定数へ変換できる。斜方晶と六方晶との間の格子の変化の対応をSolodovnikov1998のモデル(非特許文献4)と仮定すれば、このモデルに対する幾何学的関係から、4aorth +borth =64ahex = 64bhex 、corth=chexの関係が抽出されるので、これらの式を用いて、すべて六方晶換算の格子定数を求めることができる。なお、上記式中のaorth、borth、corthは斜方晶のa軸、b軸、c軸の長さを意味する。また、ahex、bhex、chexは六方晶のa軸、b軸、c軸の長さを意味する。
本実施形態の近赤外線吸収粒子が含有するセシウムタングステン酸化物は、Csの一部を添加元素により置換されていても良い。この場合、添加元素がNa、Tl、In、Li、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Al、Gaから選択された1種類以上であることが好ましい。
上記添加元素は電子供与性があり、CsサイトにあってW-O八面体骨格の伝導帯への電子供与を補助する。
本実施形態の近赤外線吸収粒子の平均粒径は特に限定されないが、0.1nm以上200nm以下であることが好ましい。これは、近赤外線吸収粒子の平均粒径を200nm以下とすることで、局在表面プラズモン共鳴がより顕著に発現されるため、近赤外線吸収特性を特に高めることができる、すなわち日射透過率を特に抑制できるからである。また、近赤外線吸収粒子の平均粒径を0.1nm以上とすることで、工業的に容易に製造することができるからである。また粒子径は、近赤外線吸収粒子を分散させた分散透過膜である近赤外線吸収粒子分散体等の色と密接に関係しており、ミー散乱が支配的な粒径範囲では、粒径が小さいほど可視光線領域の短波長の散乱が減少する。従って粒径を大きくすれば青い色調を特に抑制する作用があるが、100nmを超えると光散乱に伴う膜のヘイズが無視できない大きさとなり、200nmを超えると膜のヘイズの上昇に加えて、表面プラズモンの発生が抑制されてLSPR吸収が過度に小さくなる場合がある。
ここで、近赤外線吸収粒子の平均粒径は、透過型電子顕微鏡像から測定された複数の近赤外線吸収粒子の粒径の平均値や、分散液の動的光散乱法に基づく粒径測定装置で測定される分散粒径から知ることができる。
なお、特に可視光線領域の透明性を重視する用途に適用する場合、例えば近赤外線硬化型インク組成物やその硬化物の色調に対する影響を特に抑制することが求められる場合等には、さらに近赤外線吸収粒子による散乱低減を考慮することが好ましい。当該散乱低減を重視する場合には、近赤外線吸収粒子の平均粒径は30nm以下であることが特に好ましい。
また、近赤外線吸収粒子は、表面保護や、耐久性向上、酸化防止、耐水性向上などの目的で、表面処理を施しておくこともできる。表面処理の具体的な内容は特に限定されないが、例えば、本実施形態の近赤外線吸収粒子は、近赤外線吸収粒子の表面を、Si、Ti、Zr、Al、Znから選択された1種類以上の原子を含む化合物で被覆することができる。この際Si、Ti、Zr、Al、Znから選択された1種類以上の原子(元素)を含む化合物としては、酸化物、窒化物、炭化物等から選択された1種類以上が挙げられる。
ここで、セシウムタングステン酸化物、セシウムタングステン酸化物前駆体のバンド構造について説明する。
上述の説明のとおり、nCsO・mWO(n,mは整数、3.6≦m/n≦9.0)を高温で還元すると、より中性に近い透過色の日射遮蔽材料が得られることが示された。高温還元時には、W欠損の消滅を含む六方晶化とVの生成により伝導帯に電子が注入され、近赤外線吸収発現の源になると考えられるが、このような電子構造変化を第一原理計算によって裏付ける。
図1(a)にCs1135の結晶構造を示す。また、図1(b)にCs0.33WOであるCs1236の結晶構造を示す。図1(a)、図1(b)においては、セシウム11と、酸素12とが示されている。なお、同じ種類の原子には同じハッチングをつけている。タングステンは酸素12で形成された八面体中に配置されているため、図1(a)、図1(b)では示されていない。図1(b)はCs0.33WOを、図1(a)のCs1135と対比可能なように斜方晶で軸を取り直した構造である。
図1(a)のCs1135の構造は図1(b)のCs1236の結晶構造において、WとOが規則的に欠損した構造となっている。
上記図1(a)、図1(b)の結晶構造のセシウムタングステン酸化物のバンド構造を、それぞれ図2(a)、図2(b)に示す。また、図1(b)のCs1236を基準して、Wが1個欠損したCs1136のバンド構造、およびb軸方向に1.5倍のセルにして、Wが1個欠損したCs1754の各バンド構造をそれぞれ図2(c)、図2(d)に示す。
図2(a)、図2(b)に示したCs1135のバンド構造、およびCs1236のバンド構造は類似しているが、フェルミエネルギー(E)の位置が前者はバンドギャップ内にあり、後者は伝導帯下部にある。従ってCs1135は絶縁体であり、Cs1236は導電体である。Cs1135ではCs1236を基準に見るとWとOが単位胞に各1個不足している。WとOが満ち足りたCs1236では六方晶WOのネットワークが構成され、Cs電子がそのW-5d軌道に注入されて導電体になると解釈されている(非特許文献6)。
図2(c)のCs1136は、図2(b)のCs1236からWを1個減じた構造である。
図2(d)のCs1754、すなわち3CsO・17WOは、図2(b)Cs1236、すなわちCs1854からみて電荷中性を保持しながらWを1個減じた構造である。
W欠損の量が図2(a)、図2(d)、図2(b)の順に減少するが、Eが順に伝導帯底部側に上昇しており、W電子がW-5d軌道に注入されて伝導電子が増加し、近赤外線吸収が大きくなることを裏付けている
Cs1236からOが欠損した場合はすでに詳しい計算例が報告されており、伝導帯底部に局在軌道が導入されると共に自由電子と局在電子が顕著に増加することが分かっている(非特許文献2)。
実験的に得られる擬六方晶(斜方晶と六方晶の相転移途中にある中間構造)では、以上の要素が混在した電子状態と考えられる。すなわち還元に伴って、W欠損の消滅を含む六方晶化とVの生成により、伝導帯に少しずつ電子が注入され、フェルミエネルギーEがバンドギャップから伝導帯下部へ上がる。
これらのバンド構造を元にして、Drude項を含む誘電関数を計算した結果を図3に示す。図3(b)に示した誘電関数εのε=0の位置に着目すると、遮蔽されたプラズマ周波数(ΩSP)は、Cs1135、Cs1754、Cs1236、Cs1235の順に増加することが分かる。この順に近赤外線吸収は大きくなると予想されるが、この傾向は観察結果と一致する。
図3(a)に示した誘電関数εプロットから、セシウムタングステン酸化物では可視領域のεは一般に小さいことが分かる。点線31で示した青領域の3.3eVでは、バンド間遷移に規定されて、バンドギャップが狭いCs1135やCs1754の吸収が大きくなる。一方、点線32で示した赤領域の1.6eVでは、表面プラズモン吸収の裾野に影響されて、Cs1235の吸収が大きいことが分かる。赤領域の透過光はΩSPが減少する順に減少すると予想される。従来用いられていたセシウムタングステン酸化物と比較し、本実施形態の近赤外線硬化型インク組成物に好適に用いることができる近赤外線吸収粒子が含有するセシウムタングステン酸化物において青みが減少した理由は、WとOの欠損があるnCsO・mWO(3.6≦m/n≦9.0)を原料として用いたことによりW欠損を含むCs0.331-y3―z相が形成され、高エネルギー側の吸収が増加したためと考えられる。nCsO・mWO(3.6≦m/n≦9.0)の高温還元を調節することによりバンドギャップと伝導帯注入電子量が調節され、青みかかった色調を調節することができる。またその時の近赤外線吸収効果は比較的高い状態で維持されることが確認された。
(近赤外線吸収粒子の製造方法)
本実施形態の近赤外線吸収粒子の製造方法は特に限定されず、既述の特性を充足する近赤外線吸収粒子を製造できる方法であれば特に限定されず用いることができる。ここでは、近赤外線吸収粒子の製造方法の一構成例について説明する。
本実施形態の近赤外線吸収粒子の製造方法は、例えば以下の工程を有することができる。
セシウムを含むタングステン酸塩であるセシウムタングステン酸化物前駆体を合成するセシウムタングステン酸化物前駆体合成工程。
セシウムタングステン酸化物前駆体を、還元性気体の雰囲気中、650℃以上950℃以下で加熱、還元する加熱還元工程。
以下、各工程について説明する。
(1)セシウムタングステン酸化物前駆体合成工程
セシウムタングステン酸化物前駆体合成工程では、セシウムを含むタングステン酸塩、すなわちセシウムタングステン酸塩であるセシウムタングステン酸化物前駆体を合成できる。セシウムタングステン酸化物前駆体が既に合成されている場合には、本実施形態の近赤外線吸収粒子の製造方法は、加熱還元工程から開始することもできる。
なお、セシウムタングステン酸塩であるセシウムタングステン酸化物前駆体は、nCsO・mWO(n,mは整数、3.6≦m/n≦9.0)の結晶粉末であることが好ましい。セシウムタングステン酸塩であるセシウムタングステン酸化物前駆体としては、安
定なセシウムタングステン酸塩であることがより好ましい。安定なセシウムタングステン酸塩としては、Cs1135、Cs19、Cs2063、Cs22、Cs1136等から選択された1種類以上が挙げられる。セシウムタングステン酸化物前駆体は特に、主相としてCs1135相を含むセシウムタングステン酸化物前駆体であることがさらに好ましい。
これらのセシウムタングステン酸塩は例えば、セシウムやタングステンを含む原料粉末混合物を、大気中700℃以上1000℃以下で焼成することによって調製できる。なお、セシウムタングステン酸塩の製造方法は、上記形態に限定されず、例えばゾルゲル法や錯体重合法等のその他の方法を用いることもできる。
