JP7626397B2 - 成形物、成形物の製造方法、及び物品 - Google Patents
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Description
[1]ビニルアルコール単位を有するポリマー(i)を含む基材と、前記基材の表面に設けられる、芳香族ビニル系モノマー、(メタ)アクリレート系モノマー、及び(メタ)アクリルアミド系モノマーからなる群より選択される少なくとも一種のモノマーに由来する構成単位を有するポリマー(ii)を含むポリマー(ii)層と、を備え、前記ポリマー(i)及び前記ポリマー(ii)が、下記一般式(1)で表される構造で結合しており、前記ポリマー(ii)の数平均分子量が50万~500万、分子量分布(重量平均分子量/数平均分子量)が1.5未満であり、前記ポリマー(ii)層の厚さが0.1~5μmであり、前記基材の表面に占める前記ポリマー(ii)の占有率σ*が0.1以上である成形物。
[3]前記[1]又は[2]に記載の成形物の製造方法であって、ビニルアルコール単位を有するポリマー(i)を含む基材の表面に下記一般式(2)で表される化合物を反応させて、前記基材の表面に下記一般式(3)で表される官能基を導入する工程と、芳香族ビニル系モノマー、(メタ)アクリレート系モノマー、及び(メタ)アクリルアミド系モノマーからなる群より選択される少なくとも一種のモノマーを10~1,000MPaの圧力条件下で重合してポリマー(ii)を形成し、前記ポリマー(ii)を含むポリマー(ii)層を前記基材の表面に設ける工程と、を有する成形物の製造方法。
[5]イオン液体中で前記モノマーを重合して前記ポリマー(ii)を形成する前記[3]又は[4]に記載の成形物の製造方法。
[6]前記一般式(2)で表される化合物が、2-ブロモ-2-メチルプロピオン酸ブロマイドである前記[3]~[5]のいずれかに記載の成形物の製造方法。
[7]前記[1]又は[2]に記載の成形物を備える物品。
以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。本発明の成形物は、ビニルアルコール単位を有するポリマー(i)を含む基材と、基材の表面に設けられる、芳香族ビニル系モノマー、(メタ)アクリレート系モノマー、及び(メタ)アクリルアミド系モノマーからなる群より選択される少なくとも一種のモノマーに由来する構成単位を有するポリマー(ii)を含むポリマー(ii)層と、を備える。ポリマー(i)及びポリマー(ii)は、下記一般式(1)で表される構造で結合している。また、ポリマー(ii)の数平均分子量は50万~500万、分子量分布(重量平均分子量/数平均分子量)は1.5未満である。そして、ポリマー(ii)層の厚さは0.1~5μmであり、基材の表面に占めるポリマー(ii)の占有率σ*は0.1以上である。以下、本発明の成形物の詳細について説明する。
基材は、ビニルアルコール単位を有するポリマー(i)を含んで構成されており、好ましくはポリマー(i)で実質的に形成されている。すなわち、少なくとも表面には水酸基が存在する。この水酸基を利用することで、基材の表面に重合開始基として機能する官能基を容易に導入することができる。そして、導入した重合開始基からポリマー(ii)をブラシ状に形成させることで、ポリマー(ii)を含むポリマー(ii)層を備える成形物とすることができる。基材自体が水酸基を有するため、付与した重合開始基からブラシ状のポリマー(ii)を形成させても、重合開始基やポリマー(ii)が実質的に脱離しにくく、ポリマー(ii)層の耐久性が向上している。
ポリマー(ii)層は、基材の表面に設けられる、ポリマー(ii)を含んで構成される層であり、好ましくはポリマー(ii)で実質的に形成された層である。ポリマー(ii)は、芳香族ビニル系モノマー、(メタ)アクリレート系モノマー、及び(メタ)アクリルアミド系モノマーからなる群より選択少なくとも一種のモノマーに由来する構成単位を有する。ポリマー(ii)を構成するモノマーとしては、重合率が高く、重合条件が温和であることから、(メタ)アクリレート系モノマーが好ましい。なかでも、リビング性が良好であり、より高分子量のポリマー(ii)を形成しうる、メタクリレート系モノマーが好ましい。
