JP3013934B2 - 表面活性の低い薄膜 - Google Patents

表面活性の低い薄膜

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JP3013934B2 JP2174969A JP17496990A JP3013934B2 JP 3013934 B2 JP3013934 B2 JP 3013934B2 JP 2174969 A JP2174969 A JP 2174969A JP 17496990 A JP17496990 A JP 17496990A JP 3013934 B2 JP3013934 B2 JP 3013934B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、撥水・撥油性表面処理剤,表面潤滑剤,離
型剤等として使用される表面活性の低い薄膜に関する。
[従来の技術] 撥水・撥油性の表面処理剤としては、シリコーン系或
いは弗素系のポリマー塗膜が従来から使用されている。
また、長鎖のアルキル鎖やフルオロアルキル鎖を有す
るある種の両親媒性化合物の単分子膜も、親水性表面を
撥水化することが知られている。この性質を利用し、基
体表面に対する結合基を導入した両親媒性化合物の単分
子膜を基体上に作製することも一部で行われている。
基体表面に形成された薄膜によって、撥水性及び撥油
性が基体表面に付与される。その結果、水分や油分が基
体に付着して錆びや汚れを発生させることがなくなり、
長期間にわたり基体を所期の良好な状態に維持する。
また、表面潤滑性や離型性を与える場合にも、同様な
薄膜が基体表面に形成されている。
[発明が解決しようとする課題] ところが、従来のポリマー材料の塗膜を施す場合、各
種機器に対する適応性を高めるために超薄膜化しようと
すると、膜の強度及び均一度が低下する。その結果、耐
久性が劣化し、短期間で基体表面から剥離したり亀裂が
発生し、所期の機能を得ることができなくなる。
この点、基体表面に対する結合基を導入した両親媒性
化合物の単分子膜は、基体表面に密着した極限的な超薄
膜であるため、基体の寸法,形状等からの制約がなく、
適応性が高い。しかし、結合基の導入により、単分子膜
が本来遊する撥水・撥油,潤滑,離型性等の表面特性が
劣化する場合がある。また、導入された結合基に応じて
使用される基体表面が特定されるため、各種の化合物を
用意することが必要になり、汎用性が低下する。更に、
比較的厚い膜が必要とされる場合にも、この種の膜は不
適である。
そこで、本発明は、このような問題を解決すべく案出
されたものであり、規則的な分子配向性をもった薄膜を
自己組織的に形成するポリフルオロアルキル化合物を使
用することによって、基体の寸法,形状,材質等の制約
を受けず、しかも表面特性に選れた薄膜を提供すること
を目的とする。
[課題を解決するための手段] 本発明の薄膜は、その目的を達成するために、次の一
般式で表されるポリフルオロ化合物から作製された表面
活性の低い薄膜である。
2(R−X−)Q−Y また、上記の一般式におけるコネクターQとして、グ
ルタミン酸基を有する次の化合物が特に好ましい。
グルタミン酸に変わるコネクターとしては、アスパラ
ギン酸,ジエタノールアミン等が掲げられる。
また、薄膜の作製は、LB法,キャスト法,吸着法等の
何れの方法をも採用することができる。
[作用] 本発明で使用するポリフルオロアルキル化合物自体
は、すでに本発明者等が開発し、特願平2−59019号と
して出願した物質である。この化合物は、疎水性が著し
く高いフルオロアルキル基と共に十分な鎖長の炭化水素
基を合成脂質の疎水部に結合させたものである。このよ
うに疎水部のフルオロカーボン鎖Rとコネクタ部Qとの
間に長い炭化水素鎖,二重結合,三重結合,エーテル結
合等を導入することで、本来剛直なフルオロカーボン鎖
に柔軟性を与えることができる。また、長鎖の炭化水素
基は、分子配向性の向上にも寄与する。
この物質は、自己組織的な分子膜形成能が高いため
に、1〜1000程度の任意の分子層数に累積された規則的
な層構造をもつ薄膜を容易に作製することが可能とな
る。得られた化合物薄膜は、規則的な分子配向性を備え
ているため、配向したフルオロアルキル鎖に特有の著し
い低エネルギー表面を呈する。しかも、単分子膜でも多
分子膜でも、表面分子層の構造が同じである。そのた
め、作製された薄膜の表面特性は、理想的な無欠陥の分
子膜が形成されている場合、分子層数,膜厚等に本質的
