JP7495021B2 - 光硬化性樹脂組成物、硬化物、立体造形物、及び鋳型の製造方法 - Google Patents
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Description
前記鋳造法としては、ワックスや樹脂で鋳造物の原型モデルを作成、埋没材に埋没し、埋没材が硬化した後、原型モデル及び埋没材を加熱することにより、原型モデルを溶融、分解あるいは焼成除去することで埋没材内に空隙を形成し、この空隙を鋳型として溶融した金属を注入し鋳造するロストワックス法等が知られている。これらロストワックス法は、宝飾や歯科技工の分野で用いられている。
さらに、その組成物で形成された原型モデルは、硬度が低いため形状維持できない、高温加熱時の消失性が不十分で、埋没材内にスス等の残渣が残り鋳造品の表面が劣化する、あるいは原型モデルと埋没材の膨張率の違いから埋没材にクラックや割れが生じるといった問題が存在した。
(1)光重合開始剤(A)及び多官能(メタ)アクリレート(B)を含有し、
前記光重合開始剤(A)の含有量が、多官能(メタ)アクリレート(B)100質量部に対して10質量部超~30質量部の範囲であることを特徴とする光硬化性樹脂組成物。
(2)前記光重合開始剤(A)は、350nm以上の波長範囲に少なくとも1つの極大吸収波長を有する第1の光重合開始剤(A-1)、及び350nm以上の波長範囲に極大吸収波長を有さず、350nm未満の波長範囲に極大吸収波長を有する第2の光重合開始剤(A-2)を少なくとも含有する(1)に記載の光硬化性樹脂組成物。
(3)前記第1の光重合開始剤(A-1)は、アシルホスフィンオキシド、ビスアシルホスフィンオキシド、チタノセン化合物、O-アシルオキシム化合物、及びチオキサントン化合物からなる群より選択される少なくとも1種である請求項2に記載の光硬化性樹脂組成物。
(4)前記第2の光重合開始剤(A-2)は、アルキルフェノン化合物、α-ジケトン化合物、及びヨ-ドニウム塩からなる群より選択される少なくとも1種である(2)又は(3)に記載の光硬化性樹脂組成物。
(5)前記第1の光重合開始剤(A-1)に対する前記第2の光重合開始剤(A-2)の配合割合[(A-1)/(A-2)]は1/100~8/10の範囲である(2)~(4)のいずれかに記載の光硬化性樹脂組成物。
(6)前記多官能(メタ)アクリレート(B)は、分子中にポリオキシアルキレン基を構造中に有する化合物を少なくとも含有する(1)~(5)のいずれかに記載の光硬化性樹脂組成物。
(7)前記多官能(メタ)アクリレート(B)は、分子中にポリオキシアルキレン基及びビスフェノール構造を有する化合物(B-1)を少なくとも含有し、
前記化合物(B-1)は、
下記式(I):
(8)前記多官能(メタ)アクリレート(B)は、分子内に1つ以上の(メタ)アクリロイル基を有する化合物(B-2)をさらに含有する(6)又は(7)に記載の光硬化性樹脂組成物。
(9)前記多官能(メタ)アクリレート(B)100質量部中の前記化合物(B-1)の配合量は、40~90質量部である(9)に記載の光硬化性樹脂組成物。
(10)非金属有機顔料(C)をさらに含有する(1)~(9)のいずれかに記載の光硬化性樹脂組成物。
(11)立体光造形用の(1)~(10)のいずれかに記載の光硬化性樹脂組成物。
(12)(1)~(11)のいずれかに記載の光硬化性樹脂組成物を光硬化させた硬化物。
(13)(12)に記載の硬化物からなる立体造形物。
(14)(13)に記載の立体造形物を埋没材で一部または全部埋没させる工程(1)、
前記埋没材を硬化または固化させる工程(2)、
前記立体造形物を溶融除去、分解除去、及び/または焼却除去させる工程(3)を有することを特徴とする鋳型の製造方法。
(15)(14)に記載の製造方法で得られた鋳型に金属材料を流し込み、前記金属材料を固化させる工程(4)を有することを特徴とする金属鋳造物の製造方法。
本発明において、「(メタ)アクリレート」とは、アクリレートとメタクリレートの一方又は両方をいい、「(メタ)アクリロイル基」とは、アクリロイル基とメタクリロイル基の一方又は両方をいう。
本発明において用いる光重合開始剤(A)(本明細書では、単に(A)成分ともいう)としては、紫外線や電子線等の照射によりラジカル、カチオン、或いはアニオンを発生する化学種、又はこれらの混合物であればよく、本発明の効果が得られる範囲において特に制限されるものではない。
