JP5996056B2

JP5996056B2 - 含フッ素ナノシリカコンポジット粒子の分散液

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Publication number: JP5996056B2
Application number: JP2015150292A
Authority: JP
Inventors: 勝之佐藤; 英夫澤田
Original assignee: Unimatec Co Ltd; Hirosaki University NUC
Current assignee: Unimatec Co Ltd; Hirosaki University NUC
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2015-07-30
Publication date: 2016-09-21
Anticipated expiration: 2034-03-06
Also published as: JP2016013968A; JP5855152B2; JP2014196479A

Description

本発明は、含フッ素ナノシリカコンポジット粒子の分散液に関する。さらに詳しくは、含フッ素アルコールを用いた含フッ素ナノシリカコンポジット粒子の分散液に関する。

特許文献１には、多孔性および非多孔性基体の永久的な耐油および耐水表面処理のための、固体樹脂に対するフッ素含有量5〜75質量％を有する液状の、フッ素含有および単一成分の組成物であって、適切な安定化成分および親水性シラン成分と組み合わせて、保存安定性、疎水性、疎油性および耐塵性にすぐれた組成物が記載されている。

しかしながら、ここでは鉱物および非鉱物基体の表面処理剤の調製に際し、毒性の高いイソシアネート化合物を用いることでフッ素化合物にシリル基を導入しており、したがってその実施に際しては製造環境を整える必要がある。また、現在環境面から削減が求められているパーフルオロオクタン酸およびその前駆体であるC₈以上のパーフルオロアルキル基を有する含フッ素アルコールが用いられている。

特表２０１１−５１１１１３号公報特許第４６７４６０４号公報

本発明の目的は、すぐれた撥水撥油性能を有し、さらにパーフルオロアルキル基の炭素数が8未満のものにあっては、環境中に放出されてもパーフルオロオクタン酸等を生成させない含フッ素アルコールを用いた含フッ素ナノシリカコンポジット粒子の分散液を提供することにある。

本発明によって、一般式
R_F-A-OH 〔I〕
(ここで、R_Fはパーフルオロアルキル基であり、Aはアルキレン基である)で表される含フッ素アルコールおよびアルコキシシランとナノシリカ粒子との縮合体からなる含フッ素ナノシリカコンポジット粒子を、水、メタノール、エタノール、1,2-ジクロロエタンまたはテトラヒドロフランに分散させた分散液が提供される。

本発明で用いられる含フッ素アルコールは、末端パーフルオロアルキル基の炭素数が10以下のものであり、かかる含フッ素アルコールとアルコキシシランとの縮合反応時にオルガノナノシリカ粒子を共存させて得られる含フッ素ナノシリカコンポジット粒子は、水、メタノール、エタノール、1,2-ジクロロエタンまたはテトラヒドロフラン中に安定して分散可能であり、例えば800℃といった高温での耐熱性にすぐれ、具体的にはコンポジット粒子径の増加や重量減の値を低下させている。また、炭素数が8未満のパーフルオロアルキル基を有するものにあっては、環境中に放出されてもパーフルオロオクタン酸等を生成させないので、環境汚染につながらない。

含フッ素アルコール〔I〕としては、例えば一般式
C_nF_2n+1(CH₂)_dOH 〔II〕
n：1〜10、好ましくは1〜6
d：1〜6、好ましくは2
で表されるポリフルオロアルキルアルコール等が用いられる。

アルキレン基Aとしては、-CH₂-基、-CH₂CH₂-基等が挙げられ、かかるアルキレン基を有するポリフルオロアルキルアルコール(パーフルオロアルキルアルキルアルコール)としては、2,2,2-トリフルオロエタノール(CF₃CH₂0H)、3,3,3-トリフルオロプロパノール(CF₃CH₂CH₂OH)、2,2,3,3,3-ペンタフルオロプロパノール(CF₃CF₂CH₂0H)、3,3,4,4,4-ペンタフルオロブタノール(CF₃CF₂CH₂CH₂OH)、2,2,3,3,4,4,5,5,5-ノナフルオロペンタノール(CF₃CF₂CF₂CF₂CH₂0H)、3,3,4,4,5,5,6,6,6-ノナフルオロヘキサノール(CF₃CF₂CF₂CF₂CH₂CH₂OH)、3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-トリデカフルオロオクタノール(CF₃CF₂CF₂CF₂CF₂CF₂CH₂CH₂OH)等が例示される。

