JP4414551B2 - Organic-inorganic composite gradient material and its use - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機−無機複合傾斜材料およびその用途に関する。さらに詳しくは、本発明は、金属成分の含有率が材料の厚み方向に連続的かつ比較的緩やかに変化する成分傾斜構造を有すると共に、良好な可撓性を有し、膜厚が厚くなってもクラックや割れなどが発生しにくく、機能性材料として各種用途に有用な有機−無機複合傾斜材料、該傾斜材料からなる被膜形成用コーティング剤および該傾斜材料からなる被膜を表面に有する構造体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、有機高分子材料の性能、機能に関する要求の多様化に伴い、単一の高分子化合物では満足させることが困難となり、高分子化合物に異なる性質をもつ異種材料を加え、複合化することが行われている。
【０００３】
例えば、強化材を有機高分子材料中に分散させることによる物性改質が広く行われており、具体的には、炭素繊維、ガラス繊維、金属繊維、セラミックス繊維、アラミド繊維などの有機や無機の繊維状物質、あるいは炭酸カルシウム、シリカ、アルミナなどの粉末状の無機フィラーなどを添加し、均質に分散させることが行われている。
また、異種の高分子化合物を混合し、場合により相溶化剤を介して相溶化させ、ポリマーアロイ化することにより、新しい機能を発現させる研究も盛んに行われている。
【０００４】
一方、最近、材料の組成を少しずつ変化させ、表と裏で性質が全く異なる複合材料である傾斜機能材料が注目され、例えばセラミックスの耐熱性と金属の強度を併せもつ金属−セラミックス複合傾斜機能材料が超音速航空機の機体材料などとして開発されている。
【０００５】
このような傾斜機能材料は、無機傾斜材料、有機傾斜材料および有機−無機複合傾斜材料に分類され、そして、複数の材料、例えば複数の異種の無機材料同士、複数の異種の有機材料同士、あるいは１種以上の有機材料と１種以上の無機材料を混合し、場所によって異なる分布密度、配向などを制御することで、複数の成分材料の物性を発現させうることから、例えば宇宙・航空分野、自動車分野、エレクトロニクス分野、医療分野、エネルギー分野、さらには放射線や電磁波のシールド分野などにおける利用が期待される。
【０００６】
本発明者らは、先に、新規な機能性材料として種々の用途、例えば塗膜や、有機材料と無機または金属材料との接着剤、有機基材と光触媒塗膜との間に設けられ、有機基材の劣化を防止する中間膜や、有機基材と無機系または金属系材料層との密着性を向上させる中間膜などの用途に有用な、厚さ方向に組成が連続的に変化する有機−無機複合傾斜材料を見出した（特願平１１−２６４５９２号）。
【０００７】
この有機−無機複合傾斜材料は、有機高分子化合物と金属系化合物との化学結合物を含有する有機−無機複合材料であって、該金属系化合物の含有率が材料の厚み方向に連続的に変化する成分傾斜構造を有し、上記の各種用途に極めて有用な新規な材料である。
【０００８】
そして、この複合材料における傾斜の傾きを緩やかにするには、無機成分の混合割合を増加させるのが有効であることを、本発明者らは、特願平１１−２６４５９２号において開示した。しかしながら、このような方法においては、膜表面の無機成分１００％の層がそれに対応して厚くなり、例えば表面層がシリカであれば、一般にゾル−ゲル法の限界といわれる０．１５μｍを超えると割れが発生するおそれが生じる。この場合、無機成分として、飽和や不飽和の有機基がケイ素原子に直接結合したケイ素化合物を複合させれば、その割れの発生を防ぐことは可能と思われる。しかしながら、該複合傾斜材料を光触媒中間膜用途に用いる場合には、光触媒反応により分解されやすい上記有機基を表面にもつことは、耐候性能が低下する要因となる。また、可撓性などを考慮した場合には、膜厚方向全体に傾斜していないので、割れの発生を十分に防止することができないおそれもある。
【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、金属成分の含有率が材料の厚み方向に連続的に変化する成分傾斜構造を有すると共に、良好な可撓性を有し、膜厚が厚くなってもクラックや割れなどが発生しにくく、機能性材料として各種用途に有用な有機−無機複合傾斜材料およびその用途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、有機高分子化合物と金属酸化物系化合物とが化学的に結合した複合体を構成する金属酸化物系化合物の原料として、加水分解縮合速度が極端に速いテトライソシアナトシランと、非加水分解性基およびアルコキシル基のような加水分解性基を有する特定構造の有機ケイ素化合物、あるいはその部分加水分解物やその加水分解縮合物であるオリゴマーとの混合物を用いることにより、基材表面側から、順次有機化合物／有機無機ハイブリッド／無機化合物からなる複合傾斜材料が形成され、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、
（１）有機高分子化合物と金属酸化物系化合物とが化学的に結合した複合体を含み、かつ金属成分の含有率が材料の表面から深さ方向に連続的に変化する成分傾斜構造を有する有機−無機複合傾斜材料であって、該有機−無機複合傾斜材料は、有機基材上に形成された膜状物からなり、上記有機高分子化合物が、（ｃ）分子中に加水分解により金属酸化物と結合しうる金属含有基を有するエチレン性不飽和単量体と、（ｄ）金属を含まないエチレン性不飽和単量体とを共重合させて得られたものであり、上記金属酸化物系化合物が、（ａ）テトライソシアナトシランと、（ｂ）一般式（Ｉ）
Ｒ1ｎＳｉ(ＯＲ2)4-n …（Ｉ）
（式中、Ｒ1は飽和若しくは不飽和の非加水分解性有機基、Ｒ2は炭素数１〜６のアルキル基、ｎは１〜３の整数を示し、Ｒ1が複数ある場合、複数のＲ1はたがいに同一でも異なっていてもよく、ＯＲ2が複数ある場合、複数のＯＲ2はたがいに同一でも異なっていてもよい。）で表される有機ケイ素化合物、該化合物の部分加水分解物およびその縮合物である重量平均分子量２０００未満のオリゴマーの中から選ばれる少なくとも１種との混合物から形成されたものであることを特徴とする有機−無機複合傾斜材料、
（２）上記有機−無機複合傾斜材料からなる被膜を有機基材上に形成させるために用いられることを特徴とするコーティング剤、および
（３）上記有機−無機複合傾斜材料からなる被膜を有機基材上に有することを特徴とする構造体、
を提供するものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の有機−無機複合傾斜材料は、材料中の金属成分の含有率が、材料の表面から深さ方向に連続的に変化する成分傾斜構造を有すると共に、中間層には有機無機ハイブリッドが含まれている。そして表面層はほとんどケイ素酸化物からなり、かつ基材に近づくにつれて金属成分の含有率が比較的緩やかに減少していくと共に、有機化合物成分の含有率が多くなる特徴を有している。
【００１３】
このような成分傾斜構造の確認は、例えば、基板上に設けた有機−無機複合傾斜材料の塗膜表面に、スパッタリングを施して膜を削っていき、経時的に膜表面の炭素原子と金属原子の含有率を、Ｘ線光電子分光法などにより測定することによって、行うことができる。具体的に例を挙げて説明すると、図１は、後述の実施例１において、ポリエチレンテレフタレートフィルム上に設けられた厚さ０．１８μｍの有機−無機複合材料（金属原子として、ケイ素原子を含む）からなる塗膜における、スパッタリング時間と炭素原子及びケイ素原子の含有率との関係を示すグラフであって、この図から分かるように、スパッタリングを施す前の塗膜表面は、ほぼ９０％近くケイ素原子で占められているが、スパッタリングにより膜が削られていくに伴い、膜表面のケイ素原子の含有率が緩やかに減少するとともに、炭素原子の含有率が増加し、スパッタリング時間が約４０分間を過ぎた時点から、膜表面はほぼ炭素原子のみとなる。
【００１４】
すなわち、この傾斜材料においては、材料中の金属成分の含有率が、表面から基板方向に逐次減少していることが示されている。
このような成分傾斜構造を有する本発明の有機−無機複合傾斜材料においては、全原子中におけるケイ素原子の含有率が、通常０．１〜４０重量％、好ましくは０．５〜３５重量％、特に好ましくは１〜３５重量％の範囲である。
さらに、本発明の傾斜材料は、その厚みが５μｍ以下、特に０．０１〜１．０μｍの範囲のものが、傾斜性及び塗膜性能などの点から好適である。
【００１５】
このような有機−無機複合傾斜材料は、以下に示す方法により効率よく製造することができる。
まず、（Ａ）（ａ）テトライソシアナトシランと、（ｂ）一般式（Ｉ）
Ｒ1ｎＳｉ(ＯＲ2)4-n …（Ｉ）
（式中、Ｒ1は飽和若しくは不飽和の非加水分解性有機基、Ｒ2は炭素数１〜６のアルキル基、ｎは１〜３の整数を示し、Ｒ1が複数ある場合、複数のＲ1はたがいに同一でも異なっていてもよく、ＯＲ2が複数ある場合、複数のＯＲ2はたがいに同一でも異なっていてもよい。）
で表される有機ケイ素化合物、該化合物の部分加水分解物およびその縮合物である重量平均分子量２０００未満のオリゴマーの中から選ばれる少なくとも１種との混合物、および（Ｂ）分子中に加水分解により金属酸化物と結合しうる金属含有基（以下、加水分解性金属含有基と称すことがある。）を有する有機高分子化合物を含む塗工液を調製する。
【００１６】
上記（Ａ）成分における（ｂ）成分である上記一般式（Ｉ）で表される有機ケイ素化合物において、Ｒ1で示される飽和若しくは不飽和の非加水分解性有機基としては、例えば、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のアリール基又は炭素数７〜２０のアラルキル基を挙げることができる。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。
【００１７】
一方、Ｒ2で示される炭素数１〜６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。
【００１８】
ｎは１〜３の整数であり、Ｒ1が複数ある場合、各Ｒ1はたがいに同一であってもよいし、異なっていてもよく、またＯＲ2が複数ある場合、各ＯＲ2はたがいに同一であってもよいし、異なっていてもよい。
【００１９】
前記一般式（Ｉ）で表される有機ケイ素化合物の例としては、例えば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、メチルトリイソプロポキシシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、プロピルトリエトキシシラン、ブチルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−アクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メタクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、メチルフェニルジメトキシシランなどが挙げられる。
【００２０】
本発明においては、上記（ｂ）成分として、これらの有機ケイ素化合物を用いてもよいし、その部分加水分解物を用いてもよく、またその加水分解縮合物である重量平均分子量２０００未満のオリゴマーを用いてもよい。あるいは、これらの混合物を用いることもできる。
【００２１】
塗工液中の（Ａ）成分における前記（ａ）成分と（ｂ）成分の含有割合は、所望の成分傾斜構造を有すると共に、良好な可撓性を有し、クラックや割れが発生しにくい傾斜材料を形成し得る点から、モル比で好ましくは１００：１０〜１００：５００、より好ましくは１００：１５〜１００：４５０、さらに好ましくは１００：３０〜１００：４００の範囲で選定される。
【００２２】
