JP6514427B2 - 樹脂膜、樹脂膜の製造方法、及び塗工液 - Google Patents

樹脂膜、樹脂膜の製造方法、及び塗工液 Download PDF

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Description

本発明は、樹脂膜、樹脂膜の製造方法、及び塗工液に関する。
特許文献1に開示された技術では、光学フィルム(film)の高屈折率層にかご状シルセスキオキサン(silsesquioxane)及び無機酸化物微粒子を含有させる。ここで、無機酸化物微粒子は、コアシェル(core/shell)構造を有するが、コア及びシェルはいずれも無機物で構成されている。また、特許文献1に開示された技術では、ハードコート(hard coat)層及び低屈折率層にもかご状シルセスキオキサンが含まれる。この技術によれば、光学フィルムの強度が向上することが期待される。
特開2009−42351号公報
しかし、特許文献1に開示された光学フィルムは、屈曲性(bending性、耐クラック(crack)性)が非常に低いという問題があった。具体的には、特許文献1に開示された光学フィルムは強度が高い反面、非常にもろく、少し曲げただけでも容易にクラックが入ってしまうという問題があった。さらに、傷が入った場合にほとんど修復されないという問題もあった。このため、屈曲性及び自己修復性の高い光学フィルムが要望されていた。そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、高い強度を維持しつつ、屈曲性及び自己修復性を向上させることが可能な、新規かつ改良された樹脂膜、その製造方法、及び塗工液を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、かご状シルセスキオキサンを構造単位として含むマトリックスと、酸化セリウムを含むコア及びコアを覆う有機ポリマー層を備え、マトリックス中に分散した酸化セリウム含有粒子と、を備え、酸化セリウム含有粒子の含有率は、マトリックスと酸化セリウム含有粒子との総質量に対して20〜50質量%であることを特徴とする、樹脂膜が提供される。
この観点によれば、樹脂膜は、かご状シルセスキオキサンを構造単位として含むマトリックスと、酸化セリウム含有粒子と、を備える。そして、酸化セリウム含有粒子の含有率は、マトリックスと酸化セリウム含有粒子との総質量に対して20〜50質量%である。これにより、樹脂膜は、高い強度を維持しつつ、屈曲性及び自己修復性を向上させることができる。
ここで、有機ポリマー層は、ポリビニルピロリドンを含んでいてもよい。
この観点によれば、酸化セリウム含有粒子の有機ポリマー層、すなわちシェルは、ポリビニルピロリドンを含むので、樹脂膜の屈曲性及び自己修復性が更に向上する。
本開示の他の観点によれば、かご状シルセスキオキサンと、酸化セリウムを含むコア及びコアを覆う有機ポリマー層を備える酸化セリウム含有粒子と、沸点が160℃以上の極性溶媒とを混合することで塗工液を作製するステップと、塗工液を用いて樹脂膜を作製するステップと、を含み、酸化セリウム含有粒子の含有率は、マトリックスと酸化セリウム含有粒子との総質量に対して20〜50質量%であることを特徴とする、樹脂膜の製造方法が提供される。
この観点によれば、樹脂膜を製造するに際し、溶媒として沸点が160℃以上の極性溶媒を使用するので、樹脂膜中に酸化セリウム含有粒子を安定して分散させることができる。したがって、高い強度を維持しつつ、屈曲性及び自己修復性が向上した樹脂膜を製造することができる。
ここで、有機ポリマー層は、ポリビニルピロリドンを含んでいてもよい。
この観点によれば、酸化セリウム含有粒子の有機ポリマー層、すなわちシェルは、ポリビニルピロリドンを含むので、樹脂膜の屈曲性及び自己修復性が更に向上する。
本開示の他の観点によれば、かご状シルセスキオキサンと、酸化セリウムを含むコア及びコアを覆う有機ポリマー層を備える酸化セリウム含有粒子と、沸点が160℃以上の極性溶媒とを含むことを特徴とする、塗工液が提供される。