一般式〔II〕で表されるポリフルオロアルキルアルコールは、例えば特許文献２に記載されており、次のような一連の工程を経て合成される。
まず、一般式
C_nF_2n+1(CF₂CF₂)_b(CH₂CH₂)_cI
で表されるポリフルオロアルキルアイオダイド、例えば
CF₃(CH₂CH₂)I
CF₃(CH₂CH₂)₂I
C₂F₅(CH₂CH₂)I
C₂F₅(CH₂CH₂)₂I
C₃F₇(CH₂CH₂)I
C₃F₇(CH₂CH₂)₂I
C₄F₉(CH₂CH₂)I
C₄F₉(CH₂CH₂)₂I
C₂F₅(CF₂CF₂)(CH₂CH₂)I
C₂F₅(CF₂CF₂)(CH₂CH₂)₂I
C₂F₅(CF₂CF₂)₂(CH₂CH₂)I
C₂F₅(CF₂CF₂)₂(CH₂CH₂)₂I
C₂F₅(CF₂CF₂)₃(CH₂CH₂)I
C₄F₉(CF₂CF₂)(CH₂CH₂)I
C₄F₉(CF₂CF₂)₂(CH₂CH₂)I
C₄F₉(CF₂CF₂)(CH₂CH₂)₂I
C₄F₉(CF₂CF₂)₂(CH₂CH₂)₂I
C₄F₉(CF₂CF₂)₃(CH₂CH₂)I
をN-メチルホルムアミド HCONH(CH₃)と反応させ、ポリフルオロアルキルアルコールとそのギ酸エステルとの混合物とした後、酸触媒の存在下でそれに加水分解反応させ、ポリフルオロアルキルアルコール
C_nF_2n+1(CF₂CF₂)_b(CH₂CH₂)_cOH
を形成させる。

これらの含フッ素アルコールとアルコキシシランとは、アルカリ性または酸性の触媒の存在下で反応させることにより、含フッ素ナノコンポジット粒子を形成させる。

前記アルコキシシランは一般式
(R₁O)_pSi(OR₂)_q(R₃)_r 〔III〕
R₁、R₃：H、C₁〜C₆のアルキル基またはアリール基
R₂：C₁〜C₆のアルキル基またはアリール基
ただし、R₁、R₂、R₃が共にアリール基であることはない
p+q+r：4 ただし、qは0ではない
で表され、例えばトリメトキシシラン、トリエトキシシラン、トリメトキシメチルシラン、トリエトキシメチルシラン、トリメトキシフェニルシラン、トリエトキシフェニルシラン、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン等が用いられる。

これら各成分間の反応は、アルカリ性または酸性触媒、例えばアンモニア水あるいは水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウム等のアルカリ金属またはアルカリ土類金属の水酸化物の水溶液、または塩酸、硫酸等の存在下で、約0〜100℃、好ましくは約10〜30℃の温度で約0.5〜48時間、好ましくは約1〜10時間程度反応させることにより行われる。

得られた含フッ素ナノコンポジット粒子中の含フッ素アルコール量は、約1〜50モル％、好ましくは約5〜30モル％であり、コンポジット粒子径(動的光散乱法により測定)は約30〜200nmである。

このような含フッ素ナノコンポジットの製造の際、反応系にオルガノナノシリカ粒子を共存させて縮合反応を行うと、含フッ素アルコール-アルコキシシラン-ナノシリカ粒子の3成分からなる縮合体としての含フッ素ナノシリカコンポジット粒子を製造することができる。

ナノシリカ粒子としては、平均粒径(動的光散乱法により測定)が5〜200nm、好ましくは10〜100nmであって、その一次粒子径が40nm以下、好ましくは5〜30nm、さらに好ましくは10〜20nmのオルガノシリカゾルが用いられる。実際には、市販品である日産化学工業製品メタノールシリカゾル、スノーテックスIPA-ST(イソプロピルアルコール分散液)、スノーテックスEG-ST(エチレングリコール分散液)、スノーテックスMEK-ST(メチルエチルケトン分散液)、スノーテックスMIBK-ST(メチルイソブチルケトン分散液)等が用いられる。

これらの各成分は、ナノシリカ粒子100重量部に対し、含フッ素アルコールが約1〜99重量部、好ましくは約10〜50重量部の割合で、またアルコキシシランが約1〜99重量部、好ましくは約10〜50重量部の割合で用いられる。含フッ素アルコールの使用割合がこれよりも少ないと撥水撥油性が低くなり、一方これよりも多い割合で使用されると溶媒への分散性が悪くなる。また、アルコキシシランの使用割合がこれよりも少ないと溶媒への分散性が悪くなり、一方これよりも多い割合で使用されると撥水撥油性が低くなる。

反応生成物である含フッ素ナノシリカコンポジット粒子は、ナノシリカ粒子表面の水酸基に、シロキサン結合をスペーサーとして含フッ素アルコールが結合しているものと考えられ、したがってシリカの化学的、熱的安定性とフッ素のすぐれた撥水撥油性、防汚性などが有効に発揮されており、実際にガラス表面を含フッ素ナノシリカコンポジット粒子で処理したものは良好な撥水撥油性を示し、また800℃での重量減を少なくするなどの効果がみられる。また、ナノシリカコンポジット粒子の粒径およびそのバラツキも小さい値を示している。なお、ナノシリカコンポジット粒子は、含フッ素アルコールおよびアルコキシシランとナノシリカ粒子との反応生成物として形成されるが、この発明の目的を阻害しない限り他の成分の混在も許容される。

