JP6100597B2 - ブロック共重合体、およびそれを用いたミクロ相分離構造膜、ならびにそれらの製造方法 - Google Patents

ブロック共重合体、およびそれを用いたミクロ相分離構造膜、ならびにそれらの製造方法 Download PDF

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Description

本発明はブロック共重合体、およびそれを用いたミクロ相分離構造膜、ならびにそれらの製造方法に関する。より詳しくは、新規な構造のブロック共重合体およびその製造方法と、光・電子機能材料(例えば輝度向上膜)、エネルギー関連材料、表面修飾材料、パターンドメディアのような高密度記録材料、種々のナノフィルター(透過膜、限外ろ過膜、ナノリアクター)、異方性イオン伝導膜、異方性導電膜、等として有用な配向の制御された前記ブロック共重合体を用いて製造されたミクロ相分離構造膜およびその製造方法に関する。
ミクロ相分離構造を作製する方法としてリビング重合により製造したブロック共重合体を用い、得られた相分離構造の固定化をする方法が知られている。
従来、ミクロ相分離構造を作製するには高温・長時間(200℃、5時間程度)必要としていた。これに対し、ブロック共重合体が相分離で形成するナノスケールのヘキサゴナルシリンダー構造の配向を、「両親媒性」と「液晶」を導入することで制御した例が知られている(非特許文献1、特許文献1、2)。具体的には、特許文献1では、親水性ポリマー成分(A)と疎水性ポリマー成分(B)が共有結合によって連結されたブロック共重合体で、A及びBの分子量分布が≦1.3であるブロック共重合体が記載されている。特許文献2では、親水性ポリマー成分と、架橋可能な構造を有する疎水性ポリマー成分とが共有結合してなるブロック共重合体からなる自立性高分子薄膜であって、上記自立性高分子薄膜がその膜中に一定方向に配向した上記親水性ポリマー成分からなるシリンダーを有しており、上記疎水性ポリマー成分が架橋している自立性高分子薄膜が記載されている。これらの文献に記載の方法はミクロ相分離構造を、数分程度で作製することができるようになった点で画期的であった。必要な化合物の合成は、例えば特許文献1では、親水的なマクロ開始剤を合成した後に、液晶性モノマーとの原子移動ラジカル重合(Atom Transfer Radical Polymerization、以下、ATRPと略する)により親水部−疎水部が連結されたブロック共重合体を得ている。また、特許文献2では、疎水部のみをATRPによりリビング重合部分を得たのちに、末端を修飾し、最後に高分子反応により親水部を作製している。
一方、非特許文献2には可逆的付加開裂連鎖移動(Reversible Addition−Fragmentation Chain Transfer、以下、RAFTと称する)重合によるリビングラジカル重合により、ブロック共重合体を合成する方法や材料が記載されている。RAFT重合では、適切な連鎖移動剤(RAFT剤とも言う)の存在下で、置換モノマーの一般的なフリーラジカル重合にRAFT平衡に関する反応が加わり、可逆的な連鎖移動反応によって重合反応を制御している。特許文献3〜5には、RAFT重合に使用可能な材料が記載されているものの、特許文献3および4の実施例では、ATRPによりブロック共重合体を合成した例のみが記載されていた。
特開2004−124088号公報 特開2010−275349号公報 特開2010−116463号公報 特開2010−116466号公報 特開2004−123597号公報
液晶、2009年、第13巻(第4号)、250頁、山田武、吉田博久、彌田智一 Acc.Chem.Res.、2008, 41, 1133−1142.
これらの文献に記載の方法では、予めリビング重合を反応容器中で実施した後にブロック共重合体を得ることが必須である。
ここで、一般に反応容器中でのリビング重合は反応時間が長時間必要であり、さらに半導体用途などのコンタミネーションを厳密に抑制せねばならない分野には触媒除去やモノマー除去工程が必要のため高価であり、実使用上の制約となっていた。例えば、特許文献1および2に記載のブロック共重合体は、リビング重合の際に金属触媒を用いるATRPで合成されていたために金属が残留してしまうものであった。特許文献3および4に記載のブロック共重合体は合成方法が極めて煩雑な上、実施例ではリビング重合の際に金属を用いるATRPで合成されていたために金属触媒が残留してしまうものであった。さらに、本発明者が特許文献3および4に記載のブロック共重合体を用いてこれらの文献に記載の方法でミクロ相分離構造を形成したところ、特許文献3に記載の構造のブロック共重合体は親水性ポリマーセグメントと疎水性ポリマーセグメントとが、酸、塩基または還元剤により切断可能な共有結合により結合しているために保存安定性に不満が残るものであり、このような特許文献3から保存安定性を改善できるブロック共重合体の構造を予測することはできなかった。特許文献4に記載の構造のブロック共重合体は相分離構造を形成する時間が遅くエネルギー効率に不満が残るものであった。特許文献5に記載のオキセタニル基を有する(メタ)アクリル化合物から誘導されるオキセタニル基を有する側鎖型液晶性高分子物質は、単独重合体のみであってブロック共重合体は開示されておらず、また、特許文献5に記載のオキセタニル基を有する(メタ)アクリル化合物をブロック共重合体の共重合成分として用いることも開示も示唆もされていなかった。そのため、特許文献5に記載のオキセタニル基を有する(メタ)アクリル化合物を用いたブロック共重合体の性能を特許文献5から予測することはできなかった。
本発明の解決しようとする課題は、金属含有量が少なく、保存安定性に優れ、支持体上でリビング重合して形成することができ、良好なミクロ相分離構造膜を経済合理的に製造できるブロック共重合体を提供することである。
上記の課題を解決するために鋭意検討を行った結果、本発明者らは、疎水性ポリマー成分としてメソゲン側鎖を有する成分を用いた上で、分子末端に特定の構造の基を設けるか、あるいは親水性ポリマー成分および疎水性ポリマー成分の連結基を特定の構造の連結基とすることにより、金属含有量が少なく、保存安定性に優れ、良好なミクロ相分離構造を形成することができるブロック共重合体を提供できることを見出した。
上記の課題を解決するための手段である本発明は以下のとおりである。
[1] アルキレンオキサイド鎖を含むポリマー成分(A)および炭素数2〜20のアルキレン鎖を含むポリマー成分(B)の互いに非相溶性のポリマーが共有結合によって結合したブロック共重合体であって、
前記ポリマー成分(B)が炭素数6〜50のメソゲン側鎖を有しており、
前記ブロック共重合体の少なくとも一方の末端が下記一般式(1)で表される基を有することを特徴とするブロック共重合体。
(一般式(1)中、*はブロック共重合体の主鎖への結合位置を表し、Z1は置換もしくは無置換のアリール基、置換もしくは無置換のアルキル基、置換もしくは無置換のチオアリール基、置換もしくは無置換のチオアルキル基、置換もしくは無置換のアミノ基、置換もしくは無置換のオキシアリール基、または置換もしくは無置換のオキシアルキル基を表す。)
[2] [1]に記載のブロック共重合体は、前記一般式(1)で表される基が、下記一般式(2)〜(5)のいずれかで表される基であることが好ましい。
(一般式(2)中、*はブロック共重合体の主鎖への結合位置を表し、Z2は置換もしくは無置換のアリール基、置換もしくは無置換のアルキル基を表す。)
(一般式(3)中、*はブロック共重合体の主鎖への結合位置を表し、Z3は置換もしくは無置換のアリール基、置換もしくは無置換のアルキル基を表す。)
(一般式(4)中、*はブロック共重合体の主鎖への結合位置を表し、Z4は置換もしくは無置換のアリール基、置換もしくは無置換のアルキル基を表し、Z5は置換もしくは無置換のアリール基、置換もしくは無置換のアルキル基を表す。)
(一般式(5)中、*はブロック共重合体の主鎖への結合位置を表し、Z6は置換もしくは無置換のアリール基、置換もしくは無置換のアルキル基を表す。)
[3] [1]または[2]に記載のブロック共重合体は、前記一般式(1)で表される基が、下記一般式(3)で表される基であることが好ましい。
(一般式(3)中、*はブロック共重合体の主鎖への結合位置を表し、Z3は置換もしくは無置換のアリール基、置換もしくは無置換のアルキル基を表す。)
[4] [2]または[3]に記載のブロック共重合体は、前記一般式(3)中のZ3が、炭素数4〜20のアルキル基であることが好ましい。
[5] [1]〜[4]のいずれか一項に記載のブロック共重合体は、前記一般式(1)中の*が、前記ポリマー成分(B)由来の構造の主鎖に結合することが好ましい。
[6] [1]〜[5]のいずれか一項に記載のブロック共重合体は、前記ポリマー成分(A)および前記ポリマー成分(B)の連結部に、下記一般式(11)および(12)で表される2価の連結基のうち少なくとも一方を含むことが好ましい。
(一般式(11)中、R11は、水素原子、置換または無置換のアルキル基(ただしメチル基を除く)、またはシアノ基を表す。)
[7] [1]〜[6]のいずれか一項に記載のブロック共重合体は、下記一般式(I−1)または(I−2)で表されることが好ましい。
(一般式(I−1)および(I−2)中、nおよびmはそれぞれ独立に1〜500の整数を表し、L11およびL12はそれぞれ独立に単結合、アルキレン基、アリーレン基、アルケニレン基、アルキニンレン基、メタロセニレン基、−CO−N(R101)−、−CO−O−、−SO2−N(R102)−、−SO2−O−、−N(R103)−CO−N(R104)−、−SO2−、−SO−、−S−、−O−、−CO−、−N(R105)−、ヘテリレン基を1つまたはそれ以上組み合わせて構成される炭素数0〜100以下の連結基を表し(R101、R102、R103、R104、R105は、各々独立に、水素原子、置換または無置換のアルキル基、置換または無置換のアリール基を表す。ただし、L12は少なくとも炭素数2〜20のアルキレン基を含む。)、R1は水素原子またはメチル基を表し、R2はオキセタニル基、エポキシ基、アクリレート基、メタクリレート基、置換基を有していてもよいアルキル基または置換基を有していてもよいアルコキシ基を表し、Mは炭素数6〜50のメソゲン基を表し、Z3は置換もしくは無置換のアリール基、置換もしくは無置換のアルキル基を表す。但し、m個の繰り返し単位は互いに同一であっても異なっていてもよい。)
[8] アルキレンオキサイド鎖を含むポリマー成分(A)および炭素数2〜20のアルキレン鎖を含むポリマー成分(B)の互いに非相溶性のポリマーが共有結合によって結合したブロック共重合体であって、前記ポリマー成分(B)が炭素数6〜50のメソゲン側鎖を有しており、前記ブロック共重合体の少なくとも一方の末端が水素原子であり、前記ポリマー成分(A)および前記ポリマー成分(B)の連結部に、下記一般式(11)で表される2価の連結基を含むことを特徴とするブロック共重合体。
(一般式(11)中、R11は、水素原子、置換または無置換のアルキル基(ただしメチル基を除く)、またはシアノ基を表す。)
[9] [8]に記載のブロック共重合体は、下記一般式(II−1)で表されることが好ましい。
(一般式(II−1)中、nおよびmはそれぞれ独立に1〜500の整数を表し、L11およびL12はそれぞれ独立に単結合、アルキレン基、アリーレン基、アルケニレン基、アルキニンレン基、メタロセニレン基、−CO−N(R101)−、−CO−O−、−SO2−N(R102)−、−SO2−O−、−N(R103)−CO−N(R104)−、−SO2−、−SO−、−S−、−O−、−CO−、−N(R105)−、ヘテリレン基を1つまたはそれ以上組み合わせて構成される炭素数0〜100以下の連結基を表し(R101、R102、R103、R104、R105は、各々独立に、水素原子、置換または無置換のアルキル基、置換または無置換のアリール基を表す。ただし、L12は少なくとも炭素数2〜20のアルキレン基を含む。)、R1は水素原子またはメチル基を表し、R2はオキセタニル基、エポキシ基、アクリレート基、メタクリレート基、置換基を有していてもよいアルキル基または置換基を有していてもよいアルコキシ基を表し、Mは炭素数6〜50のメソゲン基を表す。但し、m個の繰り返し単位は互いに同一であっても異なっていてもよい。)
[10] [1]〜[9]のいずれか一項に記載のブロック共重合体は、前記メソゲン側鎖が、前記メソゲン側鎖1本の中に少なくとも1個の、下記から選択される重合性基を有することが好ましい。
[11] [1]〜[10]のいずれか一項に記載のブロック共重合体は、前記疎水性ポリマー成分(B)が炭素数6〜50のメソゲン側鎖を有するポリ((メタ)アクリレート)であることが好ましい。
[12] [1]〜[11]のいずれか一項に記載のブロック共重合体は、前記ポリマー成分(A)が、ポリアルキレンオキシ構造を含むことが好ましい。
[13] [1]〜[12]のいずれか一項に記載のブロック共重合体は、前記ブロック共重合体の数平均分子量Mnが1000〜100000であることが好ましい。
[14] [1]〜[13]のいずれか一項に記載のブロック共重合体は、ミクロ相分離構造膜の形成用であることが好ましい。
[15] [1]〜[14]のいずれか一項に記載のブロック共重合体は、支持体上でリビング重合されてなることが好ましい。
[16] [1]〜[7]のいずれか一項に記載のブロック共重合体の末端の前記一般式(1)で表される基を水素原子に変換する工程を含むことを特徴とするブロック共重合体の製造方法。
[17] [16]に記載のブロック共重合体の製造方法は、[8]または[9]に記載のブロック共重合体を製造することが好ましい。
[18] [1]〜[15]のいずれか一項に記載のブロック共重合体を支持体上で熱、光、溶媒蒸気または電場により相分離を促進させ、ミクロ相分離構造を形成する工程を含むことを特徴とするミクロ相分離構造膜の製造方法。
[19] [1]〜[15]のいずれか1項に記載のブロック共重合体を溶解可能な溶媒に溶解されたブロック共重合体溶液を調製する工程と、
前記ブロック共重合体溶液を支持体表面に塗布する工程と、
前記溶媒を蒸発させて前記ブロック共重合体のミクロ相分離構造膜を形成する工程を有することを特徴とするミクロ相分離構造膜の製造方法。
[20] [1]〜[15]のいずれか1項に記載のブロック共重合体またはその架橋重合体を含有すること、あるいは、[18]または[19]に記載のミクロ相分離構造膜の製造方法で製造されたことを特徴とするミクロ相分離構造膜。
本発明によれば、金属含有量が少なく、保存安定性に優れ、支持体上でリビング重合して形成することができ、良好なミクロ相分離構造膜を経済合理的に製造できるブロック共重合体を提供することができる。
図1は、ブロック共重合体C−1を用いた実施例101で製造したミクロ相分離構造膜のAFM写真である。 図2は、ブロック共重合体C−6を用いた実施例108で製造したミクロ相分離構造膜のAFM写真である。 図3は、ブロック共重合体C−11を用いた実施例113で製造したミクロ相分離構造膜のAFM写真である。 図4は、ブロック共重合体C−13を用いた実施例115で製造したミクロ相分離構造膜のAFM写真である。 図5は、比較例102で製造したミクロ相分離構造膜のAFM写真である。 図6は、支持体上でのブロック共重合体の製造方法の一例によって、ミクロ相分離構造膜を形成するための装置の一例の概略図である。
以下において、本発明について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、代表的な実施形態や具体例に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施形態に限定されるものではない。なお、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は「〜」前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
また、(メタ)アクリレートは、アクリレートとメタクリレートの両方を含む意味で使われる。
[ブロック共重合体]
本発明のブロック共重合体の第一の態様は、アルキレンオキサイド鎖を含むポリマー成分(A)および炭素数2〜20のアルキレン鎖を含む疎水性ポリマー成分(B)の互いに非相溶性のポリマーが共有結合によって結合したブロック共重合体であって、前記ポリマー成分(B)が炭素数6〜50のメソゲン側鎖を有しており、前記ブロック共重合体の少なくとも一方の末端が下記一般式(1)で表される基を有することを特徴とする。
(一般式(1)中、*はブロック共重合体の主鎖への結合位置を表し、Z1は置換もしくは無置換のアリール基、置換もしくは無置換のアルキル基、置換もしくは無置換のチオアリール基、置換もしくは無置換のチオアルキル基、置換もしくは無置換のアミノ基、置換もしくは無置換のオキシアリール基、または置換もしくは無置換のオキシアルキル基を表す。)
本発明のブロック共重合体の第二の態様は、アルキレンオキサイド鎖を含むポリマー成分(A)および炭素数2〜20のアルキレン鎖を含むポリマー成分(B)の互いに非相溶性のポリマーが共有結合によって結合したブロック共重合体であって、前記ポリマー成分(B)が炭素数6〜50のメソゲン側鎖を有しており、前記ブロック共重合体の少なくとも一方の末端が水素原子であり、前記ポリマー成分(A)および前記ポリマー成分(B)の連結部に、下記一般式(11)で表される2価の連結基を含むことを特徴とする。
(一般式(11)中、R11は、水素原子、置換または無置換のアルキル基(ただしメチル基を除く)、またはシアノ基を表す。)
これらのような構成としたブロック共重合体は、金属含有量が少なく、保存安定性に優れ、支持体上でリビング重合して形成することができ、良好なミクロ相分離構造膜を経済合理的に製造できる。本発明のブロック共重合体は、金属含有量(例えば銅イオン)がブロック共重合体に対して5ppm以下であることが好ましい。
これらのようなブロック共重合体は、両親媒性・液晶ブロックコポリマーと呼ばれることもある。
