JP7101145B2 - プラスチック積層体及びその製造方法 - Google Patents
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Description
前記ハードコート層が、ポリシラザン化合物および平均粒径が20~100nmであるナノシリカを少なくとも含むハードコート剤の硬化膜からなり、
前記ハードコート層の前記プラスチック基材側とその反対側の表層側との間に連続的な硬度差が設けられたものであることを特徴とするプラスチック積層体を提供する。
プラスチック基材上に、ポリシラザン化合物および平均粒径が20~100nmであるナノシリカを少なくとも含むハードコート剤を塗布する工程と、
該塗布したハードコート剤を硬化させることによりハードコート層を形成する工程とを含み、
該ハードコート層を形成する工程において、少なくとも、前記ハードコート剤を塗布したプラスチック基材へのエネルギー線の照射により、前記ハードコート層の前記プラスチック基材側とその反対側の表層側との間に連続的な硬度差を発生させることを特徴とするプラスチック積層体の製造方法を提供する。
また、本発明のプラスチック積層体の製造方法であれば、硬度の異なる層の積層工程を繰り返す必要がないため、生産性も向上させることができる。
本発明は、プラスチック基材および該プラスチック基材上に形成されたハードコート層を含むプラスチック積層体であり、
前記ハードコート層が、ポリシラザン化合物および平均粒径が20~100nmであるナノシリカを少なくとも含むハードコート剤の硬化膜からなり、
前記ハードコート層の前記プラスチック基材側とその反対側の表層側との間に連続的な硬度差が設けられたものであることを特徴とするプラスチック積層体である。
本発明におけるプラスチック基材は用途によって任意の材質を使用できる。なお、本発明におけるプラスチックとは合成樹脂のことを指す。プラスチック基材として、具体的には、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリスチレン(PS)、ポリ酢酸ビニル(PVAc)、ポリウレタン(PUR)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、アクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂(ABS)、アクリル樹脂(PMMA)などの汎用プラスチック、ポリアミド(PA)、ナイロン、ポリカーボネート(PC)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)などのエンジニアリングプラスチック、非晶ポリアリレート(PAR)、ポリサルフォン(PSF)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリイミド(PI)、ビスマレイミド樹脂(BMI)、ポリエーテルイミド(PEI)などのスーパーエンジニアリングプラスチックなどが挙げられる。その中でも靭性、加工性、光透過性などに優れるポリカーボネートやアクリル樹脂が好ましく、特に安価なポリカーボネートがより好ましい。
本発明におけるハードコート層は、ポリシラザン化合物とナノシリカを必須成分として少なくとも含むハードコート剤の硬化膜からなる。また本発明におけるハードコート層は、ハードコート層のプラスチック基材側とその反対側の表層側に連続的な硬度差を設けられたものであることが必須となる。
