JP6456745B2 - 透明不燃膜、透明不燃自立膜 - Google Patents
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Description
また、透明不燃自立膜を得る方法として、透明性を有するが易燃性の樹脂に層状無機化合物である層状粘土鉱物の人工合成物を含有させる方法が知られている(特許文献1参照)。層状粘土鉱物の人工合成物(以下、「層状粘土鉱物の人工合成物」を「人工粘土鉱物」と略する。)は主成分がシリカであるため透明性を有し、かつ不燃性であるため、当該化合物を樹脂に含有することにより、易燃性の樹脂を難燃化させることができる。他方、人工粘土鉱物は、有機樹脂との混和性が極めて低いため高い比率で含有させることができず、難燃性向上には限界があった。
人工粘土鉱物の特色を生かすため、人工粘土鉱物を主成分とした透明不燃自立膜を得る方法が報告されている。例えば、耐炎性と火炎遮蔽性を有する透明膜として、トリエトキシ(3-イソシアナトプロピル)シラン〔Triethoxy(3-isocyanatopropyl)silane〕とポリ(エチレングリコール)モノメチルエーテル〔Poly(ethylene glycol) monomethylether〕の反応物と57wt%の人工粘土鉱物とからなる材料が報告されている(非特許文献1、2参照)。人工粘土鉱物は、発色の原因となる不純物の含有量が微量であるため透明性があり、その自立膜も透明性を有する。
さらに、本出願人は、天然粘土鉱物もしくは人工粘土鉱物を用い、人工粘土鉱物と水溶性樹脂の総和に対して、5から20wt%程度の水溶性樹脂を添加して得られる透明不燃コーティング材もしくは自立膜を開発している(特許文献2参照)。天然粘土鉱物もしくは人工粘土鉱物を用いた本方法では、全光線透過率90%以上の不燃性自立膜が得られる。
また、トリエトキシ(3-イソシアナトプロピル)シランとポリ(エチレングリコール)モノメチルエーテルの反応物と57wt%の人工粘土鉱物とからなる膜は、透明性に優れているものの、接炎時に発火するという問題があり、不燃性が十分であるとは言えないものであった(後述の比較例2参照)。
さらに、天然粘土鉱物もしくは人工粘土鉱物及び水溶性樹脂を配合した上述の透明不燃コーティング材は、不燃性と透明性に優れ、かつ自立膜を形成するものの、得られる自立膜は極めて脆い膜であった。
また、本発明は、透明性、不燃性とともに自立性をも有する膜を提供することを追加的な課題とする。
さらに、本発明は、透明性、不燃性、自立性とともに、比較的高い引っ張り強度(40MPa以上)を有する膜を提供することを追加的な課題とする。
(ア)非特許文献1,2に記載されたトリエトキシ(3-イソシアナトプロピル)シランとポリ(エチレングリコール)モノメチルエーテルの反応物である分子の一端のみをシリル化したシリル化ポリ(エチレングリコール)化合物(以下、「s-PEG」ということがある。)と人工粘土鉱物とからなる材料透明自立膜について、不燃性を改善するために人工粘土鉱物の配合量を60wt%超に増加すると、強度が不足し脆くなり、また、自立性にも欠けるようになる(後述の比較例3参照)。
(イ)s-PEGに配合する粘土鉱物として人工粘土鉱物だけでなく天然粘土鉱物をも用いると、不燃性を改善するように人工と天然との粘土鉱物の合計配合量を60〜90wt%程度に増加しても脆くなくなり、さらに人工と天然の粘土鉱物の配合割合を調整することにより自立膜が形成し得るが、引っ張り強度等の強度が不足する。
(ウ)ポリ(エチレングリコール)分子の両端をシリル化した両端シリル化ポリ(エチレングリコール)化合物(以下、「D-s-PEG」ということがある。)で天然粘土鉱物と人工粘土鉱物からなる粘土鉱物を修飾することにより、粘土鉱物の配合量を65〜97wt%程度に増加しても、粘土鉱物粒子間の結合性、ひいては膜強度が増し脆くなく、加熱にも分解しない膜が形成できる。これは、両端シリル化グリコール化合物が粘土鉱物の結晶端面にシリル化反応により結合した結果、粘土鉱物結晶同士が当該化合物を介して連結することになり、膜の強度が向上するためと考えられる。また、D-s-PEGに配合する粘土鉱物として天然粘土鉱物と人工粘土鉱物を所定配合割合で用いると、膜に自立性を付与することができる。