一方、（Ｂ）成分である有機高分子化合物中の加水分解により金属酸化物と結合しうる金属含有基（加水分解性金属含有基）における金属としては、例えばケイ素、チタン、ジルコニウムおよびアルミニウムの中から選ばれる少なくとも１種を好ましく挙げることができる。
【００２３】
上記（Ｂ）成分である分子中に加水分解により金属酸化物と結合しうる金属含有基を有する有機高分子化合物は、例えば該金属含有基を有する単量体と金属を含まない単量体とを共重合又は縮重合させることにより、得ることができる。
【００２４】
ここで加水分解により金属酸化物と結合しうる金属含有基としては、例えば一般式（II）
−Ｍ1Ｒ3 m-1 …（II）
（式中、Ｒ3は加水分解性基または非加水分解性基であるが、その中の少なくとも１つは加水分解により、（Ａ）成分と化学結合しうる加水分解性基であることが必要であり、また、Ｒ3が複数の場合には、各Ｒ3はたがいに同一であってもよいし、異なっていてもよく、Ｍ1はケイ素、チタン、ジルコニウム、アルミニウムなどの金属原子、ｍは金属原子Ｍ1の価数である。）
で表される基を挙げることができる。
【００２５】
上記一般式（II）において、Ｒ3のうちの加水分解により（Ａ）成分と化学結合しうる加水分解性基としては、例えばアルコキシル基、イソシアネート基、塩素原子などのハロゲン原子、オキシハロゲン基、アセチルアセトネート基、水酸基などが挙げられ、一方、（Ａ）成分と化学結合しない非加水分解性基としては、例えば低級アルキル基などが好ましく挙げられる。
【００２６】
上記一般式（II）で表される金属含有基としては、例えば、トリメトキシシリル基、トリエトキシシリル基、トリ−ｎ−プロポキシシリル基、トリイソプロポキシシリル基、トリ−ｎ−ブトキシシリル基、トリイソブトキシシリル基、トリ−sec−ブトキシシリル基、トリ−tert−ブトキシシリル基、トリクロロシリル基、ジメチルメトキシシリル基、メチルジメトキシシリル基、ジメチルクロロシリル基、メチルジクロロシリル基、トリイソシアナトシリル基、メチルジイソシアナトシリル基など、トリメトキシチタニウム基、トリエトキシチタニウム基、トリ−ｎ−プロポキシチタニウム基、トリイソプロポキシチタニウム基、トリ−ｎ−ブトキシチタニウム基、トリイソブトキシチタニウム基、トリ−sec−ブトキシチタニウム基、トリ−tert−ブトキシチタニウム基、トリクロロチタニウム基、さらには、トリメトキシジルコニウム基、トリエトキシジルコニウム基、トリ−ｎ−プロポキシジルコニウム基、トリイソプロポキシジルコニウム基、トリ−ｎ−ブトキシジルコニウム基、トリイソブトキシジルコニウム基、トリ−sec−ブトキシジルコニウム基、トリ−tert−ブトキシジルコニウム基、トリクロロジルコニウム基、またさらには、ジメトキシアルミニウム基、ジエトキシアルミニウム基、ジ−ｎ−プロポキシアルミニウム基、ジイソプロポキシアルミニウム基、ジ−ｎ−ブトキシアルミニウム基、ジイソブトキシアルミニウム基、ジ−sec−ブトキシアルミニウム基、ジ−tert−ブトキシアルミニウム基、トリクロロアルミニウム基などが挙げられる。
【００２７】
この（Ｂ）成分の加水分解性金属含有基を有する有機高分子化合物としては、特に（ｃ）分子中に加水分解により金属酸化物と結合しうる金属含有基を有するエチレン性不飽和単量体と、（ｄ）金属を含まないエチレン性不飽和単量体とを共重合させて得られたものが好適である。
【００２８】
上記（ｃ）成分である加水分解性金属含有基を有するエチレン性不飽和単量体としては、一般式（III）
【００２９】
【化１】
（式中、Ｒ4は水素原子またはメチル基、Ａはアルキレン基、好ましくは炭素数１〜４のアルキレン基、Ｒ3、Ｍ1およびｍは前記と同じである。）
で表される金属含有基を含むアルキル基をエステル成分とする（メタ）アクリル酸エステルを挙げることができる。この（ｃ）成分のエチレン性不飽和単量体は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。
【００３１】
一方、上記（ｄ）成分である金属を含まないエチレン性不飽和単量体としては、例えば一般式（IV）
【００３２】
【化２】
（式中、Ｒ5は水素原子またはメチル基、Ｘは一価の有機基である。）
で表されるエチレン性不飽和単量体、好ましくは一般式（IV−ａ）
【００３４】
【化３】
（式中、Ｒ5は前記と同じであり、Ｒ6は炭化水素基を示す。）
で表されるエチレン性不飽和単量体、あるいは上記一般式（IV）で表されるエチレン性不飽和単量体と、必要に応じて添加される密着性向上剤としての一般式（Ｖ）
【００３６】
【化４】
（式中、Ｒ7は水素原子またはメチル基、Ｒ8はエポキシ基、水酸基、メルカプト基、アミノ基、ハロゲン原子若しくはエーテル結合を有する炭化水素基を示す。）
で表されるエチレン性不飽和単量体との混合物を挙げることができる。
【００３８】
上記一般式（IV−ａ）で表されるエチレン性不飽和単量体において、Ｒ6で示される炭化水素基としては、炭素数１〜１０の直鎖状若しくは分岐状のアルキル基、炭素数３〜１０のシクロアルキル基、炭素数６〜１０のアリール基、炭素数７〜１０のアラルキル基を好ましく挙げることができる。炭素数１〜１０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、および各種のブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基などが挙げられる。炭素数３〜１０のシクロアルキル基の例としては、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、メチルシクロヘキシル基、シクロオクチル基などが、炭素数６〜１０のアリール基の例としては、フェニル基、トリル基、キシリル基、ナフチル基、メチルナフチル基などが、炭素数７〜１０のアラルキル基の例としては、ベンジル基、メチルベンジル基、フェネチチル基、ナフチルメチル基などが挙げられる。
【００３９】
前記一般式（IV）で表されるエチレン性不飽和単量体の例としては、一般式（IV−ａ）で表される単量体、具体的にはメチル（メタ）アクリレート、エチル（メタ）アクリレート、プロピル（メタ）アクリレート、ブチル（メタ）アクリレート、ヘキシル（メタ）アクリレート、２−エチルヘキシル（メタ）アクリレート、シクロヘキシル（メタ）アクリレート、フェニル（メタ）アクリレート、ベンジル（メタ）アクリレートなどを好ましく挙げることができるが、これら以外にもスチレン、α−メチルスチレン、α−アセトキシスチレン、ｍ−、ｏ−またはｐ−ブロモスチレン、ｍ−、ｏ−またはｐ−クロロスチレン、ｍ−、ｏ−またはｐ−ビニルフェノール、１−または２−ビニルナフタレンなども用いることができる。これら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。
【００４０】
前記一般式（Ｖ）で表されるエチレン性不飽和単量体において、Ｒ8で示されるエポキシ基、水酸基、メルカプト基、アミノ基、ハロゲン原子若しくはエーテル結合を有する炭化水素基としては、炭素数１〜１０の直鎖状若しくは分岐状のアルキル基、炭素数３〜１０のシクロアルキル基、炭素数６〜１０のアリール基、炭素数７〜１０のアラルキル基を好ましく挙げることができる。上記置換基のハロゲン原子としては、塩素原子および臭素原子が好ましく、またアミノ基は遊離のアミノ基、モノアルキル置換アミノ基、ジアルキル置換アミノ基のいずれであってもよい。上記炭化水素基の具体例としては、前述の一般式（IV）におけるＲ6の説明において例示した基と同じものを挙げることができる。
【００４１】
この一般式（Ｖ）で表されるエチレン性不飽和単量体の例としては、グリシジル（メタ）アクリレート、３−グリシドキシプロピル（メタ）アクリレート、２−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチル（メタ）アクリレート、２−ヒドロキシエチル（メタ）アクリレート、３−ヒドロキシプロピル（メタ）アクリレート、２−ヒドロキシプロピル（メタ）アクリレート、２−メルカプトエチル（メタ）アクリレート、３−メルカプトプロピル（メタ）アクリレート、２−メルカプトプロピル（メタ）アクリレート、２−アミノエチル（メタ）アクリレート、３−アミノプロピル（メタ）アクリレート、２−アミノプロピル（メタ）アクリレート、２−ジメチルアミノエチル（メタ）アクリレート、４−ジメチルアミノベンジル（メタ）アクリレート、２−クロロエチル（メタ）アクリレート、２−ブロモエチル（メタ）アクリレートなどが挙げられる。これら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。
【００４２】
また、一般式（IV）で表されるエチレン性不飽和単量体と一般式（Ｖ）で表されるエチレン性不飽和単量体とを併用する場合は、前者のエチレン性不飽和単量体に対し、後者のエチレン性不飽和単量体を１〜１００モル％の割合で用いるのが好ましい。
前記（ｃ）成分の加水分解性金属含有基を有するエチレン性不飽和単量体と（ｄ）成分の金属を含まないエチレン性不飽和単量体とを、ラジカル重合開始剤の存在下、ラジカル共重合させることにより、所望の共重合体が得られる。
【００４３】
一方、縮重合の例としては、上記エチレン性不飽和基の代わりに、縮合により高分子量化可能な基、例えば縮合によりアミド結合、エステル結合あるいはウレタン結合などを生成する２つ以上の官能基と前記一般式（II）で表される金属含有基とを有する単量体と、縮合により高分子量化可能な基、例えば縮合によりアミド結合、エステル結合あるいはウレタン結合などを生成する２つ以上の官能基を有し、かつ金属含有基を含まない単量体とを縮重合させる方法などにより、所望の高分子化合物が得られる。
【００４４】
具体的には、いずれか一方の成分が前記一般式（II）で表される金属含有基を有するアミン成分と酸成分とを縮重合させ、ポリアミドを形成させる方法、あるいはいずれか一方の成分が前記一般式（II）で表される金属含有基を有するアルコール成分と酸成分とを縮重合させ、ポリエステルを形成させる方法などが挙げられる。
【００４５】
本発明における塗工液には、通常有機溶剤が用いられ、この有機溶剤としては、前記（Ａ）成分および（Ｂ）成分を溶解することができ、かつそれらに対して不活性なものであればよく、特に制限はない。このような溶剤としては、例えばヘキサン、ヘプタン、オクタンなどの脂肪族炭化水素系溶剤、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素系溶剤、酢酸エチル、酢酸ブチル、セロソルブアセテートなどのエステル系溶剤、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトンなどのケトン系溶剤などを挙げることができる。これらの溶剤は、単独で用いてもよいし、２種以上を混合して用いてもよい。
【００４６】
それらの溶剤に前記（Ａ）成分および（Ｂ）成分をそれぞれ所定の割合で加え、均質に溶解させることにより、本発明の傾斜材料形成用の塗工液が得られる。この塗工液における固形分濃度としては、該塗工液が塗工可能な粘度になるような濃度であればよく、特に制限はない。
【００４７】
次に、このようにして得られた塗工液を用い、有機基材上に、乾燥塗膜の厚さが、通常５μｍ以下、特に中間膜用途として、好ましくは０．０１〜１．０μｍ、より好ましくは０．０２〜０．７μｍの範囲になるように、ディップコート法、スピンコート法、スプレーコート法、バーコート法、ナイフコート法、ロールコート法、ブレードコート法、ダイコート法、グラビアコート法などの公知の手段により塗膜を形成し、公知の乾燥処理、例えば４０〜１５０℃程度の温度で加熱乾燥処理することにより、本発明の有機−無機複合傾斜材料が得られる。必要であれば、高温下での加熱処理も（Ａ）成分、（Ｂ）成分の加水分解縮合を促進する上で有効である。
【００４８】
傾斜構造が形成される理由については必ずしも明確ではないが、以下 に示す理由によるものと推察される。