に依存しない。
したがって、各種機器における要求に応じて、たとえ
ば基体の寸法,形状等に対し、十分な薄さで膜を形成す
ることができる。或いは、耐久性や基体表面の凹凸をな
らす等の目的で、ある一定の厚さが必要とされる場合に
は、指定された厚さでの製膜も容易となる。
なお、疎水部にポリフルオロアルキル鎖を含む自己組
織性化合物であっても、特開昭58−65256号公報記載の
化合物のように、フルオロカーボン鎖とコネクタ部との
間の炭化水素鎖が短く剛直なものでは、本発明で使用す
る物質に比較して膜に微細な欠陥が生じ易い。その結
果、特に1〜10分子層程度の超薄膜における撥水性に著
しい低下がみられる。本発明は、このような欠点を克服
することによって、優れた特性をもつ薄膜を得るもので
ある。
この化合物は、次のようにして合成される。
先ず、2当量のアルコールR−X−OH(I)とLグル
タミン酸とをp−トルエンスルホン酸,硫酸等の触媒の
存在下で加熱脱水縮合させることにより、L−グルタミ
ン酸ジエステル(II)を得る。この反応においては、ト
ルエン,ベンゼン,1,2−ジメトキシエタン,クロロベン
ゼン等の不活性溶媒中、反応温度60〜170℃、好ましく
は70〜120℃程度の反応雰囲気を維持することが望まし
い。
次に、化合物(II)の−NH2基の活性水素を各種の親
水基Yに転化することによって、目的とするポリフルオ
ロ化合物が容易に合成される。親水基Yとして採用され
る置換基としては、第4級アンモニウム塩等のカチオン
系,カルボン酸等のアニオン系,ポリエチレンオキサイ
ド等のノニオン系,或いはベタイン型のような両性のも
の等の広範囲にわたる置換基が掲げられる。この場合の
転化反応としては、特に限定されるものではなく様々な
手段が採用される。たとえば、次のような合成ルートを
例示することができる。ただし、Aは、p−トルエンス
ルホナートイオン,硫酸イオン等を示す。
本発明の化合物の具体例としては、第一表に列挙した
ものがある。これらの化合物は、NMRスペクトル,元素
分析等によって確認されている。ただし、第1表は化合
物の具体例を示したものであって、本発明を限定するも
のでないことは勿論である。
次に、本発明の化合物を用いて薄膜を製造する場合、
化合物薄膜における均質膜形成能は化合物の分子構造に
由来する自発的なものであるから、採用した製膜法によ
って膜形成能が本質的に影響されることはない。この点
で、各種製膜法から、目的に応じた方法を採用すること
が好ましい。
たとえば、LB法は、膜厚,分子層数,密度等の精密な
制御が可能である長所をもっている。反面、製膜可能な
化合物が限られる。この点、本発明で使用しているポリ
フルオロ化合物は、LB法による製膜材料としても適して
いる。すなわち、適当な溶媒を使用してポリフルオロ化
合物をLB法トラフ中の純水上に展開した後、テフロンバ
ー等で二次元的に圧縮すると、分子が規則的に配列した
安定な単分子膜が水面に形成される。この水面単分子膜
を一層ずつ基板上に移し取ることによって、LB累積膜が
得られる。この場合、特に好ましい化合物として第1表
の7,12,2が掲げられるが、これらに限定されるものでは
ない。
また、本発明で使用する化合物は、特願平2−59019
号の明細書に記載した通り、キャスト法にも適用してい
る。この方法で、LB膜類似の分子積層膜が容易に得られ
るため、実用性の上で極めて有利である。溶媒として
は、水の外に各種の有機溶媒を使用することができる。
特に好ましい組合せの一例として、水を溶媒として化合
物6をキャストすることが掲げられるが、本発明がこれ
に限定されるものでないことは勿論である。
なお、LB法やキャスト法に代え、基板上に単分子膜を
形成する実用上一般的な方法である吸着法を用いること
ができる。この点、ポリフルオロ化合物は、自己組織性
が高く、且つ自発的な膜形成能を備えているので、吸着
法にも適した物質である。
[実施例] 以下、実施例によって、本発明を具体的に説明する。
実施例1(化合物の合成) 化合物5を次のように合成した。
先ず、500ml容積のナスフラスコにC10F21(CH26OH
18.9g,L−グルタミン酸1.6g,p−トルエンスルホン酸
・水和物2.8g,トルエン250mlを入れ、9時間加熱還流
下、Dean−Stark trapを用いて水をトルエンと共沸さ
せた。室温まで放冷した後、固形物を濾別し、トルエン
で洗浄した後、エタノールから再結晶しジエステル体1
1.6gを得た。
300ml容積のナスフラスコにジエステル体3.0g,テトラ