この観点によれば、樹脂膜を製造するに際し、溶媒として沸点が160℃以上の極性溶媒を使用するので、樹脂膜中に酸化セリウム含有粒子を安定して分散させることができる。したがって、高い強度を維持しつつ、屈曲性及び自己修復性が向上した樹脂膜を製造することができる。
以上説明したように本発明によれば、樹脂膜は、かご状シルセスキオキサンを構造単位として含むマトリックスと、酸化セリウム含有粒子と、を備える。そして、酸化セリウム含有粒子の含有率は、マトリックスと酸化セリウム含有粒子との総質量に対して20〜50質量%である。これにより、樹脂膜は、高い強度を維持しつつ、屈曲性及び自己修復性を向上させることができる。
本発明の実施形態に係る樹脂膜の概略構成を示す断面図である。 同実施形態にかかる酸化セリウム(cerium)含有粒子の構造を一部破断して示す斜視図である。 鉛筆擦り試験に使用される試験装置の構成を示す模式図である。 実施例に係る樹脂膜を屈曲させた後に観察した様子を示す写真である。 比較例に係る樹脂膜を屈曲させた後に観察した様子を示す写真である。 実施例に係る樹脂膜を鉛筆で擦った直後に観察した様子を示す写真である。 図6の樹脂膜を24時間後に再度観察した様子を示す写真である。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
<1.樹脂膜の構成>
まず、図1及び図2に基づいて、本実施形態に係る樹脂膜10の構成について説明する。
図1に示すように、樹脂膜10は、マトリックス(matrix)20と、酸化セリウム含有粒子30とを含む。マトリックス20は、かご状シルセスキオキサンを構造単位として含む。例えば、マトリックス20は、かご状シルセスキオキサン同士を重合させることで形成される。ここで、シルセスキオキサン(SQ)とは、主鎖骨格がSi−O結合からなるシロキサン(siloxane)系の化合物で、(RSiO1.5の組成式で表される。単位組成式中に1.5個(1.5=sesqui)の酸素を有するシロキサンという意味で、シルセスキオキサンと称される。シルセスキオキサンは、その組成式(RSiO1.5から分かるように、無機シリカSiOと有機シリコーン(RSiO)との中間的な物質として位置付けられる。かご状シルセスキオキサンは、シルセスキオキサンのうち、特にかご状の構造を有するものである。かご状シルセスキオキサンの構造の一例を以下の構造式1に示す。もちろん、本実施形態に係るかご状シルセスキオキサンは、構造式1の例に限られない。
ここで、R基は、他のシルセスキオキサンのR基と結合する重合性官能基であり、互いに独立して、アクリル基、メタクリル基、エポキシ基、及びオキセタン基からなる群から選択される。R基は、好ましくはアクリル基である。いずれかのR基が光重合性官能基(例えばアクリル基)となる場合、かご状シルセスキオキサンに光を照射することでかご状シルセスキオキサン同士がR基を介して重合する。すなわち、かご状シルセスキオキサンはいわゆる光硬化性樹脂となる。かご状シルセスキオキサンは、重合することで非常に硬い(高弾性の)樹脂となる。したがって、マトリックス20は、非常に硬い樹脂となる。
酸化セリウム含有粒子30は、マトリックス20中に分散した粒子であり、図1及び図2に示すように、酸化セリウムを含むコア31と、コアを覆う有機ポリマー層(すなわちシェル)32とを備える。したがって、酸化セリウム含有粒子30は、いわゆるコアシェル構造を有する。コア31は、好ましくは酸化セリウムで構成される。したがって、コア31は非常に硬い(高弾性である)。
