JP7845189B2 - 中空粒子 - Google Patents
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Description
前記シェルが前記樹脂として、全単量体単位100質量部中に架橋性単量体単位を70~100質量部含む重合体を含有し、
空隙率が60%以上であり、
中空粒子表面に存在する界面活性剤の含有量が200ppm以下であり、
周波数1MHzにおける比誘電率が1.6以下である、中空粒子を提供する。
また、本開示において、(メタ)アクリレートとは、アクリレート及びメタクリレートの各々を表し、(メタ)アクリルとは、アクリル及びメタクリルの各々を表し、(メタ)アクリロイルとは、アクリロイル及びメタクリロイルの各々を表す。
また、本開示において、重合性単量体とは、付加重合が可能な官能基(本開示において、単に重合性官能基と称する場合がある)を有する化合物である。本開示において、重合性単量体としては、付加重合が可能な官能基としてエチレン性不飽和結合を有する化合物が一般に用いられる。
重合性単量体としては、非架橋性単量体と、架橋性単量体がある。非架橋性単量体は重合性官能基を1つだけ有する重合性単量体であり、架橋性単量体は重合性官能基を2つ以上有し、重合反応により樹脂中に架橋結合を形成する重合性単量体である。
前記シェルが前記樹脂として、全単量体単位100質量部中に架橋性単量体単位を70~100質量部含む重合体を含有し、
空隙率が60%以上であり、
中空粒子表面に存在する界面活性剤の含有量が200ppm以下であり、
周波数1MHzにおける比誘電率が1.6以下であることを特徴とする。
本開示において、中空部は、樹脂材料により形成される中空粒子のシェルから明確に区別される空洞状の空間である。中空粒子のシェルは多孔質構造を有していても良いが、その場合には、中空部は、多孔質構造内に均一に分散された多数の微小な空間とは明確に区別できる大きさを有している。
中空粒子が有する中空部は、例えば、粒子断面のSEM観察等により、又は粒子をそのままTEM観察等することにより確認することができる。
また、本開示の中空粒子は、低誘電率化の観点から、中空粒子が有する中空部は空気又は窒素等の気体で満たされている又は真空に近い減圧状態であることが好ましい。
なお、本開示において、界面活性剤とは、1分子中に親水基と疎水基を併せ持つ化合物であり、一般的に界面活性剤として用いられる化合物が含まれる。界面活性剤は、通常、25℃の水に対する溶解度が1g/L以上である。
また、本開示の中空粒子は、空隙率が60%以上であり、且つ、シェル中に含有される重合体が全単量体単位100質量部中に架橋性単量体単位を70~100質量部含むため、低誘電率を実現することができる。中空粒子においては、中空部内の空間が大きいほど、比誘電率が低減する傾向がある。本開示の中空粒子は、空隙率が60%以上で高いため、低誘電率を実現することができる。中空粒子の変形又は潰れにより、中空部内の空間が小さくなると、中空粒子の比誘電率は増加する傾向があるが、本開示の中空粒子は、シェル中に占める架橋性単量体単位の含有割合が多く、シェル中に共有結合ネットワークが密に張り巡らされていることにより、強度に優れ、変形しにくいため、中空部の形状が維持されやすく、低誘電率を維持することができる。
以下、本開示の中空粒子の製造方法の一例について説明した後、本開示の中空粒子について詳細に説明する。
本開示の中空粒子は、例えば、
重合性単量体、疎水性溶剤、重合開始剤、分散安定剤及び水系媒体を含む混合液を調製する工程と、
前記混合液を懸濁させることにより、前記重合性単量体、前記疎水性溶剤及び前記重合開始剤を含有する単量体組成物の液滴が前記水系媒体中に分散した懸濁液を調製する工程と、
前記懸濁液を重合反応に供することにより、樹脂を含むシェルに取り囲まれた中空部を有し、かつ前記中空部に前記疎水性溶剤を内包する前駆体粒子を含む前駆体組成物を調製する工程とを含む、中空粒子の製造方法により得ることができる。
(1)混合液調製工程
重合性単量体、疎水性溶剤、重合開始剤、分散安定剤及び水系媒体を含む混合液を調製する工程
(2)懸濁工程
