JP6662287B2 - 積層体 - Google Patents
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Description
(1)支持基材上に表面層が積層された積層体であって、前記表面層は弾性率の高い層と弾性率の低い層が交互に積層された多層構造を有し、かつ、前記表面層の厚み方向の弾性率分布において、弾性率が支持基材の弾性率よりも高い極大値と弾性率が支持基材の弾性率よりも低い極小値が存在し、前記表面層における支持基材との界面側の弾性率と最表面側の弾性率が、共に支持基材の弾性率よりも高いことを特徴とする積層体。
(2)前記表面層の厚み方向の弾性率分布における最大弾性率が、最小弾性率の100倍以上10,000倍以下であることを特徴とする(1)に記載の積層体。
(3)前記表面層の厚み方向の弾性率分布における最小弾性率が0.1GPa以下であることを特徴とする(1)または(2)に記載の積層体。
(4)前記表面層の厚み方向の弾性率分布において、弾性率が支持基材の弾性率よりも高い極大値と弾性率が支持基材の弾性率よりも低い極小値が交互に存在し、弾性率分布から算出される厚みおよび弾性率が、以下の関係を満たすことを特徴とする(1)から(3)のいずれかに記載の積層体。
10≦(Tb[nm]/Ta[nm])×(Ea[MPa])/Eb[MPa])≦1,000・・・(式1)
Ta[nm]:弾性率が支持基材の弾性率よりも高い部分の厚みの平均値
Tb[nm]:弾性率が支持基材の弾性率よりも低い部分の厚みの平均値
Ea[MPa]:極大弾性率の平均値
Eb[MPa]:極小弾性率の平均値
(5)前記表面層が以下を満たす異方形状を有する無機粒子を含むことを特徴とする、(1)から(4)のいずれかに記載の積層体。
1.2≦Rl/Rs≦20,000・・・(式2)
1nm≦Rs≦100nm・・・(式3)
Rl[nm]:無機粒子の長直径
Rs[nm]:無機粒子の短直径
(6)前記表面層の支持基材に垂直な断面における、前記異方形状を有する無機粒子の、厚み方向の存在頻度Fが以下の条件を満たすことを特徴とする(1)から(5)のいずれかに記載の積層体。
Fa<Fb・・・(式4)
Fa:弾性率が支持基材の弾性率よりも高い部分の存在頻度
Fb:弾性率が支持基材の弾性率よりも低い部分の存在頻度
カンチレバー:NANOSENSORS製のカンチレバー「R150−NCL−10(材質Si、ばね定数48N/m、先端の曲率半径150nm)。
以下、表面層の弾性率の好ましい形態について説明する。
まず図2に示されるような、表面層の厚みを横軸に、前記の方法で測定した断面の弾性率を縦軸にプロットした「表面層の厚み方向の弾性率分布」において、「支持基材断面の弾性率9と比較して弾性率が高い部分と弾性率が低い部分とが存在すること」が好ましい。前述の弾性率が高い部分を有さない場合には、表面層の弾性率が不足するため、十分な硬度を得ることができない場合がある。また、反対に前述の弾性率が低い部分を有さない場合には、可撓性、特に折り曲げに対するクラックの抑制が不十分となり、課題を達成することができない場合がある。なお「表面層の厚み方向の弾性率分布」は、図2では連続する曲線として表現されているが、現実的には100nm間隔で測定されたデータ点の集合である。100nm未満の間隔での微細な弾性率の変化については、積層体の硬度、もしくは可撓性に与える影響が少ないことから、上記の測定条件で検出されない弾性率変化の影響は現実的には無視することができる。なお「表面層の厚み方向の弾性率分布」の測定方法の詳細については後述する。
本発明における最表面側の弾性率と界面側の弾性率は共に支持基材の弾性率よりも高いことが好ましい。ここで、「最表面」とは、表面層の最表面をいう。また、「界面」とは、表面層と支持基材との界面(すなわち、表面層と支持基材との境界線)をいう。最表面側の弾性率が支持基材の弾性率よりも低い場合には、内部に弾性率がより高い部分があっても傷が付きやすくなる場合がある。また界面側の弾性率が支持基材の弾性率よりも低い場合には、支持基材に起因する傷が生じやすくなる場合がある。特に最表面側の弾性率は表面層の中で最も高いことが好ましい。ここで「最表面側の弾性率」とは表面層における最表面の弾性率である。ただし断面における弾性率測定において、真の最表面に位置する図1の4線上の弾性率は正確な表面層の値とはならないことから、現実には最表面から100nm内側の測定点5の値を「最表面側の弾性率」とする。また、「界面側の弾性率」とは、表面層と支持基材との界面における弾性率をいう。ただし、ただし断面における弾性率測定において、真の界面に位置する図1の6線上の弾性率は正確な界面の値とはならないことから、現実には表面層と支持基材との境界線6から100nm表面層側の測定値7を「界面側の弾性率」とする。
