JP6564588B2 - 多孔質モノリスコーティング構造物及びその製造方法 - Google Patents
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また、スキン層をプラズマ処理で除去する方法が提案されている(例えば、特許文献6(特に段落0061)など参照)。
PVAを塗布したガラス板で挟んで重合することによりスキン層のない膜を作製する方法も提案されている(例えば、特許文献7(特に段落0047、段落0075)など参照)
モノリス構造を持つ高度撥水性表面を有する構造体も提案されている(例えば、特許文献8など参照)。
従来は、多孔質のモノリスを作成する場合、その表層部(空気或いは容器や基材との界面)は殆ど孔のない表面(スキン層)となるために、塗布方式への応用が行われなかったと思われる。
上記特許文献6,7は、スキン層の抑制という観点からの検討についての記載を含んではいるものの、多孔質モノリスコーティング膜を表面にもつ多孔質モノリスコーティング構造物を記載するものではなく、その示唆もない。
また、上記特許文献8の[0020]には、「・・・基材としては・・・有機モノリス構造体を用意する。」との記載があるが、塗布によってモノリス膜を形成したとは記載されていない。
本発明は、従来検討されていなかった多孔質モノリスコーティング膜を表面にもつ新規な多孔質モノリスコーティング構造物及びその製造方法を提供することを課題とする。
すなわち、本発明にかかる多孔質モノリスコーティング構造物の製造方法は、硬化性樹脂と硬化剤とポロゲンと増粘剤としての微粉シリカ(グリシジル基が導入されたものを除く)とを含む硬化性組成物を基材上に塗布し、前記塗布により形成された塗布物を硬化し、前記硬化により形成された硬化塗膜内のポロゲンを除去することにより、多孔質モノリスコーティング膜を基材の表面に保持する。
また、本発明にかかる多孔質モノリスコーティング構造物は、基材と、前記基材上に形成された多孔質モノリスコーティング膜とを含み、前記多孔質モノリスコーティング膜は、硬化性樹脂と硬化剤とポロゲンと増粘剤としての微粉シリカ(グリシジル基が導入されたものを除く)とを含む硬化性組成物の硬化物からなり、スピノーダル分解による共連続構造を備え、かつ、大気との界面に内部に連通する孔を有する。
また、本発明にかかる多孔質モノリスコーティング構造物は、基材と、前記基材上に形成され、表面に内部に連通する孔を有する多孔質モノリスコーティング膜とを含むので、多孔質モノリスコーティング膜による基材表面の改質効果・保護効果が良好に発揮され、多孔質モノリスの応用可能性の拡大に資するものである。
このように、本発明によれば、基材表面の性質を変えたり保護したりする新しい手法を提供することができる。
本発明の多孔質モノリスコーティング構造物は、基材と、前記基材上に形成され、表面に内部に連通する孔を有する多孔質モノリスコーティング膜とを含む。
基材上に多孔質モノリスコーティング膜が形成された多孔質モノリスコーティング構造物は、従来検討されていなかった多孔質モノリスの新しい形態であり、しかも、本発明の多孔質モノリスコーティング構造物は、表面に内部に連通する孔を有するので、多孔質モノリスによる基材表面の改質効果・保護効果が良好に発揮されたものとなる。
すなわち、多孔質モノリスコーティング膜の基礎となる構造は、例えば、0.05μm以上の骨格と空隙(マクロ孔)とがお互いに絡み合った三次元的な網目構造を有しているものが好ましい。
骨格内及び表面に形成されるメソポアは、通常、マクロ孔よりも孔径の小さな細孔である。
また、骨格内のメソポア構造は、必ずしも三次元網目構造のような連続孔を形成している必要はなく、例えば、一様な貫通孔や骨格を構成している格子間の空隙と見られる構造を有しているものであってもよい。
メソポアの孔径は、好ましくは1nm〜1μmであり、より好ましくは1〜500nmであり、さらに好ましくは1〜300nmである。
ただし、このようにして得られる多孔質モノリスコーティング膜は、空気の影響によりその界面に非多孔性のスキン層を形成する場合がある。このスキン層が生じた場合は表面を研磨やプラズマ処理などで少しだけ除去することで孔のある表面とすることができる。尚、このスキン層の厚みはモノリス膜の柱部分の厚み以下であるので研磨する厚みはそれを除く程度で十分である。孔の少ないスキン層があっても問題のない場合はそのまま使用できる。
次に、本発明にかかる多孔質モノリスコーティング構造物の製造方法について説明する。
本発明にかかる多孔質モノリスコーティング構造物の製造方法では、硬化性樹脂と硬化剤とポロゲンと増粘剤とを含む硬化性組成物を基材上に塗布し、前記塗布により形成された塗布物を硬化し、前記硬化により形成された硬化塗膜内のポロゲンを除去することにより、多孔質モノリスコーティング膜を基材の表面に保持する。
