JP5275589B2 - シルセスキオキサンを含有する組成物及びシルセスキオキサン含有ヒドロキシアルキルセルロース樹脂組成物 - Google Patents
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Description
また、POLYMER, Volume35, No.25, 1994, 5565-5570には、重量平均分子量6万のヒドロキシプロピルセルロースとテトラエトキシシランに、水、塩酸を加えてテトラエトキシシランを加水分解重縮合させることにより、ヒドロキシプロピルセルロースとシリカの複合体を作製することが記載されている(非特許文献2)。また、米国特許第6275728号公報には、ヒドロキシプロピルセルロースとシリカゲルを含有する吸水性のフィルムが記載されている(特許文献2)。
透明性については、もともと透明性の高いこれらのセルロースエステルにシルセスキオキサンを添加しても、透明性を維持できることが記載されている。
また、本発明者らは、ヒドロキシアルキルセルロースにシルセスキオキサンを配合することについて鋭意研究し、その結果、シルセスキオキサンとヒドロキシアルキルセルロースとを含有する組成物、その中でも、エポキシ基及び/又はα,β−ジオール基を有する特定のシルセスキオキサンとヒドロキシアルキルセルロースとを含有するハイブリッド樹脂組成物は、熱可塑性、溶融流動性、耐熱性に優れ、かつ、当該ハイブリッド樹脂組成物を含有する成型体は耐水性に優れ、透明性が高いことを見出し、本発明を完成した。
(1)下記一般式(A)で表される籠型構造体シルセスキオキサンと、一般式(B)で表される部分開裂籠型構造体シルセスキオキサンとを含んでなる組成物、
(RSiO3/2)l ・・・(A)
(RSiO3/2)m(RSiO2H)n ・・・(B)
[一般式(A)及び(B)中、lは4以上の任意整数、mは4以上の任意整数、nは1以上の整数を表し、n/(l+m)は0.03〜0.2である。
各Rは同一でも異なっていてもよく、炭素数1〜10のアルコキシ基またはアリールオキシ基、炭素数1〜20の飽和炭化水素基、炭素数2〜20のアルケニル基、炭素数6〜20のアリール基、炭素数7〜20のアラルキル基、ケイ素数1〜10のケイ素原子含有基、及びα,β−ジオールを有する基から選択される基を表す。但し、1つの分子内で少なくとも1つはα,β−ジオールを有する基であり、α,β−ジオールを有する基が複数の場合、互いに同一でも異なっていても良い。]
(2)有機溶媒の存在下、一般式(C)のトリアルコキシシランと、一般式(D)のトリアルコキシシランとを反応させてエポキシ基を含有する籠型構造体シルセスキオキサンと部分開裂籠型構造体シルセスキオキサンを含む組成物を調製する第一段階の反応と、該組成物のpHを4以下または9以上に調節し、水の存在下でシルセスキオキサンのエポキシ基を加水分解してα,β−ジオール基に変換する第二段階の反応を含む方法により製造した、(1)に記載の組成物に関する。
R2Si(OR2’)3 ・・・(C)
R3Si(OR3’)3 ・・・(D)
[一般式(C)、(D)中、R2はエポキシ基を含有する基を表す。R2’はアルキル基を表す。R3は炭素数1〜10のアルコキシ基またはアリールオキシ基、炭素数1〜20の飽和炭化水素基、炭素数2〜20のアルケニル基、炭素数6〜20のアリール基、炭素数7〜20のアラルキル基、及びケイ素数1〜10のケイ素原子含有基を表す、R3’はアルキル基を表す。]
R2Si(OR2’)3 ・・・(C)
R3Si(OR3’)3 ・・・(D)
[一般式(C)、(D)中、R2はエポキシ基を含有する基を表す。R2’はアルキル基を表す。R3は炭素数1〜10のアルコキシ基またはアリールオキシ基、炭素数1〜20の飽和炭化水素基、炭素数2〜20のアルケニル基、炭素数6〜20のアリール基、炭素数7〜20のアラルキル基、及びケイ素数1〜10のケイ素原子含有基を表す、R3’はアルキル基を表す。]
(4)有機溶媒の存在下、一般式(C)のトリアルコキシシランと、一般式(D)のトリアルコキシシランとを反応させてエポキシ基を含有する籠型構造体シルセスキオキサンと部分開裂籠型構造体シルセスキオキサンを含む組成物を調製する第一段階の反応と、該組成物のpHを4以下または9以上に調節し、水の存在下でシルセスキオキサンのエポキシ基を加水分解してα,β−ジオール基に変換する第二段階の反応を含む、(1)に記載の組成物の製造方法に関する。