一方、表面層の厚み方向の弾性率分布(図2)において、表面層における弾性率の最大値である「最大弾性率14」と、表面層における弾性率の最小値である「最小弾性率15」の間には好ましい関係が存在する。具体的には最大弾性率が最小弾性率の100倍以上10,000倍以下であることが好ましい。最大弾性率と最小弾性率の関係が前述の範囲にない場合、具体的には100倍よりも小さい場合には、硬度もしくは可撓性のいずれかの物性が不足し、両者の両立が難しくなる場合がある。一方、10,000倍を超える場合には、急激な弾性率変化により表面層内にひずみが生じやすくなり、鉛筆硬度の低下や膜の剥離が起こりやすくなる場合がある。
更に表面層内に、応力に対する変形ひずみを発生させにくくする構造として、弾性率と厚みの間には好ましい関係が存在する。具体的には、表面層の厚み方向の弾性率分布において、図3に示すように、弾性率が支持基材の弾性率9よりも高い極大値(極大弾性率16)と弾性率が支持基材の弾性率9より低い極小値(極小弾性率18)が存在することが好ましい。また、表面層の厚み方向の弾性率分布において、表面層における支持基材との界面側の弾性率と最表面側の弾性率が、共に支持基材の弾性率よりも高いことが好ましい。さらには、表面層の厚み方向の弾性率分布において、図4に示すように、弾性率が支持基材の弾性率9よりも高い極大値(極大弾性率16)と、弾性率が支持基材の弾性率9よりも低い極小値(極小弾性率18)が「交互に」存在し、かつ弾性率が支持基材の弾性率9よりも高い部分の厚み20の平均値と、弾性率が支持基材の弾性率9よりも低い部分の厚み21の平均値が以下の関係式を満たすことがより好ましい。
10≦(Tb[nm]/Ta[nm])×(Ea[MPa])/Eb[MPa])≦1,000
ここでTa[nm]は弾性率が支持基材の弾性率よりも高い部分の厚みの平均値であり、Tb[nm]は弾性率が支持基材の弾性率よりも低い部分の厚みの平均値であり、Ea[MPa]は極大弾性率の平均値17であり、Eb[MPa]は極小弾性率の平均値19である。
(1)極大値と極小値がそれぞれ少なくとも各2個ずつ存在する。
(2)支持基材の弾性率よりも高い弾性率である極小値がない。
(3)支持基材の弾性率よりも低い弾性率である極大値がない。
(4)極大値と極小値を厚み方向に順に並べたとき、(i)極大値−極小値−極大値−極小値または(ii)極小値−極大値−極小値−極大値となる順列が少なくとも1つ存在する。
前述のような弾性率を実現する表面層の構成としては、弾性率の高い層、すなわち硬い層と弾性率の低い層、すなわち軟らかい層が交互に積層された「多層構造」や、もしくは明確な界面が存在しない一体の層でありながら、粒子、樹脂などの構成成分の偏りにより弾性率に分布を有するような「傾斜構造」などが挙げられる。表面層の構造、およびその製造方法の詳細については[積層体の製造方法]の項に後述する。
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
本発明における「表面層」とは、支持基材上に形成された層をいい、前記表面層および支持基材を含む一連の層を全て統合したものを「積層体」と呼ぶ。すなわち、支持基材上に層が1層のみ形成されている場合は、当該1層が「表面層」となる。また、例えば支持基材上に層が2層以上形成されている場合は、支持基材を除いた当該2層以上の層すべてを1つの「表面層」というものとする。
本発明の積層体に用いられる支持基材を構成する材料は、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれでもよく、ホモ樹脂であってもよく、共重合または2種類以上のブレンドであってもよい。より好ましくは、支持基材を構成する樹脂は、成型性の点から熱可塑性樹脂が好ましい。