ヒドロフラン150mlを入れて撹拌下、トリエチルアミン
1.0gを加えた。氷冷下、p−(ω−ブロモデカノキシ)
安息香酸クロリド1.0gのテトラヒドロフラン溶液20mlを
20分かけて滴下した。一夜、撹拌の後、溶媒を留去し残
渣をジエチルエーテルに溶解し、水洗した。その後、無
水硫酸ナトリウムによって乾燥した。ジエチルエーテル
を留去し、残渣をn−ヘキサンから再結晶しアミド体を
1.8g得た。
200ml容積のナスフラスコにクロロホルム100mlを入
れ、アミド体1.7gを溶解し、トリメチルアミンガス2gを
撹拌下吹き込んだ。密栓をして7日間撹拌の後、溶媒を
留去し、残渣をn−ヘキサンから再結晶させ化合物5を
1.1g得た。
他の化合物も、同様にして合成した。
実施例2(化合物薄膜の製造) 化合物7の単分子膜を、次のようにLB法によって作製
した。
化合物7の10mgをベンゼン4部,2,2,2−トリフルオロ
エタノール1部の混合溶媒10mlに溶解させ、展開溶液を
調製した。この溶液0.150mlを、20℃に保持したラング
ミュアトラフ中の純水上に展開し、10分間放置して溶媒
を蒸発させた後、表面圧30mN/mまで圧縮し、化合物7の
安定な水面単分子膜を形成させた。
ついで、清浄なスライドガラス上に垂直浸漬法によっ
て一層の分子膜を積層した後、デシケータ中で乾燥させ
た。
得られた単分子膜は、室温(20℃)で接触角計を使用
し液滴法に従って接触角を測定したところ、水に対して
111.6度,ジヨードメタンに対して97.2度の値を示し
た。また、表面自由エネルギー(γ)は、10.4erg/cm
2と計算された。なお、表面自由エネルギー(γ)の
算出は、次式に基づいて行った[D.K.Owens et al J.Ap
pl.Polym.Sci.,13,1741(1969)参照]。
ただし、上式における各記号は、次の通りである。
γs d:水素結合に基づく表面自由エネルギー γs h:分散力に基づく表面自由エネルギー θ :接触角 γ1v:気液界面の自由エネルギー(20℃) γ1 d:水素結合に基づく気液界面の自由エネルギー γ1 h:分散力に基づく気液界面の自由エネルギー 以下、第2表に掲げた化合物を用いて同様の操作によ
って、LB単分子膜を製作した。単分子膜の表面特性を測
定し、第2表に測定結果を示した。なお、第2表におい
て、接触角θの単位は(゜)、表面自由エネルギーγ
の単位は(erg/cm2)である。また、比較化合物Cf.1及
びCf.2は、それぞれ次の構造をもっており、特開昭58−
65256号公報に記載されている化合物である。
第2表から明らかなように、本発明に従った化合物に
おいては、単分子膜であるにも拘らず、非常に撥水・撥
油性が高く、また表面自由エネルギーが低い。これは、
これら化合物の高い自己組織的な分子膜形成能によっ
て、分子配向性が高く、且つ欠陥がほとんどない膜が形
成されているためである。
他方、比較化合物Cf.1及びCf.2で作製された薄膜にあ
っては、特に水の接触角が大幅に小さく、撥水機能等の
表面特性において本発明に従った化合物の薄膜よりも劣
っている。これらの比較化合物は、フルオロカーボン鎖
と酸素原子との間の炭化水素鎖が短く剛直であること
が、化合物6及び2と唯一異なる点である。したがっ
て、本発明の薄膜の優れた特性が、フルオロカーボン鎖
とコネクタ部との間に導入された長い炭化水素鎖に由来
することは明らかである。
実施例3(LB累積膜) 化合物7の累積膜を、次のようにLB法によって作製し
た。
実施例2と同様にして、化合物7の安定な水面単分子
膜を形成させた。次いで、清浄なスライドグラス上に垂
直浸漬法によりY型5層の分子膜を積層した後、デシケ
ータ中で乾燥させた。
得られた累積膜は、実施例2と同様に室温(20℃)で
接触角を測定したところ、水に対し113.9゜、ジヨード
メタンに対し100.0゜の値を示した。また、表面自由エ
ネルギーγは、9.2erg/cm2であった。
実施例4(キャスト膜) 化合物6のキャスト膜を、次のようにて作製した。
化合物6を水に分散させて、20mM濃度の分散液を調製
した。この分散液1mlを直径20mmの円形状にキャストし
た後、静置して溶媒を蒸発させ、厚さ約50μmのフィル
ムを得た。
得られたキャスト膜について、実施例2と同様に接触
角を測定したところ、水に対して118.7゜、ジヨードメ
タンに対して98.8゜の値を示した。また、表面自由エネ
ルギーγは、9.2erg/cm2と計算された。
以下、第3表に掲げた化合物を用いて同様の操作によ