また出発原料として用いるセシウムタングステン酸塩として、気相合成などによって得られた非平衡タングステン酸塩を用いても良い。熱プラズマ法による粉体や電子ビーム溶解による粉体などがこれに含まれる。
(2)加熱還元工程
上記した出発物質としてのセシウムタングステン酸化物前駆体、具体的には例えば、斜方晶、単斜晶、擬六方晶から選択された1種以上の結晶構造を有するセシウムタングステン酸塩を、加熱還元工程に供することができる。
加熱還元工程では、上述のセシウムタングステン酸化物前駆体を、還元性気体の雰囲気中650℃以上950℃以下で加熱、還元することができる。加熱還元工程を実施することで、所望の組成のセシウムタングステン酸化物を含有する近赤外線吸収粒子が得られる。
加熱還元処理を行う場合、還元性気体の気流下で行うことが好ましい。還元性気体としては、水素等の還元性ガスと、窒素、アルゴン等から選択された1種類以上の不活性ガスとを含む混合気体を用いることができる。また水蒸気雰囲気や真空雰囲気での加熱その他のマイルドな加熱、還元条件を併用しても良い。
なお、本実施形態の近赤外線吸収粒子の製造方法は特に上記形態に限定されるものではない。近赤外線吸収粒子の製造方法としては、欠陥微細構造を含む所定の構造とすることが可能な種々の方法を用いることができる。近赤外線吸収粒子の製造方法は、固相法、液相法、気相法で得たタングステン酸塩を還元処理する方法や、溶融ハロゲン化アルカリ中でWOを還元する方法等が挙げられる。
近赤外線吸収粒子の製造方法は、さらに任意の工程を有することもできる。
(3)粉砕工程
既述のように、近赤外線吸収粒子は微細化され、粒子となっていることが好ましい。このため、近赤外線吸収粒子の製造方法においては、加熱還元工程により得られた粉末を粉砕する粉砕工程を有することができる。
粉砕し、微細化する具体的な手段は特に限定されず、機械的に粉砕することができる各種手段を用いることができる。機械的な粉砕方法としては、ジェットミルなどを用いる乾式の粉砕方法を用いることができる。また、後述する近赤外線吸収粒子分散液を得る過程で、溶媒中で機械的に粉砕してもよい。この場合は、粉砕工程において、液状媒体中に近赤外線吸収粒子を分散させることになるため、粉砕、分散工程と言い換えることもできる。
(4)被覆工程
既述のように、近赤外線吸収粒子は、その表面をSi、Ti、Zr、Al、Znから選択された1種類以上の原子を含む化合物で被覆されていても良い。そこで、近赤外線吸収粒子の製造方法は、例えば近赤外線吸収粒子を、Si、Ti、Zr、Al、Znから選択された1種類以上の原子を含む化合物で被覆する被覆工程をさらに有することもできる。
被覆工程において、近赤外線吸収粒子を被覆する具体的な条件は特に限定されない。例えば、修飾する近赤外線吸収粒子に対して、上記原子群(金属群)から選択された1種類以上の原子を含むアルコキシド等を添加し、近赤外線吸収粒子の表面に被膜を形成できる。
[2]近赤外線吸収粒子分散液
次に、本実施形態の近赤外線吸収粒子分散液の一構成例について説明する。
本実施形態の近赤外線吸収粒子分散液は、例えば後述する近赤外線硬化型インク組成物を製造する際に用いることもできる。
本実施形態の近赤外線吸収粒子分散液は、既述の近赤外線吸収粒子と、水、有機溶媒、油脂、液状樹脂、液状可塑剤から選択された1種類以上である液状媒体と、を含むことができる。近赤外線吸収粒子分散液は、液状媒体に、近赤外線吸収粒子が分散された構成を有することが好ましい。
液状媒体としては、既述の様に、水、有機溶媒、油脂、液状樹脂、液状可塑剤から選択された1種類以上を用いることができる。
有機溶媒としては、アルコール系、ケトン系、炭化水素系、グリコール系など、種々のものを選択することが可能である。具体的には、イソプロピルアルコール、メタノール、エタノール、1-プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、ペンタノール、ベンジルアルコール、ジアセトンアルコール、1-メトキシ-2-プロパノールなどのアルコール系溶媒;ジメチルケトン、アセトン、メチルエチルケトン、メチルブロピルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン、イソホロンなどのケトン系溶媒;3-メチルーメトキシ-プロピオネ一卜、酢酸ブチルなどのエステル系溶媒;エチレングリコ
ールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールイソプロピルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールメチルエーテルアセテ一卜、プロピレングリコールエチルエーテルアセテ一卜などのグリコール誘導体;フォルムアミド、Nーメチ
ルフォルムアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセ卜アミド、N-メチル-2-ピロリドンなどのアミド類;トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素類;エチレンクロライド、クロルベンゼンなどのハロゲン化炭化水素類等から選択された1種類以上を挙げることができる。
もっとも、これらの中でも極性の低い有機溶媒が好ましく、特に、イソプロピルアルコール、エタノール、1-メトキシ-2-プロパノール、ジメチルケトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、トルエン、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテー卜、酢酸n-ブチルなどがより好ましい。これらの有機溶媒は、1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。
油脂としては例えば、アマニ油、ヒマワリ油、桐油等の乾性油、ゴマ油、綿実油、菜種油、大豆油、米糠油等の半乾性油、オリーブ油、ヤシ油、パーム油、脱水ヒマシ油等の不乾性油、植物油の脂肪酸とモノアルコールを直接エステル反応させた脂肪酸モノエステル、エーテル類、アイソパー(登録商標) E、エクソール(登録商標) Hexane、Heptane、E、D30、D40、D60、D80、D95、D110、D130(以上、エクソンモービル製)等の石油系溶剤から選択された1種類以上を用いることができる。
液状樹脂としては、例えば液状アクリル樹脂、液状エポキシ樹脂、液状ポリエステル樹脂、液状ウレタン樹脂等から選択された1種類以上を用いることができる。
液状可塑剤としては、例えばプラスチック用の液状可塑剤等を用いることができる。
近赤外線吸収粒子分散液が含有する成分は、上述の近赤外線吸収粒子、および液状媒体のみに限定されない。近赤外線吸収粒子分散液は、必要に応じてさらに任意の成分を添加、含有することもできる。
例えば、近赤外線吸収粒子分散液に必要に応じて酸やアルカリを添加して、当該分散液のpHを調整してもよい。
また、上述した近赤外線吸収粒子分散液中において、近赤外線吸収粒子の分散安定性を一層向上させ、再凝集による分散粒径の粗大化を回避するために、各種の界面活性剤、カップリング剤等を分散剤として近赤外線吸収粒子分散液に添加することもできる。
当該界面活性剤、カップリング剤等の分散剤は用途に合わせて選定可能であるが、該分散剤は、アミンを含有する基、水酸基、カルボキシル基、およびエポキシ基から選択された1種類以上を官能基として有するものであることが好ましい。これらの官能基は、近赤外線吸収粒子の表面に吸着して凝集を防ぎ、例えば近赤外線吸収粒子を用いて成膜した赤外線遮蔽膜中においても近赤外線吸収粒子を均一に分散させる効果をもつ。上記官能基(官能基群)から選択された1種類以上を分子中にもつ高分子系分散剤がさらに望ましい。
好適に用いることができる市販の分散剤としては、ソルスパース(登録商標)9000、12000、17000、20000、21000、24000、26000、27000、28000、32000、35100、54000、250(日本ルーブリゾール株
式会社製)、EFKA(登録商標) 4008、4009、4010、4015、4046
、4047、4060、4080、7462、4020、4050、4055、4400、4401、4402、4403、4300、4320、4330、4340、6220、6225、6700、6780、6782、8503(エフカアディティブズ社製)、アジスパー(登録商標) PA111、PB821、PB822、PN411、フェイメックスL-12(味の素ファインテクノ株式会社製)、DisperBYK (登録商標) 101、102、106、108、111、116、130、140、142、145、161、162、163、164、166、167、168、170、171、174、180、182、192、193、2000、2001、2020、2025、2050、2070、2155、2164、220S、300、306、320、322、325、330、340、350、377、378、380N、410、425、430(ピックケミ一・ジャパン株式会社製)、ディスパロン(登録商標) 1751N、1831、1850、1860、1934、DA-400N、DA-703-50、DA-725、DA-705、DA-7301、DN-900、NS-5210、NVI-8514L(楠本化成株式会社製)、アルフォン(登録商標) UC-3000 、UF-5022、UG-4010、UG-4035、UG-4070(東亞合成株式会社製)等から選択された1種類以上が、挙げられる。