σ=dLNAMn ・・・(A)
d:ポリマー(ポリマー(ii))の密度
L:ポリマー層(ポリマー(ii)層)の厚さ
NA:アボガドロ数
Mn:ポリマー(ポリマー(ii))の数平均分子量
σ*=a2σ ・・・(B)
a2:モノマー断面積
本発明の成形物は、以下に示す方法によって製造することができる。すなわち、本発明の成形物の製造方法は、ビニルアルコール単位を有するポリマー(i)を含む基材の表面に下記一般式(2)で表される化合物を反応させて、基材の表面に下記一般式(3)で表される官能基を導入する工程(工程(1))と、芳香族ビニル系モノマー、(メタ)アクリレート系モノマー、及び(メタ)アクリルアミド系モノマーからなる群より選択される少なくとも一種のモノマーを重合してポリマー(ii)を形成し、ポリマー(ii)を含むポリマー(ii)層を基材の表面に設ける工程(工程(2))と、を有する。
工程(1)では、基材の表面に一般式(2)で表される化合物を反応させて、基材の表面に一般式(3)で表される官能基を導入する。ポリマー(i)で形成されている基材の表面には水酸基が存在する。このため、一般式(2)で表される化合物を反応させることで、基材の表面に一般式(3)で表される官能基(重合開始基)を導入することができる。
工程(2)では、その表面に重合開始基(一般式(3)で表される官能基)を導入した基材の存在下、芳香族ビニル系モノマー、(メタ)アクリレート系モノマー、及び(メタ)アクリルアミド系モノマーからなる群より選択される少なくとも一種のモノマーを重合してポリマー(ii)を形成する。これにより、ポリマー(ii)を含むポリマー(ii)層を基材の表面に配設し、目的とする成形物を得ることができる。
本発明の物品は、前述の成形物を備える。成形物は、前述の通り、十分な厚さを有するとともに、脱離しにくく、耐摩耗性等の耐久性に優れた濃厚ポリマーブラシであるポリマー(ii)層を備える。このため、成形物を備える本発明の物品は、例えば、医療設備、ロボット、製造設備、構造物、家電、乗り物、航空機、宇宙関係、容器、パッケージ、電子機器、電池材料、ディスプレイ材料等として好適である。さらに、前述の溶媒(液媒体)によって膨潤させたポリマー(ii)層を有する成形物を用いることで、省エネルギー、高寿命、及び高性能化等の特性が付与された各種の物品を提供することができる。
(実施例1)
基材として、メチルエチルケトン(MEK)、テトラヒドロフラン(THF)、及びイソプロピルアルコール(IPA)で洗浄したポリビニルアルコールシート(商品名「ベルクリン」、アイオン製、30mm×50mm、厚さ1mm)(PVAシート)を用意した。トルエン85.5部、ピリジン4.5部、及び2-ブロモ-2-メチルプロピオン酸ブロミド(BBiB)10.0部をガラス製のビーカーに入れて溶液を調製した。ビーカー内にPVAシートを入れて溶液に浸漬し、室温で1時間放置して、重合開始基である2-ブロモ-2-メチルプロピロイルオキシ基をPVAシートの表面に導入した。トルエン及びメタノールで洗浄及び乾燥して、開始基付与基材-1を得た。ATR-IRにより、重合開始基のエステル結合に由来する1,735cm-1付近に吸収を有することを観測した。
表1に示す種類のモノマーを用いたこと以外は、前述の実施例1と同様にして、成形物-2~4を得た。表1中の略号の意味を以下に示す。なお、実施例4では、塩化リチウム水溶液/アセトニトリルを展開溶媒とするGPCにより、PMMA換算のポリマー(ii)のMnを測定した。
・LMA:メタクリル酸ラウリル
・PEGMA:メタクリル酸ポリエチレングリコールモノメチルエーテル(分子量400)
・TFSI:メタクリロイルオキシエチルジエチルメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド塩
