JP4055869B2 - Method for producing black polyorganosiloxane fine particles - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、黒色ポリオルガノシロキサン微粒子の製造方法に関し、さらに詳しくは、液晶表示装置用スペーサや標準粒子などとして好適な、粒径分布が単分散の黒色ポリオルガノシロキサン微粒子を効率よく製造する方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、液晶表示装置の発展は目ざましく、時計、電卓、ノート型パソコンなどの小型の表示部をもつものだけではなく、ワードプロセッサー、デスクトップパソコン、テレビなどの大型の表示部をもつ機器の表示装置などとして利用されている。
【0003】
この液晶表示装置には、一般に、電極パターンが形成された2枚のガラス板またはプラスチックフィルムを対向させて形成された液晶パネルにおいて、液晶の厚みを一定に保持するために、スペーサとして粒径が極めてよく揃った粒子が配置される。このような液晶表示装置用スペーサに対し、近年液晶パネルの高精細化および大型化などに伴って、高機能化の要求が顕著になってきている。
【0004】
本来、液晶表示装置における液晶分子は、ポリイミドなどの配向膜によって一定方向に配向制御されることにより、液晶パネル全体が均一な表示機能を発揮するものである。しかしながら、均一な表示を行うために用いられるスペーサ粒子は、配向された液晶中では、異物として配向を乱したり、光抜けを生じる原因にもなるため、このような問題が生じないような対策が施されている。すなわち、液晶スペーサが光学的に透明であると、液晶自体の光線透過率を最小にしてもスペーサ粒子から光が漏れて液晶画面の黒さを出すことが難しくなる、つまりコントラストを上げることが難しくなる。
【0005】
したがって、このような問題に対処するため、これまで様々な対策がなされているが、以下に説明するように、必ずしも充分に満足しうるものではない。
【0006】
例えば、ケイ素のアルコキシド化合物の加水分解により得られるシリカ粒子も250℃以上の温度で熱処理することにより、黒色粒子を得る方法が提案されている(特開昭63−89408号公報)。しかしながら、この方法で得られた黒色粒子は、粒子内部に残留している未反応のアルコキシル基の分解カーボン化により着色されるものであるが、上記公報に記載の加水分解条件では、粒子内部の残留有機基の量は充分ではなく、分解カーボン化される量が少ないために、充分に満足しうる遮光度が得られない。したがって、液晶パネルのバックライトの光線を完全に遮断するほど着色させることは困難である。また、遮光性とは別の問題として、シリカ自体の熱膨張係数が液晶材料のそれより極端に小さいため、液晶パネルを、例えば−30℃といった極低温や、60℃といった高温に曝すと、液晶材料の体積収縮及び体積膨張による液晶セルの収縮及び膨張にスペーサが追随できず、低温側では液晶材料中に気泡が生じる低温気泡と呼ばれる表示欠陥が生じ、逆に高温側ではスペーサがセル内部に浮いてしまい、セルギャップの均一な保持ができなくなって、同様に表示欠陥が生じるなど、好ましくない事態を招来しやすい。さらに、焼成によって得られる黒色シリカ粒子は、カラー液晶パネルの内部に構築される樹脂製のカラーフィルターや、カラーフィルターの平坦化および保護用としての透明樹脂製オーバーコート材より硬いため、これらへのめり込みが発生してカラーフィルターやオーバーコート材が損傷しやすく、均一なセルギャップを保持することが難しいという問題もある。
【0007】
また、ケイ素のアルコキシド化合物の加水分解により得られるシリカ微粒子を、例えばフッ化水素と接触させることにより、粒子内部にアルコールなどの有機基を導入し、この粒子を焼成することにより有機物をカーボン化して、黒色シリカを得る方法が提案されている(特開平3−279209号公報)。この方法は、ほぼ完全にバックライトの光線を遮光できる量のカーボンを導入できる点で優れているが、最終的に得られる黒色シリカ粒子は硬いために、前記と同様な圧縮変形性および熱膨張係数が小さく、その結果低温気泡や高温障害が発生したり、スペーサがカラーフィルターやオーバーコート材にめり込んだりして、セルギャップの均一性が損なわれやすいという問題が生じるのを免れない。
【0008】
一方、少なくとも1個の炭素原子が直接ケイ素原子に結合したラジカル重合可能な有機基を有する加水分解性ケイ素化合物から得られる有機ポリマーおよびシロキサン結合を有する有機無機複合単分散微粒子を結晶スペーサとして使用する例が開示されている(特開平8−81561号公報)。この方法によれば、得られる粒子は、シリカ微粒子と比べて圧縮弾性率が小さくなって、シリカ微粒子で問題となった低温気泡や高温障害、あるいはカラーフィルターへのめり込みなどの現象が大幅に改善されるという効果がある。そしてこの公報においては、合成過程で顔料や染料などを用いて粒子の着色が可能であることが示されている。しかしながら、この方法によれば充分な顔料や染料を粒子内部に吸収させることが難しく、遮光性に優れたスペーサを製造することは困難である。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような事情のもとで、液晶表示装置用スペーサとして好適な、粒径分布が単分散であって、遮光性に優れるとともに、低温気泡や高温障害、あるいはカラーフィルターやオーバーコート材へめり込みなどの障害を抑制しうる黒色ポリオルガノシロキサン微粒子を効率よく製造する方法を提供することを目的とするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、原料のケイ素化合物として、非加水分解性基と加水分解性のアルコキシル基がケイ素原子に結合した特定の構造のケイ素化合物を用い、このものを特定の条件で反応させる工程、生成したポリオルガノシロキサン微粒子にカーボンブラック微粒子を吸収させる工程、カーボンブラック微粒子を吸収したポリオルガノシロキサン微粒子を安定化させる工程およびカーボンブラック微粒子含有安定化ポリオルガノシロキサン微粒子を乾燥処理する工程を順次施すことにより、その目的を達成しうることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。
【0011】
すなわち、本発明は、(A)一般式
R1nSi(OR2)4−n ・・・(I)
(式中、R1は非加水分解性基であって、炭素数1〜20のアルキル基、(メタ)アクリロイルオキシ基若しくはエポキシ基を有する炭素数1〜20のアルキル基、炭素数2〜20のアルケニル基、炭素数6〜20のアリール基または炭素数7〜20のアラルキル基、R2は炭素数1〜6のアルキル基、nは1の整数を示し、各OR2はたがいに同一であっても異なっていてもよい。)
で表される単独物もしくは混合物の比重(23℃)が1以下であるケイ素化合物と、アンモニアおよび/またはアミンを含有する水溶液または水と有機溶剤との混合溶剤溶液とを、実質上混合することなく2層状態を保持しながら、関係式(II)
Y≦3×10−4X2−0.0573X+11.33 ・・・(II)
[ただし、Xは反応温度(℃)を示し、0〜55の範囲であり、Yは反応中の下層のpHを示す。]
を満たす温度およびpHにて界面で反応させる工程、(B)上層のケイ素化合物が実質上消失したのち、生成したポリオルガノシロキサン微粒子の分散液に、カーボンブラック微粒子の水混和性溶剤分散液を添加して、ポリオルガノシロキサン微粒子にカーボンブラック微粒子を吸収させ、導入する工程、(C)カーボンブラック微粒子を導入したポリオルガノシロキサン微粒子を、上記関係式(II)におけるYの上限値を超えるpHにて反応させ、安定化させる工程および(D)カーボンブラック微粒子含有固化ポリオルガノシロキサン微粒子を乾燥処理する工程、を施すことを特徴とする黒色ポリオルガノシロキサン微粒子の製造方法を提供するものである。
【0012】
本発明の製造方法により得られた黒色ポリオルガノシロキサン微粒子は、液晶表示装置のスペーサ等として好適に用いることができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明の方法においては、原料として、一般式(I)
R1nSi(OR2)4-n ・・・(I)
で表される単独物もしくは混合物の比重(23℃)が1以下であるケイ素化合物が用いられる。
【0014】