近赤外線吸収粒子の液状媒体への分散処理方法は、近赤外線吸収粒子を液状媒体中へ分散できる方法であれば、特に限定されない。この際、近赤外線吸収粒子の平均粒径が200nm以下、となるように分散できることが好ましく、0.1nm以上200nm以下となるように分散できることがより好ましい。
近赤外線吸収粒子の液状媒体への分散処理方法としては、例えば、ビーズミル、ボールミル、サンドミル、ペイントシェーカー、超音波ホモジナイザーなどの装置を用いた分散処理方法が挙げられる。その中でも、媒体メディア(ビーズ、ポール、オタワサンド)を用いるビーズミル、ボールミル、サンドミル、ペイントシェーカー等の媒体撹拌ミルで粉砕、分散させることが所望とする平均粒径とするために要する時間を短縮する観点から好ましい。媒体撹拌ミルを用いた粉砕-分散処理によって、近赤外線吸収粒子の液状媒体中への分散と同時に、近赤外線吸収粒子同士の衝突や媒体メディアの近赤外線吸収粒子への衝突などによる微粒子化も進行し、近赤外線吸収粒子をより微粒子化して分散させることができる。すなわち、粉砕-分散処理される。
近赤外線吸収粒子の平均粒径は、上述のように0.1nm以上200nm以下であることが好ましい。これは、平均粒径が小さければ、幾何学散乱もしくはミー散乱による、波長400nm以上780nm以下の可視光線領域の光の散乱が低減されるからである。係る光の散乱が低減される結果、例えば本実施形態の近赤外線吸収粒子分散液を用いて得られる、近赤外線吸収粒子が樹脂等に分散した近赤外線吸収粒子分散体が曇りガラスのようになり、鮮明な透明性が得られなくなるのを回避できる。すなわち、平均粒径が200nm以下になると、光散乱は上記幾何学散乱もしくはミー散乱のモードが弱くなり、レイリー散乱モードになる。レイリー散乱領域では、散乱光は分散粒径の6乗に比例するため、分散粒径の減少に伴い散乱が低減し透明性が向上するからである。そして、平均粒径が100nm以下になると、散乱光は非常に少なくなり好ましい。
ところで、本実施形態の近赤外線吸収粒子分散液を用いて得られる、近赤外線吸収粒子が樹脂等の固体媒体中に分散した近赤外線吸収粒子分散体内の近赤外線吸収粒子の分散状態は、固体媒体への分散液の公知の添加方法を行う限り該分散液の近赤外線吸収粒子の平均粒径よりも凝集することはない。
また、近赤外線吸収粒子の平均粒径が0.1nm以上200nm以下であれば、製造される近赤外線吸収粒子分散体やその成形体(板、シートなど)が、単調に透過率の減少した灰色系のものになってしまうことを回避できる。
本実施形態の近赤外線吸収粒子分散液中の近赤外線吸収粒子の含有量は特に限定されないが、例えば0.01質量%以上80質量%以下であることが好ましい。これは近赤外線吸収粒子の含有量を0.01質量%以上とすることで十分な日射吸収率を発揮できるからである。また、80質量%以下とすることで、近赤外線吸収粒子を分散媒内に均一に分散させることができるからである。
[3]近赤外線硬化型インク組成物
本実施形態に係る近赤外線硬化型インク組成物について説明する。
本実施形態の近赤外線硬化型インク組成物は、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂と、近赤外線吸収粒子とを含むことができる。なお、近赤外線吸収粒子としては既述の近赤外線吸収粒子を用いることができる。このため、近赤外線吸収粒子は例えば一般式Cs1-y3-z(0.2≦x≦0.4、0<y≦0.4、0<z≦0.46)表わされ、斜方晶または六方晶の結晶構造を備えたセシウムタングステン酸化物を含有できる。なお、熱硬化性樹脂については、未硬化の状態、具体的には例えば流動性を有する状態とすることができる。
以下、本実施形態の近赤外線硬化型インク組成物が含有する成分について説明する。
(1)樹脂成分
本実施形態の近赤外線硬化型インク組成物は、樹脂成分、具体的には熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂を含有できる。
(1-1)熱硬化性樹脂について
熱硬化性樹脂としては特に限定されないが、例えば、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、フェノ-ル樹脂、エステル樹脂、ポリイミド樹脂、シリコ-ン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等から選択された1種類以上を用いることができる。
これらの熱硬化性樹脂は、近赤外線の照射を受けた近赤外線吸収粒子からの熱エネルギーを付与されて硬化するものであり、未硬化の樹脂である。そして、熱硬化性樹脂には、硬化反応によって熱硬化性樹脂を形成するモノマーやオリゴマー、および適宜添加される公知の硬化剤が含まれていても良い。さらに硬化剤へは公知の硬化促進剤を加えてもよい。
(1-2)熱可塑性樹脂について
熱可塑性樹脂としては、例えばポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリアミド樹脂、塩化ビニル樹脂、オレフィン樹脂、フッ素樹脂、ポリ酢酸ビニル樹脂、熱可塑性ポリウレタン樹脂、アクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、アクリロニトリル・スチレン共重合体樹脂、エチレン・酢酸ビニル共重合体樹脂等から選択された1種類以上を用いることができる。
これらの熱可塑性樹脂は、近赤外線の照射を受けた近赤外線吸収粒子からの熱エネルギーを付与されて一旦溶解し、その後の冷却で所望の形状へと硬化することができる。
(2)近赤外線吸収粒子
近赤外線吸収粒子としては、既述の近赤外線吸収粒子を用いることができる。近赤外線吸収粒子については既に説明したため、ここでは説明を省略する。
本実施形態の近赤外線硬化型インク組成物における、近赤外線吸収粒子の含有量は特に限定されず、近赤外線硬化型インク組成物に要求される特性等に応じて選択することができる。
本実施形態の近赤外線硬化型インク組成物に含まれる、近赤外線吸収粒子の量は、硬化反応の際に未硬化の熱硬化性樹脂が、硬化を行えるようにその量を選択し、添加すれば良い。また、本実施形態の近赤外線硬化型インク組成物に含まれる、近赤外線吸収粒子の量は、熱溶解反応の際に熱可塑性樹脂が溶解するようにその量を選択し、添加すれば良い。
従って、近赤外線硬化型インク組成物を塗布する際の塗布厚みも考慮して、近赤外線硬化型インク組成物の塗布面積当たりの近赤外線吸収粒子量を選択し、定めることができる。
近赤外線吸収粒子を近赤外線硬化型インク組成物中に分散させる方法については特に限定されないが、湿式媒体ミル等を用いることが好ましい。
(3)その他の成分
本実施形態の近赤外線硬化型インク組成物は、上記樹脂成分と近赤外線吸収粒子とのみから構成することもできるが、さらに任意の成分を含有することもでき、例えば目的に応じて以下に説明する顔料や、染料、分散剤、溶媒等を含有することもできる。なお、近赤外線硬化型インク組成物が、上述のように樹脂成分と近赤外線吸収粒子とのみから構成される場合でも、製造過程で混入する不可避成分等を含有することを排除するものではない。
(3-1)顔料および染料
既述のように、本実施形態の近赤外線硬化型インク組成物は、該インク組成物を着色するために有機顔料、無機顔料、染料から選択される1種類以上をさらに含むことができる。
(3-1-1)顔料
顔料としては、特に限定されず、公知の顔料を特に制限なく使用でき、不溶性顔料、レーキ顔料等の有機顔料、およびカーボンブラック等の無機顔料等から選択された1種類以上を好ましく用いることができる。
これらの顔料は、本実施形態の近赤外線硬化型インク組成物中に分散された状態で存在させることが好ましい。これらの顔料の分散方法としては、公知の方法を特に限定なく使用することができる。
なお、上記不溶性顔料は特に限定するものではないが、例えば、アゾ、アゾメチン、メチン、ジフェニルメタン、トリフェニルメタン、キナクリドン、アントラキノン、ペリレン、インジゴ、キノフタロン、イソインドリノン、イソインドリン、アジン、オキサジン、チアジン、ジオキサジン、チアゾール、フタロシアニン、ジケトピロロピロール等を用いることができる。
有機顔料についても特に限定するものではないが、好ましく用いることができる具体的顔料名を以下に挙げる。
マゼンタまたはレッド用の顔料としては、例えば、C.I.ピグメントレッド2、C.I.ピグメントレッド3、C.I.ピグメントレッド5、C.I.ピグメントレッド6、C.I.ピグメントレッド7、C.I.ピグメントレッド15、C.I.ピグメントレッド16、C.I.ピグメントレッド48:1、C.I.ピグメントレッド53:1、C.I.ピグメントレッド57:1、C.I.ピグメントレッド122、C.I.ピグメントレッド123、C.I.ピグメントレッド139、C.I.ピグメントレッド144、C.I.ピグメントレッド149、C.I.ピグメントレッド166、C.I.ピグメントレッド177、C.I.ピグメントレッド178、C.I.ピグメントレッド202、C.I.ピグメントレッド222、C.I.ピグメントバイオレット19等が挙げられる。
オレンジまたはイエロー用の顔料としては、例えば、C.I.ピグメントオレンジ31、C.I.ピグメントオレンジ43、C.I.ピグメントイエロー12、C.I.ピグメントイエロー13、C.I.ピグメントイエロー14、C.I.ピグメントイエロー15、C.I.ピグメントイエロー15:3、C.I.ピグメントイエロー17、C.I.ピグメントイエロー74、C.I.ピグメントイエロー93、C.I.ピグメントイエロー128、C.I.ピグメントイエロー94、C.I.ピグメントイエロー138等が挙げられる。
グリーンまたはシアン用の顔料としては、例えば、C.I.ピグメントブルー15、C.I.ピグメントブルー15:2、C.I.ピグメントブルー15:3、C.I.ピグメントブルー16、C.I.ピグメントブルー60、C.I.ピグメントグリーン7等が挙げられる。