本発明の第一の態様のブロック共重合体、および第二の態様のブロック共重合体は様々な用途で使用してもよいが、着色が少ないため、光関連用途では第二の態様のブロック共重合体を使用することが好ましい。なお、ポリマー成分(A)は親水性ポリマーであり、ポリマー成分(B)は疎水性ポリマーである。
以下、本発明のブロック共重合体の第一の態様と、第二の態様について、順に説明する。
<第一の態様>
(一般式(1)で表される基)
本発明のブロック共重合体は、前記ブロック共重合体の末端が下記一般式(1)で表される基を有する。
前記一般式(1)中、*はブロック共重合体の主鎖への結合位置を表す。*はブロック共重合体の主鎖のうち、前記ポリマー成分(A)由来の構造の主鎖(の末端)に結合していても前記ポリマー成分(B)由来の構造の主鎖(の末端)に結合していてもよい。本発明では、*が、前記ポリマー成分(B)由来の構造の主鎖(の末端)に結合することが好ましい。
前記一般式(1)中、Z1は、置換もしくは無置換のアリール基、置換もしくは無置換のアルキル基、置換もしくは無置換のチオアリール基、置換もしくは無置換のチオアルキル基、置換もしくは無置換のアミノ基、置換もしくは無置換のオキシアリール基、または置換もしくは無置換のオキシアルキル基を表す。これら基としては特に制限はないが、RAFT重合時に用いられるRAFT剤として由来の構造であることが好ましい。ここで、RAFT重合はリビングラジカル重合の一種で、所定の分子量を持つ、ブロック、グラフト、くし型、星型といった複合構造を有する高分子を合成することが可能である。RAFT重合は、水溶液を含む幅広い反応条件にて、多様なモノマーに対して適用することができる。
RAFT重合では、適切な連鎖移動剤(RAFT剤、CTA:charge transfer agent)の存在下で、置換モノマーの一般的なフリーラジカル重合にRAFT平衡に関する反応が加わる。通常、RAFT剤に用いられるのはジチオエステルやジチオカルバメート、トリチオカルボナート、キサンタートなどのチオカルボニルチオ化合物であり、可逆的な連鎖移動反応によって重合反応を介する。適切なRAFT剤を用いることで、狭い分子量分布(PDI)で高い鎖末端官能基率のポリマーを合成することができる。
本発明で用いられるRAFT重合は、チオカルボニルチオ基を利用した交換連鎖反応を伴う、ラジカル開始重合反応である。RAFT剤は制御できない成長反応を最小限にし、不要な停止反応を防ぎ、分子量や分散度などのポリマー特性を効果的に制御することができる。
RAFT剤は広く市販されており、RAFT重合では細胞毒性をもつ重金属化合物を使用しないため、得られる本発明のブロック共重合体は金属含有量が少ない。
RAFT剤は、大半の官能基や溶媒(水を含む)と適合性をもつ。また、RAFT重合は酸素に対して比較的耐性をもつ。RAFT重合には特別な器具や真空環境は必要がない。そのため、本発明によれば、支持体上でリビング重合して形成することができ、良好なミクロ相分離構造膜を経済合理的に製造できるブロック共重合体を提供することができる。
本発明のブロック共重合体は、チオカルボニルチオ基(−S=C−S−)を有するRAFT剤を用いて製造されてなることが好ましい。前記一般式(1)における置換基Z1は、重合反応速度論や特に構造制御に大きな影響を与える。なお、重合開始反応は、典型的な熱的、光化学的、酸化還元的な方法で行われ、用いるモノマーや反応条件に適したRAFT剤を選択できる。
RAFT重合では、RAFT剤として前記一般式(1)で表される基を有する限り、低分子のRAFT剤を用いても高分子のRAFT剤を用いてもよいが、高分子のRAFT剤を用いることが好ましく、その中でもいわゆるマクロRAFT剤を用いることがより好ましい。ここで、本明細書中におけるマクロRAFT剤とは、ラジカル重合の開始能を有する重合体であり、分子鎖中にラジカル重合の開始点となりうる部位を有する重合体を表す。マクロRAFT剤としては、RAFT重合用のマクロRAFT剤であることが好ましい。
また、マクロRAFT剤は親水性マクロRAFT剤(ポリマー成分(A))であっても、疎水性マクロRAFT剤(ポリマー成分(B))であってもよいが、親水性マクロRAFT剤(ポリマー成分(A))であることが好ましい。
本発明では、前記一般式(1)で表される基中における置換基Z1は後述のZ2、−S−Z3、−N−Z45、−O−Z6であることが好ましい。すなわち、本発明のブロック共重合体は、前記一般式(1)で表される基が、下記一般式(2)〜(5)のいずれかで表される基であることが好ましい。
(一般式(2)中、*はブロック共重合体の主鎖への結合位置を表し、Z2は置換もしくは無置換のアリール基、置換もしくは無置換のアルキル基を表す。)
(一般式(3)中、*はブロック共重合体の主鎖への結合位置を表し、Z3は置換もしくは無置換のアリール基、置換もしくは無置換のアルキル基を表す。)
(一般式(4)中、*はブロック共重合体の主鎖への結合位置を表し、Z4は置換もしくは無置換のアリール基、置換もしくは無置換のアルキル基を表し、Z5は置換もしくは無置換のアリール基、置換もしくは無置換のアルキル基を表す。)
(一般式(5)中、*はブロック共重合体の主鎖への結合位置を表し、Z6は置換もしくは無置換のアリール基、置換もしくは無置換のアルキル基を表す。)
前記一般式(2)〜(5)中、*はブロック共重合体の主鎖への結合位置を表し、好ましい範囲は前記一般式(1)における*と同様である。
前記一般式(2)で表される基は非常に高い移動定数を有する。
前記一般式(2)中、Z2は置換もしくは無置換のアリール基、置換もしくは無置換のアルキル基を表す。
2が表すアリール基としては、炭素数6〜30のアリール基であることが好ましく、炭素数6〜15のアリール基であることがより好ましく、フェニル基であることが特に好ましい。Z2が表すアリール基が有していてもよい置換基としては、例えば、ハロゲン原子(フッ素、塩素、臭素、ヨウ素)、シアノ基などの電子求引性基を挙げることができる。
2が表すアルキル基としては、炭素数1〜30のアルキル基であることが好ましく、炭素数1〜20のアルキル基であることがより好ましく、炭素数1〜15のアルキル基であることが特に好ましい。Z2が表すアルキル基が有していてもよい置換基としては、例えば、置換または無置換のアリール基を挙げることができる。Z2が表すアルキル基は直鎖アルキル基であっても分枝アルキル基であっても環状アルキル基であってもよい。
前記一般式(2)中、Z2は置換もしくは無置換のアリール基であることが好ましく、無置換のアリール基であることがより好ましく、フェニル基であることが特に好ましい。
前記一般式(3)で表される基は高い移動定数を有し、かつ、加水分解に対して前記一般式(2)で表される基よりも安定であるため、重合遅延の可能性が低い。
前記一般式(3)中、Z3は置換もしくは無置換のアリール基、置換もしくは無置換のアルキル基を表す。
3が表すアリール基としては、炭素数6〜30のアリール基であることが好ましく、炭素数6〜15のアリール基であることがより好ましく、炭素数6〜12のアリール基であることが特に好ましい。Z3が表すアリール基が有していてもよい置換基としては、例えば、置換または無置換のアルキル基を挙げることができる。
3が表すアルキル基としては、炭素数1〜30のアルキル基であることが好ましく、炭素数4〜20のアルキル基であることがより好ましく、炭素数6〜15のアルキル基であることが特に好ましい。Z3が表すアルキル基が有していてもよい置換基としては、例えば、置換または無置換のアリール基を挙げることができる。Z3が表すアルキル基は直鎖アルキル基であっても分枝アルキル基であっても環状アルキル基であってもよいが、直鎖アルキル基であることが好ましい。
前記一般式(3)中、Z3は置換もしくは無置換のアルキル基であることが好ましく、無置換のアルキル基であることがより好ましく、炭素数4〜20のアルキル基であることが特に好ましく、炭素数6〜15のアルキル基であることがより特に好ましい。
前記一般式(4)で表される基は置換基Z4およびZ5の種類によって活性が異なり、electron−richなモノマーに対して効果的である。electron−richなモノマーとしては、具体的に、アクリルアミド、メタクリルアミド、酢酸ビニル系モノマー等が挙げられる。
前記一般式(4)中、Z4は置換もしくは無置換のアリール基、置換もしくは無置換のアルキル基を表す。
4が表すアリール基としては、炭素数6〜30のアリール基であることが好ましく、炭素数6〜15のアリール基であることがより好ましく、炭素数6〜12のアリール基であることが特に好ましい。Z4が表すアリール基が有していてもよい置換基としては、例えば、置換または無置換のアルキル基を挙げることができる。
4が表すアルキル基としては、炭素数1〜30のアルキル基であることが好ましく、炭素数1〜20のアルキル基であることがより好ましく、メチル基であることが特に好ましい。Z4が表すアルキル基が有していてもよい置換基としては、例えば、置換または無置換のアリール基を挙げることができる。Z4が表すアルキル基は直鎖アルキル基であっても分枝アルキル基であっても環状アルキル基であってもよいが、直鎖アルキル基であることが好ましい。
前記一般式(4)中、Z4は置換もしくは無置換のアルキル基であることが好ましく、無置換のアルキル基であることがより好ましく、メチル基であることが特に好ましい。
前記一般式(4)中、Z5は置換もしくは無置換のアリール基、置換もしくは無置換のアルキル基を表す。
5が表すアリール基としては、炭素数6〜30のアリール基であることが好ましく、炭素数6〜15のアリール基であることがより好ましく、フェニル基であることが特に好ましい。Z5が表すアリール基が有していてもよい置換基としては、例えば、置換または無置換のアルキル基を挙げることができる。
5が表すアルキル基としては、炭素数1〜30のアルキル基であることが好ましく、炭素数1〜10のアルキル基であることがより好ましく、炭素数1〜15のアルキル基であることが特に好ましい。Z5が表すアルキル基が有していてもよい置換基としては、例えば、置換または無置換のアルキル基を挙げることができる。Z5が表すアルキル基は直鎖アルキル基であっても分枝アルキル基であっても環状アルキル基であってもよい。
前記一般式(4)中、Z5は置換もしくは無置換のアリール基であることが好ましく、無置換のアリール基であることがより好ましく、フェニル基であることが特に好ましい。
前記一般式(5)で表される基は低い移動定数であり、低活性なモノマーに対してより効果的であり、電子吸引基によってより活性化できる。
前記一般式(5)中、Z6は置換もしくは無置換のアリール基、置換もしくは無置換のアルキル基を表す。
6が表すアリール基としては、炭素数6〜30のアリール基であることが好ましく、炭素数6〜15のアリール基であることがより好ましく、炭素数6〜12のアリール基であることが特に好ましい。Z6が表すアリール基が有していてもよい置換基としては、例えば、置換または無置換のアルキル基を挙げることができる。
6が表すアルキル基としては、炭素数1〜30のアルキル基であることが好ましく、炭素数1〜20のアルキル基であることがより好ましく、エチル基であることが特に好ましい。Z6が表すアルキル基が有していてもよい置換基としては、例えば、置換または無置換のアリール基を挙げることができる。Z6が表すアルキル基は直鎖アルキル基であっても分枝アルキル基であっても環状アルキル基であってもよいが、直鎖アルキル基であることが好ましい。
前記一般式(5)中、Z6は置換もしくは無置換のアルキル基であることが好ましく、無置換のアルキル基であることがより好ましく、エチル基であることが特に好ましい。
本発明のブロック共重合体は、前記一般式(1)で表される基が、前記一般式(3)で表される基であることがより好ましい。
本発明のブロック共重合体は、前記一般式(1)で表される基が、市販のRAFT剤由来の基であってもよい。例えば、低分子RAFT剤として4−シアノ−4−[(ドデシルスルファニル−チオカルボニル)スルファニル]ペンタノイック酸や、2−シアノ−2−プロピルベンゾジチオエート(いずれもアルドリッチ社製)などを挙げることができる。また、マクロRAFT剤として、ポリ(エチレングリコール)メチルエーテル(4−シアノ−4−ペンタノエート ドデシル トリチオカーボネートや、ポリ(エチレングリコール)メチルエーテル(4−シアノ−4−(ドデシルスルファニルチオカルボニル)スルファニル)ペンタノエート(いずれもアルドリッチ社製)などを挙げることができる。
本発明のブロック共重合体を製造するときに用いることができるRAFT剤の構造を以下に記すが、本発明は以下の構成に限定されるものではない。
(アルキレンオキサイド鎖を含むポリマー成分(A))
本発明のブロック共重合体は、前記ポリマー成分(A)が、アルキレンオキサイド鎖を含む。アルキレンオキサイド鎖としては、例えばポリ(エチレンオキシド)、ポリ(プロピレンオキシド)などのポリアルキレンオキシ構造、ポリ(ビニルアルコール)、ポリ(アクリル酸)、ポリ(メタクリル酸)、ポリ(アクリルアミド)、オリゴ(エチレンオキシド)やクラウンエーテルやクリプタンド又は糖鎖を側鎖に有するポリ(メタクリレート)又はポリ(アクリレート)を含むことが好ましく、ポリアルキレンオキシ構造を含むことがより好ましく、ポリ(エチレンオキシド)を含むことが特に好ましい。
また、前記ポリマー成分(A)が、前記マクロRAFT剤由来のポリマー成分を含むことがより好ましい。
ポリマー成分(A)の重合度は、ミクロ相分離構造のサイズ制御の観点から、数平均分子量が100〜100000であり、1000〜50000であることが好ましく、最も好ましくは2000〜10000である。
前記ポリマー成分(A)は、前記マクロRAFT剤由来のポリマー成分を含まない場合、親水性モノマー成分を重合して形成されてなるものであってもよい。前記親水性モノマー成分としては特に制限はなく、公知の親水性モノマー成分を用いることができる。
前記親水性モノマー成分としては、メタクリル酸及びアクリル酸と、ポリオール化合物の片末端をアルキルエーテル化した化合物が、エステル結合で連結された化合物を挙げることができる。
「ポリオール化合物の片末端をアルキルエーテル化した化合物」とは下記に記載するポリオール化合物を炭素数1〜10のアルキル化合物でエーテル化したものであり、好ましくは炭素数1〜5、より好ましくはメチルエーテル化(炭素数1)したものである。
(i)ポリオール化合物
ポリオール化合物としては、ポリエーテルポリオール、ポリエステルポリオール、ポリカーボネートポリオール、ポリカプロラクトンポリオール、分子中に2個以上の水酸基を有する脂肪族炭化水素、分子中に2個以上の水酸基を有する脂環式炭化水素、分子中に2個以上の水酸基を有する不飽和炭化水素等が用いられる。これらのポリオールは単独で用いることも、2種類以上併用することもできる。
上記ポリエーテルポリオールとしては、脂肪族ポリエーテルポリオール、脂環式ポリエーテルポリオール、芳香族ポリエーテルポリオールを挙げることができる。
ここで、脂肪族ポリエーテルポリオールとしては、例えばポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリテトラメチレングリコール、ポリヘキサメチレングリコール、ポリヘプタメチレングリコール、ポリデカメチレングリコール、ペンタエリスリトール、ジペンタエリスリトール、トリメチロールプロパン、およびトリメチロールプロパンのエチレンオキサイド付加トリオール、トリメチロールプロパンのプロピレンオキサイド付加トリオール、トリメチロールプロパンのエチレンオキサイドとプロピレンオキサイド付加トリオール、ペンタエリスリトールのエチレンオキサイド付加テトラオール、ジペンタエリスリトールのエチレンオキサイド付加ヘキサオール等のアルキレンオキサイド付加ポリオール等の多価アルコール、あるいは2種類以上のイオン重合性環状化合物を開環重合させて得られるポリエーテルポリオール等が挙げられる。
なお、イオン重合性環状化合物としては、例えばエチレンオキシド、プロピレンオキシド、ブテン−1−オキシド、イソブテンオキシド、3,3−ビス(クロロメチル)オキセタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジオキサン、トリオキサン、テトラオキサン、シクロヘキセンオキシド、スチレンオキシド、エピクロルヒドリン、グリシジルエーテル、アリルグリシジルエーテル、アリルグリシジルカーボネート、ブタジエンモノオキシド、イソプレンモノオキシド、ビニルオキセタン、ビニルテトラヒドロフラン、ビニルシクロヘキセンオキシド、フェニルグリシジルエーテル、ブチルグリシジルエーテル、安息香酸グリシジルエステル等の環状エーテル類が挙げられる。上記二種類以上のイオン重合性環状化合物の具体的な組み合わせとしては、テトラヒドロフランとエチレンオキシド、テトラヒドロフランとプロピレンオキシド、テトラヒドロフランと2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロフランと3−メチルテトラヒドロフラン、エチレンオキシドとプロピレンオキシド、ブテン−1−オキシドとエチレンオキシド、テトラヒドロフランとブテン−1−オキシドとエチレンオキシド等を挙げることができる。
また、上記イオン重合性環状化合物と、エチレンイミン等の環状イミン類、β−プロピオラクトン、グリコール酸ラクチド等の環状ラクトン酸、あるいはジメチルシクロポリシロキサン類とを開環共重合させたポリエーテルポリオールを使用することもできる。
脂環式ポリエーテルポリオールとしては、例えば水添ビスフェノールAのアルキレンオキシド付加ジオール、水添ビスフェノールFのアルキレンオキシド付加ジオール、1,4−シクロヘキサンジオールのアルキレンオキシド付加ジオール等が挙げられる。
芳香族ポリエーテルポリオールとしては、例えばビスフェノールAのアルキレンオキシド付加ジオール、ビスフェノールFのアルキレンオキシド付加ジオール、ハイドロキノンのアルキレンオキシド付加ジオール、ナフトハイドロキノンのアルキレンオキシド付加ジオール、アントラハイドロキノンのアルキレンオキシド付加ジオール等が挙げられる。
