JP6179839B1 - ケイ素ドープ金属酸化物粒子、及びケイ素ドープ金属酸化物粒子を含む紫外線吸収用組成物 - Google Patents
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Abstract
Description
上記ケイ素ドープ金属酸化物粒子を分散媒に分散させた分散液において、波長200nmから380nmの範囲における平均モル吸光係数が、ケイ素をドープしていない同種の金属酸化物粒子に比して向上されたケイ素ドープ金属酸化物粒子である。
上記ケイ素をドープしていない同種の金属酸化物粒子を分散媒に分散させた分散液の波長200nmから380nmの範囲における平均モル吸光係数に対して、上記ケイ素ドープ金属酸化物粒子の上記波長の範囲における平均モル吸光係数の上昇率を制御されたケイ素ドープ金属酸化物粒子であることが好ましい。
上記ケイ素ドープ金属酸化物粒子を分散媒に分散させた分散液において、波長200nmから380nmの範囲における平均モル吸光係数が、1500L/(mol・cm)以上であることが好ましい。
上記ケイ素ドープ金属酸化物粒子を分散媒に分散させた分散液において、波長200nmから380nmの範囲における平均モル吸光係数が、650L/(mol・cm)以上であることが好ましい。
上記ケイ素ドープ金属酸化物粒子を分散媒に分散させた分散液において、波長200nmから380nmの範囲における平均モル吸光係数が、4000L/(mol・cm)以上であることが好ましい。
本発明に係るケイ素ドープ金属酸化物粒子は、上記ケイ素ドープ金属酸化物粒子に含まれる金属元素(M)に対するケイ素(Si)の比率を制御することで波長200nmから380nmの範囲における平均モル吸光係数が制御されたケイ素ドープ金属酸化物粒子であり、本発明に係るケイ素ドープ金属酸化物粒子を、塗膜や塗装体若しくは人体の皮膚等に塗布する目的の組成物、又はガラス等に用いる目的のためのフィルム状組成物に用いた場合には、意匠性又は美観や質感を損なわないだけでなく効果的に発色することも可能であるため、被塗布物に対して効果的に用いることができる塗布用又はフィルム状酸化物組成物を提供できる。
本発明に係るケイ素ドープ金属酸化物粒子は、反応、晶析、析出、共沈等の方法で得られた金属酸化物にケイ素が含まれる、ケイ素ドープ金属酸化物粒子である。上記金属元素(M)としては、化学周期表上における金属元素が挙げられる。これらの金属元素については、金属酸化物を構成する金属として異なる複数の金属元素からなるケイ素ドープ金属酸化物粒子や、金属元素と半金属元素とを含むケイ素ドープ金属酸化物粒子であってもよい。本発明における半金属元素は、特に限定されないが、好ましくは、Ge、As、Sb、Te、Se等の半金属元素を挙げることができる。
本発明に係るケイ素ドープ金属酸化物粒子は、酸化物によってのみ構成されるものに限定されるものではない。本発明のケイ素ドープ金属酸化物粒子は、本発明に影響を与えない程度に酸化物以外の化合物を含むものとしても実施できる。例えば、酸化物に酸化物以外の化合物を含む粒子にケイ素がドープされたケイ素ドープ金属酸化物粒子や、表面の少なくとも一部を酸化物や酸化物以外の化合物によって被覆された粒子にケイ素がドープされたケイ素ドープ金属酸化物粒子としても実施できる。上記酸化物以外の化合物としては、水酸化物や窒化物、炭化物、硝酸塩や硫酸塩等の各種塩類、及び水和物や有機溶媒和物を挙げることができる。
本発明のケイ素ドープ金属酸化物粒子の一例として、後述する実施例1−1で得られた、酸化鉄にケイ素をドープされた、ケイ素ドープ酸化鉄粒子について示す。図1は、実施例1−1で得られたケイ素ドープ酸化鉄粒子のSTEMを用いたマッピング結果である。図1において、(a)は明視野像(BF像)であり、(b)はケイ素(Si)、(c)は鉄(Fe)、(d)は酸素(O)のそれぞれのマッピング結果である。図1に見られるように、粒子の全体にケイ素と鉄と酸素とが検出されており、ケイ素と鉄とがランダムに検出されている。図2は、図1のBF像において、破線を施した位置での線分析の結果であり、粒子の端から端までの線部分において検出された元素の原子%(モル%)を示した結果である。図2に見られるように、酸素及び鉄は、線分析における分析範囲の両端まで検出された。図1のBF像において、結晶格子の干渉縞が確認された部位においても明確にSiが検出されているため、酸化鉄の結晶にSiが取り込まれている状態、すなわち粒子の内部にSiが含まれていることが考えられる。また線分析の結果より、ケイ素が粒子の内部において、一部検出されていない箇所があり(図2の線分析において、Siが0原子%である部位)、さらに粒子の表面の部位において、鉄よりもケイ素の方が高い原子%として検出されており、粒子の表面の一部又は全部がケイ素に被覆されていることがわかる。