JP7079900B2 - コーティング組成物及びコーティングを備えた物品 - Google Patents

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Description

本発明はコーティング組成物、このコーティング組成物と無機基材とを反応させてなるコーティング物品に関する。
ディスプレイや、タッチパネルなどのように、光透過性と透明性が求められる光学部材には、表面を覆うコーティング剤が使用される。このようなコーティング剤は、光透過性、透明性のほか、傷つきに対する耐久性、指紋等の汚れに対する防汚性、および耐アルカリ性や耐酸性を含む耐薬品性を高いレベルで有していることが求められる。
JP2014-218639Aには、パーフルオロポリエーテル基含有シラン化合物が開示されている。パーフルオロポリエーテル基含有シラン化合物は、優れた撥水性、撥油性、防汚性、および摩擦耐久性を提供するため、表面処理剤、特に防汚性コーティング剤として使用することが提案されている。
JP2014-218639Aの表面処理剤を用いて形成した表面処理層は、摩擦耐久性があり、水の接触角が大きく、滑り性に優れている。しかしながら、JP2014-218639Aの表面処理剤による表面処理層の良好な性能がどのくらいの期間維持できるのかを本発明者らが評価したところ、アルカリ性の物質に接触すると、表面処理層の性能が著しく低下することが判明した。さらにJP2014-218639Aの表面処理剤による表面処理層は、高温高湿条件下で著しく性能が低下することもわかった。そこで、本発明は、防汚性に優れ、耐擦傷性があり、かつ薬品全般に対する耐久性を併せ持ち、高温高湿下においてもこれらの性能を失わないコーティング層を形成することができる、新規のコーティング組成物を提供することを目的とする。
本発明の実施形態は、パーフルオロポリエーテル部を分子内に有する、第1のアルコキシシラン化合物と、パーフルオロポリエーテル部を分子内に有さず、パーフルオロ基を分子内に有する第2のアルコキシシラン化合物と、パーフルオロポリエーテル部とパーフルオロ基とを分子内に有さず、アルコキシ基を少なくとも4つ以上分子内に有する、第3のアルコキシシラン化合物と、を少なくとも含む、コーティング組成物である。
本発明の他の実施形態は、無機基材に、パーフルオロポリエーテル部を分子内に有する、第1のアルコキシシラン化合物と、パーフルオロポリエーテル部を分子内に有さず、パーフルオロ基を分子内に有する、第2のアルコキシシラン化合物と、パーフルオロポリエーテル部とパーフルオロ基とを分子内に有さず、アルコキシ基を少なくとも4つ以上分子内に有する、第3のアルコキシシラン化合物と、を少なくとも含むコーティング組成物を反応させてなるコーティング物品である。
本発明のコーティング組成物は、水の接触角が大きく防汚性に優れ、撥油性、耐擦傷性ならびに耐薬品性を併せ持ち、高温高湿下でもこれらの性能を失わない、光透過性のコーティング層を形成することができる。
本発明の実施形態を以下に説明する。本発明の一の実施形態は、パーフルオロポリエーテル部を分子内に有する、第1のアルコキシシラン化合物と、パーフルオロポリエーテル部を分子内に有さず、パーフルオロ基を分子内に有する、第2のアルコキシシラン化合物と、パーフルオロポリエーテル部とパーフルオロ基とを分子内に有さず、アルコキシ基を少なくとも4つ以上分子内に有する、第3のアルコキシシラン化合物と、を少なくとも含むコーティング組成物である。
本実施形態において、コーティング組成物とは、常温下では液体状態で存在し、主に物品の表面の保護や、つや出し等を目的としたコーティング被膜を形成するために塗布される混合物のことである。すなわちコーティング組成物は、主に塗料として使用され、施工される場所や物品に対応する種々の要求性能を満たす必要がある。本実施形態のコーティング組成物から形成されるコーティング被膜(コーティング層)は、主に金属やガラスなどの無機基材のほか、場合によっては樹脂、プラスチック製の物品の表面の被覆、加工、加飾のため用いられる。実施形態のコーティング組成物は、これらの物品表面上に密着して剥がれにくく、光透過性で、概して透明なコーティング層を形成する。
本実施形態のコーティング組成物は、パーフルオロポリエーテル部を分子内に有する第1のアルコキシシラン化合物を含む。アルコキシシラン化合物とは、分子内にケイ素(Si)を有するケイ素化合物の一種であり、ケイ素に置換基-OR(Rは、アルキル基を表す。)が1~3個結合したアルコキシシリル基を1以上有する化合物のことである。本実施形態では、特に、置換基-OR(Rは、アルキル基を表す。)が3つケイ素に結合した、トリアルコキシシリル基を1つ、または2つ有するアルコキシシラン化合物を、第1のアルコキシシラン化合物として用いることが好ましい。
本明細書においてパーフルオロポリエーテル部とは、パーフルオロ基がエーテル結合により結合した部分のことを云う。パーフルオロポリエーテル部は、以下の式I:
Figure 0007079900000001
(式中、a、b、c、dは、それぞれ独立に0以上200以下の整数であり、a、b、c、dのすべてが0であることはなく、各カッコで括られた繰り返し単位は、任意の順で結合されていてよい。)で表される構造を有している。本実施形態で使用する、パーフルオロポリエーテル部を分子内に有する第1のアルコキシシラン化合物は、アルコキシシリル基を1つまたは2つ有することが好ましい。本実施形態で使用するパーフルオロポリエーテル部を分子内に有する第1のアルコキシシラン化合物は、以下の式II:
Figure 0007079900000002
(式中、Rfは、式Iで表されるパーフルオロポリエーテル部であり、R1は、各々独立に炭素数1~4のアルキル基であり、Xは、アルコキシシリル基を有する置換基であるか、炭素数1~3のパーフルオロアルキル基であり、eは、1~4の整数である。)で表される化合物であることが好ましい。式II中、Xがアルコキシシリル基を有する置換基である場合、本実施形態で使用する、パーフルオロポリエーテル部を分子内に有する第1のアルコキシシラン化合物は、以下の式III:
Figure 0007079900000003