前記混合液を懸濁させることにより、重合性単量体、疎水性溶剤及び重合開始剤を含有する単量体組成物の液滴が水系媒体中に分散した懸濁液を調製する工程
(3)重合工程
前記懸濁液を重合反応に供することにより、樹脂を含むシェルに取り囲まれた中空部を有し、かつ前記中空部に疎水性溶剤を内包する前駆体粒子を含む前駆体組成物を調製する工程
(4)洗浄及び固液分離工程
前記前駆体組成物中に残存する分散安定剤を除去するための洗浄を行った後、前駆体組成物を固液分離することにより、中空部に疎水性溶剤を内包する前駆体粒子を得る工程、及び
(5)溶剤除去工程
前記固液分離工程により得られた前駆体粒子に内包される疎水性溶剤を除去し、中空粒子を得る工程
なお、本開示においては、中空部が疎水性溶剤で満たされた中空粒子を、中空部が気体で満たされた中空粒子の中間体と考えて、「前駆体粒子」と称する場合がある。本開示において「前駆体組成物」とは、前駆体粒子を含む組成物を意味する。
図1の(1)は、混合液調製工程における混合液の一実施形態を示す断面模式図である。この図に示すように、混合液は、水系媒体1、及び当該水系媒体1中に分散する低極性材料2を含む。ここで、低極性材料2とは、極性が低く水系媒体1と混ざり合いにくい材料を意味する。本開示において低極性材料2は、重合性単量体、疎水性溶剤及び重合開始剤を含む。
図1の(2)は、懸濁工程における懸濁液の一実施形態を示す断面模式図である。懸濁液は、水系媒体1、及び当該水系媒体1中に分散する単量体組成物の液滴10を含む。単量体組成物の液滴10は、重合性単量体、疎水性溶剤及び重合開始剤を含んでいるが、液滴内の分布は不均一である。単量体組成物の液滴10は、疎水性溶剤4aと、重合性単量体を含む疎水性溶剤以外の材料4bが相分離し、疎水性溶剤4aが中心部に偏在し、疎水性溶剤以外の材料4bが表面側に偏在し、分散安定剤(図示せず)が表面に付着した構造を有している。
図1の(3)は、重合工程により得られる、中空部に疎水性溶剤を内包する前駆体粒子を含む前駆体組成物の一実施形態を示す断面模式図である。当該前駆体組成物は、水系媒体1、及び当該水系媒体1中に分散する、中空部に疎水性溶剤4aを内包する前駆体粒子20を含む。当該前駆体粒子20の外表面を形成するシェル6は、上記単量体組成物の液滴10中の重合性単量体の重合により形成されたものであり、当該重合性単量体の重合体を樹脂として含む。
図1の(4)は、固液分離工程後の前駆体粒子の一実施形態を示す断面模式図である。この図1の(4)は、上記図1の(3)の状態から水系媒体1を除去した状態を示す。
図1の(5)は、溶剤除去工程後の中空粒子の一実施形態を示す断面模式図である。この図1の(5)は、上記図1の(4)の状態から疎水性溶剤4aを除去した状態を示す。前駆体粒子から疎水性溶剤を除去することにより、気体で満たされた中空部8をシェル6の内部に有する中空粒子100が得られる。
以下、上記5つの工程及びその他の工程について、順に説明する。
本工程は、重合性単量体、疎水性溶剤、重合開始剤、分散安定剤、及び水系媒体を含む混合液を調製する工程である。混合液は、本開示の効果を損なわない範囲において、その他の材料を更に含有していてもよい。
混合液の材料について、(A)重合性単量体、(B)疎水性溶剤、(C)重合開始剤、(D)分散安定剤、(E)水系媒体、(F)その他の材料の順に説明する。
上記製造方法において、混合液中の重合性単量体は、少なくとも架橋性単量体を含み、本開示の効果を損なわない範囲において非架橋性単量体を更に含んでいてもよい。
重合反応が安定し易く、強度及び耐熱性に優れる中空粒子が得られる点からは、重合性単量体としては、重合性官能基として(メタ)アクリロイル基を有する(メタ)アクリル系重合性単量体を好ましく用いることができる。
一方で、中空粒子の比誘電率及び誘電正接を低減させる点からは、炭素と水素からなる炭化水素単量体を好ましく用いることができる。
架橋性単量体はエチレン性不飽和二重結合を複数有するため、単量体同士を連結することができ、シェルの架橋密度を高めることができる。