すなわち、ケイ素は粒子の内部にドープされて含まれているが、主には、粒子の表層に存在することがわかる。さらに(e)は、(a)の明視野像をさらに拡大して観察した結果(観察倍率5000万倍)であり、結晶格子の明確な歪と、破線を施した部位のような欠損部位が観察されている。図3に後述する実施例1−2で得られたケイ素ドープ酸化鉄粒子のSTEMを用いたマッピング結果を、図4に図3の暗視野像(HAADF像)における破線を施した位置での線分析の結果を示す。図3、4に見られるように、実施例1−2で得られた粒子は、実施例1−1で得られた粒子とは異なり、粒子の全体にケイ素と酸素と鉄とを含むケイ素ドープ酸化鉄である。実施例1−1と同様に、ケイ素と鉄とがランダムに検出されており、結晶格子の干渉縞が確認された部位においても明確にSiが検出されているため、酸化鉄の結晶にSiが取り込まれている状態、すなわち粒子の内部にSiがドープされて含まれていることが考えられる。
モル吸光係数は、紫外可視吸収スペクトル測定における、吸光度と測定試料中の測定対象となる物質のモル濃度より、以下の(式1)にて算出可能である。
ε=A/(c・l) (式1)
ここで、εは物質固有の定数で、モル吸光係数と言い、1cmの厚みをもつ1mol/Lの分散液の吸光度であるため、単位はL/(mol・cm)である。Aは紫外可視吸収スペクトル測定における吸光度であり、cは試料のモル濃度(mol/L)である。lは光が透過する長さ(光路長)(cm)であり、通常は紫外可視吸収スペクトルを測定する際のセルの厚みである。本発明においては、波長200nmから380nmの紫外線領域の光線を吸収する能力を示すために、波長200nmから380nmの測定波長領域における複数の波長に対するモル吸光係数の単純平均を算出し、「平均モル吸光係数」として評価した。
また本発明のケイ素ドープ金属酸化物粒子は、上記ケイ素ドープ金属酸化物粒子の波長200nmから380nmの領域における平均モル吸光係数について、上記ケイ素をドープしていない金属酸化物粒子の同波長領域における平均モル吸光係数に対する上昇率である「平均モル吸光係数上昇率」が制御されたケイ素ドープ金属酸化物粒子であることが好ましい。
図6に上記実施例1−1及びケイ素ドープ金属酸化物粒子に含まれる鉄(Fe)に対するケイ素(Si)のモル比(Si/Fe(モル比))を変更して作製した実施例1−1から実施例1−4で得られたケイ素ドープ酸化鉄粒子、並びに比較例1で得られたケイ素をドープしていない酸化鉄粒子をプロピレングリコールに分散させて得られた分散液のモル吸光係数のグラフを示す。なお、上記実施例1−1から実施例1−4で得られたケイ素ドープ酸化鉄粒子、及び比較例1で得られた酸化鉄粒子の平均一次粒子径は、全ての条件において9.5nmから10nmの範囲であり、比表面積を一定と考えることができるものである。図6に見られるように、ケイ素をドープしていない酸化鉄粒子(比較例1)に比して、ケイ素ドープ酸化鉄粒子の波長200nmから380nmの範囲におけるモル吸光係数が上昇していることがわかる。本発明のケイ素ドープ金属酸化物粒子は、当該ケイ素ドープ金属酸化物粒子を分散媒に分散させて得られた分散液における波長200nmから380nmの範囲における平均モル吸光係数が、上記ケイ素ドープ金属酸化物粒子に含まれるケイ素以外の金属元素のみからなる酸化物粒子に比して上昇しているケイ素ドープ金属酸化物粒子であり、好ましくはケイ素ドープ金属酸化物粒子を分散媒に分散させて得られた分散液における波長200nmから380nmの範囲における平均モル吸光係数上昇率が、110%以上に制御されたケイ素ドープ金属酸化物粒子である。
本発明のケイ素ドープによる金属酸化物粒子のモル吸光係数の上昇の要因は定かではないが、本来、物質の光の吸収は物質固有のエネルギー順位に従う電子遷移に基づいて、特定の波長の光線(光エネルギー)を吸収するものとされているが、金属酸化物粒子にケイ素がドープされることによって、結晶格子の歪の発生や、−金属−酸素−ケイ素−のランダムな組み合わせによる新たな結合の発生、又は酸素の欠損部位や金属若しくはケイ素の欠損部位等が発生し、それによって金属酸化物粒子が本来から持つエネルギー順位とは似て非なるエネルギー順位が生じることによる光吸収能の増大(エネルギー順位数の増大)や、粒子の表層近傍でしか吸収されていなかった光が粒子の内部にまで入る込むことを可能にしたことによる光吸収能の増大(素材の光吸収効率の増大)が、ケイ素をドープすることによって金属酸化物粒子のモル吸光係数が上昇したこと、すなわち同光線量に対する光吸収効率の増大の要因であると本願出願人は考えている。