(式中、Rfは、式Iで表されるパーフルオロポリエーテル部であり、R1は、各々独立に炭素数1~4のアルキル基であり、R2は、各々独立に炭素数1~4のアルキル基であり、eは、1~4の整数であり、hは、1~4の整数である。)で表される化合物であることができる。式II中、Xが炭素数1~3のパーフルオロアルキル基である場合、本実施形態で使用する、パーフルオロポリエーテル部を分子内に有する第1のアルコキシシラン化合物は、以下の式IVa:
Figure 0007079900000004
(式中、Rfは、式Iで表されるパーフルオロポリエーテル部であり、R1は、各々独立に炭素数1~4のアルキル基であり、eは、1~4の整数である。)で表される化合物であるか、以下の式IVb:
Figure 0007079900000005
(式中、Rfは、式Iで表されるパーフルオロポリエーテル部であり、R1は、各々独立に炭素数1~4のアルキル基であり、eは、1~4の整数である。)で表される化合物であるか、あるいは、以下の式IVc:
Figure 0007079900000006
(式中、Rfは、式Iで表されるパーフルオロポリエーテル部であり、R1は、各々独立に炭素数1~4のアルキル基であり、eは、1~4の整数である。)で表される化合物であることができる。
本実施形態のコーティング組成物は、パーフルオロポリエーテル部を分子内に有さず、パーフルオロ基を分子内に有する第2のアルコキシシラン化合物を含む。実施形態で使用する第2のアルコキシシラン化合物は、上記の第1のアルコキシシラン化合物と同様、分子内にケイ素(Si)を有するケイ素化合物の一種であり、ケイ素に置換基-OR(Rは、アルキル基を表す。)が1~3個結合したアルコキシシリル基を1以上有する化合物のことである。本実施形態では、特に、置換基-OR(Rは、アルキル基を表す。)が3つケイ素に結合したトリアルコキシシリル基を1つ有するアルコキシシラン化合物を、第2のアルコキシシラン化合物として用いることが好ましい。本実施形態で使用する、パーフルオロポリエーテル部を分子内に有さずパーフルオロ基を分子内に有する第2のアルコキシシラン化合物は、以下の式V:
Figure 0007079900000007
(式中、R3は、炭素数1~4のアルキル基であり、fは、1~6の整数であり、gは、0~5の整数である。)で表される化合物であることができる。第2のアルコキシシラン化合物として、トリフルオロプロピルトリメトキシシラン、トリフルオロブチルトリメトキシシラン、ペンタフルオロエチルトリメトキシシラン、ヘプタフルオロエチルトリメトキシシラン、トリフルオロプロピルトリエトキシシラン、トリフルオロブチルトリエトキシシラン等の、パーフルオロ基を分子内に有するアルコキシシラン化合物を挙げることができる。
実施形態のコーティング組成物は、パーフルオロポリエーテル部とパーフルオロ基とを分子内に有さず、アルコキシ基を少なくとも4つ以上分子内に有する、第3のアルコキシシラン化合物を含む。実施形態で使用する第3のアルコキシシラン化合物は、上記の第1のアルコキシシラン化合物や第2のアルコキシシラン化合物と同様、分子内にケイ素(Si)を有するケイ素化合物の一種であり、ケイ素に置換基-OR(Rは、アルキル基を表す。)が1~3個結合したアルコキシシリル基を1以上有する化合物のことである。本実施形態では、特に、置換基-OR(Rは、アルキル基を表す。)を、分子内に4つ以上有するアルコキシシラン化合物を、第3のアルコキシシラン化合物として用いることが好ましい。第3のアルコキシシラン化合物には、上記のパーフルオロポリエーテル部や、パーフルオロ基は有していない。本実施形態で使用する、パーフルオロポリエーテル部とパーフルオロ基とを分子内に有さず、アルコキシ基を少なくとも4つ以上分子内に有する、第3のアルコキシシラン化合物は、以下の式VI:
Figure 0007079900000008
(式中、R4、R5は、それぞれ独立に水素、または炭素数1~5のアルキル基であり、式VIで表される化合物分子に存在するR4およびR5のうち少なくとも4つは炭素数1~5のアルキル基であり、iは1~5の整数である。)で表される化合物であることができる。第3のアルコキシシラン化合物として、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトラブトキシシラン、テトラメトキシシラン加水分解重縮合物、テトラエトキシシラン加水分解重縮合物、テトラプロポキシシラン加水分解重縮合物、テトラブトキシシラン加水分解重縮合物、メチルシリケート4量体、メチルシリケート7量体、エチルシリケート5量体、エチルシリケート10量体等の、アルコキシシラン化合物が挙げられる。
実施形態において、第1のアルコキシシラン化合物(上記の式II、式III、式IVa、式IVb、式IVcで表される化合物)の数平均分子量は、第2のアルコキシシラン化合物(上記の式Vで表される化合物)の分子量よりも大きいことが特に好ましい。特に第1のアルコキシシラン化合物の数平均分子量が、第2のアルコキシシラン化合物の分子量と比較して10倍以上であることが好ましい。第1のアルコキシシラン化合物の数平均分子量は、2000以上、好ましくは3000以上、さらに好ましくは4000以上である。第2のアルコキシシラン化合物の分子量は、第1のアルコキシシラン化合物の数平均分子量に応じて選択すればよく、たとえば第1のアルコキシシラン化合物の数平均分子量が3,000の場合は、第2のアルコキシシラン化合物の分子量を300、等とすることができる。第1のアルコキシシラン化合物の数平均分子量と、第2のアルコキシシラン化合物の分子量との比を上記のようにすることの技術的な意味は、後述する。
実施形態のコーティング組成物において、第1のアルコキシシラン化合物と、第2のアルコキシシラン化合物とが、10:1~10:40の重量比で含まれていることが好ましい。特に好ましいコーティング組成物は、第1のアルコキシシラン化合物と、第2のアルコキシシラン化合物とが、10:1~10:20の重量比で含まれている。すなわち、第2のアルコキシシランの重量は、第1のアルコキシシラン化合物の重量の2倍程度までとすることが好ましい。また、実施形態のコーティング組成物において、第1のアルコキシシラン化合物と、第3のアルコキシシラン化合物とが、10:0.5~10:5の重量比で含まれていることが好ましい。特に好ましいコーティング組成物は、第1のアルコキシシラン化合物と、第3のアルコキシシラン化合物とが、10:1~10:4.5の重量比で含まれている。