R2Si(OR2’)3 ・・・(C)
R3Si(OR3’)3 ・・・(D)
[一般式(C)、(D)中、R2はエポキシ基を含有する基を表す。R2’はアルキル基を表す。R3は炭素数1〜10のアルコキシ基またはアリールオキシ基、炭素数1〜20の飽和炭化水素基、炭素数2〜20のアルケニル基、炭素数6〜20のアリール基、炭素数7〜20のアラルキル基、及びケイ素数1〜10のケイ素原子含有基を表す、R3’はアルキル基を表す。]
(5)下記一般式(E)で表される籠型構造体シルセスキオキサン及び/又はその部分開裂籠型構造体と、ヒドロキシアルキルセルロースを含有する樹脂組成物、
(R4SiO3/2)n ・・・(E)
[一般式(E)中、nは4以上の整数を表す。各R4は同一でも異なっていてもよく、R4は水素原子、ハロゲン原子、置換されていてもよい炭素数1〜10のアルコキシ基、置換されていてもよい炭素数1〜10のアリールオキシ基、置換されていてもよい炭素数1〜20の飽和炭化水素基、置換されていてもよい炭素数2〜20のアルケニル基、置換されていてもよい炭素数6〜20のアリール基、置換されていてもよい炭素数7〜20のアラルキル基、及び置換されていてもよいケイ素数1〜10のケイ素原子含有基から選択される。]
(6)籠型構造体シルセスキオキサン及び/又はその部分開裂籠型構造体がエポキシ基及び/又はα,β−ジオール基を有する、(5)に記載の樹脂組成物、
(7)(1)の組成物と、ヒドロキシアルキルセルロースを含有する樹脂組成物、
(8)(1)の組成物がさらにイソブチル基を有する、(7)に記載の樹脂組成物、
(9)α,β−ジオール基がプロパンジオール基である、(7)又は(8)に記載の樹脂組成物、
(10)グリシドキシプロピル基とイソブチル基とを有する下記一般式(F)で表される籠型構造体シルセスキオキサン又は一般式(G)で表される部分開裂籠型構造体シルセスキオキサンの少なくとも1種をさらに含有する、(7)〜(9)に記載の樹脂組成物に関する。
(R5SiO3/2)l ・・・(F)
(R5SiO3/2)m(R5SiO2H)n ・・・(G)
[一般式(F)、(G)中、lは4以上の任意の整数、mは4以上の任意の整数、nは1以上の任意整数を表し、且つn/(l+m)は0.03〜0.2である。各R5は同一でも異なっていてもよく、それぞれ少なくとも一つのグリシドキシプロピル基を含む置換基である。グリシドキシプロピル基以外のR5はイソブチル基である。]
(11)ヒドロキシアルキルセルロースがヒドロキシプロピルセルロースである(5)〜(10)のいずれかに記載の樹脂組成物、
(12)ヒドロキシプロピルセルロースの分子量が50,000〜5,000,000である(5)〜(11)のいずれかに記載の樹脂組成物、
(13)ヒドロキシプロピルセルロースの置換度が0.5から3であることを特徴とする(5)〜(12)のいずれかに記載の樹脂組成物、
(14)ヒドロキシプロピルセルロース100重量部に対して、シルセスキオキサンを1〜500重量部含有することを特徴とする(5)〜(13)のいずれかに記載の樹脂組成物に関する。
(15)(5)〜(14)のいずれかに記載の樹脂組成物からなるコーティング材、
(16)(5)〜(14)のいずれかに記載の樹脂組成物からなるフィルム、
(17)(5)〜(14)のいずれかに記載の樹脂組成物からなる成形体、
(18)(5)〜(14)のいずれかに記載の樹脂組成物からなる微細形状が転写された成形体に関する。
(1)経時的に安定性が高い。
(2)籠型構造のシルセスキオキサンと部分開裂籠型構造のシルセスキオキサンの比率が目的に応じて自由に制御できる。
(3)1つの分子内のジオールの官能基数が目的に応じて制御できる。
(4)分子量の異なる各種シルセスキオキサンが共存する。
(5)一般式(A)で表す籠型構造シルセスキオキサンと一般式(B)で表す部分開裂籠型構造のシルセスキオキサンが共存するシルセスキオキサンの製造方法である。
(6)従来技術より合成プロセスのコストが安い。
また、本発明によれば、熱可塑性、溶融加工性、耐熱性に優れた、シルセスキオキサンとヒドロキシアルキルセルロースのハイブリッド樹脂組成物、及びその組成物を含有する耐水性に優れ、透明性の高い成型体を提供することができる。
本発明のシルセスキオキサン組成物は、下記一般式(A)で表される籠型構造体シルセスキオキサンと、一般式(B)で表される部分開裂籠型構造体シルセスキオキサンとを含んでなる組成物であれば特に制限されない。
