JP4022598B2 - 撥水性ガラス - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面に撥水性を施した撥水性ガラスに関し、さらに詳しくは、本発明は、特に自動車、列車、船舶等の車両用ガラスとして好適な撥水性を有する撥水性ガラスに関する。
【0002】
【従来の技術】
ガラスは、その光透過性、断熱性、装飾性等を利用して、住宅窓等の建築部材;自動車、列車等の車両用部材;船舶、航空機等の風防用等として広い範囲に使用されている。このようなガラスは、通常は、屋外に接する箇所に用いられており、雨に晒されたり、海水、汚濁水等に接する状況で使用されることが多い。自動車フロントガラス等のように視界を確保することが重大な機能として必要不可欠な場合もあり、ガラスの光通過性を維持するために、雨等により付着した水をガラス自体がはじく性質(本明細書において「撥水性」という)がその機能として重要視されるようになってきた。
【0003】
特開平1−126244号公報には、ポリジメチルシロキサン等の有機シリコーン化合物をガラス表面に直接塗布し又は処理剤に浸漬することにより塗膜を形成して撥水性を付与する技術が開示されている。
特開平4−338147号公報、特公昭63−24554号公報には、フルオロアルキルシラン化合物を用いて、化学吸着法又はゾルゲル法によりフルオロアルキル基含有酸化ケイ素膜をガラス表面に形成させて撥水性を得る技術が開示されている。
【0004】
しかしながら、有機シリコーン化合物の塗膜をガラス表面に形成する方法では、当該塗膜がガラスと化学的に結合していないので、使用中に当該塗膜が剥がれたりする可能性が高く、耐久性が充分でない。また、フルオロアルキル基含有酸化ケイ素膜をガラス表面に形成する方法は、耐久性は充分となるが、潤滑性及び非粘着性が充分ではなく、例えば、自動車のフロントガラスに用いた場合にはワイパーのビビリ音の発生等の問題が生じる不都合がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の現状に鑑み、耐久性、表面潤滑性、表面非粘着性が充分であり、かつ、撥水性に優れたガラスを提供することを目的とするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明の撥水性ガラスは、ガラスの表面に、下記一般式(I)で表されるケイ素含有有機含フッ素ポリマーの層を形成したことを特徴とするものである。
【0007】
【化3】
【0008】
式中、Rf は、パーフルオロアルキル基を表す。Zは、フッ素又はトリフルオロメチル基を表す。a、b、c、d、eは、それぞれ独立して、0又は1以上の整数を表し、a+b+c+d+eは、少なくとも1以上であり、a、b、c、d、eでくくられた各繰り返し単位の存在順序は、式中において限定されない。Yは、水素又は炭素数1〜4のアルキル基を表す。Xは、水素、臭素又はヨウ素を表す。R1 は、水酸基又は加水分解可能な置換基を表す。R2 は、水素又は1価の炭化水素基を表す。lは、0、1又は2を表す。mは、1、2又は3を表す。nは、1以上の整数を表す。
以下に本発明を詳述する。
【0009】
本発明の撥水性ガラスは、ガラスの表面にケイ素含有有機含フッ素ポリマーの層を形成してなる。上記ガラスとしては各種ガラス材料で形成されたものであれば特に限定されず、例えば、住宅窓用ガラス;自動車、列車、船舶、航空機等の車両用ガラス等を挙げることができる。
後に詳述するように、本発明は優れた撥水性を有するので、特に車両用ガラスとして使用されるガラスが本発明の撥水性ガラスとして好適である。
【0010】
本発明では、上記ガラスの表面に、上記一般式(I)で表されるケイ素含有有機含フッ素ポリマーの層を形成する。
