JP7354950B2 - 環状シラザン構造を有する有機ケイ素化合物、これを含む組成物およびその製造方法 - Google Patents
環状シラザン構造を有する有機ケイ素化合物、これを含む組成物およびその製造方法 Download PDFInfo
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Description
これらの特性を利用し、上記有機ケイ素化合物は、シランカップリング剤、樹脂添加剤、表面処理剤、繊維処理剤、接着剤、塗料添加剤および高分子変性剤等の幅広い分野、用途に用いられる。
また、アミノ基を有するアルコキシシラン化合物は、加水分解によって生成するシラノール基同士が縮合してシロキサンを生成するため、基材表面の水酸基との反応性が低下するおそれがある。基材表面の水酸基と十分に反応させるためには、反応温度を高くするか、反応時間を長くする必要があるが、この場合は生産性が低下する。しかも、未反応のシラノール基が存在する場合、シラン処理後の基材表面は、シラノール基とアミノ基が混在した状態になるため、アミノ基に由来する所望の効果が十分に発揮されない可能性がある。
すなわち、アミノ基の置換基がメチル基、ブチル基、アリル基等の炭化水素基の場合、炭化水素基の炭素-水素結合および炭素-炭素結合の結合エネルギーが紫外線エネルギーより低いため、太陽光あるいはラジカルに曝されるとこれら結合が分解する(自動酸化)。自動酸化が進行すると、基材表面に剥離やクラック等が発生する。また、アミノ基の置換基が水素原子、アミノアルキル基等の場合、シラン処理後の基材表面には一級アミノ基が現れる。この一級アミノ基は、二酸化炭素と反応して炭酸塩を形成する(アミンブラッシング)。アミンブラッシングが発生すると、基材表面が白化して外観が不良になる。
さらに、近年、前述の有機ケイ素化合物の幅広い分野、用途における使用目的の多様化に伴い、シラン処理後の基材表面に防汚性や防曇性等の特性を必要とされる場合がある。これらの特性を達成するためには、基材表面に濡れ性または撥液性を付与する必要があり、上記置換基を有する環状シラザン構造を有するアルコキシシラン化合物では適用できない場合があった。
1. 下記一般式(1)で示される環状シラザン構造を有する有機ケイ素化合物、
2. 1の環状シラザン構造を有する有機ケイ素化合物と、下記一般式(2)で示されるアミノ基を有する有機ケイ素化合物とを含み、前記式(2)で示されるアミノ基を有する有機ケイ素化合物の含有量が30質量%以下である組成物、
3. 下記一般式(2)
で示されるアミノ基を有する有機ケイ素化合物を蒸留する際に、発生するアルコールを留去しながら、触媒の存在下で蒸留する1の環状シラザン構造を有する有機ケイ素化合物の製造方法、
4. 前記蒸留する際の温度が、100~300℃であり、圧力が、0.01~10.0kPaである3の環状シラザン構造を有する有機ケイ素化合物の製造方法、
5. 前記触媒が、塩基性化合物または酸性化合物である3または4の環状シラザン構造を有する有機ケイ素化合物の製造方法、
6. 前記塩基性化合物が、アルカリ金属アルコキシド化合物である5の環状シラザン構造を有する有機ケイ素化合物の製造方法、
7. 前記酸性化合物が、スルホン酸化合物またはカルボン酸化合物である5の環状シラザン構造を有する有機ケイ素化合物の製造方法
を提供する。
本発明の環状シラザン構造を有する有機ケイ素化合物は、下記一般式(1)で示される(以下、一般式(1)で示される有機ケイ素化合物を、「有機ケイ素化合物(1)」という。)。