(RSiO3/2)l ・・・(A)
(RSiO3/2)m(RSiO2H)n ・・・(B)
[一般式(A)及び(B)中、lは4以上の任意整数、mは4以上の任意整数、nは1以上の整数を表し、n/(l+m)は0.03〜0.2である。
各Rは同一でも異なっていてもよく、炭素数1〜10のアルコキシ基またはアリールオキシ基、炭素数1〜20の飽和炭化水素基、炭素数2〜20のアルケニル基、炭素数6〜20のアリール基、炭素数7〜20のアラルキル基、ケイ素数1〜10のケイ素原子含有基、及びα,β−ジオールを有する基から選択される基を表す。但し、1つの分子内で少なくとも1つはα,β−ジオールを有する基であり、α,β−ジオールを有する基が複数の場合、互いに同一でも異なっていても良い。]
またRは、1分子中少なくとも1つはα,β−ジオールを有する基であるが、α,β−ジオール基としては、具体的には、1,2−プロパンジオール、2,3−プロパンジオール、2,3−ジヒドロキシプロピル、5,6−ジヒドロキシヘキシル、3,4−ジヒドロキシシクロヘキシルエチル、2,3−ジヒドロキシプロポキシプロピル等が例示される。
本発明のシルセスキオキサン組成物は、有機溶媒の存在下、一般式(C)のトリアルコキシシランと、一般式(D)のトリアルコキシシランとを反応させてエポキシ基を含有する籠型構造体シルセスキオキサンと部分開裂籠型構造体シルセスキオキサンを含む組成物を調製する第一段階の反応と、該組成物のpHを4以下または9以上に調節し、水の存在下でシルセスキオキサンのエポキシ基を加水分解してα,β−ジオール基に変換する第二段階の反応を含む方法により好適に製造される。
R2Si(OR2’)3 ・・・(C)
R3Si(OR3’)3 ・・・(D)
[一般式(C)、(D)中、R2はエポキシ基を含有する基を表す。R2’はアルキル基を表す。R3は炭素数1〜10のアルコキシ基またはアリールオキシ基、炭素数1〜20の飽和炭化水素基、炭素数2〜20のアルケニル基、炭素数6〜20のアリール基、炭素数7〜20のアラルキル基、及びケイ素数1〜10のケイ素原子含有基を表す、R3’はアルキル基を表す。]
第二段階の反応において、エポキシ基を加水分解するためのpHを4以下または9以上に調節するための酸は、無機酸でも有機酸でも良いが、生成物の収率を考えると硫酸が好ましい。また、pHを9以上にするためのアルカリは無機化合物でも有機化合物でもよいが、コストの点から無機化合物が好ましい。
本発明の樹脂組成物に含有されるシルセスキオキサンは、下記一般式(E)で表されるシルセスキオキサン及び/又はその部分開裂籠型構造体であることが好ましい。
(R4SiO3/2)n ・・・(E)
[一般式(B)中、nは4以上の整数を表す。各R4は同一でも異なっていてもよく、R4は水素原子、ハロゲン原子、置換されていてもよい炭素数1〜10のアルコキシ基、置換されていてもよい炭素数1〜10のアリールオキシ基、置換されていてもよい炭素数1〜20の飽和炭化水素基、置換されていてもよい炭素数2〜20のアルケニル基、置換されていてもよい炭素数6〜20のアリール基、置換されていてもよい炭素数7〜20のアラルキル基、及び置換されていてもよいケイ素数1〜10のケイ素原子含有基から選択される。]
R4としては、例えば、メチル基、エチル基、イソブチル基、アリル基、ビニル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、フェニル基、フェニルエチル基、ビニルフェニル基、シクロヘキサンジオール基、クロロベンジル基、クロロプロピル基、クロロジメチルシリルエチル基、トリクロロシリルエチル基、アミノエチルアミノプロピル基、エポキシシクロヘキシルエチル基、エポキシプロピル基、メタクリルオキシプロピル基、シクロヘキセニル基、ジメチルビニルシリルオキシ基、ジフェニルビニルシロキシ基、ジメチルシロキシ基などが挙げられる。
炭素数10を超える炭化水素エポキシ基は、セルロース誘導体との相溶性が不十分になると共に、得られた樹脂組成物の機械特性が低下する傾向がある。
(RSiO3/2)l ・・・(A)
(RSiO3/2)m(RSiO2H)n ・・・(B)
[一般式(A)及び(B)中、lは4以上の任意整数、mは4以上の任意整数、nは1以上の整数を表し、n/(l+m)は0.03〜0.2である。