本発明においては、ケイ素ドープ金属酸化物粒子の一次粒子径が好ましくは1nm以上100nm以下、より好ましくは1nm以上50nm以下である。上述したようにケイ素ドープ金属酸化物粒子に含まれる金属元素及びケイ素が複合的に酸化物を構成することによって当該酸化物粒子のモル吸光係数を上昇させることや、粒子の表面がモル吸光係数の上昇に与える影響が大きいこと等が想定できるため、一次粒子径が100nm以下のケイ素ドープ金属酸化物粒子は、一次粒子径が100nmを超えるケイ素ドープ金属酸化物粒子に比べて表面積が増大されており、ケイ素ドープ金属酸化物粒子における金属元素(M)に対するケイ素(Si)の比率(モル比)を制御することによる当該ケイ素ドープ金属酸化物粒子の平均モル吸光係数に与える影響が大きいことが考えられる。そのため一次粒子径が100nm以下の酸化物粒子にあっては、ケイ素ドープ金属酸化物粒子に含まれる金属元素(M)に対するケイ素(Si)のモル比を制御することで、所定の平均モル吸光係数(特に、塗布物又はフィルム状として用いるのに好適な平均モル吸光係数)を好適に発揮させることができる利点がある。
本発明においては、ケイ素ドープ金属酸化物粒子の表面の少なくとも一部を各種化合物によって被覆してもよい。一例として、酸化アルミニウム等のアルミニウム化合物、リン酸カルシウム、アパタイト等のカルシウム化合物、酸化チタン等のチタン化合物や、酸化ケイ素等のケイ素化合物等が挙げられる。それらの被覆によって、本発明の平均モル吸光係数の制御に加えて、反射特性や透過特性、色相等の色特性の制御を行うことも可能であるし、本発明の制御方法だけでは不可能な範囲にまで平均モル吸光係数を制御することも可能である。また必要に応じて粒子の表面への被覆を行うことによって、波長200nmから380nmの範囲におけるモル吸光係数が上昇することよって増大された光触媒能から塗装体に含まれる樹脂等を防御することも可能である。なお、被覆されたケイ素ドープ金属酸化物粒子においても、ケイ素ドープ金属酸化物粒子自体の一次粒子径が100nm以下であることが好ましく、50nm以下であることがより好ましい。ケイ素ドープ金属酸化物粒子が複数個のケイ素ドープ金属酸化物粒子が凝集した凝集体から構成される場合、その凝集体の大きさが100nm以下であることが好ましく、50nm以下であることがより好ましい。
本発明に係るケイ素ドープ金属酸化物粒子の製造方法の一例として、ケイ素ドープ金属酸化物粒子の原料を少なくとも含む酸化物原料液と、ケイ素ドープ金属酸化物粒子を析出させるための酸化物析出物質を少なくとも含む酸化物析出溶媒とを用意し、酸化物原料液と酸化物析出溶媒とを混合させた混合流体中で、反応、晶析、析出、共沈等の方法で、酸化物粒子を製造する方法を用いることが好ましい。また、ケイ素ドープ金属酸化物粒子に含まれる金属元素及びケイ素は、上記酸化物原料液に一緒に含まれていてもよく、酸化物原料液と酸化物析出溶媒にそれぞれ含まれていてもよく、酸化物原料液と酸化物析出溶媒の両者に含まれていてもよい。
本発明におけるケイ素ドープ金属酸化物粒子の原料としては、特に限定されない。反応、晶析、析出、共沈等の方法で酸化物となるものであれば実施できる。例えば金属若しくはケイ素の単体、又は化合物が例示できる。また、本発明において、上記の金属又はケイ素の化合物を化合物と総称する。化合物としては特に限定されないが、一例を挙げると、金属又はケイ素の塩や酸化物、水酸化物、水酸化酸化物、窒化物、炭化物、錯体、有機塩、有機錯体、有機化合物やそれらの水和物、有機溶媒和物等が挙げられる。金属又はケイ素の塩としては、特に限定されないが、金属又は半金属の硝酸塩や亜硝酸塩、硫酸塩や亜硫酸塩、蟻酸塩や酢酸塩、リン酸塩や亜リン酸塩、次亜リン酸塩や塩化物、オキシ塩やアセチルアセトナート塩やそれらの水和物、有機溶媒和物等が挙げられ、有機化合物としては金属又はケイ素のアルコキシド等が挙げられる。以上、これらの金属又はケイ素の化合物は単独で使用してもよく、複数以上の混合物として使用してもよい。
また、ケイ素を含む原料の一例として、ケイ素の酸化物や水酸化物、その他ケイ素の塩やアルコキシド等の化合物やそれらの水和物が挙げられる。特に限定されないが、ケイ酸ナトリウム等のケイ酸塩や、フェニルトリメトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3−トリフルオロプロピル−トリメトキシシラン、メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン、テトラメトキシシラン(TMOS)、テトラエトキシシラン(TEOS)、及びTEOSのオリゴマ縮合物、例えば、エチルシリケート40、テトライソプロピルシラン、テトラプロポキシシラン、テトライソブトキシシラン、テトラブトキシシラン、及び同様の物質が挙げられる。さらにケイ素化合物の原料として、その他のシロキサン化合物、ビス(トリエトキシシリル)メタン、1、9−ビス(トリエトキシシリル)ノナン、ジエトキシジクロロシラン、トリエトキシクロロシラン等を用いてもかまわない。本発明におけるケイ素ドープ金属酸化物粒子は、ケイ素ドープ金属酸化物粒子を構成する金属元素(M)に対するケイ素(Si)のモル比が0.01以上1.00以下であることが好ましい。