上記アルコキシ基は、直鎖状、分岐鎖状または環状のいずれでもよく、その具体例としては、メトキシ、エトキシ、n-プロポキシ、n-ブトキシ、n-ペンチルオキシ、n-ヘキシルオキシ、n-ヘプチルオキシ、n-オクチルオキシ、n-ノニルオキシ、n-デシルオキシ基等の直鎖状のアルコキシ基;sec-プロポキシ、sec-ブトキシ、tert-ブトキシ、sec-ペンチルオキシ、tert-ペンチルオキシ、sec-ヘキシルオキシ、tert-ヘキシルオキシ、sec-ヘプチルオキシ、tert-ヘプチルオキシ、sec-オクチルオキシ、tert-オクチルオキシ、sec-ノニルオキシ、tert-ノニルオキシ、sec-デシルオキシ、tert-デシルオキシ基等の分岐鎖状のアルコキシ基;シクロペンチルオキシ、シクロヘキシルオキシ基等の環状のアルコキシ基;ビニルオキシ、アリルオキシ、ブテニルオキシ、メタリルオキシ基等のアルケニルオキシ基;フェニルオキシ、トリルオキシ、キシリルオキシ基等のアリールオキシ基;ベンジルオキシ、フェネチルオキシ基等のアラルキルオキシ基等が挙げられる。
上記1価炭化水素基は、直鎖状、分岐鎖状または環状のいずれでもよく、その具体例としては、メチル、エチル、n-プロピル、n-ブチル、n-ペンチル、n-ヘキシル、n-ヘプチル、n-オクチル、n-ノニル、n-デシル基等の直鎖状のアルキル基;sec-プロピル、sec-ブチル、tert-ブチル、sec-ペンチル、tert-ペンチル、sec-ヘキシル、tert-ヘキシル、sec-ヘプチル、tert-ヘプチル、sec-オクチル、tert-オクチル、sec-ノニル、tert-ノニル、sec-デシル、tert-デシル基等の分岐鎖状のアルキル基;シクロペンチル、シクロヘキシル基等の環状のアルキル基;ビニル、アリル、ブテニル、メタリル基等のアルケニル基;フェニル、トリル、キシリル基等のアリール基;ベンジル、フェネチル基等のアラルキル基等が挙げられる。
なお、これらのアルコキシ基および1価炭化水素基の水素原子の一部または全部は、その他の置換基で置換されていてもよく、この置換基の具体例としては、メトキシ、エトキシ、(イソ)プロポキシ基等の炭素数1~3のアルコキシ基;フッ素、塩素、臭素等のハロゲン原子;フェニル基等の芳香族炭化水素(アリール)基;シアノ基、アミノ基、エステル基、エーテル基、カルボニル基、アシル基、スルフィド基等が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることもできる。これらの置換基の置換位置は特に限定されず、置換基数も限定されない。
上記炭素数3~6のアルキレン基は、直鎖状、分岐鎖状または環状のいずれでもよく、その具体例としては、トリメチレン、プロピレン、テトラメチレン、イソブチレン、シクロヘキシレン基等が挙げられる。
なお、これらのアルキレン基の水素原子の一部または全部は、その他の置換基で置換されていてもよく、この置換基としては、上記R1で例示したその他の置換基と同様のものが挙げられる。
また、これらのアルキレン基は、その分子鎖中に、エーテル基、エステル基、カルボニル基、スルフィド基、ジスルフィド基等の1種または2種以上が介在していてもよい。
これらの中でも、R2としては、炭素数3または4の非置換の直鎖状アルキレン基が好ましく、特に前駆原料の入手容易性の観点から、トリメチレン基がより好ましい。
上記炭素数1~10の1価炭化水素基としては、上記R1で例示した1価炭化水素基と同様のものが挙げられる。
それらの中でも、R3およびR4としては、炭素数1~6の非置換の直鎖状アルキル基が好ましく、特に前駆原料の入手容易性の観点から、非置換の、炭素数1~3の直鎖状アルキル基が好ましく、メチル基、エチル基がより一層好ましい。
本発明では、下記一般式(2)で示されるアミノ基を有する有機ケイ素化合物(以下、有機ケイ素化合物(2)という。)を蒸留する際に、発生するアルコールを留去しながら、触媒の存在下で蒸留して製造する。
蒸留する際の温度は、生産性の観点から、好ましくは100~300℃、より好ましくは100~280℃、より一層好ましくは100~260℃の範囲である。なお、蒸留塔を用いて蒸留する場合には、上記蒸留する際の温度は、蒸留塔上部の温度をいう。
蒸留時間は、生産性の観点から、好ましくは1~50時間、より好ましくは1~40時間、より一層好ましくは1~30時間の範囲である。