各Rは同一でも異なっていてもよく、炭素数1〜10のアルコキシ基またはアリールオキシ基、炭素数1〜20の飽和炭化水素基、炭素数2〜20のアルケニル基、炭素数6〜20のアリール基、炭素数7〜20のアラルキル基、ケイ素数1〜10のケイ素原子含有基、及びα,β−ジオールを有する基から選択される基を表す。但し、1つの分子内で少なくとも1つはα,β−ジオールを有する基であり、α,β−ジオールを有する基が複数の場合、互いに同一でも異なっていても良い。]
グリシドキシプロピル基とイソブチル基とを有する下記一般式(F)で表される籠型構造体シルセスキオキサン又は一般式(G)で表される部分開裂籠型構造体シルセスキオキサンの少なくとも1種を含む組み合わせ等も好ましく例示できる。
(R5SiO3/2)l ・・・(F)
(R5SiO3/2)m(R5SiO2H)n ・・・(G)
[一般式(F)、(G)中、lは4以上の任意の整数、mは4以上の任意の整数、nは1以上の任意整数を表し、且つn/(l+m)は0.03〜0.2である。各R5は同一でも異なっていてもよく、それぞれ少なくとも一つのグリシドキシプロピル基を含む置換基である。グリシドキシプロピル基以外のR5はイソブチル基である。]
本発明のヒドロキシアルキルセルロースは、例えば、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロースなどのヒドロキシアルキルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシエチルエチルセルロースなどのヒドロキシアルキルアルキルセルロース、これらの混合体などを好ましく挙げることができる。これらのヒドロキシアルキルセルロースは1種単独でも2種以上を組み合わせてもよい。
なお、ヒドロキシアルキルセルロースの置換度は、セルロースを構成するグルコース残基に含有する3個の水酸基が、置換基により置換される数の平均値である。3個の水酸基が全て置換された場合、置換度は3.0となる。置換度の測定方法はセルロース誘導体の種類により異なるが、重量法、加水分解後逆滴定法、元素分析法など公知の方法を使用すればよい。
本発明の組成物におけるヒドロキシアルキルセルロースとシルセスキオキサンの配合比は特に限定されるものではないが、ヒドロキシアルキルセルロース100重量部に対して、シルセスキオキサンを1〜500重量部の範囲で、使用目的、要求物性に応じて使用することが好ましい。ヒドロキシアルキルセルロース100重量部に対して、シルセスキオキサンを5〜200重量部使用することが好ましく、10〜100重量部使用することが特に好ましい。シルセスキオキサンを2種以上使用する場合には、それらの合計量がこの範囲にあることが好ましい。
シルセスキオキサンの使用量が5重量部未満では、ハイブリッド効果が発現しにくい傾向がある。一方、シルセスキオキサンが500重量部を超える場合、ヒドロキシアルキルセルロースの寄与が少なくなり、良好な機械物性が得られなくなる傾向がある。
また、ヒドロキシアルキルセルロースとして分子量69万のヒドロキシプロピルセルロースを、シルセスキオキサンとしてプロパンジオール基及びイソブチル基を有するシルセスキオキサン(プロパンジオール基とイソブチル基のモル%比は50:50)、およびプロパンジオール基及びイソブチル基を有するシルセスキオキサン(プロパンジオール基とイソブチル基のモル%比は30:70)を用いた場合、ヒドロキシプロピルセルロース83.7重量部に対して、シルセスキオキサンを17重量部使用することがさらに好ましく例示できる。
また、本発明の樹脂組成物は、シルセスキオキサンおよびヒドロキシアルキルセルロースの他に、エポキシ化合物を含有してもよい。エポキシ化合物としては、芳香族エポキシ化合物、脂肪族エポキシ化合物が挙げられるが、相溶性の観点から、脂肪族エポキシ化合物が好ましい。脂肪族エポキシ化合物では、脂環式エポキシ化合物、鎖状エポキシ化合物が挙げられるが、相溶性の観点から、鎖状エポキシ化合物がさらに好ましく、グリシジルエーテルであることがとりわけ好ましい。グリシジルエーテルとしては、例えば、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル、トリメチロールプロパンポリグリシジルエーテル、ポリエチレングリコールモノグリシジルエーテルなどが挙げられ、ジエチレングリコールジグリシジルエーテルが特に好ましい。
