JP5567495B2 - 除去可能な防曇性コーティング、物品、コーティング組成物及び方法 - Google Patents
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Description
本明細書において、「ナノ粒子」は、ナノメートルサイズの粒子として定義され、好ましくは平均粒径が60ナノメートル(nm)以下である。本明細書で使用するとき、「粒径」及び「粒子直径」は同一の意味を有し、粒子(又はその凝集体)の最大寸法を指すのに使用される。この文脈において、「アグロメレーション」は、電荷又は極性によってまとまることができ、またより小さな構成要素に分解することができる、粒子間の弱い会合を指す。
本発明による表面改質されたナノ粒子は、ナノメートルサイズの粒子を含む。用語「ナノメートルサイズ」は、好ましくは(表面改質、すなわち、官能化前に)60ナノメートル(nm)以下の、ナノメートル範囲の平均粒度(又は球状の粒子の平均粒子直径)が特徴である粒子に言及するものである。平均粒径は、より好ましくは(表面改質前に)45nm以下、更に好ましくは(表面改質前に)20nm以下、更により好ましくは(表面改質前に)10nm以下、更により好ましくは(表面改質前に)5nm以下である。好ましくは、表面改質前に、シリカナノ粒子の平均粒度は、少なくとも1nm、より好ましくは少なくとも2nm、更により好ましくは少なくとも3nm、更により好ましくは少なくとも4nm、更により好ましくは少なくとも5nmである。特に好ましい粒径は4nm〜5nmである。
本発明のナノ粒子はエポキシ基で官能化され、通常はエポキシシラン性質を使用する。エポキシ基は個々のナノ粒子のシリカ表面に共有結合され、好ましくはSi−O−Si結合により結合する。ジルコニア、アルミナ、セリア、酸化スズ、又は二酸化チタンを含む他のナノ粒子は同じように、Zr−O−Si、Al−O−Si、Ce−O−Si、Sn−O−Si、及びTi−O−Siのそれぞれの化学結合でエポキシシランに結合され得る。これらの化学結合はSi−O−Siのシロキサン結合ほど強くないが、これらの結合強さは本発明の除去可能な防曇性コーティングの応用のためには十分であり得る。
所望ならば、本発明のエポキシ官能化されたナノ粒子の水分散性を改良するために、個々の粒子に更なる水分散性基を共有結合させ得る。水分散性基は、ナノ粒子表面に親水特性を提供することができる1価の基であり、これにより、水性環境のナノ粒子の過度な凝集及び/又は沈殿を低下、及び好ましくは防止する(しかしながら、ナノ粒子が水性環境にある場合、凝集体の平均サイズが好ましくは60nm以下である限り、少量の凝集は許容し得る)。1価とは、水分散性基が反応する末端基を有さないことを意味する。
ある実施形態では、本発明の組成物は1つ以上の界面活性剤を含む。本明細書で使用するとき、用語「界面活性剤」は、コーティング組成物の表面張力を低下し、コーティング組成物でコーティングされた基材又は物品に防曇特性を付与するコーティングを提供する分子を指す。本発明の有用な界面活性剤は、アニオン性、カチオン性、非イオン性、又は両性の界面活性剤を含む。例としては、次のものが挙げられる。
本発明のコーティング組成物を塗布し得る基材は、好ましくは可視光に透明又は半透明である。それらは、有機物質及び無機物質の両方を含む。代表的な基材は、ポリエステル(例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタル酸)、ポリカーボネート(PC)、アリルジグリコールカーボネート、ポリメチルメタクリレートなどのポリアクリレート、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリエテルスルホン、酢酸酪酸セルロース、ガラス、及び同類のものから作製され、それらのブレンド及びラミネートを含む。基材は通常、フィルム状、シート状、パネル状又は物質の枠状であり、目の保護具、フェイスマスク、フェイスシールド、外科手術用マスク、及びその他の(特に目用の)様々な人身保護具、並びに鏡、自動車の窓及びフロントガラスなどの物品の一部である。所望であれば、コーティングは、物品の一部のみを覆い得、例えば、フェイスシールドの目に直接近接する部分のみにコーティングし得る。基材は平面、曲線又は成形され得る。コーティングされる物品は、吹錬、鋳造、押出し成形、又は射出成形で製造し得る。