上記ポリエーテルポリオールの市販品としては、例えば脂肪族ポリエーテルポリオールとしては、PTMG650、PTMG1000、PTMG2000(以上、三菱化学(株)製)、PPG1000、EXCENOL1020、EXCENOL2020、EXCENOL3020、EXCENOL4020(以上、旭硝子(株)製)、PEG1000、ユニセーフDC1100、ユニセーフDC1800、ユニセーフDCB1100、ユニセーフDCB1800(以上、日本油脂(株)製)、PPTG1000、PPTG2000、PPTG4000、PTG400、PTG650、PTG2000、PTG3000、PTGL1000、PTGL2000(以上、保土谷化学工業(株)製)、PPG400、PBG400、Z−3001−4、Z−3001−5、PBG2000、PBG2000B(以上、第一工業製薬(株)製)、TMP30、PNT4グリコール、EDA P4、EDA P8(以上、日本乳化剤(株)製)、クオドロール(旭電化(株)製)が挙げられる。芳香族ポリエーテルポリオールとしてはユニオールDA400、DA700、DA1000、DB400(以上、日本油脂(株)製)等を挙げることができる。
また、上記ポリエステルポリオールは、多価アルコールと多塩基酸とを反応させて得られる。ここで、多価アルコールとしては、エチレングリコール、ポリエチレングリコール、プロピレングリコール、ポリプロピレングリコール、テトラメチレングリコール、ポリテトラメチレングリコール、1,4−ブタンジオール、1,5−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、1,7−ヘプタンジオール、1,8−オクタンジオール、ネオペンチルグリコール、1,4−シクロヘキサンジオール、1,4−シクロヘキサンジメタノール、1,2−ビス(ヒドロキシエチル)シクロヘキサン、2,2−ジエチル−1,3−プロパンジオール、3−メチル−1,5−ペンタンジオール、1,9−ノナンジオール、2−メチル−1,8−オクタンジオール、グリセリン、トリメチロールプロパン、トリメチロールプロパンのエチレンオキシド付加体、トリメチロールプロパンのプロピレンオキシド付加体、トリメチロールプロパンのエチレンオキシドとプロピレンオキシドの付加体、ソルビトール、ペンタエリスリトール、ジペンタエリスリトール、アルキレンオキシド付加ポリオール等が挙げられる。また、多塩基酸としては、例えばフタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、マレイン酸、フマル酸、アジピン酸、セバシン酸等を挙げることができる。これらのポリエステルポリオールの市販品としては、クラポールP1010、クラポールP2010、PMIPA、PKA−A、PKA−A2、PNA−2000(以上、(株)クラレ製)等を使用することができる。
また、上記ポリカーボネートポリオールとしては、例えば下記一般式(i)で示されるポリカーボネートジオールが挙げられる。
一般式(i)中、R1は、炭素数2〜20のアルキレン基、(ポリ)エチレングリコール残基、(ポリ)プロピレングリコール残基または(ポリ)テトラメチレングリコール残基を示し、mは1〜30の範囲の整数である。
1の具体例としては、次の化合物から両末端水酸基を除いた残基、すなわち1,4−ブタンジオール、1,5−ペンタンジオール、ネオペンチルグリコール、1,6−ヘキサンジオール、1,4−シクロヘキサンジメタノール、1、7−ヘプタンジオール、1,8−オクタンジオール、1,9−ノナンジオール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、テトラプロピレングリコール等から水酸基を除いた残基が挙げられる。これらのポリカーボネートポリオールの市販品としては、DN−980、DN−981、DN−982、DN−983(以上、日本ポリウレタン工業(株)製)、PC−8000(PPG社製)、PNOC1000、PNOC2000、PMC100、PMC2000(以上、(株)クラレ製)、プラクセル CD−205、CD−208、CD−210、CD−220、CD−205PL、CD−208PL、CD−210PL、CD−220PL、CD−205HL、CD−208HL、CD−210HL、CD−220HL、CD−210T、CD−221T(以上、ダイセル化学工業(株)製)等を使用することができる。
上記ポリカプロラクトンポリオールとしては、εーカプロラクトンを例えば、エチレングリコール、ポリエチレングリコール、プロピレングリコール、ポリプロピレングリコール、テトラメチレングリコール、ポリテトラメチレングリコール、1,2−ポリブチレングリコール、1,6−ヘキサンジオール、ネオペンチルグリコール、1,4−シクロヘキサンジメタノール、1,4−ブタンジオール等のジオールに付加反応させて得られるポリカプロラクトンジオールが挙げられる。これらの市販品としては、プラクセル 205、205AL、212、212AL、220、220AL(以上、ダイセル化学工業(株)製)等を使用することができる。
分子中に2個以上の水酸基を有する脂肪族炭化水素としては、エチレングリコール、プロピレングリコール、1,4−ブタンジオール、1,5−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、1、7−ヘプタンジオール、1,8−オクタンジオール、1,9−ノナンジオール、ネオペンチルグリコール、2,2−ジエチル−1,3−プロパンジオール、3−メチル−1,5−ペンタンジオール、2−メチル−1,8−オクタンジオール、ヒドロキシ末端水添ポリブタジエン、グリセリン、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ソルビトール等が挙げられる。
分子中に2個以上の水酸基を有する脂環式炭化水素としては、例えば1,4−シクロヘキサンジオール、1,4−シクロヘキサンジメタノール、1,2−ビス(ヒドロキシエチル)シクロヘキサン、ジシクロペンタジエンのジメチロール化合物、トリシクロデカンジメタノール等が挙げられる。
分子中に2個以上の水酸基を有する不飽和炭化水素としては、例えばヒドロキシ末端ポリブタジエン、ヒドロキシ末端ポリイソプレン等が挙げられる。
さらにまた、上記以外のポリオールとしては、例えばβ−メチル−δ−バレロラクトンジオール、ひまし油変性ジオール、ポリジメチルシロキサンの末端ジオール化合物、ポリジメチルシロキサンカルビトール変性ジオール等が挙げられる。
これらのポリオール化合物の好ましい質量平均分子量は1000〜10000、特に好ましくは1000〜9000である。質量平均分子量は、ポリマーの一部をテトラヒドロフラン(THF)に溶解し、ゲルパーミエイションクロマトグラフィー(GPC)によって測定される値とする。本発明における質量平均分子量は、ポリスチレンを標準物質とした値である。
最も好ましくは、ポリエチレングリコールモノメチルエーテルであり、その数平均分子量は100〜10000であり、好ましくは200〜5000であり、最も好ましくは300〜1000である。
(炭素数2〜20のアルキレン鎖を含むポリマー成分(B))
本発明のブロック共重合体は、前記ポリマー成分(B)が炭素数2〜20のアルキレン鎖を含み、炭素数6〜50のメソゲン側鎖を有する。
本発明のブロック共重合体は、前記ポリマー成分(B)としては、例えば、炭素数6〜50のメソゲン側鎖をそれぞれ有するポリ(メタクリレート)、ポリ(アクリレート)、ポリ(スチレン)、ビニルポリマー等が挙げられるが、炭素数6〜50のメソゲン側鎖を有するポリ((メタ)アクリレート)であることが好ましく、後述する重合性棒状液晶化合物由来のポリマー成分を含むことがより好ましい。
なお、前記ポリマー成分(B)として、長鎖アルキル側鎖又は疎水性側鎖をそれぞれ有するポリ(メタクリレート)、ポリ(アクリレート)、ポリ(スチレン)、ビニルポリマー等をさらに含んでいてもよい。長鎖アルキル側鎖とは、炭素数が好ましくは6〜22個のアルキル側鎖を意味する。疎水性側鎖としては、例えば脂肪族側鎖等が挙げられる。
炭素数6〜50のメソゲン側鎖は、炭素数6〜40のメソゲン側鎖であることがより好ましく、炭素数6〜30のメソゲン側鎖であることが特に好ましい。「メソゲン基」は、液晶化合物のコア部を形成し得る基を含み、メソゲン基を有する化合物の例には、液晶性化合物が含まれるとともに、メソゲン基を有するが、液晶形成をしない、即ち非液晶性化合物、も含まれる。メソゲン基についてさらに説明する。本発明において、メソゲン基とは、液晶形成に寄与する液晶分子の主要骨格を示す基である。液晶分子は、結晶状態と等方性液体状態の中間の状態(メソフェーズ)である液晶性を示す。前記メソゲン基については特に制限はなく、例えば、「Flussige Kristalle in Tabellen II」(VEB Deutsche Verlag fur Grundstoff Industrie,Leipzig、1984年刊)、特に第7頁〜第16頁の記載、及び、液晶便覧編集委員会編、液晶便覧(丸善、2000年刊)、特に第3章の記載、を参照することができる。好ましくは、サーモトロピック液晶の残基であり、さらに好ましくは、棒状液晶及びディスコティック液晶の残基である。棒状液晶ではネマティック相及びスメクティックA相を示す液晶の残基がより好ましく、ディスコティック液晶ではディスコティックネマティック相を示す液晶の残基がより好ましい。
ディスコティック液晶の残基の好ましい例には、ベンゼン、トリフェニレン、トルキセン、トリオキサトルキセン、アントラキノン、フタロシアニン又はポリフィリン、マクロサイクレン、ビス(1,3−ジケトン)銅錯体、テトラアリールビピラニリデン、テトラチアフルバレン、及びイノシトールが含まれる。
棒状液晶の残基、即ち、棒状液晶のメソゲン基あるいはコア部と呼ばれる剛直な液晶形成に寄与する液晶分子の主要骨格としては、後述する一般式(X)中の−Cy1−L2−(Cy2−L3n−Cy3−L4−で表される基であることが好ましい。
これらの中でも前記メソゲン基としては、後述する一般式(X)中の−Cy1−L2−(Cy2−L3n−Cy3−L4−で表される基であることが好ましく、前記−Cy1−L2−(Cy2−L3n−Cy3−L4−で表される基のより好ましい範囲は後述の一般式(X)における各基の好ましい範囲と同様である。
前記ポリマー成分(B)は、疎水性モノマー成分を重合して形成されてなることが好ましい。前記疎水性モノマー成分としては特に制限はなく、公知の疎水性モノマー成分を用いることができる。前記疎水性モノマー成分は液晶性モノマーであることが、揮散性が低い観点や、後述するミクロ相分離構造膜を製造しやすい観点から好ましい。いかなる理論に拘泥するものでもないが、液晶性モノマーを用いる場合、リビング重合後の残存モノマー成分が相分離配向を促進できることができる。
また、液晶場での重合とすることで、リビング重合の反応速度を速くすることもできる。
前記液晶性モノマーの中でも重合性液晶化合物を用いることが好ましい。いかなる理論に拘泥するものでもないが、重合性液晶化合物を用いる場合、リビング重合後の残存モノマー成分を、後述する相分離構造を固定化する工程で架橋または重合させることによって、相分離構造を固定化しやすくすることができる。すなわち、本発明のブロック共重合体は、前記ポリマー成分(B)中、前記メソゲン側鎖が、前記メソゲン側鎖1本の中に少なくとも1個の重合性基を有することが好ましい。前記重合性基の好ましい範囲は、後述の一般式(X)中の前記Q1およびQ2が表す重合性基の好ましい範囲と同様である。
前記液晶性モノマーの中でも棒状液晶化合物であることがより好ましい。支持体上でリビング重合する際に、残存するモノマー成分もしくはポリマー(開始剤由来のポリマーなど)がミクロ相分離構造の形成に不利に作用することが予想された。しかし特定の棒状液晶化合物を液晶性モノマーとして使用した場合には、液晶モノマーが残存し、流動性が高まるため欠陥のない綺麗なシリンダー型ミクロ相分離構造を形成することができる。
−棒状液晶化合物−
棒状液晶化合物としては、アゾメチン類、アゾキシ類、シアノビフェニル類、シアノフェニルエステル類、安息香酸エステル類、シクロヘキサンカルボン酸フェニルエステル類、シアノフェニルシクロヘキサン類、シアノ置換フェニルピリミジン類、アルコキシ置換フェニルピリミジン類、フェニルジオキサン類、トラン類およびアルケニルシクロヘキシルベンゾニトリル類が好ましく用いられる。以上のような低分子液晶性分子だけではなく、高分子液晶性分子も用いることができる。
前記棒状液晶化合物の中でも、棒状液晶化合物を重合によって配向を固定することができる重合性棒状液晶化合物であることがより好ましい。
重合性棒状液晶化合物としては、Makromol. Chem., 190巻、2255頁(1989年)、Advanced Materials 5巻、107頁(1993年)、米国特許4683327号、同5622648号、同5770107号、WO95/22586号、同95/24455号、同97/00600号、同98/23580号、同98/52905号、特開平1−272551号、同6−16616号、同7−110469号、同11−80081号、および特願2001−64627号(特開2001−328973号公報)、特開2004−1235979号公報、Transactions of Materials Reseach Society of Japan, 28[3], 553−556(2003)、特開2008−127336号公報、特開2010−116463号公報などに記載の化合物、ならびに、後述の一般式(X)にて表される化合物および後述の一般式(V)で表される化合物などを用いることができる。
また、重合性棒状液晶化合物として好ましくは、下記一般式(X)にて表される化合物および後述の一般式(V)で表される化合物であり、前記一般式(X)で表される化合物がより好ましい。
一般式(X) Q1−L1−Cy1−L2−(Cy2−L3n−Cy3−L4−Q2
一般式(X)中、Q1およびQ2はそれぞれ独立に重合性基であり、L1およびL4はそれぞれ独立に二価の連結基であり、L1およびL4のうち少なくとも一方は、少なくとも炭素数2〜20のアルキレン基を含み、L2およびL3はそれぞれ独立に単結合または二価の連結基であり、Cy1、Cy2およびCy3は二価の環状基であり、nは0、1、2、または3である。
以下にさらに一般式(X)で表される重合性棒状液晶化合物について説明する。
前記一般式(X)中、Q1およびQ2はそれぞれ独立に重合性基である。重合性基の重合反応は、付加重合(開環重合を含む)または縮合重合であることが好ましい。言い換えると、重合性基は、付加重合反応または縮合重合反応が可能な官能基であることが好ましい。以下に重合性基の例を示す。
これらの重合性基の中でも、Q1およびQ2のうち少なくとも一方が
のいずれかであることが好ましく、Q1およびQ2のうち他の一方がオキセタン環を有する基(以下、オキセタン基とも言う)であることが好ましい。
前記一般式(X)中、L1およびL4はそれぞれ独立に二価の連結基であり、L1およびL4のうち少なくとも一方は、少なくとも炭素数2〜20のアルキレン基を含む。L1およびL4はそれぞれ独立に、−O−、−S−、−CO−、−NR−、−C=N−、二価の鎖状基、二価の環状基およびそれらの組み合わせからなる群より選ばれる二価の連結基であることが好ましい。上記Rは炭素原子数が1から7のアルキル基または水素原子である。
組み合わせからなる二価の連結基の例を以下に示す。ここで、左側がQ(Q1またはQ2)に、右側がCy(Cy1またはCy3)に結合する。
L−1:−CO−O−二価の鎖状基−O−
L−2:−CO−O−二価の鎖状基−O−CO−
L−3:−CO−O−二価の鎖状基−O−CO−O−
L−4:−CO−O−二価の鎖状基−O−二価の環状基−
L−5:−CO−O−二価の鎖状基−O−二価の環状基−CO−O−
L−6:−CO−O−二価の鎖状基−O−二価の環状基−O−CO−
L−7:−CO−O−二価の鎖状基−O−二価の環状基−二価の鎖状基−
L−8:−CO−O−二価の鎖状基−O−二価の環状基−二価の鎖状基−CO−O−
L−9:−CO−O−二価の鎖状基−O−二価の環状基−二価の鎖状基−O−CO−
L−10:−CO−O−二価の鎖状基−O−CO−二価の環状基−
L−11:−CO−O−二価の鎖状基−O−CO−二価の環状基−CO−O−
L−12:−CO−O−二価の鎖状基−O−CO−二価の環状基−O−CO−
L−13:−CO−O−二価の鎖状基−O−CO−二価の環状基−二価の鎖状基−
L−14:−CO−O−二価の鎖状基−O−CO−二価の環状基−二価の鎖状基−CO−O−
L−15:−CO−O−二価の鎖状基−O−CO−二価の環状基−二価の鎖状基−O−CO−
L−16:−CO−O−二価の鎖状基−O−CO−O−二価の環状基−
L−17:−CO−O−二価の鎖状基−O−CO−O−二価の環状基−CO−O−
L−18:−CO−O−二価の鎖状基−O−CO−O−二価の環状基−O−CO−
L−19:−CO−O−二価の鎖状基−O−CO−O−二価の環状基−二価の鎖状基−
L−20:−CO−O−二価の鎖状基−O−CO−O−二価の環状基−二価の鎖状基−CO−O−
L−21:−CO−O−二価の鎖状基−O−CO−O−二価の環状基−二価の鎖状基−O−CO−
L−22:−二価の鎖状基−O−二価の鎖状基−O−
二価の鎖状基は、アルキレン基、置換アルキレン基、アルケニレン基、置換アルケニレン基、アルキニレン基、置換アルキニレン基を意味する。アルキレン基、置換アルキレン基、アルケニレン基、置換アルケニレン基が好ましく、アルキレン基およびアルケニレン基がさらに好ましい。
アルキレン基は、分岐を有していてもよい。アルキレン基の炭素数は2〜20であることが好ましく、3乃至18であることが好ましく、4乃至16であることがさらに好ましく、5乃至15であることが最も好ましい。L1およびL4が表す二価の連結基中に含まれるすべてのアルキレン基の炭素数の合計が上記範囲であることが好ましく、例えばL−1〜L−22中に二価の鎖状基が複数含まれる場合はアルキレン基である二価の鎖状基の合計の炭素数が上記範囲であることが好ましい。
置換アルキレン基のアルキレン部分は、上記アルキレン基と同様である。置換基の例としてはハロゲン原子が含まれる。
アルケニレン基は、分岐を有していてもよい。アルケニレン基の炭素数は2乃至12であることが好ましく、2乃至10であることがさらに好ましく、2乃至8であることがもっとも好ましい。