上記一般式(I)において、R1は非加水分解性基であって、炭素数1〜20のアルキル基、(メタ)アクリロイルオキシ基若しくはエポキシ基を有する炭素数1〜20のアルキル基、炭素数2〜20のアルケニル基、炭素数6〜20のアリール基または炭素数7〜20のアラルキル基を示す。ここで、炭素数1〜20のアルキル基としては、炭素数1〜10のものが好ましく、またこのアルキル基は直鎖状、分岐状、環状のいずれであってもよい。このアルキル基の例としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基などが挙げられる。(メタ)アクリロイルオキシ基若しくはエポキシ基を有する炭素数1〜20のアルキル基としては、上記置換基を有する炭素数1〜10のアルキル基が好ましく、またこのアルキル基は直鎖状、分岐状、環状のいずれであってもよい。この置換基を有するアルキル基の例としては、γ−アクリロイルオキシプロピル基、γ−メタクリロイルオキシプロピル基、γ−グリシドキシプロピル基、3,4−エポキシシクロヘキシル基などが挙げられる。炭素数2〜20のアルケニル基としては、炭素数2〜10のアルケニル基が好ましく、また、このアルケニル基は直鎖状、分岐状、環状のいずれであってもよい。このアルケニル基の例としては、ビニル基、アリル基、ブテニル基、ヘキセニル基、オクテニル基などが挙げられる。炭素数6〜20のアリール基としては、炭素数6〜10のものが好ましく、例えばフェニル基、トリル基、キシリル基、ナフチル基などが挙げられる。炭素数7〜20のアラルキル基としては、炭素数7〜10のものが好ましく、例えばベンジル基、フェネチル基、フェニルプロピル基、ナフチルメチル基などが挙げられる。
【0015】
一方、R2は炭素数1〜6のアルキル基であって、直鎖状、分岐状、環状のいずれであってもよく、その例としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基などが挙げられる。nは1の整数であり、各OR2はたがいに同一であっても異なっていてもよい。
【0016】
このような一般式(I)で表されるケイ素化合物の中で、特に一般式(I−a)
CH3Si(OR2)3 ・・・(I−a)
(式中、R2は前記と同じであり、3つのOR2はたがいに同一であっても異なっていてもよい。)
で表されるケイ素化合物が好ましい。
【0017】
上記一般式(I−a)で表されるケイ素化合物の例としては、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリプロポキシシラン、メチルトリブトキシシラン、メチルトリペントキシシラン、メチルトリヘキソキシシラン、メチルトリシクロヘキソキシシラン、メチルジメトキシエトキシシラン、メチルジエトキシメトキシシランなどが挙げられる。
【0018】
本発明においては、原料として、前記一般式(I)で表されるケイ素化合物を1種用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
【0019】
次に、本発明の方法について、各工程毎に説明する。
【0020】
(A)工程
(A)工程は、前記一般式(I)で表される単独物もしくは混合物の比重(23℃)が1以下であるケイ素化合物を加水分解、縮合させて、低縮合物のポリオルガノシロキサン微粒子を生成させる工程である。この工程においては、前記一般式(I)で表されるケイ素化合物と、アンモニアおよび/またはアミンを含有する水溶液または水と有機溶剤との混合溶剤溶液とを、実質上混合することなく、2層状態を保持しながら、界面で反応させることが必要である。
【0021】
上記アンモニアやアミンは、一般式(I)で表されるケイ素化合物の加水分解、縮合反応の触媒である。ここで、アミンとしては、例えばモノメチルアミン、ジメチルアミン、モノエチルアミン、ジエチルアミン、エチレンジアミンなどを好ましく挙げることができる。このアンモニアやアミンは単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよいが、毒性が少なく、除去が容易で、かつ安価なことから、アンモニアが好適である。このアンモニアやアミンは、水溶液または水と有機溶剤との混合溶剤溶液として用いられる。ここで、有機溶剤としては、水混和性のものが好ましく、例えばメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールなどの低級アルコール類、アセトン、ジメチルケトン、メチルエチルケトンなどのケトン類、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテルなどのエーテル類などが挙げられる。またアンモニアやアミンの使用量は、反応温度によって左右され、反応開始前の下層の水層のpHが、後述の関係式(II)を満たす値になるように選定される。
【0022】
本発明においては、ケイ素化合物とアンモニアやアミン溶液層とが、実質上混合することなく、2層状態を保持するように緩やかに撹拌することが必要である。これにより、上層のケイ素化合物が加水分解されて下層に移行し、そこでポリオルガノシロキサン微粒子が生成する。この粒子は、関係式(II)
Y≦3×10-4X2−0.0573X+11.33 …(II)
[ただし、Xは反応温度(℃)を示し、0〜55の範囲であり、Yは反応中の下層のpHを示す。]
を満たす温度およびpHで反応させることにより、粒子内部の縮合度が極めて低い状態で分散しているため、次工程のカーボンブラック導入工程において、カーボンブラックが粒子内部に吸収されて、黒色粒子化する。
【0023】
すなわち、反応中の下層のpHが11.33以下であって、反応温度が0〜55℃の範囲にあり、かつ反応温度とpHとが、前記関係式(II)を満たすことが必要である。
【0024】
このように、カーボンブラックの導入が可能な特定のpHおよび反応温度の範囲が存在するのは、ケイ素化合物のアルコキシル基の加水分解によって生成するシラノールの量およびシラノール基同士の縮合により生成するシロキサン結合の量により決定される粒子内部の加水分解重縮合反応の進行度(以下、縮合度と呼ぶことがある)が大きく関係していると考えられる。
【0025】
(B)工程
(B)工程は、前記(A)工程で生成した低縮合度のポリオルガノシロキサン微粒子に、カーボンブラックを導入する工程である。この工程においては、上層のケイ素化合物が実質上消失したのち、生成したポリオルガノシロキサン微粒子の分散液に、カーボンブラック微粒子の水混和性溶剤分散液を添加して、ポリオルガノシロキサン微粒子に、カーボンブラック微粒子を吸収させて導入する。
【0026】
なお、カーボンブラック微粒子の分散液を添加する場合、ポリオルガノシロキサン粒子間の凝集が生じることがある。そのため、ポリオルガノシロキサン微粒子の分散液を、水あるいはアンモニアおよび/またはアミンの水溶液で希釈してから、カーボンブラック微粒子の分散液を添加するのが望ましい。この場合、希釈する割合は、2〜100倍程度が好ましく、特に5〜50倍程度が好ましい。希釈割合が2倍未満では、凝集や粒子の合一が生じやすく、単分散性が損なわれるおそれがあり、好ましくない。また、希釈率が100倍を超えると粒子濃度が小さくなりすぎ、大型の反応容器が必要となったり、濃縮にも非常に時間を要することになり、経済的に不利である。
【0027】
カーボンブラック微粒子の分散液に用いられる水混和性溶剤としては、例えばメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールなどの低級アルコール類、アセトン、ジメチルケトン、メチルエチルケトンなどのケトン類、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテルなどのエーテル類などが挙げられる。また、このカーボンブラック微粒子の分散液中には、界面活性剤などの分散剤が含有されていてもよい。なお、カーボンブラック微粒子を導入した後のポリオルガノシロキサン微粒子の分散液中の最大有機溶剤濃度は、ポリオルガノシロキサン微粒子の溶解が生じないようにする必要があるため、10重量%未満になるように調節するのが有利である。また、カーボンブラック微粒子の添加量は特に制限はないが、ポリオルガノシロキサン微粒子100重量部当たり、通常2〜1000重量部、好ましくは10〜300重量部の範囲である。
【0028】
(C)工程
(C)工程は、前記(B)工程において、カーボンブラック微粒子を導入した低縮合度のポリオルガノシロキサン微粒子を、粒子内部の縮合度を高めて安定化させる工程である。この安定化工程によって、粒子間の凝集や、合一が防止されるとともに、カーボンブラックが粒子の内部に閉じ込められる効果が発揮される。
【0029】
この工程においては、粒子内部の縮合度を高めるために、前記関係式(II)におけるYの上限値を超えるpHにて反応させることが必要である。したがって、カーボンブラックを導入したポリオルガノシロキサン微粒子の分散液に、さらにアンモニアおよび/またはアミンを添加し、場合により40℃以上の温度に加熱する処理がとられる。この安定化工程において、縮合度を高める方法を行う場合、溶液中に溶解している加水分解性の化合物が微細な粒子として析出してくることがあるが、その場合は、沈降/デカンテーション法または遠心分離法などによって除去することが好ましい。
【0030】
(D)工程
(D)工程は、前記(C)工程において、安定化処理されてなるカーボンブラック微粒子含有安定化ポリオルガノシロキサン微粒子を乾燥処理する工程である。この工程においては、ポリオルガノシロキサン微粒子が、まず溶媒と分離されたのち、乾燥処理されるが、乾燥方法については特に制限はない。具体的には、溶媒を表面張力の小さい溶媒に置換したのち、静置沈降または遠心分離などにより溶媒と粒子を分離し、この粒子を、好ましくは200℃以下のオーブン中で加熱することにより、乾燥粉体を得ることができる。