コーティングされた試料の表面を様々な状況で水蒸気にさらすことによって防曇性能が評価された。PCマスク(3Mフルフェイスピース6800、又は7800)、及びPETフェイスシールド(3MフードH−600シリーズ、又はH−400)、ミネソタ州、セントポールの3M社より入手可能)、又はPCフィルム(LEXAN 8010(0.381mm)、8010SHC(1.0mm)及びOQ92の商標名でメリーランド州、ピッツフィールド(Pittsfield)のGE先端材料特性フィルム&シート社(GE Advanced Materials Specialty Film and Sheet)より入手可能)などの試験片の表面が、所望の表面に2〜3滴のコーティング溶液を塗布し、薄く透明な均一の層が形成されるまで軽い圧力を用いて軽くこすること、又は不織布のパッドでコーティング溶液を塗布し、薄く透明な層が形成されるようにコーティングされた表面を拭くことによってコーティングされた。
ナルコ1050シリカナノ粒子(48g、50%)及び脱イオン水(150グラム(g))がガラスのジャーの中で15分間(分)一緒に攪拌された。この混合物のpHは、7320型イオン交換樹脂を使用して、エポキシ基の開環とヒドロキシル基の形成を促進するために、5〜6の範囲内になるように調節された。イオン交換樹脂は、濾過により除去され、分散溶液の固形分は水分を120℃で30分間蒸発させることによって測定された。GPS(4.63g)が、1〜1.5時間の期間中攪拌しながら滴下により加えられ、得られた混合物が室温で更に72時間連続的に攪拌された。通常は、反応時間が長いほど、エポキシ機能化及びヒドロキシル基形成の量が多い。次いで、全ての有機揮発物が反応混合物から除去され、防曇性コーティング試料の調製に使用された溶液が得られた。
ナルコ1050シリカナノ粒子(10g、50%)が脱イオン水(90g)で薄められた。溶液は15分間攪拌され、溶液のpHは濃硝酸で1〜2の範囲内に調節された。次いでGPS(0.18g)が攪拌しながら(4分間)滴下により加えられ、得られた混合物が室温で更に60時間連続的に攪拌された。次いで、全ての有機揮発物が反応混合物から除去され、防曇性コーティング試料の調製に使用された溶液が得られた。
試料3は、SMN試料2に記載されているものと同じ手順に従って調製されたが、ナルコ1050シリカナノ粒子(10g、50%)、脱イオン水(90g)及びGPS(0.72g)を使用して調製された。
ナルコ2326シリカナノ粒子(167g、15%)及び脱イオン水(333g)が15分間ガラスのジャーの中で一緒に攪拌された。この混合物のpHは、濃硝酸を用いて約1.4〜1.5になるように調節された。GPS(21.2g、150当量)が、1〜1.5時間の期間中攪拌されながら滴下により加えられ、得られた混合物は室温で更に30分連続的に攪拌され、次いで80℃のオーブンに16時間入れられた。次いで、全ての有機揮発物が反応混合物から除去され、防曇性コーティング試料の調製に使用された溶液が得られた。
ナルコ1034aシリカナノ粒子(71g、34%)及び脱イオン水(209g)が15分間ガラスのジャーの中で一緒に攪拌された。GPS(5.30g)が1〜1.5時間の期間中攪拌しながら滴下により加えられ、得られた混合物は室温で更に72時間連続的に攪拌された。分散物はすでに酸性であったため、pHを調製する必要はなかった。次いで、全ての有機揮発物が反応混合物から除去され、防曇性コーティング試料の調製に使用された溶液が得られた。
ナルコ1050シリカナノ粒子(2g、50%)及び脱イオン水(17.6g)が15分間ガラスのジャーの中で一緒に攪拌された。C3H6Na2O5Siの化学式を有するカルボキシシラン(0.12g、25%)が3分の期間中攪拌しながら滴下により加えられ、次いで90℃のオーブンに1時間保たれた。この混合物のpHは、濃硝酸を用いて約1.8に調節された。GPS(0.11g)が3分の期間中攪拌しながら滴下により加えられ、得られた混合物は室温で更に21時間連続的に攪拌された。溶液は防曇性コーティング試料の調製に使用された。
この試料はSMN試料6に記載されているものと同じ手順で調製されたが、ナルコ2326シリカナノ粒子(6.7g、15%)、脱イオン水(12.4g)、C3H6Na2O5Siの化学式を有するカルボキシシラン(0.48g、25%)及びGPS(0.42g)が使用された。