上記酸化物析出物質としては、酸化物原料液に含まれるケイ素ドープ金属酸化物粒子の原料をケイ素ドープ金属酸化物粒子として析出させることができる物質であれば、特に限定されず、例えば、酸性物質又は塩基性物質を用いることができる。少なくとも酸化物析出物質を後述する溶媒に混合・溶解・分子分散させた状態で用いることが好ましい。
塩基性物質としては、水酸化ナトリウムや水酸化カリウム等の金属水酸化物、ナトリウムメトキシドやナトリウムイソプロポキシドのような金属アルコキシド、トリエチルアミン、ジエチルアミノエタノールやジエチルアミン等のアミン系化合物やアンモニア等が挙げられる。
酸性物質としては、王水、塩酸、硝酸、発煙硝酸、硫酸、発煙硫酸等の無機酸や、ギ酸、酢酸、クロロ酢酸、ジクロロ酢酸、シュウ酸、トリフルオロ酢酸、トリクロロ酢酸、クエン酸等の有機酸が挙げられる。
酸化物原料液、酸化物析出溶媒に用いる溶媒としては、例えば水や有機溶媒、又はそれらの複数からなる混合溶媒が挙げられる。上記水としては、水道水、イオン交換水、純水、超純水、RO水(逆浸透水)等が挙げられ、有機溶媒としては、アルコール化合物溶媒、アミド化合物溶媒、ケトン化合物溶媒、エーテル化合物溶媒、芳香族化合物溶媒、二硫化炭素、脂肪族化合物溶媒、ニトリル化合物溶媒、スルホキシド化合物溶媒、ハロゲン化合物溶媒、エステル化合物溶媒、イオン性液体、カルボン酸化合物、スルホン酸化合物等が挙げられる。上記の溶媒はそれぞれ単独で使用してもよく、又は複数を混合して使用してもよい。アルコール化合物溶媒としては、メタノールやエタノール等の1価アルコールや、エチレングリコールやプロピレングリコール等のポリオール等が挙げられる。
本発明においては、ケイ素ドープ金属酸化物粒子の作製に悪影響を及ぼさない範囲において、目的や必要に応じて各種の分散剤や界面活性剤を用いてもよい。特に限定されないが、分散剤や界面活性剤としては一般的に用いられる様々な市販品や、製品又は新規に合成したもの等を使用できる。一例として、陰イオン性界面活性剤、陽イオン性界面活性剤、非イオン性界面活性剤や、各種ポリマー等の分散剤等を挙げることができる。これらは単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。上記の界面活性剤及び分散剤は、酸化物原料液、酸化物析出溶媒の少なくともいずれか1つの流体に含まれていてもよい。また、上記の界面活性剤及び分散剤は、酸化物原料液、酸化物析出溶媒とも異なる、別の流体に含まれていてもよい。
本発明においては、上述したとおり上記ケイ素ドープ金属酸化物粒子に含まれる金属元素及びケイ素は、少なくとも粒子の内部に存在することが好ましく、析出等によってケイ素ドープ金属酸化物粒子を製造するに際して、異なる複数の元素の酸化物を実質的に同時に析出させることによって、ケイ素ドープ金属酸化物粒子を作製することが好ましい。例えば、液相法によってケイ素ドープ酸化鉄粒子を作製する方法の一例として、酸化鉄(α-Fe2O3)の原料として硝酸鉄九水和物とドープするためのケイ素の原料としてケイ素化合物の一つであるテトラエチルオルトシリケート(TEOS)とを酸性水溶液中に溶解した酸化物原料液と、水酸化ナトリウムのようなアルカリ金属水酸化物の水溶液である酸化物析出溶媒とを混合してケイ素ドープ金属酸化物粒子であるケイ素ドープ酸化鉄粒子を析出させる場合においては、pHが1から2付近又は1未満である酸化物原料液に、pHが14以上のような酸化物析出溶媒を混合してケイ素ドープ酸化鉄粒子を析出させる必要がある。ケイ素を含む酸化物はpH7から12の範囲において析出し易く、酸化鉄はpHが6以上の範囲において析出し易いが、例えば酸性である酸化物原料液に塩基性である酸化物析出溶媒を徐々に滴下した場合には、上記酸化物原料液と酸化物析出溶媒の混合液のpHも徐々に酸性から塩基性に変化することとなるために、例えばpH6付近となった時点で酸化鉄が析出し(析出し始め)、その後pHが7付近となった時点でケイ素酸化物が析出するような、酸化鉄粒子とケイ素酸化物粒子が段階的に析出することが考えられ、その場合にあっては粒子の内部に金属元素とケイ素を含むケイ素ドープ金属酸化物粒子を作製することが困難となる。上記混合液を酸化鉄、ケイ素酸化物の何れもが析出するpHに瞬間的に調整することによって、見かけ上の析出を同時とできるために、少なくとも粒子の内部にケイ素及び鉄の両方を含むケイ素ドープ金属酸化物粒子を作製するための前提条件を整えることが可能となる。