一方、シェル32は、有機ポリマーを含む。具体的には、シェル32は、ポリビニルピロリドン(Polyvinyl pyrrolidone)を含む。シェル32は、好ましくは、ポリビニルピロリドンで構成される。シェル32は、有機ポリマーを含むので、コア31よりも柔らかい(低弾性である)。シェル32がポリビニルピロリドンで構成される場合、シェル32の弾性は特に低くなる。シェル32の層厚は特に限定されないが、例えば1nm以上6nm以下であることが好ましい。シェル32の層厚がこの範囲内の値となる場合に、屈曲性及び自己修復性が特に向上する。層厚は、例えば透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope; TEM)によって測定可能である。後述する実施例及び比較例では、この装置を用いて層厚を確認した。
このように、酸化セリウム含有粒子30のシェル32は柔らかい有機ポリマー層で構成されるので、マトリックス20との密着性が良好となる。さらに、樹脂膜10の内部は、高弾性部分(マトリックス20及びコア31)と、低弾性部分(シェル32)とが混在する。すなわち、樹脂膜10の厚さ方向及び面方向のいずれにおいても、高弾性部分と低弾性部分とが交互に存在する。
したがって、樹脂膜10は、高弾性の部分を含むので、高い強度を維持することができる。一方、樹脂膜10は、屈曲された際にクラックを発生しにくい。すなわち、樹脂膜10は優れた屈曲性を有する。さらに、樹脂膜10は、鉛筆などで傷がついても、その傷を修復させることができる。すなわち、樹脂膜10は、自己修復性(傷の修復性)にも優れる。樹脂膜10が屈曲性及び自己修復性に優れる理由として、樹脂膜10の屈曲時または傷つけ時に低弾性部分が屈曲または傷つけによる応力を分散すること、低弾性部分が屈曲または傷つけ時においても周辺のマトリックス20と強固に密着することが考えられる。
酸化セリウム含有粒子30の平均粒径(直径)は特に限定されないが、樹脂膜10を光学フィルムの材料として用いる場合、50nm以下であることが好ましい。酸化セリウム含有粒子30の平均粒径が50nmを超えると、樹脂膜10のヘイズ値が大きく上昇してしまい、透明性が落ちるからである。
ここで、酸化セリウム含有粒子30の平均粒径は、酸化セリウム含有粒子30の粒径(酸化セリウム含有粒子30を球と仮定したときの直径)の算術平均値である。酸化セリウム含有粒子30の粒径は、例えば、レーザ回折・散乱粒度分布計(具体的には、例えばHORIBA LA−920)によって測定される。なお、レーザ回折・散乱粒度分布計は、HORIBA LA−920に限られない。以下の実施例及び比較例では、平均粒径をHORIBA LA−920で測定した。
また、酸化セリウム含有粒子30の含有率は、マトリックス20及び酸化セリウム含有粒子30の総質量に対して20〜50質量%となる。酸化セリウム含有粒子30の含有率がこの範囲内となる場合に、上記の効果が得られる。
樹脂膜10の用途は特に限定されない。すなわち、樹脂膜10は、高い強度と屈曲性とが要求される技術分野であれば、どのような技術分野であっても適用可能である。樹脂膜10は、例えば光学フィルム、特に光学フィルムのハードコート層に適用される。
<2.樹脂膜の製造方法>
次に、樹脂膜の製造方法について説明する。まず、かご状シルセスキオキサンと、酸化セリウム含有粒子30と、沸点が160℃以上の極性溶媒とを混合することで塗工液を作製する。ここで、酸化セリウム含有粒子30の含有率は、かご状シルセスキオキサン及び酸化セリウム含有粒子30の総質量に対して20〜50質量%となる。
また、極性溶媒は沸点が160℃以上であることが必要である。極性溶媒の沸点が160℃以上となる場合に、塗工液中で酸化セリウム粒子30が安定して分散する。このような極性溶媒としては、例えばジアセトンアルコール(沸点166℃)及びプロピレングリコール(沸点188℃)等が挙げられる。もちろん、沸点が160℃以上の極性溶媒であれば、これら以外のものであってもよい。
また、塗工液には、公知の添加剤、例えば重合開始剤等を添加してもよい。例えば、かご状シルセスキオキサンが光硬化性樹脂となる場合、光重合開始剤を添加しても良い。