有機基材に前記塗工液を塗布後、まず、有機高分子化合物が有機基材上に吸着されたのち、反応性の高いテトライソシアナトシランが、塗液表面で空気中の水分と反応して、表面にシリカ膜を形成し、さらに溶剤が揮発してくると同時に、テトライソシアナトシランが空気中の水分によりシロキサンネットワークを形成する。その際、塗膜の基材に近い側より、溶剤並びに有機ケイ素化合物の量が多くなり、傾斜分布を生じる。さらに、水分などが浸透してくると有機ケイ素化合物と有機高分子化合物中の加水分解性金属含有基が、テトライソシアナトシランと水分との反応により副生したアンモニアの触媒作用により加水分解、重縮合して、該シロキサンネットワーク内に化学的に結合し、固定化される。最後に、乾燥により残留溶剤が揮発することにより、目的の有機−無機複合傾斜材料が形成される。
【００４９】
上記有機基材としては、例えばポリメチルメタクリレートなどのアクリル樹脂、ポリスチレンやＡＢＳ樹脂などのスチレン系樹脂、ポリエチレンやポリプロピレンなどのオレフィン系樹脂、ポリエチレンテレフタレートやポリエチレンナフタレートなどのポリエステル系樹脂、６−ナイロンや６，６−ナイロンなどのポリアミド系樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリフェニレンサルファイド系樹脂、ポリフェニレンエーテル系樹脂、ポリイミド系樹脂、セルロースアセテートなどのセルロース系樹脂などからなる基材を挙げることができる。
【００５０】
これらの有機基材は、本発明の傾斜材料との密着性をさらに向上させるために、所望により、酸化法や凹凸化法などにより表面処理を施すことができる。上記酸化法としては、例えばコロナ放電処理、クロム酸処理（湿式）、火炎処理、熱風処理、オゾン・紫外線照射処理などが挙げられ、また、凹凸化法としては、例えばサンドブラスト法、溶剤処理法などが挙げられる。これらの表面処理法は基材の種類に応じて適宜選ばれる。
【００５１】
なお、本発明における有機基材は、有機系材料以外の材料、例えば金属系材料、ガラスやセラミックス系材料、その他各種無機系または金属系材料からなる基材の表面に、有機系塗膜を有するものも包含する。
このようにして得られた本発明の有機−無機複合傾斜材料は、表面層はほとんどケイ素酸化物からなり、かつ基材に近づくにつれて金属成分の含有率が比較的緩やかに減少していくと共に、有機化合物成分の含有率が多くなる傾斜構造を有している。
【００５２】
すなわち、本発明の有機−無機複合傾斜材料は、一般に、基材上に形成された膜状物からなり、かつ実質上、該膜状物の基材に当接している面が有機高分子系化合物成分であって、もう一方の開放系面が金属酸化物系化合物成分である。
また、中間層が有機無機ハイブリッドを含む成分から構成されていて、良好な可撓性を有することから、膜厚が厚くなっても、クラックや割れなどが生じにくい。
【００５３】
本発明はまた、該有機−無機複合傾斜材料からなる被膜を基材上に形成させるコーティング剤をも提供するものである。
このコーティング剤としては、前記（Ａ）（ａ）テトライソシアナトシランと、（ｂ）前記一般式（Ｉ）で表される有機ケイ素化合物、該化合物の部分加水分解物およびその縮合物である重量平均分子量２０００未満のオリゴマーの中から選ばれる少なくとも１種と、（Ｂ）加水分解性金属含有基を有する有機高分子化合物を含む塗工液からなるものが用いられる。
【００５４】
このコーティング剤は下記の用途に用いることができる。
まず、塗膜としての用途に用いられる。該有機−無機複合傾斜材料は、有機基材に対する接着性に優れており、かつ塗膜表面は金属酸化物の性質を有することから、例えば各種プラスチックフィルム上に該材料からなるコート層を設けることにより、耐擦傷性や耐熱性などに優れると共に、密着性の良好なハードコートフィルムを得ることができる。
【００５５】
次に、接着剤としての用途に用いられる。
本発明の傾斜材料は、前記したように有機基材との密着性に優れるとともに、表面は金属酸化物系化合物であるので、無機または金属材料との密着性に優れている。したがって、有機材料と無機または金属材料との接着剤として好適である。
【００５６】
さらに、有機基材と、少なくとも無機系または金属系材料を含むコート層との間に介在させる中間膜としての用途に用いられる。
有機基材上に無機系または金属系材料を含むコート層を形成する場合、一般に有機基材と該コート層との密着性が不十分てあって、耐久性に劣り、経時により剥離したり、あるいは熱や湿気などにより剥離しやすくなるという問題が生じる。
【００５７】
本発明の傾斜材料を中間膜として、上記有機基材と無機系または金属系材料を含むコート層との間に介在させることにより、該中間膜は前記したように傾斜性を有することから、有機基材との密着性に優れると共に、その上に設けられる無機系または金属系材料を含むコート層との密着性にも優れ、その結果、有機基材上に無機系または金属系材料を含むコート層を極めて密着性よく、形成させることができる。
本発明においては、該中間膜の厚さは、通常５μｍ以下、好ましくは０．０１〜１．０μｍ、より好ましくは０．０２〜０．７μｍの範囲である。
【００５８】
前記無機系または金属系材料を含むコート層としては特に制限はなく、様々なコート層を形成することができるが、例えば（１）光触媒活性材料層、（２）無機系または金属系導電性材料層、（３）無機系または金属系材料を含むハードコート層、（４）無機系または金属系光記録材料層または無機系または金属系誘電体層などを好ましく挙げることができる。
【００５９】
次に、各無機系または金属系材料を含むコート層について説明する。
（１）光触媒活性材料層：
有機基材表面に、二酸化チタンなどの光触媒活性材料のコート層を設けた場合、その光触媒作用により、有機基材が短時間で劣化するという問題が生じる。したがって、光触媒作用により、劣化しにくい無機バインダーを介して有機基材上に二酸化チタンなどの光触媒活性材料のコート層を設けることが試みられている。しかしながら、無機バインダーは、有機基材との接着力が不十分であり、耐久性に劣るという問題がある。
【００６０】
本発明の傾斜材料を中間膜として、有機基材と光触媒活性材料のコート層との間に介在させた場合、有機基材との密着性に優れ、しかも表面はほぼ金属酸化物系化合物であるため、光触媒活性材料のコート層との密着性が良い上、中間膜が光触媒作用により劣化しにくく、有機基材を十分に保護することができる。
【００６１】
また、表面に有機系塗膜を有する金属系基材と光触媒活性材料層との間に、本発明の傾斜材料を中間膜として介在させることができる。この中間膜は、上記有機基材の場合と同様に、有機系塗膜との密着性に優れ、しかも光触媒活性材料のコート層との密着性が良い上、光触媒作用により劣化しにくく、有機系塗膜を十分に保護することができる。このような用途としては、特に表面に有機系塗膜を有する自動車用鋼板上に光触媒活性材料層を設ける場合に有用である。
【００６２】
表面に有機系塗膜を有する金属系基材としては、例えば冷延鋼板、亜鉛めっき鋼板、アルミニウム／亜鉛合金めっき鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、アルミニウム合金板などの金属系基材に有機系塗膜を形成したものを挙げることができる。
本発明の傾斜材料を、このような中間膜として用いる場合、その上に設けられる光触媒活性材料のコート層が光触媒能の高い二酸化チタンである場合に、特に有効である。
【００６３】
（２）無機系または金属系導電性材料層：
表面に導電性材料層を有する有機基材、特にプラスチックフィルムは、エレクトロルミネッセンス素子（ＥＬ素子）、液晶表示素子（ＬＣＤ素子）、太陽電池などに用いられ、さらに電磁波遮蔽フィルムや帯電防止性フィルムなどとして用いられている。このような用途に用いられる導電性材料としては、例えば酸化インジウム、酸化錫、酸化亜鉛、酸化カドミウム、ＩＴＯ（インジウムチンオキシド）などの金属酸化物や、金、白金、銀、ニッケル、アルミニウム、銅のような金属などの無機系または金属系導電性材料が用いられる。そして、これらの無機系または金属系導電性材料は、通常真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法などの公知の手段により、プラスチックフィルムなどの有機基材上に、厚さ５０〜２０００オングストローム程度の薄膜として形成される。
【００６４】
このようにして形成された無機系または金属系導電性材料層は、有機基材との密着性が不十分であるので、本発明の傾斜材料を中間膜として、有機基材と該無機系または金属系導電性材料層との間に介在させることにより、有機基材と無機系または金属系導電性材料層との密着性を向上させることができる。また、透明導電性フィルムが要求される場合においても、本発明の傾斜材料からなる中間膜を介在させることにより、透明性が損なわれることはほとんどない。
【００６５】
（３）無機系または金属系材料を含むハードコート層：
表面硬度が良好で、優れた耐擦傷性や耐摩耗性を有するハードコートフィルムは、例えば、車両、建物などの窓ガラスや窓用プラスチックボードなどの表面貼付用として、あるいはＣＲＴディスプレイやフラットパネルディスプレイなどの保護用などとして広く用いられている。
【００６６】
一方、プラスチックレンズは、ガラスレンズに比べて、軽量でかつ安全性、加工性、ファッション性などに優れていることから、近年急速に普及してきている。しかしながら、このプラスチックレンズは、ガラスレンズに比べて傷が付きやすいという欠点を有しており、したがって、その表面をハードコート層で被覆することが行われている。
【００６７】
このようなハードコートフィルムやプラスチックレンズに設けられるハードコート層の材料としては、例えばアルキルトリヒドロキシシランおよびその部分縮合物とコロイダルシリカとシリコン変性アクリル樹脂とからなる混合物、オルガノトリアルコキシシラン加水分解縮合物、アルコキシシラン加水分解縮合物とコロイダルシリカとの混合物、ジルコニウム、アルミニウムおよびチタニウムの中から選ばれる金属とキレート化合物とシリコン変性アクリル樹脂とからなる混合物などの無機系または金属系材料を含むハードコート剤が多用されている。
【００６８】
プラスチックフィルムやプラスチックレンズなどの有機基材上にハードコート層を形成するには、前記の無機系または金属系材料を含むハードコート剤を、公知の方法、例えばバーコート法、ナイフコート法、ロールコート法、ブレードコート法、ダイコート法、グラビアコート法、スプレーコート法などを用いて、乾燥膜厚が１〜３０μｍ程度になるように有機基材上に塗布し、乾燥処理する方法が、通常用いられる。
【００６９】
このようにして形成された無機系または金属系材料を含むハードコート層は、有機基材との密着性が不十分であるので、本発明の傾斜材料を中間膜として、有機基材と該ハードコート層との間に介在させることにより、有機基材と無機系または金属系材料を含むハードコート層との密着性を向上させることができる。またプラスチックレンズにおいて、本発明の傾斜材料からなる中間膜を介在させても、該プラスチックレンズの透明性の低下や干渉縞の発生などをもたらすことはほとんどない。
【００７０】
（４）無機系または金属系光記録材料層または無機系または金属系誘電体層：
近年、書き換え可能、高密度、大容量の記憶容量、記録再生ヘッドと非接触等という特徴を有する光記録媒体として、半導体レーザー光等の熱エネルギーを用いて磁性膜の磁化反転を利用して情報を記録し磁気光学効果を利用して読み出す光磁気ディスクや結晶から、アモルファスへの相変化を利用した相変化ディスクが開発され、実用化に至っている。
【００７１】
このような光記録媒体は、一般に、透光性樹脂基板（有機基材）、例えばポリカーボネートやポリメチルメタクリレートなどの基板上に光記録材料層、誘電体層、金属反射層、有機保護層などが順次積層された構造を有しており、また、基板と光記録材料層との間に、誘電体下地層を設ける場合もある。
【００７２】