第2の光重合開始剤(A-2)は、紫外線(特に350~450nm付近の波長光)照射後にも未反応のまま造形物に多く残存する。そのため、造形物を加熱した際にラジカル、カチオン或いはアニオンを発生させ、未反応の(メタ)アクリレート化合物と反応して一部硬化が進む可能性が考えられる。したがって、第2の光重合開始剤(A-2)を配合することで、高温加熱時の膨張が抑制でき、鋳型作成時には鋳型にクラックや割れが発生するのを防ぐことができる。すなわち、鋳造性に優れる。
一方、第1の光重合開始剤(A-1)の配合量が多すぎる場合、硬化速度が過剰に速まることにより造形精度が低下する等の問題も発生する。
したがって、硬化速度を適度に調整し造形精度を向上させつつ、高温加熱時の消失性を向上させ、膨張を抑制できることから、前記第1の光重合開始剤(A-1)に対する前記第2の光重合開始剤(A-2)の配合割合[(A-1)/(A-2)]は1/100~1/1の範囲であることが好ましく、1/100~9/10であることがより好ましく、1/100~8/10の範囲であることが特に好ましい。
本発明の組成物は、多官能(メタ)アクリレート(B)(本明細書では、単に(B)成分ともいう)をさらに含有する。高い反応速度及び造形精度が得られ易く、三次元光造形し易い観点から、(B)成分はアクリロイル基を有することが好ましい。一方、メタクリロイル基は、アクリロイル基に比べて炭素-炭素二重結合のα位の立体障害が大きく、ポリマーの解重合が起こり易く、高温加熱時の消失性が高いという点では、(B)成分はメタクリロイル基を有することが好ましい。
下記式(I):
また多官能(メタ)アクリレート(B)が、m+nの異なる式(I)の変性ビスフェノ-ルAジ(メタ)アクリレートを複数種含む場合、それらの平均が2~40であればよい。
化合物(B-2)としては、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリテトラメチレングリコール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、1,3-プロピレングリコール、1,2-プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、ネオペンチルグリコール、1,3-ブタンジオール、2,3-ブタンジオール、1,4-ブタンジオール、1,6-ヘキサンジオール、1,8-オクタンジオール、1,9-ノナンジオール、1,10-デカンジオール、2,2,4-トリメチル-1,3-ペンタンジオール、3-メチル-1,5-ペンタンジオール、シクロヘキサンジメチロール、1,4-シクロヘキサンジオール、トリシクロデカンジメチロール等のアルコールと(メタ)アクリル酸の反応生成物が使用できる。これら化合物は単独で用いることも2種以上を併用することもできる。中でも、立体造形物の硬度向上の観点から、ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート又はポリプロピレングリコールのジ(メタ)アクリレートが好ましく、焼成時のスス残り低減の観点からネオペンチルグリコールジメタクリレート又はポリプロピレングリコールのジメタクリレートがより好ましい。
化合物(B-2)の配合量は、多官能(メタ)アクリレート(B)100質量部に対して、5質量部以上80質量部以下の範囲であることが好ましく、8質量部以上65質量部以下の範囲であることがより好ましく、10質量部以上50質量部以下の範囲であることが特に好ましい。これらの範囲とすることで、硬化物の硬度が高まる。
攪拌機を備えた容器に、ビスフェノ-ルAエチレンオキサイド変性(10モル付加)ジメタクリレート80質量部と、ネオペンチルグリコールジメタクリレート20質量部と、2,4,6-トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキシド(IGM社製の商品名「Omnirad 819」)2質量部と、1-ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン(IGM社製の商品名「Omnirad 184」)10質量部を配合し、液温度60℃に制御しながら1時間攪拌混合し、均一に溶解することで、光硬化性樹脂組成物(1)を得た。
表1~3に示した組成に変更した以外は、実施例1と同様にして光硬化性樹脂組成物(2)~(14)、(R1)~(R5)を得た。
光硬化性樹脂組成物(1)~(14)、(R1)~(R5)それぞれについて、面露光方式(DLP)の光造形システム(ASIGA社製「MAX」)を用いて、各評価ごとに所定の形状の立体造形物を形成した。