ブラック用の顔料としては、例えば、C.I.ピグメントブラック1、C.I.ピグメントブラック6、C.I.ピグメントブラック7等が挙げられる。
無機顔料についても特に限定するものではないが、例えばカーボンブラック、二酸化チタン、硫化亜鉛、酸化亜鉛、リン酸亜鉛、混合酸化金属リン酸塩、酸化鉄、酸化マンガン鉄、酸化クロム、ウルトラマリン、ニッケルまたはクロムアンチモンチタン酸化物、酸化コバルト、アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、ケイ酸塩、酸化ジルコニウム、コバルトとアルミニウムの混合酸化物、硫化モリブデン、ルチル混合相顔料、希土類の硫化物、バナジン酸ビスマス、水酸化アルミニウムや硫酸バリウムからなる体質顔料等を好ましく用いることができる。
本発明に係る近赤外線硬化型インク組成物中に含有される分散状態の顔料の平均分散粒子径は特に限定されないが、例えば1nm以上100nm以下であることが好ましい。顔料分散液の平均分散粒子径が1nm以上100nm以下であれば、近赤外線硬化型インク組成物中の保存安定性が特に良好だからである。平均分散粒子径は、例えば動的光散乱法に基づく粒径測定装置である大塚電子株式会社製 ELS-8000で測定できる。
(3-1-2)染料
染料についても特に限定されるものではなく、油溶性染料または水溶性染料のいずれでも用いることができ、イエロー染料、マゼンタ染料、シアン染料等を好ましく用いることができる。
イエロー染料としては、例えばカップリング成分としてフェノール類、ナフトール類、アニリン類、ピラゾロン類、ピリドン類、開鎖型活性メチレン化合物類を有するアリールもしくはヘテリルアゾ染料;例えばカップリング成分として開鎖型活性メチレン化合物類を有するアゾメチン染料;例えばベンジリデン染料やモノメチンオキソノール染料等のようなメチン染料;例えばナフトキノン染料、アントラキノン染料等のようなキノン系染料などがあり、これ以外の染料種としてはキノフタロン染料、ニトロ・ニトロソ染料、アクリジン染料、アクリジノン染料等を挙げることができる。これらの染料は、クロモフォアの一部が解離して初めてイエローを呈するものであってもよく、その場合のカウンターカチオンはアルカリ金属や、アンモニウムのような無機のカチオンであっても良いし、ピリジニウム、4級アンモニウム塩のような有機のカチオンであってもよく、さらにはそれらを部分構造に有するポリマーカチオンであっても良い。
マゼンタ染料としては、例えばカップリング成分としてフェノール類、ナフトール類、アニリン類を有するアリールもしくはヘテリルアゾ染料;例えばカップリング成分としてピラゾロン類、ピラゾロトリアゾール類を有するアゾメチン染料;例えばアリーリデン染料、スチリル染料、メロシアニン染料、オキソノール染料のようなメチン染料;ジフェニルメタン染料、トリフェニルメタン染料、キサンテン染料のようなカルボニウム染料、例えばナフトキノン、アントラキノン、アントラピリドンなどのようなキノン系染料、例えばジオキサジン染料等のような縮合多環系染料等を挙げることができる。これらの染料は、クロモフォアの一部が解離して初めてマゼンタを呈するものであってもよく、その場合のカウンターカチオンはアルカリ金属や、アンモニウムのような無機のカチオンであっても良いし、ピリジニウム、4級アンモニウム塩のような有機のカチオンであってもよく、さらにはそれらを部分構造に有するポリマーカチオンであっても良い。
シアン染料としては、例えばインドアニリン染料、インドフェノール染料のようなアゾメチン染料;シアニン染料、オキソノール染料、メロシアニン染料のようなポリメチン染料;ジフェニルメタン染料、トリフェニルメタン染料、キサンテン染料のようなカルボニウム染料;フタロシアニン染料;アントラキノン染料;例えばカップリング成分としてフェノール類、ナフトール類、アニリン類を有するアリールもしくはヘテリルアゾ染料、インジゴ・チオインジゴ染料を挙げることができる。これらの染料は、クロモフォアの一部が解離して初めてシアンを呈するものであってもよく、その場合のカウンターカチオンはアルカリ金属や、アンモニウムのような無機のカチオンであっても良いし、ピリジニウム、4級アンモニウム塩のような有機のカチオンであってもよく、さらにはそれらを部分構造に有するポリマーカチオンであっても良い。また、ポリアゾ染料などのブラック染料も使用することができる。
水溶性染料についても特に限定されるものではなく、直接染料、酸性染料、食用染料、塩基性染料、反応性染料、等を好ましく用いることができる。
水溶性染料として、好ましく用いることができる具体的な染料名を以下に挙げる。
C.I. ダイレクトレッド2、4、9、23、26、31、39、62、63、72、75、76、79、80、81、83、84、89、92、95、111、173、184、207、211、212、214、218、21、223、224、225、226、227、232、233、240、241、242、243、247、
C.I. ダイレクトバイオレット7、9、47、48、51、66、90、93、94、95、98、100、101、
C.I. ダイレクトイエロー8、9、11、12、27、28、29、33、35、39、41、44、50、53、58、59、68、86、87、93、95、96、98、100、106、108、109、110、130、132、142、144、161、163、
C.I. ダイレクトブルー1、10、15、22、25、55、67、68、71、76、77、78、80、84、86、87、90、98、106、108、109、151、156、158、159、160、168、189、192、193、194、199、200、201、202、203、207、211、213、214、218、225、229、236、237、244、248、249、251、252、264、270、280、288、289、291、
C.I. ダイレクトブラック9、17、19、22、32、51、56、62、69、77、80、91、94、97、108、112、113、114、117、118、121、122、125、132、146、154、166、168、173、199、
C.I. アシッドレッド35、42、52、57、62、80、82、111、114、118、119、127、128、131、143、151、154、158、249、254、257、261、263、266、289、299、301、305、336、337、361、396、397、
C.I. アシッドバイオレット5、34、43、47、48、90、103、126、
C.I. アシッドイエロー17、19、23、25、39、40、42、44、49、50、61、64、76、79、110、127、135、143、151、159、169、174、190、195、196、197、199、218、219、222、227、
C.I. アシッドブルー9、25、40、41、62、72、76、78、80、82、92、106、112、113、120、127:1、129、138、143、175、181、205、207、220、221、230、232、247、258、260、264、271、277、278、279、280、288、290、326、
C.I. アシッドブラック7、24、29、48、52:1、172、
C.I. リアクティブレッド3、13、17、19、21、22、23、24、29、35、37、40、41、43、45、49、55、
C.I. リアクティブバイオレット1、3、4、5、6、7、8、9、16、17、22、23、24、26、27、33、34、
C.I. リアクティブイエロー2、3、13、14、15、17、18、23、24、25、26、27、29、35、37、41、42、
C.I. リアクティブブルー2、3、5、8、10、13、14、15、17、18、19、21、25、26、27、28、29、38、
C.I. リアクティブブラック4、5、8、14、21、23、26、31、32、34、
C.I. ベーシックレッド12、13、14、15、18、22、23、24、25、27、29、35、36、38、39、45、46、
C.I. ベーシックバイオレット1、2、3、7、10、15、16、20、21、25、27、28、35、37、39、40、48、
C.I. ベーシックイエロー1、2、4、11、13、14、15、19、21、23、24、25、28、29、32、36、39、40、
C.I. ベーシックブルー1、3、5、7、9、22、26、41、45、46、47、54、57、60、62、65、66、69、71、
C.I. ベーシックブラック8、等が挙げられる。
以上に説明した、着色材である顔料等の粒径は、近赤外線硬化型インク組成物の塗布装置の特性を考慮して定めることが好ましい。
(3-2)分散剤
本実施形態の近赤外線硬化型インク組成物は、分散剤をさらに含むこともできる。すなわち、既述の近赤外線吸収粒子を分散剤と共に、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂や、後述する任意の成分である溶媒中へ分散させてもよい。分散剤の添加により、近赤外線吸収粒子を近赤外線硬化型インク組成物中に容易に分散することができる。また、近赤外線硬化型インク組成物の塗布膜を硬化させた場合に、硬化のバラつきを特に抑制できる。
本実施形態の近赤外線硬化型インク組成物に用いる分散剤としては、特に限定されず、例えば市販の分散剤を任意に用いることができる。ただし、分散剤の分子構造として、ポリエステル系、ポリアクリル系、ポリウレタン系、ポリアミン系、ポリカプトラクトン系、ポリスチレン系の主鎖を有し、官能基に、アミノ基、エポキシ基、カルボキシル基、水酸基、スルホ基等を有するものが好ましい。このような分子構造を有する分散剤は、本実施形態の近赤外線硬化型インク組成物の塗布膜に近赤外線を数十秒間断続的に照射する際、変質し難い。従って、当該変質に起因する着色等の不具合が発生することを特に抑制できるからである。