本発明の積層体は、支持基材上に後述する積層体の製造方法を用いて、塗料組成物を塗布、乾燥、硬化することで、前述の物性を達成可能な構造を持つ表面層を形成することができる。ここで「塗料組成物」とは、溶媒と溶質からなる液体であり、前述の支持基材上に塗布し、溶媒を乾燥工程で揮発、除去、硬化することにより表面層を形成可能な材料を指す。ここで、塗料組成物の「種類」とは、塗料組成物を構成する溶質の種類が一部でも異なる液体を指す。この溶質は、樹脂もしくは塗布プロセス内でそれらを形成可能な材料(以降これを前駆体と呼ぶ)、粒子、および重合開始剤、硬化剤、触媒、レベリング剤、紫外線吸収剤、酸化防止剤等の各種添加剤からなる。
塗料組成物Aとしては、高弾性率の塗布層を形成するハードコート塗材を好適に用いることができる。塗布層単層膜の弾性率としては6GPa〜200GPaの弾性率を有することが好ましい。具体的な構成成分としては、反応性部位を多数含む高架橋性のバインダー成分と、弾性率付与のための粒子成分を有することが好ましい。特に高い弾性率を有するハードコート層を形成可能な塗材としては、有機−無機ハイブリッド塗材と呼ばれる、有機材料と無機材料の複合塗材を用いることが好ましい。有機−無機ハイブリッド塗材の例としては、「大成ファインケミカル株式会社;(有機-無機ハイブリッドコート材“STR-SiA”)」や「東亞合成株式会社;(商品名“光硬化型SQシリーズ”)」や「東洋インキ株式会社;(商品名“リオデュラス”(登録商標))」などが挙げられ、これらの材料を好適に使用することが可能である。なお有機−無機ハイブリッド塗材の代表的な形態としては、高弾性率の無機粒子と有機化合物から成る高架橋性のバインダーを含むことが好ましい。好ましい粒子成分およびバインダー成分については後述する。
塗料組成物Bとしては柔軟性や成形性に富む樹脂塗材を好適に用いることができる。塗布層単膜の弾性率としては1MPa〜100MPaの弾性率を有することが好ましい。具体的には、擦傷修復性塗材や、成形性HC(Hard Coating:ハードコート)塗材もしくは粘着剤として市販されているものを好適に使用することができる。またその一部に粒子材料を含んでもよい。
本発明の積層体が有する表面層は粒子成分を含むことが好ましく、特に本発明の表面層を形成するのに適した塗料組成物Aは粒子を含むことが好ましい。ここで、粒子とは無機粒子、有機粒子のいずれでもよいが、耐久性の観点から無機粒子が好ましい。
更に本発明の積層体が有する表面層は異方形状を有する無機粒子を含むことが特に好ましい。また本発明の表面層を形成するのに適した塗料組成物は異方形状を有する無機粒子を含むことが好ましく、特に塗料組成物Bに異方形状を有する無機粒子を含むことが好ましい。ここで異方形状を有する無機粒子とは、その形状が真球状ではなく偏りを持った粒子であることを意味し、具体的には、針状や板状もしくは球状粒子が連鎖状に結合した数珠状の粒子を意味する。前記表面層に含まれる無機粒子が前述のような異方形状を有することで、積層体全体の可撓性を維持したまま表面層の硬度を付与することが出来る。可撓性と硬度の両立の原因は明らかではないが、異方形状を有する無機粒子を添加することで、押し込み方向への応力が維持されたまま、せん断方向への応力のみが増加することが確認されており、積層膜のずりによる破壊を抑制できるものと推定している。
本発明の表面層を形成するのに適した塗料組成物はバインダー原料を含有することが好ましい。ここでバインダーとは反応性部位を有する化合物、もしくはその反応により形成された高次化合物を指す。ここで本発明にて用いられる塗料組成物中に存在するバインダーを「バインダー材料」、前記塗料組成物を塗工、乾燥、硬化処理もしくは蒸着等の処理により形成された前記表面層に存在するバインダーを「バインダー成分」という。また反応性部位とは、熱または光などの外部エネルギーにより他の成分と反応する部位を指す。このような反応性部位のうち好ましいものとして、反応性の観点からアルコキシシリル基及びアルコキシシリル基が加水分解されたシラノール基や、カルボキシル基、水酸基、エポキシ基、ビニル基、アリル基、アクリロイル基、メタクリロイル基などが挙げられる。なお本発明の表面層を形成するのに適した塗料組成物Aは後述する「高架橋性バインダー」を、塗料組成物Bは後述する「柔軟性バインダー」を少なくとも含有することが好ましく、これらのバインダーを同時に含有してもよい。
高架橋性バインダーは主に塗料組成物Aのバインダー成分として好適に使用できるほか、密着性や造膜性向上の観点から塗料組成物B中に含まれる場合もある。1分子中に2以上、20以下の反応性部位を有する材料が好ましい。また熱硬化型樹脂、紫外線硬化型樹脂のいずれでもよく、2種類以上のブレンドであってもよい。