蒸留圧力は、生産性の観点から、好ましくは0.01~10.0kPa、より好ましくは0.01~9.0kPa、より一層好ましくは0.01~8.0kPaの範囲である。
塩基性化合物の具体例としては、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化セシウム等のアルカリ金属水酸化物化合物;カリウムメトキシド、ナトリウムメトキシド、カリウムエトキシド、ナトリウムエトキシド等のアルカリ金属アルコキシド化合物;テトラメチルアンモニウムヒドロキシド、テトラエチルアンモニウムヒドロキシド、テトラプロピルアンモニウムヒドロキシド、テトラブチルアンモニウムヒドロキシド、トリメチルベンジルアンモニウムヒドロキシド等のアルキル、アリール基等を有する4級アンモニウムヒドロキシド化合物等が挙げられる。
これらの中でも、特に入手容易性および反応性の観点から、アルカリ金属アルコキシド化合物が好ましい
なお、これらの塩基性化合物は、水溶液やアルコール溶液等として用いることができる。
これらの中でも、特に入手容易性および反応性の観点から、スルホン酸化合物、カルボン酸化合物が好ましい。
なお、これらの酸性化合物は、水溶液やアルコール溶液等として用いることができる。
これらの中でも、有機ケイ素化合物(2)との相溶性の観点から、特に炭化水素系溶媒、エーテル系溶媒、エステル系溶媒、非プロトン性極性溶媒が好ましい。
また、pH調整剤として、酸または塩基を用いてもよい。
組成物として用いる場合、有機ケイ素化合物(2)の含有量は、アルコールの発生量の削減の観点から、組成物中、好ましくは30質量%以下、より好ましくは20質量%以下、より一層好ましくは10質量%以下、さらに好ましくは5質量%以下である。
この場合の溶媒の具体例としては、環化反応で使用する溶媒で例示した溶媒と同様の溶媒を用いることができる。
有機ケイ素化合物(1)を含む処理剤を用いて基材のシランカップリング処理または表面処理を行う方法としては、特に制限はなく、基材に処理剤を塗布する方法、不活性ガスにて処理剤を同伴させ、この同伴ガスに基材を接触させる方法、基材と共に処理剤を直接ミキサーやミルで混合する方法等が挙げられる。これらの中でも、簡便性の観点から、処理剤を塗布する方法が好ましい。
処理剤を塗布する方法としては、例えば、刷毛塗り法、スプレーコーティング法、ワイヤーバー法、ブレード法、ロールコーティング法、ディッピング法等が挙げられる。
処理温度は、生産性の観点から、好ましくは0~100℃、より好ましくは10~50℃、より一層好ましくは20~30℃の範囲である。
処理時間は、生産性の観点から、好ましくは1分~50時間、より好ましくは1分~30時間、より一層好ましくは1分~20時間の範囲であるが、上記処理温度との関係において、適宜設定すればよい。
無機材料としては、ガラス板、ガラス繊維、珪藻土、珪酸カルシウム、シリカ、シリコン、タルク、マイカ等のケイ素化合物;酸化亜鉛、酸化アルミニウム、酸化スズ、酸化チタン、酸化鉄、酸化マグネシウム等の金属酸化物;塩化亜鉛、塩化アルミニウム、塩化スズ、塩化チタン、塩化鉄、塩化マグネシウム等の金属塩化物;水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム等の金属水酸化物;炭酸カルシウム、炭酸亜鉛、炭酸マグネシウム等の炭酸塩等が挙げられる。
これらの中でも、有機ケイ素化合物(1)との反応性の観点から、特にケイ素化合物、金属酸化物が好ましい。
有機材料としては、ゴム、紙、セルロース等の天然高分子;アクリル樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の合成高分子;油脂、界面活性剤、液晶等が挙げられる。
これらの中でも、有機ケイ素化合物(1)との反応性の観点から、特に天然高分子、合成高分子が好ましい。