基板上に設けられる光記録材料層には、例えばＴｂ−Ｆｅ、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｄｙ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｔｂ−Ｄｙ−Ｆｅ−Ｃｏなどの無機系の光磁気型記録材料、あるいはＴｅＯｘ、Ｔｅ−Ｇｅ、Ｓｎ−Ｔｅ−Ｇｅ、Ｂｉ−Ｔｅ−Ｇｅ、Ｓｂ−Ｔｅ−Ｇｅ、Ｐｂ−Ｓｎ−Ｔｅ、Ｔｌ−Ｉｎ−Ｓｅなどの無機系の相変化型記録材料が用いられる。また、所望により、基板と光記録材料層との間に設けられる誘電体下地層には、例えばＳｉＮ、ＳｉＯ、ＳｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5などの無機系材料が用いられる。
前記無機系の光記録材料層や誘電体下地層は、通常真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法などの公知の手段によって形成される。
【００７３】
このようにして形成された無機系または金属系光記録材料層または無機系誘電体下地層は、透光性樹脂基板との密着性が不十分であるので、本発明の傾斜材料を中間膜として、透光性樹脂基板と該光記録材料層または該誘電体下地層との間に介在させることにより、基板と光記録材料層または誘電体下地層との密着性を向上させることができる。
【００７４】
その他無機系または金属系材料を含むコート層としては、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化錫、硫化亜鉛、アンチモンドープ酸化錫（ＡＴＯ）、錫ドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）などの無機系赤外線吸収剤層、メタル蒸着された磁性層などが挙げられる。
【００７５】
本発明は、さらに、上記有機−無機複合傾斜材料からなる被膜を有する構造体をも提供する。
このような構造体としては、例えば本発明の有機−無機複合傾斜材料を中間膜として介在させ、かつ少なくとも無機系または金属系材料を含むコート層を有する有機基材、あるいは、本発明の有機−無機複合傾斜材料を中間膜として介在させ、かつ光触媒活性材料層を有する、表面に有機系塗膜が設けられた金属系基材など、さらには該複合傾斜材料を中間膜として介在させ、かつ少なくとも無機系または金属系材料を含むコート層を有する物品などを挙げることができる。
【００７６】
上記物品の具体例としては、少なくとも無機系または金属系材料を含むコート層が、(１)光触媒活性材料層、(２)無機系または金属系導電性材料層、(３)無機系または金属系材料を含むハードコート層、および(４)無機系または金属系光記録材料層または無機系または金属系誘電体層であるものなどを好ましく挙げることができる。
【００７７】
【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。
【００７８】
なお、各例で形成した膜の諸特性は、以下に示す方法に従って求めた。
（１）傾斜性
ＸＰＳ装置「ＰＨＩ−５６００」［アルバック・ファイ（株）製］を用い、アルゴンスパッタリング（４ｋＶ）を３分間隔で施して膜を削り、膜表面の炭素原子とケイ素原子の含有率を、Ｘ線光電子分光法により測定し、傾斜性を調べた。
（２）表面水接触角
接触角計「Ｇ−Ｉ型」［エルマ販売（株）製］を用いて、表面水接触角を測定した。
【００７９】
（３）可撓性
径６ｍｍのステンレス鋼製ロッドを用い、塗工面を外側にして曲げ、１０秒間保持したのち、屈曲部位を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、割れや剥がれの有無を調べ、下記の判定基準に従って、可撓性を評価した。
○：割れおよび剥がれの発生なし。
×：割れの発生が認められる。
【００８０】
実施例１
（１）有機高分子化合物の製造
メタクリル酸メチル３０．０ｇ（０．３モル）とγ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン２．４８ｇ（０．０１モル）との混合溶液に、２，２′−アゾビスイソブチロニトリル０．３ｇ（０．００１８モル）を添加、撹拌して均一溶液とした。この溶液を撹拌しながら７５℃で３時間反応させることにより、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー（ＧＰＣ）法〔溶離液としてジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）を使用〕によるポリスチレン換算の数平均分子量が１１万の共重合体を得た。
【００８１】
（２）塗工液の調製および膜の評価
１００ミリリットルのガラス容器に、上記（１）で得られた共重合体０．０５ｇ、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン１．７５ｇ（０．００７モル）とテトライソシアナトシラン１．３８ｇ（０．００７モル）を入れ、これにトルエン５０ミリリットルを添加し、均一な塗工液を調製した。
【００８２】
次に、厚み０．１８８ｍｍのポリエチレンテレフタレート（以下、ＰＥＴと略記する。）フィルム「ルミラーＴ−６０」［東レ（株）製］上に、上記塗工液を線径０．１２５ｍｍのステンレス線を巻き付けたステンレスバーにて塗工したのち、８０℃で一晩加熱乾燥処理し、厚み０．１８μｍの膜を形成した。
この膜の表面水接触角および可撓性の評価を表１に示すと共に、傾斜性については、図１に、スパッタリング時間と、炭素原子およびケイ素原子の含有率との関係をグラフで示す。
【００８３】
実施例２
実施例１において、基材としてＰＥＴフィルムの代わりに、厚み０．２ｍｍのポリカーボネートフィルム「ユーピロン」（三菱エンジニアリングプラスチック社製）を用い、かつスプレーガン「ｗ−８８シリーズ」［アネスト岩田（株）製］により、エアー圧０．２ＭＰａにて塗工した以外は、実施例１と同様にして、厚み０．１４μｍの膜を形成した。
この膜の表面水接触角および可撓性の評価を表１に示すと共に、傾斜性については、図２に、スパッタリング時間と、炭素原子およびケイ素原子の含有率との関係をグラフで示す。
【００８４】
実施例３
（１）有機高分子化合物の製造
メタクリル酸メチル２０．０ｇ（０．２モル）、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン２．４８ｇ（０．０１モル）およびメタクリル酸グリシジル１４．２ｇ（０．１モル）の混合溶液に、２，２′−アゾビスイソブチロニトリル０．３ｇ（０．００１８モル）を添加、撹拌して均一溶液とした。この溶液を撹拌しながら７５℃で３時間反応させることにより、ＧＰＣ法（溶離液としてＤＭＦを使用）によるポリスチレン換算の数平均分子量が１２万の共重合体を得た。
【００８５】
（２）塗工液の調製および膜の評価
１００ミリリットルのガラス容器に、フェニルトリメトキシシラン２．４ｇ（０．０１２１モル）を入れ、これに１モル／リットル濃度の硝酸水溶液０．２２ｇ（水０．０１２２モル）を撹拌しながらゆっくり添加し、５時間そのまま撹拌して、部分的に加水分解を行った。この溶液に上記（１）で得られた共重合体０．０５ｇとテトライソシアナトシラン２．８ｇ（０．０１４３モル）を酢酸エチル５０ミリリットルに溶解した溶液を添加し、均一な塗工液を調製した。
次に、厚み０．１８８ｍｍのＰＥＴフィルム（前出）上に、上記塗工液を１５００ｒｐｍ、３０秒間の条件でスピンコートしたのち、８０℃で一晩加熱乾燥処理し、厚み０．１６μｍの膜を形成した。
この膜の表面水接触角および可撓性の評価を表１に示すと共に、傾斜性については、図３に、スパッタリング時間と、炭素原子およびケイ素原子の含有率との関係をグラフで示す。
【００８６】
比較例１
１００ミリリットルのガラス容器に、実施例１（１）で得た共重合体０．０５ｇおよびテトライソシアナトシラン２．７６ｇ（０．１４１モル）を入れ、これにトルエン５０ミリリットルを添加し、均一な塗工液を調製した。
次に、実施例１と同様にしてＰＥＴフィルム上に、厚み０．１７μｍの膜を形成した。
この膜の表面水接触角および可撓性の評価を表１に示すと共に、傾斜性については、図４に、スパッタリング時間と、炭素原子およびケイ素原子の含有率との関係をグラフで示す。
【００８７】
【表１】
表１から分かるように、実施例１〜３の膜は、可撓性の評価試験で割れおよび剥がれの発生は確認されなかったが、比較例１は割れの発生が確認された。
また、実施例１〜３および比較例１は、いずれも表面水接触角は３０〜４０°で、シリカと同レベルであり、膜表面は実質上シリカであることが分かる。
さらに、図１〜図４から、実施例１〜３の膜は緩やかな傾斜構造を有していることが分かる。これに対し、比較例１は実質上二層構造であり、傾斜構造を有していないことが分かる。
【００８９】
【発明の効果】
本発明の有機−無機複合傾斜材料は、金属成分の含有率が材料の厚み方向に連続的にかつ比較的緩やかに変化する成分傾斜構造を有すると共に、良好な可撓性を有し、膜厚が厚くなってもクラックや割れなどが発生しにくく、機能性材料として各種用途に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１で得られた有機−無機複合膜におけるスパッタリング時間と炭素原子およびケイ素原子の含有率との関係を示すグラフである。
【図２】実施例２で得られた有機−無機複合膜におけるスパッタリング時間と炭素原子およびケイ素原子の含有率との関係を示すグラフである。
【図３】実施例３で得られた有機−無機複合膜におけるスパッタリング時間と炭素原子およびケイ素原子の含有率との関係を示すグラフである。
【図４】比較例１で得られた有機−無機複合膜におけるスパッタリング時間と炭素原子およびケイ素原子の含有率との関係を示すグラフである。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an organic-inorganic composite gradient material and its use. More specifically, the present invention has a component gradient structure in which the content of the metal component changes continuously and relatively gently in the thickness direction of the material, and has good flexibility and a thick film thickness. Further, the present invention relates to an organic-inorganic composite gradient material useful for various applications as a functional material, a coating agent for forming a film composed of the gradient material, and a structure having a film composed of the gradient material on the surface. Is.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the diversification of demands on performance and functions of organic polymer materials, it has become difficult to satisfy with a single polymer compound, and it is possible to add different materials having different properties to a polymer compound to make a composite. Has been done.