好適に用いることができる市販の分散剤の具体例としては、例えば日本ルーブリゾール(株)製SOLSPERSE3000、SOLSPERSE9000、SOLSPERSE11200、SOLSPERSE13000、SOLSPERSE13240、SOLSPERSE13650、SOLSPERSE13940、SOLSPERSE16000、SOLSPERSE17000、SOLSPERSE18000、SOLSPERSE20000、SOLSPERSE21000、SOLSPERSE24000SC、SOLSPERSE24000GR、SOLSPERSE26000、SOLSPERSE27000、SOLSPERSE28000、SOLSPERSE31845、SOLSPERSE32000、SOLSPERSE32500、SOLSPERSE32550、SOLSPERSE32600、SOLSPERSE33000、SOLSPERSE33500、SOLSPERSE34750、SOLSPERSE35100、SOLSPERSE35200、SOLSPERSE36600、SOLSPERSE37500、SOLSPERSE38500、SOLSPERSE39000、SOLSPERSE41000、SOLSPERSE41090、SOLSPERSE53095、SOLSPERSE55000、SOLSPERSE56000、SOLSPERSE76500等;
ビックケミー・ジャパン(株)製Disperbyk-101、Disperbyk-103、Disperbyk-107、Disperbyk-108、Disperbyk-109、Disperbyk-110、Disperbyk-111、Disperbyk-112、Disperbyk-116、Disperbyk-130、Disperbyk-140、Disperbyk-142、Disperbyk-145、Disperbyk-154、Disperbyk-161、Disperbyk-162、Disperbyk-163、Disperbyk-164、Disperbyk-165、Disperbyk-166、Disperbyk-167、Disperbyk-168、Disperbyk-170、Disperbyk-171、Disperbyk-174、Disperbyk-180、Disperbyk-181、Disperbyk-182、Disperbyk-183、Disperbyk-184、Disperbyk-185、Disperbyk-190、Disperbyk-2000、Disperbyk-2001、Disperbyk-2020、Disperbyk-2025、Disperbyk-2050、Disperbyk-2070、Disperbyk-2095、Disperbyk-2150、Disperbyk-2155、Anti-Terra-U、Anti-Terra-203、Anti-Terra-204、BYK-P104、BYK-P104S、BYK-220S、BYK-6919等;
BASFジャパン(株)社製 EFKA4008、EFKA4046、EFKA4047、EFKA4015、EFKA4020、EFKA4050、EFKA4055、EFKA4060、EFKA4080、EFKA4300、EFKA4330、EFKA4400、EFKA4401、EFKA4402、EFKA4403、EFKA4500、EFKA4510、EFKA4530、EFKA4550、EFKA4560、EFKA4585、EFKA4800、EFKA5220、EFKA6230、JONCRYL67、JONCRYL678、JONCRYL586、JONCRYL611、JONCRYL680、JONCRYL682、JONCRYL690、JONCRYL819、JONCRYL-JDX5050等;
味の素ファインテクノ(株)アジスパーPB-711、アジスパーPB-821、アジスパーPB-822等が挙げられる。
なお、分散剤として、既述の近赤外線粒子分散液で説明した分散剤を用いることもできる。
(3-3)溶媒
本実施形態の近赤外線硬化型インク組成物は、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂と共に溶媒を用いることもできる。すなわち、本実施形態の近赤外線硬化型インク組成物は、溶媒をさらに含むこともできる。
この場合、近赤外線硬化型インク組成物の溶媒として、例えば熱硬化性樹脂の硬化反応時に未硬化の状態にある熱硬化性樹脂に含まれる熱硬化性樹脂のモノマーやオリゴマーと反応する、エポキシ基などの官能基を備えた反応性有機溶媒を用いることも好ましい。
溶媒の添加により、近赤外線硬化型インク組成物の粘性を調整できる。近赤外線硬化型インク組成物の粘性を調整することで、近赤外線硬化型インク組成物の塗布性や、塗布膜の平滑性を容易に確保できるからである。
溶媒についても特に限定されないが、例えば、水やメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、イソプロピルアルコール、イソブチルアルコール、ジアセトンアルコールなどのアルコール類、メチルエーテル、エチルエーテル、プロピルエーテルなどのエーテル類、エステル類、アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン、シクロヘキサノン、インブチルケトンなどのケトン類、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコールといった各種の有機溶媒が使用可能である。
なお、溶媒としては既述の近赤外線吸収粒子分散液で説明した液状媒体を用いることもできる。
(4)近赤外線硬化型インク組成物
上述したように、本実施形態の近赤外線硬化型インク組成物は、近赤外線吸収粒子を未硬化の熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂へ添加することで調製できる。また、本実施形態の近赤外線硬化型インク組成物は、近赤外線吸収粒子を適宜な溶媒中に分散した後、未硬化の熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を添加することで調製してもよい。なお、本実施形態の近赤外線硬化型インク組成物は、既述の近赤外線吸収粒子分散液に、未硬化の熱硬化性樹脂や、熱可塑性樹脂を添加することで調製することもできる。
本実施形態の近赤外線硬化型インク組成物は、既述の近赤外線吸収粒子を含有しているため、例えば基体上に塗布し、近赤外線を照射して硬化膜とした場合に、よりニュートラルな色調とすることが可能である。また、上記近赤外線吸収粒子は近赤外線の吸収特性に優れるため、近赤外線等を照射した場合に十分な熱を供給し、得られた硬化膜について、基体との密着性を十分に高めることができる。
なお、本実施形態の近赤外線硬化型インク組成物によれば、基体上に3次元物体を造形することもできる。すなわち3次元物体を造形する光造形法に最適な近赤外線硬化型インク組成物でもある。
既述のように、本実施形態の近赤外線硬化型インク組成物が溶媒を含有することで、その粘性を調整できるため、基体等に塗布する際の取り扱い性を高めることができる。
ただし、既述のように、本実施形態の近赤外線硬化型インク組成物は、溶媒を含有しなくても良い。本実施形態の近赤外線硬化型インク組成物が溶媒を含有しないことで、溶媒を揮発等させる操作を省くことができるため、近赤外線硬化型インク組成物の塗布物を硬化する際の効率を高めることができる。
なお、本実施形態の近赤外線硬化型インク組成物が溶媒を含む場合において、近赤外線硬化型インク組成物を塗布後に溶媒を除去する方法は特に限定されず、例えば減圧操作を加えた加熱蒸留法等を用いることができる。
[近赤外線硬化膜]
本実施形態の近赤外線硬化膜は、既述の近赤外線硬化型インク組成物の硬化物とすることができる。
本実施形態の近赤外線硬化膜は、例えば以下に説明する近赤外線硬化物の製造方法により製造することができる。
具体的には、基体等の表面に既述の近赤外線硬化型インク組成物を塗布し(塗布工程)た後、必要に応じて溶媒等を除去し、近赤外線を照射することで、該近赤外線硬化型インク組成物を硬化させる(硬化工程)ことができる。
上記塗布工程と、硬化工程とは繰り返し実施することもでき、所望の形状、サイズの近赤外線硬化膜とすることができる。また、基体上に3次元物体を造形することもでき、この場合、近赤外線硬化物ということもできる。
[近赤外線硬化物の製造方法]
本実施形態の近赤外線硬化物の製造方法は、以下の塗布工程と、硬化工程とを有することができる。
塗布工程では、基体上に、既述の近赤外線硬化型インク組成物を塗布し、塗布膜を形成できる。
硬化工程では、塗布膜に近赤外線を照射し、近赤外線硬化型インク組成物を硬化させることができる。
既述の近赤外線硬化型インク組成物は可視光透過性を有するため、当該近赤外線硬化型インク組成物を塗布して塗布膜を得、該塗布膜に対して近赤外線を照射して硬化させることにより、所定の基板へ優れた密着性を発揮する近赤外線硬化膜が得られる。
また、当該近赤外線硬化型インク組成物に各種顔料や染料を少なくとも1種類以上添加しておくことで着色膜を得ることもできる。当該着色膜においては近赤外線吸収粒子による色味への影響もほとんどないため、当該着色膜は液晶ディスプレイなどのカラーフィルター等に用いることも可能である。
本実施形態の近赤外線硬化膜において、上記優れた密着性を有する要因としては、近赤外線吸収粒子が、照射された近赤外線を吸収して発熱し、当該発熱の熱エネルギーが、未硬化の熱硬化性樹脂に含まれるモノマーやオリゴマー等による重合反応や、縮合反応、付加反応などの反応を促進して、熱硬化性樹脂の硬化反応を起こすためと考えられる。また、本実施形態の近赤外線硬化膜において、上記優れた密着性を有する要因としては、近赤外線の照射による近赤外線吸収粒子の発熱により、十分な熱が供給され、熱可塑性樹脂の溶解と冷却による硬化が起こるためとも考えられる。