洗浄溶媒としては、特に制限はないが、前述の有機ケイ素化合物(1)を希釈する溶媒で例示した溶媒と同じものを使用することができる。
洗浄方法としては、特に制限はないが、シラン処理後の基材に対して、洗浄溶媒中に浸漬する方法、洗浄溶媒をスプレーする方法等を採用することができる。
洗浄、乾燥の条件は、シラン処理後の基材に悪影響を与えない限り特に限定されない。
洗浄温度は、生産性の観点から、好ましくは0~300℃、より好ましくは0~200℃、より一層好ましくは0~100℃の範囲である。
洗浄時間は、生産性の観点から、好ましくは1分~10時間、より好ましくは1分~5時間、より一層好ましくは1分~2時間の範囲であるが、上記洗浄温度との関係において、適宜設定すればよい。
乾燥温度は、生産性の観点から、好ましくは0~300℃、より好ましくは0~200℃、より一層好ましくは0~100℃の範囲である。
乾燥時間は、生産性の観点から、好ましくは1分~10時間、より好ましくは1分~5時間、より一層好ましくは1分~2時間の範囲であるが、上記乾燥温度との関係において、適宜設定すればよい。
湿気雰囲気に曝す方法としては、特に制限はないが、イオン交換水や蒸留水等の純水中に浸漬する方法、恒温恒湿装置を使用して所定の湿度で処理する方法等を採用することができる。
湿気雰囲気に曝す温度は、シラン処理後の基材に悪影響を与えない限り特に限定されないが、生産性の観点から、好ましくは0~100℃、より好ましくは10~80℃、より一層好ましくは20~60℃の範囲である。
湿気雰囲気に曝す時間は、シラン処理後の基材に悪影響を与えない限り特に限定されないが、生産性の観点から、好ましくは1分~4時間、より好ましくは1分~3時間、より一層好ましくは1分~2時間の範囲であるが、上記湿気雰囲気に曝す温度との関係において、適宜設定すればよい。
なお、以下の蒸留で得られた留分の純度は、以下の条件によるガスクロマトグラフィー測定により行ったものである。
[ガスクロマトグラフィー測定条件]
ガスクロマトグラフ:GC-2014((株)島津製作所製)
パックドカラム:SiliconeSE-30(ジーエルサイエンス(株)製)
検出器:TCD
検出器温度:300℃
注入口温度:300℃
昇温プログラム:70℃(0分)→10℃/分→300℃(10分)
キャリアガス:ヘリウム(50ml/分)
注入量:1μl
撹拌機、還流器、滴下ロートおよび温度計を備えたフラスコに、4-アミノ-2,2,6,6-テトラメチルピペリジン625.1g(4.000モル)を仕込み、150℃に加熱した。内温が安定した後、クロロプロピルトリメトキシシラン198.7g(1.000モル)を10時間かけて滴下し、その温度で50時間撹拌した。室温に冷却した後、反応で生じた4-アミノ-2,2,6,6-テトラメチルピペリジン塩酸塩を濾過により除去し、前駆体反応液611.7gを得た。
次いで、撹拌機、還流器、分留頭および温度計を備えたフラスコに、上記前駆体反応液611.7g、ナトリウムメトキシドのメタノール溶液(28質量%ナトリウムメトキシド)7.6g(0.040モル)を仕込み、発生するメタノールを留去しながら蒸留することで、沸点178~179℃/5.0kPaの無色透明留分を229.2g得た。
得られた留分について、1H-NMRスペクトル(重クロロホルム溶媒)およびIRスペクトルを測定した。それらの結果を図1,2にそれぞれ示す。
以上の結果より、得られた留分は、2,2-ジメトキシ-1-(2,2,6,6-テトラメチル-4-ピペリジニル)-1-アザ-2-シラシクロペンタンであることが確認された。また、ガスクロマトグラフィーにて分析することにより、2,2-ジメトキシ-1-(2,2,6,6-テトラメチル-4-ピペリジニル)-1-アザ-2-シラシクロペンタンの純度は99.6%であることが確認された。