[0003]
For example, physical property modification by dispersing a reinforcing material in an organic polymer material is widely performed. Specifically, organic or inorganic such as carbon fiber, glass fiber, metal fiber, ceramic fiber, aramid fiber, etc. A fibrous substance or a powdery inorganic filler such as calcium carbonate, silica, or alumina is added and dispersed homogeneously.
In addition, researches are being actively conducted to develop new functions by mixing different types of polymer compounds, optionally compatibilizing them via a compatibilizing agent, and polymerizing them.
[0004]
On the other hand, functionally graded materials, which are composite materials with completely different properties on the front and back, have recently attracted attention, for example, a metal-ceramic composite gradient function that combines the heat resistance of ceramics and the strength of metals. The material has been developed as a supersonic aircraft body material.
[0005]
Such functionally gradient materials are classified into inorganic gradient materials, organic gradient materials, and organic-inorganic composite gradient materials, and a plurality of materials, for example, a plurality of different inorganic materials, a plurality of different organic materials, or By mixing one or more organic materials and one or more inorganic materials and controlling the distribution density, orientation, etc., which differ depending on the location, the physical properties of multiple component materials can be expressed. It is expected to be used in the automotive field, electronics field, medical field, energy field, and radiation and electromagnetic wave shielding field.
[0006]
The present inventors previously provided various uses as a novel functional material, such as a coating film, an adhesive between an organic material and an inorganic or metal material, an organic substrate and a photocatalytic coating film, Useful for applications such as interlayers that prevent deterioration of organic substrates and interlayers that improve the adhesion between organic substrates and inorganic or metal-based material layers. The composition changes continuously in the thickness direction. An organic-inorganic composite gradient material was found (Japanese Patent Application No. 11-264592).
[0007]
This organic-inorganic composite gradient material is an organic-inorganic composite material containing a chemical bond between an organic polymer compound and a metal compound, and the content of the metal compound is continuously in the thickness direction of the material. It is a novel material that has a varying component gradient structure and is extremely useful for the various applications described above.
[0008]
The present inventors have disclosed in Japanese Patent Application No. 11-264592 that it is effective to increase the mixing ratio of the inorganic components in order to moderate the inclination of the composite material. However, in such a method, the layer of 100% inorganic component on the film surface is correspondingly thickened. For example, if the surface layer is silica, it exceeds 0.15 μm, which is generally called the limit of the sol-gel method. There is a risk of cracking. In this case, if a silicon compound in which a saturated or unsaturated organic group is directly bonded to a silicon atom is combined as an inorganic component, it seems possible to prevent the occurrence of cracks. However, when the composite gradient material is used for a photocatalytic intermediate film, having the organic group that is easily decomposed by the photocatalytic reaction on the surface causes a decrease in weather resistance. Further, when considering flexibility and the like, since it is not inclined in the entire film thickness direction, there is a possibility that the occurrence of cracks cannot be sufficiently prevented.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
Under such circumstances, the present invention has a component gradient structure in which the content of the metal component continuously changes in the thickness direction of the material, and has good flexibility and a thick film thickness. However, it is an object of the present invention to provide an organic-inorganic composite gradient material that is less susceptible to cracking and cracking and is useful for various applications as a functional material and its application.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have used as a raw material for a metal oxide compound constituting a complex in which an organic polymer compound and a metal oxide compound are chemically bonded. , Tetraisocyanatosilane with extremely fast hydrolysis condensation rate, organosilicon compound with a specific structure having a hydrolyzable group such as non-hydrolyzable group and alkoxyl group, or its partial hydrolyzate and its hydrolytic condensation It was found that a composite gradient material composed of organic compound / organic-inorganic hybrid / inorganic compound was sequentially formed from the substrate surface side by using a mixture with oligomer, which is a product, and the purpose could be achieved. Based on this, the present invention has been completed.
[0011]
That is, the present invention
(1) It includes a complex in which an organic polymer compound and a metal oxide compound are chemically bonded, and has a component gradient structure in which the content of the metal component continuously changes in the depth direction from the surface of the material. An organic-inorganic composite gradient material, the organic-inorganic composite gradient material comprising a film-like material formed on an organic substrate, wherein the organic polymer compound is converted into a metal by hydrolysis in (c) molecules. It is obtained by copolymerizing an ethylenically unsaturated monomer having a metal-containing group capable of binding to an oxide and (d) an ethylenically unsaturated monomer not containing a metal, and the above metal oxide The physical compound comprises (a) tetraisocyanatosilane, (b) general formula (I)
R 1 nSi (OR 2 ) 4-n (I)
(In the formula, R 1 is a saturated or unsaturated non-hydrolyzable organic group, R 2 is an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, n is an integer of 1 to 3, and when R 1 is plural, R 1 may be the same with or different from each other, if the OR 2 there are a plurality of organic silicon compound represented by a plurality of OR 2 may be the same or different.), partial hydrolysis of the compound An organic-inorganic composite gradient material, characterized in that it is formed from a mixture of at least one selected from the group consisting of an oligomer and an oligomer having a weight average molecular weight of less than 2000 which is a condensate thereof,
(2) A coating agent characterized by being used for forming a film made of the organic- inorganic composite gradient material on an organic substrate, and (3) an organic group formed of the film made of the organic- inorganic composite gradient material. A structure characterized by having on a material ,
Is to provide.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The organic-inorganic composite gradient material of the present invention has a component gradient structure in which the content of the metal component in the material continuously changes in the depth direction from the surface of the material, and the intermediate layer contains an organic-inorganic hybrid. It is. The surface layer is almost composed of silicon oxide, and has a feature that the content of the metal component decreases relatively gradually as it approaches the substrate, and the content of the organic compound component increases.
[0013]
Such a component gradient structure can be confirmed by, for example, sputtering the surface of the coating film of the organic-inorganic composite gradient material provided on the substrate to scrape the film, and the carbon atoms and metal atoms on the film surface over time. Can be measured by X-ray photoelectron spectroscopy or the like. Specifically, FIG. 1 shows an organic-inorganic composite material having a thickness of 0.18 μm (including silicon atoms as metal atoms) provided on a polyethylene terephthalate film in Example 1 described later. FIG. 2 is a graph showing the relationship between the sputtering time and the content of carbon atoms and silicon atoms in a coating film comprising: As can be seen from this drawing, the surface of the coating film before sputtering is almost 90% silicon atoms. However, as the film is scraped off by sputtering, the silicon atom content on the film surface gradually decreases, the carbon atom content increases, and the sputtering time exceeds about 40 minutes. From the point of time, the film surface is almost only carbon atoms.
[0014]
That is, in this gradient material, it is shown that the content rate of the metal component in the material gradually decreases from the surface toward the substrate.
In the organic-inorganic composite gradient material of the present invention having such a component gradient structure, the content of silicon atoms in all atoms is usually 0.1 to 40% by weight, preferably 0.5 to 35% by weight, Especially preferably, it is the range of 1-35 weight%.
Further, the gradient material of the present invention is preferably 5 μm or less, particularly 0.01 to 1.0 μm in thickness from the viewpoint of gradient and coating film performance.
[0015]
Such an organic-inorganic composite gradient material can be efficiently produced by the following method.
First, (A) (a) tetraisocyanatosilane, (b) general formula (I)
R 1 nSi (OR 2 ) 4-n (I)
(In the formula, R 1 is a saturated or unsaturated non-hydrolyzable organic group, R 2 is an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, n is an integer of 1 to 3, and when R 1 is plural, R 1 may be the same with or different from each other, if the OR 2 there is a plurality, the plurality of OR 2 may be the same or different.)
A mixture of at least one selected from the group consisting of an oligomer having a weight average molecular weight of less than 2000, and (B) by hydrolysis in the molecule. A coating solution containing an organic polymer compound having a metal-containing group that can be bonded to a metal oxide (hereinafter sometimes referred to as a hydrolyzable metal-containing group) is prepared.
[0016]
In the organosilicon compound represented by the general formula (I) that is the component (b) in the component (A), the saturated or unsaturated non-hydrolyzable organic group represented by R 1 may be, for example, carbon number. 1-20 alkyl groups, (meth) acryloyloxy groups or epoxy groups having 1-20 carbon atoms, alkenyl groups having 2-20 carbon atoms, aryl groups having 6-20 carbon atoms, or 7-20 carbon atoms The aralkyl group of can be mentioned. 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.
[0017]
On the other hand, the alkyl group having 1 to 6 carbon atoms represented by R 2 may be linear, branched or cyclic, and examples thereof include a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, and isopropyl. Group, n-butyl group, isobutyl group, sec-butyl group, tert-butyl group, pentyl group, hexyl group, cyclopentyl group, cyclohexyl group and the like.
[0018]
n is an integer from 1 to 3, when R 1 are a plurality, each R 1 may be mutually identical or different and, where OR 2 there are a plurality, each OR 2 is another May be the same or different.
[0019]
Examples of the organosilicon compound represented by the general formula (I) include, for example, methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, methyltripropoxysilane, methyltriisopropoxysilane, ethyltrimethoxysilane, ethyltriethoxysilane, Propyltriethoxysilane, butyltrimethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, phenyltriethoxysilane, vinyltrimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, γ-glycidoxypropyltrimethoxysilane, γ-acryloyloxypropyltrimethoxysilane, γ -Methacryloyloxypropyltrimethoxysilane, dimethyldimethoxysilane, methylphenyldimethoxysilane and the like.
[0020]
In the present invention, as the component (b), these organosilicon compounds may be used, partial hydrolysates thereof may be used, and oligomers having a weight average molecular weight of less than 2000, which are hydrolyzed condensates thereof. May be used. Alternatively, a mixture of these can also be used.
[0021]
The content ratio of the component (a) and the component (b) in the component (A) in the coating liquid has a desired component gradient structure, has good flexibility, and does not easily generate cracks or cracks. From the viewpoint that the gradient material can be formed, the molar ratio is preferably selected from the range of 100: 10 to 100: 500, more preferably 100: 15 to 100: 450, and still more preferably 100: 30 to 100: 400.