ポリシラザン化合物としては硬化することによってハードコート剤として作用するものであれば特に制約はない。例えば、無機ポリシラザンであるペルヒドロポリシラザン、もしくは有機ポリシラザンであるメチルポリシラザン、ジメチルポリシラザン、フェニルポリシラザン、ビニルポリシラザンなどの変性ポリシラザン、ポリシラザンと化学的に反応し架橋構造を生成するヒドロキシル基、ビニル基、アミノ基、シリル基などのポリシラザンと化学的に反応し架橋構造を生成する反応基を有する炭化水素化合物、環状飽和炭化水素化合物、環状不飽和炭化水素化合物、飽和複素環化合物、不飽和複素環化合物およびシリコーン化合物などの化合物と化学的に架橋された架橋ポリシラザンなどが挙げられる。上記ポリシラザン化合物は、1種単独、もしくは2種以上のその中から選定されたポリシラザン混合物、あるいは2種以上のポリシラザン構造からなるポリシラザン共重合体を含むことが好ましく、硬化後の膜特性の観点から1分子中にケイ素原子に直接結合した水素原子(ヒドロシリル基)を少なくとも1つ以上含むことが更に好ましい。
[測定条件]
展開溶媒 :テトラヒドロフラン(THF)
流量 :0.6mL/min
検出器 :UV検出器
カラム :TSKgel Guardcolumn SuperH-L
TSKgel SuperMultiporeHZ-M(4.6mmI.D.×15cm×4)
(いずれも東ソー社製)
カラム温度:40℃
試料注入量:20μL(濃度0.5重量%のTHF溶液)
本発明におけるナノシリカは、ポリシラザン化合物の硬化収縮によるクラックを抑制するために添加され、平均粒径が20~100nmの範囲内であることが必須である。平均粒径が20nmより小さいとクラック抑制効果が乏しく、100nmより大きいと硬化膜を形成するためのハードコート剤を静置した際に沈降が起こりやすくなるため、均一なハードコート層とならずクラック抑制効果を得ることができない。また、ナノシリカの添加量はポリシラザン化合物100質量部に対して50~200質量部であることが好ましい。この範囲内であれば外観の透明性と耐クラック性が両立できる。また、ナノシリカ粒子の表面は表面処理剤などで処理されていても構わない。表面処理剤による処理を行うことで粒子同士の凝集を抑制し、分散性が良くなる場合がある。また、ナノシリカ表面にある水分やヒドロキシル基を覆うためポリシラザン化合物と不用意に反応しゲル化が起こることを抑制する効果も期待できる。
d=6,000/ρs
d:粒子直径[nm]
ρ:粒子密度[g/cm3]
s:比表面積[m2/g]
本発明におけるポリシラザン化合物には必要に応じて硬化触媒やナノシリカ以外のフィラーなどを添加しても構わない。硬化触媒は室温放置、加熱、UV照射などで硬化反応が促進されるものであれば特に制約はなく、例えば無機化合物触媒であれば、チタン、マンガン、コバルト、ニッケル、亜鉛などの周期表第4周期に属するdブロック元素、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金などの白金族元素などに代表される金属元素を含む均一もしくは不均一金属触媒、もしくはこれら金属元素を有する化合物が挙げられる。
本発明のプラスチック積層体は、ポリシラザン化合物とナノシリカを少なくとも含むハードコート剤をプラスチック基材上に塗布・硬化処理を行うことで製造される。
まず、プラスチック基材上に、ポリシラザン化合物および平均粒径が20~100nmであるナノシリカを少なくとも含むハードコート剤を塗布する。ハードコート剤を塗布する方法としては、例えば、チャンバードクターコーター、一本ロールキスコーター、リバースキスコーター、バーコーター、リバースロールコーター、正回転ロールコーター、ブレードコーター、ナイフコーターなどのロールコート法やスピンコート法、ディスペンス法、ディップ法、スプレー法、転写法、スリットコート法等が挙げられる。プラスチック基材のサイズや形状に応じて適切な方法で塗布することができる。また、必要に応じてハードコート剤を塗布する前にプラスチック基材の表面改質処理を行っても良い。表面改質処理工程としてはアルゴンプラズマ処理、キセノンエキシマ処理、UV処理などの不活性改質処理や酸素プラズマ処理、オゾン処理などの活性改質処理などが挙げられる。