柔軟性バインダーは主に塗料組成物Bのバインダー成分として好適に使用することができる。1分子中に4以下の反応性部位を有する材料が好ましく、アクリルポリマーのように、活性な反応性部位が失活した形態であってもよい。柔軟性バインダーの好ましい材料を以下に例示する。
前記塗料組成物A、塗料組成物Bは溶媒を含むことが好ましい。溶媒の種類数としては1種類以上20種類以下が好ましく、より好ましくは1種類以上10種類以下、さらに好ましくは1種類以上6種類以下である。ここで「溶媒」とは、塗布後の乾燥工程にて、ほぼ全量を蒸発させ、塗膜から除去することが可能な、常温、常圧で液体である物質を指す。
前記塗料組成物Aと塗料組成物Bは、重合開始剤や硬化剤や触媒を含むことが好ましい。重合開始剤および触媒は、表面層の硬化を促進するために用いられる。重合開始剤としては、塗料組成物に含まれる成分をアニオン、カチオン、ラジカル重合反応等による重合、縮合または架橋反応を開始あるいは促進できるものが好ましい。
本発明の積層体の製造方法は、少なくとも前述の塗料組成物Aと塗料組成物Bを、逐次または同時に前述の支持基材上に塗布−乾燥−硬化することにより形成する製造方法を用いることがより好ましい。
また、前述の2種類以上の塗料組成物を同時塗布する場合には、塗布前の状態で液膜を順に積層後塗布する「多層スライドダイコート」(図5)や、基材上に塗布と同時に積層する「多層スロットダイコート」(図6)、支持基材上に1層の液膜を形成後、未乾燥の状態でもう1層を積層させる「ウェット−オンーウェットコート」(図7)等のいずれでもよい。
本発明の積層体は、優れた表面硬度と可撓性を両立するため曲面を有する部材、例えば電化製品や自動車の内装部材、建築部材等に幅広く用いることができる。
[塗料組成物A1]
下記材料を混合し、酢酸エチルを用いて希釈し、塗料組成物A1を得た。
・有機−無機ハイブリッドHC塗材 80.0質量部
(“アイカアイトロン” Z−729−18 アイカ工業株式会社)
・酢酸エチル 20.0質量部。
・ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート 18.8質量部
・粒子添加剤C1(シリカ粒子分散物) 44.4質量部
(“MEK−AC−2140Z” 日産化学工業株式会社)
・酢酸エチル 35.6質量部
・光ラジカル重合開始剤 1.2質量部
(“イルガキュア”(登録商標)184 BASFジャパン株式会社)。
・ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート 38.8質量部
・酢酸エチル 60.0質量部
・光ラジカル重合開始剤 1.2質量部
(“イルガキュア”(登録商標)184 BASFジャパン株式会社)。
・ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート 36.8質量部
(“アイカアイトロン” Z−729−18 アイカ工業株式会社)
・粒子添加剤C3 2.0質量部
・酢酸エチル 60.0質量部
・光ラジカル重合開始剤 1.2質量部
(“イルガキュア”(登録商標)184 BASFジャパン株式会社)。
<ウレタンアクリレートの合成>
[ウレタンアクリレート1のトルエン溶液]
トルエン50質量部、ヘキサメチレンジイソシアネートのイソシアヌレート変性タイプ(三井化学株式会社製 タケネートD−170N)50質量部、ポリカプロラクトン変性ヒドロキシエチルアクリレート(ダイセル化学工業株式会社製 プラクセルFA5)76質量部、ジブチル錫ラウレート0.02質量部、およびハイドロキノンモノメチルエーテル0.02質量部を混合し、70℃で5時間保持した。その後、トルエン79質量部を加えて固形分濃度50質量%のウレタンアクリレート1のトルエン溶液を得た。
ヘキサメチレンジイソシアネートのイソシアヌレート変性体(三井化学株式会社製 タケネートD−170N、イソシアネート基含有量:20.9質量%)50質量部、ポリエチレングリコールモノアクリレート(日油株式会社製 ブレンマーAE−150(水酸基価:264(mgKOH/g))53質量部、ジブチルスズラウレート0.02質量部及びハイドロキノンモノメチルエーテル0.02質量部を仕込んだ。そして、70℃で5時間保持して反応を行った。反応終了後、反応液にメチルエチルケトン(以下、MEKという)102質量部を加え、固形分濃度50質量%のウレタンアクリレート2のトルエン溶液を得た。