【0031】
このようにして乾燥処理されたカーボンブラック微粒子含有ポリオルガノシロキサン微粒子は、液晶装置用スペーサとして必要な圧縮強度を得るために、必要に応じ、焼成処理してもよい。この焼成処理は、窒素などの不活性雰囲気下または真空中において、300〜800℃の範囲の温度で行うのが好ましい。この温度が300℃未満では充分な圧縮強度が得られない場合があるし、800℃を超えると粒子が硬くなりすぎる場合があり、好ましくない。また、焼成装置については特に制限はなく、電気炉やロータリーキルンなどを用いることができるが、粒子の撹拌が可能なロータリーキルン中で焼成するのが有利である。
【0032】
このようにして得られた粒子は、必要に応じ、分級処理を施し、大きな粒子を取り除いてもよい。この分級処理方法としては特に制限はないが、粒径により沈降速度が異なるのを利用して分級を行う湿式分級法が好ましい。
【0033】
本発明の方法で得られた内部にカーボンブラックを含有する黒色ポリオルガノシロキサン微粒子は、平均粒径が通常0.1〜30μm、好ましくは0.5〜15μmであり、また粒度分布の変動係数(CV値)が、通常3.0%以下であって、単分散粒子である。
【0034】
なお、変動係数(CV値)は下式より求められる。
【0035】
CV値(%)=(粒径の標準偏差/平均粒径)×100
本発明の製造方法においては、黒色ポリオルガノシロキサン微粒子として、カーボンブラックを含有するポリオルガノシロキサン微粒子であって、カーボンブラック/Si重量比が0.01〜5、好ましくは0.03〜2の範囲であるものを得ることができる。このカーボンブラック/Si重量比が0.01未満では遮光性能に劣るし、5を超えると破壊強度が低下する。また、比抵抗が1.0×1010Ω/cm以上、平均粒径0.1〜30μm、CV値が3.0%以下およびJIS Z8701で定められる色のXYZ系でY値が10%以下、好ましくは5%以下である。
【0036】
このように、導電剤のカーボンブラックがかなり含まれているにもかかわらず、比抵抗が非常に大きい。このことは、カーボンブラックは粒子内部に閉じ込められていることを示し、したがってカーボンブラックが粒子から極めて脱落しにくい特徴を有している。
【0037】
本発明の製造方法で得られた黒色ポリオルガノシロキサン微粒子をスペーサとして用いた液晶表示装置は、(1)遮光性に優れる、(2)低温気泡や高温障害が抑制される、(3)カラーフィルターやオーバーコート材へのめり込みなどの障害が抑制される、などの特徴を有している。
【0038】
【実施例】
次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明は、これらの例によってなんら限定されるものではない。
【0039】
実施例1
(1)(A)工程
撹拌羽根を備えた2リットルのセパラブルフラスコを恒温槽中にセットし、そこへイオン交換水1800ミリリットルと1規定のアンモニア水1.5ミリリットルを入れ、恒温槽を20℃に保ちながら、溶液を撹拌混合した。次いで、撹拌羽根の回転数を20rpmとして緩やかに撹拌しながら、アンモニア水の上層に、メチルトリメトキシシラン180gをゆっくりと反応容器の壁に伝わせながら注ぎ込み、メチルトリメトキシシランと希アンモニア水の2層状態を保持しながら、加水分解反応を開始した。なお、この際のアンモニア水のpHは10.18であり、反応温度とpHとの関係は、式(II)を満足していた。
【0040】
反応を開始してから80分間後に、下層の水溶液が白濁し始め、時間の経過とともに上層のメチルトリメトキシシランが減少していき、すべてのメチルトリメトキシシランが消失するまで撹拌を続けた。下層の水溶液の一部を取り出し、スライドグラスに載せ、光学顕微鏡で観察したところ、単分散で球状のポリメチルシロキサン微粒子が生成していた。また、その際のpHを測定したところ、8.73であった。
【0041】
(2)(B)〜(D)工程
撹拌羽根を備えた10リットルのポリ容器を恒温槽中にセットし、上記(1)で得られた粒子の分散液100gを入れ、液温を20℃に保ちながらイオン交換水5000ミリリットルを添加することで、粒子の分散液を50倍に希釈した液を得た。その希釈した液のpHを測定したところ、7.81であった。次いで緩やかに撹拌しながら、濃度30重量%のカーボンブラックイソプロパノール分散液[御国色素(株)製、MHIブラック#217]20gを5分間かけて滴下したところ、粒子内部にカーボンブラックが吸収された。また、その際のpHは5.68であった。
【0042】
30分間撹拌したのち、これにポリビニルアルコールの5重量%水溶液600ミリリットルを添加し、次いで25重量%のアンモニア水16ミリリットルを添加し、カーボンブラックを吸収してなる粒子を安定化させた。この際、反応中のpHは10.43であり、式(II)のYの上限値を超えていた。その後、室温で12時間熟成したのち、粒子の分散液からカーボンブラック含有粒子を遠心分離機を使用して沈降させた。粒子に吸収されなかったカーボンブラックが浮遊している上澄みを捨てたのち、メタノールを添加して再分散させ、再び遠心分離機にて沈降させ、上澄みを捨てる操作を繰り返して粒子の洗浄を行った。
【0043】
次に、メタノールを除き、150℃のオーブンで乾燥することにより、黒色の粒子が得られた。また、この黒色粒子の比抵抗を測定した結果、0.91×1011Ω/cmであり、絶縁体であったことから、カーボンブラックは粒子内部に吸収されていることが分かった。
【0044】
また、日立製作所社製カラーアナライザー307を用いてY値を測定したところ、1.8%であった。そして、島津製作所社製マイクロメリティックス アキュピック1330を用い、ヘリウムガスを使用し比重測定を行ったところ、1.38であった。カーボンブラック未導入粒子の比重が1.34であったことから、カーボンブラック/Si重量比は0.2であった。
【0045】
(3)焼成工程
上記(2)で得られたカーボンブラック含有黒色粒子を、窒素雰囲気下、620℃で4時間焼成を行った。得られた粒子を(株)島津製作所製微小圧縮試験機MCTE−200を使用し、鋼板上における破壊強度を測定したところ、76kgf/mm2であった。この焼成後の粒子は退色も見られず、黒色度を保っていた。Y値を測定したところ、1.7%であった。
【0046】
(4)分級工程
上記(3)で得られた黒色粒子を、粒径の違いによる沈降速度の違いを利用して湿式分級することにより、大きな粒子を取り除いた。この黒色粒子は、走査型電子顕微鏡(SEM)による粒径測定の結果、平均粒径3.66μm、CV値1.80%と単分散であった。
【0047】
(5)粒子の信頼性試験
上記(4)で得られた黒色粒子1gを、5ミリリットルのガラス容器に入れたネマチック液晶(メルク社製、ZLI−5150)2g中に混合し、容器内部を窒素ガスで置換してから封印したのち、この容器を90℃で72時間保持し、次いで液晶を取り出して比抵抗を測定した。その結果、黒色粒子の入っていないブランクの液晶の比抵抗は8.8×1010Ω/cmであるのに対し、1.0×1011Ω/cmであり、カーボンブラックの浸み出しやイオンなどの不純物の溶出はなかった。
【0048】
実施例2
実施例1−(1)において、1規定のアンモニア水の添加量を0.9ミリリットルにした以外は、実施例1−(1)と同様の操作を行って、ポリメチルシロキサン粒子を得た。この際、反応開始前のアンモニア水のpHは10.12であり、反応温度およびpHは、関係式(II)を満たしていた。また、反応後のpHは8.24であった。
【0049】
次に、実施例1−(2)と同様にして、カーボンブラックの導入工程[(B)工程]、安定化工程[(C)工程]および乾燥工程[(D)工程]を順次施すことにより、粒子内部にカーボンブラックが導入された黒色ポリメチルシロキサン微粒子が得られた。Y値を測定したところ、0.9%であった。
【0050】
実施例3
実施例1−(1)において、1規定のアンモニア水の添加量を2.0ミリリットルにした以外は、実施例1−(1)と同様の操作を行って、ポリメチルシロキサン粒子を得た。この際、反応開始前のアンモニア水のpHは10.28であり、反応温度およびpHは、関係式(II)を満たしていた。また、反応後のpHは8.84であった。
【0051】
次に、実施例1−(2)と同様にして、カーボンブラックの導入工程[(B)工程]、安定化工程[(C)工程]および乾燥工程[(D)工程]を順次施すことにより、粒子内部にカーボンブラックが導入された黒色ポリメチルシロキサン微粒子が得られた。Y値を測定したところ、2.8%であった。
【0052】
実施例4
実施例1−(1)において、恒温槽を5℃に保持した以外は、実施例1−(1)と同様の操作を行って、ポリメチルシロキサン粒子を得た。この際、反応開始前のアンモニア水のpHは11.00であり、反応温度およびpHは、関係式(II)を満たしていた。また、反応後のpHは8.55であった。
【0053】