(エ)前記(ウ)のような効果は、D-s-PEG以外にも、特定のグリコール化合物分子の両端等をシリル化した両端シリル化グリコール化合物においても化学的・材料的特性の同一性から期待できると考えられる。
(オ)前記特定のグリコール化合物としては、分子の両端等に水酸基を有するポリグリセリン、ジグリセリン、ポリ(プロピレングリコール)等が考えられる。
しかしながら、上記非特許文献3には、前記シリル化ポリエーテルハイブリッド前駆体にテトラエトキシシラン(TEOS)を加えたものと加えないものについて、酸触媒でアルコキシシランの加水分解と縮合を行い、得られたコーティング材を多孔性ポリサルフォン基材に塗布してガス選択透過膜とする旨などが記載されているものの、前記シリル化ポリエーテルハイブリッド前駆体と粘土鉱物とを混合することについて全く記載されていないし、まして、前記シリル化ポリエーテルハイブリッド前駆体で粘土鉱物の端面を修飾することにより、粘土鉱物粒子間の結合性、ひいては膜強度が増し脆くなくなり、加熱にも分解しないなどの上述の知見については全く開示されていない。
<1>下記式(1)で表される分子両端をシリル化した両端シリル化グリコール化合物と粘土鉱物とを主要成分とする透明不燃膜であって、前記粘土鉱物が天然粘土鉱物と人工粘土鉱物からなる透明不燃膜。
<2>天然粘土鉱物と人工粘土鉱物の重量比率が3:7〜7:3の範囲である<1>に記載の自立性を有する透明不燃膜。
<3><1>または<2>に記載の透明不燃膜を基材の表面に有する積層体。
<4>下記式(1)で表される分子両端をシリル化した両端シリル化グリコール化合物と粘土鉱物とを透明不燃膜の主要成分とし、前記粘土鉱物が天然粘土鉱物と人工粘土鉱物からなり、溶媒乃至分散剤を含む透明不燃膜形成用材料。
<5>前記両端シリル化グリコール化合物が、ポリ(エチレングリコール)、ポリグリセリン、ジグリセリン、ポリ(プロピレングリコール)の1種または2種以上と、トリエトキシ(3-イソシアナトプロピル)シランとの反応生成物である<1>または<2>に記載の透明不燃膜。
<6>透明性が全光線透過率で60%以上である<1>、<2>、<5>のいずれか1項に記載の透明不燃膜。
<7>不燃性が接炎時において発火せず、かつ溶融しないものである<1>、<2>、<5>、<6>のいずれか1項に記載の透明不燃膜。
<8>耐屈曲性試験において亀裂が生じ始める最小直径が2〜12mmである<1>、<2>、<5>〜<7>のいずれか1項に記載の透明不燃膜。
<9> 引っ張り強度が20MPa以上70MPa以下である<1>、<2>、<5>〜<8>のいずれか1項に記載の透明不燃膜。
<10><5>〜<9>のいずれか1項に記載の透明不燃膜を基材の表面に有する積層体。
<11>基材が、木材、樹脂、織布、不織布から選択される1種又は2種以上の層を含むものである<4>または<10>に記載の積層体。
<12>コーティング材である<4>に記載の透明不燃膜形成用材料。
上記式(1)で表される両端シリル化グリコール化合物は、例えば、ポリ(エチレングリコール)、ポリグリセリン、ジグリセリン、ポリ(プロピレングリコール)などの分子両端に水酸基を有するグリコール化合物を、トリエトキシ(3-イソシアナトプロピル)シランと反応させて得られる反応生成物である。それらの反応については、上記非特許文献3に記載されている。
本発明の透明不燃膜に使用する粘土鉱物は、天然粘土鉱物と人工粘土鉱物の両方を使用する。天然粘土鉱物は粒子サイズが500nmから数10μmと大きいため自立性を有する膜を作成することができるが透明性に難がある一方、人工粘土鉱物は透明性が高い膜を得ることができるがその粒子サイズが天然粘土鉱物に比べて10から100分の1程度と小さく、粘土鉱物量が60wt%超の場合において強度に難があるため、不燃性と透明性を両立し、かつ脆くない膜を得るためには、それらの混合物を用いることが必要である。
さらに、自立性を有する膜(自立膜)とする場合には、天然粘土鉱物と人工粘土鉱物との配合割合(重量ベース)を、通常3:7〜7:3、好ましくは4:6〜6:4とする。
