JP7078974B2 - 自立性高分子薄膜及びその製造方法、並びに、自立性高分子前駆体薄膜、それからなる密閉容器及び内包剤の放出方法 - Google Patents
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Yは、任意で、下記一般式(2)
で示される構造を有し、
Zは、任意で、ハロゲン原子、又は下記一般式(3)
で示される構造を有する。)
で示される構造を有してもよい。
ブロック共重合体の親水性ポリマー成分としては 、例えば、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリビニルアルコール、又はポリアクリル酸が挙げられる。特に、ポリエチレンオキシドが好ましい。また、疎水性ポリマー成分としては、アルキル鎖を有するポリアクリルアミド、ポリメタアクリルアミド、ポリアクリレート、又はポリメタクリレートが挙げられる。特に、 ポリアクリルアミド、ポリメタアクリルアミドが好ましい。
親水性ポリマー成分と疎水性ポリマー成分からなるブロック共重合体を製造する方法としては、単量体を逐次添加する方法、あらかじめ合成した重合体を高分子開始剤として次のブロックを重合する方法、別々に重合した重合体を反応により結合する方法等が挙げられる。これらの方法は、目的に応じて使い分けることができるが、重合工程の簡便性の点から、あらかじめ合成した重合体を高分子開始剤として、次のブロックを重合する方法が好ましい。
あらかじめ合成した重合体を高分子開始剤として、次のブロックを重合する方法として、リビング重合法、可逆的付加開裂連鎖移動(RAFT)法または、原子移動ラジカル重合(ATRP)法が挙げられる。リビング重合法は、得られるブロック共重合体の分子量及び構造を制御できるという点で好ましい。具体的には、重合がリビング的に進行するので、用いるモノマーと開示剤の仕込み時の比率によって分子量及び構造を自由に制御することが可能である。例えば、分子量分布の狭いブロック共重合体を得ることもできる。
RAFT法を用いる場合、通常、ラジカル発生剤、および、リビングラジカル連鎖移動剤として、RAFT剤であるジチオ化合物を使用する。RAFT剤は、(メタ)アクリル系および(メタ)アクリルアミド系単量体を重合することができれば特に限定されない。RAFT剤は、上述した一般式(2)に示すエステルに親水基が付加し、もう一方に、上述した一般式(3)に示すチオ化合物と結合した構造をしている。
原子移動ラジカル重合は、有機ハロゲン化物、又はハロゲン化スルホニル化合物を開始剤とし、周期律表第8族、9族、10族、または11族元素を中心金属とする金属錯体を触媒として、重合される。原子移動ラジカル重合法の場合には、上述した一般式(2)-(A)でA1、A2がメチル基である。
ブロック共重合体における親水性ポリマー成分及び疎水性ポリマー成分としては、互いに非相溶性であり、ブロック共重合体を溶解可能な適当な溶媒に溶解した後、スピンコート等の方法で自立性高分子前駆体薄膜が得られる。得られた自立性高分子前駆体薄膜が加熱され、且つ水分と接触し、吸収することにより、疎水性ポリマー成分が配向し、配向面を形成する。そして、疎水性ポリマー成分の側鎖の根元に当たるアミド基の窒素やエステル基の酸素に水が吸着されることで、疎水性の側鎖部分が一定方向に配向し、前記自立性高分子薄膜の表面に対し垂直方向に親水性ポリマーが配向する。この親水性ポリマー成分によりシリンダー構造が形成される。
本実施の態様の自立性高分子薄膜の製造方法は、基板上に犠牲層を形成する工程と、上述したブロック共重合体を溶解可能な溶媒に溶解したブロック共重合体溶液を、前記犠牲層の上に塗布する工程と、溶媒を蒸発させて前記犠牲層の上に自立性高分子前駆体薄膜を形成する工程と、前記自立性高分子前駆体薄膜を加熱し、水分と接触させて、自立性高分子薄膜のシリンダー構造を形成する工程と、犠牲層を除去する工程とを含む。場合によっては、溶媒を蒸発させて前記犠牲層の上に自立性高分子前駆体薄膜を形成する工程に続き、犠牲層を除去する工程を行い、自立性高分子前駆体薄膜を製造することも可能である。
基板としては、疎水性物質からなる基板や表面を疎水化処理した基板を用いることが好ましい。基板としては、例えばポリエステル、ポリイミド、雲母板、シリコンウェハ、石英板、ガラス板等が挙げられる。基板表面の疎水化処理方法としては、カーボン蒸着処理やシリル化処理等による方法が好ましい。基板の厚みは特に限定されない。