[0022]
On the other hand, examples of the metal in the metal-containing group (hydrolyzable metal-containing group) that can be bonded to the metal oxide by hydrolysis in the organic polymer compound (B) include, for example, silicon, titanium, zirconium, and aluminum. Preferably, at least one selected from the group consisting of:
[0023]
The organic polymer compound having a metal-containing group capable of binding to a metal oxide by hydrolysis in the molecule as the component (B) includes, for example, a monomer having the metal-containing group and a monomer not containing a metal Can be obtained by copolymerization or condensation polymerization.
[0024]
Examples of the metal-containing group that can be bonded to the metal oxide by hydrolysis include, for example, the general formula (II)
-M 1 R 3 m-1 (II)
(In the formula, R 3 is a hydrolyzable group or a non-hydrolyzable group, and at least one of them must be a hydrolyzable group capable of chemically bonding to the component (A) by hydrolysis). , and the addition, if R 3 is plural, each R 3 may be the mutually identical or different, M 1 is silicon, titanium, zirconium, a metal atom such as aluminum, m is the valence of the metal atom M 1.)
The group represented by these can be mentioned.
[0025]
In the general formula (II), examples of the hydrolyzable group that can chemically bond to the component (A) by hydrolysis of R 3 include halogen atoms such as alkoxyl groups, isocyanate groups, and chlorine atoms, oxyhalogen groups, An acetylacetonate group, a hydroxyl group, etc. are mentioned, On the other hand, as a non-hydrolyzable group which does not chemically bond with (A) component, a lower alkyl group etc. are mentioned preferably, for example.
[0026]
Examples of the metal-containing group represented by the general formula (II) include a trimethoxysilyl group, a triethoxysilyl group, a tri-n-propoxysilyl group, a triisopropoxysilyl group, a tri-n-butoxysilyl group, Triisobutoxysilyl group, tri-sec-butoxysilyl group, tri-tert-butoxysilyl group, trichlorosilyl group, dimethylmethoxysilyl group, methyldimethoxysilyl group, dimethylchlorosilyl group, methyldichlorosilyl group, triisocyanatosilyl Group, methyldiisocyanatosilyl group, trimethoxytitanium group, triethoxytitanium group, tri-n-propoxytitanium group, triisopropoxytitanium group, tri-n-butoxytitanium group, triisobutoxytitanium group, tri- sec-butoxytitanium group, tri-tert -Butoxytitanium group, trichlorotitanium group, trimethoxyzirconium group, triethoxyzirconium group, tri-n-propoxyzirconium group, triisopropoxyzirconium group, tri-n-butoxyzirconium group, triisobutoxyzirconium group, Tri-sec-butoxyzirconium group, tri-tert-butoxyzirconium group, trichlorozirconium group, and further dimethoxyaluminum group, diethoxyaluminum group, di-n-propoxyaluminum group, diisopropoxyaluminum group, di-n -Butoxyaluminum group, diisobutoxyaluminum group, di-sec-butoxyaluminum group, di-tert-butoxyaluminum group, trichloroaluminum group and the like.
[0027]
As the organic polymer compound having a hydrolyzable metal-containing group as component (B), in particular, (c) an ethylenically unsaturated monomer having a metal-containing group capable of binding to a metal oxide by hydrolysis in the molecule. And (d) those obtained by copolymerizing an ethylenically unsaturated monomer containing no metal are preferred.
[0028]
Examples of the ethylenically unsaturated monomer having a hydrolyzable metal-containing group as the component (c) include those represented by the general formula (III)
[0029]
[Chemical 1]
(In the formula, R 4 is a hydrogen atom or a methyl group, A is an alkylene group, preferably an alkylene group having 1 to 4 carbon atoms, and R 3 , M 1 and m are the same as described above.)
(Meth) acrylic acid ester which uses the alkyl group containing the metal containing group represented by these as an ester component can be mentioned. One type of the ethylenically unsaturated monomer of component (c) may be used, or two or more types may be used in combination.
[0031]
On the other hand, examples of the ethylenically unsaturated monomer containing no metal as the component (d) include, for example, the general formula (IV)
[0032]
[Chemical formula 2]
(In the formula, R 5 is a hydrogen atom or a methyl group, and X is a monovalent organic group.)
An ethylenically unsaturated monomer represented by formula (IV-a), preferably
[0034]
[Chemical 3]
(In the formula, R 5 is the same as described above, and R 6 represents a hydrocarbon group.)
Or an ethylenically unsaturated monomer represented by the above general formula (IV), and a general formula (V) as an adhesion improver added as necessary
[0036]
[Formula 4]
(In the formula, R 7 represents a hydrogen atom or a methyl group, and R 8 represents an epoxy group, a hydroxyl group, a mercapto group, an amino group, a halogen atom, or a hydrocarbon group having an ether bond.)
And a mixture with an ethylenically unsaturated monomer represented by the formula:
[0038]
In the ethylenically unsaturated monomer represented by the general formula (IV-a), the hydrocarbon group represented by R 6 includes a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, carbon number Preferable examples include 3 to 10 cycloalkyl groups, aryl groups having 6 to 10 carbon atoms, and aralkyl groups having 7 to 10 carbon atoms. Examples of the alkyl group having 1 to 10 carbon atoms include a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an isopropyl group, and various butyl groups, pentyl groups, hexyl groups, octyl groups, and decyl groups. Examples of the cycloalkyl group having 3 to 10 carbon atoms include a cyclopentyl group, a cyclohexyl group, a methylcyclohexyl group, and a cyclooctyl group. Examples of the aryl group having 6 to 10 carbon atoms include a phenyl group, a tolyl group, and a xylyl group. Examples of the aralkyl group having 7 to 10 carbon atoms, such as a group, a naphthyl group, and a methylnaphthyl group, include a benzyl group, a methylbenzyl group, a phenethylyl group, and a naphthylmethyl group.
[0039]
Examples of the ethylenically unsaturated monomer represented by the general formula (IV) include monomers represented by the general formula (IV-a), specifically methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) ) Acrylate, propyl (meth) acrylate, butyl (meth) acrylate, hexyl (meth) acrylate, 2-ethylhexyl (meth) acrylate, cyclohexyl (meth) acrylate, phenyl (meth) acrylate, benzyl (meth) acrylate, and the like. In addition to these, styrene, α-methylstyrene, α-acetoxystyrene, m-, o- or p-bromostyrene, m-, o- or p-chlorostyrene, m-, o- or p -Vinylphenol, 1- or 2-vinylnaphthalene, etc. can also be used. These may be used alone or in combination of two or more.
[0040]
In the ethylenically unsaturated monomer represented by the general formula (V), the epoxy group, hydroxyl group, mercapto group, amino group, halogen atom, or hydrocarbon group having an ether bond represented by R 8 includes Preferable examples include a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 10 carbon atoms, an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, and an aralkyl group having 7 to 10 carbon atoms. The halogen atom for the substituent is preferably a chlorine atom or a bromine atom, and the amino group may be any of a free amino group, a monoalkyl-substituted amino group, and a dialkyl-substituted amino group. Specific examples of the hydrocarbon group include the same groups as those exemplified in the description of R 6 in the general formula (IV).
[0041]
Examples of the ethylenically unsaturated monomer represented by the general formula (V) include glycidyl (meth) acrylate, 3-glycidoxypropyl (meth) acrylate, and 2- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyl. (Meth) acrylate, 2-hydroxyethyl (meth) acrylate, 3-hydroxypropyl (meth) acrylate, 2-hydroxypropyl (meth) acrylate, 2-mercaptoethyl (meth) acrylate, 3-mercaptopropyl (meth) acrylate, 2-mercaptopropyl (meth) acrylate, 2-aminoethyl (meth) acrylate, 3-aminopropyl (meth) acrylate, 2-aminopropyl (meth) acrylate, 2-dimethylaminoethyl (meth) acrylate, 4-dimethylamino Benzyl (meth) a Relate, 2-chloroethyl (meth) acrylate, and 2-bromoethyl (meth) acrylate. These may be used alone or in combination of two or more.
[0042]
Further, when the ethylenically unsaturated monomer represented by the general formula (IV) and the ethylenically unsaturated monomer represented by the general formula (V) are used in combination, the former ethylenically unsaturated monomer It is preferable to use the latter ethylenically unsaturated monomer in a proportion of 1 to 100 mol% with respect to the body.
In the presence of a radical polymerization initiator, an ethylenically unsaturated monomer having a hydrolyzable metal-containing group as the component (c) and an ethylenically unsaturated monomer not containing a metal as the component (d) By copolymerizing, a desired copolymer is obtained.
[0043]
On the other hand, as an example of polycondensation, in place of the ethylenically unsaturated group, a group that can be increased in molecular weight by condensation, for example, two or more functional groups that generate an amide bond, an ester bond, or a urethane bond by condensation, Two or more functionalities that generate a monomer having a metal-containing group represented by the general formula (II) and a group that can be polymerized by condensation, such as an amide bond, an ester bond, or a urethane bond by condensation. A desired polymer compound can be obtained by a method of condensation polymerization with a monomer having a group and not containing a metal-containing group.
[0044]
Specifically, a method in which any one component is a polycondensation of an amine component having a metal-containing group represented by the general formula (II) and an acid component to form a polyamide, or any one component is Examples include a method in which an alcohol component having a metal-containing group represented by the general formula (II) and an acid component are subjected to condensation polymerization to form a polyester.
[0045]
In the coating liquid in the present invention, an organic solvent is usually used, and as the organic solvent, the component (A) and the component (B) can be dissolved and are inert to them. There is no particular limitation. Examples of such solvents include aliphatic hydrocarbon solvents such as hexane, heptane, and octane, aromatic hydrocarbon solvents such as toluene and xylene, ester solvents such as ethyl acetate, butyl acetate, and cellosolve acetate, methyl ethyl ketone, Mention may be made of ketone solvents such as methyl isobutyl ketone. These solvents may be used alone or in combination of two or more.
[0046]
The coating liquid for forming the gradient material of the present invention is obtained by adding the components (A) and (B) to these solvents in a predetermined ratio and dissolving them uniformly. The solid content concentration in the coating solution is not particularly limited as long as it is a concentration at which the coating solution has a viscosity capable of being applied.
[0047]
Next, using the coating liquid thus obtained, the thickness of the dried coating film is usually 5 μm or less on the organic base material, particularly preferably as an intermediate film, preferably 0.01 to 1.0 μm, More preferably, a dip coating method, a spin coating method, a spray coating method, a bar coating method, a knife coating method, a roll coating method, a blade coating method, a die coating method, and a gravure coating so that the range is 0.02 to 0.7 μm. The organic-inorganic composite gradient material of the present invention is obtained by forming a coating film by a known means such as a method and subjecting it to a known drying treatment, for example, a heat drying treatment at a temperature of about 40 to 150 ° C. If necessary, heat treatment at a high temperature is also effective in promoting hydrolysis condensation of the component (A) and the component (B).
[0048]
The reason why the inclined structure is formed is not necessarily clear, but it is assumed that it is due to the following reasons.