次に、実施例1−(2)と同様にして、カーボンブラックの導入工程[(B)工程]、安定化工程[(C)工程]および乾燥工程[(D)工程]を順次施すことにより、粒子内部にカーボンブラックが導入された黒色ポリメチルシロキサン微粒子が得られた。Y値を測定したところ、1.6%であった。
【0054】
実施例5
実施例1−(1)において、恒温槽を30℃に保ち、1規定のアンモニア水の添加量を0.9ミリリットルにした以外は、実施例1−(1)と同様の操作を行って、ポリメチルシロキサン粒子を得た。この際、反応開始前のアンモニア水のpHは9.75であり、反応温度およびpHは、関係式(II)を満たしていた。また、反応後のpHは8.06であった。
【0055】
次に、実施例1−(2)と同様にして、カーボンブラックの導入工程[(B)工程]、安定化工程[(C)工程]および乾燥工程[(D)工程]を順次施すことにより、粒子内部にカーボンブラックが導入された黒色ポリメチルシロキサン微粒子が得られた。Y値を測定したところ、2.2%であった。
【0056】
実施例6
実施例1−(1)において、恒温槽を25℃に保ち、1規定のアンモニア水の添加量を0.9ミリリットルにした以外は、実施例1−(1)と同様の操作を行って、ポリメチルシロキサン粒子を得た。この際、反応開始前のアンモニア水のpHは9.96であり、反応温度およびpHは、関係式(II)を満たしていた。また、反応後のpHは7.94であった。
【0057】
次に、実施例1−(2)と同様にして、カーボンブラックの導入工程[(B)工程]、安定化工程[(C)工程]および乾燥工程[(D)工程]を順次施すことにより、粒子内部にカーボンブラックが導入された黒色ポリメチルシロキサン微粒子が得られた。Y値を測定したところ、1.9%であった。
【0058】
実施例7
実施例1−(1)においてイオン交換水を1500ミリリットル、1規定のアンモニア水を0.3ミリリットルとし、かつ原料のメチルトリメトキシシランの代わりにビニルトリメトキシシラン240gを用いた以外は、実施例1−(1)と同様な操作を行い、ポリビニルシロキサン微粒子を得た。この際、反応開始前のアンモニア水のpHは9.92であり、反応温度およびpHは、関係式(II)を満たしていた。
【0059】
次に、実施例1−(2)と同様にして、カーボンブラックの導入工程[(B)工程]、安定化工程[(C)工程]および乾燥工程[(D)工程]を順次施すことにより、粒子内部にカーボンブラックが導入された黒色ポリビニルシロキサン微粒子が得られた。Y値を測定したところ、1.0%であった。
【0060】
比較例1
実施例1−(1)において、1規定のアンモニア水の添加量を3ミリリットルに変えた以外は、実施例1−(1)と同様の操作を行ってポリメチルシロキサン微粒子を得た。この際、反応開始前のアンモニア水のpHは10.33であり、反応温度およびpHは、関係式(II)を満たしていなかったため、カーボンブラック導入工程では、粒子内部にカーボンブラックがほとんど入らなかった。また、反応後のpHは8.81であった。
【0061】
比較例2
実施例1−(1)において、1規定のアンモニア水の添加量を5ミリリットルに変えた以外は、実施例1−(1)と同様の操作を行ってポリメチルシロキサン微粒子を得た。この際、反応開始前のアンモニア水のpHは10.54であり、反応温度およびpHは、関係式(II)を満たしていなかったため、カーボンブラック導入工程では、粒子内部にカーボンブラックがほとんど入らなかった。また、反応後のpHは8.98であった。
【0062】
比較例3
実施例1−(1)において、反応温度を38℃に変えた以外は、実施例1−(1)と同様の操作を行って、ポリメチルシロキサン微粒子を得た。この際、反応開始前のアンモニア水のpHは9.63であり、反応温度およびpHは、関係式(II)を満たしていなかったため、カーボンブラック導入工程では、粒子内部にカーボンブラックがほとんど入らなかった。また、反応後のpHは8.30であった。
【0063】
比較例4
実施例1−(1)において、反応温度を30℃に変えた以外は、実施例1−(1)と同様の操作を行って、ポリメチルシロキサン微粒子を得た。この際、反応開始前のアンモニア水のpHは9.90であり、反応温度およびpHは、関係式(II)を満たしていなかったため、カーボンブラック導入工程では、粒子内部にカーボンブラックがほとんど入らなかった。また、反応後のpHは8.07であった。
【0064】
【発明の効果】
本発明によれば、液晶表示装置用スペーサとして好適な、粒径分布が単分散であって、遮光性に優れるとともに、低温気泡や高温障害、あるいはカラーフィルターやオーバーコート材へのめり込みなどの障害を抑制しうる黒色ポリオルガノシロキサン微粒子を、効率よく製造することができる。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing black polyorganosiloxane fine particles, and more particularly to a method for efficiently producing monodisperse black polyorganosiloxane fine particles having a monodisperse particle size distribution, which are suitable as spacers for liquid crystal display devices and standard particles. Is.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the development of liquid crystal display devices has been remarkable, not only those with small display units such as clocks, calculators, notebook computers, but also display devices for devices with large display units such as word processors, desktop computers, televisions, etc. It is used as.
[0003]
In this liquid crystal display device, in general, in a liquid crystal panel formed by facing two glass plates or plastic films on which electrode patterns are formed, a particle size as a spacer is used in order to keep the liquid crystal thickness constant. Very well aligned particles are arranged. In recent years, the demand for higher functionality has become more prominent with respect to the spacers for liquid crystal display devices as the liquid crystal panels have been increased in definition and size.
[0004]
Originally, liquid crystal molecules in a liquid crystal display device are aligned in a fixed direction by an alignment film such as polyimide, so that the entire liquid crystal panel exhibits a uniform display function. However, the spacer particles used for uniform display cause disturbance in the alignment as a foreign substance or cause light leakage in the aligned liquid crystal. Is given. That is, if the liquid crystal spacer is optically transparent, it will be difficult to leak the light from the spacer particles even if the light transmittance of the liquid crystal itself is minimized, and to make the liquid crystal screen black, that is, it is difficult to increase the contrast. Become.