なお、既述の近赤外線硬化型インク組成物は溶媒を含有することもできるが、上記近赤外線吸収粒子の発熱により溶媒等の揮発を行うこともできる。
既述の近赤外線吸収硬化型インク組成物が樹脂成分として熱硬化性樹脂を含有する場合、該近赤外線吸収硬化型インク組成物を用いて形成した近赤外線硬化膜へ、さらに近赤外線を照射しても当該硬化膜が再融解することはない。これは、係る近赤外線硬化膜が熱硬化性樹脂の硬化物を含むので、近赤外線の照射により近赤外線吸収粒子が発熱しても、再融解はしないためである。
この特性は、本実施形態の近赤外線硬化型インク組成物の塗布と近赤外線照射を繰り返し行い、近赤外線硬化型インク組成物の硬化物を繰り返し積層することで、3次元物体を造形する光造形法へ適用する際に、上述した基体への優れた密着性と相俟って、特に有効である。
以下、各工程について説明する。
(1)塗布工程
塗布工程では、基体上に、既述の近赤外線硬化型インク組成物を塗布し、塗布膜を形成できる。
塗布工程で、近赤外線硬化型インク組成物を塗布する基体(基材)の材料は特に限定されない。
基体としては、例えば、紙、樹脂、ガラス等から選択された1種類以上の基体を用いることができる。
上記樹脂としては特に限定されないが、例えばPET(ポリエチレンテレフタレート)等のポリエステルや、アクリル、ウレタン、ポリカーボネート、ポリエチレン、エチレン酢酸ビニル共重合体、塩化ビニル、ふっ素樹脂、ポリイミド、ポリアセタ-ル、ポリプロピレン、ナイロン等から選択された1種類以上を用いることができる。
基体の形状は特に限定されず、近赤外線硬化物に要求される形状に合わせた形状とすることができ、例えば板状形状とすることができる。
基体表面に近赤外線硬化型インク組成物を塗布する方法は特に限定されないが、ディッピング法、フローコート法、スプレー法、バーコート法、スピンコート法、グラビヤコート法、ロールコート法、スクリーン印刷法、ブレードコート法などを用いることができる。
(2)硬化工程
硬化工程では、塗布膜に近赤外線を照射し、近赤外線硬化型インク組成物を硬化させることができる。
近赤外線硬化型インク組成物の硬化方法としては、赤外線照射が好ましく、近赤外線照射がより好ましい。近赤外線はエネルギー密度が大きく、近赤外線硬化型インク組成物中の樹脂が硬化するのに必要なエネルギーを効率的に付与することができる。
赤外線照射と、公知の方法から選ばれる任意の方法とを組み合わせて、近赤外線硬化型インク組成物の硬化を行なうことも好ましい。例えば、加熱や送風、電磁波の照射といった方法を、赤外線照射と組み合わせて使用しても良い。
なお、本明細書において、赤外線とは0.1μm以上1mm以下の範囲の波長を有する電磁波を指し、近赤外線とは波長0.75μm以上4μm以下の赤外線を指し、遠赤外線は波長4μm以上1000μm以下の赤外線を指す。一般的に遠赤外線、近赤外線と呼ばれるどちらの赤外線を照射した場合であっても、近赤外線硬化型インク組成物を硬化させることができ、同様の効果を得ることができる。ただし、近赤外線を照射した場合には、より短時間で効率良く塗布膜を硬化できる。
既述のように、近赤外線硬化型インク組成物を硬化する際に、電磁波を近赤外線と共に照射することもできる。係る電磁波としてはマイクロ波を好適に用いることができる。なお、マイクロ波とは1mm以上1m以下の範囲の波長を有する電磁波を指す。
照射するマイクロ波は200W以上1000W以下のパワーを有することが好ましい。パワーが200W以上あれば、近赤外線硬化型インク組成物に残留する有機溶剤の気化が促進される、1000W以下であれば照射条件が穏和であり、基材や熱硬化性樹脂等の近赤外線硬化型インク組成物が含有する樹脂成分が変質する恐れが無い。
近赤外線硬化型インク組成物への赤外線照射時間は、照射するエネルギーや波長、近赤外線硬化型インクの組成、近赤外線硬化型インク塗布量によって異なり特に限定されない。例えば上記赤外線照射時間は、一般的には0.1秒間以上が好ましい。照射時間を0.1秒間以上とすることで、近赤外線硬化型インク組成物を硬化させるために十分な赤外線の照射の実施が可能となる。照射時間を長くすることで、例えば赤外線吸収硬化型インク組成物中の溶媒の十分な乾燥を行うことも可能であるが、高速での印刷や塗布を視野に入れると、照射時間は30秒間以内であることが好ましく、10秒間以内であることがより好ましい。
赤外線の放射源としては特に限定されず、赤外線は熱源から直接得ても良いし、熱媒体を介在させてそこから有効な赤外線放射を得ても良い。例えば、水銀、キセノン、セシウム、ナトリウム等の放電灯や、炭酸ガスレーザー、さらに白金、タングステン、ニクロム、カンタル等の電気抵抗体の加熱等により赤外線を得ることができる。なお、好ましい放射源としてハロゲンランプが挙げられる。ハロゲンランプは熱効率も良く、立ち上がりが早い等の利点がある。
塗布膜への赤外線の照射は、基体の近赤外線硬化型インク塗布面側から行っても、裏面側から行なっても良い。両面から同時に照射を行なうことも好ましく、昇温乾燥や送風乾燥と組み合わせることも好ましい。また、必要に応じて集光板を用いるのがより好ましい。これらの方法を組み合わせることで、短時間の赤外線照射で、近赤外線硬化型インク組成物を硬化させることが可能となる。
なお、本実施形態の近赤外線硬化物の製造方法によれば、既述の近赤外線硬化膜を製造することができる。また、近赤外線硬化型インク組成物の硬化物を繰り返し積層することで、3次元物体を造形することもできる。すなわち、既述の塗布工程と照射工程とを繰り返し実施し、所望の3次元構造を有する近赤外線硬化体を製造することもできる。
本実施形態の近赤外線硬化体の製造方法によれば、光造形法を実施することができる。すなわち、ここまで説明した塗布工程と、硬化工程とを有する光造形法とすることもできる。
以下、実施例を参照しながら本発明を具体的に説明する。但し、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
ここでまず以下の実験例における近赤外線吸収粒子の評価方法について説明する。
(化学分析)
得られた近赤外線吸収粒子の化学分析は、Csについては原子吸光分析(AAS)により、W(タングステン)についてはICP発光分光分析(1CP―OES)により行った。また、Oについては軽元素分析装置(LECO社製、型式ON―836)を用いて、Heガス中で試料を融解しルツボ中のカーボンと反応したCOガスをIR吸収分光法で定量する方法で分析した。なお、以下の実験例1-1~実験例1-13においては、W欠損を有するセシウムタングステン複合酸化物を含む近赤外線吸収粒子である粉末が得られている。このため、実験例1-1~実験例1-13で得られた近赤外線吸収粒子である粉末A~粉末Mについて、Wを1とした場合の組成比に、TEM観察等により求めたW欠損に応じた値をかけることで得られた組成比は、いずれも一般式Cs1-y3-z(0.2≦x≦0.4、0<y≦0.4、0<z≦0.46)を充足することを確認できている。
(X線回折測定)
X線回折測定はSpectris社のX'Pert-PRO/MPD装置でCu-Kα
線を用いて粉末XRD測定することで実施した。
標準サンプル(NIST640e)で回折角を較正してから測定を行った。そして、得られたXRD回折パターンについてリ一卜ベルト解析を行ない、結晶相の格子定数を求めた。なお、表1中、XRDの欄のパターンの欄に、同定した結晶相を表記しており、「斜方晶+六方晶」の場合には、斜方晶と六方晶とが含まれていることを意味する。また、「斜方晶」の場合には斜方晶が、「六方晶」の場合には六方晶が含まれていることを意味する。
斜方晶と六方晶の混相の場合は、各相に対する格子定数を求めた。そして、斜方晶の格子定数は、以下の格子対応モデルにより六方晶の格子定数へ変換した。斜方晶と六方晶との間の格子の変化の対応は、Solodovnikov1998のモデル(非特許文献4)から抽出した式、4aorth +borth =64ahex = 64bhex 、corth=chexを用いて、六方晶換算の格子定数を求めた。なお、上記式中のaorth、borth、corthは斜方晶のa軸、b軸、c軸の長さを意味する。また、ahex、bhex、chexは六方晶のa軸、b軸、c軸の長さを意味する。
[実験例1]
後述する実験例2で用いる近赤外線吸収粒子を製造し、評価を行った。
[実験例1-1]
炭酸セシウム(CsCO)と三酸化タングステン(WO)をモル比でCsCO:WO=2:11の比率となるように秤量、混合、混練して得られた混練物をカーボンボートに入れ、大気中、管状炉で、850℃で20時間を2回加熱し、ごく薄く緑がかった白色粉末である粉末A´を得た。なお、加熱する際、850℃で20時間加熱後に、一度取り出して粉砕・混合した後同じ条件で再加熱した。
得られた白色粉末である粉末A´について、以下のように評価を行った。
X線粉末回折パターンは、僅かにCs1136が混じったが、ほぼCs1135単相(ICDD 00-51-1891)と同定された。
格子定数は、a=14.6733Å、b=52.3841Å、c=7.7424Åと測定された。係る値は、Solodovnikov(非特許文献4)の値である、a=14.6686Å、b=52.3971Å、c=7.7356Åに極めて近かった。この白色粉末の化学分析結果はCs0.36WO3.18となり、ほぼ秤量組成に一致した。