実施形態のコーティング組成物は、さらに溶剤を含むことができる。実施形態のコーティング組成物を希釈する溶剤としては、上記の第1のアルコキシシラン化合物、第2のアルコキシシラン化合物、および第3のアルコキシシラン化合物を溶解することができるものが好ましく、パーフルオロカーボン類(PFC)、ハイドロフルオロオレフィン類(HFO)、ハイドロフルオロエーテル類(HFE)、ハイドロクロロフルオロカーボン類(HCFC)等の、いわゆる次世代フッ素系溶剤(代替フロン)と呼ばれるフッ素系溶剤を用いることが好ましい。実施形態で用いることができる溶剤は、たとえば、アレモア(AGC株式会社)、アサヒクリン(AGC株式会社)、ノベック(スリーエムジャパン株式会社)、セレフィン(セントラル硝子株式会社)、ゼオローラ(日本ゼオン株式会社)、ディップソール(ディップソール株式会社)を挙げることができ、これらの市販の溶剤から適宜選択して用いることができる。
溶剤は、上記の第1のアルコキシシラン化合物、第2のアルコキシシラン化合物および第3のアルコキシシラン化合物との合計重量を基準として、100倍以上、好ましくは150倍以上、さらに好ましくは200倍以上の量、さらにより好ましくは500倍以上用いることができる。第1のアルコキシシラン化合物、第2のアルコキシシラン化合物および第3のアルコキシシラン化合物を溶剤に溶解した実施形態のコーティング組成物は、特に無機基材上にて好適に広がることができる。
実施形態のコーティング組成物は、第1のアルコキシシラン化合物、第2のアルコキシシラン化合物および第3のアルコキシシラン化合物を混合し、これを溶剤に溶解することにより製造することができる。さらに実施形態のコーティング組成物は、上記の成分のほか、従来のコーティング剤に通常含まれている添加剤(つや消し剤、帯電防止剤、紫外線吸収剤、光安定剤、無機粒子等)を必要に応じて配合することができる。
続いて、実施形態のコーティング組成物の成分である第1のアルコキシシラン化合物の製造例を説明する。第1のアルコキシシラン化合物は、好ましくは、以下の式VIIa:
Figure 0007079900000009
(式中、Rfは、式Iで表されるパーフルオロポリエーテル部である。)で表されるパーフルオロポリエーテル化合物、または、以下の式VIIb:
Figure 0007079900000010
(式中、Rfは、式Iで表されるパーフルオロポリエーテル部である。)で表されるパーフルオロポリエーテル化合物、または、以下の式VIIc:
Figure 0007079900000011
(式中、Rfは、式Iで表されるパーフルオロポリエーテル部である。)で表されるパーフルオロポリエーテル化合物と、以下の式VIII:
Figure 0007079900000012
(式中、R1は、各々独立に炭素数1~4のアルキル基であり、eは、1~4の整数である。)で表されるアルコキシシリル基を有するイソシアネート化合物とを反応させて得ることができる。ここで、式VIIa-式VIIcで表される化合物と、式VIIIで表される化合物とは、理論上、モル比で1:1の割合で反応することになる。式VIIa-式VIIcで表される化合物と、式VIIIで表される化合物とを反応させて、以下の式IVa:
Figure 0007079900000013
(式中、Rfは、式Iで表されるパーフルオロポリエーテル部であり、R1は、各々独立に炭素数1~4のアルキル基であり、eは、1~4の整数である。)で表される第1のアルコキシシラン化合物か、以下の式IVb;
Figure 0007079900000014
(式中、Rfは、式Iで表されるパーフルオロポリエーテル部であり、R1は、各々独立に炭素数1~4のアルキル基であり、eは、1~4の整数である。)で表される、第1のアルコキシシラン化合物か、または、以下の式IVc:
Figure 0007079900000015
(式中、Rfは、式Iで表されるパーフルオロポリエーテル部であり、R1は、各々独立に炭素数1~4のアルキル基であり、eは、1~4の整数である。)で表される、第1のアルコキシシラン化合物を得る。
さらに、第1のアルコキシシラン化合物は、好ましくは、以下の式IX:
Figure 0007079900000016
(式中、Rfは、式Iで表されるパーフルオロポリエーテル部である。)で表されるパーフルオロポリエーテル化合物と、以下の式VIII:
Figure 0007079900000017
(式中、R1は、各々独立に炭素数1~4のアルキル基であり、eは、1~4の整数である。)で表されるアルコキシシリル基を有するイソシアネート化合物とを反応させて得ることができる。ここで、式IXで表される化合物と、式VIIIで表される化合物とは、理論上、モル比で1:2の割合で反応することになる。式IXで表される化合物と、式VIIIで表される化合物とを反応させて、以下の式III:
Figure 0007079900000018
(式中、Rfは、式Iで表されるパーフルオロポリエーテル部であり、R1は、各々独立に炭素数1~4のアルキル基であり、R2は、各々独立に炭素数1~4のアルキル基であり、eは、1~4の整数であり、hは、1~4の整数である。)で表される、第1のアルコキシ化合物を得る。
第2のアルコキシシラン化合物は、合成することも可能であるが、KBM-7103(トリフルオロプロピルトリメトキシシラン、信越化学工業株式会社)、トリフルオロプロピルトリエトキシシラン(東京化成工業株式会社)、ノナフルオロヘキシルトリメトキシシラン(東京化成工業株式会社)、ノンフルオロヘキシルトリエトキシシラン(東京化成工業株式会社)等の市販品を適宜用いることができる。
第3のアルコキシシラン化合物は、合成することも可能であるが、エチルシリケート28、エチルシリケート28P、N-プロピルシリケート、N-ブチルシリケート、メチルシリケート51、メチルシリケート53A、エチルシリケート40、エチルシリケート48(いずれもコルコート株式会社)、MKCシリケートMS51、MS56、MS57、MS56S(いずれも三菱ケミカル株式会社)、正珪酸メチル、正珪酸エチル(いずれも多摩化学工業株式会社)等の市販品を適宜用いることができる。