犠牲層を形成するためのポリマーとしては、例えば、アルギン酸ナトリウム、酢酸セルロース、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリ(4-ビニルフェノール)、ポリスチレン等が挙げられる。
犠牲層を形成した後、自立性高分子薄膜前駆体を犠牲層上に形成するために、ブロック共重合体を溶媒に溶解し、塗布する。ブロック共重合体を溶解する有機溶媒は、犠牲層を形成するポリマーを溶解せず、ブロック共重合体のみを溶解する有機溶媒であって、均一に溶解できる溶媒であれば特に限定されないが、トルエン、THF、イソプロピルアルコールが好ましい。ブロック共重合体を溶媒に溶解させるときの、溶媒に対するブロック共重合体の濃度は、10~100g/Lが好ましい。ブロック共重合体を溶解する有機溶媒によりブロック共重合体を溶解したブロック共重合体溶液を、犠牲層上に塗布する方法は、基板上に均一にブロック共重合体を形成できる方法であれば特に限定されないが、スピンコート、キャスト、ディップ及びバーコート等の方法が好ましい。
ブロック共重合体を溶解する有機溶媒を蒸発させて、自立性高分子前駆体薄膜のミクロ相分構造膜を形成する。基板を加熱して有機溶媒を蒸発させる場合、加熱温度は、ブロック共重合体のガラス転移温度よりも20℃低い温度よりも高い温度が好ましい。また、加熱温度はブロック共重合体の分解温度よりも低くすることが好ましい。加熱温度を上記範囲とすることにより、相分離構造を形成するのに十分な高分子の流動性を確保できる。
自立性高分子薄膜のシリンダー構造を形成するために、自立性高分子薄膜前駆体を水分と接触させる方法としては、40℃以上100℃以下、相対湿度80%以上の環境で2時間以上48時間未満の加熱処理をする方法である。シリンダー形成速度は、親水性ポリマー成分の重合度と疎水性ポリマー成分の繰り返し単位が小さいほど、また、温度が高いほど、速くなる。
犠牲層が除去されると、基板から自立性高分子薄膜が剥離する。この自立性高分子薄膜は、他の基板への転写が可能である。例えば犠牲層が除去された後に、自立性高分子薄膜を例えば水等の溶媒に浸漬させると、自立性高分子薄膜は大気-水界面に浮上する。この大気-水界面に浮上した自立性高分子薄膜の下方、すなわち水側から基板を近づけ、自立性高 分子薄膜をすくい取る方法により、基板へ転写することができる。また、大気-水界面に存在する自立性高分子薄膜の上方、すなわち気相側から基板を近づける方法(Langmu ir-Schaeffer法)により、自立性高分子薄膜を基板に転写することも可能である。
密閉容器(例えばカプセル等の容器)の全部または一部が自立性高分子前駆体薄膜からなり、自立性高分子前駆体薄膜により、カプセル等の密閉容器の内部と外部とが遮断されたカプセルを作ることができる。密閉容器の大きさは特に限定されず、自立性高分子前駆体薄膜以外の素材を密閉容器の一部に用いてもよい。この密閉容器には、予め容器内に内包剤を内包させておいてもよい。内包剤としては、加熱および水分との接触によって形成されるシリンダーの直径よりも小さく、シリンダーを通過できるものであれば特に限定されないが、例えば、メチルオレンジが挙げられる。また、内包剤は、超微粒子分散液や、流動性を有する物質であってもよいが、自立性高分子前駆体薄膜を溶解させるような溶媒(例えば、THF、トルエン等)は使用することはできない。このような構成の密閉容器は、水分と接触できる加温状態に置くことで自立性高分子前駆体薄膜においてシリンダー構造が形成され、このシリンダー構造を通して、内包剤を外部に放出することができる。自立性高分子前駆体薄膜は、密閉容器の全部または一部でよく、内包剤の目的に応じて自立性高分子前駆体薄膜を密閉容器の全部または一部に適宜用いることができる。
下記一般式(4)に示す構造であって、mが80、nが45で表されるブロック共重合体を以下のように合成した。PEO45-マクロRAFT開始剤(アルドリッチ社製、数平均分子量=2,400)200mg、N-ドデシルアクリルアミド(東京化成工業社製)1000mg、アゾジイソブチロニトリル(和光純薬工業社製)6.86mgをトルエン(ナカライテスク社製、特級)15mLに溶解させ、凍結脱気を三回行った後、70℃、24時間放置した。空気に暴露して反応を停止させ、室温まで冷却した後、反応溶液を濃縮し、アセトニトリル(ナカライテスク社製、特級)中に再沈殿させることでモノマーと開始剤を取り除いた。得られた粗精製物をクロロホルム(和光純薬工業社製、特級)で溶解し、アセトニトリル、メタノール(関東化学社製、鹿一級)中にそれぞれ二回ずつ再沈殿させることにより精製した。数平均分子量(Mn)、多分散度(Mw/Mn)はそれぞれプロトン核磁気共鳴分光法、ポリスチレンを基準物質としたゲル浸透クロマトグラフィーにより決定した。数平均分子量Mnは、21000であった。多分散度Mw/Mnは1.25であった。