下記材料を混合し、酢酸エチルを用いて希釈し、塗料組成物B1を得た。
・ウレタンアクリレート1の固形分濃度50質量%−トルエン溶液 4.9質量部
・ウレタンアクリレート2の固形分濃度50質量%−トルエン溶液 4.9質量部
・酢酸エチル 90.05質量部
・光ラジカル重合開始剤 0.15質量部
(“イルガキュア”(登録商標)184 BASFジャパン株式会社)。
下記材料を混合し、酢酸エチルを用いて希釈し、塗料組成物B2を得た。
・自己修復性塗料 7.1質量部
(“フォルシード” NO.521C 中国塗料株式会社)
・酢酸エチル 92.86質量部。
下記材料を混合し、酢酸エチルを用いて希釈し、塗料組成物B3を得た。
・アクリル系粘着剤 16.7質量部
(“SKダイン”1439U 綜研化学株式会社)
・酢酸エチル 83.26質量部
・硬化剤 0.08質量部
(硬化剤E−50C 綜研化学株式会社)。
・ウレタンアクリレート1の固形分濃度50質量%−トルエン溶液 4.85質量部
・ウレタンアクリレート2の固形分濃度50質量%−トルエン溶液 4.85質量部
・粒子添加剤C2 0.1質量部
・酢酸エチル 90.05質量部
・光ラジカル重合開始剤 0.15質量部
(“イルガキュア”(登録商標)184 BASFジャパン株式会社)。
・ウレタンアクリレート1の固形分濃度50質量%−トルエン溶液 4.85質量部
・ウレタンアクリレート2の固形分濃度50質量%−トルエン溶液 4.85質量部
・粒子添加剤C3 0.1質量部
・酢酸エチル 90.05質量部
・光ラジカル重合開始剤 0.15質量部
(“イルガキュア”(登録商標)184 BASFジャパン株式会社)。
・ウレタンアクリレート1の固形分濃度50質量%−トルエン溶液 4.85質量部
・ウレタンアクリレート2の固形分濃度50質量%−トルエン溶液 4.85質量部
・粒子添加剤C4 0.1質量部
・酢酸エチル 90.05質量部
・光ラジカル重合開始剤 0.15質量部
(“イルガキュア”(登録商標)184 BASFジャパン株式会社)。
・ウレタンアクリレート1の固形分濃度50質量%−トルエン溶液 4.85質量部
・ウレタンアクリレート2の固形分濃度50質量%−トルエン溶液 4.85質量部
・粒子添加剤C5 0.1質量部
・酢酸エチル 90.05質量部
・光ラジカル重合開始剤 0.15質量部
(“イルガキュア”(登録商標)184 BASFジャパン株式会社)。
・ウレタンアクリレート1の固形分濃度50質量%−トルエン溶液 4.85質量部
・ウレタンアクリレート2の固形分濃度50質量%−トルエン溶液 4.85質量部
・粒子添加剤C6 0.1質量部
・酢酸エチル 90.05質量部
・光ラジカル重合開始剤 0.15質量部
(“イルガキュア”(登録商標)184 BASFジャパン株式会社)。
・ウレタンアクリレート1の固形分濃度50質量%−トルエン溶液 4.85質量部
・ウレタンアクリレート2の固形分濃度50質量%−トルエン溶液 4.85質量部
・粒子添加剤C7 0.1質量部
・酢酸エチル 90.05質量部
・光ラジカル重合開始剤 0.15質量部
(“イルガキュア”(登録商標)184 BASFジャパン株式会社)。
・ウレタンアクリレート1の固形分濃度50質量%−トルエン溶液 4.85質量部
・ウレタンアクリレート2の固形分濃度50質量%−トルエン溶液 4.85質量部
・粒子添加剤C8 0.1質量部
・酢酸エチル 90.05質量部
・光ラジカル重合開始剤 0.15質量部
(“イルガキュア”(登録商標)184 BASFジャパン株式会社)。
粒子添加剤Cとしてそれぞれ下記の粒子分散物を使用した。なお各粒子成分の形状の詳細については表1に記載する。
粒子添加剤C1:シリカ粒子分散物(“MEK−AC−2140Z” 日産化学工業株式会社)
粒子添加剤C2:ベーマイト分散物(柱状ベーマイトゾル 川研ファインケミカル株式会社製)
粒子添加剤C3:ベーマイト分散物(柱状ベーマイトゾル 川研ファインケミカル株式会社製)
粒子添加剤C4:層状珪酸塩(“ルーセンタイトSPN”コープケミカル)1wt%IPA分散液
粒子添加剤C5:連鎖状シリカ粒子分散物(“MEK−ST−UP”日産化学工業株式会社)