本発明の他の実施形態は、無機基材に、パーフルオロポリエーテル部を分子内に有する、第1のアルコキシシラン化合物と、パーフルオロポリエーテル部を分子内に有さず、パーフルオロ基を分子内に有する、第2のアルコキシシラン化合物と、パーフルオロポリエーテル部とパーフルオロ基とを分子内に有さず、アルコキシ基を少なくとも4つ以上分子内に有する、第3のアルコキシシラン化合物と、を少なくとも含むコーティング組成物を反応させてなる、コーティング物品である。本実施形態において、コーティング物品とは、コーティング組成物を用いて形成したコーティング層を備えた物品である。コーティング層とは、無機基材に、本発明の一の実施形態であるコーティング組成物を、塗布等の方法により接触させて、無機基材と、当該コーティング組成物に含まれている第1のアルコキシシラン化合物、第2のアルコキシシラン化合物および第3のアルコキシシラン化合物を反応させることにより、膜形状となったもののことを云う。ここで、実施形態に用いることができる無機基材は、ガラス、金属、炭酸カルシウム、タルク、マイカ、ガラス繊維、水酸化アルミニウム、炭酸カルシウム、カーボンブラック、チタン酸カリウム、カオリン、グラファイト、フェライト、セピオライト、ゼオライト、ネフェリンサイアナイト等の無機材料で作られたもの全般を指す。
無機基材とコーティング組成物との接触は、ドクターブレード法、バーコート法、ディッピング法、エアスプレー法、ローラーブラシ法、ローラーコーター法等の従来のコーティング(塗布)方法により適宜行うことができる。たとえば、コーティング組成物をローラーコーター法等による塗布にて行うためには、第1のアルコキシシラン化合物、第2のアルコキシシラン化合物および第3のアルコキシシラン化合物の合計重量を基準として、600倍以上の量の溶剤を用いて希釈することができる。ここで、第1のアルコキシシラン化合物、第2のアルコキシシラン化合物および第3のアルコキシシラン化合物を希釈するための溶剤として、パーフルオロカーボン類(PFC)、ハイドロフルオロオレフィン類(HFO)、ハイドロフルオロエーテル類(HFE)、ハイドロクロロフルオロカーボン類(HCFC)等の、いわゆる次世代フッ素系溶剤(代替フロン)と呼ばれるフッ素系溶剤を用いることが好ましい。
ここで、コーティング組成物に含まれている、パーフルオロポリエーテル部を分子内に有する、第1のアルコキシシラン化合物は、以下の式II:
Figure 0007079900000019
(式中、Rfは、式Iで表されるパーフルオロポリエーテル部であり、R1は、各々独立に炭素数1~4のアルキル基であり、Xは、アルコキシシリル基を有する置換基であるか、炭素数1または2のパーフルオロアルキル基であり、eは、1~4の整数である。)で表される化合物であることが好ましい。式II中、Xがアルコキシシリル基を有する置換基である場合、本実施形態で使用する、パーフルオロポリエーテル部を分子内に有する第1のアルコキシシラン化合物は、以下の式III:
Figure 0007079900000020
(式中、Rfは、式Iで表されるパーフルオロポリエーテル部であり、R1は、各々独立に炭素数1~4のアルキル基であり、R2は、各々独立に炭素数1~4のアルキル基であり、eは、1~4の整数であり、hは、1~4の整数である。)で表される化合物であることができる。式II中、Xが炭素数1または2のパーフルオロアルキル基である場合、本実施形態で使用する、パーフルオロポリエーテル部を分子内に有する第1のアルコキシシラン化合物は、以下の式IVa:
Figure 0007079900000021
(式中、Rfは、式Iで表されるパーフルオロポリエーテル部であり、R1は、各々独立に炭素数1~4のアルキル基であり、eは、1~4の整数である。)で表される化合物であるか、以下の式IVb:
Figure 0007079900000022
(式中、Rfは、式Iで表されるパーフルオロポリエーテル部であり、R1は、各々独立に炭素数1~4のアルキル基であり、eは、1~4の整数である。)で表される化合物であるか、以下の式IVc:
Figure 0007079900000023
(式中、Rfは、式Iで表されるパーフルオロポリエーテル部であり、R1は、各々独立に炭素数1~4のアルキル基であり、eは、1~4の整数である。)で表される化合物であることができる。
一方、パーフルオロポリエーテル部を分子内に有さず、パーフルオロ基を分子内に有する、第2のアルコキシシラン化合物は、以下の式V:
Figure 0007079900000024
(式中、R3は、炭素数1~4のアルキル基であり、fは、1~6の整数であり、gは、0~5の整数である。)で表される化合物であることができる。
一方、パーフルオロポリエーテル部とパーフルオロ基とを分子内に有さず、アルコキシ基を少なくとも4つ以上分子内に有する、第3のアルコキシシラン化合物は、以下の式VI:
Figure 0007079900000025
(式中、R4、R5は、それぞれ独立に水素、または炭素数1~5のアルキル基であり、式VIで表される化合物分子に存在するR4およびR5のうち少なくとも4つは炭素数1~5のアルキル基であり、iは1~5の整数である。)で表される化合物であることができる。
上記の無機基材と、本実施形態のコーティング組成物と接触させて、当該無機基材と、当該コーティング組成物に含まれている第1のアルコキシシラン化合物、第2のアルコキシシラン化合物および第3のアルコキシシラン化合物を反応させることができる。第1のアルコキシシラン化合物、第2のアルコキシシラン化合物および第3のアルコキシシラン化合物には、アルコキシシリル基が含まれている。アルコキシシリル基は、加水分解して、無機基材と結合することができる。すなわち、第1のアルコキシシラン化合物は、-SiO-を介して、パーフルオロポリエーテル部を無機基材表面にもたらし、一方、第2のアルコキシシラン化合物は、-SiO-基を介して、パーフルオロ基を無機基材表面にもたらすことになる。また第3のアルコキシシラン化合物は、第1および第2のアルコキシシラン化合物の間を架橋し、無機基材表面上に高次構造を形成する。これらのアルコキシシラン化合物は、一般にシランカップリング剤とも呼ばれる。実施形態のコーティング組成物には、シランカップリング剤が3種以上含まれており、これらが無機基材と反応して、無機基材の表面の特性を改質するコーティング層を形成することができる。