本発明で用いられる光カチオン開始剤は、光により、前記セルロース誘導体、前記シルセスキオキサン成分からなる樹脂のカチオン重合を開始する化合物であれば特に限定はなく、いずれでも使用することができる。例えば、(チオフェノキシフェニル)ジフェニルスルホニウム ヘキサフルオロホスフェート−ビス(ジフェニルスルホニウム)ジフェニル、ヘキサフルオロヒ酸ビス(ドデシルフェニル)ヨードニウム、ヘキサフルオロアンチモン酸ビス(ドデシルフェニル)ヨードニウム等の芳香族ヨードニウム塩、芳香族スルホニウム塩、芳香族ジアゾニウム塩等の公知の重合開始剤などが挙げられる。
本発明は、また、シルセスキオキサンとヒドロキシアルキルセルロースとを配合した、熱可塑性、溶融加工性および耐熱性等に優れたハイブリッド樹脂組成物に係る。その機構は明確ではないが、発明者らは、ヒドロキシアルキルセルロースの分子鎖の間に、低表面エネルギーかつ大きな分子容積を有するシルセスキオキサンが入り込むことでヒドロキシアルキルセルロースの分子間力が弱まり、分子鎖間の相対運動が向上することによって、これらの物性が発現するものと考えている。
本発明の樹脂組成物は、以下に詳説するように、コーティング材、フィルム、成形体、微細形状が転写された成形体等として好適に使用できる。
本発明の樹脂組成物の製造方法としては特に限定されず、湿式法、乾式法など常用の製造方法を用いることができる。例えば、ヒドロキシアルキルセルロースとシルセスキオキサンと必要に応じて重合開始剤などをロール、ニーダ、単軸混練押出機、2軸混練押出機などの装置を用いて混合混練し、ハイブリッド樹脂組成物を製造することが出来る。混練条件は特に限定されるものではなく、使用される混練装置の種類、ヒドロキシアルキルセルロースとシルセスキオキサンの融点、配合量、必要な反応程度、樹脂組成物の用途及び成形方法などを考慮し混練条件を適宜調整すればよい。なお、ヒドロキシアルキルセルロースの熱分解を避けるために混練温度は250℃以下に設定することが好ましく、220℃以下にすることがより好ましい。
1)その溶液をノズルを通じて膜状、繊維状又は液渦状で非溶媒の浴に押出し、沈殿させてフィルム状、繊維状、または穎粒状のハイブリッド材料を得る方法;
2)溶液をノズルを通じて膜状、繊維状、又は書状で空気中に吐出し、加熱などにより溶媒を揮発させてフィルム状、繊維状又は粉状のハイブリッド材料を得る方法;
3)溶液を基板などの上にキャスト又はスプレーし、溶媒を蒸発させてフィルム又は塗膜(コーティング)を得る方法;
4)溶液から減圧蒸留などにより直接溶媒を除去して固形ハイブリッド組成物を得る方法;などが挙げられる。
いずれの方法においても、エポキシ基を有するシルセスキオキサンを使用する場合には上記の乾式法と同様に、成形前、成形中又は成形後に加熱、UV照射などによりヒドロキシアルキルセルロースとシルセスキオキサンとを反応させることが出来る。
本発明の樹脂組成物を含有する成形体は、上記に例示されたような方法でフィルム等とするほか、フィルム等をさらに熱加工等により成形体を作成することもできる。熱加工の方法としては、例えば、射出成形、射出圧縮成形、ホットエンボス、ナノインプリント技術などが挙げられる。
本発明の樹脂組成物は溶融粘度が低く熱可塑性に優れるため、マイクロパターンの形成に好適で、微細形状が転写された成形体に好適に使用できる。また、本発明のハイブリッド樹脂組成物の成形体は、水に対して溶解(崩壊)することがなく耐水性に優れる。
本発明のハイブリッド樹脂組成物は、通常のプラスチック材料と同様の用途があるほか、その光学特性や生体適合性を生かして、マイクロレンズアレイや光干渉素子、FPD用導光板、拡散板、偏光フィルムなどの光学材料、各種薬液含有シート基材、創傷被覆材、バイオチップ、環境計測チップ、ドラッグ・デリバリーチップ、細胞培養ディッシュなどの医療器材、医薬品分野の容器や包装材、半導体容器等に使用できる。
グリシドキシプロピル基及びイソブチル基を有するシルセスキオキサン(SQ−A)の合成
(1)攪拌機、温度計、還流冷却管を備えた反応器に、テトラヒドロフラン500ml、1M水酸化ナトリウム水溶液19.74g(水酸化ナトリウム0.0197モル)、(3−グリシドキシプロピル)トリメトキシシラン24.81g(0.105モル)と、イソブチルトリメトキシシラン43.68g(0.245モル)を仕込み、60℃で3時間攪拌しながら加熱した。
(2)反応終了後、反応生成物を室温まで放置させた後、攪拌しながら1N塩酸水溶液19.74gを加えて中和し後、減圧下40℃で溶媒等の低沸点部を留去した。