天然粘土鉱物としては、限定するものではないが、例えば、スメクタイト系粘土、すなわち、モンモリロナイト、バイデライト、サポナイト、ノントロナイト、ヘクトライト、スティーブンサイトなどが挙げられる。モンモリロナイトの市販品としては、クニピアF(クニミネ工業株式会社)などが挙げられる。スメクタイト系粘土分の多い天然鉱物としては、ベントナイトなどが挙げられる。
また天然粘土鉱物は、粒子サイズが500nmから数10μmのもの程度のものが膜の自立性を発現させるために好ましい。
人工粘土鉱物としては、限定するものではないが、例えば、ヘクトライト(ラポナイトRockwood additive社製;ルーセンタイト、コープケミカル社製)、スティーブンサイト(スメクトンST、クニミネ工業株式会社製)、サポナイト(スメクトンSA、クニミネ工業株式会社製)などが挙げられる。
これらの粘土鉱物は親水性であるが、耐水性を向上させるためその層間イオンをナトリウムイオンから他の金属イオンに交換する処理を行うことも可能である。例えば、クニピアFやスメクトンSTなどの層間イオンをリチウムイオンに交換すれば、その後乾燥条件下の加熱処理により耐水性が発現する(以下、クニピアFをリチウムイオン交換処理したものをクニピアM、スティーブンサイトをリチウム交換処理したものをLiSTという)。
なお、本発明において自立膜とは、基材等に支持されることなく膜そのもの自体で取り扱いが可能な強度を有する膜を意味する。ただし、その用途や使用態様において接着等の適宜の接合手段により各種基材や基材に接合、積層されていても良いし、各種支持体に支持されていても良い。
他の成分としては、水溶性樹脂、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム等の無機難燃剤などを挙げることができる。
そのような表面層としての透明不燃膜の厚さは、限定するものではないが、1〜1000μm、好ましくは10〜200μmとすることができる。そのような膜厚は、複数回繰り返されるコーティング工程に基づくものであっても良い。
なお、実施例、比較例で得られた膜については、次に記載された手法により評価した。
得られた膜の全光線透過率とヘーズ(曇り度)は、日本電色工業株式会社製のへーズメーターNDH7000により測定した。
膜や膜が形成された積層物の耐屈曲性試験(JIS K5600-5-1)は、円筒形マンドレル屈曲試験器を用いて行った。
引っ張り試験は以下のように行った。試験装置は、JTトーシ株式会社製小型卓上試験機リトルセンスターを用いた。得られた膜から縦70mm×幅10mmの試験片を切り出し作製した。得られた試験片を50Nのロードセルに標線間距離30mmで固定し、引っ張り速度10mm/minで最大測定荷重(N)を計測した。引っ張り強度は、得られた最大荷重と試験片の初期断面積から求めた。試験は3回以上行い、その平均値から引っ張り強度を決定した。
接炎試験は、以下のように行った。得られた膜から縦80mm×幅15mmの試験片を作製した。試験片の一端をクランプにより水平に固定し、固定しない側の先端に着火用ライターにより生成した炎を接触させ、その状態で10秒間保持した。燃焼炎の発生(発火)の有無および溶融変形や溶融滴下物の有無により不燃性を判定した。
市販のエチレン−テトラフルオロエチレン共重合体膜(旭硝子株式会社製、Fluon(登録商標)ETFE、厚さ250μm、以下、「ETFE膜」という。)について上記試験により評価した。該ETFE膜の評価結果を表1に示す。
表1から明らかなように、ETFE膜は、透明性と強度に優れているものの、接炎試験では発火し、その際に炎接触部が溶融変形して液ダレ状の変形物が発生した。
トリエトキシ(3−イソシアナトプロピル)シラン〔Triethoxy(3-isocyanatopropyl) silane〕(SIGMA-ALDRICH社製)5.45gと1,4-ジアザビシクロ[2,2,2]オクタン(1,4-diazabicyclo[2,2,2]octane)(SIGMA-ALDRICH社製)0.45gを100mLの1,4-ジオキサン(1,4-dioxane)(和光純薬工業株式会社製)に溶解した。その溶液をポリ(エチレングリコール)モノメチルエーテル〔Poly(ethylene glycol) monomethyl ether〕(SIGMA-ALDRICH社製、平均分子量750)15gに対して加え、50℃で24時間還流した。還流後、1,4-ジオキサンを減圧加熱して除去した。さらに、トルエン/ヘキサン溶液(体積比で、トルエン:ヘキサン=1:4)を加えて化合物を洗浄し、上澄み液を除去して、上記非特許文献1、2に記載されたと同様の、次の式(2)で表される分子の一端のみをシリル化したシリル化ポリエチレングリコール化合物(s-PEG)を得た。