本発明に係るケイ素ドープ金属酸化物粒子の製造方法の一例としては、例えば、マイクロリアクターを用いたり、バッチ容器内で希薄系での反応を行う等してケイ素ドープ金属酸化物粒子を作製する等の方法が挙げられる。またケイ素ドープ金属酸化物粒子を作製するために、本願出願人によって提案された特開2009−112892号公報にて記載されたような装置及び方法を用いてもよい。特開2009−112892号公報に記載の装置は、断面形状が円形である内周面を有する攪拌槽と、該攪拌槽の内周面と僅かな間隙を在して付設される攪拌具とを有し、攪拌槽には、少なくとも二箇所の流体入口と、少なくとも一箇所の流体出口とを備え、流体入口のうち一箇所からは、被処理流体のうち、反応物の一つを含む第一の被処理流体を攪拌槽内に導入し、流体入口のうちで上記以外の一箇所からは、前記反応物とは異なる反応物の一つを含む第二の被処理流体を、上記第一の被処理流体とは異なる流路より攪拌槽内に導入するものであり、攪拌槽と攪拌具の少なくとも一方が他方に対し高速回転することにより被処理流体を薄膜状態とし、この薄膜中で少なくとも上記第一の被処理流体と第二の被処理流体とに含まれる反応物同士を反応させるものであり、三つ以上の被処理流体を攪拌槽に導入するために、同公報の図4及び5に示すように導入管を三つ以上設けてもよいことが記載されている。また上記マイクロリアクターの一例としては、特許文献6、7に記載の流体処理装置と同様の原理の装置が挙げられる。その他、粗大なケイ素ドープ金属酸化物をビーズミル等の粉砕法を用いる等の方法でケイ素ドープ金属酸化物粒子を作製してもよい。
本発明の紫外線吸収用組成物の一例である塗布用ケイ素ドープ金属酸化物組成物又はフィルム状ケイ素ドープ金属酸化物組成物は、特開2014−042891号公報、特開2014−042892号公報、及び特開2016−107427号公報に記載のものの他、特に限定されるものではなく、例えば溶剤系塗料、水性塗料等種々の塗装を目的とした塗布用又はフィルム状組成物に適用することができる。上記塗布用酸化物組成物は、必要に応じて、顔料、染料の他、湿潤剤、分散剤、色分れ防止剤、レベリング剤、粘度調整剤、皮張り防止剤、ゲル化防止剤、消泡剤増粘剤、タレ防止剤、防カビ剤、紫外線吸収剤、成膜助剤、界面活性剤、樹脂成分等の添加剤を、適宜、目的に応じてさらに含むことができる。塗装を目的とする場合の樹脂成分としては、ポリエステル系樹脂、メラミン系樹脂、フェノール系樹脂、エポキシ系樹脂、塩化ビニル系樹脂、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂、シリコン系樹脂、フッ素系樹脂等を例示し得る。本発明の塗布用ケイ素ドープ金属酸化物組成物が含まれる塗料が適用される塗布物としては、単一の塗料組成物から構成される単層の塗布物であってもよく、特開2014−042891号公報や特開2014−042892号公報、及び特開2016−107427号公報に記載のような積層塗膜用途のように、複数の塗料組成物から構成される複数層の塗布物であってもよく、また、顔料が含まれる塗料に含めて実施することもできるし、クリアー塗料等の塗料に含めて実施することもできる。上記フィルム状組成物を目的とする場合には、必要に応じてバインダー樹脂や硬化剤、硬化触媒やレベリング剤、界面活性剤やシランカップリング剤、消泡剤や顔料又は染料のような着色剤、酸化防止剤等を含有することができる。
本発明に係る塗布用ケイ素ドープ金属酸化物組成物又はフィルム状ケイ素ドープ金属酸化物組成物は、酸化物粒子の粉末;液状の分散媒にケイ素ドープ金属酸化物粒子を分散させた分散体;及びガラスや樹脂等の固体(又は固化する前の液体等)にケイ素ドープ金属酸化物粒子を分散させた分散体等のケイ素ドープ金属酸化物粒子を含むものである。上記塗布用ケイ素ドープ金属酸化物組成物又はフィルム状ケイ素ドープ金属酸化物組成物に含まれるケイ素ドープ金属酸化物粒子は、1個のケイ素ドープ金属酸化物粒子から構成されていてもよく、複数個のケイ素ドープ金属酸化物粒子が凝集した凝集体から構成されていてもよく、両者の混合物であってもよい。複数個のケイ素ドープ金属酸化物粒子が凝集した凝集体から構成される場合、その凝集体の大きさが100nm以下であることが好ましく、50nm以下であることがより好ましい。また、上記ケイ素ドープ金属酸化物組成物は、各種の顔料とともに、化粧料や塗料に分散して使用してもよいし、塗膜にオーバーコートしてもよい。さらに、ケイ素ドープ金属酸化物粒子を単独の顔料として用いることもできる。