アルゴン雰囲気下、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムテトラフルオロホウ素(BMIMBF4)56.11部、MMA54.06部、EBiB0.0005部、及びテトラブチルアンモニウムヨージド(TBAI)3.30部をフラスコに入れて撹拌し、重合溶液を調製した。開始基付与基材-1及び重合溶液を入れた容器を油浴に入れ、80℃、常圧で24時間重合した。重合後の容器内にはポリマー(ii)を含有する高粘性の溶液が生成していた。形成されたポリマー(ii)のMnは51万であり、PDIは1.30であった。容器から取り出した内容物をTHFで十分に洗浄して、基材の表面上にポリマー(ii)層が設けられた成形物-5を得た。ポリマー(ii)層の厚さは153nmであり、表面占有率σ*は0.12であった。
基材として、ポリエチレンビニルアルコールフィルム(商品名「エバールEF-E」、クラレ社製、厚さ30μm、ポリエレン含有量44mol%)を用意した。PVAシートに代えてポリエチレンビニルアルコールフィルムを用いたこと以外は、前述の実施例1と同様にして、開始基付与基材-2を得た。そして、開始基付与基材-1に代えて開始基付与基材-2を用いたこと以外は、前述の実施例1と同様にして、成形物-6を得た。ポリマー(ii)のMnは185万であり、PDIは1.26であった。また、ポリマー(ii)層の厚さは1,330nmであり、表面占有率σ*は0.29であった。
A4サイズのポリエチレンテレフタレートフィルム(商品名「ルミラーS-10」、東レ社製、厚さ100μm)(PETフィルム)を用意した。ポリエステル(テレフタル酸/イソフタル酸/5-ナトリウムスルホイソフタル酸/エチレングリコール/ジエチレングリコール共重合体=49/18/3/40/60質量比、Mn20,000、酸価2mgKOH/g)水分散体(固形分15%)30.0部、ポリビニルアルコール(500量体、ケン化度88)水溶液(固形分10%)45部、ヘキサメチレンジイソシアネート系水分散型架橋剤(商品名「デュラネートWR-70P」、旭化成社製、固形分70%、NCO%=9.2)1.4部、水161.8部、及びIPA161.8部を容器に入れて混合物を調製した。
表3に示す種類のモノマー及び溶媒を用いたこと、並びに表3に示す圧力条件下で重合したこと以外は、前述の実施例7と同様にして、成形物-8~10を得た。
圧力をかけずに常圧条件下で重合したこと以外は、前述の実施例1と同様にして比較成形物-1を得た。形成されたポリマー(ii)のMnは10万であり、PDIは1.11であった。また、ポリマー(ii)層の厚さは56nmであり、表面占有率σ*は0.23であった。
実施例7で用いたPETフィルムをUVオゾン処理し、PETフィルムの表面に水酸基を付与した。そして、PVAシートに代えて、水酸基を付与した上記のPETフィルムを用いたこと以外は、前述の実施例1と同様にして、比較成形物-2を得た。形成されたポリマー(ii)のMnは264万であり、PDIは1.29であった。また、ポリマー(ii)層の厚さは352nmであり、表面占有率σ*は0.05であった。
(評価(1))
成形物-1、成形物-5、及び比較成形物-1をそれぞれトルエンに一晩浸漬して、ポリマー(ii)層を膨潤させた。その後、摩擦試験機(商品名「Heidon摩擦試験機タイプ14」、新東科学社製)を使用し、荷重1,000g、振幅幅30mm、摺動速度200mm/minの条件下、1,000往復のボール圧子往復摺動試験を行った。データ解析の結果、成形物-1の摩擦係数は0.001であり、1,000往復後も摩擦係数に変化はなかった。摺動試験後の表面をレーザー顕微鏡により観察したところ、摩耗は認められなかった。成形物-5の摩擦係数は0.0015であり、1,000往復後も摩擦係数に変化はなかったが、若干の摩耗痕が確認された。これに対して、比較成形物-1の摩擦係数は、初期段階で0.0015であったが、徐々に増大した。そして、50往復経過後に摩擦係数が急激に増大したとともに、下地の基材にまで達する摩耗痕が確認された。