前記エポキシ樹脂としては、例えば、芳香環由来の炭素原子を含む芳香族エポキシ樹脂として、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、臭素化ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ビスフェノールAD型エポキシ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ビスフェノールAノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ジアミノジフェニルメタン型エポキシ樹脂、テトラキス(ヒドロキシフェニル)エタンべ−スなどのポリフェニルベースエポキシ樹脂、フルオレン含有エポキシ樹脂、2,2,2,−トリ−(2,3−エポキシプロピル)−イソシアネートなどのトリグリシジルイソシアヌレート、トリアジン環含有エポキシ樹脂等、複素芳香環を含むエポキシ樹脂、N,N,N’,N’−テトラグリシジル−m−キシリレンジアミンなどを挙げることができる。
また、芳香環由来の炭素原子を含まない非芳香族エポキシ樹脂として、脂肪族グリシジルエーテル型エポキシ樹脂、脂肪族グリシジルエステル型エポキシ樹脂、脂環族グリシジルエーテル型エポキシ樹脂、脂環族グリシジルエステル型エポキシ樹脂、1,3−ビス(N,N’−ジグリシジルアミノメチル)シクロヘキサンなどが挙げられる。
これらのなかでも、分子内にグリシジル基が二つ以上有するエポキシ樹脂が好ましく、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、2,2,2,−トリ−(2,3−エポキシプロピル)−イソシアネート、N,N,N’,N’−テトラグリシジル−m−キシリレンジアミン、1,3−ビス(N,N’−ジグリシジルアミノメチル)シクロヘキサンがより好ましい。
また、芳香環由来の炭素原子を含まない非芳香族硬化剤として、エチレンジアミンやジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、テトラエチレンペンタミン、イミノビスプロピルアミン、ビス(ヘキサメチレン)トリアミン、1,3,6−トリスアミノメチルヘキサン、ポリメチレンジアミン、トリメチルヘキサメチレンジアミン、ポリエーテルジアミンなどの脂肪族アミン類、アジピン酸ジヒドラジドやセバチン酸ジヒドラジド、ドデカン二酸ジヒドラジドなどの脂肪族ヒドラジド類、イソホロンジアミンやメンタンジアミン、N−アミノエチルピペラジン、3,9−ビス(3−アミノプロピル)2,4,8,10−テトラオキサスピロ(5,5)ウンデカンアダクト、ビス(4−アミノシクロへキシル)メタンやこれらの変性品などの脂環族ポリアミン類、1,6−ヘキサメチレンビス(N,N−ジメチルセミカルバジド)などの脂肪族ポリアミンヒドラジド類、ポリアミン類とダイマー酸からなる脂肪族ポリアミドアミン類やポリアミノアミド類など、ビューレトリートリ−(ヘキサメチレン−N,N−ジメチルセミカルバジド)を主成分とするオリゴマープロピレングリコールモノメチルエーテル溶液、ビューレトリートリ−(ヘキサメチレン−N,N−ジメチルセミカルバジド)を主成分とするオリゴマーN,N−ジメチルホルムアミド溶液、スピログリコールや2−(5−エチル−5−ヒドロキシメチル−1,3−ジオキサン−2−イル)−2−メチルプロパン−1−オールなどのグリコール類、その他アミンアダクト系硬化剤などが挙げられる。
これらのなかでも、25℃における粘度が400mPa・s以上のポリアミノアミド系硬化剤を用いることが好ましい。
本発明者の検討により、微粉シリカにより増粘した場合は非多孔性のスキン層が出来ないことが判明したからである。増粘剤を含有させない場合、空気の影響によりその界面に非多孔性のスキン層を形成する場合がある。
前記増粘剤としては微粉シリカを用いることが好ましい。微粉シリカとして、例えば、「アエロジル」(日本アエロジル株式会社)、「レオロシール」(株式会社トクヤマ)等が販売されている。
なお、重合組成物の粘度を上げる方法としては、硬化性組成物を構成する基本的な材料である硬化性樹脂と硬化剤とポロゲンのどれかをより粘度が高いものに変更することも考えられるが、この場合は生成するモノリスの構造(主として孔径)が変化するので好ましくない。また、スピノーダル分解にならないこともある。それに対して、微粉シリカを使用した場合は使用しない場合と比べて増粘した場合でも元の構造に与える変化が少ないといえる。