次いで、塗工液を用いて樹脂膜10を作製する。例えば、塗工液を所定の基材100(図3参照)上に塗工し、塗工液を乾燥させることで、塗工層を作製する。ついで、塗工層内のかご状シルセスキオキサン同士を重合させる。例えば、かご状シルセスキオキサンが光硬化性樹脂となる場合、塗工層に光を照射する。例えばメタルハライドランプ(metal halide lamp)を用いて塗工層に光を照射する。これにより、かご状シルセスキオキサン同士が重合し、マトリックス20が形成される。以上の処理により、樹脂膜10が作製される。
(実施例1)
次に、本実施形態の実施例について説明する。実施例1では、以下の製法により樹脂膜を作製した。
酸化セリウム含有粒子溶液(北興化学工業社製セリアナノ粒子10.2wt(質量)%196質量部にプロピレングリコール80質量部を撹拌しながら添加することで、第1の配合液を作製した。ここで、実施例1で使用した酸化セリウム含有粒子溶液は、酸化セリウム含有粒子を溶液の総質量に対して10.2質量%含む。また、酸化セリウム含有粒子の平均粒径は20nmであった。また、コアは酸化セリウムで構成され、シェルはポリビニルピロリドンで構成されている。シェルの層厚は、約1.5nmであった。
ついで、第1の配合液にかご状シルセスキオキサン(東亜合成社製AC−SQ−TA100)を80質量部添加し60分撹拌することで、第2の配合液を作製した。実施例1で使用したかご状シルセスキオキサンは、構造式1で示す構造を有し、R基は全てアクリル基となっている。次いで、第2の配合液に重合開始剤(BASF JAPAN社製Irg184)を5質量部添加し、さらに添加剤としてDIC社製RS75を5質量部添加し30分間撹拌した。これにより、塗工液を完成させた。この塗工液は、固形分(酸化セリウム含有粒子+かご状シルセスキオキサン)を塗工液の総質量に対して35質量%含む。また、かご状シルセスキオキサンと酸化セリウム含有粒子との質量比は80:20となる。
ついで、ワイヤーバーを用いて塗工液を樹脂膜の膜厚が10μmになるようにポリメチルメタクリレート(PMMA)基材(厚み1mm)上に塗布した。次いで、基材上の塗工液を110℃で約5分間乾燥処理することで、塗工層を作製した。ついで、この塗工層にメタルハライドランプにて2000mjの光を照射することで樹脂膜(硬化膜)を作製した。
(実施例2〜5)
かご状シルセスキオキサンと酸化セリウム含有粒子との質量比及び溶媒の種類を変更した他は実施例1と同様の処理を行った。
(比較例1〜15)
比較例1,9〜15では、かご状シルセスキオキサンと酸化セリウム含有粒子との質量比及び溶媒の種類を変更した他は実施例1と同様の処理を行った。比較例2〜8では、かご状シルセスキオキサン及び酸化セリウム含有粒子のうち少なくとも一方を他の原料に変更し、かつこれらの原料の質量比を変更して実施例1と同様の処理を行った。表1に実施例1〜5、比較例1〜15における溶液中の固形分の質量%、各原料の質量比、及び塗工液の溶媒をまとめて示す。なお、表1には評価結果も併せて示すが、各実施例及び比較例の評価方法については後述する。
表1中、「PG」はプロピレングリコールを示し、「DAA」はジアセトンアルコールを示す。「MIBK」はメチルイソブチルケトン(methyl isobutyl ketone)(沸点:116.2℃)を示す。「PGM」はプロピレングリコールメチルエーテル(propylene glycol monomethyl ether)(沸点:120℃)を示す。比較例11,12において、PG及びMIBKに付された数値は、これらの溶媒の体積比を示す。n−BuOH(n−ブタノール)の沸点は118℃であり、2−エトキシエタノールの沸点は135℃である。
また、※1はウレタンアクリレートオリゴマー(urethane acrylat oligomer)U−4HA(新中村化学工業社製)を示す。※2はシリカ微粒子PGM−AC−2140Y(日産化学社製)を示す。※3は架橋ウレタン有機微粒子アートパールMM(根上工業社製)を示す。※4はコアシェル型有機微粒子Silcrusta MK03(日興リカ社製)を示す。コアはPMMAで構成され、シェルはシリコーン(Silicone)で構成される。
(屈曲性試験)