粒子添加剤C6:ベーマイト分散物(繊維状ベーマイトゾル 川研ファインケミカル株式会社製)
粒子添加剤C7:シリカ粒子分散物(“MEK−ST−L” 日産化学工業株式会社)
粒子添加剤C8:シリカ粒子分散物(“MEK−ST−2040” 日産化学工業株式会社)
<積層体の製造方法>
支持基材としてPET樹脂フィルム上に易接着性塗料が塗布されている厚み50μmの“ルミラー”(登録商標)U48(東レ株式会社製)を用いた。支持基材上に塗料組成物AおよびBをワイヤーバーを用い、乾燥後の表面層の厚みが指定の膜厚になるように番手を調整して塗布し、次いで下記の条件で乾燥工程、硬化工程を行った。これらの一連の塗布、乾燥、硬化を順次繰り返すことにより、支持基材上に表面層を形成した。
「UV硬化1の乾燥工程」
送風温湿度 : 温度:80℃
風速 : 塗布面側:5m/秒、反塗布面側:5m/秒
風向 : 塗布面側:基材の面に対して平行、反塗布面側:基材の面に対して垂直
滞留時間 : 2分間
「UV硬化1硬化工程」
積算光量 : 120mJ/cm2
酸素濃度 : 200ppm以下。
「UV硬化2の乾燥工程」
送風温湿度 : 温度:80℃
風速 : 塗布面側:5m/秒、反塗布面側:5m/秒
風向 : 塗布面側:基材の面に対して平行、反塗布面側:基材の面に対して垂直
滞留時間 : 2分間
「UV硬化2の硬化工程」
積算光量 : 120mJ/cm2
酸素濃度 : 大気雰囲気。
「熱硬化1の乾燥・硬化工程」
送風温湿度 : 温度:80℃
風速 : 塗布面側:5m/秒、反塗布面側:5m/秒
風向 : 塗布面側:基材の面に対して平行、反塗布面側:基材の面に対して垂直
滞留時間 : 2分間
以上の方法により実施例1〜19、比較例1〜6の積層体を作成した。
作成した積層体について、次に示す性能評価を実施し、得られた結果を表2〜4に示す。特に断らない場合を除き、測定は各実施例・比較例において、1つのサンプルにつき場所を変えて3回測定を行い、その平均値を用いた。
実施例1〜19、比較例1〜6の積層体を電顕用エポキシ樹脂(日新EM社製Quetol812)で包埋し硬化させた後、凍結ミクロトーム法により断面を切り出し、当該断面を測定面として専用のサンプル固定台に固定した。アサイラムテクノロジー製のAFM「MFP−3DSA−J」とNANOSENSORS製のカンチレバー「R150−NCL−10(材質Si、ばね定数48N/m、先端の曲率半径150nm)」を用い、表面層および支持基材の断面に対して、Contactモードでフォースカーブ (カンチレバーの移動速度2μm/s、最大押し込み荷重2μN)を測定した。
前述の方法で用意した積層体断面に対して、Tappingモード、分解能512×512pixelsにて表面像の測定を実施した。次いで、得られた表面像から表面層の厚みが視野角内に収まるように倍率を調整した。この時、表面層−支持基材界面は、表面層と支持基材の境界部分の弾性率の不整合から輝線または暗線として観察され、この輝線または暗線の中央を表面層の厚み方向の測定基準線とした。また最表面についても同様に、表面層と包埋樹脂との弾性率不整合により生じる輝線または暗線の中央を表面層の厚み方向の測定基準線とした。以下の測定においては、「最表面からの距離」という場合は、前述の最表面における輝線または暗線の中央をからの距離をいい、「最表面までの距離」という場合は、前述の最表面における輝線または暗線の中央までの距離をいう。同様に、「表面層−支持基材界面からの距離」という場合は、前述の界面における輝線または暗線の中央をからの距離をいい、「表面層−支持基材界面までの距離」という場合は、前述の界面における輝線または暗線の中央までの距離をいう。
支持基材についても同様に断面の弾性率を測定した。測定位置については支持基材において、支持基材と表面層との界面から支持基材側に100nmの距離の点(例えば、図1の符号8)から支持基材の厚み方向(表面層が存在する方向とは逆の方向)に100nm間隔で弾性率を測定した。支持基材と表面層との界面から、表面層と同一の厚みに相当する距離まで測定を行い(例えば、表面層の厚みが3μmであれば、支持基材と表面層との界面から3μmの距離まで100nm間隔で弾性率測定を行う)、その平均値を支持基材の弾性率とした。