置換アルキレン基のアルキレン部分は、上記アルキレン基と同様である。置換基の例としてはハロゲン原子が含まれる。
アルキニレン基は、分岐を有していてもよい。アルキニレン基の炭素数は2乃至12であることが好ましく、2乃至10であることがさらに好ましく、2乃至8であることがもっとも好ましい。
置換アルキニレン基のアルキニレン部分は、上記アルキニレン基と同様である。置換基の例としてはハロゲン原子が含まれる。
二価の鎖状基の具体例としては、エチレン、トリメチレン、プロピレン、テトラメチレン、2−メチル−テトラメチレン、ペンタメチレン、ヘキサメチレン、オクタメチレン、2−ブテニレン、2−ブチニレンなどが上げられる。
二価の環状基の定義および例は、後述するCy1、Cy2およびCy3の定義および例と同様である。
1およびL4のうちオキセタン基に結合する一方の連結基がL−21であることが好ましく、L1およびL4のうち他の一方はL−1であることが好ましい。
前記一般式(X)中、R2は、炭素原子数1から4のアルキル基または水素原子であることが好ましく、メチル基、エチル基または水素原子であることがさらに好ましく、水素原子であることがもっとも好ましい。
前記一般式(X)中、L2またはL3はそれぞれ独立に単結合または二価の連結基である。L2およびL3はそれぞれ独立に、−O−、−S−、−CO−、−NR−、−C=N−、二価の鎖状基、二価の環状基およびそれらの組み合わせからなる群より選ばれる二価の連結基または単結合であることが好ましい。上記Rは炭素原子数が1から7のアルキル基または水素原子であり、炭素原子数1から4のアルキル基または水素原子であることが好ましく、メチル基、エチル基または水素原子であることがさらに好ましく、水素原子であることがもっとも好ましい。二価の鎖状基、および二価の環状基についてはL1およびL4の定義と同義である。
2またはL3として好ましい二価の連結基としては、−COO−、−OCO−、−OCOO−、−OCONR−、−COS−、−SCO−、−CONR−、−NRCO−、−CH2CH2−、−C=C−COO−、−C=N−、−C=N−N=C−、等が挙げられる。
2およびL3はそれぞれ独立に−COO−または−OCO−であることが好ましい。
前記一般式(X)において、nは0、1、2、または3である。nが2または3の場合、二つのL3は同じであっても異なっていてもよく、二つのCy2も同じであっても異なっていてもよい。nは1または2であることが好ましく、1であることがさらに好ましい。
前記一般式(X)において、Cy1、Cy2およびCy3は、それぞれ独立に、二価の環状基である。
環状基に含まれる環は、5員環、6員環、または7員環であることが好ましく、5員環または6員環であることがさらに好ましく、6員環であることが最も好ましい。
環状基に含まれる環は、縮合環であっても良い。ただし、縮合環よりも単環であることがより好ましい。
環状基に含まれる環は、芳香族環、脂肪族環、および複素環のいずれでもよい。芳香族環の例には、ベンゼン環およびナフタレン環が含まれる。脂肪族環の例には、シクロヘキサン環が含まれる。複素環の例には、ピリジン環およびピリミジン環が含まれる。
ベンゼン環を有する環状基としては、1,4−フェニレンが好ましい。ナフタレン環を有する環状基としては、ナフタレン−1,5−ジイルおよびナフタレン−2,6−ジイルが好ましい。シクロヘキサン環を有する環状基としては1,4−シクロへキシレンであることが好ましい。ピリジン環を有する環状基としてはピリジン−2,5−ジイルが好ましい。ピリミジン環を有する環状基としては、ピリミジン−2,5−ジイルが好ましい。
環状基は、置換基を有していてもよい。置換基の例には、ハロゲン原子、シアノ基、ニトロ基、炭素原子数が1乃至5のアルキル基、炭素原子数が1乃至5のハロゲン置換アルキル基、炭素原子数が1乃至5のアルコキシ基、炭素原子数が1乃至5のアルキルチオ基、炭素原子数が2乃至6のアシルオキシ基、炭素原子数が2乃至6のアルコキシカルボニル基、カルバモイル基、炭素原子数が2乃至6のアルキル置換カルバモイル基および炭素原子数が2乃至6のアシルアミノ基が含まれる。
以下に、前記一般式(X)で表される重合性液晶化合物の例を示す。本発明はこれらに限定されるものではない。
また、棒状液晶化合物としては、下記一般式(V)で表される化合物も好ましい。
一般式(V) M1−(L1)p−Cy1−L2−(Cy2−L3n−Cy3−(L4)q−M2
一般式(V)中、M1、および、M2はそれぞれ独立に、水素原子、置換もしくは無置換のアルキル基、置換もしくは無置換のアリール基、ヘテロ環基、シアノ基、ハロゲン、−SCN、−CF3、ニトロ基、または、Q1を表すが、M1、および、M2の少なくとも一つは、Q1以外の基を表す。
ただし、Q1、L1、L2、L3、L4、Cy1、Cy2、Cy3およびnは前記一般式(X)で表される基と同義である。また、pおよびqは0、または1である。
1、および、M2が、Q1を表さない場合、水素原子、置換もしくは無置換のアルキル基、置換もしくは無置換のアリール基、シアノ基であることが好ましく、より好ましくは、炭素数1〜4のアルキル基、もしくは、フェニル基であり、pおよびqは0であることが好ましい。
なお、前記一般式(X)で表される重合性棒状液晶化合物と前記一般式(V)で表される化合物を混合して用いてもよい。また、前記一般式(X)で表される重合性液晶化合物と、一般式(V)で表される化合物の混合物中における、前記一般式(V)で表される化合物の好ましい混合比率としては、0.1%〜40%であり、より好ましくは、1%〜30%であり、更に好ましくは、5%〜20%である。
以下に、前記一般式(V)で表される化合物の好ましい例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。
また本発明に用いることができる重合性液晶化合物のうち二つ以上のアクリル基及びメタクリル基を有する化合物は、そのうち一つが潜在的に重合性基を内在していても構わない。すなわち以下のような化合物からEP2130817記載の化学反応により重合性基を発現させることができるため、二つ以上のアクリル基及びメタクリル基を有する化合物の一方をリビング重合に用いた後に、潜在的に重合性基を内在している部分を化学反応により処理して重合性基を発生させても良い。
本発明中の各一般式では上記重合性液晶化合物1及び2をなんら区別なく記載しており、本発明中では同義とみなしている。
前記疎水性ポリマー成分(B)の重合度は、ミクロ相分離構造のサイズ制御の観点から、数平均分子量が300〜300000であり、3000〜150000であることが好ましく、最も好ましくは6000〜30000である。
(連結基および全体構造)
本発明のブロック共重合体は、前記ポリマー成分(A)および前記ポリマー成分(B)が直接結合していても、連結基を介して結合していてもよい。前記ポリマー成分(A)および前記ポリマー成分(B)の連結部に、下記一般式(11)および(12)で表される2価の連結基のうち少なくとも一方を含むことが好ましい。前記ポリマー成分(A)および前記ポリマー成分(B)の連結部に、下記一般式(11)および(12)で表される2価の連結基のうち少なくとも一方を導入する方法としては特に制限はない。例えば、アルキレンオキサイド鎖を含むポリマー成分(A)、すなわち親水性マクロRAFT剤として下記一般式(11)および(12)で表される2価の連結基のうち少なくとも一方を有するものを用いる方法を挙げることができる。
(一般式(11)中、R11は、水素原子、置換または無置換のアルキル基(ただしメチル基を除く)、またはシアノ基を表す。)
一般式(11)および(12)で表される2価の連結基の中でも、前記一般式(11)で表される連結基を有することが、保存安定性が良好であり、相分離構造を形成する時間が速い観点から好ましい。
前記一般式(11)中、R11は置換または無置換のアルキル基(ただしメチル基を除く)、またはシアノ基であることがより好ましく、シアノ基であることが反応効率の観点から特に好ましい。
前記ポリマー成分(A)および前記ポリマー成分(B)の連結部は、前記一般式(11)および(12)で表される2価の連結基に加えて、さらにその他の2価の連結基を有していてもよい。前記その他の2価の連結基としては、下記に記載する官能基から水素原子を2つ除去してなる2価の連結基を表し、特に限定は無いが、好ましくはアルキレン基(炭素数1〜20、例えばメチレン、エチレン、プロピレン、ブチレン、ペンチレン)、アリーレン基(炭素数6〜26、例えばフェニレン、ナフチレン)、アルケニレン基(炭素数2〜20、例えばエテニレン、プロペニレン)、アルキニンレン基(炭素数2〜20、例えばエチニレン、プロピニレン)、メタロセニレン基(例えばフェロセン)、−CO−N(R101)−、−CO−O−、−SO2−N(R102)−、−SO2−O−、−N(R103)−CO−N(R104)−、−SO2−、−SO−、−S−、−O−、−CO−、−N(R105)−、ヘテリレン基(炭素数1〜26、例えば6−クロロ−1,3,5−トリアジル−2,4−ジイル基、ピリミジン−2,4−ジイル基)を1つまたはそれ以上組み合わせて構成される炭素数0〜100以下、好ましくは1以上20以下の連結基を表す。前記その他の2価の連結基としては、オキシカルボニル基、カルボニルオキシ基、カルボニル基、アルキレン基およびこれらの基の組み合わせが好ましく、オキシカルボニル基、オキシカルボニル基とアルキレン基の組み合わせがより好ましい。前記その他の2価の連結基として用いられるアルキレン基は炭素数1〜30であることが好ましく、炭素数1〜15であることがより好ましく、エチレン基(−CH2CH2−)であることが特に好ましい。
本発明のブロック共重合体は、下記一般式(I−1)または(I−2)で表されることが好ましい。
(一般式(I−1)および(I−2)中、nおよびmはそれぞれ独立に1〜500の整数を表し、L11およびL12はそれぞれ独立に単結合またはアルキレン基、アリーレン基、アルケニレン基、アルキニンレン基、メタロセニレン基、−CO−N(R101)−、−CO−O−、−SO2−N(R102)−、−SO2−O−、−N(R103)−CO−N(R104)−、−SO2−、−SO−、−S−、−O−、−CO−、−N(R105)−、ヘテリレン基を1つまたはそれ以上組み合わせて構成される炭素数0〜100以下、好ましくは1以上20以下の連結基を表し(R101、R102、R103、R104、R105は、各々独立に、水素原子、置換または無置換のアルキル基、置換または無置換のアリール基を表す。)、R1は水素原子またはメチル基を表し、R2はオキセタニル基、エポキシ基、アクリレート基、メタクリレート基、置換基を有していてもよいアルキル基または置換基を有していてもよいアルコキシ基を表し、Mは炭素数6〜50のメソゲン基を表し、Z3は置換もしくは無置換のアリール基、置換もしくは無置換のアルキル基を表す。但し、m個の繰り返し単位は互いに同一であっても異なっていてもよい。)
ここで一般式(I−1)および(I−2)、中、Z3は置換もしくは無置換のアリール基、置換もしくは無置換のアルキル基であることが好ましく、置換もしくは無置換のアルキル基であることがより好ましく、炭素数4〜20のアルキル基であることが特に好ましい。
一般式(I−1)、(I−2)中、nは1〜500であることが好ましく、3〜250であることがより好ましく、5〜200であることが特に好ましい。
一般式(I−1)、(I−2)中、mは3〜200であることが好ましく、5〜150であることがより好ましく、10〜100であることが特に好ましい。
一般式(I−1)、(I−2)中、L11、L12は各々独立に、単結合、下記に記載する官能基または下記に記載する官能基から水素原子を2つ除去してなる2価の連結基を表すことが好ましく、特に限定は無いが、好ましくはアルキレン基(炭素数2〜20、例えばメチレン、エチレン、プロピレン、ブチレン、ペンチレン)、アリーレン基(炭素数6〜26、例えばフェニレン、ナフチレン)、アルケニレン基(炭素数2〜20、例えばエテニレン、プロペニレン)、アルキニンレン基(炭素数2〜20、例えばエチニレン、プロピニレン)、メタロセニレン基(例えばフェロセン)、−CO−N(R101)−、−CO−O−、−SO2−N(R102)−、−SO2−O−、−N(R103)−CO−N(R104)−、−SO2−、−SO−、−S−、−O−、−CO−、−N(R105)−、ヘテリレン基(炭素数1〜26、例えば6−クロロ−1,3,5−トリアジル−2,4−ジイル基、ピリミジン−2,4−ジイル基)を1つまたはそれ以上組み合わせて構成される炭素数0〜100以下、好ましくは1以上20以下の連結基を表す。
ただし、L12は少なくとも炭素数2〜20のアルキレン基を含む。L12が含むアルキレン基の炭素数は3〜18であることが好ましく、4〜16であることがより好ましく、5〜15であることが特に好ましい。
上記、R101、R102、R103、R104、R105は、各々独立に、水素原子、置換または無置換のアルキル基、置換または無置換のアリール基を表す。また、L11、L12で表される連結基は、1つ以上複数個存在していてもよく、複数個(好ましくは2つ)が結合して環を形成してもよい。
一般式(I−1)、(I−2)中、R1はそれぞれ独立に水素原子またはメチル基であることが汎用性の観点から好ましい。
一般式(I−1)、(I−2)中、Mは炭素数6〜50のメソゲン基であることが好ましく、炭素数6〜40のメソゲン基であることがより好ましく、炭素数6〜30のメソゲン基であることが特に好ましい。Mが表すメソゲン基の好ましい範囲は、前記一般式(X)中の前記−Cy1−L2−(Cy2−L3n−Cy3−L4−の好ましい範囲と同様である。
一般式(I−1)、(I−2)中、R2は重合性基である、オキセタニル基、エポキシ基、アクリレート基、メタクリレート基であることが好ましく、オキセタニル基、エポキシ基であることがより好ましい。
<第二の態様>
本発明の第二のブロック共重合体は、アルキレンオキサイド鎖を含むポリマー成分(A)および炭素数2〜20のアルキレン鎖を含むポリマー成分(B)の互いに非相溶性のポリマーが共有結合によって結合したブロック共重合体であって、前記疎水性ポリマー成分(B)が炭素数6〜50のメソゲン側鎖を有しており、前記ブロック共重合体の少なくとも一方の末端が水素原子であり、前記親水性ポリマー成分(A)および前記疎水性ポリマー成分(B)の連結部に、下記一般式(11)で表される2価の連結基を含むことを特徴とする。
(一般式(11)中、R11は、水素原子、置換または無置換のアルキル基(ただしメチル基を除く)、またはシアノ基を表す。)
このような構造のブロック共重合体も、新規構造のブロック共重合体である。本発明の第二の態様のブロック共重合体は、一般式(11)で表される2価の連結基を含むため、保存安定性が良好であり、相分離構造を形成する時間が速い。
また、前記一般式(1)で表される基は分解されやすく、分解するとジスルフィド形成による分子量増大、酸化によるスルホン酸形成等、物性変化が大きいところ、前記一般式(1)で表される基を有さない本発明の第二の態様のブロック共重合体は、以上の点を改善することができる。
本発明の第二の態様のブロック共重合体におけるポリマー成分(A)および疎水性ポリマー成分(B)の好ましい範囲は、本発明の第一の態様のブロック共重合体におけるポリマー成分(A)およびポリマー成分(B)の好ましい範囲と同様である。
本発明の第二の態様のブロック共重合体における一般式(11)の好ましい範囲は、本発明の第一の態様のブロック共重合体における一般式(11)の好ましい範囲と同様である。
本発明の第二の態様のブロック共重合体は、下記一般式(II−1)で表されることが好ましい。
(一般式(II−1)中、nおよびmはそれぞれ独立に1〜500の整数を表し、L11およびL12はそれぞれ独立に単結合、アルキレン基、アリーレン基、アルケニレン基、アルキニンレン基、メタロセニレン基、−CO−N(R101)−、−CO−O−、−SO2−N(R102)−、−SO2−O−、−N(R103)−CO−N(R104)−、−SO2−、−SO−、−S−、−O−、−CO−、−N(R105)−、ヘテリレン基を1つまたはそれ以上組み合わせて構成される炭素数0〜100以下、好ましくは1以上20以下の連結基を表し(R101、R102、R103、R104、R105は、各々独立に、水素原子、置換または無置換のアルキル基、置換または無置換のアリール基を表す。ただし、L12は少なくとも炭素数2〜20のアルキレン基を含む。)、R1は水素原子またはメチル基を表し、R2はオキセタニル基、エポキシ基、アクリレート基、メタクリレート基、置換基を有していてもよいアルキル基または置換基を有していてもよいアルコキシ基を表し、Mは炭素数6〜50のメソゲン基を表す。但し、m個の繰り返し単位は互いに同一であっても異なっていてもよい。)
前記一般式(II−1)中のn、m、L11、L12、R1、R2、Mの好ましい範囲は、本発明の第一の態様のブロック共重合体における一般式(I−1)中のn、m、L11、L12、R1、R2、Mの好ましい範囲とそれぞれ同様である。
第二の態様の本発明のブロック共重合体の製造方法としては特に制限はないが、後述の末端を水素原子に変換されたブロック共重合体の製造方法により、製造されてなることが好ましい。
<共重合割合>
本発明のブロック共重合体は、前記ポリマー成分(A)および前記疎水性ポリマー成分(B)の共重合割合(数平均分子量比)は、65:35〜1:99であることが好ましく、55:45〜5:95であることがより好ましく、45:55〜10:90であることが特に好ましい。
<分子量>
前記ブロック共重合体の数平均分子量Mnが1000〜100000であることが好ましく、2000〜50000であることがより好ましく、3000〜30000であることが特に好ましい。
前記ブロック共重合体の製造方法は、得られるブロック共重合体の抽出液の重量平均分子量Mwと数平均分子量Mnの比Mw/Mnが1.3を超えることが、残存モノマーが相分離構造の欠陥を補修する点、残存マクロRAFT剤が相分離構造のサイズを制御する点からは好ましい。
一方、Mw/Mnが1.3以下であることが、相分離構造を安定的に形成させる観点からは好ましい。
本明細書中、ブロック共重合体、ポリマー成分(A)、ポリマー成分(B)などの数平均分子量Mnは、以下の方法で測定した値を採用する。