架橋性単量体としては、例えば、ジビニルベンゼン、ジビニルジフェニル、ジビニルナフタレン、ジアリルフタレート、アリル(メタ)アクリレート、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールジ(メタ)アクリレート等の重合性官能基を2つ有する2官能の架橋性単量体;トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ジトリメチロールプロパンテトラ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールポリ(メタ)アクリレート及びこれらのエトキシ化体等の重合性官能基を3つ以上有する3官能以上の架橋性単量体等が挙げられる。これらの架橋性単量体は、それぞれ単独で、又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
2官能の架橋性単量体としては、重合反応が安定し易く、強度及び耐熱性に優れる中空粒子が得られる点、及び中空粒子の比誘電率を低減する点から、ジビニルベンゼン、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート及びペンタエリスリトールジ(メタ)アクリレートが好ましい。中でも、中空粒子の強度及び耐熱性を向上する点からは、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート及びペンタエリスリトールジ(メタ)アクリレートが好ましい。中空粒子の比誘電率及び誘電正接を更に低減させる点からは、炭化水素単量体であるジビニルベンゼンが好ましい。
3官能以上の架橋性単量体としては、重合反応が安定し易く、強度及び耐熱性に優れる中空粒子が得られる点、及び中空粒子の比誘電率を低減する点から、ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、エトキシ化トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、エトキシ化ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールポリ(メタ)アクリレートが好ましく、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート及びペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレートがより好ましい。
混合液中の重合性単量体100質量部中の2官能の架橋性単量体の含有量は、好ましくは50質量部以上、より好ましくは60質量部以上である。重合性単量体が架橋性単量体として3官能以上の架橋性単量体を含む場合は、混合液中の重合性単量体100質量部中の2官能の架橋性単量体の含有量の上限は、好ましくは95質量部以下、より好ましくは90質量部以下、更に好ましくは80質量部以下である。
混合液中の重合性単量体が架橋性単量体として3官能以上の架橋性単量体を含む場合、混合液中の重合性単量体100質量部中の3官能以上の架橋性単量体の含有量は、特に限定はされないが、下限としては好ましくは5質量部以上、より好ましくは10質量部以上、更に好ましくは20質量部以上であり、上限としては好ましくは50質量部以下、より好ましくは40質量部以下である。
混合液中の重合性単量体は、本開示の効果を損なわない範囲で、更に非架橋性単量体を含んでいてもよい。
非架橋性単量体としては、モノビニル単量体が好ましく用いられる。モノビニル単量体とは、重合可能なビニル官能基を1つ有する化合物である。モノビニル単量体としては、例えば、メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、ブチル(メタ)アクリレート、2-エチルヘキシル(メタ)アクリレート、ラウリル(メタ)アクリレート、グリシジル(メタ)アクリレート、2-ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、(メタ)アクリル酸等の(メタ)アクリル系モノビニル単量体;スチレン、ビニルトルエン、α-メチルスチレン、p-メチルスチレン、エチルビニルベンゼン、エチルビニルビフェニル、エチルビニルナフタレン、ハロゲン化スチレン等の芳香族ビニル単量体;エチレン、プロピレン、ブチレン等のモノオレフィン単量体;(メタ)アクリルアミド、N-メチロール(メタ)アクリルアミド、N-ブトキシメチル(メタ)アクリルアミド等の(メタ)アクリルアミド単量体及びその誘導体;ブタジエン、イソプレン等のジエン系単量体;酢酸ビニル等のカルボン酸ビニルエステル単量体;塩化ビニル等のハロゲン化ビニル単量体;塩化ビニリデン等のハロゲン化ビニリデン単量体;ビニルピリジン単量体;等が挙げられる。これらの非架橋性単量体はそれぞれ単独で、または2種以上を組み合わせて使用することができる。