液状である分散媒としては、水道水、蒸留水、RO水(逆浸透水)、純水、超純水等の水;メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等のアルコール系溶媒;プロピレングリコール、エチレングリコール、ジエチレングリコールやグリセリン等の多価アルコール系溶媒;酢酸エチル、酢酸ブチル等のエステル系溶媒;ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族系溶媒;アセトン、メチルエチルケトン等のケトン系溶媒;アセトニトリル等のニトリル系溶媒;シリコーンオイルや植物オイル、ワックス等が挙げられる。これらは単独で使用してもよいし、複数を混合して使用してもよい。
塗布物又はフィルムやガラスの色としては、特に限定されず、目的の色相に対して本発明の塗布用ケイ素ドープ金属酸化物組成物又はフィルム状組成物を用いることができる。白色系やグレー系、又は黒色系、例えばマンセル表色系における明度10の白色から明度0の黒色を備えた色や、赤色系、例えばマンセル色相環でRPからYRの色相を備えた色や、黄色から緑色系、例えばマンセル色相環でYからBGの色相を備えた色や、青色から紫色系、例えばマンセル色相環でBからPの色素を備えた色(それぞれ、メタルカラーを含む)の塗布物に用いられる塗布用組成物に好適に配合することができるが、これに限るものはなく、他の色相の色であってもかまわない。また、特にそれらの色を呈する塗膜や塗装体のトップコートに、本発明のケイ素ドープ金属酸化物粒子を含む塗布用組成物を用いることによって、各色の発色を損なうことを著しく低減できるため、塗装体の意匠性を向上することができるために好適である。塗布用組成物に必要に応じて含まれる顔料や染料は、種々の顔料や染料を用いることができ、例えばカラーインデックスに登録される全ての顔料や染料を用いることができる。その中でも例えば、緑色を構成する顔料にあってはC.I.Pigment Greenに分類される顔料並びに染料、青色を構成する顔料にあっては、C.I.Pigment Blueに分類される顔料並びに染料、白色を構成する顔料にあってはC.I.Pigment Whiteに分類される顔料並びに染料、黄色を構成する顔料にあってはC.I.Pigment Yellowに分類される顔料並びに染料、赤色を構成する顔料や染料にあっては、カラーインデックスにおいてC.I.Pigment Redに分類される顔料並びに染料、C.I.Pigment VioletやC.I.Pigment Orangeに分類される顔料並びに染料等が挙げられる。より具体的にはC.I.Pigment Red 122やC.I.Pigment Violet19のようなキナリドン系顔料やC.I.Pigment Red 254やC.I.Pigment Orange73のようなジケトピロロピロール系顔料、C.I.Pigment Red 150やC.I.Pigment Red 170のようなナフトール系顔料やC.I.PigmentRed 123やC.I.Pigment Red179のようなペリレン系顔料やC.I.Pigment Red 144のようなアゾ系顔料等が挙げられる。これらの顔料並びに染料は、単独で用いてもよいし、複数を混合して使用してもよい。なお、本発明のケイ素ドープ金属酸化物組成物は、上記顔料及び染料等と混合せずに単独で塗布用又はフィルム状組成物に配合することも可能である。本発明に係る塗布用組成物に上記ケイ素ドープ金属酸化物粒子を含むことによって、より彩度が高く、例えば特開2014−042891号公報や特開2014−042892号公報、及び特開2016−107427号公報に記載されるような積層塗装に用いる場合のハイライトとシェードの差が大きい塗布物を構成でき、シェードにおいて白ボケを起こさず、漆黒度を高めてシャープな金属質感を得ること等が可能となるため、好適である。また建物や乗り物、ディスプレイ等に用いられるガラス等の透明基材に用いるためのフィルム状組成物に上記ケイ素ドープ金属酸化物粒子を含むことによって、紫外線を効果的に吸収することができるために人体への安全性を高め、建物や乗り物内の有機物等の分解を抑制でき、また使用量の低減やそれによって可視光線に対しても高い透過特性を得ることが可能となるために透明感の高いフィルム又はガラスとできるため、好適である。
実施例で得られたケイ素ドープ金属酸化物粒子のウェットケーキサンプルの一部をプロピレングリコールに分散させ、更にイソプロピルアルコール(IPA)で100倍に希釈した。得られた希釈液をコロジオン膜又はマイクログリッドに滴下して乾燥させて、TEM観察用試料又はSTEM観察用試料とした。