(H5C2O)3Si(CH2)3-NH-CO-(OCH2CH2)n-OCH3 (2)
〔式中、nは、ポリ(エチレングリコール)モノメチルエーテルの平均分子量750からみて、その平均値が16程度と考えられる。〕
ラポナイト(Rockwood additive社製)2.4 gを蒸留水80 gに縣濁し、50℃で1日撹拌した。その後、s-PEG 4gを蒸留水(酢酸でpH=5付近に調整)40gに混合した。混合後、すぐにラポナイト縣濁液に加え、50℃で1日間撹拌した。撹拌後、1000mlビーカーに移し変え、デシケーター内で減圧し脱泡した。脱泡後、テフロン(登録商標)製鋳型(縦 145mm×横 200mm×深さ 2mm)に流し込み、3日間乾燥した。
得られた比較例2の膜(厚さ約90μm)の評価結果を表1に示す。表1から明らかなように、比較例2の膜は、人工粘土鉱物の含有量が37wt%と少ないため、自立性を有し、透明性にも優れているが、比較例1の膜と同様に、接炎試験では炎を上げて燃えるし、燃焼後は溶融変形した。なお、表中の長横棒「−」は、該当試験を行わなかったことを意味する。
上記比較例2と同様にして、上記式(2)で表されるs-PEGを得た。
ラポナイト 2.4gを蒸留水80gに縣濁し、50℃で1日撹拌した。その後、s-PEG 1gを蒸留水(酢酸でpH=5付近に調整)40gに混合した。混合後、すぐにラポナイト縣濁液に加え、50℃で1日間撹拌した。撹拌後、1000mlビーカーに移し変え、デシケーター内で減圧し脱泡した。脱泡後、テフロン(登録商標)製鋳型(縦 145mm×横 200mm×深さ 2mm)に流し込み、3日間乾燥した。
また、s-PEGを配合せず、ラポナイト 2.4gを蒸留水80gに縣濁し、50℃で1日撹拌し、その縣濁液を脱泡後、上記と同様の鋳型に流し込み、3日間乾燥した。
乾燥後、いずれの試料についても透明な膜状乾燥物(厚さ約60μm)を形成したが、一部に亀裂が観察された。また、前記鋳型から分離する際膜は割れ、鋳型のサイズを維持したまま分離することはできなかった。このように比較例3の人工粘土鉱物だけを約71wt%含み天然粘土鉱物を含まない膜や人工粘土鉱物だけでs-PEGを含まない膜については、得られた小片を持ったところ非常に脆かった。小片について耐屈曲性試験を行ったところ、直径24mmのマンドレルで亀裂が生じた。
合成スメクタイト(スメクトンSA)2.8gをイオン交換水100cm3に加え縣濁液を作成した。また、ポリアクリル酸ナトリウム0.7gを、イオン交換水225cm3に溶解し、合成スメクタイト縣濁液に混合し、室温で2時間、振とう機で激しく振とうした。その後、真空脱泡装置により脱気を行う。脱気後の粘土ペーストを5500rpm、20分間、遠心分離を行った。上澄みの粘土ペーストをテフロン(登録商標)製鋳型(縦 145mm×横 200mm×深さ 2mm)に流しいれ、60℃の温度条件下で24時間乾燥した。得られた膜を前記鋳型から分離する際膜は割れ、鋳型のサイズを維持したまま分離することが出来なかった。
得られた膜の全光線透過率は90%、へーズは48%であり透明性は高いが、膜は脆く引っ張り試験に供することは困難であった。
トリエトキシ(3−イソシアナトプロピル)シラン(SIGMA-ALDRICH社製)と1,4-ジアザビシクロ[2,2,2]オクタン(SIGMA-ALDRICH社製)を100mLの1,4-ジオキサン(和光純薬工業株式会社製)に溶解した。その溶液をポリ(エチレングリコール)〔Poly(ethylene glycol)〕(SIGMA-ALDRICH社製、平均分子量400)に加え、50℃で24時間還流した。還流後、1,4-ジオキサンを減圧加熱して除去し、上記非特許文献3に記載されたと同様の、次の式(3)で表される両端シリル化ポリ(エチレングリコール)化合物(以下、「D-s-PEG」と略する。)を得た。