ポリマーをTHFに溶解させ、東ソー製高速GPC(HLC−8220GPC)を用いて行った。数平均分子量Mnはポリスチレン換算で計算した。
また、本明細書中、ブロック共重合体、ポリマー成分(A)、ポリマー成分(B)などの重量平均分子量Mwは、以下の方法で測定した値を採用する。
ポリマーをTHFに溶解させ、東ソー製高速GPC(HLC−8220GPC)を用いて行った。重量平均分子量Mwはポリスチレン換算で計算した。
<用途>
本発明のブロック共重合体の用途としては特に制限はないが、本発明のブロック共重合体はミクロ相分離構造膜の形成用のブロック共重合体であることが好ましい。
[ブロック共重合体の製造方法]
<末端を水素原子に変換されたブロック共重合体の製造方法>
本発明は、第一の態様の本発明のブロック共重合体の末端の前記一般式(1)で表される基を水素原子に変換する工程を含むことを特徴とするブロック共重合体の製造方法にも関する。
前記ブロック共重合体の末端の前記一般式(1)で表される基を水素原子に変換する工程としては特に制限はないが、例えば次亜リン酸の塩およびラジカル開始剤と接触させる工程であることが好ましい。前記次亜リン酸の塩およびラジカル開始剤と接触させる工程については、特許4964763号公報に記載の方法を用いることができる。
本発明の末端を水素原子に変換されたブロック共重合体の製造方法は、前記第二の態様の本発明のブロック共重合体を製造するときに好ましく用いられるが、前記第二の態様の本発明のブロック共重合体以外のその他のブロック共重合体を製造する方法であってもよい。すなわち、前記第二の態様の本発明のブロック共重合体以外のその他のブロック共重合体であっても、末端を水素原子に変換されたブロック共重合体の製造方法で製造されたブロック共重合体にも本発明の効力が及ぶ。
<支持体上でのブロック共重合体の製造方法>
第一の態様の本発明のブロック共重合体は、支持体上でリビング重合されてなることが好ましい。前記ブロック共重合体を支持体上でリビング重合する方法としては、下記(1)および(2)の工程を、支持体上で実施することがより好ましい。
(1)前記モノマー含有組成物として、親水性ポリマー成分および疎水性モノマー成分を含むモノマー含有組成物、ならびに、親水性モノマー成分および疎水性ポリマー成分を含むモノマー含有組成物のうち少なくとも一方を用いて、該モノマー含有組成物を前記支持体上に適用する工程
(2)前記支持体上で前記モノマー含有組成物をリビング重合させて、親水性ポリマー成分と疎水性ポリマー成分とが共有結合にて連結されたブロック共重合体を得る工程
支持体上でのブロック共重合体の製造方法は、下記(1’)および(2)の工程を、支持体上で実施することが特に好ましい。
(1’)前記モノマー含有組成物として、親水性ポリマー成分および疎水性モノマー成分を含むモノマー含有組成物を用いて、該モノマー含有組成物を前記支持体上に適用する工程
(2)前記支持体上で前記モノマー含有組成物をリビング重合させて、親水性ポリマー成分と疎水性ポリマー成分とが共有結合にて連結されたブロック共重合体を得る工程
支持体上でのブロック共重合体の製造方法は、支持体上でモノマー含有組成物をリビング重合させる工程を含むことが好ましい。
このような構成により、経済合理性の優れたブロック共重合体の製造方法を提供できる。一般的に溶液中でのリビング重合は(基質にも依存するが)数時間は必要であり、本発明の製造方法における支持体上での重合は、時間の観点からも経済合理性がある。モノマー含有組成物を支持体上でリビング重合を行うことは従来知られておらず、いかなる理論に拘泥するものでもないが、モノマー含有組成物を薄膜の状態としてリビング重合を行うことにより、溶液中でリビング重合を行うよりも、経済合理性の点が優れる。
<支持体>
支持体上でのブロック共重合体の製造方法に用いられる支持体としては特に制限はなく、ガラス基板であっても、金属性の支持体であっても、樹脂フィルムであってもよい。リビング重合の方式がRAFT重合の場合は、ガラス基板を用いることが好ましい。
<モノマー成分>
支持体上でのブロック共重合体の製造方法では、前記モノマー含有組成物中にリビング重合に供する疎水性モノマー成分または親水性モノマー成分などのモノマー成分を含む。なお、前記モノマー含有組成物は必要に応じて他の成分を含んでもよい。
前記モノマー成分としては、親水性モノマー成分を用いても、疎水性モノマー成分を用いてもよいが、後述するミクロ相分離構造膜を製造しやすい観点から疎水性モノマー成分を用いることが好ましい。
<溶媒>
支持体上でのブロック共重合体の製造方法において、前記モノマー含有組成物に使用できる溶媒としては、反応を阻害しないものであればいずれでも使用することができる。
具体的には、ベンゼン、トルエンおよびキシレン等の芳香族炭化水素系溶媒、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナンおよびデカン等の脂肪族炭化水素系溶媒、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサンおよびデカヒドロナフタレンのような脂環族炭化水素系溶媒、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン、塩化メチレン、クロロホルム、四塩化炭素およびテトラクロルエチレン等の塩素化炭化水素系溶媒、メタノール、エタノール、n-プロパノール、iso−プロパノール、n−ブタノール、sec−ブタノールおよびtert−ブタノール等のアルコール系溶媒、アセトン、メチルエチルケトンおよびメチルイソブチルケトン等のケトン系溶媒、酢酸エチル、酢酸ブチルおよびジメチルフタレート等のエステル系溶媒、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、ジ−n−アミルエーテル、ジフェニルエーテル、テトラヒドロフランおよびアニソールのようなエーテル系溶媒、ジメチルスルホキシド、N−ジメチルホルムアミド、ジオキサン等を挙げることができる。
また、水を溶媒として、懸濁重合、乳化重合することもできる。これらの溶媒は、単独でもまたは2種以上を混合して使用してもよい。また、これらの溶媒の使用によって、反応液が均一相となることが好ましいが、不均一な複数の相となっても構わない。
<開始剤(リビング重合開始剤)とリビング重合の方式>
支持体上でのブロック共重合体の製造方法に用いられる開始剤(本明細書中、特に断りなく開始剤という場合は、リビング重合開始剤を意味する)は特に制限はないが、リビング重合の方式によって適宜選択することができる。
支持体上でのブロック共重合体の製造方法は、前記リビング重合が、リビングラジカル重合であることが好ましく、可逆的付加開裂連鎖移動(RAFTと略すことがある)重合であることがより好ましい。なお、ラジカル重合開始剤は、熱重合開始剤であるものを用いることが好ましい。
−RAFT剤−
RAFT重合で用いられるRAFT剤としては、特に制限はなく、公知のRAFT剤を用いることができる。例えば、Macromolecules、2006、39、4953.に記載のものなどを挙げることができる。
本発明では市販のRAFT剤を用いてもよく、例えば、低分子RAFT剤として4−シアノ−4−[(ドデシルスルファニル−チオカルボニル)スルファニル]ペンタノイック酸や、2−シアノ−2−プロピルベンゾジチオエート(いずれもアルドリッチ社製)などを挙げることができる。また、マクロRAFT剤として、ポリ(エチレングリコール)メチルエーテル(4−シアノ−4−ペンタノエート ドデシル トリチオカーボネートや、ポリ(エチレングリコール)メチルエーテル(4−シアノ−4−(ドデシルスルファニルチオカルボニル)スルファニル)ペンタノエート(いずれもアルドリッチ社製)などを挙げることができる。
前記モノマー組成物中、前記RAFT剤の添加量は、前記モノマー成分に対して、1〜60質量%であることが好ましく、5〜55質量%であることがより好ましく、10〜45質量%であることが特に好ましい。
−ラジカル重合開始剤−
ラジカル重合開始剤としては市販のラジカル重合開始剤を用いることが可能である。和光純薬製V−70、V−60(AIBN)、V−40、V−65、V−601、V−59、V−30、V−501などが好ましく、AIBNを用いることが特に好ましい。
前記モノマー組成物中、ラジカル重合開始剤の添加量は、前記モノマー成分に対して、0.01〜10質量%であることが好ましく、0.1〜5質量%であることがより好ましく、0.2〜1質量%であることが特に好ましい。
−モノマー−
RAFT重合で用いられるモノマー(ラジカル重合性単量体)としては、前述のモノマー成分と同様のものが挙げられる。
支持体上でのブロック共重合体の製造方法は、前記モノマー含有組成物が、モノマー成分として重合性棒状液晶化合物を含むことが好ましい。
<光重合開始剤>
支持体上でのブロック共重合体の製造方法を用いてミクロ相分離構造膜を形成する場合は、前記モノマー成分として重合性棒状液晶化合物を用いて、さらに光重合開始剤を添加することが好ましい。ミクロ相分離構造膜を形成するときに、重合性棒状液晶化合物と光重合開始剤を併用することで、相分離構造を容易に固定することができる。前記光重合開始剤としては、光酸発生剤として公知の化合物が好ましく、例えば、特開2012−150428号公報に記載されている光酸発生剤などを用いることができる。
前記光酸発生剤としては、例えば、以下のものを用いることができるが、本発明は以下の具体例によって制限されるものではない。
前記モノマー組成物中、前記光重合開始剤の添加量は、前記モノマー成分に対して、0.01〜10質量%であることが好ましく、0.1〜5質量%であることがより好ましく、0.2〜1質量%であることが特に好ましい。
<その他の添加剤>
前記モノマー含有組成物には、その他の添加剤を添加してもよい。その他の添加剤としては、例えば、液晶便覧、液晶便覧編集委員会編、丸善株式会社に記載されているような重合性棒状液晶化合物に併用することができる添加剤などを挙げることができる。
<重合条件>
支持体上でのブロック共重合体の製造方法において、支持体上でリビング重合ができる限りは重合条件や重合方法は特に限定されず、塊状重合、懸濁重合、乳化重合、塊状・懸濁重合などを適用することができる。
(適用方法)
前記モノマー含有組成物を前記支持体上に適用する工程における適用方法としては特に制限はないが、溶液プロセスにより成膜することが特に好ましい。
溶液プロセスによる成膜とは、ここでは有機化合物を溶解させることができる溶媒中に溶解させ、その溶液を基板上に塗布し乾燥させて成膜する方法を指す。具体的には、キャスト法、ブレードコーティング法、ワイヤーバーコーティング法、スプレーコーティング法、ディッピング(浸漬)コーティング法、ビードコーティング法、エアーナイフコーティング法、カーテンコーティング法、インクジェット法、スピンコート法、ラングミュア−ブロジェット(Langmuir−Blodgett)(LB)法などの通常の方法を用いることができる。本発明においては、キャスト法、スピンコート法、およびインクジェット法を用いることがさらに好ましい。このような溶液プロセスにより、表面が平滑で大面積の薄膜を低コストで生産することが可能となる。
スピンコートは、例えば、100〜5000回転/分で、5〜60秒間行うことが好ましい。
前記モノマー含有組成物を前記支持体上に適用する工程における前記モノマー含有組成物の適用後の厚みの好ましい範囲は、後述する本発明のミクロ相分離構造膜の厚みの好ましい範囲と同様である。
前記モノマー含有組成物を前記支持体上に適用する工程の前に、前記支持体への表面修飾やガイドなど(ラビングなど)を行っても、行わなくてもよいが、製造コストおよび工程の短縮化の観点から、行わないことが好ましい。特に、前記モノマー成分および前記開始剤として、互いに非相溶性の疎水性および親水性のものを組み合わせて用いる場合、支持体への表面修飾やガイドなしで、後述のミクロ相分離構造を形成することができる。特に、支持体上でのブロック共重合体の製造方法により、本発明の両親媒性・液晶ブロックコポリマーを形成する場合は、支持体への表面修飾やガイドなしでも欠陥のない綺麗なシリンダー型ミクロ相分離構造を形成することができる。
(重合時間)
支持体上でのブロック共重合体の製造方法は、前記支持体上で前記モノマー含有組成物をリビング重合させる工程が、1000秒以下であることが好ましく、800秒以下であることがより好ましく、600秒以下であることが特に好ましい。
前記支持体上で前記モノマー含有組成物をリビング重合させる工程の時間の下限値は特に制限されるものではないが、5秒以上とすることが好ましい。
(反応温度)
反応温度は重合反応が進行する温度であればいずれでも構わず、所望する重合体の重合度、使用する重合開始剤および溶媒の種類や量によって一様ではないが、通常、−100℃〜250℃である。
支持体上でのブロック共重合体の製造方法は、前記支持体上で前記モノマー含有組成物をリビング重合させる工程が、50〜200℃での加熱であることが好ましく、より好ましくは60℃〜180℃であり、更に好ましくは80℃〜160℃である。
加熱方法としては特に制限はなく、公知の方法を用いることができ、例えば前記支持体をホットプレート上に載せて、前記モノマー含有組成物を前記支持体ごと加熱する方法などを挙げることができる。
なお、加熱後は、最終的に室温まで放冷してブロック共重合体を得ることが好ましい。
前記支持体上で前記モノマー含有組成物をリビング重合させる工程でのリビング重合反応は場合によって減圧、常圧または加圧のいずれでも実施できる。
また、上記重合反応は、特に開始剤が低分子開始剤であるときは窒素やアルゴン等の不活性ガスのフロー下で行うことが好ましく、窒素ガスのフロー下で行うことがより好ましい。不活性ガスのフロー条件としては特に制限はないが、例えば、0.001〜50L/minとすることができる。
(モノマー消費率)
支持体上でのブロック共重合体の製造方法は、前記支持体上で前記モノマー含有組成物をリビング重合させる工程のモノマー消費率を、10〜100%に制御することが、相分離を迅速に形成する観点から、好ましい。前記モノマー消費率は、20〜100%であることがより好ましく、30〜100%であることが特に好ましい。
上述のモノマー消費率は、得られたブロック共重合体を重THFにて抽出した抽出液について、1H−NMR(BRUKER−300MHZ)測定を行うことにより求めることができる。
<ブロック共重合体>
支持体上でのブロック共重合体の製造方法により、ブロック共重合体が製造される。ブロック共重合体は、前記支持体上で、フィルム状に形成されることが好ましい。
本発明の支持体上でのブロック共重合体の製造方法は、前記ブロック共重合体が、ミクロ相分離構造膜の形成用のブロック共重合体であることが好ましい。
得られたブロック共重合体を機能材料として用いるためには、ブロック共重合体反応混合物を一旦取り出し精製した後に、ブロック共重合体を基材(または支持体)に塗布して相分離構造を形成させるのが一般的である。一方、本発明のリビング共重合体の製造方法によりブロック共重合体を得る場合は支持体上でリビング重合した後に、そのまま支持体上に相分離構造を形成させることができるため更に経済合理性に富む。
[ミクロ相分離構造膜の製造方法]
<ミクロ相分離構造を形成する工程>
本発明の第一の態様のミクロ相分離構造膜の製造方法は、(3)本発明のブロック共重合体を前記支持体上で外部刺激により、ミクロ相分離構造を形成する工程を含むことを特徴とする。ミクロ相分離構造を形成するための、本発明のブロック共重合体への外部刺激の方法としては、熱・光・溶媒蒸気・電場(電圧)により相分離を促進するなどの方法を挙げることができ、加熱により相分離を促進する方法が好ましい。
本発明の第二の態様のミクロ相分離構造膜の製造方法は、(3’−1)本発明のブロック共重合体を溶解可能な溶媒に溶解されたブロック共重合体溶液を調製する工程と、(3’−2)前記ブロック共重合体溶液を支持体表面に塗布する工程と、(3’−3)前記溶媒を蒸発させて前記ブロック共重合体のミクロ相分離構造膜を形成する工程を有することを特徴とする。
以下、第一の態様のミクロ相分離構造膜の製造方法および第二の態様のミクロ相分離構造膜の製造方法について、順に説明する。
−第一の態様−
図6に、ミクロ相分離構造膜の製造装置の一例の概略図を示す。図6では、支持体21を送り出しロール11から送り出し、塗布装置12により支持体上にモノマー含有組成物22が塗布され、前記モノマー含有組成物を前記支持体上に適用する工程が行われる。
支持体上に設けられたモノマー含有組成物は、乾燥ゾーン13を経て、第一の熟成ゾーン14で、前記支持体上で前記モノマー含有組成物をリビング重合させる工程が行われる。
その後、第二の熟成ゾーン15にて、前記支持体上でミクロ相分離構造を形成する工程が行われ、前記モノマー含有組成物は高速相分離される。
その後、UV照射ゾーン16にて、ミクロ相分離構造が固定化される。
その後、剥ぎ取りロール17により、支持体21からミクロ相分離構造膜が剥ぎ取られる。
なお、支持体21は、巻取りロール18で巻取られてもよい。
以下、各工程の好ましい態様を説明する。
(反応時間)
本発明の第一の態様のミクロ相分離構造膜の製造方法は、前記(3)本発明のブロック共重合体を前記支持体上で加熱して、ミクロ相分離構造を形成する工程の時間は、5〜1000秒であることが好ましく、10〜600秒であることがより好ましく、30〜200秒であることが特に好ましい。
(反応温度)
本発明の第一の態様のミクロ相分離構造膜の製造方法は、前記(3)本発明のブロック共重合体を前記支持体上で加熱して、ミクロ相分離構造を形成する工程の加熱開始温度が40〜250℃であることが好ましく、より好ましくは50℃〜200℃であり、更に好ましくは60℃〜190℃である。
前記(3)工程における加熱方法としては特に制限はなく、公知の方法を用いることができ、例えば前記支持体をホットプレート上に載せて、前記モノマー含有組成物を前記支持体ごと加熱する方法などを挙げることができる。