中でも、反応性の点及び耐熱性の点から、(メタ)アクリル系モノビニル単量体が好ましく、ブチルアクリレート及びメチルメタクリレートから選ばれる少なくとも1種がより好ましい。中空粒子の比誘電率及び誘電正接を低減させる点からは、スチレン、ビニルトルエン、α-メチルスチレン、p-メチルスチレン、エチルビニルベンゼン、エチルビニルビフェニル、エチルビニルナフタレン等の炭化水素単量体が好ましい。
また、中空粒子の機械的強度を向上する観点から、混合液中で油相となる材料のうち疎水性溶剤を除いた固形分の総質量100質量%に対する重合性単量体の含有量は、好ましくは90質量%以上、より好ましくは95質量%以上である。
なお、本開示において固形分とは、溶剤を除く全ての成分であり、液状の重合性単量体等は固形分に含まれるものとする。
上記製造方法で用いられる疎水性溶剤は、非重合性で且つ難水溶性の有機溶剤である。
疎水性溶剤は、粒子内部に中空部を形成するスペーサー材料として働く。後述する懸濁工程において、疎水性溶剤を含む単量体組成物の液滴が水系媒体中に分散した懸濁液が得られる。懸濁工程においては、単量体組成物の液滴内で相分離が発生する結果、極性の低い疎水性溶剤が単量体組成物の液滴の内部に集まりやすくなる。最終的に、単量体組成物の液滴においては、その内部に疎水性溶剤が、その周縁に疎水性溶剤以外の他の材料が各自の極性に従って分布する。
そして、後述する重合工程において、疎水性溶剤を内包した中空粒子を含む水分散液が得られる。すなわち、疎水性溶剤が粒子内部に集まることにより、得られる前駆体粒子の内部には、疎水性溶剤で満たされた中空部が形成されることとなる。
中でも、重合性単量体中の架橋性単量体と疎水性溶剤のHSP距離が5.80以上6.50以下となるように、疎水性溶剤を選択することが好ましい。上記HSP距離は、より好ましくは5.85以上6.40以下、更に好ましくは5.90以上6.30以下である。架橋性単量体と疎水性溶剤のHSP距離が上記範囲内であると、単量体組成物の液滴中で重合性単量体と疎水性溶剤が十分に相分離し、粒子内に中空部が形成されやすく、また、重合反応により形成されるシェルの厚みが均一になりやすい。
HSP距離とは、ハンセン溶解度パラメータ(HSP)を用いた物質間の溶解性を表す指標であり、HSP距離が0に近いほど物質同士の相溶性が高いと判断することができる。HSPは、分散項dD、極性項dP、水素結合項dHを座標軸とした3次元空間(ハンセン空間)のベクトルとして表される。dD、dP及びdHの3つのパラメータは、各物質で固有の値を示す。ハンセンらによって開発されたソフトフェア(ソフト名:Hansen Solubility Parameter in Practice(HSPiP))には、様々な物質のdD、dP及びdHのデータベースが含まれている。また、HSPiPを用いて、物質の化学構造に基づいてHSPを算出することもできる。
複数の物質が混合した混合物のHSPを求める場合は、当該混合物に含まれる各物質のdD、dP及びdHの値、及び各物質の含有割合に基づいて、それぞれの加重平均を算出して当該混合物の分散項dD、極性項dP及び水素結合項dHとし、HSPを求める。
HSP距離は、2つの物質のHSPによって与えられるベクトル間距離のことであり、一方の物質の分散項dD1、極性項dP1、水素結合項dH1の値と、もう一方の物質の分散項dD2、極性項dP2、水素結合項dH2の値とから、下記式(A)により算出される。
式(A)
HSP距離={4(dD1-dD2)2+(dP1-dP2)2+(dH1-dH2)2}0.5