SMN試料4(4%)の一部に、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム又はラウリルジメチルアミンオキシド(表1に指定されているとおり)の界面活性剤が水中で追加され、使用前に十分に混ぜられた。
GPS(5g)が、1.5のpH(濃硝酸を用いて調節された)で水(95g)に1〜1.5時間の期間中攪拌しながら滴下により加えられることによって、加水分解された。得られた混合物は室温で更に30分、次いで60℃で6時間連続的に攪拌された。加水分解されたGPS(pH1.5の水中で5重量%)を含むこの混合物に、15分間十分に混ぜた後に、Q2−5211(全混合物の0.4%)及びBYK−333(全混合物の0.4%)が追加された。
ナルコ2326シリカナノ粒子(167g、15%)が脱イオン水(333g)で薄められた。溶液は15分間攪拌され、濃硝酸で溶液のpHが1〜2の範囲内に調節された。次いでGPS(3.55g、25当量)が攪拌されながら(4分間)滴下により加えられ、得られた混合物が室温で更に60時間連続的に攪拌された。次いで、全ての有機揮発物が反応混合物から除去され、防曇性コーティング試料の調製に使用された溶液が得られた。
表1に示されているように、溶液のpHを6〜8に調節するために、SMN試料の一部にNaOH(1N)が加えられた。特定の実施例では、表1に示されているように、界面活性剤又は界面活性剤の混合物が抗菌剤(10ppm、カトン(Kathon)CG、ペンシルベニア州、フィラデルフィア(Philadelphia)のローム・アンド・ハース社(Rohm and Hass Company))と共にそれぞれの混合物に追加され、得られた混合物を30分間攪拌することによって溶液を得、その溶液が次いで防曇性能試験方式に従って測定された。選択された試料のコーティング溶液の貯蔵寿命は、85℃で保管することによって測定された。実施例4のコーティング溶液のいくつかの成分は約4日で沈殿したが、実施例5のコーティング溶液は、類似の条件で保管されて8日経過した後も、顕著な沈殿物もなく、透明に保たれた。
これらの測定に使用された試料は、SMN試料が混合物に含まれなかったことを除いて、実施例1〜16に記載の手順を用いて調製された。
PQ社より入手可能の20重量%のZrO2ナノ粒子の水性分散5〜10nm(10g)が脱イオン水(30g)で薄められる。溶液は15分間攪拌され、溶液のpHは濃硝酸で1〜2の範囲内に調節される。次いで、GPS(0.35g)が、攪拌されながら滴下により(4分)加えられ、得られた混合物は室温で更に60時間連続的に攪拌される。次いで、全ての有機揮発物が反応混合物から除去され、防曇性コーティング試料の調製に使用される溶液が得られる。
PQ社より入手可能の20重量%のアルミニウム水酸化オキシドナノ粒子の水性分散(商品番号AL−20)AL−20DW(10g)が脱イオン水(30g)で薄められる。溶液は15分間攪拌され、溶液のpHは濃硝酸で1〜2の範囲内に調節される。次いで、GPS(0.40g)が、攪拌されながら滴下により(4分間)加えられ、得られた混合物は室温で更に60時間連続的に攪拌される。次いで、全ての有機揮発物が反応混合物から除去され、防曇性コーティング試料の調製に使用される溶液が得られる。
Claims (3)
- 基材に防曇特性を提供する方法であって、該方法が、コーティング組成物を基材に塗布して乾燥させる工程を含み、前記コーティング組成物が、
60nm以下の粒径を有し、共有結合により表面に結合されているエポキシ基を含む官能基を含むシリカナノ粒子と、
水と、を含み、
前記シリカナノ粒子が6以下のpHにおいて官能基により官能化されており、
前記コーティング組成物が、コーティングされて乾燥させた基材に防曇特性を提供し、前記コーティング組成物が、乾燥後は除去可能である、基材に防曇特性を提供する方法。 - 防曇性コーティングでコーティングされた表面を有する基材を含む人身保護物品であって、前記コーティングが、
60nm以下の粒径を有し、共有結合により表面に結合されているエポキシ基を含む官能基を含むシリカナノ粒子を含み、
前記コーティングが、基材に防曇特性を提供し、除去可能であって、
コーティング組成物を乾燥させることによって前記コーティングが形成され、
前記シリカナノ粒子が6以下のpHにおいて官能基により官能化されている、物品。 - 前記シリカナノ粒子が1〜3のpHにおいて官能基により官能化されている、請求項2に記載の物品。
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