TEM−EDS分析による酸化物粒子の観察及び定量分析には、エネルギー分散型X線分析装置、JED−2300(日本電子株式会社製)を備えた透過型電子顕微鏡、JEM−2100(日本電子株式会社製)を用いた。観察条件としては、加速電圧を80kV、観察倍率を2万5千倍以上とした。TEMによって観察されたケイ素ドープ金属酸化物粒子の最大外周間の距離より粒子径を算出し、100個の粒子について粒子径を測定した結果の平均値(平均一次粒子径)を算出した。TEM−EDSによって、ケイ素ドープ金属酸化物を構成する元素成分のモル比を算出し、10個以上の粒子についてモル比を算出した結果の平均値を算出した。
STEM−EDS分析による、酸化物粒子中に含まれる元素のマッピング及び定量には、エネルギー分散型X線分析装置、Centurio(日本電子株式会社製)を備えた、原子分解能分析電子顕微鏡、JEM−ARM200F(日本電子株式会社製)を用いた。観察条件としては、加速電圧を80kV、観察倍率を5万倍以上とし、直径0.2nmのビーム径を用いて分析した。
X線回折(XRD)測定には、粉末X線回折測定装置 EMPYREAN(スペクトリス株式会社PANalytical事業部製)を使用した。測定条件は、測定範囲:10から100[°2Theta] Cu対陰極、管電圧45kV、管電流40mA、走査速度0.3°/minとした。各実施例で得られた酸化物粒子の乾燥粉体を用いてXRD測定を行った。
吸収スペクトルは、紫外可視近赤外分光光度計(製品名:V−770、日本分光株式会社製)を使用した。測定範囲は200nmから800nmとし、サンプリングレートを0.2nm、測定速度を低速として測定した。モル吸光係数は、吸収スペクトルを測定後、測定結果から得られた吸光度と分散液の酸化物濃度より、各測定波長におけるモル吸光係数を算出し、横軸に測定波長、縦軸にモル吸光係数を記載したグラフとした。測定には、厚み1cmの液体用セルを用いた。また、波長200nmから380nmの複数の測定波長におけるモル吸光係数を単純平均し、平均モル吸光係数を算出した。
以下、実施例1においては、ケイ素ドープ金属酸化物粒子として酸化鉄粒子の少なくとも内部にケイ素を含むケイ素ドープ酸化鉄粒子について記載する。高速回転式分散乳化装置であるクレアミックス(製品名:CLM−2.2S、エム・テクニック株式会社製)を用いて、酸化物原料液(A液)、酸化物析出溶媒(B液)を調製した。具体的には表1の実施例1に示す酸化物原料液の処方に基づいて、酸化物原料液の各成分を、クレアミックスを用いて、調製温度40℃、ローター回転数を20000rpmにて30分間攪拌することにより均質に混合し、酸化物原料液を調製した。また、表1の実施例1に示す酸化物析出溶媒の処方に基づいて、酸化物析出溶媒の各成分を、クレアミックスを用いて、調製温度45℃、ローターの回転数15000rpmにて30分間攪拌することにより均質に混合し、酸化物析出溶媒を調製した。
なお、表1に記載の化学式や略記号で示された物質については、60wt% HNO3は濃硝酸(キシダ化学株式会社製)、NaOHは水酸化ナトリウム(関東化学株式会社製)、TEOSはテトラエチルオルトシリケート(和光純薬工業株式会社製)、Fe(NO3)3・9H2Oは硝酸鉄九水和物(関東化学株式会社製)を使用した。また、酸化物原料液に含まれるTEOSの濃度を変更した条件を実施例1−1から実施例1−4とした。表1には比較例1として作製した、ケイ素をドープしていない酸化鉄粒子についても条件を記載した。
実施例2においては、ケイ素ドープ金属酸化物粒子として、酸化亜鉛粒子の少なくとも内部にケイ素を含むケイ素ドープ酸化亜鉛粒子について記載する。表4及び表5に記載した内容以外については、実施例1と同様の方法でケイ素ドープ酸化亜鉛粒子を作製した。また比較例2としてケイ素をドープしていない酸化亜鉛粒子を作製した。
なお、表4に記載の化学式や略記号で示された物質については、Zn(NO3)2・6H2Oは硝酸亜鉛六水和物(関東化学株式会社製)、EGはエチレングリコール(キシダ化学株式会社製)、60wt%HNO3は濃硝酸(キシダ化学株式会社製)、NaOHは水酸化ナトリウム(関東化学株式会社製)、TEOSはテトラエチルオルトシリケート(和光純薬工業株式会社製)を使用した。
実施例3においては、ケイ素ドープ金属酸化物粒子として、酸化セリウム粒子の少なくとも内部にケイ素を含むケイ素ドープ酸化セリウム粒子について記載する。表7及び表8に記載した内容以外については、実施例1と同様の方法でケイ素ドープ酸化セリウム粒子を作製した。また比較例3としてケイ素をドープしていない酸化セリウム粒子を作製した。
なお、表7に記載の化学式や略記号で示された物質については、DMAEはジメチルアミノエタノール(キシダ化学株式会社製)、60wt%HNO3は濃硝酸(キシダ化学株式会社製)、Ce(NO3)3・6H2Oは硝酸セリウム(III)六水和物(和光純薬工業株式会社製)、TEOSはテトラエチルオルトシリケート(和光純薬工業株式会社製)を使用した。