[0005]
Therefore, various countermeasures have been taken so far to deal with such a problem, but it is not always satisfactory as described below.
[0006]
For example, a method has been proposed in which silica particles obtained by hydrolysis of a silicon alkoxide compound are heat-treated at a temperature of 250 ° C. or higher to obtain black particles (Japanese Patent Laid-Open No. 63-89408). However, the black particles obtained by this method are colored by decomposition carbonization of unreacted alkoxyl groups remaining inside the particles, but under the hydrolysis conditions described in the above publication, The amount of residual organic groups is not sufficient, and the amount of decomposed carbon is small, so that a sufficiently satisfactory light shielding degree cannot be obtained. Therefore, it is difficult to color the liquid crystal panel so that the light beam of the backlight is completely blocked. Further, as a problem different from the light shielding property, since the thermal expansion coefficient of silica itself is extremely smaller than that of the liquid crystal material, if the liquid crystal panel is exposed to a very low temperature such as −30 ° C. The spacer cannot follow the shrinkage and expansion of the liquid crystal cell due to the volume shrinkage and volume expansion of the material. On the low temperature side, a display defect called a low temperature bubble is generated, and on the high temperature side, the spacer is inside the cell. It is easy to cause an unfavorable situation such as floating, making it impossible to maintain a uniform cell gap, and similarly causing display defects. In addition, black silica particles obtained by firing are harder than resin color filters built inside color liquid crystal panels and transparent resin overcoat materials for flattening and protecting color filters, so they are embedded in these. As a result, the color filter and the overcoat material are easily damaged, and it is difficult to maintain a uniform cell gap.
[0007]
In addition, silica fine particles obtained by hydrolysis of a silicon alkoxide compound are brought into contact with, for example, hydrogen fluoride to introduce an organic group such as alcohol into the particles, and the particles are baked to carbonize the organic matter. A method for obtaining black silica has been proposed (Japanese Patent Laid-Open No. 3-279209). This method is excellent in that it can introduce carbon in an amount that can almost completely block the light beam of the backlight, but since the final black silica particles are hard, the compression deformation and thermal expansion are the same as described above. The coefficient is small, and as a result, low temperature bubbles and high temperature obstacles occur, and the spacers are sunk into the color filter and overcoat material.
[0008]
On the other hand, an organic polymer obtained from a hydrolyzable silicon compound having a radically polymerizable organic group in which at least one carbon atom is directly bonded to a silicon atom, and an organic-inorganic composite monodispersed fine particle having a siloxane bond are used as a crystal spacer. An example is disclosed (JP-A-8-81561). According to this method, the resulting particles have a smaller compressive modulus than silica fine particles, and phenomena such as low-temperature bubbles, high-temperature obstructions, or penetration into color filters, which are problems with silica fine particles, are greatly improved. There is an effect that. In this publication, it is shown that particles can be colored using a pigment or a dye in the synthesis process. However, according to this method, it is difficult to absorb a sufficient amount of pigment or dye inside the particles, and it is difficult to produce a spacer having excellent light shielding properties.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
Under such circumstances, the present invention is suitable as a spacer for a liquid crystal display device. The particle size distribution is monodispersed and has excellent light shielding properties, as well as low-temperature bubbles and high-temperature obstacles, or color filters and overcoats. It is an object of the present invention to provide a method for efficiently producing black polyorganosiloxane fine particles capable of suppressing obstacles such as penetration into a material.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have determined that a silicon compound having a specific structure in which a non-hydrolyzable group and a hydrolyzable alkoxyl group are bonded to a silicon atom as a raw silicon compound The step of reacting this under specific conditions, the step of absorbing the carbon black fine particles into the generated polyorganosiloxane fine particles, the step of stabilizing the polyorganosiloxane fine particles that have absorbed the carbon black fine particles, and the stability of containing carbon black fine particles The present inventors have found that the purpose can be achieved by sequentially performing the step of drying the modified polyorganosiloxane fine particles, and based on this finding, the present invention has been completed.
[0011]
That is, the present invention provides (A) the general formula
R1nSi (OR2)4-n ... (I)
(Wherein R1Is a non-hydrolyzable group having 1 to 20 carbon atoms, a (meth) acryloyloxy group or an epoxy group having 1 to 20 carbon atoms, an alkenyl group having 2 to 20 carbon atoms, An aryl group having 6 to 20 carbon atoms or an aralkyl group having 7 to 20 carbon atoms, R2Is an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, n is an integer of 1,eachOR2They may be the same or different. )
A silicon compound having a specific gravity (23 ° C.) of 1 or less and an aqueous solution containing ammonia and / or an amine or a mixed solvent solution of water and an organic solvent. While maintaining the two-layer state, relational expression (II)
Y ≦ 3 × 10-4X2-0.0573X + 11.33 (II)
[However, X represents the reaction temperature (° C.) and is in the range of 0 to 55, and Y represents the pH of the lower layer during the reaction. ]
(B) After the silicon compound in the upper layer has substantially disappeared, the water-miscible solvent dispersion of carbon black fine particles is added to the resulting polyorganosiloxane fine particle dispersion. Then, the step of absorbing and introducing the carbon black fine particles into the polyorganosiloxane fine particles, (C) the polyorganosiloxane fine particles introduced with the carbon black fine particles at a pH exceeding the upper limit of Y in the above relational formula (II) The present invention provides a method for producing black polyorganosiloxane fine particles characterized by performing a step of reacting and stabilizing and a step (D) of drying the solidified polyorganosiloxane fine particles containing carbon black fine particles.
[0012]
Main departureMysteriousBlack color obtained by the manufacturing methodPolyorganosiloxaneFine particlesThe liquid crystal displaySpaceretcAsCan be suitably used.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the method of the present invention, the general formula (I) is used as a raw material.
R1nSi (OR2)4-n ... (I)
A silicon compound having a specific gravity (23 ° C.) of 1 or less is used.
[0014]
In the above general formula (I), R1Is a non-hydrolyzable group having 1 to 20 carbon atoms, a (meth) acryloyloxy group or an epoxy group having 1 to 20 carbon atoms, an alkenyl group having 2 to 20 carbon atoms, A 6-20 aryl group or a C7-20 aralkyl group is shown. Here, as a C1-C20 alkyl group, a C1-C10 thing is preferable, and this alkyl group may be linear, branched, or cyclic. Examples of this alkyl group include methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, isobutyl, sec-butyl, tert-butyl, pentyl, hexyl, octyl, and cyclopentyl. Group, cyclohexyl group and the like. As a C1-C20 alkyl group which has a (meth) acryloyloxy group or an epoxy group, the C1-C10 alkyl group which has the said substituent is preferable, and this alkyl group is linear, branched, Any of cyclic | annular form may be sufficient. Examples of the alkyl group having this substituent include γ-acryloyloxypropyl group, γ-methacryloyloxypropyl group, γ-glycidoxypropyl group, 3,4-epoxycyclohexyl group, and the like. The alkenyl group having 2 to 20 carbon atoms is preferably an alkenyl group having 2 to 10 carbon atoms, and the alkenyl group may be linear, branched or cyclic. Examples of the alkenyl group include vinyl group, allyl group, butenyl group, hexenyl group, octenyl group and the like. As a C6-C20 aryl group, a C6-C10 thing is preferable, for example, a phenyl group, a tolyl group, a xylyl group, a naphthyl group etc. are mentioned. As a C7-20 aralkyl group, a C7-10 thing is preferable, for example, a benzyl group, a phenethyl group, a phenylpropyl group, a naphthylmethyl group etc. are mentioned.
[0015]
On the other hand, R2Is an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, which may be linear, branched or cyclic, and examples thereof include a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an isopropyl group, n- Examples thereof include a butyl group, an isobutyl group, a sec-butyl group, a tert-butyl group, a pentyl group, a hexyl group, a cyclopentyl group, and a cyclohexyl group. n is1'sIs an integer,eachOR2They may be the same or different.