前述の方法で得られた厚み方向のパラメータを基に最大弾性率、最小弾性率、弾性率が支持基材の弾性率よりも高い部分の厚みの平均値(Ta)、弾性率が支持基材の弾性率よりも低い部分の厚みの平均値(Tb)、極大弾性率の平均値(Ea)および極小弾性率の平均値(Eb)の算出をそれぞれ以下の方法で実施した。
透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて断面を観察することにより、表面層断面に含まれる無機粒子の形状を測定した。無機粒子の形状は、以下の方法に従い測定した。まず積層体の断面の超薄切片をTEMにより20万倍の倍率で撮影した。続いて画像処理ソフトEasyAccess Ver6.7.1.23 にて画像をグレースケールに変換し、ホワイトバランスを最明部と最暗部が8bitのトーンカーブに収まるように調整、さらに無機粒子の境界が明確に見分けられるようにコントラストを調節した。次いでソフトウェア(画像処理ソフトImageJ/開発元:アメリカ国立衛生研究所(NIH))を用いて、前述の境界を境に画素の2値化を行い、Analize Particles(粒子解析)機能により個々の無機粒子のなす領域を抽出し、そこから該当領域の面積をFit Ellipseにて楕円形近似したときのMajorの値を長直径、Minorの値を短直径として求めた。前述の解析を個々の無機粒子計50個に対して実施し、長直径の最大値を長直径Rl、短直径の最小値を短直径Rsとした。
続いて同様の透過型電子顕微鏡(TEM)の断面観察から、無機粒子の存在頻度の算出を実施した。まず積層体の断面の超薄切片をTEMにより5万倍の倍率で撮影した。次いで画像処理ソフトEasyAccess Ver6.7.1.23 にて、画像をグレースケールに変換し、ホワイトバランスを最明部と最暗部が8bitのトーンカーブに収まるように調整した。さらに無機粒子の境界が明確に見分けられるようにコントラストを調節し、表面層−支持基材界面(図4の符号13)が水平となるように回転・トリミング加工を施した。次いで前述の[厚み方向の弾性率分布からのパラメータの算出]の項の方法にて得られた、「弾性率が支持基材の弾性率よりも高い部分の厚み」および「弾性率が支持基材の弾性率よりも低い部分の厚み」の値に沿って、画像を界面に平行な方向に短冊状に細分化した。次にソフトウェア(画像処理ソフトImageJ/開発元:アメリカ国立衛生研究所(NIH))を用いて、前述の境界を境に画素の2値化を行い、Analize Particles(粒子解析)機能により個々の無機粒子のなす領域を抽出し、そこから該当領域の面積を算出した。同様にして、切り出した短冊状の画像の成す面積を算出し、短冊中に占める無機粒子の面積比を、無機粒子の存在頻度として算出した。以上のようにして算出した存在頻度のうち、「弾性率が支持基材の弾性率よりも高い部分の厚み」の成す短冊から求められる値の平均値を弾性率が支持基材の弾性率よりも高い部分の存在頻度Faとし、「弾性率が支持基材の弾性率よりも低い部分の厚み」の成す短冊から求められる値の平均値を弾性率が支持基材の弾性率よりも低い部分の存在頻度Fbとした。
作成した積層体を常態下(24℃、相対湿度65%)で12時間放置した後、同環境にてJIS K 5600−5−4(1999年)に記載の引っかき硬度(鉛筆法)に従い、表面層の表面硬度を測定した。
作成した積層体を常態下(24℃、相対湿度65%)で12時間放置した後、表面層を有する面に対して、1,000g/cm2荷重となるスチールウール(#0000)を垂直にあて、5cmの長さを10往復した際に目視される傷の概算本数を記載し、下記のクラス分けを行った。
5点:0本
4点:1本以上 5本未満
3点:5本以上 10本未満
2点:10本以上 20本未満
1点:20本以上。
作成した積層体を常態下(24℃、相対湿度65%)で12時間放置した後、同環境にてJIS K 5600−5−1(1999年)に記載の耐屈曲性(円筒形マンドレル法)のタイプ1により評価を実施した。マンドレルとして直径2、3、4、5mmのものを使用し、目視による判定でクラックおよび塗膜の剥がれが観測されない最小直径により下記のようにクラス分けを行った。なお同様の評価を、表面層を有する面が外側になるように折る(山折り)条件と表面層を有する面が内側になるように折る(谷折り)条件にてそれぞれ実施した。
5点:2mmφ クラック、剥がれなし
4点:2mmφ クラック、剥がれあり、3mmφ クラック、剥がれなし
3点:3mmφ クラック、剥がれあり、4mmφ クラック、剥がれなし