って、LB単分子膜を作製した。得られた薄膜の表面特性
を測定し、その結果を第3表に掲げた。なお、第3表に
おいて、接触角θの単位は(゜)、表面自由エネルギー
γの単位はerg/cm2である。また、比較化合物Cf.3及
びCf.4は、それぞれ次の構造をもち、特開昭58−65256
号公報に記載されている。
第3表から明らかなように、本発明に従った化合物の
キャスト膜においては、非常に撥水・撥油性が高く、ま
た表面自由エネルギーが低い。これは、これら化合物の
高い自己組織的な分子膜形成能によって、分子配向性が
高く、且つ欠陥がほとんどない膜が形成されているため
である。
他方、比較化合物Cf.1,Cf.3及びCf.4のキャスト膜に
あっては、特に水の接触角が大幅に小さく、撥水機能等
の表面特性において本発明の薄膜に劣っている。比較化
合物Cf.1及びCf.3は、フルオロカーボン鎖とコネクタ部
との間の炭化水素鎖が短くて剛直であることが化合物1
及び6と唯一異なる点である。したがって、本発明薄膜
の優れた特性が、フルオロカーボン鎖と酸素原子との間
に導入された長い炭化水素鎖に由来することは明らかで
ある。
[発明の効果] 以上説明したように、本発明においては、合成2分子
膜形成脂質の疎水部として疎水性に選れたフルオロカー
ボン鎖と共に高配向性に優れた炭化水素鎖を同時にもつ
ポリフルオロ化合物が規則的な分子配向を示し、且つ極
めて欠陥の少ない薄膜を基体上に形成することを利用
し、選れた性能をもつ撥水・撥油性表面処理剤が得られ
る。更に、表面潤滑剤,離型剤等として使用することも
できる。また、単分子膜から数十μmの厚みをもつ膜ま
で広範囲にわたって膜厚を任意に調製することができ、
しかも得られた薄膜の表面は常に優れた特性を示す。そ
のため、基体に対する適応性が非常に優れたものとな
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI C07F 7/18 C07F 7/18 N (56)参考文献 特開 平3−44359(JP,A) 特開 平3−45630(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) CA(STN) REGISTRY(STN)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一般式 2(R−X−)Q−Y で表わされるポリフロオロ化合物から作製されたことを
    特徴とする表面活性の低い薄膜。
  2. 【請求項2】 で表わされるポリフロオロ化合物から作製されたことを
    特徴とする表面活性の低い薄膜。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6190849B1 (en) 1999-07-21 2001-02-20 Eastman Kodak Company Photographic element containing ballasted tetrazole derivative and inhibitor releasing coupler
US8487096B2 (en) 2010-02-03 2013-07-16 Incyte Corporation Imidazo[1,2-B][1,2,4]triazines as C-MET inhibitors

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US6190849B1 (en) 1999-07-21 2001-02-20 Eastman Kodak Company Photographic element containing ballasted tetrazole derivative and inhibitor releasing coupler
US8487096B2 (en) 2010-02-03 2013-07-16 Incyte Corporation Imidazo[1,2-B][1,2,4]triazines as C-MET inhibitors
US9221824B2 (en) 2010-02-03 2015-12-29 Incyte Holdings Corporation Imidazo[1,2-B][1,2,4]triazines as c-Met inhibitors

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