光造形の積層ピッチは0.05~0.1mm、照射波長400~410nm、照度8mW/cm2、光照射時間は1層当たり0.5~7秒とした。上記各条件で形成された立体造形物を、エタノ-ル中で超音波洗浄した。続いて高圧水銀ランプを用いて、立体造形物の表面及び裏面に積算光量が1000~2000mJ/cm2になるように光照射して、後硬化させてサンプルを作成した。
JIS K 6253-3:2012「加硫ゴム及び熱可塑性ゴム-硬さの求め方-第3部:デュロメ-タ硬さ」に記載された測定方法に準じて、サンプルの硬度(タイプDデュロメータ、GS-720R)の測定を行った。上記で得られたサンプル(形状は5mm×5mm×3mmの直方体)を用いて、3mmの厚み方向に同じ形状のサンプルを2つ積み重ねて厚み約6mmとして測定した。ただし、試験片に異物の混入したもの、気泡のあるもの、およびキズのあるものは用いなかった。下記の基準に基づいて評価し、〇のものを合格とする。
(評価基準)
〇(ショア-D硬度が60以上)
×(ショア-D硬度が60未満)
上記作成したサンプル(形状は5mm×5mm×3mmの直方体)を5~6mg片に粉砕したものを試験片とし、示差熱熱重量同時測定装置(TG-DTA:メトラ-トレド社製TGA/DSC1)を用い、窒素雰囲気下で25℃から600℃まで10℃/分で昇温させた時の質量を測定し、400℃における残存率を[(400℃における重量)/(25℃における初期重量)]から算出した。この値が小さいほど高温加熱時の消失性に優れるものとし、下記の基準に基づいて評価し、A又はBのものを合格とする。
(評価基準)
A:(残存率が57%未満)
B:(残存率が57%超以上、62%以下)
C:(残存率が62%超以上)
光硬化性樹脂組成物(1)~(14)、(R1)~(R5)それぞれについて、面露光方式(DLP)の光造形システム(ASIGA社製「MAX」)を用いて、形状は、縦5mm×横5mm×厚み1.5mmのシート状となるよう立体造形物を形成した。
光造形の、積層ピッチは0.05mm、照射波長400~410nm、照度8mW/cm2、光照射時間は1層当たり6秒とした。形成された立体造形物を、エタノ-ル中で超音波洗浄した。続いて高圧水銀ランプを用いて、立体造形物の表面及び裏面に積算光量が1000~2000mJ/cm2になるように光照射し、後硬化させ、造形精度測定用サンプルを作成した。
得られた造形精度測定用サンプルの厚みをマイクロメーターにて計測した。厚みが1.5mmに近いほど造形精度に優れるものとし、下記の基準に基づいて評価し、A又はBのものを合格とする。
(評価基準)
A(厚み(1.5mm)の寸法誤差が0.1mm未満)
B(厚み(1.5mm)の寸法誤差が0.1mm以上0.15mm未満)
C(厚み(1.5mm)の寸法誤差が0.15mm以上)
クリストバライト埋没材(吉野石膏販売株式会社、サクラクイック30)と水を質量比100:33で混合した埋没材を用いて、上記で得られたサンプル(形状は図1:直径15mmの半球、直径15mmの球、直径15mmのリングを直径5mmの円柱で接続したもの、全長42.5mm)を埋没させ、25℃で30分間静置し埋没材を固化させた。次いで、700℃に加熱した電気炉で1時間加熱し、前記サンプルを焼却することで鋳型を作成した。この際の鋳造性を、目視にて下記の基準に従い評価した。なお、鋳型の内部においては、鋳型を切断し、目視にて、ひび、亀裂の有無、立体造形物の残渣、煤の有無、鋳型への立体造形物の転写性の良・不良を判断したものであり、〇を合格とした。
(評価基準)
○:鋳型外部及び内部にひび割れや亀裂がなく、鋳型内部に立体造形物の残渣、煤がなく、鋳型への立体造形物の転写性が良好である。
×:鋳型外部のひび割れや亀裂、鋳型内部の立体造形物の残渣、煤残り、鋳型への立体造形物の転写不良の少なくとも1つを生じており、鋳型として使用不可である。
(図1)
Omnirad819:ビス(2,4,6-トリメチルベンゾイル)フェニルホスフィンオキシド、IGM社製、商品名「Omnirad819」、極大吸収波長:237nm、380nm
OmniradTPO:2,4,6-トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキシド、IGM社製、商品名「OmniradTPO」、極大吸収波長:275nm、379nm
Omnirad184:1-ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、IGM社製、商品名「Omnirad184」、極大吸収波長:243nm、331nm