撹拌機、還流器、分留頭および温度計を備えたフラスコに、室温下、N-[3-(トリメトキシシリル)プロピル]-2,2,6,6-テトラメチル-4-アミノピペリジン159.3g(0.500モル)、ナトリウムメトキシドのメタノール溶液(28質量%ナトリウムメトキシド)3.8g(0.020モル)を仕込み、発生するメタノールを留去しながら蒸留することで、沸点178~179℃/5.0kPaの無色透明留分を104.9g得た。
得られた留分について、ガスクロマトグラフィーにて分析することにより、2,2-ジメトキシ-1-(2,2,6,6-テトラメチル-4-ピペリジニル)-1-アザ-2-シラシクロペンタンの純度は99.6%であることが確認された。
撹拌機、還流器、分留頭および温度計を備えたフラスコに、室温下、N-[3-(トリメトキシシリル)プロピル]-2,2,6,6-テトラメチル-4-アミノピペリジン159.3g(0.500モル)、ナトリウムメトキシドのメタノール溶液(28質量%ナトリウムメトキシド)0.9g(0.005モル)を仕込み、発生するメタノールを留去しながら蒸留することで、沸点183~184℃/5.0kPaの無色透明留分を129.4g得た。
得られた留分について、ガスクロマトグラフィーにて分析することにより、2,2-ジメトキシ-1-(2,2,6,6-テトラメチル-4-ピペリジニル)-1-アザ-2-シラシクロペンタンとN-[3-(トリメトキシシリル)プロピル]-2,2,6,6-テトラメチル-4-アミノピペリジンの面積%の比は、72:28であることが確認された。
実施例1で得られた2,2-ジメトキシ-1-(2,2,6,6-テトラメチル-4-ピペリジニル)-1-アザ-2-シラシクロペンタンを1質量%になるようにトルエン100mLに添加した。この溶液に、予めUVオゾン洗浄したガラス板(松浪硝子工業(株)製;スライドグラス、白緑磨フロストNo.1、サイズ76mm*26mm、厚み0.8~1.0mm、フロスト巾15mm*26mm)を25℃で24時間浸漬して処理した。
ガラス板を溶液から引き揚げ、新たにトルエン100mLに浸漬して超音波洗浄機(本多電子(株)製;W-221)にて25℃で1時間超音波洗浄した後、50℃で1時間乾燥した。その後、ガラス板を恒温恒湿機(ヤマト科学(株)製;IW243)にて相対湿度90%の条件に25℃で1時間暴露して後処理を行った。
応用例1で処理したガラス板を、協和界面科学(株)製の接触角計(DMs-401、解析ソフトウェアFAMAS)を用い、25℃、50%RHの条件で、処理表面の任意の10箇所に対する純水の接触角(1μL)および転落角(20μL)、テトラデカンの接触角(5μL)を測定したところ、純水の接触角(1μL)は平均51.5°を示し、標準偏差は1.9°だった。純水の転落角(20μL)は平均44.0°を示し、標準偏差は1.7°だった。テトラデカンの接触角(5μL)は平均7.0°を示し、標準偏差は1.1°だった。
以上の結果より、本発明の有機ケイ素化合物(1)の環状シラザン構造が、基材表面の水酸基と容易に反応して共有結合を形成することがわかった。また、ヒンダードアミノ基に由来する効果により、処理表面が親水親油の濡れ性を示すことがわかった。
さらに、このガラス板を、室温で3ヶ月以上放置しても、基材表面に剥離やクラックは発生せず、外観は無色透明なままであり、耐候性と透明性に優れることがわかった。
Claims (7)
- 前記蒸留する際の温度が、100~300℃であり、圧力が、0.01~10.0kPaである請求項3記載の環状シラザン構造を有する有機ケイ素化合物の製造方法。
- 前記触媒が、塩基性化合物または酸性化合物である請求項3または4記載の環状シラザン構造を有する有機ケイ素化合物の製造方法。
- 前記塩基性化合物が、アルカリ金属アルコキシド化合物である請求項5記載の環状シラザン構造を有する有機ケイ素化合物の製造方法。
- 前記酸性化合物が、スルホン酸化合物またはカルボン酸化合物である請求項5記載の環状シラザン構造を有する有機ケイ素化合物の製造方法。
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