第1のアルコキシシラン化合物(上記の式II、式III、式IVa、式IVb、式IVcで表される化合物)の数平均分子量は、第2のアルコキシシラン化合物(上記の式Vで表される化合物)の分子量よりも大きいことが特に好ましい。特に第1のアルコキシシラン化合物の数平均分子量が、第2のアルコキシシラン化合物の分子量と比較して10倍以上であることが好ましい。上記の通り、第1のアルコキシシラン化合物は、無機基材と反応して、無機基材表面にパーフルオロポリエーテル部をもたらす役割を果たす。一方、第2のアルコキシシラン化合物は、無機基材と反応して、無機基材表面にパーフルオロ基をもたらす役割を果たす。この際、第1のアルコキシシラン化合物に由来する比較的長いパーフルオロポリエーテル部と、第2のアルコキシシラン化合物に由来する比較的短いパーフルオロ基とが、無機基材表面に混在することが、特に無機基材の防汚性を向上させる上で非常に好ましい。第1のアルコキシシラン化合物の数平均分子量は、2000以上、好ましくは3000以上、さらに好ましくは4000以上である。したがって第2のアルコキシシラン化合物の分子量は、第1のアルコキシシラン化合物の数平均分子量にあわせて選択し、200、300、400等とすることができる。
上記のような第1のアルコキシシラン化合物と、第2のアルコキシシラン化合物とを含むコーティング組成物が、無機基材と反応して形成したコーティング層には、比較的長いパーフルオロポリエーテル部(第1のアルコキシシラン化合物由来)と、それと比較して短いパーフルオロ基(第2のアルコキシシラン化合物由来)とが混在している。仮に、第1のアルコキシシラン化合物のみを含むコーティング組成物を作製して、無機基材表面に比較的長いパーフルオロポリエーテル部のみを有するコーティング層を形成した場合、無機基材の防汚性を改善することは可能である。しかしながら、本発明者らが鋭意検討したところ、このようなコーティング層は、耐アルカリ性に劣ることがわかった。一方、仮に第2のアルコキシシラン化合物のみを含むコーティング組成物を作製して、無機基材表面に短いパーフルオロ基のみを有するコーティング層を形成した場合は、無機基材表面上に防汚性ならびに滑り性の良好なコーティング層を形成することが難しいことがわかった。すなわち、実施形態のコーティング組成物は、第1のアルコキシ化合物と、第2のアルコキシ化合物との両方を含むことが好ましく、実施形態のコーティング物品に形成されたコーティング層には、比較的長いパーフルオロポリエーテル部と、それと比較して短いパーフルオロ基とが混在していることが非常に好ましい。
特定の理論に拘泥する訳ではないが、上記の現象を詳しく説明する。第1のアルコキシシラン化合物は、分子内に比較的長いパーフルオロポリエーテル基が存在するために、数多くの第1のアルコキシシラン化合物が無機基材と反応することができない。すなわち、仮に、第1のアルコキシシラン化合物のみを含むコーティング組成物を作製して、無機基材と反応させたとしても、無機基材表面すべてを被覆するほど第1のアルコキシシラン化合物を反応させることは難しいものと考えられる。このような状態のコーティング物品をアルカリ性物質に曝すと、無機基材と第1のアルコキシシラン化合物との結合部がアルカリ加水分解反応し、第1のアルコキシシラン化合物が無機基材から外れてしまう。したがって、第1のアルコキシシラン化合物のみを含むコーティング組成物により形成したコーティング層は、耐アルカリ性に劣るものと考えられる。
一方、第2のアルコキシシランは、第1のアルコキシシランのような、長いパーフルオロポリエーテル部分を有していないため、無機基材とは比較的良好に反応することができる。そこで、コーティング組成物が、第1のアルコキシシラン化合物と第2のアルコキシシラン化合物との両方を含んでいると、無機基材表面上で、第1のアルコキシシラン化合物の結合部の間を埋めるように、第2のアルコキシシラン化合物が結合するので、結果として、第1のアルコキシシラン化合物に由来するパーフルオロポリエーテル部と、第2のアルコキシシラン化合物に由来するパーフルオロ基とで無機基材表面全体をムラなく被覆することができる。
なお、上記のように、実施形態のコーティング組成物において、第1のアルコキシシラン化合物と、第2のアルコキシシラン化合物とが、10:1~10:40の重量比で含まれていることが好ましい。特に好ましいコーティング組成物は、第1のアルコキシシラン化合物と、第2のアルコキシシラン化合物とが、10:1~10:20の重量比で含まれている。仮に、第1のアルコキシシラン化合物の数平均分子量が、第2のアルコキシシラン化合物の分子量の10倍で、コーティング組成物に第1のアルコキシシラン化合物と第2のアルコキシシラン化合物とが10:10で含まれていた場合、第1のアルコキシシラン化合物と第2のアルコキシシラン化合物とのモル比は1:10である。実施形態のコーティング組成物において、比較的長いパーフルオロポリエーテル部分を有する第1のアルコキシ化合物の数平均分子量と、短いパーフルオロ基を有する第2のアルコキシシランが化合物の分子量のバランスと、これらを適切なモル比で配合することが、コーティング物品の防汚性ならびに耐アルカリ性を向上させる上で重要である。
一方、第3のアルコキシシラン化合物(上記の式VIで表される化合物)は、上記の第1のアルコキシシラン化合物同士、第2のアルコキシシラン化合物同士、第1のアルコキシシラン化合物と第2のアルコキシシラン化合物との間、第1のアルコキシシラン化合物と無機基材との間、第2のアルコキシシラン化合物と無機基材との間等に、架橋構造をもたらす役割を果たす。実施形態のコーティング組成物中に第3のアルコキシシラン化合物が含まれていることによって、実施形態のコーティング組成物により形成されるコーティング層は高次構造を有することになる。すなわち、コーティング層には、第1のアルコキシシラン化合物に由来するパーフルオロポリエーテル部と、第2のアルコキシシラン化合物に由来するパーフルオロ基とが、ムラなく無機基材表面全体を被覆しており、かつこれらのパーフルオロポリエーテル部とパーフルオロ基とが互いに架橋した高次構造を有している。コーティング層がこのような複雑な構造を有していることにより、実施形態のコーティング物品が高温・高湿の過酷な条件下に置かれても、コーティング層が無機基材から外れてしまうことがない。