なお、本開示において、HSP距離は、HSPiP(Version 5.3.03)を用いて算出される値とする。上記HSPiPにおいて、dD、dP及びdHの値は小数点以下第一位までの有効数字で表され、HSP距離の値は小数点以下第二位までの有効数字で表される。
なお、疎水性溶剤が、複数種類の疎水性溶剤を含有する混合溶剤であり、沸点を複数有する場合は、当該混合溶剤に含まれる溶剤のうち最も沸点が高い溶剤の沸点が上記上限値以下であることが好ましく、当該混合溶剤に含まれる溶剤のうち最も沸点が低い溶剤の沸点が上記下限値以上であることが好ましい。
20℃における比誘電率が3以下の疎水性溶剤の例は、以下の通りである。カッコ内は比誘電率の値である。
ペンタン(1.8)、ヘキサン(1.9)、ヘプタン(1.9)、オクタン(1.9)、シクロヘキサン(2.0)、ベンゼン(2.3)、トルエン(2.4)。
20℃における比誘電率に関しては、公知の文献(例えば、日本化学会編「化学便覧基礎編」、改訂4版、丸善株式会社、平成5年9月30日発行、II-498~II-503ページ)に記載の値、及びその他の技術情報を参照できる。20℃における比誘電率の測定方法としては、例えば、JIS C 2101:1999の23に準拠し、かつ測定温度を20℃として実施される比誘電率試験等が挙げられる。
本開示において、混合液中の疎水性溶剤の含有量は、重合性単量体100質量部に対し、50質量部以上500質量部以下であることが、中空粒子の粒子径を制御しやすく、中空粒子の強度を維持しながら空隙率を高めやすく、粒子内の残留疎水性溶剤量を低減しやすい点から好ましい。混合液中の疎水性溶剤の含有量は、重合性単量体100質量部に対し、より好適には60質量部以上400質量部以下であり、更に好適には70質量部以上300質量部以下である。
上記製造方法においては、混合液が、重合開始剤として油溶性重合開始剤を含有することが好ましい。混合液を懸濁後に単量体組成物の液滴を重合する方法として、水溶性重合開始剤を用いる乳化重合法と、油溶性重合開始剤を用いる懸濁重合法があり、油溶性重合開始剤を用いることにより懸濁重合を行うことができる。
油溶性重合開始剤は、25℃の水に対する溶解度が2g/L以下の親油性のものであれば特に制限されない。油溶性重合開始剤としては、例えば、ベンゾイルペルオキシド、ラウロイルペルオキシド、t一ブチルペルオキシド一2-エチルヘキサノエート、2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)、アゾビスイソブチロニトリル、2,2’-アゾビス(4-メトキシ-2,4-ジメチルバレロニトリル)等が挙げられる。
混合液中の重合性単量体100質量部に対し、油溶性重合開始剤の含有量は、好適には0.1~10質量部、より好適には0.5~7質量部、さらに好適には1~5質量部である。油溶性重合開始剤の含有量が上記範囲内であることにより、重合反応を十分進行させ、かつ重合反応終了後に油溶性重合開始剤が残存するおそれが小さく、予期せぬ副反応が進行するおそれも小さい。
また、シェルに含まれる金属の含有量を低減させる点から、重合開始剤としては、金属を含まないものが好ましい。
分散安定剤は、懸濁工程において、単量体組成物の液滴を水系媒体中に分散させる剤である。本開示においては、中空粒子の表面に存在する界面活性剤の含有量を200ppm以下にする観点から、分散安定剤として界面活性剤を用いないことが好ましい。本開示においては、分散安定剤として無機分散安定剤を用いることが好ましい。無機分散安定剤を用いることにより、懸濁液中で液滴の粒子径をコントロールし易く、得られる中空粒子の粒径分布を狭くでき、更に、シェルが薄くなりすぎることを抑制して、中空粒子の強度の低下を抑制することができる。無機分散安定剤によるこのような効果は、特に、無機分散安定剤を後述する粒径制御剤と組み合わせて用いる場合に発揮されやすい。
無機分散安定剤としては、例えば、硫酸バリウム、及び硫酸カルシウム等の硫酸塩;炭酸バリウム、炭酸カルシウム、及び炭酸マグネシウム等の炭酸塩;リン酸カルシウム等のリン酸塩;酸化アルミニウム、及び酸化チタン等の金属酸化物;水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化バリウム及び水酸化第二鉄等の金属水酸化物;等の無機化合物が挙げられる。これらの無機分散安定剤は1種又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