(3)(2)で得た濃縮物にジエチルエーテル200mlを加え、分液ロートを用いて蒸留水により水洗した。分液ロートの水層が中性になるまで水洗を繰り返した後、有機層を分取し、無水硫酸マグネシウムで脱水した後、減圧下でジエチルエーテルを留去して目的のシルセスキオキサンを得た。このシルセスキオキサンにつき、NMR分析を行った結果、下記式(F)及び(G)の構造を有するグリシドキシプロピル基とイソブチル基を持つシルセスキオキサンであることを示した。
(R5SiO3/2)l ・・・(F)
(R5SiO3/2)m(R5SiO2H)n ・・・(G)
[一般式(F)、(G)中、lは4以上の任意の整数、mは4以上の任意の整数を表す。]
ここで、NMR分析結果より、n/(l+m)は0.09、Rはグリシドキシプロピル基及びイソブチル基であり、それらの平均比率は30/70(mol/mol%)であった。
プロパンジオール基及びイソブチル基(50:50)を有するシルセスキオキサン(SQ−B)の合成
(1)攪拌機、温度計、還流冷却管を備えた反応器に、テトラヒドロフラン500ml、1M水酸化ナトリウム水溶液19.74g(水酸化ナトリウム0.0197モル)、(3−グリシドキシプロピル)トリメトキシシラン35.45g (0.15モル)と、イソブチルトリメトキシシラン26.74g(0.15モル)を仕込み、60℃で3時間攪拌しながら加熱した。
(2)反応終了後、反応生成物を室温まで放置させた後、攪拌しながら0.5Mの硫酸水溶液60gを加えてから、60℃の還流下で更に3時間攪拌した。
(3)反応終了後、反応生成物を室温まで放置させた後、1Mの水酸化ナトリウム水溶液を用いて中和し、減圧下40℃で溶媒等の低沸点部を留去した。
(4)(3)で得た濃縮物にジエチルエーテル200mlを加え、分液ロートを用いて蒸留水により水洗した。分液ロートの水層が中性になるまで水洗を繰り返した後、有機層を分取し、無水硫酸マグネシウムで脱水した後、減圧下でジエチルエーテルを留去して目的のシルセスキオキサンを得た。このシルセスキオキサンにつき、NMR分析を行った結果、下記式(A)及び(B)の構造を有するα,β−プロパンジオール基を持つシルセスキオキサンであることを示した。
(RSiO3/2)l(A)
(RSiO3/2)m(RSiO2H)n (B)
[式(A)、(B)中、lは4以上の任意整数、mは4以上の任意整数、nは1以上の整数を表す。]
ここで、NMR分析結果より、n/(l+m)は0.09、Rはα,β−プロパンジオール基及びイソブチル基、それらの平均比率は50/50(mol/mol%)であった。
プロパンジオール基及びイソブチル基(30:70)を有するシルセスキオキサン(SQ−C)の合成
(1)攪拌機、温度計、還流冷却管を備えた反応器に、テトラヒドロフラン500ml、1M水酸化ナトリウム水溶液19.74g(水酸化ナトリウム0.0197モル)、(3−グリシドキシプロピル)トリメトキシシラン24.81g(0.105モル)と、イソブチルトリメトキシシラン43.68g(0.245モル)を仕込み、60℃で3時間攪拌しながら加熱した。
(2)反応終了後、反応生成物を室温まで放置させた後、攪拌しながら0.5Mの硫酸水溶液60gを加えてから、60℃の還流下で更に3時間攪拌した。
(3)反応終了後、反応生成物を室温まで放置させた後、1Mの水酸化ナトリウム水溶液を用いて中和し、減圧下40℃で溶媒等の低沸点部を留去した。
(4)(3)で得た濃縮物にジエチルエーテル200mlを加え、分液ロートを用いて蒸留水により水洗した。分液ロートの水層が中性になるまで水洗を繰り返した後、有機層を分取し、無水硫酸マグネシウムで脱水した後、減圧下でジエチルエーテルを留去して目的のシルセスキオキサンを得た。このシルセスキオキサンにつき、NMR分析を行った結果、下記式(A)及び(B)の構造を有するα,β−プロパンジオール基を持つシルセスキオキサンであることを示した。
(RSiO3/2)l (A)
(RSiO3/2)m(RSiO2H)n (B)
[lは4以上の任意整数、mは4以上の任意整数、nは1以上の整数を表す。]
ここで、NMR分析結果より、n/(l+m)は0.09、Rはα,β−プロパンジオール基及びイソブチル基であり、それらの平均比率は30/70(mol/mol%)であった。
シルセスキオキサンの構造同定(NMR分析)
合成されたシルセスキオキサンの分子構造は、Varian, Inc..製INOVA 400MHz−Spectrometerを用いてNMRにより分析した。溶媒はCDCl3を用いた。