上記一般式(I)で表される式中、Rf としては、通常、有機含フッ素ポリマーを構成するパーフルオロアルキル基であれば特に限定されず、例えば、炭素数1〜16の直鎖状又は分岐状のものを挙げることができる。好ましくは、CF3 −、C2 F5 −、C3 F7 −である。
【0011】
上記一般式(I)中のZは、フッ素でもよいしトリフルオロメチル基でもよい。
上記一般式(I)中のa、b、c、d、eは、ケイ素含有有機含フッ素ポリマーの主骨格を構成するパーフルオロポリエーテル鎖の繰り返し単位数を表し、0又は1以上の整数でありa+b+c+d+eが1以上であれば特に限定されないが、それぞれ独立して、0〜200が好ましく、後述するケイ素含有有機含フッ素ポリマーの分子量を考慮すれば、より好ましくは、それぞれ独立して、0〜50である。a+b+c+d+eは、好ましくは、1〜100である。
【0012】
また、a、b、c、d、eでくくられた各繰り返し単位の存在順序は、便宜上一般式(I)中においてはこの順に記載したが、通常のパーフルオロポリエーテル鎖の構成に鑑み、これらの各繰り返し単位の結合順序は、この順に限定されるものではない。
【0013】
上記一般式(I)中のYは、水素又は炭素数1〜4のアルキル基を表す。上記炭素数1〜4のアルキル基としては特に限定されず、例えば、メチル、エチル、プロピル、ブチル等を挙げることができ、直鎖状であっても分岐状であってもよい。
上記一般式(I)のXは、水素、臭素又はヨウ素を表す。Xが臭素又はヨウ素である場合には、本発明のケイ素含有有機含フッ素ポリマーはラジカル反応性が高くなるので、化学結合により他の化合物と結合させるのには好都合である。
【0014】
上記一般式(I)中のlは、パーフルオロポリエーテル鎖の構成する炭素とこれに結合するケイ素との間に存在するアルキレン基の炭素数を表し、0、1又は2であるが、より好ましくは、0である。
【0015】
上記一般式(I)中のmは、ケイ素に結合する置換基R1 の結合数を表し、1、2又は3である。置換基R1 が結合していない部分には、当該ケイ素にはR2 が結合する。
【0016】
上記R1 は、水酸基又は加水分解可能な置換基を表す。上記加水分解可能な置換基としては特に限定されず、好ましいものとしては、例えば、ハロゲン、−OR3 、−OCOR3 、−OC(R3 )=C(R4 )2 、−ON=C(R3 )2 、−ON=CR5 [式中、R3 は、脂肪族炭化水素基又は芳香族炭化水素基を表し、R4 は、水素又は炭素数1〜4の脂肪族炭化水素基を表し、R5 は、炭素数3〜6の2価の脂肪族炭化水素基を表す。]等を挙げることができる。より好ましくは、塩素、−OCH3 、−OC2 H5 である。
【0017】
上記R2 は、水素又は1価の炭化水素基を表す。上記1価の炭化水素基としては特に限定されず、好ましいものとしては、例えば、メチル、エチル、プロピル、ブチル等を挙げることができ、直鎖状であっても分岐状であってもよい。
【0018】
上記一般式(I)中のnは、1以上の整数を表し、特に上限はないが、本発明の目的を達するためには、1〜10の整数であることが好ましい。
上記nは、一般式(I)中においては整数を表すが、このような整数nを有する一般式(I)で表されるポリマーの混合物として本発明に係るケイ素含有有機含フッ素ポリマーが存在していてもよい。このように混合物としてケイ素含有有機含フッ素ポリマーが存在する場合には、上記nは、当該混合物中において平均値として表すことができ、当該ケイ素含有有機含フッ素ポリマーが混合物として存在する場合には、本発明の目的を考慮すれば、nの平均値は、1.3〜3が好ましく、1.5〜2.5が特に好ましい。
【0019】
上記ケイ素含有有機含フッ素ポリマーの分子量は、5×102 〜1×105 が好ましい。5×102 未満では、本発明の効果を発揮せず、1×105 を超えると加工性に乏しくなる。より好ましくは、1×103 〜1×104 である。