(H5C2O)3Si(CH2)3-NH-CO-(OCH2CH2)n-O-CO-NH-(CH2)3Si(OC2H5)3 (3)
〔式中、nは、ポリ(エチレングリコール)の平均分子量400からみて、その平均値が約9程度と考えられる。〕
次にD-s-PEG 0.52gを40mlのイオン交換水に溶解し、その溶液のpHを酢酸によりpH5に調製した。さらに、ラポナイト(もしくはLiST)1.08gとクニピアM 1.32gを80mlのイオン交換水に加えて50℃で4時間撹拌した。得られたラポナイト(もしくはLiST)とクニピアMの懸濁液にD-s-PEG水溶液を加え、50℃で24時間撹拌した。得られた縣濁液を減圧脱泡した後、テフロン(登録商標)製鋳型(縦145mm×横200mm×深さ2mm)に流し込み、3日間室温乾燥した。乾燥後、前記鋳型から分離することにより脆くない自立膜を得た。膜厚は、約50μmであった。
D-s-PEG 0.78gを40mlのイオン交換水に溶解し、その溶液のpHを酢酸によりpH5に調製した。さらに、ラポナイト(もしくはLiST)1.08gとクニピアM 1.32gを80mlのイオン交換水に加えて50℃で4時間撹拌した。得られたラポナイト(もしくはLiST)とクニピアMの懸濁液にD-sPEG水溶液を加え、50℃で24時間撹拌した。得られた縣濁液を減圧脱泡した後、テフロン(登録商標)製鋳型(縦145mm×横200mm×深さ2mm)に流し込み、3日間室温乾燥した。乾燥後、前記鋳型から分離することにより脆くない自立膜を得た。膜厚は、約50μmであった。
得られた実施例1の膜の評価結果を表2に示す。表2から明らかなように、実施例1の2種類の膜は、粘土鉱物の含有量がそれぞれ82wt%、75wt%と多いが、人工粘土鉱物(ラポナイト)と天然粘土鉱物(クニピアM)を45:55の重量割合で含むため、鋳型からの離型が可能でありかつ自立性を有するものであった。また、粘土鉱物の含有量が多いため、接炎試験において発火せず溶融滴下物のない優れた不燃性を示した。さらに、全光線透過率は、比較例2の膜よりもやや劣るものの、80%と優れた透明性を有し、耐屈曲性、引っ張り強度にも優れていた。
ポリグリセリン(ポリグリセリン#310、阪本薬品工業社製、平均分子量310)5.5gを減圧下100℃で1時間乾燥した。トリエトキシ(3-イソシアナトプロピル)シラン(SIGMA-ALDRICH社製)20gと1,4-ジアザビシクロ[2,2,2]オクタン(SIGMA-ALDRICH社製)2gを100mLの1,4-ジオキサン(和光純薬工業株式会社製)に溶解した。その溶液をポリグリセリン液に加え、80℃で24時間還流した。還流後、1,4-ジオキサンを減圧加熱して除去した。得られた化合物は、透明な液体で、上述の式(1)において、RαがCH2CH(Rγ)CH2、RγがOHまたはORβ、mが2であり、nが、ポリグリセリンの平均分子量310からみて、その平均値が約4程度と考えられるものである。以下、得られた化合物をS-P310と略する。
膜の調製は以下の手順で行った。まず、S-P310 0.2gを5mlのN-メチル-2-ピロリドンに溶解した。さらに、ラポナイト1.08gとクニピアM 1.32gを80mlのイオン交換水に加えて50℃で6時間撹拌した。得られたラポナイトとクニピアMの懸濁液にS-P310液を加え、室温で24時間撹拌した。得られた縣濁液を減圧脱泡した後、テフロン(登録商標)製鋳型(縦145mm×横200mm×深さ2mm)に流し込み、3日間室温乾燥し、さらに60℃で24時間乾燥した。乾燥後、前記鋳型から分離することにより脆くない自立膜を得た。膜厚は、約80μmであった。
Claims (4)
- 天然粘土鉱物と人工粘土鉱物の重量比率が3:7〜7:3の範囲である請求項1に記載の透明不燃膜形成用材料。
- 請求項1又は2に記載された透明不燃膜形成用材料を用いる透明不燃膜の製造方法。
- 請求項3に記載された透明不燃膜の製造方法を含み、透明不燃膜と基材とを有する積層体を製造する積層体の製造方法。
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