次に、実施例について本発明を説明する。

実施例１
CF₃(CF₂)₃(CH₂)₂OH〔FA-4〕0.25gを30mlのメタノール中に加えて溶解させ、その溶液中にシリカゾル(日産化学製品メタノールシリカゾル；30重量％ナノシリカ含有、平均粒子径11nm)1.67g(ナノシリカとして0.50g)およびテトラエトキシシラン(東京化成製品；密度0.93g/ml)0.25mlを加え、マグネチックスターラで攪拌しながら、25重量％アンモニア水0.25mlを加え、5時間反応を行った。

反応終了後、エバポレータを用いて減圧下でメタノールおよびアンモニア水を除去し、得られた粉末を約20mlのメタノール中で一夜再分散させた。翌日遠沈管を用いて遠心分離し、上澄みを捨て、新たなメタノールを加え、リンス作業を行った。このリンス作業を3回行った後、遠沈管の口をアルミニウムホイルで覆い、70℃のオーブン中に一夜入れた。その翌日50℃の真空乾燥機に一夜入れて乾燥し、0.582g(収率71％)の白色粉末を得た。

得られた白色粉末の含フッ素ナノシリカコンポジット粒子の粒子径およびそのバラツキを、25℃で固形分濃度1g/Lメタノール分散液について、動的光散乱(DLS)測定法によって測定した。また、熱重量分析(TGA)を、800℃の焼成前後について行った。その際、昇温速度は10℃/分とした。さらに、初期重量に対する焼成による減少重量の百分率も算出した。

さらに、固形分濃度1重量％で分散させた含フッ素ナノシリカコンポジット粒子の水〔H₂O〕、メタノール〔MeOH〕、エタノール〔EtOH〕、1,2-ジクロロエタン〔DCE〕およびテトラヒドロフラン〔THF〕に対する分散性を目視で観察し、次の評価基準にしたがって評価した。
○：均一に分散して、分散液は透明
△：やや分散して、分散液は白濁
×：分散せず、分散媒中に沈殿

実施例２〜５
実施例１において、25重量％アンモニア水が種々に変更された。

実施例６〜１０
実施例１〜５において、含フッ素アルコールとして CF₃(CF₂)₅(CH₂)₂OH〔FA-6；C₂F₅(CF₂CF₂)₂(CH₂CH₂)OH〕が同量(0.25g)用いられた。

実施例１１〜１５
実施例１〜５において、含フッ素アルコールとして CF₃(CF₂)₇(CH₂)₂OH〔FA-8；C₂F₅(CF₂CF₂)₃(CH₂CH₂)OH〕が同量(0.25g)用いられた。

以上の各実施例におけるアンモニア水量、回収量、収率および各種測定結果は、次の表１に示される。また、その分散性評価は、表２に示される。
なお、収率は、テトラアルコキシシランが自己縮合反応し、3次元のシロキサン結合Si-Oを形成させ、その内の -O-Si-O-〔SiO₂〕骨格を生成するものとして、下記計算式より求めた。なお、シリカが用いられない場合には、C=0として計算される。
収率(％)＝A/〔B+C+(D×E×F/G)〕×100
A：生成コンポジット重量(g)
B：含フッ素アルコール重量(g)
C：シリカ重量(g)
D：テトラアルコキシシラン容量(ml)
E：テトラアルコキシシラン密度(g/ml)
F：テトラアルコキシシラン由来のSiO₂モル重量(g/モル)
G：テトラアルコキシシランモル重量(g/モル)

表１
含フッ素ナノシリカ
aq、NH₃ 回収量収率コンポジット粒子径(nm) 重量減
実施例 (ml) (g) (％) 焼成前 800℃焼成後 (％)
１ 0.25 0.582 71 36.8± 9.9 39.0± 3.1 7
２ 0.50 0.559 68 30.1± 7.3 39.5± 9.9 7
３ 1.0 0.352 43 69.1±13.9 45.3±10.9 7
４ 2.0 0.419 51 41.5±10.2 42.6± 9.2 7
５ 4.0 0.571 70 34.0± 7.6 139.8±25.5 7
６ 0.25 0.500 61 35.3± 8.3 53.3±11.4 8
７ 0.50 0.580 71 40.5±11.3 40.5±12.0 6
８ 1.0 0.590 72 40.5±13.0 62.3±18.5 6
９ 2.0 0.488 60 105.3±19.0 97.5±30.2 7
10 4.0 0.426 52 45.4±13.2 60.9±17.1 6
11 0.25 0.521 64 41.7±13.7 81.7±21.6 7
12 0.50 0.481 59 28.2± 6.0 32.2± 9.8 6
13 1.0 0.475 58 56.6±11.5 53.7±10.2 6
14 2.0 0.516 63 53.6±11.4 55.1±14.5 6
15 4.0 0.565 69 39.7± 9.2 35.4±12.8 7