【0020】
上記ケイ素含有有機含フッ素ポリマーの好ましいものとして、例えば、下記一般式(II)で表されるもの等を挙げることができる。
【0021】
【化7】
【0022】
式中、pは、1以上の整数を表す。Y、X、R1 、R2 、l、m、nは、前記と同じ。
上記一般式(II)中のpは、1以上の整数であれば特に限定されないが、1〜200が好ましく、本発明のケイ素含有有機含フッ素ポリマーの分子量を考慮すれば、より好ましくは、1〜50である。
【0023】
上記ケイ素含有有機含フッ素ポリマーの分子量は、5×102 〜1×105 が好ましい。5×102 未満では、本発明の効果を発揮せず、1×105 を超えると加工性に乏しくなる。より好ましくは、1×103 〜1×104 である。
【0024】
上記ケイ素含有有機含フッ素ポリマーは、通常市販されているパーフルオロポリエーテルを原料として用い、末端に例えば、ヨウ素を導入した後、これに、例えば、下記一般式[式中、Y、R1 、R2 、l、mは、前記と同じ。]で表されるビニルシラン化合物を反応させること等により得ることができる。
【0025】
【化8】
【0026】
上記ケイ素含有有機含フッ素ポリマーを適用するにあたっては、例えば、シリカ、アルミナ、酸化チタン、カーボン、セメント等の微粉末充填剤、チタン、アルミニウム、ケイ素等のアルコキシド、その他の低分子量ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン/ヘキサフルオロプロピレン共重合体等のフッ素樹脂の微粉末等を、硬度調整剤又は増量剤等として添加することができる。また、通常の架橋剤;水、塩酸、硫酸、カルボン酸、スルホン酸等の硬化触媒を更に加えて、硬度調整を行うこともできる。
【0027】
上記ケイ素含有有機含フッ素ポリマーの層を形成するためには、ガラスの表面に、上記ケイ素含有有機含フッ素ポリマーを塗布する方法を採ることができる。上記塗布方法としては、例えば、刷毛塗り、スプレー塗装、スピン塗装、浸漬塗装、ロールコート塗装、グラビアコート塗装、カーテンフロー塗装等を挙げることができる。
また、塗布する際には溶剤で希釈する方が塗布し易い。このような溶剤としては特に限定されず、例えば、パーフルオロヘキサン、パーフルオロメチルシクロヘキサン、パーフルオロ−1,3―ジメチルシクロヘキサン、HCFC225等を挙げることができる。
【0028】
本発明においては、溶剤で希釈したケイ素含有有機含フッ素ポリマーを、あらかじめシラン化合物を含有してなる処理液で表面に下地層を形成させた基材表面に塗布する方法を用いてもよい。
上記シラン化合物としては特に限定されず、例えば、一般式(III)
Si(OR11)4 (III)
[式中、R11は、脂肪族炭化水素基を表し、その炭素数は特に限定されない。]で表されるケイ素のアルコキシド化合物、一般式(III)で表される化合物の部分加水分解縮合生成物等を挙げることができる。なかでも、入手容易であることから、テトラエトキシシランが好ましい。
【0029】
上記シラン化合物は、メチルアルコール、エチルアルコール、イソプロピルアルコール、酢酸エチル、アセトン等の有機溶媒又は水溶媒によって所定濃度の溶液とする。この濃度は特に限定されないが、2〜80重量%の範囲内にあることが好ましい。2重量%未満であると、シリカゾルの形成に長時間を要し、80重量%を超えると、液粘度が高くなりすぎて作業性を損なうので好ましくない。
上記溶液に通常の触媒、例えば、塩酸を加えて所定時間静置してシリカゾルとなした後、塗布作業に適した濃度まで上記溶媒を用いて希釈する。静置時間は特に限定されないが、例えば、2〜10日である。希釈濃度は所望する下地層の厚さによって異なるが、例えば、0.2〜2重量%の範囲内である。