上式(4)における、mを調節するために、実施例1における、N-ドデシルアクリルアミドの量を変化させる以外は、実施例1と同じ条件で、表1に示すmにおけるブロック共重合体を合成した。
実施例1におけるPEO45-マクロRAFT開始剤を、別のRAFT開始剤にし、その添加量も変更する以外、つまり、表2に示ように上式(1)に示すm、Y、及びZを変更する以外は、実施例1と同じ条件でブロック共重合体を合成した。
実施例1における、N-ドデシルアクリルアミドのドデシル基を、表3に示す官能基にしたアクリルアミド(m=80相当量)を使用する以外は、実施例1と同じ条件で、上式(4)のブロック共重合体を合成した。
アルギン酸ナトリウム(自然化粧品研究所)の20重量%水溶液をシリコンウェハ上に4,000rpm、20秒間スピンコートすることにより、犠牲層を形成した。この犠牲層を真空下にて80℃、1時間ほど加熱することで犠牲層中に残存している水を留去した。次いで、この犠牲層上に実施例1で合成したブロック共重合体の5wt%テトラヒドロフラン溶液を1,000rpm、5秒間、1,500rpm、60秒間でスピンコートし、真空下にて80℃、1時間加熱することで自立性高分子前駆体薄膜を形成した。同様の方法で、実施例2、参考例3、実施例4~実施例8、及び比較例1~6で作成したブロック共重合体から、自立高分子前駆体薄膜を犠牲層上に形成した。
実施例9によって得た自立性高分子前駆体薄膜を水に浸漬し、犠牲層であるアルギン酸ナトリウムの溶出を行い、犠牲層を除去することにより自立性高分子前駆体薄膜を得た。浸漬後、数分間で基板の端から自立性高分子薄膜が剥離するのを確認した。シリコンウェハから完全に剥離すると、シリコンウェハとほぼ同様なサイズの自立性高分子前駆体薄膜が大気―水界面に確認された。
実施例9によって得た自立性高分子前駆体薄膜を水とともに、密閉ビン中に入れ水と接触させ、80℃、24時間の加熱処理を行い、自立性高分子薄膜とした。さらに、水により犠牲層であるアルギン酸ナトリウムが溶出し、犠牲膜が除去され、自立性高分子薄膜を得た。浸漬後、数分間で基板の端から剥離するのを確認した。シリコンウェハから完全に剥離すると、シリコンウェハとほぼ同様なサイズの自立高分子薄膜が大気―水界面に確認された。
実施例11で得られた、実施例1で得られたブロック共重合体からなる自立性高分子薄膜と、実施例10で得られた、実施例1で得られたブロック共重合体からなる自立性高分子薄膜前駆体との構造について、原子間力顕微鏡(AFM)を用いて表面構造の解析を行った。AFMの写真を図1に示す。自立性高分子薄膜の表面には親水性ポリマー成分に由来する六方配列したドットパターンが見られた。次いで、自立性高分子薄膜について斜入射小角X線散乱(GI-SAXS)により、構造の周期性の測定を行った(図2)。自立性高分子薄膜の表面には、親水性ポリマー成分に由来する六方配列したシリンダー構造が形成されていることがわかる。AFM及びGI-SAXSの結果より、自立性高分子薄膜はミクロ相分離構造を形成していることが確認された。同様に、実施例11で得られた、実施例2、参考例3、実施例4~実施例8の自立性高分子薄膜についても、実施例1で得られたブロック共重合体からなる自立高分子薄膜と同様のシリンダー構造が形成された。しかしながら、実施例11で得られた、比較例1~比較例6の自立性高分子薄膜については、表4に示すように、シリンダー構造を有する自立高分子薄膜は得られなかった。
実施例1で得られたブロック共重合体を、実施例11の方法によって、自立性高分子薄膜とし、この自立性高分子薄膜を、大気-水界面に存在している自立性高分子薄膜の下方、すなわち水相側からシリコンウェハを近づけ、自立性高分子薄膜をすくい取る手法で基板(シリコンウェハ)へ転写させた。GI-SAXSにより、転写後の自立性高分子薄膜の構造の周期性の側定を行った(図3、4)。自立性高分子薄膜が、垂直配向した六方最密充填のシリンダー構造となっていること、すなわち、ヘキサゴナルな構造を示すことが確認された。従って、一度基板から剥離した自立性高分子薄膜を、他の基板に転写した後においても、ミクロ相分離構造を維持していることが確認された。