表２
実施例 H ₂ O MeOH EtOH DCE THF
１ △ ○ ○ ○ ○
２ ○ ○ ○ ○ ○
３ ○ ○ ○ ○ ○
４ ○ ○ ○ ○ ○
５ ○ ○ ○ ○ ○
６ ○ ○ ○ ○ ○
７ ○ ○ ○ ○ ○
８ △ ○ ○ ○ ○
９ ○ ○ ○ ○ ○
10 ○ ○ ○ ○ ○
11 ○ ○ ○ ○ ○
12 ○ ○ ○ ○ ○
13 ○ ○ ○ ○ ○
14 ○ ○ ○ ○ ○
15 ○ ○ ○ ○ ○

参考例１〜３
実施例１３〜１５において、メタノールシリカゾルが用いられなかった。

以上の参考例１〜３におけるアンモニア水量、回収量、収率および各種測定結果は、次の表３に示される。また、その分散性評価は、表４に示される。
表３
含フッ素ナノ
aq、NH₃ 回収量収率コンポジット粒子径(nm) 重量減
参考例 (ml) (g) (％) 焼成前 800℃焼成後 (％)
１ 1.0 0.065 20 54.5±12.0 16.6± 3.8 18
２ 2.0 0.059 19 21.1± 6.0 26.4± 6.0 17
３ 4.0 0.065 20 37.3± 8.1 49.6±11.2 17

表４
参考例 H ₂ O MeOH EtOH DCE THF
１ ○ ○ ○ ○ ○
２ ○ ○ ○ ○ ○
３ △ ○ ○ ○ ○

実施例２１〜３５、参考例１１〜１３
前記実施例１〜１５および参考例１〜３で得られた焼成前の含フッ素ナノシリカコンポジット粒子(実施例２１〜３５)および焼成前の含フッ素ナノコンポジット粒子(参考例１１〜１３)のメタノール分散液(粒子濃度5g/L)を、ガラスプレパラートにディッピングし、室温下で乾燥させ、得られた薄層表面に室温条件下で4μlの液滴を静かに接触させ、n-ドデカンまたは水に付着した液滴の接触角(単位：°)を、θ／2法により接触角計(協和界面化学製DropMaster 300)で測定した。なお、水については経時的な測定が行われた。得られた結果は、次の表５に示される。
表５
水 (経過時間：分)
例コンポジットドデカン０５ 10 15 20 25 30
実施例21 実施例１ 35 21 10 0 0 0 0 0
〃 22 〃２ 7 22 17 15 13 11 10 7
〃 23 〃３ 4 7 0 0 0 0 0 0
〃 24 〃４ 0 7 0 0 0 0 0 0
〃 25 〃５ 0 0 0 0 0 0 0 0
〃 26 〃６ 49 28 0 0 0 0 0 0
〃 27 〃７ 46 48 27 26 24 20 20 17
〃 28 〃８ 16 19 19 16 14 13 10 8
〃 29 〃９ 14 11 0 0 0 0 0 0
〃 30 〃 10 19 16 7 0 0 0 0 0
〃 31 〃 11 114 37 34 33 31 30 30 28
〃 32 〃 12 108 61 58 52 49 46 45 41
〃 33 〃 13 123 59 17 0 0 0 0 0
〃 34 〃 14 125 23 13 10 8 0 0 0
〃 35 〃 15 127 91 18 4 0 0 0 0

参考例11 参考例１ 50 52 48 45 38 34 29 25
〃 12 〃２ 45 62 54 47 44 37 33 25
〃 13 〃３ 43 35 29 26 22 18 14 9

Claims

一般式
R_F-A-OH 〔I〕
(ここで、R_Fはパーフルオロアルキル基であり、Aはアルキレン基である)で表される含フッ素アルコールおよびアルコキシシランとナノシリカ粒子との縮合体からなる含フッ素ナノシリカコンポジット粒子を、水、メタノール、エタノール、1,2-ジクロロエタンまたはテトラヒドロフランに分散させた分散液。
一般式〔I〕で表される含フッ素アルコールとして、一般式
C_nF_2n+1(CH₂)_dOH 〔II〕
(ここで、nは1〜10、dは1〜6の整数である)で表されるポリフルオロアルキルアルコールが用いられた請求項１記載の含フッ素ナノシリカコンポジット粒子の分散液。