次に、樹脂膜の屈曲性(bending性、耐クラック性)を評価するために、屈曲性試験を行った。具体的には、基材上に形成された樹脂膜を基材とともに100℃のオーブンに60分間投入した。その後、クラックの有無を目視で確認した。なお、基材を構成するポリメチルメタクリレートは、加熱によって軟化する。この結果、樹脂膜は、その残存硬化収縮力によって屈曲する。屈曲した樹脂膜は、曲げに耐え切れない場合、クラックを生じる。評価結果を表1に示す。「○」は目視でクラックを確認できなかったもの、「×」は目視でクラックを確認できたものを示す。
(鉛筆擦り試験)
樹脂膜の強度を評価するために、JIS−K−5600に準拠した鉛筆擦り試験を行った。ここで、図3に基づいて、鉛筆擦り試験に用いられる試験装置500について説明する。図3は、試験装置500を用いて本実施形態に係る樹脂膜10の鉛筆擦り試験を行う様子を示している。
試験装置500は、装置本体500Aと、水準器502と、小型移動おもり503と、締め具504と、O型リング505とを備える。装置本体500Aには鉛筆501が挿入される貫通穴が形成されている。貫通穴に挿入された鉛筆501の長さ方向と装置本体500Aの底面(すなわち樹脂膜10の表面)との角度θは45度である。水準器502は装置本体500Aが水平であることを確認するための部品である。小型移動おもり503は、鉛筆501の芯501Aに掛ける荷重を調整するための部品である。小型移動おもり503は矢印503A方向に移動可能となっている。締め具504は、鉛筆501を装置本体500A内に固定するものである。O型リング505は、装置本体500Aに回転可能に取り付けられている。O型リング505は、樹脂膜10上を転がることで、試験装置500を試験方向に移動させる。
つぎに、鉛筆擦り試験の方法を説明する。ここでは、本実施形態に係る樹脂膜10(基材100上に形成されたもの)の鉛筆擦り試験を一例として鉛筆擦り試験の方法を説明する。
まず、試験装置500に鉛筆501を挿入、固定する。ついで、樹脂膜10に鉛筆500の芯を押し当てる。ついで、試験装置500が水平になっていることを水準器502で確認する。ついで、小型おもり503の位置を調整することで、鉛筆501の芯501Aに750gの荷重をかける。ついで、試験装置500を図3に示す試験方向に0.8mm/秒のスピードで移動させる。これにより、鉛筆501の芯501Aが樹脂膜10の表面を擦る。以上の処理が鉛筆擦り試験となる。その後、目視にて傷の有無を確認する。傷が確認された場合には、鉛筆501の芯501Aの硬度を下げて、上記の鉛筆擦り試験を行う。傷が確認されない場合には、鉛筆501の芯501Aの硬度を上げて、上記の鉛筆擦り試験を行う。そして、そして、樹脂膜10を目視し、傷が確認されない最大の硬度(鉛筆硬度)を測定する。この硬度は、樹脂膜10の強度(耐擦傷性)を示すパラメータとなる。鉛筆硬度は、7H>6H>5H>4H>3Hの順番で高くなる。評価結果を表1に示す。
(自己修復性試験)
上記の鉛筆擦り試験装置500を用いて、自己修復性試験を行った。具体的には、上記と同様に鉛筆擦り試験を行い、試験後の樹脂膜を24時間放置した。そして、樹脂膜を目指し、傷が確認されない(修復された)最大の硬度(鉛筆硬度(24h後))を測定した。硬度が大きいほど、自己修復性が高いといえる。評価結果を表1に示す。
(評価)
表1によれば、実施例1〜5に係る樹脂膜では、クラックは確認できなかった。さらに、実施例1〜5に係る樹脂膜は、比較例1〜15に係る樹脂膜よりも強度が高く、自己修復性も高いことが確認された。図4は、実施例1に係る樹脂膜を屈曲させた後に観察した様子を示す写真である。図5は、比較例1に係る樹脂膜を屈曲させた後に観察した様子を示す写真である。これらの写真は、各樹脂膜をレーザ顕微鏡で観察することで得られたものである。図4によれば、実施例1に係る樹脂膜は、屈曲してもクラックを発生させない。一方、比較例1に係る樹脂膜は、屈曲した際にクラックを発生させる。