実施例4においては、ケイ素ドープ金属酸化物粒子として、表10に示した酸化物原料液に含まれる金属元素及びケイ素を含むケイ素ドープ金属酸化物粒子について記載する(ケイ素ドープマグネシウム鉄複合酸化物及びケイ素ドープマンガン鉄複合酸化物)。表10及び表11に記載した内容以外については、実施例1と同様の方法でケイ素ドープ金属酸化物粒子を作製した。
なお、表10に記載の化学式や略記号で示された物質については、実施例1から実施例3で使用した物質以外に、Mg(NO3)2・6H2Oは硝酸マグネシウム(II)六水和物(和光純薬工業株式会社製)、Mn(NO3)2・6H2Oは硝酸マンガン(II)六水和物(和光純薬工業株式会社製)を使用した。
実施例5として、特開2009−112892号公報に記載の装置並びにA液(酸化物原料液)、B液(酸化物析出溶媒)の混合・反応方法を用いた以外は、実施例1と同じ条件とすることでケイ素ドープ酸化鉄粒子を作製した。ここで、特開2009−112892号公報の装置とは、同公報の図1に記載の装置を用い、撹拌槽の内径が80mm、攪拌具の外端と攪拌槽の内周側面と間隙が0.5mm、攪拌羽根の回転数は7200rpmとした。また、撹拌槽にA液を導入し、攪拌槽の内周側面に圧着されたA液からなる薄膜中にB液を加えて混合し反応させた。TEM観察の結果、一次粒子径が20nmから30nm程度のケイ素ドープ酸化鉄粒子が観察された。また比較例1と同様に、ケイ素をドープしていない同粒子径の酸化鉄粒子を作製した(比較例5)。
Claims (8)
- 金属酸化物粒子にケイ素がドープされたケイ素ドープ金属酸化物粒子であって、
上記ケイ素ドープ金属酸化物粒子に含まれる金属元素(M)とケイ素(Si)とのモル比(Si/M)が0.01以上1.00以下の範囲であり、
上記ケイ素ドープ金属酸化物粒子が、固溶体酸化物粒子であり、
上記ケイ素ドープ金属酸化物粒子を分散媒に分散させた分散液において、波長200nmから380nmの範囲における平均モル吸光係数が、ケイ素をドープしていない同種の金属酸化物粒子に比して向上されていることを特徴とするケイ素ドープ金属酸化物粒子。 - 上記ケイ素ドープ金属酸化物粒子の金属元素(M)とケイ素(Si)とのモル比(Si/M)が制御されたケイ素ドープ金属酸化物粒子であって、
上記ケイ素をドープしていない同種の金属酸化物粒子を分散媒に分散させた分散液の波長200nmから380nmの範囲における平均モル吸光係数に対して、上記ケイ素ドープ金属酸化物粒子の上記波長の範囲における平均モル吸光係数の上昇率が制御されていることを特徴とする請求項1に記載のケイ素ドープ金属酸化物粒子。 - 上記ケイ素をドープしていない同種の金属酸化物粒子を分散媒に分散させた分散液の波長200nmから380nmの範囲における平均モル吸光係数に対する、上記ケイ素ドープ金属酸化物粒子の上記波長の範囲における平均モル吸光係数の上昇率である平均モル吸光係数上昇率が110%以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載のケイ素ドープ金属酸化物粒子。
- 上記金属元素(M)の少なくとも1種が鉄(Fe)であり、
上記ケイ素ドープ金属酸化物粒子を分散媒に分散させた分散液において、波長200nmから380nmの範囲における平均モル吸光係数が、1500L/(mol・cm)以上であることを特徴とする請求項1から3の何れかに記載のケイ素ドープ金属酸化物粒子。 - 上記金属元素(M)の少なくとも1種が亜鉛(Zn)であり、
上記ケイ素ドープ金属酸化物粒子を分散媒に分散させた分散液において、波長200nmから380nmの範囲における平均モル吸光係数が、650L/(mol・cm)以上であることを特徴とする請求項1から3の何れかに記載のケイ素ドープ金属酸化物粒子。 - 上記金属元素(M)の少なくとも1種がセリウム(Ce)であり、
上記ケイ素ドープ金属酸化物粒子を分散媒に分散させた分散液において、波長200nmから380nmの範囲における平均モル吸光係数が、4000L/(mol・cm)以上であることを特徴とする請求項1から3の何れかに記載のケイ素ドープ金属酸化物粒子。 - 上記ケイ素ドープ金属酸化物粒子の平均一次粒子径が1nm以上100nm以下であることを特徴とする請求項1から6の何れかに記載のケイ素ドープ金属酸化物粒子。
- 上記請求項1から7の何れかに記載のケイ素ドープ金属酸化物粒子を含むことを特徴とする紫外線吸収用組成物。
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