Omnirad907:2-メチル-1-[4-(メチルチオ)フェニル]-2-モルフォリノプロパン-1-オン、IGM社製、商品名「Omnirad907」、極大吸収波長:230nm、303nm
Omnirad651:2,2-ジメトキシ-2-フェニルアセトフェノン、IGM社製、商品名「Omnirad651」、極大吸収波長:252nm、325nm
化合物1:ビスフェノ-ルAエチレンオキサイド変性(10モル付加)ジメタクリレート、Miwon Specialty Chemical社製、商品名「Miramer M2101」
化合物2:ビスフェノ-ルAエチレンオキサイド変性(4モル付加)ジメタクリレート、Miwon Specialty Chemical社製、商品名「Miramer M241」
化合物3:ビスフェノ-ルAエチレンオキサイド変性(30モル付加)ジメタクリレート、Miwon Specialty Chemical社製、商品名「Miramer M2301」
化合物4:ネオペンチルグリコールジメタクリレート、Miwon Specialty Chemical社製、商品名「Miramer M213」
化合物5:ポリプロピレングリコールジメタクリレート、新中村化学社製、商品名「NKエステル 9PG」
P.R.122:Pigment Red 122、DIC社製、商品名「FASTOGEN(登録商標)SUPER MAGENTA R」
一方、光重合開始剤(A)を、(B)成分100質量部に対して、10質量部以下の割合で含有した比較例1~4から形成した立体造形物では、高温加熱時の消失性及び鋳造性が劣ることが確認できた。さらに、光重合開始剤(A)を、(B)成分100質量部に対して、30量部以上の割合で含有した比較例5を使用した立体造形物では硬度が低下し、鋳造性が悪化することが分かった。
Claims (10)
- 光重合開始剤(A)及び多官能(メタ)アクリレート(B)を含有し、
前記光重合開始剤(A)の含有量が、多官能(メタ)アクリレート(B)100質量部に対して10質量部超~30質量部の範囲であり、
前記光重合開始剤(A)は、350nm以上の波長範囲に少なくとも1つの極大吸収波長を有する第1の光重合開始剤(A-1)、及び350nm以上の波長範囲に極大吸収波長を有さず、350nm未満の波長範囲に極大吸収波長を有する第2の光重合開始剤(A-2)を少なくとも含有し、
前記第1の光重合開始剤(A-1)に対する前記第2の光重合開始剤(A-2)の配合割合[(A-1)/(A-2)]は1/100~8/10の範囲であり、
前記多官能(メタ)アクリレート(B)は、分子中にポリオキシアルキレン基及びビスフェノール構造を有する化合物(B-1)を少なくとも含有し、
前記多官能(メタ)アクリレート(B)100質量部中の前記化合物(B-1)の配合量は、40~90質量部であり、
前記化合物(B-1)は、
下記式(I):
- 前記第1の光重合開始剤(A-1)は、アシルホスフィンオキシド、ビスアシルホスフィンオキシド、チタノセン化合物、O-アシルオキシム化合物、及びチオキサントン化合物からなる群より選択される少なくとも1種である請求項1に記載の光硬化性樹脂組成物。
- 前記第2の光重合開始剤(A-2)は、アルキルフェノン化合物、α-ジケトン化合物、及びヨ-ドニウム塩からなる群より選択される少なくとも1種である請求項1に記載の光硬化性樹脂組成物。
- 前記多官能(メタ)アクリレート(B)は、分子中にポリオキシアルキレン基を構造中に有する化合物を少なくとも含有する請求項1に記載の光硬化性樹脂組成物。
- 前記多官能(メタ)アクリレート(B)は、分子内に1つ以上の(メタ)アクリロイル基を有する化合物(B-2)をさらに含有する請求項1に記載の光硬化性樹脂組成物。
- 非金属有機顔料(C)をさらに含有する請求項1に記載の光硬化性樹脂組成物。
- 請求項1~6のいずれか一項に記載の光硬化性樹脂組成物を光硬化させた硬化物。
- 請求項7に記載の硬化物からなる立体造形物。
- 請求項8に記載の立体造形物を埋没材で一部または全部埋没させる工程(1)、
前記埋没材を硬化または固化させる工程(2)、
前記立体造形物を溶融除去、分解除去、及び/または焼却除去させる工程(3)を有することを特徴とする鋳型の製造方法。 - 請求項9に記載の製造方法で得られた鋳型に金属材料を流し込み、前記金属材料を固化させる工程(4)を有することを特徴とする金属鋳造物の製造方法。
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