次に、塗布したハードコート剤を硬化させることによりハードコート剤の硬化膜からなるハードコート層を形成する。ハードコート層の厚さは硬化膜厚全体で30~100μmとすることが好ましく、より好ましくは40~60μmとする。この範囲内であれば硬度と耐クラック性が両立できるため好ましい。ハードコート層は工程上の理由から単層が好ましいが2層以上の複層構造としてもよい。上述のようにしてハードコート剤の塗布によりハードコート塗膜を形成した後、該塗膜の硬化のため塗膜を加熱・乾燥処理することが好ましい。この処理は、塗膜中に含まれる溶媒の完全除去と、ポリシラザンからポリシロキサン結合への交換反応を促進するための硬化反応を目的とするものである。加熱・乾燥温度は通常室温(25℃)~300℃、好ましくは70℃~200℃の範囲内である。プラスチック基材は耐熱性に乏しいものが多いため70~120℃の範囲内であることが更に好ましい。プラスチック基材の加熱・乾燥工程の好ましい処理方法として、加熱処理や水蒸気加熱処理、大気圧プラズマ処理、低温プラズマ処理などがある。それぞれ対応するプラスチック基材、ハードコート塗膜などとの組み合わせにより選択される。
重量平均分子量3,284のメチルポリシラザン4gにジブチルエーテルを8g、エクソールD40を4g、粒径30nmのナノシリカを4g混合した。この溶液をハードコート剤Aとした。
重量平均分子量3,284のメチルポリシラザン4gにジブチルエーテルを8g、エクソールD40を4g、粒径50nmのナノシリカを4g混合した。この溶液をハードコート剤Bとした。
重量平均分子量3,284のメチルポリシラザン4gにジブチルエーテルを8g、エクソールD40を4g、粒径80nmのナノシリカを4g混合した。この溶液をハードコート剤Cとした。
重量平均分子量3,284のメチルポリシラザン4gにジブチルエーテルを8g、エクソールD40を4g、粒径200nmのナノシリカを4g混合した。この溶液をハードコート剤Dとした。
重量平均分子量3,284のメチルポリシラザン4gにジブチルエーテルを8g、エクソールD40を4g、粒径10nmのナノジルコニアを4g混合した。この溶液をハードコート剤Eとした。
重量平均分子量3,284のメチルポリシラザン4gにジブチルエーテルを8g、エクソールD40を4g、粒径100nmのナノアルミナを4g混合した。この溶液をハードコート剤Fとした。
直径5cm、厚み2mmの円板状のポリカーボネート板に対して、硬化膜の厚みが50μmになるように上記ハードコート剤A~Fをそれぞれ塗布し、100℃で乾燥後に120℃で硬化させた。その後、キセノンエキシマ光10,000mJ/cm2をハードコート層側から照射しハードコート層に硬度差を発生させた。
上記方法で作製したプラスチック積層体の特性を評価した。評価は鉛筆硬度試験、テーバー摩耗試験を行った。なお、鉛筆硬度試験は鉛筆硬度試験器(ペパレス製作所製)を使用し、JIS K 5600‐5‐4:1999に従い750g荷重で行った。テーバー摩耗試験はテーバー摩耗試験機(テスター産業製)を使用した。JIS K 7204:1999に従い摩耗輪CS-10Fを用いて各500g荷重で1,000回転後のHAZE変化を、ヘーズメーター(日本電色工業製)を用いて測定した。
ハードコート剤Aを用いて上記方法でプラスチック積層体を作製した。その後上記評価方法で作製したプラスチック積層体を評価したところ、外観は無色透明で鉛筆硬度は9H、テーバー摩耗試験前後のHAZE変化はΔ0.5であった。
ハードコート剤Bを用いて上記方法でプラスチック積層体を作製した。その後上記評価方法で作製したプラスチック積層体を評価したところ、外観は無色透明で鉛筆硬度は9H、テーバー摩耗試験前後のHAZE変化はΔ0.3であった。
ハードコート剤Cを用いて上記方法でプラスチック積層体を作製した。その後上記評価方法で作製したプラスチック積層体を評価したところ、外観は無色透明で鉛筆硬度は9H、テーバー摩耗試験前後のHAZE変化はΔ0.3であった。
ハードコート剤Dを用いて上記方法でプラスチック積層体を作製した。その後上記評価方法で作製したプラスチック積層体を評価したところ、外観は凝集したナノシリカが肉眼で見え、部分的にクラックが発生していたため評価を打ち切った。