(SQ−A、SQ−B、SQ−C含有ヒドロキシプロピルセルロースフィルムの作成)
実施例1、2、3で得たシルセスキオキサンSQ−A3.5g、SQ−B6.4g、SQ−C6.5gと、ヒドロキシプロピルセルロース(HPC−M,日本曹達株式会社製)83.6gをテトラヒドロフラン(THF)900mlに室温で攪拌溶解し、固形分濃度10wt%の溶液を調製した。得られた溶液をテフロン(登録商標)基板上に流延法でキャストし、室温で3時間放置してTHFを揮発させ、更に50℃の真空乾燥機で8時間乾燥してシルセスキオキサンとHPCとの複合体を得た。ホットプレス法で複合体をフィルムに調製した。フィルムの厚みは180μmだった。但し、ホットプレスの温度、圧力、時間はそれぞれ195℃、180kg/cm2、60分とした。得られたフィルムの引張特性、Tg、吸水率、光透過率(可視光)を評価し、結果を表1に示した。
(SQ−B、SQ−C含有ヒドロキシプロピルセルロースフィルムの作成)
実施例2、3で得たシルセスキオキサンSQ−B6.4g、SQ−C10.6gと、ヒドロキシプロピルセルロース(HPC−M、日本曹達株式会社製)83.7gをテトラヒドロフラン(THF)900mlに室温で攪拌溶解し、固形分濃度10wt%の溶液を調製したこと以外、実施例4と同様の操作でシルセスキオキサンとHPCとの複合体フィルムを得た。フィルムの厚みは200μmだった。得られたフィルムの評価結果を表1に示した。
フィルムの引張り特性、Tg、吸水率、光透過率(可視光)を評価し、結果を表1に示した。
実施例4の組成で各成分を乳鉢にて混合した後、ラボプラストミル(東洋精機社製)により190℃で7分間溶融混練を行い、冷却したものをプレスしてペレットを作製した。これを実施例4と同様に熱プレス処理を行い、320〜330μmのフィルムを得た。
物性評価したところ、表1に示した実施例4と同レベルの物性値を示した。
実施例5の組成で各成分を乳鉢にて混合した後、実施例6と同様の操作を行い、320〜330μmのフィルムを得た。
物性評価したところ、表1に示した実施例5と同レベルの物性値を示した。
実施例4と同様の操作で、シルセスキオキサンを使用せず、熱プレスせずHPC−Mのみでフィルムを得た。フィルムの物性評価結果を表1に示した。
なお、ハイブリッド樹脂組成物の物性は、下記の方法に従って評価した。
(1)引張特性の測定
得られた厚さ90μm90mmの帯状体を、JIS K 6251記載のダンベル28号で打ち抜いて試験片を作製した。この試験片を用いて、島津製作所社製AGS-20KNG強度試験機で25℃、切断引張応力、切断引張伸び、弾性率を測定した。
使用ロードセル:1KN
つかみ具間距離:30mm
試験速度:3mm/min
(2)熱流動温度
調製したハイブリッド樹脂組成物の熱圧成形する前の熱流動温度を、島津製作所社製フローテスターCFT-500Dにより測定した。
(3)熱流動温度及び流動温度における粘度
実施例4、5で得られたハイブリッド樹脂組成物のホットプレスする前の熱流動温度及び流動温度における粘度を島津製作所社製フローテスターCFT-5000により、下記の条件下で測定した。
昇温速度:10℃/分
荷重:10kg
ダイアの穴径:2mm
ダイアの長さ:1mm
(4)ガラス転移点(Tg)
実施例で得られたハイブリッド樹脂組成物フィルムのガラス転移温度(Tg)を(株)オリエンテック製Rheovibron DDV-EPにより、以下の測定条件下で測定した。
モード:引張
測定周波数:3.5Hz
昇温速度:2℃/分
(5)吸水率
得られたフィルムから、一辺が50±1mmの正方形試験片を製作し、JIS K7209に準じて吸水率を測定した。
吸水率=(浸漬後フィルムの重量−浸漬前フィルムの重量)/浸漬前フィルムの重量×100%。
(6)光透過率
実施例で得られたハイブリッド樹脂組成物フィルムの光透過率を島津製作所社製UV-3600分光光度計により、透過モードで測定した。
実施例7で得られたフィルムを用いて熱インプリント法によるマイクロレンズアレイパターンの転写を行った。離型剤処理したNi製の金型を用いて、金型温度125℃、プレス圧力10MPa、プレス時間3分間の条件で行った後、75℃まで冷却した。成形後のフィルム表面をFE−SEMにより観察したところ、金型の形状が精度よく転写されており、微細形状の転写成形が可能であった。