[0016]
Among the silicon compounds represented by the general formula (I), in particular, the general formula (Ia)
CHThreeSi (OR2)Three ... (Ia)
(Wherein R2Is the same as above, 3 OR2They may be the same or different. )
The silicon compound represented by these is preferable.
[0017]
Examples of the silicon compound represented by the general formula (Ia) include methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, methyltripropoxysilane, methyltributoxysilane, methyltripentoxysilane, and methyltrihexoxysilane. , Methyltricyclohexoxysilane, methyldimethoxyethoxysilane, methyldiethoxymethoxysilane, and the like.
[0018]
In the present invention, one kind of silicon compound represented by the general formula (I) may be used as a raw material, or two or more kinds may be used in combination.
[0019]
Next, the method of the present invention will be described for each step.
[0020]
(A) Process
Step (A) is a step of hydrolyzing and condensing a silicon compound in which the specific gravity (23 ° C.) of the single substance or mixture represented by the general formula (I) is 1 or less to produce polyorganosiloxane fine particles of low condensate. It is a process of generating. In this step, the silicon compound represented by the general formula (I) and an aqueous solution containing ammonia and / or an amine or a mixed solvent solution of water and an organic solvent are substantially mixed without mixing. It is necessary to react at the interface while maintaining the state.
[0021]
The above ammonia and amine are catalysts for hydrolysis and condensation reaction of the silicon compound represented by the general formula (I). Here, preferred examples of the amine include monomethylamine, dimethylamine, monoethylamine, diethylamine, and ethylenediamine. Ammonia and amine may be used alone or in combination of two or more. However, ammonia is preferred because it is less toxic, easy to remove, and inexpensive. The ammonia or amine is used as an aqueous solution or a mixed solvent solution of water and an organic solvent. Here, the organic solvent is preferably water-miscible, for example, lower alcohols such as methanol, ethanol, propanol and butanol, ketones such as acetone, dimethyl ketone and methyl ethyl ketone, ethers such as diethyl ether and dipropyl ether. And the like. The amount of ammonia or amine used depends on the reaction temperature, and is selected so that the pH of the lower aqueous layer before the start of the reaction is a value that satisfies the relationship (II) described below.
[0022]
In the present invention, it is necessary to gently stir the silicon compound and the ammonia or amine solution layer so that the two-layer state is maintained without substantially mixing. As a result, the silicon compound in the upper layer is hydrolyzed and transferred to the lower layer, where polyorganosiloxane fine particles are generated. These particles have the relationship (II)
Y ≦ 3 × 10-FourX2-0.0573X + 11.33 (II)
[However, X represents the reaction temperature (° C.) and is in the range of 0 to 55, and Y represents the pH of the lower layer during the reaction. ]
By reacting at a temperature and pH satisfying the above conditions, the degree of condensation inside the particles is dispersed in a very low state. Therefore, in the carbon black introduction step of the next step, carbon black is absorbed inside the particles and becomes black particles. .
[0023]
That is, the pH of the lower layer during the reaction is 11.33 or less, the reaction temperature is in the range of 0 to 55 ° C., and the reaction temperature and the pH must satisfy the relational expression (II). .
[0024]
Thus, there is a specific pH and reaction temperature range in which carbon black can be introduced because of the amount of silanol produced by hydrolysis of the alkoxyl group of the silicon compound and the siloxane bond produced by condensation of the silanol groups. It is considered that the degree of progress of the hydrolysis polycondensation reaction inside the particles determined by the amount of (hereinafter sometimes referred to as the degree of condensation) is greatly related.
[0025]
(B) Process
Step (B) is a step of introducing carbon black into the low-condensation polyorganosiloxane fine particles produced in step (A). In this step, after the silicon compound in the upper layer substantially disappears, a water-miscible solvent dispersion of carbon black fine particles is added to the resulting polyorganosiloxane fine particle dispersion, and the carbon black is then added to the polyorganosiloxane fine particles. Fine particles are absorbed and introduced.
[0026]
In addition, when adding the dispersion liquid of carbon black microparticles | fine-particles, aggregation between polyorganosiloxane particles may arise. Therefore, it is desirable to add the dispersion liquid of carbon black fine particles after diluting the dispersion liquid of polyorganosiloxane fine particles with water or an aqueous solution of ammonia and / or amine. In this case, the dilution ratio is preferably about 2 to 100 times, particularly about 5 to 50 times. When the dilution ratio is less than 2 times, aggregation and particle coalescence are likely to occur, and the monodispersibility may be impaired. On the other hand, if the dilution ratio exceeds 100 times, the particle concentration becomes too small, and a large reaction vessel is required, and it takes much time for concentration, which is economically disadvantageous.
[0027]
Examples of the water-miscible solvent used in the dispersion of carbon black fine particles include lower alcohols such as methanol, ethanol, propanol and butanol, ketones such as acetone, dimethyl ketone and methyl ethyl ketone, and ethers such as diethyl ether and dipropyl ether. And the like. The carbon black fine particle dispersion may contain a dispersant such as a surfactant. The maximum organic solvent concentration in the dispersion of the polyorganosiloxane fine particles after the carbon black fine particles are introduced must be less than 10% by weight because it is necessary to prevent the dissolution of the polyorganosiloxane fine particles. It is advantageous to adjust. The amount of carbon black fine particles added is not particularly limited, but is usually in the range of 2 to 1000 parts by weight, preferably 10 to 300 parts by weight per 100 parts by weight of the polyorganosiloxane fine particles.
[0028]
(C) Process
The step (C) is a step of stabilizing the low-condensation polyorganosiloxane fine particles into which the carbon black fine particles are introduced in the step (B) by increasing the degree of condensation inside the particles. By this stabilization step, aggregation and coalescence between particles are prevented, and an effect of confining carbon black inside the particles is exhibited.
[0029]
In this step, it is necessary to carry out the reaction at a pH exceeding the upper limit of Y in the relational formula (II) in order to increase the degree of condensation inside the particles. Accordingly, ammonia and / or amine is further added to the dispersion of the polyorganosiloxane fine particles into which carbon black has been introduced, and in some cases, heating to a temperature of 40 ° C. or higher is performed. In this stabilization step, when a method for increasing the degree of condensation is performed, hydrolyzable compounds dissolved in the solution may precipitate as fine particles. In this case, the precipitation / decantation method is used. Or it is preferable to remove by centrifugation etc.
[0030]
(D) Process
The step (D) is a step of drying the carbon black fine particle-containing stabilized polyorganosiloxane fine particles obtained by the stabilization treatment in the step (C). In this step, the polyorganosiloxane fine particles are first separated from the solvent and then dried, but the drying method is not particularly limited. Specifically, after replacing the solvent with a solvent having a small surface tension, the solvent and the particles are separated by stationary sedimentation or centrifugation, and the particles are preferably heated in an oven at 200 ° C. or less. A dry powder can be obtained.
[0031]
The carbon black fine particle-containing polyorganosiloxane fine particles thus dried may be subjected to a firing treatment as necessary in order to obtain a compressive strength necessary as a spacer for a liquid crystal device. This baking treatment is preferably performed at a temperature in the range of 300 to 800 ° C. in an inert atmosphere such as nitrogen or in a vacuum. If this temperature is less than 300 ° C, sufficient compressive strength may not be obtained, and if it exceeds 800 ° C, the particles may become too hard, which is not preferable. Moreover, there is no restriction | limiting in particular about a baking apparatus, Although an electric furnace, a rotary kiln, etc. can be used, it is advantageous to bake in the rotary kiln which can stir particle | grains.
[0032]
The particles obtained in this way may be subjected to a classification treatment as necessary to remove large particles. Although there is no restriction | limiting in particular as this classification processing method, The wet classification method which performs classification using the sedimentation speed changes with particle sizes is preferable.
[0033]
The black polyorganosiloxane fine particles containing carbon black inside obtained by the method of the present invention usually have an average particle size of 0.1 to 30 μm, preferably 0.5 to 15 μm, and a coefficient of variation in particle size distribution ( CV value) is usually 3.0% or less and is a monodisperse particle.