成形物-2をジイソトリデシルアジペートに一晩浸漬して、ポリマー(ii)層を膨潤させた。また、成形物-3を水に一晩浸漬して、ポリマー(ii)層を膨潤させた。さらに、成形物-4をN-(2-メトキシエチル)-N-メチルピロリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(MEMPTFSI)に一晩浸漬して、ポリマー(ii)層を膨潤させた。その後、上記の「評価(1)」と同様にしてボール圧子往復摺動試験を行った。その結果、摩擦係数はいずれも0.001であり、1,000往復後にも削れなどは生じていなかった。
成形物-7、比較成形物-2、及び成形物-6をそれぞれ切断して短冊状の試験片を作製した。作製した試験片をMEMPTFSIに一晩浸漬してポリマー(ii)層を膨潤させた。ポリマー(ii)層の反対側の面に瞬間接着剤を塗布してシリコン基板に貼り付け、前述の「評価(1)」と同様にしてボール圧子往復摺動試験を行った。その結果、成形物-6及び成形物-7の摩擦係数は、いずれも0.0007であり、1,000往復後も摩擦係数に変化はなかった。また、摩耗痕も認められなかった。これに対して、比較成形物-2の摩擦係数は0.02であり、1,000往復後には摩耗痕が確認された。
Claims (7)
- ビニルアルコール単位を有するポリマー(i)を含む基材と、
前記基材の表面に設けられる、芳香族ビニル系モノマー、(メタ)アクリレート系モノマー、及び(メタ)アクリルアミド系モノマーからなる群より選択される少なくとも一種のモノマーに由来する構成単位を有するポリマー(ii)を含むポリマー(ii)層と、を備え、
前記ポリマー(i)及び前記ポリマー(ii)が、下記一般式(1)で表される構造で結合しており、
前記ポリマー(ii)の数平均分子量が50万~500万、分子量分布(重量平均分子量/数平均分子量)が1.5未満であり、
前記ポリマー(ii)層の厚さが0.1~5μmであり、
前記基材の表面に占める前記ポリマー(ii)の占有率σ*が0.1以上である成形物。
(前記一般式(1)中、R1は、水素原子、メチル基、エチル基、フェニル基、又はアシル基を示し、R2は、メチル基、エチル基、又はアシル基を示し、「Polymer(i)」はポリマー(i)を示し、「Polymer(ii)」はポリマー(ii)を示す) - 前記ポリマー(ii)層が、溶媒を含有して膨潤している請求項1に記載の成形物。
- 請求項1又は2に記載の成形物の製造方法であって、
ビニルアルコール単位を有するポリマー(i)を含む基材の表面に下記一般式(2)で表される化合物を反応させて、前記基材の表面に下記一般式(3)で表される官能基を導入する工程と、
芳香族ビニル系モノマー、(メタ)アクリレート系モノマー、及び(メタ)アクリルアミド系モノマーからなる群より選択される少なくとも一種のモノマーを10~1,000MPaの圧力条件下で重合してポリマー(ii)を形成し、前記ポリマー(ii)を含むポリマー(ii)層を前記基材の表面に設ける工程と、を有する成形物の製造方法。
(前記一般式(2)中、R1は、水素原子、メチル基、エチル基、フェニル基、又はアシル基を示し、R2は、メチル基、エチル基、又はアシル基を示し、Xは、塩素原子、臭素原子、又はヨウ素原子を示し、Yは、塩素原子、臭素原子、又は水酸基を示す)
(前記一般式(3)中、R1は、水素原子、メチル基、エチル基、フェニル基、又はアシル基を示し、R2は、メチル基、エチル基、又はアシル基を示し、Xは、塩素原子、臭素原子、又はヨウ素原子を示し、「*」はポリマー(i)との結合位置を示す) - 前記モノマーを表面開始リビングラジカル重合して前記ポリマー(ii)を形成する請求項3に記載の成形物の製造方法。
- イオン液体中で前記モノマーを重合して前記ポリマー(ii)を形成する請求項3又は4に記載の成形物の製造方法。
- 前記一般式(2)で表される化合物が、2-ブロモ-2-メチルプロピオン酸ブロマイドである請求項3~5のいずれか一項に記載の成形物の製造方法。
- 請求項1又は2に記載の成形物を備える物品。
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