なお、加熱開始後は、最終的に後述する(4)工程の開始温度(活性放射線の照射温度)まで降温することが好ましい。加熱開始後からUV照射温度までの降温速度は、1〜100℃/分であることが好ましく、5〜80℃/分であることがより好ましく、10〜50℃/分であることが特に好ましい。
−第二の態様−
本発明の第二の態様のミクロ相分離構造膜の製造方法は、(3’−1)本発明のブロック共重合体を溶解可能な溶媒に溶解されたブロック共重合体溶液を調製する工程と、(3’−2)前記ブロック共重合体溶液を支持体表面に塗布する工程と、(3’−3)前記溶媒を蒸発させて前記ブロック共重合体のミクロ相分離構造膜を形成する工程を有する。
前記(3’−1)本発明のブロック共重合体を溶解可能な溶媒に溶解されたブロック共重合体溶液を調製する工程としては特に制限はなく、支持体上でリビング重合して得られたブロック共重合体を用いて溶媒に溶解させてもよく、溶液中でリビング重合して得られたブロック共重合体を用いてもよい。本発明のブロック共重合体を溶解可能な溶媒としては特に制限はないが、支持体上でのブロック共重合体の製造方法において用いられる溶媒の内、本発明のブロック共重合体を溶解可能な溶媒を用いることができる。その中でも、芳香族炭化水素系溶媒が好ましく、キシレンがより好ましい。
溶液中でのリビング重合については、特開2004−124088号公報、特開2010−275349号公報、特開2010−116463号公報、特開2010−116466号公報などに記載の方法を用いることができる。本発明のブロック共重合体を溶液中でのリビング重合により製造する場合は、オイルバスなどを用いて反応温度を例えば40〜300℃とし、溶液中でリビング重合させる時間を例えば5〜20時間とし、不活性ガスのフロー下で行うことが好ましい。
前記(3’−2)前記ブロック共重合体溶液を支持体表面に塗布する工程としては特に制限はなく、前記支持体上で前記モノマー含有組成物をリビング重合させる工程における塗布方法と同様の方法や、特開2004−124088号公報、特開2010−275349号公報、特開2010−116463号公報、特開2010−116466号公報などに記載の方法を用いることができる。
また、溶液中でリビング重合して得られたブロック共重合体反応混合物を溶液中から一旦取り出し精製してから、あらためて前記ブロック共重合体溶液を塗布液として調製してもよい。
前記(3’−3)前記溶媒を蒸発させて前記ブロック共重合体のミクロ相分離構造膜を形成する工程としては特に制限はなく、特開2004−124088号公報、特開2010−275349号公報、特開2010−116463号公報、特開2010−116466号公報などに記載の方法を用いることができる。
<ミクロ相分離構造を固定化させる工程>
本発明のミクロ相分離構造膜の製造方法は、さらに(4)前記ミクロ相分離構造を有するブロック共重合体を前記支持体上で架橋または重合させてミクロ相分離構造を固定化させる工程を含むことが好ましい。
前記ミクロ相分離構造を有するブロック共重合体を前記支持体上で架橋または重合させてミクロ相分離構造を固定化させる工程の方法としては特に制限はないが、前記ミクロ相分離構造を有するブロック共重合体への活性放射線の照射であることが好ましく、UV照射であることがより好ましい。
(活性放射線の照射)
本発明のミクロ相分離構造膜の製造方法は、(4)前記ミクロ相分離構造を有するブロック共重合体を前記支持体上で架橋または重合させてミクロ相分離構造を固定化させる工程の活性放射線の照射温度は、40〜200℃であることが好ましく、より好ましくは50℃〜200℃であり、更に好ましくは60℃〜200℃である。
本発明のミクロ相分離構造膜の製造方法は、前記活性放射線の照射が、50〜2000mJ/cm2であることが好ましく、100〜1500mJ/cm2であることが好ましく、200〜1000mJ/cm2であることが特に好ましい。
前記(4)工程における活性放射線の照射装置としては特に制限はなく、公知の装置を用いることができ、例えばHOYA社製 EXECURE3000などを挙げることができる。
なお、活性放射線の照射後は、最終的に室温まで放冷してミクロ相分離構造膜を得ることが好ましい。
<ミクロ相分離構造膜を剥ぎ取る工程>
本発明のミクロ相分離構造膜の製造方法は、前記ミクロ相分離構造膜を、前記支持体から剥ぎ取る工程を含むことが好ましい。
前記ミクロ相分離構造膜を、前記支持体から剥ぎ取る方法としては特に制限はない。
[ミクロ相分離構造膜]
本発明のミクロ相分離構造膜は、本発明のブロック共重合体またはその架橋重合体を含有すること、あるいは、本発明のミクロ相分離構造膜の製造方法で製造されたことを特徴とする。ここで、本明細書中、原子間力顕微鏡(AFMとも言う)で観察した場合に、ラメラ構造やシリンダー構造が確認できたときは「ミクロ相分離構造」を有していることとみなす。このような本発明のミクロ相分離構造膜は、金属含有量が少なく、保存安定性が良好である。本発明のミクロ相分離構造膜は、金属含有量が5ppm以下であることが好ましい。
本発明のミクロ相分離構造膜の製造方法で得られるミクロ相分離構造膜は、基板上に形成されるが、基板から剥離して用いてもよい。
前記ミクロ相分離構造膜の厚みが、1〜2000nmであることが好ましい。用途によって前記ミクロ相分離構造膜のより好ましい厚みは異なるが、例えば1〜500nmであることがより好ましい。
前記ミクロ相分離構造膜は、シリンダー型ミクロ相分離構造膜であることが好ましい。シリンダー型ミクロ相分離構造膜とは、前記親水性ポリマー成分が固定されたシリンダーが、面内に多数並んでいる膜のことを言い、各シリンダーは等間隔で整列していることが好ましい。各シリンダーの高さは、1〜2000nmであることが好ましく、1〜500nmであることがより好ましい。各シリンダーの直径は、1〜1000nmであることが好ましく、1〜200nmであることがより好ましい。
(用途)
本発明のミクロ相分離構造膜の製造方法で得られるミクロ相分離構造膜は、光・電子機能材料(例えば輝度向上膜)、エネルギー関連材料、表面修飾材料、パターンドメディアのような高密度記録材料、種々のナノフィルター(透過膜、限外ろ過膜、ナノリアクター)、異方性イオン伝導膜、異方性導電膜、等として有用な配向の制御されたブロック共重合体からなるミクロ相分離構造膜である。
このようなミクロ相分離構造膜は、シリンダー構造部分を除去することにより、多孔質構造体として用いることもできる。ミクロ相分離構造膜から得られる多孔質構造体は、燃料電池用高分子電解質、イオン交換樹脂、マイクロリアクター用薄膜、蛋白質の分離膜、有機ゼオライトや種々のピラー用高配向用テンプレートなどの異方性イオン伝導材料として利用できる。
このようなミクロ相分離構造膜は、シリンダー構造部分を除去して、別の物質を導入することもできる。
以下に実施例と比較例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。
まず、各実施例および比較例で使用した材料およびその調製方法を以下に示す。
<親水性部分の調製>
(親水性マクロRAFT剤A−1)
市販の親水性マクロRAFT剤A−1(ポリ(エチレングリコール)メチルエーテル(4−シアノ−4−ペンタノエート ドデシル トリチオカーボネート)(Mn5400、アルドリッチ社製))を利用する。
(親水性マクロRAFT剤A−2)
市販の親水性マクロRAFT剤A−2(ポリ(エチレングリコール)メチルエーテル(4−シアノ−4−(ドデシルスルファニルチオカルボニル)スルファニル)ペンタノエート)(Mn10000、アルドリッチ社製))を利用する。
(親水性マクロRAFT剤A−3)
市販の親水性マクロRAFT剤A−3(ポリ(エチレングリコール)メチルエーテル(2−メチル−2−プロパノイックアシッド ドデシルトリチオカーボネート)(Mn10400、アルドリッチ社製))を利用する。
<疎水性モノマーの調製>
(疎水性モノマー合成例1)
Transactions of Materials Reseach Society of Japan, 28[3], 553−556(2003)に記載の合成方法により液晶性モノマーB−1を合成した。
(疎水性モノマー合成例2)
特開2008−127336号公報に記載の合成法により液晶性モノマーB−2を合成した。
(疎水性モノマー合成例3)
特開2008−127336号公報の実施例4に記載の合成法において、用いるカルボン酸化合物10の置換基の鎖長を変更した以外は同様の合成法により液晶性モノマーB−3を合成した。
(疎水性モノマー合成例4)
特開2010−116463号公報に記載の合成法に基づいて、液晶性モノマーB−4を合成した。
(疎水性モノマー合成例5)
以下に記載の合成法に従い、液晶性モノマーB−5を合成した。
メタンスルホニルクロリド(33.0mmol,2.6mL)のTHF溶液(17mL)にヒドロキノンモノメチルエーテル(37mg)を加え、内温を−5℃まで冷却した。そこに、a−1(31.5mmol,8.33g)とジイソプロピルエチルアミン(33.0mmol,5.75mL)のTHF溶液(16mL)を内温が0℃以上に上昇しないように滴下した。−5℃で30分撹拌した後、ジイソプロピルエチルアミン(33.0mmol,5.75mL)、b−1のTHF溶液(20mL)、DMAP(スパチュラ一杯)を加えた。その後、室温で4時間撹拌した。メタノール(5mL)を加えて反応を停止した後に、水と酢酸エチルを加えた。酢酸エチルで抽出した有機層を、ロータリーエバポレーターで溶媒を除去しc−1の粗生成物を得た。
アルデヒドc−1のアセトニトリル溶液(67mL)に対し、亜塩素酸ナトリウム(42.0mmol,3.80g)の水溶液(32mL)、リン酸二水素ナトリウム二水和物(6.0mmol,0.94g)の水溶液(8.2mL)、過酸化水素水(4.0mL)を加え、室温で12時間撹拌した。1N 塩酸水溶液を100mL加えた後に、ろ過した。残渣をメタノールで少量のアセトニトリルで洗浄することにより、カルボン酸d−1を定量的に得た。
メタンスルホニルクロリド(6.0mmol,0.46mL)のTHF溶液(3mL)にヒドロキノンモノメチルエーテル(7mg)を加え、内温を−5℃まで冷却した。そこに、カルボン酸d−1(5.5 mmol,2.1g)とジイソプロピルエチルアミン(6.0mmol,1.1mL)のTHF溶液(6mL)を内温が0℃以上に上昇しないように滴下した。−5℃で30分撹拌した後、ジイソプロピルエチルアミン(6.0mmol,1.1mL)、4−エチルフェノールであるe−1(5.0mmol,0.82g)のTHF溶液(4mL)、DMAP(スパチュラ一杯)を加えた。その後、室温で2時間撹拌した。メタノール(5mL)を加えて反応を停止した後に、水と酢酸エチルを加えた。酢酸エチルで抽出した有機層を、ロータリーエバポレーターで溶媒を除去し液晶性モノマーB−5の粗生成物を得た。酢酸エチルとメタノールで再結晶を行い、液晶性モノマーB−5を78%の収率で得た。
1H−NMR(溶媒:CDCl3)δ(ppm):1.2(t,3H)、1.8−2.0(m,4H), 2.6(d,2H), 4.1−4.3(m,4H), 5.8(d,1H), 6.1(dd,1H), 6.4(d,1H), 6.9−7.0(m,2H), 7.1−7.2(m,2H), 7.2−7.3(m,2H), 7.3−7.4(m,2H), 8.1−8.2(m,2H), 8.2−8.3(m,2H)
[実施例1]
<ブロック共重合体C−1の合成>
液晶性モノマーB−1(0.493g)、AIBN(0.0028g)、キシレン5mlに親水性マクロRAFT剤A−1(0.108g)を加えて窒素フローを開始し、オイルバスで60℃、11時間加熱攪拌した。その後、室温まで放冷し、ヘキサン200mlに反応溶液を添加して、濾過した。さらに得られたポリマーをエタノール40mlに懸濁して、1時間後にろ過した。残渣としてブロック共重合体C−1を0.33g得た。GPCの分析結果からMw22200、Mn17500、Mw/Mn=1.27であった。ここで本明細書中、Mwとは重量平均分子量を、Mnとは数平均分子量を表す。
[実施例2]
<ブロック共重合体C−2の合成>
液晶性モノマーB−1(0.739g)、AIBN(0.0028g)、キシレン5mlに親水性マクロRAFT剤A−1(0.108g)を加えて窒素フローを開始し、オイルバスで60℃、11時間加熱攪拌した。その後、室温まで放冷し、冷却したヘキサン300mlに反応溶液を添加して、濾過した。さらに得られたポリマーをヘキサン/酢酸エチル=20ml/30mlに懸濁して、1時間後にろ過した。残渣としてブロック共重合体C−2を0.6g得た。GPCの分析結果からMw31100、Mn25600、Mw/Mn=1.22であった。
[実施例3]
<ブロック共重合体C−3の合成>
液晶性モノマーB−1(0.985g)、AIBN(0.0028g)、キシレン5mlに親水性マクロRAFT剤A−1(0.108g)を加えて窒素フローを開始し、オイルバスで60℃、11時間加熱攪拌した。その後、室温まで放冷し、冷却したヘキサン300mlに反応溶液を添加して、濾過した。さらに得られたポリマーをヘキサン/酢酸エチル=20ml/30mlに懸濁して、1時間後にろ過した。残渣としてブロック共重合体C−3を0.8g得た。GPCの分析結果からMw37100、Mn29100、Mw/Mn=1.28であった。
[実施例4]
<ブロック共重合体C−3aの合成>
実施例3で合成した化合物C−3を用いて、特許第4964763号公報の実施例1に記載の方法で下記C−3aの化合物を得た。C−3aのnおよびmは、C−3のnおよびmと同じである。
[実施例5]
<ブロック共重合体C−4の合成>
液晶性モノマーB−1(0.493g)、AIBN(0.0028g)、キシレン5mlに親水性マクロRAFT剤A−2(0.200g)を加えて窒素フローを開始し、オイルバスで60℃、11時間加熱攪拌した。その後、室温まで放冷し、冷却したヘキサン200mlに反応溶液を添加して、濾過した。さらに得られたポリマーをエタノール40mlに懸濁して、1時間後にろ過した。残渣としてブロック共重合体C−4を0.4g得た。GPCの分析結果からMw22600、Mn17200、Mw/Mn=1.31であった。
[実施例6]
<ブロック共重合体C−4aの合成>
液晶性モノマーB−1(0.493g)、AIBN(0.0028g)、キシレン5mlに親水性マクロRAFT剤A−3(0.200g)を加えて窒素フローを開始し、オイルバスで60℃、11時間加熱攪拌した。その後、室温まで放冷し、冷却したヘキサン200mlに反応溶液を添加して、濾過した。さらに得られたポリマーをエタノール40mlに懸濁して、1時間後にろ過した。残渣としてブロック共重合体C−4aを0.4g得た。GPCの分析結果からMw21000、Mn16200、Mw/Mn=1.30であった。
[実施例7]
<ブロック共重合体C−5の合成>
液晶性モノマーB−2(0.677g)、AIBN(0.0028g)、キシレン5mlに親水性マクロRAFT剤A−1(0.108g)を加えて窒素フローを開始し、オイルバスで60℃、9時間加熱攪拌した。その後、室温まで放冷し、THF2mlを添加後冷却したヘキサン300mlに反応溶液を添加して、濾過した。さらに得られたポリマーをヘキサン/酢酸エチル=20ml/30mlに懸濁して、1時間後にろ過した。残渣としてブロック共重合体C−5を0.4g得た。GPCの分析結果からMw24200、Mn17800、Mw/Mn=1.35であった。
[実施例8]
<ブロック共重合体C−6の合成>
液晶性モノマーB−2(1.015g)、AIBN(0.0028g)、キシレン5mlに親水性マクロRAFT剤A−1(0.108g)を加えて窒素フローを開始し、オイルバスで60℃、9時間加熱攪拌した。その後、室温まで放冷し、THF5mlを添加後、冷却したヘキサン300mlに反応溶液を添加して、濾過した。さらに得られたポリマーをヘキサン/酢酸エチル=20ml/30mlに懸濁して、1時間後にろ過した。残渣としてブロック共重合体C−6を0.7g得た。GPCの分析結果からMw32700、Mn24700、Mw/Mn=1.32であった。
[実施例9]
<ブロック共重合体C−7の合成>
液晶性モノマーB−2(1.354g)、AIBN(0.0028g)、キシレン5mlに親水性マクロRAFT剤A−1(0.108g)を加えて窒素フローを開始し、オイルバスで60℃、9時間加熱攪拌した。その後、室温まで放冷し、THF5mlを添加後、冷却したヘキサン300mlに反応溶液を添加して、濾過した。さらに得られたポリマーをヘキサン/酢酸エチル=20ml/30mlに懸濁して、1時間後にろ過した。残渣としてブロック共重合体C−7を1.06g得た。GPCの分析結果からMw38600、Mn27200、Mw/Mn=1.42であった。
[実施例10]
<ブロック共重合体C−8の合成>
液晶性モノマーB−2(0.846g)、AIBN(0.0028g)、キシレン5mlに親水性マクロRAFT剤A−1(0.108g)を加えて窒素フローを開始し、オイルバスで60℃、9時間加熱攪拌した。その後、室温まで放冷し、THF5mlを添加後、冷却したヘキサン300mlに反応溶液を添加して、濾過した。さらに得られたポリマーをヘキサン/酢酸エチル=20ml/30mlに懸濁して、1時間後にろ過した。残渣としてブロック共重合体C−8を0.6g得た。GPCの分析結果からMw29200、Mn23100、Mw/Mn=1.27であった。
[実施例11]
<ブロック共重合体C−9の合成>
液晶性モノマーB−2(1.015g)、AIBN(0.0028g)、キシレン5mlに親水性マクロRAFT剤A−1(0.108g)を加えて窒素フローを開始し、オイルバスで60℃、7時間加熱攪拌した。その後、室温まで放冷し、THF5mlを添加後、冷却したヘキサン300mlに反応溶液を添加して、濾過した。さらに得られたポリマーをヘキサン/酢酸エチル=20ml/30mlに懸濁して、1時間後にろ過した。残渣としてブロック共重合体C−9を0.4g得た。GPCの分析結果からMw26300、Mn21800、Mw/Mn=1.21であった。
[実施例12]
<ブロック共重合体C−10の合成>