2点:4mmφ クラック、剥がれあり、5mmφ クラック、剥がれなし
1点:5mmφ クラック、剥がれあり。
作成した積層体を常態下(24℃、相対湿度65%)で12時間放置した後、10cm四方の正方形状に切り出し、水平面上に静置した。次いで積層体の4隅点と水平面の距離を計測し、その数値の平均により5段階に分類した。
5点:1mm未満
4点:1mm以上、10mm未満
3点:10mm以上、20mm未満
2点:20mm以上
1点:筒状となり計測不可。
作成した積層体を常態下(24℃、相対湿度65%)で12時間放置した後、表面層を有する面に対して1mm2のクロスカットを100個入れ、ニチバン株式会社製“セロテープ”(登録商標)をその上に貼り付け、ゴムローラーを用いて、荷重19.6Nで3往復させ、押し付けた後、90度方向に剥離し、導電層の残存した個数により5段階評価(5:96個〜100個、4:81個〜95個、3:71個〜80個、2:61個〜70個、1:0個〜60個)した。
2 表面層
3 積層体
4 表面層の最表面
5 最表面側の弾性率の測定点
6 表面層と支持基材の界面
7 界面側の弾性率の測定点
8 支持基材の弾性率測定開始点
9 支持基材の弾性率
10 支持基材の影響から測定を行わない領域
11 表面の影響から測定を行わない領域
12 表面層の最表面の位置
13 表面層−支持基材界面の位置
14 最大弾性率
15 最小弾性率
16 極大弾性率
17 極大弾性率の平均値
18 極小弾性率
19 極小弾性率の平均値
20 厚み方向の弾性率分布と弾性率が支持基材の弾性率よりも高い部分の厚み
21 厚み方向の弾性率分布と弾性率が支持基材の弾性率よりも低い部分の厚み
22 支持基材と表面層の弾性率が等しくなる点の中で、表面層と支持基材の界面に最も近い点
23 支持基材と表面層の弾性率が等しくなる点の中で、最表面に最も近い点
24 多層スライドダイ
25 多層スロットダイ
26 単層スロットダイ
Claims (6)
- 支持基材上に表面層が積層された積層体であって、前記表面層は弾性率の高い層と弾性率の低い層が交互に積層された多層構造を有し、かつ、前記表面層の厚み方向の弾性率分布において、弾性率が支持基材の弾性率よりも高い極大値と弾性率が支持基材の弾性率よりも低い極小値が存在し、前記表面層における支持基材との界面側の弾性率と最表面側の弾性率が、共に支持基材の弾性率よりも高いことを特徴とする積層体。
- 前記表面層の厚み方向の弾性率分布における最大弾性率が、最小弾性率の100倍以上10,000倍以下であることを特徴とする請求項1に記載の積層体。
- 前記表面層の厚み方向の弾性率分布における最小弾性率が0.1GPa以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の積層体。
- 前記表面層の厚み方向の弾性率分布において、弾性率が支持基材の弾性率よりも高い極大値と弾性率が支持基材の弾性率よりも低い極小値が交互に存在し、弾性率分布から算出される厚みおよび弾性率が、以下の関係を満たすことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の積層体。
10≦(Tb[nm]/Ta[nm])×(Ea[MPa])/Eb[MPa])≦1,000・・・(式1)
Ta[nm]:弾性率が支持基材の弾性率よりも高い部分の厚みの平均値
Tb[nm]:弾性率が支持基材の弾性率よりも低い部分の厚みの平均値
Ea[MPa]:極大弾性率の平均値
Eb[MPa]:極小弾性率の平均値 - 前記表面層が以下を満たす異方形状を有する無機粒子を含むことを特徴とする、請求項1から4のいずれかに記載の積層体。
1.2≦Rl/Rs≦20,000・・・(式2)
1nm≦Rs≦100nm・・・(式3)
Rl[nm]:無機粒子の長直径
Rs[nm]:無機粒子の短直径 - 前記表面層の支持基材に垂直な断面における、前記異方形状を有する無機粒子の、厚み方向の存在頻度Fが以下の条件を満たすことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の積層体。
Fa<Fb・・・(式4)
Fa:弾性率が支持基材の弾性率よりも高い部分の存在頻度
Fb:弾性率が支持基材の弾性率よりも低い部分の存在頻度
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