なお、上記のように、実施形態のコーティング組成物において、実施形態のコーティング組成物において、第1のアルコキシシラン化合物と、第3のアルコキシシラン化合物とが、10:0.5~10:5の重量比で含まれていることが好ましい。特に好ましいコーティング組成物は、第1のアルコキシシラン化合物と、第3のアルコキシシラン化合物とが、10:1~10:4.5の重量比で含まれている。実施形態のコーティング組成物において、比較的長いパーフルオロポリエーテル部分を有する第1のアルコキシ化合物の数平均分子量と、短いパーフルオロ基を有する第2のアルコキシシラン化合物の分子量のバランスと、さらに、第1、第2および第3のアルコキシシラン化合物を適切なモル比で配合することが、コーティング物品の防汚性、耐アルカリ性ならびに高温高湿下での耐久性を向上させる上で重要である。
実施形態のコーティング組成物を塗布した無機基材を、常温付近から300℃までの雰囲気下に置いて、第1のアルコキシシラン、第2のアルコキシシランおよび第3のアルコキシシラン化合物と、無機基材とを反応させて、無機基材表面にコーティング層を形成することができる。第1のアルコキシシラン化合物、第2のアルコキシシラン化合物および第3のアルコキシシラン化合物を確実に無機基材と反応させて、無機基材表面全体をパーフルオロポリエーテル部とパーフルオロ基とで被覆し、これらの間を架橋させたコーティング層を形成するためには、コーティング組成物を塗布した無機基材を150℃~250℃程度の雰囲気下で加熱することが好ましい。
実施形態のコーティング組成物と、無機基材とを反応させてコーティング層を形成したコーティング物品は、防汚性に優れ、摩擦耐久性があり、かつアルカリに対する耐久性を併せ持つ。また、実施形態のコーティング組成物と、無機基材とを反応させてコーティング層を形成したコーティング物品を高温高湿の過酷な条件下においても、これらの良好な特性が低下することがない。実施形態のコーティング組成物は、車載ディスプレイ、モバイル端末、パーソナルコンピュータ、各種表示装置等に適用可能で、これらに優れた防汚性、摩擦耐久性、耐アルカリ性、ならびに高温高湿耐久性をもたらすことができる。
(1)パーフルオロポリエーテル部を分子内に有する、第1のアルコキシシラン化合物の合成
(合成例1-1)パーフルオロポリエーテル部含有アルコキシシラン化合物(1a)の合成
スターラーを入れた30ミリリットルのナスフラスコに、Fluorolink D-4000(ソルベイ株式会社)11.82グラム(3.0ミリモル)と、3-イソシアナトプロピルトリメトキシシラン(関東化学株式会社)1.48グラム(7.2ミリモル)と、触媒としてトリエチルアミン(関東化学株式会社)0.015グラム(0.15ミリモル)と、反応溶剤としてメタキシレンヘキサフルオライド(東京化成工業株式会社)12.0グラムとを秤量した。反応液を50℃で撹拌した。反応後の反応液にメタノールを添加して反応液を分層させ、反応を停止させた。上層を除去し、下層のみをメタノールで3回洗浄した。洗浄後の液を減圧乾燥して溶媒を除去し、パーフルオロポリエーテル部含有アルコキシシラン化合物(1a)を得た(10.2グラム、収率87%)。なお、Fluorolink D-4000は、以下の式:
Figure 0007079900000026
で表される、数平均分子量4000のパーフルオロポリエーテル化合物である。よって、パーフルオロポリエーテル部含有アルコキシシラン化合物(1a)の数平均分子量は、4,400程度である。
(合成例1-2)パーフルオロポリエーテル部含有アルコキシシラン化合物(1b)の合成
スターラーを入れた30ミリリットルのナスフラスコに、Fluorolink ZMF-402(ソルベイ株式会社)11.82グラム(3.0ミリモル)と、3-イソシアナトプロピルトリメトキシシラン(関東化学株式会社)0.74グラム(3.6ミリモル)と、触媒としてトリエチルアミン(関東化学株式会社)0.015グラム(0.15ミリモル)と、反応溶剤としてメタキシレンヘキサフルオライド(東京化成工業株式会社)12.0グラムとを秤量した。反応液を50℃で撹拌した。反応後の反応液にメタノールを添加して反応液を分層させ、反応を停止させた。上層を除去し、下層のみをメタノールで3回洗浄した。洗浄後の液を減圧乾燥して溶媒を除去し、パーフルオロポリエーテル部含有アルコキシシラン化合物(1b)を得た(10.2グラム、収率87%)。なお、Fluorolink ZMF-402は、以下の式:
Figure 0007079900000027
で表される、数平均分子量4,000のパーフルオロポリエーテル化合物である。したがって、パーフルオロポリエーテル部含有アルコキシシラン化合物(1b)の数平均分子量は、4,200程度である。
(合成例1-3)パーフルオロポリエーテル部含有アルコキシシラン化合物(1c)の合成
スターラーを入れた30ミリリットルのナスフラスコに、Fluorolink D-6000(ソルベイ株式会社)18.00グラム(3.0ミリモル)と、3-イソシアナトプロピルトリメトキシシラン(関東化学株式会社)1.48グラム(7.2ミリモル)と、触媒としてトリエチルアミン(関東化学株式会社)0.015グラム(0.15ミリモル)と、反応溶剤としてメタキシレンヘキサフルオライド(東京化成工業株式会社)18.0グラムとを秤量した。反応液を50℃で撹拌した。反応後の反応液にメタノールを添加して反応液を分層させ、反応を停止させた。上層を除去し、下層のみをメタノールで3回洗浄した。洗浄後の液を減圧乾燥して溶媒を除去し、パーフルオロポリエーテル部含有アルコキシシラン化合物(1c)を得た(17.31グラム、収率90%)。
なお、Fluorolink D-6000は、以下の式:
Figure 0007079900000028
で表される、数平均分子量6000のパーフルオロポリエーテル化合物である。よって、パーフルオロポリエーテル部含有アルコキシシラン化合物(1c)の数平均分子量は、6,400程度である。
(2)コーティング組成物の作製
(2-1)実施例1