上記無機分散安定剤の中でも、上述した硫酸塩、炭酸塩、リン酸塩、金属水酸化物等の難水溶性金属塩が好ましく、金属水酸化物がより好ましく、水酸化マグネシウムが特に好ましい。
なお、本開示において難水溶性金属塩は、25℃の水に対する溶解度が5g/L以下である無機金属塩であることが好ましい。
本開示においては、特に、難水溶性の無機分散安定剤を、コロイド粒子の形態にて、水系媒体に分散させた状態、すなわち、難水溶性の無機分散安定剤コロイド粒子を含有するコロイド分散液の状態で用いることが好ましい。難水溶性の無機分散安定剤を、難水溶性の無機分散安定剤コロイド粒子を含有するコロイド分散液の状態で用いることにより、単量体組成物の液滴の粒径分布を狭くすることができることに加え、洗浄により、得られる中空粒子中における無機分散安定剤の残留量を容易に低く抑えることができる。
難水溶性の無機分散安定剤コロイド粒子を含有するコロイド分散液は、たとえば、水酸化アルカリ金属塩及び水酸化アルカリ土類金属塩から選ばれる少なくとも1種と、水溶性多価金属塩(水酸化アルカリ土類金属塩を除く。)とを水系媒体中で反応させることで調製することができる。
水酸化アルカリ金属塩としては、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどが挙げられる。水酸化アルカリ土類金属塩としては、水酸化バリウム、水酸化カルシウムなどが挙げられる。
水溶性多価金属塩としては、上記水酸化アルカリ土類金属塩に該当する化合物以外の水溶性を示す多価金属塩であればよいが、例えば、塩化マグネシウム、リン酸マグネシウム、硫酸マグネシウムなどのマグネシウム金属塩;塩化カルシウム、硝酸カルシウム、酢酸カルシウム、硫酸カルシウムなどのカルシウム金属塩;塩化アルミニウム、硫酸アルミニウムなどのアルミニウム金属塩;塩化バリウム、硝酸バリウム、酢酸バリウムなどのバリウム塩;塩化亜鉛、硝酸亜鉛、酢酸亜鉛などの亜鉛塩;などが挙げられる。これらの中でも、マグネシウム金属塩、カルシウム金属塩、およびアルミニウム金属塩が好ましく、マグネシウム金属塩がより好ましく、塩化マグネシウムが特に好ましい。なお、水溶性多価金属塩は、それぞれ単独で、あるいは2種以上を組み合わせて使用することができる。
上記した水酸化アルカリ金属塩及び水酸化アルカリ土類金属塩から選ばれる少なくとも1種と、上記した水溶性多価金属塩とを水系媒体中で反応させる方法としては、特に限定されないが、水酸化アルカリ金属塩及び水酸化アルカリ土類金属塩から選ばれる少なくとも1種の水溶液と、水溶性多価金属塩の水溶液とを混合する方法が挙げられる。この際においては、難水溶性の金属水酸化物コロイド粒子の粒子径を好適に制御することができるという観点より、水溶性多価金属塩の水溶液を撹拌しつつ、該水溶液中に、水酸化アルカリ金属塩及び水酸化アルカリ土類金属塩から選ばれる少なくとも1種の水溶液を徐々に添加することで、混合する方法が好ましい。
また、体積平均粒径が1μm以上10μm以下の中空粒子を得る観点からは、水酸化アルカリ金属塩及び水酸化アルカリ土類金属塩から選ばれる少なくとも1種と、水溶性多価金属塩とを水系媒体中で反応させる際の温度を、20℃以上50℃以下として得たコロイド分散液を用いることが好ましい。
また、分散安定剤の含有量は、水系媒体100質量部に対し、通常2質量部以上15質量部以下であり、3質量部以上8質量部以下であることが好ましい。
中空粒子の体積平均粒径を1~10μmとする観点からも、分散安定剤の含有量を上記範囲内とすることが好ましい。
本開示において水系媒体とは、水、親水性溶剤、及び、水と親水性溶剤との混合物からなる群より選ばれる媒体を意味する。
本開示における親水性溶剤は、水と十分に混ざり合い相分離を起こさないものであれば特に制限されない。親水性溶剤としては、例えば、メタノール、エタノール等のアルコール類;テトラヒドロフラン(THF);ジメチルスルフォキシド(DMSO)等が挙げられる。