After applying the coating solution to the organic substrate, first, after the organic polymer compound is adsorbed on the organic substrate, highly reactive tetraisocyanatosilane reacts with moisture in the air on the coating solution surface. Thus, a silica film is formed on the surface, and the solvent is volatilized. At the same time, tetraisocyanatosilane forms a siloxane network by moisture in the air. At that time, the amount of the solvent and the organosilicon compound is increased from the side closer to the substrate of the coating film, and a gradient distribution is generated. Further, when moisture penetrates, the hydrolyzable metal-containing groups in the organosilicon compound and the organic polymer compound are hydrolyzed and reacted by the catalytic action of ammonia by-produced by the reaction between tetraisocyanatosilane and moisture. Condensates and chemically binds and immobilizes within the siloxane network. Finally, the target organic-inorganic composite gradient material is formed by volatilization of the residual solvent by drying.
[0049]
Examples of the organic base material include acrylic resins such as polymethyl methacrylate, styrene resins such as polystyrene and ABS resins, olefin resins such as polyethylene and polypropylene, polyester resins such as polyethylene terephthalate and polyethylene naphthalate, and 6-nylon. Examples include substrates made of polyamide resins such as 1,6-6-nylon, polyvinyl chloride resins, polycarbonate resins, polyphenylene sulfide resins, polyphenylene ether resins, polyimide resins, and cellulose resins such as cellulose acetate. be able to.
[0050]
These organic base materials can be subjected to surface treatment by an oxidation method, an unevenness method, or the like, if desired, in order to further improve the adhesion to the gradient material of the present invention. Examples of the oxidation method include corona discharge treatment, chromic acid treatment (wet), flame treatment, hot air treatment, ozone / ultraviolet irradiation treatment and the like, and examples of the unevenness method include sand blast method and solvent treatment method. Is mentioned. These surface treatment methods are appropriately selected according to the type of substrate.
[0051]
In addition, the organic base material in this invention has an organic coating film on the surface of the base material which consists of materials other than organic type materials, for example, metal-type material, glass, ceramics-type material, and other various inorganic type or metal-type materials. Also included.
In the organic-inorganic composite gradient material of the present invention thus obtained, the surface layer is almost composed of silicon oxide, and the metal component content decreases relatively gradually as it approaches the substrate, It has an inclined structure in which the content of the organic compound component increases.
[0052]
That is, the organic-inorganic composite gradient material of the present invention is generally composed of a film-like material formed on a substrate, and the surface of the film-like material substantially in contact with the substrate is an organic polymer system. It is a compound component, Comprising: The other open system surface is a metal oxide type compound component.
In addition, since the intermediate layer is composed of a component containing an organic-inorganic hybrid and has good flexibility, even if the film thickness is increased, cracks and cracks are less likely to occur.
[0053]
The present invention also provides a coating agent for forming a film comprising the organic-inorganic composite gradient material on a substrate.
Examples of the coating agent include (A) (a) tetraisocyanatosilane, (b) an organosilicon compound represented by the general formula (I), a partial hydrolyzate of the compound, and a condensate thereof. A coating solution containing at least one selected from oligomers having an average molecular weight of less than 2,000 and (B) an organic polymer compound having a hydrolyzable metal-containing group is used.
[0054]
This coating agent can be used for the following uses.
First, it is used for use as a coating film. The organic-inorganic composite gradient material has excellent adhesion to an organic substrate, and the coating film surface has the properties of a metal oxide. For example, a coating layer made of the material is provided on various plastic films. Thus, a hard coat film having excellent scratch resistance and heat resistance and good adhesion can be obtained.
[0055]
Next, it is used for applications as an adhesive.
As described above, the gradient material of the present invention is excellent in adhesion to an organic base material, and since the surface is a metal oxide compound, it is excellent in adhesion to an inorganic or metal material. Therefore, it is suitable as an adhesive between an organic material and an inorganic or metal material.
[0056]
Furthermore, it is used for an application as an intermediate film interposed between an organic base material and a coat layer containing at least an inorganic or metal material.
When forming a coating layer containing an inorganic or metallic material on an organic substrate, generally the adhesion between the organic substrate and the coating layer is insufficient, the durability is inferior, and peels off over time, Or the problem that it becomes easy to peel by heat | fever, humidity, etc. arises.
[0057]
By interposing the gradient material of the present invention as an intermediate film between the organic substrate and a coating layer containing an inorganic or metal-based material, the intermediate film has a gradient as described above. Excellent adhesion to the substrate and also excellent adhesion to the coating layer containing an inorganic or metal material provided thereon, and as a result, a coating containing an inorganic or metal material on the organic substrate. The layer can be formed with extremely good adhesion.
In the present invention, the thickness of the intermediate film is usually 5 μm or less, preferably 0.01 to 1.0 μm, more preferably 0.02 to 0.7 μm.
[0058]
The coating layer containing the inorganic or metallic material is not particularly limited, and various coating layers can be formed. For example, (1) a photocatalytic active material layer, (2) an inorganic or metallic conductive material Preferable examples include a layer, (3) a hard coat layer containing an inorganic or metal material, and (4) an inorganic or metal optical recording material layer or an inorganic or metal dielectric layer.
[0059]
Next, the coat layer containing each inorganic or metal material will be described.
(1) Photocatalytically active material layer:
When a coating layer of a photocatalytic active material such as titanium dioxide is provided on the surface of the organic base material, there arises a problem that the organic base material deteriorates in a short time due to the photocatalytic action. Therefore, it has been attempted to provide a coating layer of a photocatalytically active material such as titanium dioxide on an organic substrate through an inorganic binder that is not easily deteriorated by photocatalytic action. However, the inorganic binder has a problem that the adhesive strength with the organic substrate is insufficient and the durability is inferior.
[0060]
When the gradient material of the present invention is used as an intermediate film and interposed between the organic base material and the photocatalytically active material coating layer, it has excellent adhesion to the organic base material, and the surface is substantially a metal oxide compound. Therefore, the adhesiveness with the coat layer of the photocatalytically active material is good, and the intermediate film is hardly deteriorated by the photocatalytic action, and the organic substrate can be sufficiently protected.
[0061]
Further, the gradient material of the present invention can be interposed as an intermediate film between the metal-based substrate having an organic coating film on the surface and the photocatalytically active material layer. As in the case of the organic base material, the intermediate film has excellent adhesion to the organic coating film, and also has good adhesion to the coating layer of the photocatalytic active material, and is hardly deteriorated by the photocatalytic action. The coating film can be sufficiently protected. Such a use is particularly useful when a photocatalytically active material layer is provided on an automotive steel plate having an organic coating film on the surface.
[0062]
Examples of metal substrates having an organic coating on the surface include organic coatings on metal substrates such as cold rolled steel sheets, galvanized steel sheets, aluminum / zinc alloy plated steel sheets, stainless steel sheets, aluminum plates, and aluminum alloy plates. A film-formed film can be mentioned.
When the gradient material of the present invention is used as such an intermediate film, it is particularly effective when the coating layer of the photocatalytically active material provided thereon is titanium dioxide having a high photocatalytic activity.
[0063]
(2) Inorganic or metallic conductive material layer:
Organic base materials having a conductive material layer on their surface, especially plastic films, are used for electroluminescence elements (EL elements), liquid crystal display elements (LCD elements), solar cells, etc., and also electromagnetic wave shielding films, antistatic films, etc. It is used as. Examples of conductive materials used for such applications include metal oxides such as indium oxide, tin oxide, zinc oxide, cadmium oxide, and ITO (indium tin oxide), gold, platinum, silver, nickel, aluminum, and copper. Inorganic or metallic conductive materials such as metals are used. These inorganic or metal conductive materials are usually about 50 to 2000 angstroms thick on an organic substrate such as a plastic film by known means such as vacuum deposition, sputtering, or ion plating. It is formed as a thin film.
[0064]
The inorganic or metal-based conductive material layer formed in this way has insufficient adhesion to the organic base material. Therefore, the gradient base material of the present invention is used as an intermediate film and the organic base material and the inorganic or metal-based conductive material layer. By interposing between the metal-based conductive material layer, the adhesion between the organic base material and the inorganic or metal-based conductive material layer can be improved. Even when a transparent conductive film is required, the transparency is hardly impaired by interposing the intermediate film made of the gradient material of the present invention.
[0065]
(3) Hard coat layer containing inorganic or metallic material:
Hard coat film with good surface hardness and excellent scratch resistance and abrasion resistance is suitable for application to the surface of window glass and plastic boards for windows in vehicles, buildings, etc., or for CRT displays and flat panel displays. It is widely used for protection.
[0066]
On the other hand, plastic lenses are rapidly gaining popularity in recent years because they are lighter and have better safety, processability, fashionability and the like than glass lenses. However, this plastic lens has a defect that it is easily damaged as compared with a glass lens. Therefore, the surface of the plastic lens is coated with a hard coat layer.
[0067]
Examples of the material of the hard coat layer provided in such a hard coat film or plastic lens include a mixture of alkyltrihydroxysilane and a partial condensate thereof, colloidal silica and a silicon-modified acrylic resin, and organotrialkoxysilane hydrolytic condensation. Hard coats containing inorganic or metallic materials, such as products, mixtures of alkoxysilane hydrolysis condensates and colloidal silica, mixtures of metals selected from zirconium, aluminum and titanium, chelating compounds and silicon-modified acrylic resins Agents are frequently used.
[0068]
In order to form a hard coat layer on an organic base material such as a plastic film or a plastic lens, the hard coat agent containing the inorganic or metal-based material described above is applied to a known method such as a bar coat method, a knife coat method, a roll. A coating method, a blade coating method, a die coating method, a gravure coating method, a spray coating method, etc. are usually used, which is applied on an organic substrate so that the dry film thickness is about 1 to 30 μm and is dried. It is done.
[0069]
Since the hard coat layer containing the inorganic or metal material formed in this manner has insufficient adhesion to the organic substrate, the organic substrate and the hard substrate are formed using the gradient material of the present invention as an intermediate film. By interposing between the coating layer and the coating layer, the adhesion between the organic substrate and the hard coating layer containing an inorganic or metallic material can be improved. Further, in the plastic lens, even if the intermediate film made of the gradient material of the present invention is interposed, the transparency of the plastic lens is hardly lowered, and interference fringes are hardly generated.
[0070]
(4) Inorganic or metallic optical recording material layer or inorganic or metallic dielectric layer:
In recent years, as an optical recording medium with features such as rewritable, high-density, large-capacity storage capacity, non-contact with recording / reproducing head, etc., information is obtained by utilizing magnetization reversal of magnetic film using thermal energy such as semiconductor laser light. A phase change disk using a phase change from amorphous to magneto-optical disk or crystal that records and reads out using the magneto-optical effect has been developed and put to practical use.
[0071]
Such an optical recording medium generally has an optical recording material layer, a dielectric layer, a metal reflective layer, an organic protective layer, etc. on a translucent resin substrate (organic base material), for example, a substrate such as polycarbonate or polymethyl methacrylate. In some cases, a dielectric layer is provided between the substrate and the optical recording material layer.