Claims (15)
- 下記一般式(A)で表される籠型構造体シルセスキオキサンと、一般式(B)で表される部分開裂籠型構造体シルセスキオキサンとを含んでなる組成物。
(RSiO3/2)l ・・・(A)
(RSiO3/2)m(RSiO2H)n ・・・(B)
[一般式(A)及び(B)中、lは4以上の任意整数、mは4以上の任意整数、nは1以上の整数を表し、n/(l+m)は0.03〜0.2である。
各Rは同一でも異なっていてもよく、炭素数1〜10のアルコキシ基、炭素数1〜20の飽和炭化水素基、及びα,β−ジオールを有する基から選択される基を表す。但し、1つの分子内で少なくとも1つはα,β−ジオールを有する基であり、α,β−ジオールを有する基が複数の場合、互いに同一でも異なっていても良い。] - 有機溶媒の存在下、一般式(C)のトリアルコキシシランと、一般式(D)のトリアルコキシシランとを反応させてエポキシ基を含有する籠型構造体シルセスキオキサンと部分開裂籠型構造体シルセスキオキサンを含む組成物を調製する第一段階の反応と、該組成物のpHを4以下または9以上に調節し、水の存在下でシルセスキオキサンのエポキシ基を加水分解してα,β−ジオール基に変換する第二段階の反応を含む方法により製造した、請求項1に記載の組成物。
R2Si(OR2’)3 ・・・(C)
R3Si(OR3’)3 ・・・(D)
[一般式(C)、(D)中、R2はエポキシ基を含有する基を表す。R2’はアルキル基を表す。R3は炭素数1〜10のアルコキシ基または炭素数1〜20の飽和炭化水素基を表す、R3’はアルキル基を表す。] - 有機溶媒の存在下、一般式(C)のトリアルコキシシランと、一般式(D)のトリアルコキシシランとを反応させてエポキシ基を含有する籠型構造体シルセスキオキサンと部分開裂籠型構造体シルセスキオキサンを含む組成物を調製する第一段階の反応と、該組成物のpHを4以下または9以上に調節し、水の存在下でシルセスキオキサンのエポキシ基を加水分解してα,β−ジオール基に変換する第二段階の反応を含む、請求項1に記載の組成物の製造方法。
R2Si(OR2’)3 ・・・(C)
R3Si(OR3’)3 ・・・(D)
[一般式(C)、(D)中、R2はエポキシ基を含有する基を表す。R2’はアルキル基を表す。R3は炭素数1〜10のアルコキシ基または炭素数1〜20の飽和炭化水素基を表す、R3’はアルキル基を表す。] - 請求項1の組成物と、ヒドロキシアルキルセルロースを含有する樹脂組成物。
- 請求項1の組成物がさらにイソブチル基を有する、請求項4に記載の樹脂組成物。
- α,β−ジオール基がプロパンジオール基である、請求項4又は5に記載の樹脂組成物。
- グリシドキシプロピル基とイソブチル基とを有する下記一般式(F)で表される籠型構造体シルセスキオキサン又は一般式(G)で表される部分開裂籠型構造体シルセスキオキサンの少なくとも1種をさらに含有する、請求項4〜6のいずれかに記載の樹脂組成物。
(R5SiO3/2)l ・・・(F)
(R5SiO3/2)m(R5SiO2H)n・・・(G)
[一般式(F)、(G)中、lは4以上の任意の整数、mは4以上の任意の整数、nは1以上の任意整数を表し、且つn/(l+m)は0.03〜0.2である。各R5は同一でも異なっていてもよく、それぞれ少なくとも一つのグリシドキシプロピル基を含む置換基である。グリシドキシプロピル基以外のR5はイソブチル基である。] - ヒドロキシアルキルセルロースがヒドロキシプロピルセルロースである請求項4〜7のいずれかに記載の樹脂組成物。
- ヒドロキシプロピルセルロースの分子量が50,000〜5,000,000である請求項4〜8のいずれかに記載の樹脂組成物。
- ヒドロキシプロピルセルロースの置換度が0.5から3であることを特徴とする請求項4〜9のいずれかに記載の樹脂組成物。
- ヒドロキシプロピルセルロース100重量部に対して、シルセスキオキサンを1〜500重量部含有することを特徴とする請求項4〜10のいずれかに記載の樹脂組成物。
- 請求項4〜11のいずれかに記載の樹脂組成物からなるコーティング材。
- 請求項4〜11のいずれかに記載の樹脂組成物からなるフィルム。
- 請求項4〜11のいずれかに記載の樹脂組成物からなる成形体。
- 請求項4〜11のいずれかに記載の樹脂組成物からなる微細形状が転写された成形体。
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