液晶性モノマーB−2(0.677g)、AIBN(0.0028g)、キシレン5mlに親水性マクロRAFT剤A−2(0.200g)を加えて窒素フローを開始し、オイルバスで60℃、9時間加熱攪拌した。その後、室温まで放冷し、THF2mlを添加後冷却したヘキサン300mlに反応溶液を添加して、濾過した。さらに得られたポリマーをヘキサン/酢酸エチル=20ml/30mlに懸濁して、1時間後にろ過した。残渣としてブロック共重合体C−10を0.6g得た。GPCの分析結果からMw24500、Mn18100、Mw/Mn=1.35であった。
[実施例13]
<ブロック共重合体C−11の合成>
液晶性モノマーB−3(0.329g)、液晶性モノマーB−1(0.246g)、AIBN(0.0028g)、キシレン5mlに親水性マクロRAFT剤A−1(0.108g)を加えて窒素フローを開始し、オイルバスで60℃、11時間加熱攪拌した。その後、室温まで放冷し、冷却したヘキサン300mlに反応溶液を添加して、濾過した。さらに得られたポリマーをヘキサン/酢酸エチル=20ml/30mlに懸濁して、1時間後にろ過した。残渣としてブロック共重合体C−11を0.4g得た。GPCの分析結果からMw27400、Mn21500、Mw/Mn=1.28であった。
[実施例14]
<ブロック共重合体C−12の合成>
液晶性モノマーB−3(0.066g)、液晶性モノマーB−1(0.443g)、AIBN(0.0028g)、キシレン5mlに親水性マクロRAFT剤A−1(0.108g)を加えて窒素フローを開始し、オイルバスで60℃、11時間加熱攪拌した。その後、室温まで放冷し、冷却したヘキサン300mlに反応溶液を添加して、濾過した。さらに得られたポリマーをヘキサン/酢酸エチル=20ml/30mlに懸濁して、1時間後にろ過した。残渣としてブロック共重合体C−12を0.3g得た。GPCの分析結果からMw25300、Mn19500、Mw/Mn=1.30であった。
[実施例15]
<ブロック共重合体C−13の合成>
液晶性モノマーB−4(0.329g)、液晶性モノマーB−1(0.246g)、AIBN(0.0028g)、キシレン5mlに親水性マクロRAFT剤A−1(0.108g)を加えて窒素フローを開始し、オイルバスで60℃、11時間加熱攪拌した。その後、室温まで放冷し、冷却したヘキサン300mlに反応溶液を添加して、濾過した。さらに得られたポリマーをヘキサン/酢酸エチル=20ml/30mlに懸濁して、1時間後にろ過した。残渣としてブロック共重合体C−13を0.3g得た。GPCの分析結果からMw23000、Mn19000、Mw/Mn=1.21であった。
[実施例16]
<ブロック共重合体C−14の合成>
液晶性モノマーB−5(0.329g)、液晶性モノマーB−3(0.246g)、AIBN(0.0028g)、キシレン5mlに親水性マクロRAFT剤A−1(0.108g)を加えて窒素フローを開始し、オイルバスで60℃、11時間加熱攪拌した。その後、室温まで放冷し、冷却したヘキサン300mlに反応溶液を添加して、濾過した。さらに得られたポリマーをヘキサン/酢酸エチル=20ml/30mlに懸濁して、1時間後にろ過した。残渣としてブロック共重合体C−14を0.4g得た。GPCの分析結果からMw25000、Mn19000、Mw/Mn=1.32であった。
<実施例21〜32:ブロック共重合体合成例>
親水性マクロRAFT剤A−1(0.216g)、液晶性モノマーB−2(0.677g)、AIBN(0.0028g)をトルエン5mlに溶解させた。得られたトルエン溶液50μlをガラス基板上(2X2.5cm角)に塗布して、スピンコーター(MIKASA社製 SPINCOATER1H−D7)を用いて1500回転/分、30秒間回転させてスピンコートした。窒素フロー(0.5L/min)下、ホットプレート(PMC社製 DATAPLATE)上で下表に従い加熱した。その後、室温まで放冷し、ブロック共重合体C−21〜32を得た(実施例21〜32)。該フィルム状の実施例21〜32のブロック共重合体C−21〜32を重THFにて抽出して、1H−NMR(BRUKER−300MHZ)測定によりモノマー消費量とGPC(TOSOH社製 HLC−8220GPC)の分析を実施した。得られた結果を下記表に記載した。
<実施例33〜41:ブロック共重合体合成例>
親水性マクロRAFT剤A−1(0.216g)、液晶性モノマーB−2(0.677g)、AIBN(0.0028g)をトルエン5mlに溶解させた。得られたトルエン溶液50μlをガラス基板上に塗布して、1500回転/分、30秒間回転させてスピンコートした。大気下、上記ガラス基板をホットプレート上で下表に従い加熱した。その後、室温まで放冷し、ブロック共重合体C−33〜41を得た(実施例33〜41)。実施例21と同様に1H−NMR測定によりモノマー消費量とGPCの分析を行い、得られた結果を下記表に記載した。
<実施例42〜45:ブロック共重合体合成例>
親水性マクロRAFT剤A−1(0.216g)、液晶性モノマーB−2(0.677g)、1,1’−アゾビス (シクロヘキサン−1−カルボニトリル)(以下V−40と略す。0.0043g)をトルエン5mlに溶解させた。得られたトルエン溶液50μlをガラス基板上に塗布した。上記ガラス基板の保護カバーとしてスライドガラスをのせ、窒素フロー(0.5L/min)下、ホットプレート上で下表に従い加熱した。その後、室温まで放冷し、ブロック共重合体C−42〜45を得た(実施例42〜45)。実施例21と同様に1H−NMR測定によりモノマー消費量とGPCの分析を行い、得られた結果を下記表に記載した。
<実施例46〜52:ブロック共重合体合成例>
親水性マクロRAFT剤A−1(0.216g)、液晶性モノマーB−2(0.677g)、V−40(0.0043g)をトルエン5mlに溶解させた。得られたトルエン溶液50μlをガラス基板上に塗布した。窒素フロー(0.5L/min)下、ホットプレート上で下表に従い加熱した。その後、室温まで放冷し、ブロック共重合体C−46〜52を得た(実施例46〜52)。実施例21と同様に1H−NMR測定によりモノマー消費量とGPCの分析を行い、得られた結果を下記表に記載した。
<実施例53〜55:ブロック共重合体合成例>
親水性マクロRAFT剤A−1(0.216g)、液晶性モノマーB−2(0.677g)、V−40(0.0043g)をトルエン5mlに溶解させた。得られたトルエン溶液50μlをガラス基板上に塗布した。大気下、ホットプレート上で下表に従い加熱した。その後、室温まで放冷し、ブロック共重合体C−53〜55を得た(実施例53〜55)。実施例21と同様に1H−NMR測定によりモノマー消費量とGPCの分析を行い、得られた結果を下記表に記載した。
<実施例56〜58:ブロック共重合体合成例・ミクロ相分離構造の確認・硬化>
親水性マクロRAFT剤A−1(0.216g)、液晶性モノマーB−2(0.677g)、AIBN(0.0028g)、下記構造の光酸発生剤E−1(0.0040g)をトルエン5mlに溶解させた。得られたトルエン溶液50μlをガラス基板(支持体)上に塗布して、スピンコーターを用いて1500回転/分、30秒間回転させてスピンコートした。窒素フロー(0.5L/min)下、ホットプレート上でガラス基板を加熱し(熟成1)、さらに別のホットプレートを用いて大気下にて下表に従い既定の開始温度からUV照射温度まで降温させて(熟成2)、UV照射装置(HOYA社製 EXECURE3000)にて500mJ/cm2にて硬化させた。
(AFM測定)
上記ガラス基板上でのブロック共重合体の製造方法(実施例56〜58)で製造された、ガラス基板上のブロック共重合体を、AFM(SII社製 SPI3800N)にて測定したところ、ラメラやシリンダー状のミクロ相分離構造が観察された。
(支持体からのミクロ相分離構造膜の剥離)
実施例56〜58において、ガラス基板からミクロ相分離構造膜を剥離することも可能であった。
実施例56〜58で剥離したミクロ相分離構造膜の厚みは、それぞれ150nm、200nm、210nmであった。
[実施例101〜116:薄膜作製]
<上記ブロック共重合体C−1〜C−14の各トルエン溶液の調製>
各ブロック共重合体(50mg)を秤量し、トルエンを950μl追加して均一に溶解させた後に、フィルター(マイレクストFH 0.45μm、φ13mm、シリンジ2ml)濾過して調液した(溶液D−1〜14)。
<光酸発生剤のトルエン溶液の調製>
下記構造の光酸発生剤20mgを秤量し、トルエンを1980μl追加して均一に溶解させ、フィルター濾過して調液した。
<塗布溶液の調製>
ポリマー溶液(D−1〜14)を400μlとり、下表に従い光酸発生剤溶液10μlと混合して塗布液(E−1〜14)を調製した。
<スピンコート>
ガラス基板上(2X2.5cm角四方)に上記塗布溶液をエッペンドルフを用いて20μl塗布して、スピンコーター(MIKASA社製 SPINCOATER1H-D7)を用いて1500回転/分、30秒間回転させてスピンコートした。
<アニール条件>
上記ガラス基板を、下記条件にてホットプレート(PMC社製 DATAPLATE)上でアニールした後にサンプルによってはUV照射装置(HOYA社製 EXECURE3000)を用いて500mJ/cm2でUV硬化させた。
条件1:140℃を1分保持した後に、100℃まで10℃/分で降温させ、自然放冷。
条件2:175℃を1分保持した後に、100℃まで10℃/分で降温させ、UV硬化30秒。
<AFM測定>
上記ガラス基板(実施例101〜116)を、AFM(SII社製 SPI3800N)にて測定した。測定した表面形状の代表例を図1〜図4に記す。ラメラやシリンダー状の相分離構造が観察された。
[比較例1〜5]
以下に比較例として原子移動ラジカル重合(ATRP)による合成例を記載する。RAFT重合の場合と比較して、一般的に重合時間が遅く、金属触媒が残存してしまうことが問題である。
<ATRP用親水性マクロ開始剤F−1の調製>
市販のポリ(エチレングリコール)メチルエーテル(Mn5000、アルドリッチ社製)30g、N,N’−ジメチルアミノピリジン0.81gを塩化メチレン180mlに溶解させ、2−ブロモイソラクサンブロミド(東京化成社製)1.52gを塩化メチレン20mlに溶解させた後に室温で滴下し、40℃で加熱環流して48時間攪拌した。
1規定の塩酸水溶液、0.5規定の炭酸水素ナトリウム水溶液、1規定の塩酸水溶液の順番に分液操作を施し、硫酸マグネシウムで乾燥後、ジエチルエーテルで再結晶した。
目的とするATRP用親水性マクロ開始剤F−1を22g(分子量Mw8000、Mn7700、Mw/Mn=1.04:GPCポリスチレン換算)得た。
<比較例1>
ATRP用親水性マクロ開始剤F−1(0.4122g)、液晶性モノマーB−1(1.97g)、N,N,N’,N’’,N’’−ペンタメチルジエチレントリアミン(PMDETA)0.0832g、臭化銅(I)(0.069g)をアニソール20mlに溶解させた。窒素フローを開始し、オイルバス80℃、10時間加熱攪拌した。その後、室温まで放冷し、アルミナ処理した後にTHF200mlにて洗浄し、濾過し、濃縮した。さらに得られたポリマーをヘキサン250mlに懸濁して、1時間後に濾過した。残渣としてブロック共重合体G−1を0.50g得た。GPCの分析結果からMw26900、Mn22000、Mw/Mn=1.22であった。アルミナ処理後の銅イオンの残存は130ppmであった。
<比較例2>
ATRP用親水性マクロ開始剤F−1(0.103g)、液晶性モノマーB−2(0.677g)、N,N,N’,N’’,N’’−ペンタメチルジエチレントリアミン(PMDETA)0.021g、臭化銅(I)(0.017g)をキシレン5mlに溶解させた。窒素フローを開始し、オイルバスで80℃、18時間加熱攪拌した。その後、室温まで放冷し、ヘキサン200mlに反応溶液を添加して、濾過した。さらに得られたポリマーをヘキサン/酢酸エチル=20ml/30mlに懸濁して、1時間後に濾過した。残渣としてブロック共重合体G−2を0.56g得た。GPCの分析結果からMw26800、Mn20500、Mw/Mn=1.31であった。
得られたブロック共重合体G−2(0.1g)を、THF5mlに完溶させた後、吸着剤としてアルミナ、KW700SN、アンバーリスト15 DRYを0.1g加え、室温で1h撹拌した。セライトろ過の後にTHF10mlでの洗浄後、溶媒留去した。その後ポリマーの1H−NMRを測定したところいずれもオキセタニル部位が分解していることを確認した。これは吸着剤がルイス酸として働き、オキセタニル基の開環を促進したと考えている。アルミナ処理後の銅イオンの残存は50ppmであった。
<比較例3>
ATRP用親水性マクロ開始剤F−1(0.103g)、液晶性モノマーB−3(0.658g)、N,N,N’,N’’,N’’−ペンタメチルジエチレントリアミン(PMDETA)0.021g、臭化銅(I)(0.017g)をアニソール5mlに溶解させた。窒素フローを開始し、オイルバスで80℃、12時間加熱攪拌した。その後、室温まで放冷し、ヘキサン200mlに反応溶液を添加して、濾過した。さらに得られたポリマーをヘキサン/酢酸エチル=20ml/30mlに懸濁して、1時間後に濾過した。残渣としてブロック共重合体G−3を0.45g得た。GPCの分析結果からMw26800、Mn20500、Mw/Mn=1.31であった。
得られたブロック共重合体G−3(0.1g)を、THF5mlに完溶させた後、吸着剤としてアルミナを0.1g加え、室温で1h撹拌した。セライトろ過の後にTHF10mlでの洗浄後、溶媒留去した。その後ポリマーの1H−NMRを測定したところいずれもオキセタニル部位が分解していることを確認した。これは吸着剤がルイス酸として働き、オキセタニル基の開環を促進したと考えている。アルミナ処理後の銅イオンの残存は120ppmであった。
<比較例4>
ATRP用親水性マクロ開始剤F−1(0.103g)、液晶性モノマーB−4(0.773g)、N,N,N’,N’’,N’’−ペンタメチルジエチレントリアミン(PMDETA)0.021g、臭化銅(I)(0.017g)をアニソール5mlに溶解させた。窒素フローを開始し、オイルバスで80℃、17時間加熱攪拌した。その後、室温まで放冷し、ヘキサン300mlに反応溶液を添加して、濾過した。さらに得られたポリマーをヘキサン/酢酸エチル=20ml/30mlに懸濁して、1時間後に濾過した。残渣としてブロック共重合体G−4を0.48g得た。GPCの分析結果からMw30500、Mn23800、Mw/Mn=1.28であった。
得られたブロック共重合体G−4(0.1g)を、THF5mlに完溶させた後、吸着剤としてアルミナを0.1g加え、室温で1h撹拌した。セライトろ過の後にTHF10mlでの洗浄後、溶媒留去した。その後ポリマーの1H−NMRを測定したところいずれもオキセタニル部位が分解していることを確認した。これは吸着剤がルイス酸として働き、オキセタニル基の開環を促進したと考えている。アルミナ処理後の銅イオンの残存は220ppmであった。
<比較例5>
ATRP用親水性マクロ開始剤F−1(0.103g)、液晶性モノマーB−5(0.4885g)、N,N,N’,N’’,N’’−ペンタメチルジエチレントリアミン(PMDETA)0.021g、臭化銅(I)(0.017g)をトルエン5mlに溶解させた。窒素フローを開始し、オイルバスで80℃、24時間加熱攪拌した。その後、室温まで放冷し、ヘキサン300mlに反応溶液を添加して、濾過した。さらに得られたポリマーをヘキサン/酢酸エチル=20ml/50mlに懸濁して、1時間後に濾過した。残渣としてブロック共重合体G−5を0.06g得た。GPCの分析結果からMw12300、Mn9800、Mw/Mn=1.25であった。
得られたブロック共重合体G−5(0.1g)を、THF5mlに完溶させた後、吸着剤としてアルミナを0.1g加え、室温で1h撹拌した。セライトろ過の後にTHF10mlでの洗浄後、溶媒留去した。アルミナ処理後の銅イオンの残存は150ppmであった。
[比較例101〜105]
実施例101〜116と同様に、比較例1〜5のブロック共重合体の各トルエン溶液を調製し、得られた溶液もガラス基板に塗布して、AFMの形状観察、溶液の目視観察、残存銅量の測定およびオキセタニル基の分解状況の測定を実施した。
残存銅量(銅イオン)の測定は群馬県立産業技術センター研究報告2010に記載の方法で求めた。オキセタニル基の分解状況の測定は1H−NMRにて求めた。
溶液の目視観察より、セライト処理を実施しないと銅触媒の残存が著しく溶液は青緑色を呈することがわかった。残存銅量の測定より、セライト濾過した後も、銅触媒は残存しており、比較例1〜5のブロック共重合体は、微量の金属コンタミを懸念する分野(例えば半導体用途)には利用することができないことがわかった。
また比較例102〜104はオキセタニル基の分解に起因するのか、明確なミクロ相分離構造を観察することができなかった。代表例として、比較例102で得られた膜のAFMの形状観察を図5に示す。
[比較例6]
特開2004−124088号公報に記載の実施例1にしたがって共重合体1を合成し、同文献の実施例5にしたがって共重合体1を用いたミクロ相分離構造膜を形成した。
比較例6で得られたブロック共重合体を用いたミクロ相分離構造膜に対して、各実施例で得られたブロック共重合体は、支持体上でリビング重合して形成することができ、ミクロ相分離構造膜を経済合理的に製造できることがわかった。
さらに、比較例6で得られたブロック共重合体を用いたミクロ相分離構造膜に対して、各実施例で得られたブロック共重合体およびミクロ相分離構造膜は、銅触媒が残存していないため、半導体用途などのコンタミネーションを厳密に抑制せねばならない分野における歩留まりの向上が期待される。
一方、比較例6で得られたブロック共重合体は、支持体上でミクロ相分離構造膜を製膜する前にあらかじめ溶液中で重合されており、特開2004−124088号公報に記載の方法では、支持体上でリビング重合してブロック共重合体およびミクロ相分離構造膜を経済合理的に製造することができないことがわかった。
[比較例7]
特開2010−116463号公報に記載の合成例3および実施例1にしたがって、ブロック共重合体およびそれを用いたミクロ相分離構造膜を形成した。
比較例7で得られたブロック共重合体を用いたミクロ相分離構造膜に対して、各実施例で得られたブロック共重合体は、支持体上でリビング重合して形成することができ、ミクロ相分離構造膜を経済合理的に製造できることがわかった。