[0072]
For the optical recording material layer provided on the substrate, for example, an inorganic magneto-optical recording material such as Tb—Fe, Tb—Fe—Co, Dy—Fe—Co, Tb—Dy—Fe—Co, or TeOx, Inorganic phase change recording materials such as Te—Ge, Sn—Te—Ge, Bi—Te—Ge, Sb—Te—Ge, Pb—Sn—Te, Tl—In—Se are used. If desired, an inorganic material such as SiN, SiO, SiO 2 , or Ta 2 O 5 is used for the dielectric underlayer provided between the substrate and the optical recording material layer.
The inorganic optical recording material layer and the dielectric underlayer are usually formed by known means such as vacuum deposition, sputtering, or ion plating.
[0073]
The thus formed inorganic or metal optical recording material layer or inorganic dielectric underlayer has insufficient adhesion to the translucent resin substrate, so that the gradient material of the present invention is used as an intermediate film. By interposing between the translucent resin substrate and the optical recording material layer or the dielectric underlayer, the adhesion between the substrate and the optical recording material layer or the dielectric underlayer can be improved.
[0074]
Other coating layers containing inorganic or metallic materials include inorganic infrared absorption such as titanium oxide, zinc oxide, indium oxide, tin oxide, zinc sulfide, antimony-doped tin oxide (ATO), tin-doped indium oxide (ITO), etc. Examples thereof include an agent layer and a metal layer deposited with metal.
[0075]
The present invention further provides a structure having a film made of the organic-inorganic composite gradient material.
As such a structure, for example, an organic base material having a coating layer containing the organic-inorganic composite gradient material of the present invention as an intermediate film and containing at least an inorganic or metal material, or the organic- An inorganic composite gradient material intervenes as an intermediate film, and has a photocatalytically active material layer, a metal-based base material provided with an organic coating film on the surface, and the composite gradient material as an intermediate film, and at least Mention may be made of articles having a coating layer containing an inorganic or metallic material.
[0076]
Specific examples of the article include a coating layer containing at least an inorganic or metallic material: (1) a photocatalytic active material layer, (2) an inorganic or metallic conductive material layer, and (3) an inorganic or metallic material. Preferred examples include a hard coat layer containing a material, and (4) an inorganic or metallic optical recording material layer or an inorganic or metallic dielectric layer.
[0077]
【Example】
EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited at all by these examples.
[0078]
In addition, the various characteristics of the film | membrane formed in each example were calculated | required according to the method shown below.
(1) Using a gradient XPS device “PHI-5600” [manufactured by ULVAC-PHI Co., Ltd.], argon sputtering (4 kV) is applied at intervals of 3 minutes, and the film is shaved to contain carbon atoms and silicon atoms on the film surface. The rate was measured by X-ray photoelectron spectroscopy to examine the gradient.
(2) The surface water contact angle was measured using a surface water contact angle contact angle meter “GI type” [manufactured by Elma Sales Co., Ltd.].
[0079]
(3) Using a stainless steel rod with a flexible diameter of 6 mm, bending the coated surface outward, holding for 10 seconds, and then observing the bent part with a scanning electron microscope (SEM) to check for cracks and peeling The flexibility was evaluated according to the following criteria.
○: No cracking or peeling occurred.
X: Generation | occurrence | production of a crack is recognized.
[0080]
Example 1
(1) Production of organic polymer compound 2,2′- was added to a mixed solution of 30.0 g (0.3 mol) of methyl methacrylate and 2.48 g (0.01 mol) of γ-methacryloxypropyltrimethoxysilane. Azobisisobutyronitrile 0.3 g (0.0018 mol) was added and stirred to obtain a homogeneous solution. By reacting this solution for 3 hours at 75 ° C. with stirring, a co-polymerization having a polystyrene-reduced number average molecular weight of 110,000 by gel permeation chromatography (GPC) method [using dimethylformamide (DMF) as an eluent] Coalescence was obtained.
[0081]
(2) Preparation of coating solution and evaluation of film In a 100 ml glass container, 0.05 g of the copolymer obtained in the above (1) and 1.75 g of γ-methacryloxypropyltrimethoxysilane (0.007 mol) ) And 1.38 g (0.007 mol) of tetraisocyanatosilane were added, and 50 ml of toluene was added thereto to prepare a uniform coating solution.
[0082]
Next, on the polyethylene terephthalate (hereinafter abbreviated as PET) film having a thickness of 0.188 mm, a stainless steel wire having a wire diameter of 0.125 mm is applied to the above coating solution on a “Lumirror T-60” (manufactured by Toray Industries, Inc.). After coating with a wound stainless steel bar, the film was heat-dried overnight at 80 ° C. to form a film having a thickness of 0.18 μm.
The evaluation of the surface water contact angle and flexibility of this film is shown in Table 1, and regarding the gradient, FIG. 1 is a graph showing the relationship between the sputtering time and the carbon atom and silicon atom content.
[0083]
Example 2
In Example 1, instead of PET film, a 0.2 mm thick polycarbonate film “Iupilon” (manufactured by Mitsubishi Engineering Plastics) was used as a base material, and a spray gun “w-88 series” [manufactured by Anest Iwata Corporation] ], A film having a thickness of 0.14 μm was formed in the same manner as in Example 1 except that coating was performed at an air pressure of 0.2 MPa.
The evaluation of the surface water contact angle and flexibility of this film is shown in Table 1, and regarding the gradient, FIG. 2 is a graph showing the relationship between the sputtering time and the content of carbon atoms and silicon atoms.
[0084]
Example 3
(1) Production of organic polymer compound 20.0 g (0.2 mol) of methyl methacrylate, 2.48 g (0.01 mol) of γ-methacryloxypropyltrimethoxysilane and 14.2 g (0.1 mol of glycidyl methacrylate) Mol) was added with 0.3 g (0.0018 mol) of 2,2′-azobisisobutyronitrile and stirred to obtain a homogeneous solution. This solution was reacted at 75 ° C. for 3 hours with stirring to obtain a copolymer having a polystyrene-reduced number average molecular weight of 120,000 by GPC method (using DMF as an eluent).
[0085]
(2) Preparation of coating solution and evaluation of film In a 100 ml glass container, 2.4 g (0.0121 mol) of phenyltrimethoxysilane was added, and 0.22 g of nitric acid aqueous solution having a concentration of 1 mol / liter (water) 0.0122 mol) was slowly added with stirring, and the mixture was stirred for 5 hours to perform partial hydrolysis. A solution obtained by dissolving 0.05 g of the copolymer obtained in the above (1) and 2.8 g (0.0143 mol) of tetraisocyanatosilane in 50 ml of ethyl acetate was added to this solution to obtain a uniform coating solution. Prepared.
Next, the above coating solution was spin-coated on a PET film having a thickness of 0.188 mm (described above) at 1500 rpm for 30 seconds, followed by heat drying at 80 ° C. overnight to form a film having a thickness of 0.16 μm. Formed.
The evaluation of the surface water contact angle and flexibility of this film is shown in Table 1, and regarding the gradient, FIG. 3 is a graph showing the relationship between the sputtering time and the carbon atom and silicon atom content.
[0086]
Comparative Example 1
In a 100 ml glass container, 0.05 g of the copolymer obtained in Example 1 (1) and 2.76 g (0.141 mol) of tetraisocyanatosilane were added, and 50 ml of toluene was added thereto, and the mixture was homogeneous. A coating solution was prepared.
Next, a film having a thickness of 0.17 μm was formed on the PET film in the same manner as in Example 1.
The evaluation of the surface water contact angle and flexibility of this film is shown in Table 1, and regarding the gradient, FIG. 4 is a graph showing the relationship between the sputtering time and the content of carbon atoms and silicon atoms.
[0087]
[Table 1]
As can be seen from Table 1, in the films of Examples 1 to 3, the occurrence of cracks and peeling was not confirmed in the flexibility evaluation test, but in Comparative Example 1, the occurrence of cracks was confirmed.
Further, in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, the surface water contact angle is 30 to 40 °, which is the same level as silica, and it can be seen that the film surface is substantially silica.
Furthermore, it can be seen from FIGS. 1 to 4 that the films of Examples 1 to 3 have a gently inclined structure. On the other hand, it can be seen that Comparative Example 1 has a substantially two-layer structure and does not have an inclined structure.
[0089]
【The invention's effect】
The organic-inorganic composite gradient material of the present invention has a component gradient structure in which the content of the metal component changes continuously and relatively gently in the thickness direction of the material, and has good flexibility and a film thickness. Even if the thickness of the film becomes thick, cracks and cracks are hardly generated, and it is useful for various applications as a functional material.
[Brief description of the drawings]
1 is a graph showing the relationship between the sputtering time and the carbon atom and silicon atom content in the organic-inorganic composite film obtained in Example 1. FIG.
2 is a graph showing the relationship between the sputtering time and the carbon atom and silicon atom content in the organic-inorganic composite film obtained in Example 2. FIG.
3 is a graph showing the relationship between the sputtering time and the carbon atom and silicon atom content in the organic-inorganic composite film obtained in Example 3. FIG.
4 is a graph showing the relationship between the sputtering time and the carbon atom and silicon atom content in the organic-inorganic composite film obtained in Comparative Example 1. FIG.
Claims (6)
Ｒ1ｎＳｉ(ＯＲ2)4-n …（Ｉ）
（式中、Ｒ1は飽和若しくは不飽和の非加水分解性有機基、Ｒ2は炭素数１〜６のアルキル基、ｎは１〜３の整数を示し、Ｒ1が複数ある場合、複数のＲ1はたがいに同一でも異なっていてもよく、ＯＲ2が複数ある場合、複数のＯＲ2はたがいに同一でも異なっていてもよい。）で表される有機ケイ素化合物、該化合物の部分加水分解物およびその縮合物である重量平均分子量２０００未満のオリゴマーの中から選ばれる少なくとも１種との混合物から形成されたものであることを特徴とする有機−無機複合傾斜材料。Organic-inorganic having a component gradient structure that includes a complex in which an organic polymer compound and a metal oxide compound are chemically bonded, and the content of the metal component continuously changes in the depth direction from the surface of the material A composite gradient material, wherein the organic-inorganic composite gradient material comprises a film-like material formed on an organic substrate, and the organic polymer compound (c) is converted into a metal oxide by hydrolysis in the molecule. an ethylenically unsaturated monomer having attached may metal-containing group, which was obtained by copolymerizing ethylenically unsaturated monomers containing no (d) is a metal, the metal oxide-based compounds (A) tetraisocyanatosilane, (b) general formula (I)
R 1 nSi (OR 2 ) 4-n (I)
(In the formula, R 1 is a saturated or unsaturated non-hydrolyzable organic group, R 2 is an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, n is an integer of 1 to 3, and when R 1 is plural, R 1 may be the same with or different from each other, if the OR 2 there are a plurality of organic silicon compound represented by a plurality of OR 2 may be the same or different.), partial hydrolysis of the compound And an organic-inorganic composite gradient material, characterized in that it is formed from a mixture with at least one selected from the group consisting of oligomers having a weight average molecular weight of less than 2000, which is a condensate thereof.
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