[0034]
The coefficient of variation (CV value) is obtained from the following equation.
[0035]
CV value (%) = (standard deviation of particle size / average particle size) × 100
The present inventionIn the manufacturing method ofBlackPolyorganosiloxaneFine particlesAs, Polyorganosiloxane fine particles containing carbon black, and the carbon black / Si weight ratio is in the range of 0.01 to 5, preferably 0.03 to 2.Can get things. When the carbon black / Si weight ratio is less than 0.01, the light shielding performance is poor, and when it exceeds 5, the breaking strength is lowered. The specific resistance is 1.0 × 1010Ω / cm or more, average particle size of 0.1 to 30 μm, CV value is 3.0% or less, and Y value is 10% or less, preferably 5% or less in an XYZ system of a color defined by JIS Z8701.
[0036]
As described above, the specific resistance is very large even though the conductive agent carbon black is considerably contained. This indicates that the carbon black is confined inside the particle, and therefore, the carbon black has a characteristic that it is extremely difficult to drop off from the particle.
[0037]
The present inventionObtained by the manufacturing methodBlackPolyorganosiloxaneUsing fine particles as spacersLiquidThe crystal display device has features such as (1) excellent light shielding properties, (2) low temperature bubbles and high temperature obstacles are suppressed, and (3) obstacles such as penetration into color filters and overcoat materials are suppressed. is doing.
[0038]
【Example】
EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited at all by these examples.
[0039]
Example 1
(1) (A) Process
A 2 liter separable flask equipped with a stirring blade is set in a thermostatic bath, and 1800 ml of ion exchange water and 1.5 ml of 1N ammonia water are put therein, and the solution is stirred while keeping the thermostatic bath at 20 ° C. Stir and mix. Next, 180 g of methyltrimethoxysilane is poured into the upper layer of the ammonia water while gently stirring at a rotation speed of the stirring blade of 20 rpm, and 2 g of methyltrimethoxysilane and dilute ammonia water are poured into the reaction vessel wall. While maintaining the layer state, the hydrolysis reaction was started. At this time, the pH of the aqueous ammonia was 10.18, and the relationship between the reaction temperature and pH satisfied the formula (II).
[0040]
After 80 minutes from the start of the reaction, the lower layer aqueous solution began to become cloudy, and the upper layer methyltrimethoxysilane decreased with the passage of time, and stirring was continued until all the methyltrimethoxysilane disappeared. When a part of the lower layer aqueous solution was taken out and placed on a slide glass and observed with an optical microscope, monodispersed spherical polymethylsiloxane fine particles were produced. Moreover, it was 8.73 when pH in that case was measured.
[0041]
(2) Steps (B) to (D)
A 10-liter plastic container equipped with a stirring blade is set in a thermostatic bath, and 100 g of the particle dispersion obtained in (1) above is added, and 5000 ml of ion-exchanged water is added while maintaining the liquid temperature at 20 ° C. Thus, a liquid in which the particle dispersion was diluted 50 times was obtained. The pH of the diluted solution was measured and found to be 7.81. Next, 20 g of a carbon black isopropanol dispersion (manufactured by Mikuni Dye Co., Ltd., MHI Black # 217) with a concentration of 30% by weight was added dropwise over 5 minutes with gentle stirring, and carbon black was absorbed inside the particles. The pH at that time was 5.68.
[0042]
After stirring for 30 minutes, 600 ml of a 5 wt% aqueous solution of polyvinyl alcohol was added thereto, and then 16 ml of 25 wt% aqueous ammonia was added to stabilize particles formed by absorbing carbon black. Under the present circumstances, pH during reaction was 10.43 and exceeded the upper limit of Y of a formula (II). Thereafter, after aging at room temperature for 12 hours, carbon black-containing particles were precipitated from the particle dispersion using a centrifuge. After discarding the supernatant in which the carbon black that was not absorbed by the particles was suspended, the particles were washed by repeating the operation of adding methanol to re-disperse, sedimenting again with a centrifuge, and discarding the supernatant. .
[0043]
Next, black particles were obtained by removing methanol and drying in an oven at 150 ° C. Moreover, as a result of measuring the specific resistance of the black particles, 0.91 × 1011Since it was Ω / cm and was an insulator, it was found that carbon black was absorbed inside the particles.
[0044]
Moreover, when Y value was measured using the color analyzer 307 by Hitachi, Ltd., it was 1.8%. And it was 1.38 when specific gravity measurement was performed using helium gas using Shimadzu Corporation micromeritics Accupic 1330. Since the specific gravity of the carbon black non-introduced particles was 1.34, the carbon black / Si weight ratio was 0.2.
[0045]
(3) Firing process
The carbon black-containing black particles obtained in the above (2) were baked at 620 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere. The obtained particles were measured for fracture strength on a steel plate using a micro compression tester MCTE-200 manufactured by Shimadzu Corporation. The result was 76 kgf / mm.2Met. The fired particles did not show fading and maintained blackness. The Y value was measured and found to be 1.7%.
[0046]
(4) Classification process
Large particles were removed by wet-classifying the black particles obtained in (3) above using the difference in sedimentation speed due to the difference in particle size. The black particles were monodispersed with an average particle size of 3.66 μm and a CV value of 1.80% as a result of particle size measurement with a scanning electron microscope (SEM).
[0047]
(5) Particle reliability test
1 g of the black particles obtained in (4) above were mixed in 2 g of nematic liquid crystal (Merck, ZLI-5150) placed in a 5 ml glass container, and the inside of the container was replaced with nitrogen gas and sealed. Thereafter, this container was held at 90 ° C. for 72 hours, and then the liquid crystal was taken out and the specific resistance was measured. As a result, the specific resistance of the blank liquid crystal containing no black particles is 8.8 × 10.TenΩ / cm vs 1.0 × 1011It was Ω / cm, and there was no leaching of carbon black and no elution of impurities such as ions.
[0048]
Example 2
In Example 1- (1), polymethylsiloxane particles were obtained in the same manner as in Example 1- (1) except that the amount of 1N ammonia water added was changed to 0.9 ml. At this time, the pH of the ammonia water before the start of the reaction was 10.12, and the reaction temperature and pH satisfied the relational expression (II). Moreover, pH after reaction was 8.24.
[0049]
Next, in the same manner as in Example 1- (2), the carbon black introduction step [(B) step], the stabilization step [(C) step] and the drying step [(D) step] are sequentially performed. Thus, black polymethylsiloxane fine particles in which carbon black was introduced inside the particles were obtained. The Y value was measured and found to be 0.9%.
[0050]
Example 3
In Example 1- (1), polymethylsiloxane particles were obtained in the same manner as in Example 1- (1) except that the amount of 1N ammonia water added was 2.0 ml. At this time, the pH of the ammonia water before the start of the reaction was 10.28, and the reaction temperature and pH satisfied the relational expression (II). Moreover, pH after reaction was 8.84.
[0051]
Next, in the same manner as in Example 1- (2), the carbon black introduction step [(B) step], the stabilization step [(C) step] and the drying step [(D) step] are sequentially performed. Thus, black polymethylsiloxane fine particles in which carbon black was introduced inside the particles were obtained. The Y value was measured and found to be 2.8%.
[0052]
Example 4
In Example 1- (1), a polymethylsiloxane particle was obtained by performing the same operation as in Example 1- (1) except that the thermostat was maintained at 5 ° C. At this time, the pH of the ammonia water before the start of the reaction was 11.00, and the reaction temperature and pH satisfied the relational expression (II). Moreover, pH after reaction was 8.55.
[0053]
Next, in the same manner as in Example 1- (2), the carbon black introduction step [(B) step], the stabilization step [(C) step] and the drying step [(D) step] are sequentially performed. Thus, black polymethylsiloxane fine particles in which carbon black was introduced inside the particles were obtained. The Y value was measured and found to be 1.6%.