200ミリリットルのビーカーに、合成例1-1で合成したパーフルオロポリエーテル部含有アルコキシシラン化合物(1a)を0.1グラムと、パーフルオロポリエーテル部を分子内に有さず、パーフルオロ基を分子内に有するアルコキシシラン化合物であるKBM-7103(信越化学工業株式会社)0.05グラムと、パーフルオロポリエーテル部とパーフルオロ基とを分子内に有さず、アルコキシ基を少なくとも4つ以上分子内に有するアルコキシシラン化合物であるメチルシリケート51(コルコート株式会社)0.01グラムと、溶剤であるノベックHFE-7200(スリーエムジャパン株式会社)99.84グラムとを秤量し、室温で1時間撹拌して、コーティング組成物を作製した。
(2-2)実施例2
200ミリリットルのビーカーに、合成例1-1で合成したパーフルオロポリエーテル部含有アルコキシシラン化合物(1a)を0.1グラムと、パーフルオロポリエーテル部を分子内に有さず、パーフルオロ基を分子内に有するアルコキシシラン化合物であるKBM-7103(信越化学工業株式会社)0.05グラムと、パーフルオロポリエーテル部とパーフルオロ基とを分子内に有さず、アルコキシ基を少なくとも4つ以上分子内に有するアルコキシシラン化合物であるエチルシリケート28(コルコート株式会社)0.01グラムと、溶剤であるノベックHFE-7200(スリーエムジャパン株式会社)99.84グラムとを秤量し、室温で1時間撹拌して、コーティング組成物を作製した。
(2-3)実施例3
200ミリリットルのビーカーに、合成例1-2で合成したパーフルオロポリエーテル部含有アルコキシシラン化合物(1b)を0.1グラムと、パーフルオロポリエーテル部を分子内に有さず、パーフルオロ基を分子内に有するアルコキシシラン化合物であるKBM-7103(信越化学工業株式会社)0.05グラムと、パーフルオロポリエーテル部とパーフルオロ基とを分子内に有さず、アルコキシ基を少なくとも4つ以上分子内に有するアルコキシシラン化合物であるメチルシリケート51(コルコート株式会社)0.01グラムと、溶剤であるノベックHFE-7200(スリーエムジャパン株式会社)99.84グラムとを秤量し、室温で1時間撹拌して、コーティング組成物を作製した。なお、KBM-7103は、以下の式:
Figure 0007079900000029
で表されるトリフルオロプロピルトリメトキシシラン(分子量:218)である。またノベックHFE-7200は、ハイドロフルオロエーテル(エチルノナフルオロブチルエーテルとエチルノナフルオロイソブチルエーテルとの混合物)である。またメチルシリケート51は、以下の式:
Figure 0007079900000030
で表される、メチルシリケート4量体(平均)である。またエチルシリケート28は、以下の式:
Figure 0007079900000031
で表される、アルコキシシラン化合物(テトラエトキシシラン)である。
(2-4)実施例4
200ミリリットルのビーカーに、合成例1-3で合成したパーフルオロポリエーテル部含有アルコキシシラン化合物(1c)を0.1グラムと、パーフルオロポリエーテル部を分子内に有さず、パーフルオロ基を分子内に有するアルコキシシラン化合物であるKBM-7103(信越化学工業株式会社)0.05グラムと、パーフルオロポリエーテル部とパーフルオロ基とを分子内に有さず、アルコキシ基を少なくとも4つ以上分子内に有するアルコキシシラン化合物であるメチルシリケート51(コルコート株式会社)0.01グラムと、溶剤であるノベックHFE-7200(スリーエムジャパン株式会社)99.84グラムとを秤量し、室温で1時間撹拌して、コーティング組成物を作製した。
(2-4)比較例1
メチルシリケート51を加えず、ノベックHFE-7200の量を99.85グラムとしたこと以外は、実施例1と同様にコーティング組成物を作製した。
(2-5)比較例2
メチルシリケート51を加えず、ノベックHFE-7200の量を99.85グラムとしたこと以外は、実施例3と同様にコーティング組成物を作製した。
(2-6)比較例3
KBM-7103を加えず、メチルシリケート51を0.1グラム加え、ノベックHFE-7200の量を99.8グラムとしたこと以外は、実施例1と同様にコーティング組成物を作製した。
(2-7)比較例4
KBM-7103を0.5グラム加え、メチルシリケート51を0.1グラム加え、ノベックHFE-7200の量を99.3グラムとしたこと以外は、実施例1と同様にコーティング組成物を作製した。
(3)コーティング層の形成
各実施例および比較例で作製したコーティング組成物を、洗浄したガラス板(水接触角が10°程度のもの、サイズ:100ミリメートル×100ミリメートル)の片面にスプレーで塗布し、170℃のオーブンで30分間加熱して、コーティング組成物を硬化させ、コーティング層を形成した。
(4)コーティング層の外観の評価
コーティング層の外観を目視により観察した。透明で平滑なコーティングが形成されているものを「良」、コーティング層にムラが見られるものを「ムラ有り」、コーティング層に白濁が見られるものを「白化有り」と評価した。
(5)水接触角の測定
コーティング層を形成したガラス板の静的水接触角の測定は、日本工業規格JIS R3257の静滴法に準拠して、接触角測定装置(協和界面科学株式会社)を用いて行った。水接触角が大きいことは、コーティング層の濡れ性が低い、すなわち撥水性が高いことを意味する。コーティング層は、通常、種々の埃や異物を含む水と接触することで、その表面が汚染されることがわかっている。そこで本明細書では、コーティング層が水に濡れにくいことを、コーティング層の防汚性の目安とした。
(6)耐アルカリ性の評価
コーティング層を形成したガラス板を、0.1重量%の水酸化ナトリウム水溶液に浸漬して、25℃で24時間静置した。ガラス板を取り出し、ガラス板表面を純水で洗浄して水酸化ナトリウム水溶液を除去し、常温で乾燥した後、接触角測定装置(協和界面科学株式会社)を用いて水接触角の測定を行った。
(7)高温高湿環境耐久性の評価
コーティング層を形成したガラス板を、温度85℃、湿度85%の高温高湿環境下に1000時間静置した。ガラス板を当該環境下から取り出し、常温に置いた後、接触角測定装置(協和界面科学株式会社)を用いて水接触角の測定を行った。
(8)高温環境耐久性の評価