【0030】
次に、希釈した溶液を基材表面に塗布する。塗布方法としては、例えば、刷毛塗り、スプレー塗装、スピン塗装、浸漬塗装、ロールコート塗装、グラビアコート塗装、カーテンフロー塗装等を挙げることができる。上記操作によって、基材表面にシラノールポリマーのゲル層が形成される。
【0031】
次に、上記基材を加熱することにより、酸化ケイ素を主成分とする下地層を形成することができる。加熱温度は基材によって異なるが、例えば、100〜300℃の範囲内である。加熱時間は特に限定されないが、例えば、10分〜3時間の範囲内である。形成される下地層の厚さは特に限定されないが、通常、0.05〜0.1μmの範囲内である。
【0032】
しかる後、上記溶剤で希釈したケイ素含有有機含フッ素ポリマーを上記の表面に下地層を形成させた基材表面に塗布する。塗布方法としては、例えば、刷毛塗り、スプレー塗装、スピン塗装、浸漬塗装、ロールコート塗装、グラビアコート塗装、カーテンフロー塗装等を挙げることができる。
【0033】
本発明の撥水性ガラスにおけるケイ素含有有機含フッ素ポリマー層の厚みは特に限定されるものではないが、0.001〜0.03μmが好ましい。0.001μm未満であると撥水性効果が乏しくなり、0.03μmを超えると層が厚すぎて使用に障害が生じるので好ましくない。
【0034】
【実施例】
以下に実施例を掲げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるものではない。
【0035】
合成例1
攪拌機、滴下ロート、還流冷却器及び温度計を備えた2.0L4つ口フラスコ中に2617g(10.3モル)のヨウ素、213.2g(1.54モル)の炭酸カリウム、及び、9000gのヘキサクロロ−1,3−ブタジエンを仕込み、系の温度を160℃に維持しながら窒素気流下に、化学式F−(CF2 CF2 CF2 O)n −CF2 CF2 COFで表されるω−フルオロポリパーフルオロオキセタンアシルフルオライド(平均分子量3900)4000g(1.03モル)を10mL/分の速度で滴下した。
【0036】
滴下終了後、反応温度を185℃に上昇させ、20時間反応させた。
反応終了後、系を冷却したのちカリウム塩を濾別し、2層に分離した液相から分液ロートを用いて下層を分取した。これをアセトンを用いて数回洗浄したのち、1Lのパーフルオロヘキサンに溶解し、ガラスフイルターによって微細な不溶物を濾別した。得られた溶液から減圧下揮発分を完全に留去することによって3890g(収率95%)の化学式F−(CF2 CF2 CF2 O)n −CF2 CF2 Iで表されるω−フルオロポリパーフルオロオキセタンヨウ素化物を得た。赤外吸収スペクトルより、1890cm-1の−C(=O)Fの吸収が完全に消失し、910cm-1に新たに−CF2 Iの吸収が生じた。
トリクロロフルオロメタン(CFC−11)を標準とする19F−NMRより、20.7ppmの−C(=O)Fの吸収が完全に消失し、新たに−66.7ppmに、−OCF2 CF 2 Iに由来する吸収が生じ、−87.6ppmに、−OCF 2 CF2 Iに由来する吸収が生じた。積分値より、転化率は100%と計算された。
【0037】
合成例2
攪拌機、滴下ロート、還流冷却器及び温度計を備えた200mL4つ口フラスコ中に合成例1にて合成した化学式F−(CF2 CF2 CF2 O)n −CF2 CF2 Iで表されるω−フルオロポリパーフルオロオキセタンヨウ素化物40gをダイフロンソルベントS−316(ダイキン工業社製)80gに溶解したもの、及び、ジt−ブチルパーオキシド1.5g(1×10-2モル)を仕込み、充分に系内を窒素置換したのち、窒素気流下滴下ロートよりビニルトリクロロシラン16.1g(0.10モル)を滴下した。滴下終了後系内の温度を120℃に昇温させ、4時間反応させた。反応終了後減圧下揮発分を完全に留去することによって末端にヨウ素を有するケイ素含有有機含フッ素ポリマー(A)38.7g(収率90%)を得た。