ポロゲンと同等の効果をもたらす有機高分子としては、重合系に均一かつ溶解することが出来れば特に分子量などは限定されないが、例えば、ポリエチレングルコール、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリメチルメタクリレート、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル、およびエチレンオキシド−プロピレンオキシド共重合体に代表されるこれらの共重合体等が挙げられる。これらのなかでも、ポリエチレンオキシド、エチレンオキシド−プロピレンオキシド共重合体などが好ましい。これら有機高分子の配合割合は、得ようとする骨格部のメソポア径に応じて適宜調節することができる。
これらのなかでも、Si原子に1〜4つのアルコキシ基が結合したシリカアルコキシド、グリシジル基を導入したシリカアルコキシドからなるゾルが好ましく、グリシジル基を導入したシリカアルコキシドからなるゾルが特に好ましい。
本発明の多孔質モノリスコーティング構造物の製造方法では、硬化性組成物に増粘剤を含有させるが、粘性が大きすぎる場合は塗布時のレベリングや消泡性が低下してきれいな表面が得られないので、消泡剤やレベリング剤等を使用しつつ適切な範囲に設定することが望ましい。
硬化性組成物を硬化させる方法としては特に限定されず、使用する硬化剤の種類に応じて、適宜選択すればよいが、例えば、加熱による方法や、紫外線や電子線等の電磁波を照射する方法などが挙げられる。加熱により硬化させる方法における加熱温度は、通常、25〜200℃、好ましくは30〜180℃、より好ましくは40〜160℃である。200℃以上の高温を長く保持することは硬化塗膜の熱劣化につながるので好ましくない。
具体的には、硬化塗膜中に含まれるポロゲンを抽出する処理を行う。ポロゲンとして、上記にて例示した成分を用いた場合には、これらは水溶性であるため、硬化反応を行った構造体を、水やアルコール、アセトン等のポロゲンより揮発性の高い溶媒中に入れることにより、ポロゲンを抽出する処理を行うことができる。この後、置換された溶媒を揮発することにより多孔質モノリスの乾燥コーティング膜が得られる。
多孔質モノリスコーティング膜をあまり高温で処理すると熱劣化が生じる場合があるため、ポロゲンを大気下で加熱除去する場合の温度は200℃以下、できれば150℃以下が好ましい。減圧下で行うことでより温度を下げることができる。更に常圧では沸点が200℃以上の溶媒も減圧することにより加熱温度を低く、また加熱時間を短くすることが可能である。
このようにして、多孔質モノリスコーティング膜が基材の表面に保持された多孔質モノリスコーティング構造物を得ることができる。
多孔質モノリスコーティング膜を表面にもつ本発明の多孔質モノリスコーティング構造物は、その多孔質モノリスコーティング膜の性質を生かした各種の使い方が考えられる。
特に、スピノーダル分解により生じる多孔質モノリスコーティング膜の孔径分布はかなり均一なものであるため、従来のコーティング剤とは異なる外観や機能を作ることが可能になる。
しかし、機械的な方法によりスキン層を除去する場合には、薄い多孔質モノリスコーティング膜の提供は困難である。
これに対し、本発明の多孔質モノリスコーティング構造物の製造方法では、表面に非多孔性のスキン層が形成されていない多孔質モノリスコーティング膜を、研磨等の工程を経ることなく、基材上に成膜することができるので、薄型化の要請にも応え得るものである。
多孔質モノリスコーティング膜の厚みが薄すぎると多孔質膜の性質が小さくなり、厚すぎるとポロゲン除去の操作性が低下したりするので、本発明の多孔質モノリスコーティング構造物における多孔質モノリスコーティング膜の厚みは、好ましくは1〜1000μm、より好ましく3〜500μm、さらに好ましくは5〜300μmである。
本発明は、表面に内部に連通する孔を有し、かつ、上記の如く膜薄の多孔質モノリスコーティング膜を基材表面に備えた多孔質モノリスコーティング構造物を初めて提供するものであるということもできる。
<硬化性組成物の調製>
硬化性樹脂として、エポキシ当量が95〜110(平均102)である下記式(1)で表されるエポキシ化合物(商品名「テトラッドーC」、三菱ガス化学工業株式会社)1重量部、硬化剤として、アミン価が520〜550である下記式(2)で表されるビス(4−アミノシクロヘキシル)メタン(東京化成工業株式会社製)0.575重量部、ポロゲンとして、平均分子量が200である下記式(3)で表されるポリエチレングリコール200(和光純薬工業株式会社製)4重量部を用い、さらに、増粘剤としてアエロジル130(日本アエロジル株式会社製)を、ポリエチレングリコール200に対して5重量%となる割合で用い、これらを、自転・公転ミキサーの「あわとり練太郎」で混合することで、エポキシ樹脂組成物を得た。粘度は25℃で840mPa・Sであった(粘度計は振動式粘度計「VM−10−AM、株式会社セコニック製」を使用)。