[0054]
Example 5
In Example 1- (1), the same operation as in Example 1- (1) was performed except that the thermostat was kept at 30 ° C. and the amount of 1N ammonia water added was 0.9 ml. Polymethylsiloxane particles were obtained. At this time, the pH of the ammonia water before the start of the reaction was 9.75, and the reaction temperature and pH satisfied the relational expression (II). Moreover, pH after reaction was 8.06.
[0055]
Next, in the same manner as in Example 1- (2), the carbon black introduction step [(B) step], the stabilization step [(C) step] and the drying step [(D) step] are sequentially performed. Thus, black polymethylsiloxane fine particles in which carbon black was introduced inside the particles were obtained. The Y value was measured and found to be 2.2%.
[0056]
Example 6
In Example 1- (1), the same operation as in Example 1- (1) was performed except that the thermostat was maintained at 25 ° C. and the amount of 1N ammonia water added was 0.9 ml. Polymethylsiloxane particles were obtained. At this time, the pH of the ammonia water before the start of the reaction was 9.96, and the reaction temperature and pH satisfied the relational expression (II). Moreover, pH after reaction was 7.94.
[0057]
Next, in the same manner as in Example 1- (2), the carbon black introduction step [(B) step], the stabilization step [(C) step] and the drying step [(D) step] are sequentially performed. Thus, black polymethylsiloxane fine particles in which carbon black was introduced inside the particles were obtained. The Y value was measured and found to be 1.9%.
[0058]
Example 7
In Example 1- (1), except that ion-exchanged water was 1500 ml, 1N ammonia water was 0.3 ml, and 240 g of vinyltrimethoxysilane was used instead of the raw material methyltrimethoxysilane. The same operation as in 1- (1) was performed to obtain polyvinylsiloxane fine particles. At this time, the pH of the ammonia water before the start of the reaction was 9.92, and the reaction temperature and pH satisfied the relational expression (II).
[0059]
Next, in the same manner as in Example 1- (2), the carbon black introduction step [(B) step], the stabilization step [(C) step] and the drying step [(D) step] are sequentially performed. Thus, black polyvinylsiloxane fine particles in which carbon black was introduced inside the particles were obtained. The Y value was measured and found to be 1.0%.
[0060]
Comparative Example 1
In Example 1- (1), polymethylsiloxane fine particles were obtained in the same manner as in Example 1- (1) except that the amount of 1N ammonia water added was changed to 3 ml. At this time, the pH of the ammonia water before the start of the reaction was 10.33, and the reaction temperature and pH did not satisfy the relational expression (II). Therefore, in the carbon black introduction process, almost no carbon black entered the particles. It was. Moreover, pH after reaction was 8.81.
[0061]
Comparative Example 2
In Example 1- (1), polymethylsiloxane fine particles were obtained in the same manner as in Example 1- (1), except that the amount of 1N ammonia water added was changed to 5 ml. At this time, the pH of the ammonia water before the start of the reaction was 10.54, and the reaction temperature and pH did not satisfy the relational expression (II). Therefore, in the carbon black introduction step, almost no carbon black entered the particles. It was. Moreover, pH after reaction was 8.98.
[0062]
Comparative Example 3
In Example 1- (1), except that the reaction temperature was changed to 38 ° C., the same operation as in Example 1- (1) was performed to obtain polymethylsiloxane fine particles. At this time, the pH of the ammonia water before the start of the reaction was 9.63, and the reaction temperature and pH did not satisfy the relational expression (II). Therefore, in the carbon black introduction step, almost no carbon black entered the particles. It was. Moreover, pH after reaction was 8.30.
[0063]
Comparative Example 4
Except having changed reaction temperature into 30 degreeC in Example 1- (1), operation similar to Example 1- (1) was performed and the polymethylsiloxane fine particle was obtained. At this time, the pH of the ammonia water before the start of the reaction was 9.90, and the reaction temperature and pH did not satisfy the relational expression (II). Therefore, in the carbon black introduction process, almost no carbon black entered the particles. It was. Moreover, pH after reaction was 8.07.
[0064]
【The invention's effect】
According to the present invention, the particle size distribution suitable as a spacer for a liquid crystal display device is monodispersed and has excellent light shielding properties, and also has problems such as low-temperature bubbles and high-temperature obstacles, or penetration into color filters and overcoat materials. The black polyorganosiloxane fine particles that can be suppressed can be efficiently produced.
Claims (5)
R1nSi(OR2)4−n ・・・(I)
(式中、R1は非加水分解性基であって、炭素数1〜20のアルキル基、(メタ)アクリロイルオキシ基若しくはエポキシ基を有する炭素数1〜20のアルキル基、炭素数2〜20のアルケニル基、炭素数6〜20のアリール基または炭素数7〜20のアラルキル基、R2は炭素数1〜6のアルキル基、nは1の整数を示し、各OR2はたがいに同一であっても異なっていてもよい。)
で表される単独物もしくは混合物の比重(23℃)が1以下であるケイ素化合物と、アンモニアおよび/またはアミンを含有する水溶液または水と有機溶剤との混合溶剤溶液とを、実質上混合することなく2層状態を保持しながら、関係式(II)
Y≦3×10−4X2−0.0573X+11.33 ・・・(II)
[ただし、Xは反応温度(℃)を示し、0〜55の範囲であり、Yは反応中の下層のpHを示す。]
を満たす温度およびpHにて界面で反応させる工程、(B)上層のケイ素化合物が実質上消失したのち、生成したポリオルガノシロキサン微粒子の分散液に、カーボンブラック微粒子の水混和性溶剤分散液を添加して、ポリオルガノシロキサン微粒子にカーボンブラック微粒子を吸収させ、導入する工程、(C)カーボンブラック微粒子を導入したポリオルガノシロキサン微粒子を、上記関係式(II)におけるYの上限値を超えるpHにて反応させ、安定化させる工程および(D)カーボンブラック微粒子含有安定化ポリオルガノシロキサン微粒子を乾燥処理する工程、を施すことを特徴とする黒色ポリオルガノシロキサン微粒子の製造方法。(A) General formula R 1 nSi (OR 2 ) 4-n (I)
(In the formula, R 1 is a non-hydrolyzable group having 1 to 20 carbon atoms, a (meth) acryloyloxy group or an epoxy group having 1 to 20 carbon atoms, or 2 to 20 carbon atoms). An alkenyl group, an aryl group having 6 to 20 carbon atoms or an aralkyl group having 7 to 20 carbon atoms, R 2 is an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, n is an integer of 1 , and each OR 2 is the same It may or may not be.)
A silicon compound having a specific gravity (23 ° C.) of 1 or less and an aqueous solution containing ammonia and / or an amine or a mixed solvent solution of water and an organic solvent. While maintaining the two-layer state, relational expression (II)
Y ≦ 3 × 10 −4 X 2 −0.0573X + 11.33 (II)
[However, X represents the reaction temperature (° C.) and is in the range of 0 to 55, and Y represents the pH of the lower layer during the reaction. ]
(B) After the silicon compound in the upper layer has substantially disappeared, the water-miscible solvent dispersion of carbon black fine particles is added to the resulting polyorganosiloxane fine particle dispersion. Then, the step of absorbing and introducing the carbon black fine particles into the polyorganosiloxane fine particles, (C) the polyorganosiloxane fine particles introduced with the carbon black fine particles at a pH exceeding the upper limit of Y in the above relational formula (II) A method for producing black polyorganosiloxane fine particles, comprising: reacting and stabilizing; and (D) drying the carbon black fine particle-containing stabilized polyorganosiloxane fine particles.
CH3Si(OR2)3 ・・・(I−a)
(式中、R2は炭素数1〜6のアルキル基を示し、3つのOR2はたがいに同一であっても異なっていてもよい。)
で表される化合物である請求項1に記載の製造方法。The silicon compound represented by the general formula (I) is represented by the general formula (Ia)
CH 3 Si (OR 2 ) 3 (Ia)
(In the formula, R 2 represents an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, and three OR 2 may be the same or different.)
The production method according to claim 1, wherein the compound is represented by the formula:
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