次に、得られた白色粉末である粉末A´のTEM観察を行なった。制限視野電子線回折パターンを取ると、斜方晶のスポットパターンが得られた。図4に斜方晶のc軸方向から取ったスポットパターンを示す。b軸方向にb/8周期の周期性が出ており、WとOの欠損面の存在が確認された。またb軸方向に走るストリークから、b面には多少の面欠陥が存在することが分かった。このc軸晶帯軸のスポットパターンは6回対称に近いが、(480)と(4-80)スポットの角度が52.2°と、6回対称の場合の60°からずれており、b/8周期に入ったWとOの欠損面のために6回対称からずれたと考えられる。
得られた白色粉末であるCs1135粉末を、カーボンボートに薄く平らに敷き詰めて、管状炉内に配置し、Arガス気流中で室温から800℃まで加熱した。800℃で温度を保持しながら、Arガスをキャリアーとした1vol%Hガス(以下、vol%を単に%で記載する)を混合させた気流に切り替えて、5分間還元した後、Hガスを停止し、Arガス気流のみで100℃まで徐冷し、その後Arガス気流を止めて室温まで徐冷し、粉末Aを取り出した。取り出した粉末Aの色調は水色だった。
粉末AのXRDパターンは斜方晶と六方晶の2相混合パターンを示した。Rietveld法で各相の格子定数を求めたところ、斜方晶はa=14.6609Å、b=52.4040Å、c=7.7419Å(六方晶換算値はa=7.5062Å、c=7.7419Å)、六方晶はa=7.4170Å、c=7.5752Åであった。c軸の値は両者とも
7.560Å≦c≦7.750Åの範囲にあることを確認した。
次に粉末AのTEM観察を行なったところ、斜方晶粒子と、擬六方晶の粒子が観察された。
ここで、図5に擬六方晶粒子の電子線回折像を示す。擬六方晶粒子は、図5の[001]HEX晶帯軸の電子線回折像が示すように、六方晶に近い回折パターンを示した。ここで(200)HEXと(110)HEXの面間角度は59.2°と測定され、ほぼ六方晶に近い値であった。
次に粉末Aを、STEM-HAADFモードで観察した(STEM: scanning transmission electron microscopy、HAADF:High-angle annular dark field)。
擬六方晶粒子の[221]晶帯軸から観察したHAADF像を図6に示す。HAADFモードでは原子番号と、投影方向の原子存在確率に比例した明度で原子の粒が観察されるので、図6に暗く見える(110)HEXに沿った線状の領域は、原子番号が最も大きいWの欠損と同定された。このようなW欠損領域のトレースは、別方向からの観察により、(110)HEXに面状に広がっていることが確認された。また、コントラストの薄いトレースの一部は線状に収縮していると考えられる。
本実験例では加熱還元処理を5分間と後述する他の実験例よりも短い時間としており、高温での還元初期には、斜方晶(010)ORTHのW欠陥が収縮して擬六方晶へと構造転移が起こり、擬六方晶においては{100}HEX面に収縮途中の多くのW欠損領域が観察できた。
[実験例1-2]
実験例1-1で得た粉末A´であるCs1135粉末を、カーボンボートに薄く平らに敷き詰めて、管状炉内に配置し、Arガス気流中で室温から800℃まで加熱した。800℃で温度を保持しながら、Arガスをキャリアーとした1%Hガスを混合させた気流に切り替え、15分間還元した後、Hガスを停止し、Arガス気流のみで100℃まで徐冷し、その後Arガス気流を止めて室温まで徐冷し、粉末Bを取り出した。取り出した粉末Bの色調は青色だった。
粉末BのXRDパターンは斜方晶と六方晶の2相混合パターンを示した。Rietveld法で各相の格子定数を求めたところ、斜方晶はa=14.6576Å、b=52.4315Å、c=7.7412Å(六方晶換算値はa=7.5088Å、c=7.7412Å)、六方晶はa=7.4122Å、c=7.5940Åを得た。c軸の値は両者とも7
.560Å≦c≦7.750Åの範囲にあることを確認した。
次に粉末BのTEM観察を行なったところ、実験例1-1で得られた粉末Aの場合と同様に、斜方晶粒子と、擬六方晶の粒子が観察された。擬六方晶粒子は、図7の[001]HEX晶帯軸の電子線回折像が示すように、六方晶に近い回折パターンを示した。ここで(200)HEXと(110)HEXの面間角度は59.5°と測定され、ほぼ六方晶に近い値であった。
[実験例1-3]
実験例1-1で得た粉末A´であるCs1135粉末を、カーボンボートに薄く平らに敷き詰めて、管状炉内に配置し、Arガス気流中で室温から800℃まで加熱した。800℃で温度を保持しながら、Arガスをキャリアーとした1%Hガスを混合させた気流に切り替え、30分間還元した後、Hガスを停止し、Arガス気流のみで100℃まで徐冷し、その後Arガス気流を止めて室温まで徐冷し、粉末Cを取り出した。取り出した粉末Cの色調は濃青色だった。
粉末CのXRDパターンは斜方晶と六方晶の2相混合パターンを示した。Rietveld法で各相の格子定数を求めたところ、斜方晶はa=14.6649Å、b=52.4010Å,c=7.7451Å(六方晶換算値はa=7.5064Å、c=7.7451Å)、六方晶はa=7.4076Å、c=7.6107Åを得た。c軸の値は両者とも7.560Å≦c≦7.750Åの範囲にあることを確認した。
次に粉末CのTEM観察を行なったところ、実験例1-1で得られた粉末Aの場合と同様に斜方晶粒子と、擬六方晶の粒子が観察された。擬六方晶粒子は、図8の[001]晶帯軸の電子線回折像が示すように、六方晶の回折パターンを示した。ここで(200)HEXと(110)HEXの面間角度は60.0°と測定され、六方晶の値となった。
[実験例1-4~実験例1-7]
実験例1-1で得た粉末A´であるCs1135粉末を、還元処理する際の還元時間を、表1に示すように35分~90分に変えて粉末D、粉末E、粉末F、粉末Gを作製した。粉末D~粉末Gの粉末色調はすべて濃青色であり、XRD格子定数は、表に示すとおりである。
なお、表1に示したように、実験例1-4においては、斜方晶の相も観察され、六方晶に換算したc軸長さは、7.7440Å(実験例1-4)であった。
[実験例1-8~実験例1-11]
実験例1-1で得た粉末A´であるCs1135粉末を、加熱還元処理する際の加熱温度と還元時間を、表1に示すように変更した。具体的には、実験例1-8では650℃で120分間、実験例1-9では700℃で60分間、実験例1-10では900℃で10分間、実験例1-11では950℃で20分間とした。以上の点以外は実験例1-1の粉末Aを作製した場合と同様にして、粉末H、粉末I、粉末J、粉末Kを作製した。それぞれ水色、青色、濃青色、濃青色の粉末が得られた。得られた各粉末のXRDパターンから求めた格子定数は、表1に示す通りであった。
なお、表1に示したように、実験例1-8、実験例1-9においては、斜方晶の相も観察され、六方晶に換算したc軸長さは、7.7428Å(実験例1-8)、7.7471Å(実験例1-9)であった。
[実験例1-12]
炭酸セシウムと三酸化タングステンをモル比でCsCO:WO=3:11の比率で混合してカーボンボートに薄く平らに敷き詰めて、管状炉内に配置し、850℃で5時間加熱して、ごく薄く緑がかった白色粉末を得た。この白色粉末の主相はCs1136(ICDD1-70-632)と同定されたが、Cs1135との混相であった。
得られた白色粉末を、1%H-N気流中、800℃で30分間熱処理し、濃青色の粉末Lを得た。
粉末LのXRDパターンは、斜方晶と六方晶の2相混合パターンを示した。得られた粉末LのXRDパターンから求めた格子定数は、表1に示すとおりである。なお、上述のように斜方晶の相も観察され、六方晶に換算したc軸長さは7.7449Åであった。
[実験例1-13]
炭酸セシウムと三酸化タングステンをモル比でCsCO:WO=1:6の比率で混合してカーボンボートに薄く平らに敷き詰めて、管状炉内に配置し、850℃で5時間加熱して、ごく薄く緑がかった白色粉末を得た。この白色粉末の主相はCs1135と同定されたが、Cs19(ICDD00-045-0522)との混相であった。
得られた白色粉末を、1%H-N気流中、800℃で30分間熱処理し、濃青色の粉末Mを得た。
粉末MのXRDパターンは、斜方晶と六方晶の2相混合パターンを示した。得られた粉末MのXRDパターンから求めた格子定数は、表1に示すとおりである。なお、斜方晶の相も観察され、六方晶に換算したc軸長さは、7.7466Åであった。
Figure 2023019376000002
以上の実験例1-1~実験例1-13で示したように、白色のCs1135やCs1136、Cs19を含むCs1135の粉末を高温で還元すると、粉の色は徐々に水色から、青色、濃青色へと変化した。
またCs1135相ではW欠損を含む格子欠陥が存在し、斜方晶となっているが、これを高温で還元すると、W欠損を含む格子欠陥が低減、消滅すると共に、斜方晶が六方晶へと変化することが確認された。
なお、実験例1-1~実験例1-13で得られた粉末A~粉末Mが含有するセシウムタングステン酸化物はいずれもW欠損、およびO欠損を有していることを確認している。
[実験例2]
実験例1で製造した近赤外線吸収粒子を用いて近赤外線吸収硬化型インク組成物や、近赤外線吸収硬化膜(以下、単に「硬化膜」と記載する場合もある)を製造し、評価を行った。
実験例2-1~実験例2-14が実施例であり、実験例2-15、実験例2-16が比較例になる。
[実験例2-1]
実験例1-1で作製した粉末Aを20質量%と、官能基としてアミンを含有する基を有するアクリル系高分子分散剤(以下「分散剤a」と略称する)20質量%と、溶媒としてメチルイソブチルケトン60質量%とを秤量した。秤量したこれらの材料を0.3mm径のシリカビーズと共にガラス容器に入れ、ペイントシェーカーを用いて、1時間、分散・粉砕し、分散液Aを得た。
ここで、分散液A内における近赤外線吸収粒子の平均粒径(動的光散乱法に基づく粒径測定装置である大塚電子株式会社製 ELS-8000で測定される分散粒径)を測定すると、28.2nmであった。