実施例1で得られたブロック共重合体を、実施例10の方法によって、自立性高分子薄膜前駆体とし、この自立性高分子薄膜前駆体を、親水性ポリカーボネート製トラックエッチメンブレン上に転写し、可視部に強い吸収を有するメチルオレンジ色素をプローブとして用いたシリンダー透過機能発現実験を行なった。透過機能発現実験は自立性高分子薄膜前駆体によって区切られた二個のセルを用い、初めにフィード側のセルに0.1mMメチルオレンジ溶液で満たし、通過側のセルを蒸留水で満たした。この時の時間をゼロとし、通過後のセルの水溶液を一定時間ごとに採取後、そのUV-visスペクトルを測定し、経過時間に対するメチルオレンジの濃度プロットを作製した。自立性高分子薄膜前駆体で区切った場合のプロットを白色にして、結果を図5に示す。
実施例1で得られたブロック共重合体を、実施例11の方法によって、自立性高分子薄膜とし、この自立性高分子薄膜を使用する以外は、実施例14と同様にして透過機能発現実験を行なった。自立性高分子薄膜で区切った場合のプロットを黒色にして、結果を図5に示す。実施例11の方法によって得られた自立性高分子薄膜は約750nMのメチルオレンジが透過したが、実施例10の方法によって得られた自立性高分子薄膜前駆体においては、メチルオレンジは通過しなかった。
実施例1で得られたブロック共重合体からなる、実施例9の自立性高分子薄膜前駆体を使用し、また水分と接触させないこと以外は実施例10と同様にして、薄膜を作製した。この薄膜について、温度を80℃に制御し、実施例14と同様の透過機能発現実験を行なった。結果を図6に示す。初めはわずかしか透過していないが、80℃に制御した後、徐々にメチルオレンジが透過していき、24時間を境に透過機能が安定した。
実施例1において、N-ドデシルアクリルアミド1000mgをドデシルアクリレート(東京化成工業社製)1000mgに換える以外は、同じ条件で、ブロック共重合体を合成した。実施例9における実施例1の場合と同様に、自立性高分子薄膜前駆体を得ることができた。また、実施例12における実施例1の場合と同様に、水と接触させることで貫通したシリンダー構造を持つ自立性高分子薄膜を得ることができた。
Claims (6)
- 親水性ポリマー成分と、炭素数が8~21の直鎖または分岐したアルキル基からなる側鎖をアミド基またはエステル基を介して有する疎水性ポリマー成分とのブロック共重合体からなる自立性高分子薄膜であって、
前記ブロック共重合体が、下記一般式(1)
Yは、下記一般式(2)
で示される構造を有し、
Zは、ハロゲン原子、又は下記一般式(3)
で示される構造を有する。)
で示される構造を有し、
前記自立性高分子薄膜の表面に対し垂直方向に配向する前記親水性ポリマー成分からなるシリンダー構造を有する、自立性高分子薄膜。 - 親水性ポリマー成分と、炭素数が8~21の直鎖または分岐したアルキル基からなる側鎖をアミド基またはエステル基を介して有する疎水性ポリマー成分とのブロック共重合体からなる自立性高分子薄膜前駆体を配向してなる自立性高分子前駆体薄膜であって、
前記ブロック共重合体が、下記一般式(1)
Yは、下記一般式(2)
で示される構造を有し、
Zは、ハロゲン原子、又は下記一般式(3)
で示される構造を有する。)
で示される構造を有し、
加熱および水分との接触によって、前記自立性高分子前駆体薄膜の表面に対し垂直方向に配向する前記親水性ポリマー成分からなるシリンダー構造が形成可能な、自立性高分子前駆体薄膜。 - 親水性ポリマー成分と、炭素数が8~21の直鎖または分岐したアルキル基からなる側鎖を有するアミド系またはアクリレート系の疎水性ポリマー成分とをブロック共重合してブロック共重合体からなる高分子の薄膜を形成する工程であって、
前記ブロック共重合体が、下記一般式(1)
Yは、下記一般式(2)
で示される構造を有し、
Zは、ハロゲン原子、又は下記一般式(3)
で示される構造を有する。)
で示される構造を有する、工程と、
前記高分子の薄膜を加熱するとともに水分と接触させることによって、自立性高分子薄膜の表面に対し垂直方向に配向する前記親水性ポリマー成分からなるシリンダー構造を有する前記自立性高分子薄膜を得る工程と
を含む自立性高分子薄膜の製造方法。 - 密閉容器であって、その全部または一部が請求項2に記載の自立性高分子前駆体薄膜からなる密閉容器。
- 前記密閉容器内に内包された内包剤を更に備える請求項4に記載の密閉容器。
- 請求項5に記載の密閉容器を加熱するとともに水分と接触させて、前記内包剤を、前記自立性高分子前駆体薄膜に形成される前記シリンダー構造を通して前記密閉容器の外部に放出させる、内包剤の放出方法。
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