コーティング層を形成したガラス板を、温度90℃の高温環境下に1000時間静置した。ガラス板を当該環境下から取り出し、常温に置いた後、接触角測定装置(協和界面科学株式会社)を用いて水接触角の測定を行った。
実施例、比較例の結果を、表1と表2に示す。なお、表1、表2において、コーティング組成物の配合に記載された数字は「重量部」である。なお、比較例3、比較例4においてはコーティング層に白濁が見られたため、その後の高温高湿環境下静置後のコーティング層の水接触角、高温環境下静置後のコーティング層の水接触角の測定は行わなかった。
Figure 0007079900000032
Figure 0007079900000033
実施例のコーティング組成物を用いて、概ね透明のコーティング層を形成することができた。実施例のコーティング組成物は、ガラス板の表面の濡れ性を低下させるコーティング層を形成した。一方、比較例1、2のコーティング組成物は、概ね透明であって、ガラス板の表面の濡れ性を低下させ、かつアルカリ水溶液に浸漬しても濡れ性が大きくならないコーティング層を形成できたが、これらのガラス板を高温高湿環境下あるいは高温環境下に置くと、コーティング層の表面の濡れ性が大きくなってしまった。実施例1と比較例1、ならびに実施例2と比較例1のコーティング組成物の配合をそれぞれ比較すると、比較例1のコーティング組成物には、「第3のアルコキシシラン化合物」、すなわち、パーフルオロポリエーテル部とパーフルオロ基とを分子内に有さず、アルコキシ基を少なくとも4つ以上分子内に有する、アルコキシシラン化合物に相当するメチルシリケート51やエチルシリケート28が含まれていない。また、実施例3と比較例2のコーティング組成物の配合を比較すると、比較例2のコーティング組成物には、「第3のアルコキシシラン化合物」、すなわち、パーフルオロポリエーテル部とパーフルオロ基とを分子内に有さず、アルコキシ基を少なくとも4つ以上分子内に有する、アルコキシシラン化合物に相当するメチルシリケート51やエチルシリケート28が含まれていない。比較例1、2の結果によると、パーフルオロポリエーテル部を分子内に有する、第1のアルコキシシラン化合物に相当するアルコキシシラン化合物(1a、1bまたは1c)、および、パーフルオロポリエーテル部を分子内に有さず、パーフルオロ基を分子内に有する第2のアルコキシシラン化合物のみでも、アルカリ水溶液に耐え得る、撥水性のコーティング層をガラス表面に形成することはできるが、これらのコーティング層がひとたび高温高湿環境下や高温環境下に置かれると、アルコキシシラン化合物がガラス板から外れてしまうと考えられる。
実施例1と比較例3のコーティング組成物の配合を比較すると、比較例3のコーティング組成物には、「第2のアルコキシシラン化合物」であるKBM-7103が含まれておらず、「第3のアルコキシシラン化合物」であるメチルシリケート51が多量(第1のアルコキシシラン化合物の同量)含まれている。比較例3のコーティング組成物は、アルカリ性水溶液にも耐えるコーティング層を形成することができたが、コーティング層に白濁が見られ、物品の被覆をする用途に好適ではないと云える。実施例1と比較例4のコーティング組成物の配合を比較すると、比較例4のコーティング組成物には、「第2のアルコキシシラン化合物」が多量(第1のアルコキシシラン化合物の5倍量)含まれており、「第3のアルコキシシラン化合物」であるメチルシリケート51も多量(第1のアルコキシシラン化合物と同量)含まれている。比較例4のコーティング組成物は、水接触角の大きいコーティング層を形成することができたが、コーティング層に白濁が見られ、物品の被覆をする用途に好適ではないと云える。
これらの結果より、防汚性、耐アルカリ性ならびに耐高温高湿環境に優れたコーティング層には、第1のアルコキシシラン化合物に由来する、比較的長いパーフルオロポリエーテル部と、第2のアルコキシシラン化合物に由来する、短いパーフルオロ基とが、良好なバランスで混在し、かつこれらが第3のアルコキシシランにより架橋された高次構造を有していることが重要であることがわかった。すなわちこれら3種のアルコキシシランをバランス良く含んだコーティング組成物の配合を検討することが重要であると云える。

Claims (5)

  1. パーフルオロポリエーテル部を分子内に有する、第1のアルコキシシラン化合物と、
    パーフルオロポリエーテル部を分子内に有さず、パーフルオロ基を分子内に有する第2のアルコキシシラン化合物と、
    パーフルオロポリエーテル部とパーフルオロ基とを分子内に有さず、アルコキシ基を少なくとも4つ以上分子内に有する、第3のアルコキシシラン化合物と、
    を少なくとも含む、コーティング組成物であって、
    該第1のアルコキシシラン化合物と、該第2のアルコキシシラン化合物とを、10:1~10:40の重量比で含み、
    該第1のアルコキシシラン化合物と、該第3のアルコキシシラン化合物とを、10:0.5~10:5の重量比で含む、コーティング組成物
  2. 該第1のアルコキシシラン化合物の数平均分子量が、該第2のアルコキシシラン化合物の分子量よりも大きい、請求項1に記載のコーティング組成物。
  3. 該第1のアルコキシシラン化合物の数平均分子量が、該第2のアルコキシシラン化合物の分子量と比較して10倍以上である、請求項1または2に記載のコーティング組成物。
  4. さらに溶剤を含む、請求項1~のいずれかに記載のコーティング組成物。
  5. 無機基材に、
    パーフルオロポリエーテル部を分子内に有する、第1のアルコキシシラン化合物と、
    パーフルオロポリエーテル部を分子内に有さず、パーフルオロ基を分子内に有する、第2のアルコキシシラン化合物と、
    パーフルオロポリエーテル部とパーフルオロ基とを分子内に有さず、アルコキシ基を少なくとも4つ以上分子内に有する、第3のアルコキシシラン化合物と、を少なくとも含むコーティング組成物を反応させてなる、コーティング物品であって、
    該第1のアルコキシシラン化合物と、該第2のアルコキシシラン化合物とを、10:1~10:40の重量比で含み、
    該第1のアルコキシシラン化合物と、該第3のアルコキシシラン化合物とを、10:0.5~10:5の重量比で含む、コーティング物品
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