ハードコート剤Eを用いて上記方法でプラスチック積層体を作製した。その後上記評価方法で作製したプラスチック積層体を評価したところ、鉛筆硬度は9Hであったが外観は白色であったため評価を打ち切った。
ハードコート剤Fを用いて上記方法でプラスチック積層体を作製した。その後上記評価方法で作製したプラスチック積層体を評価したところ、鉛筆硬度は9Hであったが外観は白色であったため評価を打ち切った。
ハードコート剤Bを用いてキセノンエキシマ光照射を行わなかった以外は上記方法と同様にプラスチック積層体を作製した。即ち、ハードコート層の厚さ方向に硬度差を設けなかった。その後上記評価方法で作製したプラスチック積層体を評価したところ、外観は無色透明で鉛筆硬度は6H、テーバー摩耗試験前後のHAZE変化はΔ35.1であった。
実施例1と同様のポリカーボネート板に対して、ハードコート剤Bを硬化膜の厚みが25μmになるように塗布し、乾燥後、硬化させ硬化膜1とした。その後、硬化膜1と同様に、硬化膜1の上から、ハードコート剤Bを硬化膜の厚みが25μmになるように塗布し、乾燥後、硬化させ硬化膜2を形成させ、プラスチック積層体を作製した。このとき、硬化膜1、2の乾燥温度をそれぞれ25、40℃、硬化温度をそれぞれ100、120℃とすることで、表層側の硬化膜2をプラスチック基材側の硬化膜1よりも高硬度となるように段階的に変化させた。なお、キセノンエキシマ光照射は行なわなかった。その後上記評価方法で作製したプラスチック積層体を評価したところ、外観は無色透明で鉛筆硬度は6H、テーバー摩耗試験前後のHAZE変化はΔ32.6であった。
Claims (6)
- プラスチック基材および該プラスチック基材上に形成されたハードコート層を含むプラスチック積層体であり、
前記ハードコート層が、ポリシラザン化合物および平均粒径が20~100nmであるナノシリカを少なくとも含むハードコート剤の硬化膜からなり、
前記ハードコート層の前記プラスチック基材側とその反対側の表層側との間に連続的な硬度差が設けられたものであり、
前記ハードコート層において、前記表層側が前記プラスチック基材側より高硬度であって、
前記ナノシリカの平均粒径は、BET吸着法によりN 2 ガスを用いて比表面積を測定し、ピクノメーター法により粒子密度を測定して、下記式を用いて算出したもの
であることを特徴とするプラスチック積層体。
d=6,000/ρs
d:粒子直径[nm]
ρ:粒子密度[g/cm 3 ]
s:比表面積[m 2 /g] - 前記ハードコート層の厚さが30~100μmのものであることを特徴とする請求項1に記載のプラスチック積層体。
- 請求項1又は請求項2に記載のプラスチック積層体の成形体を含むものであることを特徴とする輸送用車両のフロントウィンドウ。
- 請求項1又は請求項2に記載のプラスチック積層体の成形体を含むものであることを特徴とする輸送用車両の前照灯レンズ。
- プラスチック積層体の製造方法であって、
プラスチック基材上に、ポリシラザン化合物および平均粒径が20~100nmであるナノシリカを少なくとも含むハードコート剤を塗布する工程と、
該塗布したハードコート剤を硬化させることによりハードコート層を形成する工程とを含み、
該ハードコート層を形成する工程において、少なくとも、前記ハードコート剤を塗布したプラスチック基材へのエネルギー線の照射により、前記ハードコート層の前記プラスチック基材側とその反対側の表層側との間に連続的な硬度差を発生させ、
前記ハードコート層において、前記表層側が前記プラスチック基材側より高硬度とし、
前記ナノシリカの平均粒径は、BET吸着法によりN 2 ガスを用いて比表面積を測定し、ピクノメーター法により粒子密度を測定して、下記式を用いて算出したもの
とすることを特徴とするプラスチック積層体の製造方法。
d=6,000/ρs
d:粒子直径[nm]
ρ:粒子密度[g/cm 3 ]
s:比表面積[m 2 /g] - 前記エネルギー線がエキシマ光であることを特徴とする請求項5に記載のプラスチック積層体の製造方法。
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