CFC−11を標準とする19F−NMRより、−66.7ppm、−87.6ppmの吸収は完全に消失し、−89.2〜−90.0ppmに幅広い吸収帯が現れた。また、 1H−NMRより、1.4〜3.0ppmに幅広い吸収帯が現れたが、内部標準として化学式F−(CF2 CF2 CF2 O)n −CF2 CF2 Hで表されるω−フルオロポリパーフルオロオキセタン水素化物5.0モル%を添加することにより、トリクロロビニルシランの重合度を計算すると、2.0であった。
【0038】
合成例3
攪拌機、滴下ロート、還流冷却器及び温度計を備えた200mL4つ口フラスコ中に合成例2にて合成したケイ素含有有機含フッ素ポリマー(A)34.4g(8×10-3モル)をパーフルオロヘキサン50gに溶解したものを仕込み、亜鉛2.1g(3.2×10-2モル)を強攪拌下分散させた。氷水浴で系を冷却し、窒素気流下無水メタノール10gを滴下した。
滴下終了後氷水浴を取り除き、加熱還流下2時間反応させた。反応終了後不溶物を濾別し、2層に分離した液相から分液ロートを用いて下層を分取した。得られた溶液を無水メタノールを用いて3回洗浄したのち、減圧下揮発分を完全に留去することによって、末端が水素化されたケイ素含有有機含フッ素ポリマー(B)31.6g(収率92%)を得た。
1H−NMRより、3.5ppmにSi−OCH3 の吸収が現れた。内部標準として化学式F−(CF2 CF2 CF2 O)n −CF2 CF2 Hで表されるω−フルオロポリパーフルオロオキセタン水素化物5.0モル%を添加し、1.2〜3.0ppmの幅広い吸収帯の積分強度が16.0%増していること、3.5ppmの吸収帯との強度比から、重合度が2.0であることを確認した。
【0039】
合成例4
市販の含フッ素シランカップリング剤KBM7803(C8 F17CH2 CH2 Si(OCH3 )3 、信越化学社製)を用意した。
【0040】
実施例1、比較例1
合成例3及び4で得たものを、パーフルオロヘキサンの0.1重量%溶液となした処理液を調製した。ガラス板を、使用前に水洗し、その後にメタノールとアセトンを用いて充分に洗浄した。このようにして準備したガラス板を処理液に10秒間ディッピングし、引き上げた後60分間風乾した。ついで5分間パーフルオロヘキサン中で超音波洗浄を行って過剰の処理剤分子を除去した上で、風乾し、各測定に供した。
【0041】
対水接触角及び水滴転落角は、接触角計(協和界面科学機械社製CA−DT型)を用いて測定した。
剥離強度は、市販のセロハンテープ(積水化学工業社製、18mm幅)を用い、引っ張り速度50mm/秒の条件での剥離強度を測定した。
【0042】
【表1】
【0043】
【発明の効果】
本発明の撥水性ガラスは、上述の構成よりなるので、耐久性、表面潤滑性、表面非粘着性に優れ、かつ、充分の撥水性を有するので、特に、建築物、車両、船舶、航空機等の風防ガラスとして好適に適用することができる。
Claims (5)
- ガラスの表面に、下記一般式(I)で表されるケイ素含有有機含フッ素ポリマーの層を形成したことを特徴とする撥水性ガラス。
- ケイ素含有有機含フッ素ポリマーが、分子量5×102〜1×105であるものである請求項1記載の撥水性ガラス。
- 撥水性ガラスが、車両に用いられるものである請求項3記載の撥水性ガラス。
- ケイ素含有有機含フッ素ポリマーが、分子量5×102〜1×105であるものである請求項3又は4記載の撥水性ガラス。
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