図6は、実施例1に係る樹脂膜を硬度7Hの鉛筆で擦った直後に観察した様子を示す写真である。図7は、図6の樹脂膜を24時間後に再度観察した様子を示す写真である。これらの写真は、各樹脂膜をレーザ顕微鏡で観察することで得られたものである。図6及び図7によれば、実施例1の樹脂膜には、鉛筆で擦った直後では傷200が形成されるが、24時間経過後には傷200が消失している。このように、実施例1に係る樹脂膜は比較例1よりも強度が高く、かつ、屈曲性及び自己修復性にも優れていることがわかる。実施例及び比較例により、本実施形態に係る樹脂膜10は、強度が高く、かつ、屈曲性及び自己修復性にも優れていることが確認された。
すなわち、上記実施例及び比較例によれば、かご状シルセスキオキサン及び酸化セリウム含有粒子の質量比が80:20〜50:50となる場合に、所望の効果が得られることが確認された。さらに、かご状シルセスキオキサン及び酸化セリウム含有粒子のいずれかが他の原料に置き換わった場合、例えばこれらの質量比が上記の範囲内であったとしても、所望の効果が得られないことが確認された。また、樹脂膜製造時に使用される極性溶媒は、沸点が160℃以上であることが必要であることも確認された。
以上により、本実施形態によれば、樹脂膜10は、かご状シルセスキオキサンを構造単位として含むマトリックス20と、酸化セリウム含有粒子30と、を備える。そして、酸化セリウム含有粒子30の含有率は、マトリックス20と酸化セリウム含有粒子30との総質量に対して20〜50質量%である。これにより、樹脂膜10は、高い強度を維持しつつ、屈曲性及び自己修復性を向上させることができる。
さらに、本実施形態によれば、酸化セリウム含有粒子30の有機ポリマー層、すなわちシェル32は、ポリビニルピロリドンを含むので、樹脂膜10の屈曲性及び自己修復性が更に向上する。
さらに、本実施形態によれば、樹脂膜10を製造するに際し、溶媒として沸点が160℃以上の極性溶媒を使用するので、樹脂膜10中に酸化セリウム含有粒子30を安定して分散させることができる。したがって、高い強度を維持しつつ、屈曲性及び自己修復性が向上した樹脂膜10を製造することができる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
10 樹脂膜
20 マトリックス
30 酸化セリウム含有粒子
31 コア
32 シェル

Claims (3)

  1. 互いに重合可能なかご状シルセスキオキサンと、酸化セリウムを含むコア及び前記コアを覆う有機ポリマー層を備える酸化セリウム含有粒子と、沸点が160℃以上の極性溶媒のみからなる溶媒とを混合することで塗工液を作製するステップと、
    前記塗工液を用いて樹脂膜を作製するステップと、を含み、
    前記酸化セリウム含有粒子の含有率は、前記かご状シルセスキオキサンと前記酸化セリウム含有粒子との総質量に対して20〜50質量%であり、
    前記かご状シルセスキオキサンは、以下の構造式1で示される構造を有し、
    前記構造式1中のRは互いに独立して、アクリル基、メタクリル基、エポキシ基、及びオキセタン基からなる群から選択されることを特徴とする、樹脂膜の製造方法。
  2. 前記有機ポリマー層は、ポリビニルピロリドンを含むことを特徴とする、請求項記載の樹脂膜の製造方法。
  3. 互いに重合可能なかご状シルセスキオキサンと、酸化セリウムを含むコア及び前記コアを覆う有機ポリマー層を備える酸化セリウム含有粒子と、沸点が160℃以上の極性溶媒のみからなる溶媒とを含み、
    前記酸化セリウム含有粒子の含有率は、前記かご状シルセスキオキサンと前記酸化セリウム含有粒子との総質量に対して20〜50質量%であり、
    前記かご状シルセスキオキサンは、以下の構造式1で示される構造を有し、
    前記構造式1中のRは互いに独立して、アクリル基、メタクリル基、エポキシ基、及びオキセタン基からなる群から選択されることを特徴とする、塗工液。
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