基材として市販のガラス板(7.5cm角)の上面周囲に厚さ60μmで幅1cmとした耐熱性粘着テープを貼ってスペーサーとした後、この枠内に上記にて調製したエポキシ樹脂組成物を適量入れガラス棒でならして過剰分を除き均一な厚みとすることで、ガラス板上にエポキシ樹脂組成物を塗布した。
次に得られた塗布物を110℃で1時間加熱することにより、エポキシ樹脂組成物層中のエポキシ化合物を硬化させた。
次いで、加熱後の硬化塗膜を、温度50〜60℃に調整した温水中に投入し、温水を適宜撹拌しつつ5時間放置することにより、硬化塗膜内のポリエチレングリコール200を抽出する工程を3回繰り返した。その後、133Paの減圧下60℃で1晩乾燥させた。
以上により、多孔質モノリスコーティング膜がガラス板の表面に保持された多孔質モノリスコーティング構造物を得た。
実施例1において、アエロジル130を、ポリエチレングリコール200に対して3重量%となる割合で用いた他は実施例1と同じように行い、多孔質モノリスコーティング膜がガラス板の表面に保持された多孔質モノリスコーティング構造物を得た。
なお、多孔質モノリスコーティング膜を形成するためのエポキシ樹脂組成物の粘度は、25℃で340mPa・Sであった。
得られた多孔質モノリスコーティング構造物における多孔質モノリスコーティング膜は、厚みが60μmであり、走査型電子顕微鏡観察により測定した多孔質モノリスコーティング膜のマクロ孔の平均孔径が、0.3〜0.6μmであった。表面には実施例1より少なめの0.1〜0.5μmの孔が確認された。
実施例1において、アエロジル130を、ポリエチレングリコール200に対して1重量%となる割合で用いた他は実施例1と同じように行い、多孔質モノリスコーティング膜がガラス板の表面に保持された多孔質モノリスコーティング構造物を得た。
なお、多孔質モノリスコーティング膜を形成するためのエポキシ樹脂組成物の粘度は、25℃で170mPa・Sであった。
得られた多孔質モノリスコーティング構造物における多孔質モノリスコーティング膜は、厚みが60μmであり、走査型電子顕微鏡観察により測定した多孔質モノリスコーティング膜のマクロ孔の平均孔径が、0.3〜0.6μmであった。表面には0.1〜0.5μmの孔が少し確認された。
実施例1において、スペーサーの厚みを500μmとした以外は実施例1と同じように行い、多孔質モノリスコーティング膜がガラス板の表面に保持された多孔質モノリスコーティング構造物を得た。
得られた多孔質モノリスコーティング構造物における多孔質モノリスコーティング膜は、厚みが480μmであり、走査型電子顕微鏡観察により測定した多孔質モノリスコーティング膜のマクロ孔の平均孔径が、0.3〜0.6μmであった。表面には0.2〜0.5μmの孔が多く確認された
アエロジル130を添加しない以外は実施例1と同じように行い、多孔質モノリスコーティング膜を表面にもつガラス板を得た。
なお、多孔質モノリスコーティング膜を形成するためのエポキシ樹脂組成物の粘度は、25℃で130mPa・Sであった。
ガラス板上の多孔質モノリスコーティング膜は、厚みが60μmであり、走査型電子顕微鏡観察により測定した多孔質モノリスコーティング膜のマクロ孔の平均孔径が、0.3〜0.6μmであった。表面には孔が確認できなかった(図2参照)。
Claims (6)
- 硬化性樹脂と硬化剤とポロゲンと増粘剤としての微粉シリカ(グリシジル基が導入されたものを除く)とを含む硬化性組成物を基材上に塗布し、前記塗布により形成された塗布物を硬化し、前記硬化により形成された硬化塗膜内のポロゲンを除去することにより、多孔質モノリスコーティング膜を基材の表面に保持する、多孔質モノリスコーティング構造物の製造方法。
- 前記硬化性樹脂が有機硬化性樹脂である、請求項1に記載の多孔質モノリスコーティング構造物の製造方法。
- 前記有機硬化性樹脂がエポキシ樹脂である、請求項2に記載の多孔質モノリスコーティング構造物の製造方法。
- 前記ポロゲンの除去を加熱又は加熱減圧下で行う、請求項1から3までのいずれかに記載の多孔質モノリスコーティング構造物の製造方法。
- 基材と、前記基材上に形成された多孔質モノリスコーティング膜とを含み、前記多孔質モノリスコーティング膜は、硬化性樹脂と硬化剤とポロゲンと増粘剤としての微粉シリカ(グリシジル基が導入されたものを除く)とを含む硬化性組成物の硬化物からなり、スピノーダル分解による共連続構造を備え、かつ、大気との界面に内部に連通する孔を有する、多孔質モノリスコーティング構造物。
- 多孔質モノリスコーティング膜の厚みが1〜1000μmである、請求項5に記載の多孔質モノリスコーティング構造物。
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