さらに、比較例7で得られたブロック共重合体を用いたミクロ相分離構造膜に対して、各実施例で得られたブロック共重合体およびミクロ相分離構造膜は、保存安定性が良好であった。
一方、比較例7で得られたブロック共重合体は、支持体上でミクロ相分離構造膜を製膜する前にあらかじめ溶液中で重合されており、特開2010−116463号公報に記載の方法では、支持体上でリビング重合してブロック共重合体およびミクロ相分離構造膜を経済合理的に製造することができないことがわかった。
[比較例8]
特開2010−116466号公報に記載の合成例3および実施例1にしたがって、ブロック共重合体およびそれを用いたミクロ相分離構造膜を形成した。
比較例8で得られたブロック共重合体を用いたミクロ相分離構造膜に対して、各実施例で得られたブロック共重合体は、支持体上でリビング重合して形成することができ、ミクロ相分離構造膜を経済合理的に製造できることがわかった。
さらに、比較例8で得られたブロック共重合体を用いたミクロ相分離構造膜に対して、各実施例で得られたブロック共重合体およびミクロ相分離構造膜は、相分離構造を形成する時間が速く、エネルギー効率が良好であった。
一方、比較例8で得られたブロック共重合体は、支持体上でミクロ相分離構造膜を製膜する前にあらかじめ溶液中で重合されており、特開2010−116466号公報に記載の方法では、支持体上でリビング重合してブロック共重合体およびミクロ相分離構造膜を経済合理的に製造することができないことがわかった。
以上の各実施例および比較例の比較から、本発明のブロック共重合体は、薄膜を形成して所定の処理を行ったときに、良好なミクロ相分離構造膜を得られることがわかった。
また、本発明のブロック共重合体は、支持体上でリビング重合して製造することができ、ブロック共重合体およびミクロ相分離構造膜を経済合理的に製造できることがわかった。
さらに、実施例107〜116で得られたブロック共重合体およびミクロ相分離構造膜は、オキセタニル基の分解が生じておらず、保存安定性が良好であった。
なお、実施例101〜116で得られたブロック共重合体およびミクロ相分離構造膜では、銅イオンの残存量はブロック共重合体に対して5ppm以下であった。
11 送り出しロール
12 塗布装置
13 乾燥ゾーン
14 第一の熟成ゾーン
15 第二の熟成ゾーン
16 UV照射ゾーン
17 剥ぎ取りロール
18 巻取りロール
21 支持体
22 モノマー含有組成物
23 ミクロ相分離構造膜

Claims (27)

  1. アルキレンオキサイド鎖を含むポリマー成分(A)および炭素数2〜20のアルキレン鎖を含むポリマー成分(B)の互いに非相溶性のポリマーが共有結合によって結合したブロック共重合体であって、
    前記ポリマー成分(B)が炭素数6〜50のメソゲン側鎖を有しており、
    前記ブロック共重合体の少なくとも一方の末端が下記一般式(1)で表される基を有し、
    下記一般式(I−1)または(I−2)で表されることを特徴とするブロック共重合体。
    (一般式(1)中、*はブロック共重合体の主鎖への結合位置を表し、Z1は置換もしくは無置換のアリール基、置換もしくは無置換のアルキル基、置換もしくは無置換のチオアリール基、置換もしくは無置換のチオアルキル基、置換もしくは無置換のアミノ基、置換もしくは無置換のオキシアリール基、または置換もしくは無置換のオキシアルキル基を表す。)
    (一般式(I−1)および(I−2)中、nおよびmはそれぞれ独立に1〜500の整数を表し、L11およびL12はそれぞれ独立に単結合、アルキレン基、アリーレン基、アルケニレン基、アルキニンレン基、メタロセニレン基、−CO−N(R101)−、−CO−O−、−SO2−N(R102)−、−SO2−O−、−N(R103)−CO−N(R104)−、−SO2−、−SO−、−S−、−O−、−CO−、−N(R105)−、ヘテリレン基を1つまたはそれ以上組み合わせて構成される炭素数0〜100以下の連結基を表し(R101、R102、R103、R104、R105は、各々独立に、水素原子、置換または無置換のアルキル基、置換または無置換のアリール基を表す。ただし、L12は少なくとも炭素数2〜20のアルキレン基を含む。)、R1は水素原子またはメチル基を表し、R2はオキセタニル基、エポキシ基、アクリレート基、メタクリレート基、置換基を有していてもよいアルキル基または置換基を有していてもよいアルコキシ基を表し、Mは炭素数6〜50のメソゲン基を表し、Z3は置換もしくは無置換のアリール基、置換もしくは無置換のアルキル基を表す。但し、m個の繰り返し単位は互いに同一であっても異なっていてもよい。)
  2. アルキレンオキサイド鎖を含むポリマー成分(A)および炭素数2〜20のアルキレン鎖を含むポリマー成分(B)の互いに非相溶性のポリマーが共有結合によって結合したブロック共重合体であって、
    前記ポリマー成分(B)が炭素数6〜50のメソゲン側鎖を有しており、
    前記ブロック共重合体の少なくとも一方の末端が下記一般式(1)で表される基を有し、
    前記メソゲン側鎖が、前記メソゲン側鎖1本の中に少なくとも1個の、下記
    から選択される重合性基を有することを特徴とするブロック共重合体。
    (一般式(1)中、*はブロック共重合体の主鎖への結合位置を表し、Z1は置換もしくは無置換のアリール基、置換もしくは無置換のアルキル基、置換もしくは無置換のチオアリール基、置換もしくは無置換のチオアルキル基、置換もしくは無置換のアミノ基、置換もしくは無置換のオキシアリール基、または置換もしくは無置換のオキシアルキル基を表す。)
  3. アルキレンオキサイド鎖を含むポリマー成分(A)および炭素数2〜20のアルキレン鎖を含むポリマー成分(B)の互いに非相溶性のポリマーが共有結合によって結合したブロック共重合体であって、
    前記ポリマー成分(B)が炭素数6〜50のメソゲン側鎖を有しており、
    前記ブロック共重合体の少なくとも一方の末端が下記一般式(1)で表される基を有し、
    ミクロ相分離構造膜の形成用であり、
    前記ポリマー成分(A)および前記ポリマー成分(B)の連結部に、下記一般式(11)および(12)で表される2価の連結基のうち少なくとも一方を含むことを特徴とするブロック共重合体。
    (一般式(1)中、*はブロック共重合体の主鎖への結合位置を表し、Z1は置換もしくは無置換のアリール基、置換もしくは無置換のアルキル基、置換もしくは無置換のチオアリール基、置換もしくは無置換のチオアルキル基、置換もしくは無置換のアミノ基、置換もしくは無置換のオキシアリール基、または置換もしくは無置換のオキシアルキル基を表す。)
    (一般式(11)中、R11は、水素原子、置換または無置換のアルキル基(ただしメチル基を除く)、またはシアノ基を表す。)
  4. アルキレンオキサイド鎖を含むポリマー成分(A)および炭素数2〜20のアルキレン鎖を含むポリマー成分(B)の互いに非相溶性のポリマーが共有結合によって結合したブロック共重合体であって、
    前記ポリマー成分(B)が炭素数6〜50のメソゲン側鎖を有しており、
    前記ブロック共重合体の少なくとも一方の末端が下記一般式(1)で表される基を有し、
    支持体上でリビング重合されてなり、
    前記ポリマー成分(A)および前記ポリマー成分(B)の連結部に、下記一般式(11)および(12)で表される2価の連結基のうち少なくとも一方を含むことを特徴とするブロック共重合体。
    (一般式(1)中、*はブロック共重合体の主鎖への結合位置を表し、Z1は置換もしくは無置換のアリール基、置換もしくは無置換のアルキル基、置換もしくは無置換のチオアリール基、置換もしくは無置換のチオアルキル基、置換もしくは無置換のアミノ基、置換もしくは無置換のオキシアリール基、または置換もしくは無置換のオキシアルキル基を表す。)
    (一般式(11)中、R11は、水素原子、置換または無置換のアルキル基(ただしメチル基を除く)、またはシアノ基を表す。)
  5. 前記ポリマー成分(A)および前記ポリマー成分(B)の連結部に、下記一般式(11)および(12)で表される2価の連結基のうち少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項2に記載のブロック共重合体。
    (一般式(11)中、R11は、水素原子、置換または無置換のアルキル基(ただしメチル基を除く)、またはシアノ基を表す。)
  6. 下記一般式(I−1)または(I−2)で表されることを特徴とする請求項2〜5のいずれか一項に記載のブロック共重合体。
    (一般式(I−1)および(I−2)中、nおよびmはそれぞれ独立に1〜500の整数を表し、L11およびL12はそれぞれ独立に単結合、アルキレン基、アリーレン基、アルケニレン基、アルキニンレン基、メタロセニレン基、−CO−N(R101)−、−CO−O−、−SO2−N(R102)−、−SO2−O−、−N(R103)−CO−N(R104)−、−SO2−、−SO−、−S−、−O−、−CO−、−N(R105)−、ヘテリレン基を1つまたはそれ以上組み合わせて構成される炭素数0〜100以下の連結基を表し(R101、R102、R103、R104、R105は、各々独立に、水素原子、置換または無置換のアルキル基、置換または無置換のアリール基を表す。ただし、L12は少なくとも炭素数2〜20のアルキレン基を含む。)、R1は水素原子またはメチル基を表し、R2はオキセタニル基、エポキシ基、アクリレート基、メタクリレート基、置換基を有していてもよいアルキル基または置換基を有していてもよいアルコキシ基を表し、Mは炭素数6〜50のメソゲン基を表し、Z3は置換もしくは無置換のアリール基、置換もしくは無置換のアルキル基を表す。但し、m個の繰り返し単位は互いに同一であっても異なっていてもよい。)
  7. 前記メソゲン側鎖が、前記メソゲン側鎖1本の中に少なくとも1個の、下記から選択される重合性基を有することを特徴とする請求項1、3および4のいずれか一項に記載のブロック共重合体。
  8. ミクロ相分離構造膜の形成用であることを特徴とする請求項1、2、4および5のいずれか一項に記載のブロック共重合体。
  9. 支持体上でリビング重合されてなることを特徴とする請求項1〜3および5のいずれか一項に記載のブロック共重合体。
  10. 前記一般式(1)で表される基が、下記一般式(2)〜(5)のいずれかで表される基であることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載のブロック共重合体。
    (一般式(2)中、*はブロック共重合体の主鎖への結合位置を表し、Z2は置換もしくは無置換のアリール基、置換もしくは無置換のアルキル基を表す。)
    (一般式(3)中、*はブロック共重合体の主鎖への結合位置を表し、Z3は置換もしくは無置換のアリール基、置換もしくは無置換のアルキル基を表す。)
    (一般式(4)中、*はブロック共重合体の主鎖への結合位置を表し、Z4は置換もしくは無置換のアリール基、置換もしくは無置換のアルキル基を表し、Z5は置換もしくは無置換のアリール基、置換もしくは無置換のアルキル基を表す。)
    (一般式(5)中、*はブロック共重合体の主鎖への結合位置を表し、Z6は置換もしくは無置換のアリール基、置換もしくは無置換のアルキル基を表す。)
  11. 前記一般式(1)で表される基が、下記一般式(3)で表される基であることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載のブロック共重合体。
    (一般式(3)中、*はブロック共重合体の主鎖への結合位置を表し、Z3は置換もしくは無置換のアリール基、置換もしくは無置換のアルキル基を表す。)
  12. 前記一般式(3)中のZ3が、炭素数4〜20のアルキル基であることを特徴とする請求項10または11に記載のブロック共重合体。
  13. 前記一般式(1)中の*が、前記ポリマー成分(B)由来の構造の主鎖に結合することを特徴とする請求項1〜12のいずれか一項に記載のブロック共重合体。
  14. アルキレンオキサイド鎖を含むポリマー成分(A)および炭素数2〜20のアルキレン鎖を含むポリマー成分(B)の互いに非相溶性のポリマーが共有結合によって結合したブロック共重合体であって、
    前記ポリマー成分(B)が炭素数6〜50のメソゲン側鎖を有しており、
    前記ブロック共重合体の少なくとも一方の末端が水素原子であり、
    前記ポリマー成分(A)および前記ポリマー成分(B)の連結部に、下記一般式(11)で表される2価の連結基を含み、
    下記一般式(II−1)で表されることを特徴とするブロック共重合体。
    (一般式(11)中、R11は、水素原子、置換または無置換のアルキル基(ただしメチル基を除く)またはシアノ基を表す。)
    (一般式(II−1)中、nおよびmはそれぞれ独立に1〜500の整数を表し、L11およびL12はそれぞれ独立に単結合、アルキレン基、アリーレン基、アルケニレン基、アルキニンレン基、メタロセニレン基、−CO−N(R101)−、−CO−O−、−SO2−N(R102)−、−SO2−O−、−N(R103)−CO−N(R104)−、−SO2−、−SO−、−S−、−O−、−CO−、−N(R105)−、ヘテリレン基を1つまたはそれ以上組み合わせて構成される炭素数0〜100以下の連結基を表し(R101、R102、R103、R104、R105は、各々独立に、水素原子、置換または無置換のアルキル基、置換または無置換のアリール基を表す。ただし、L12は少なくとも炭素数2〜20のアルキレン基を含む。)、R1は水素原子またはメチル基を表し、R2はオキセタニル基、エポキシ基、アクリレート基、メタクリレート基、置換基を有していてもよいアルキル基または置換基を有していてもよいアルコキシ基を表し、Mは炭素数6〜50のメソゲン基を表す。但し、m個の繰り返し単位は互いに同一であっても異なっていてもよい。)
  15. アルキレンオキサイド鎖を含むポリマー成分(A)および炭素数2〜20のアルキレン鎖を含むポリマー成分(B)の互いに非相溶性のポリマーが共有結合によって結合したブロック共重合体であって、
    前記ポリマー成分(B)が炭素数6〜50のメソゲン側鎖を有しており、
    前記ブロック共重合体の少なくとも一方の末端が水素原子であり、
    前記ポリマー成分(A)および前記ポリマー成分(B)の連結部に、下記一般式(11)で表される2価の連結基を含み、
    前記メソゲン側鎖が、前記メソゲン側鎖1本の中に少なくとも1個の、下記
    から選択される重合性基を有することを特徴とするブロック共重合体。
    (一般式(11)中、R11は、水素原子、置換または無置換のアルキル基(ただしメチル基を除く)またはシアノ基を表す。)
  16. 下記一般式(II−1)で表されることを特徴とする請求項15に記載のブロック共重合体。
    (一般式(II−1)中、nおよびmはそれぞれ独立に1〜500の整数を表し、L11およびL12はそれぞれ独立に単結合、アルキレン基、アリーレン基、アルケニレン基、アルキニンレン基、メタロセニレン基、−CO−N(R101)−、−CO−O−、−SO2−N(R102)−、−SO2−O−、−N(R103)−CO−N(R104)−、−SO2−、−SO−、−S−、−O−、−CO−、−N(R105)−、ヘテリレン基を1つまたはそれ以上組み合わせて構成される炭素数0〜100以下の連結基を表し(R101、R102、R103、R104、R105は、各々独立に、水素原子、置換または無置換のアルキル基、置換または無置換のアリール基を表す。ただし、L12は少なくとも炭素数2〜20のアルキレン基を含む。)、R1は水素原子またはメチル基を表し、R2はオキセタニル基、エポキシ基、アクリレート基、メタクリレート基、置換基を有していてもよいアルキル基または置換基を有していてもよいアルコキシ基を表し、Mは炭素数6〜50のメソゲン基を表す。但し、m個の繰り返し単位は互いに同一であっても異なっていてもよい。)
  17. 前記メソゲン側鎖が、前記メソゲン側鎖1本の中に少なくとも1個の、下記から選択される重合性基を有することを特徴とする請求項14に記載のブロック共重合体。
  18. ミクロ相分離構造膜の形成用であることを特徴とする請求項14〜17のいずれか一項に記載のブロック共重合体。
  19. 支持体上でリビング重合されてなることを特徴とする請求項14〜18のいずれか一項に記載のブロック共重合体。
  20. 前記ポリマー成分(B)が炭素数6〜50のメソゲン側鎖を有するポリ((メタ)アクリレート)であることを特徴とする請求項1〜19のいずれか一項に記載のブロック共重合体。
  21. 前記ポリマー成分(A)が、ポリアルキレンオキシ構造を含むことを特徴とする請求項1〜20のいずれか一項に記載のブロック共重合体。
  22. 前記ブロック共重合体の数平均分子量Mnが1000〜100000であることを特徴とする請求項1〜21のいずれか一項に記載のブロック共重合体。
  23. 請求項1〜13のいずれか一項に記載のブロック共重合体の末端の前記一般式(1)で表される基を水素原子に変換する工程を含むことを特徴とするブロック共重合体の製造方法。
  24. 請求項14〜19のいずれか一項に記載のブロック共重合体を製造することを特徴とする請求項23に記載のブロック共重合体の製造方法。
  25. 請求項1〜22のいずれか一項に記載のブロック共重合体を支持体上で熱、光、溶媒蒸気または電場により相分離を促進させ、ミクロ相分離構造を形成する工程を含むことを特徴とするミクロ相分離構造膜の製造方法。
  26. 請求項1〜22のいずれか一項に記載のブロック共重合体を溶解可能な溶媒に溶解されたブロック共重合体溶液を調製する工程と、
    前記ブロック共重合体溶液を支持体表面に塗布する工程と、
    前記溶媒を蒸発させて前記ブロック共重合体のミクロ相分離構造膜を形成する工程を有することを特徴とするミクロ相分離構造膜の製造方法。
  27. 請求項1〜22のいずれか一項に記載のブロック共重合体またはその架橋重合体を含有することを特徴とするミクロ相分離構造膜。
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