分散液A25質量部と、市販の一液タイプで未硬化の熱硬化性樹脂を含む熱硬化型インク(帝国インキ製造社製、MEG スクリーンインキ(メジウム))75質量部とを混合して、実験例2-1に係る近赤外線硬化型インク組成物(以下、インクAと記載する)を調製した。
インクAを厚さ3mmの青板ガラス上にバーコーター(No.10)を用いて塗布し、塗布膜を形成した(塗布工程)。
次いで、該塗布膜に対して、近赤外線を照射し、近赤外線硬化膜(以下、硬化膜Aと記載する)を得た(硬化工程)。
なお、硬化工程においては、近赤外線の照射源として株式会社ハイベック社製ラインヒーター HYP-14N(出力980W)を用い、該ヒータを塗布膜の塗布面から5cmの高さに設置し、10秒間、近赤外線を照射した。
得られた硬化膜Aの膜厚は20μmであった。そして、目視にて透明であることが確認された。
硬化膜A中に分散されたセシウムタングステン酸化物粒子の平均粒径を、透過型電子顕微鏡像を用いた画像処理装置によって算出したところ、24nmであった。なお、各粒子の粒径は粒子の外接円の直径とし、100個の粒子について測定した各粒子の粒径の平均値として上記平均粒径を算出している。
硬化膜Aの密着性は、以下に示す方法で評価した。
硬化膜Aに、100個の升目状の切り傷を、隙間間隔1mmのカッターガイドを用いて付けた。そして、18mm幅のテープ(ニチバン株式会社製セロテープ(登録商標)CT-18)を升目上の切り傷面に貼り付け、2.0kgのローラーを20往復して完全に付着させた後、180度の剥離角度で急激に剥がし、剥がれた升目の数を数えた。剥がれた升目の数は0であった。
硬化膜Aへ、上述した近赤外線硬化型インク硬化の際と同条件の近赤外線を20秒間照射しても、当該硬化膜が再融解することはなかった。
また、作製された硬化膜Aの分光特性を、日立製作所製の分光光度計を用いて波長200nm以上2100nm以下の光の反射率により測定し、色指数を算出したところ、L=88、a=-1、b=8となり、ブルー色が非常に弱くニュートラルな色調であることが確認できた。
当該結果を表2に示す。また、表2には、後述する実験例2-2~実験例2-16で得られた結果についても併せて記載する。
[実験例2-2~実験例2-13]
粉末Aの代わりに実験例1-2~実験例1-13で調製した粉末B~粉末Mを用いた点以外は実験例2-1と同様にして、実験例2-2~実験例2-13に係る近赤外線硬化型インク組成物、硬化膜を得て評価した。当該評価結果を表2に示す。
[実験例2-14]
実験例2-1に係る熱硬化性樹脂の代わりに熱可塑性樹脂としてアクリル樹脂のメチルイソブチルケトン溶解物を用いた点以外は実験例2-1と同様にして、実験例2-14に係る近赤外線硬化型インク組成物、硬化膜を得て評価した。当該評価結果を表2に示す。
[実験例2-15]
粉末Aの代わりに実験例1-1で得た粉末A´であるCs1135粉末を用いた点以外は実験例2-1と同様にして、実験例2-15に係る近赤外線硬化型インク組成物、硬化膜を得て評価した。当該評価結果を表2に示す。
[実験例2-16]
炭酸セシウム(CsCO)水溶液、タングステン酸(HWO)、および二酸化タングステン粉末(WO)をCsO・5WO・4WOの組成となるように、秤量、混合、混練して原料混合物を調製した。十分に混合した後、原料混合物を、カーボンボートに薄く平らに敷き詰めて、Nガスをキャリアーとした1%Hガス気流下、550℃で60分間保持し、その後100%N気流に変えて1時間保持後800℃に昇温して1時間保持し、室温へ徐冷して粉末Oを得た。粉末Oの色は濃青色であった。化学分析の結果、組成Cs0.33WO2.74が得られた。
粉末OのXRDパターンは六方晶の単相を示した。Rietveld解析により格子定数a=7.4088Å、c=7.6033Åを得た。格子定数c軸の値は、好ましい値にあった。
次にTEM観察を行なったところ、特に目立った格子欠陥は見られなかった。STEM原子像観察においても目立った格子欠陥は観察されず、W欠損も見られなかった。
粉末Aの代わりに上記Cs0.33WO2.74粉末を用いた点以外は実験例2-1と同様にして、実験例2-16に係る近赤外線硬化型インク組成物、硬化膜を得て評価した。当該評価結果を表2に示す。
Figure 2023019376000003
表2に示した結果によると、一般式Cs1-y3-z(0.2≦x≦0.4、0<y≦0.4、0<z≦0.46)で表され、斜方晶または六方晶の結晶構造を備えたセシウムタングステン酸化物を含有する近赤外線吸収粒子を含む実験例2-1~実験例2-14の近赤外線硬化型インク組成物を用いて製造した硬化膜は、ブルー色が非常に弱くニュートラルな色調であることを確認できた。すなわち、これらの実験例の硬化膜は、複合タングステン酸化物を含有する近赤外線吸収粒子を含み、よりニュートラルな色調とすることが可能であることを確認できた。
これに対して、実験例2-15、実験例2-16の硬化膜が含有する近赤外線吸収粒子は、上記一般式を充足するセシウムタングステン酸化物を含有していない。
そして、実験例2-16の硬化膜はb値が負であり、青味が明確に認識されることが分かる。すなわち、実験例2-16の硬化膜はニュートラルな色調とすることはできないことを確認できた。
実験例2-15の硬化膜は、ニュートラルな色調とすることはできたものの、表2の結果から明らかなように密着性に劣ることを確認できた。これは、実験例2-15で用いた近赤外線硬化型インク組成物が含有する近赤外線吸収粒子の日射吸収率が低いためと考えられる。

Claims (15)

  1. 熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂と、
    近赤外線吸収粒子と、を含み、
    前記近赤外線吸収粒子は、一般式Cs1-y3-z(0.2≦x≦0.4、0<y≦0.4、0<z≦0.46)で表わされ、斜方晶または六方晶の結晶構造を備えたセシウムタングステン酸化物を含有する近赤外線硬化型インク組成物。
  2. 前記セシウムタングステン酸化物が、斜方晶の(010)面、六方晶のプリズム面である{100}面、六方晶の底面である(001)面から選択された1以上の面に線状または面状の欠陥を有する請求項1に記載の近赤外線硬化型インク組成物。
  3. 前記セシウムタングステン酸化物が欠陥を有し、前記欠陥がタングステン欠損を含む請求項1または請求項2に記載の近赤外線硬化型インク組成物。
  4. 前記セシウムタングステン酸化物は、六方晶換算のc軸長が7.560Å以上7.750Å以下である請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の近赤外線硬化型インク組成物。
  5. 前記セシウムタングステン酸化物の結晶を構成するWO八面体のOの一部に欠損がある請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の近赤外線硬化型インク組成物。
  6. 前記セシウムタングステン酸化物のCsの一部が添加元素により置換されており、
    前記添加元素がNa、Tl、In、Li、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Al、Gaから選択された1種類以上である請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の近赤外線硬化型インク組成物。
  7. 前記近赤外線吸収粒子の平均粒径が0.1nm以上200nm以下である請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の近赤外線硬化型インク組成物。
  8. 前記近赤外線吸収粒子の表面が、Si、Ti、Zr、Al、Znから選択された1種類以上の原子を含む化合物で被覆されている請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の近赤外線硬化型インク組成物。
  9. 前記近赤外線吸収粒子が、セシウムタングステン酸化物前駆体nCsO・mWO(n,mは整数、3.6≦m/n≦9.0)の結晶粉末を、還元性気体の雰囲気中、650℃以上950℃以下で加熱、還元して得られた粒子である請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の近赤外線硬化型インク組成物。
  10. 前記近赤外線吸収粒子が、主相としてCs1135相を含むセシウムタングステン酸化物前駆体を、還元性気体の雰囲気中、650℃以上950℃以下で加熱、還元して得られた粒子である請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の近赤外線硬化型インク組成物。
  11. 有機顔料、無機顔料、染料から選択される1種類以上をさらに含む請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の近赤外線硬化型インク組成物。
  12. 分散剤をさらに含む請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の近赤外線硬化型インク組成物。
  13. 溶媒をさらに含む請求項1から請求項12のいずれか1項に記載の近赤外線硬化型インク組成物。
  14. 請求項1から請求項13のいずれか1項に記載の近赤外線硬化型インク組成物の硬化物である近赤外線硬化膜。
  15. 基体上に請求項1から請求項13のいずれか1項に記載の近赤外線硬化型インク組成物を塗布し、塗布膜を形成する塗布工程と、
    前記塗布膜に近赤外線を照射し、前記近赤外線硬化型インク組成物を硬化させる硬化工程と、を有する近赤外線硬化物の製造方法。
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