水系媒体の中でも、その極性の高さから、水を用いることが好ましい。また、水としては、シェルに含まれる金属の含有量を低減させる点から、イオン交換水を用いることが好ましい。
水と親水性溶剤の混合物を用いる場合には、単量体組成物の液滴を形成する観点から、当該混合物全体の極性が低くなりすぎないことが重要である。この場合、例えば、水と親水性溶剤との質量比(水:親水性溶剤)を99:1~50:50としてもよい。
混合液は、本開示の効果を損なわない範囲において、上述した(A)~(E)の材料とは異なるその他の材料を更に含有していてもよい。
混合液は、その他の材料として、粒径制御剤を含有することが好ましい。混合液が粒径制御剤を含むことにより、単量体組成物の液滴の粒径、及び得られる中空粒子のシェルの厚さを適切に調整できる。
粒径制御剤としては、例えば、後述する極性樹脂、又はロジン酸、高級脂肪酸及びこれらの金属塩からなる群から選ばれる少なくとも1種を用いることができる。これらの粒径制御剤は、後述する懸濁工程において、重合性単量体及び疎水性溶剤を含む単量体組成物の液滴の粒径を適切に調整できる。懸濁工程においては、分散安定剤の作用により、単量体組成物の液滴が水系媒体中で形成される。当該単量体組成物の液滴においては、重合性単量体を含む疎水性溶剤以外の材料と、疎水性溶剤とが相分離し、疎水性溶剤が中心部に偏在し、疎水性溶剤以外の材料が表面側に偏在する。混合液が粒径制御剤を含有する場合は、当該単量体組成物の液滴の表面近傍に粒径制御剤が偏在し、分散安定剤が液滴の表面に付着した構造を有すると推定される。このような材料の分布構造は、水系媒体に対する各材料の親和性の相違に従って形成される。混合液が粒径制御剤を含有することにより、懸濁液中の単量体組成物の液滴が上記の如き材料の分布構造をとり、液滴表面で分散安定剤と粒径制御剤の相互作用を生じるため、分散安定剤による液滴の分散性が変化し、単量体組成物の液滴の粒径を適切に調整できると考えられる。
極性樹脂は、通常、水に対する溶解度が1g/L未満である。本開示において、極性樹脂は、水に不溶である点で界面活性剤と区別される。
極性樹脂に用いられるヘテロ原子含有単量体としては、例えば、メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、ブチル(メタ)アクリレート、2-エチルヘキシル(メタ)アクリレート、ラウリル(メタ)アクリレート、アクリル酸、メタクリル酸、2-ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2-ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、4-ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート、メトキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレート、ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート、ジエチルアミノエチル(メタ)アクリレート、グリシジル(メタ)アクリレート、4-ヒドロキシブチルアクリレートグリシジルエーテル等の(メタ)アクリロイル基を有する単量体である、(メタ)アクリル系モノビニル単量体;ハロゲン化スチレン、スチレンスルホン酸等のヘテロ原子を含む芳香族ビニル単量体;酢酸ビニル等のカルボン酸ビニルエステル単量体;塩化ビニル等のハロゲン化ビニル単量体;塩化ビニリデン等のハロゲン化ビニリデン単量体;ビニルピリジン単量体;クロトン酸、ケイ皮酸、イタコン酸、フマル酸、マレイン酸、ブテントリカルボン酸等のエチレン性不飽和カルボン酸単量体等のカルボキシル基含有単量体;アリルグリシジルエーテル等のエポキシ基含有単量体等を挙げることができる。これらのヘテロ原子含有単量体は、それぞれ単独で、又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
極性樹脂に用いられるヘテロ原子非含有単量体としては、例えば、スチレン、ビニルトルエン、α-メチルスチレン、p-メチルスチレン等のヘテロ原子を含まない芳香族ビニル単量体;エチレン、プロピレン、ブチレン等のモノオレフィン単量体;ブタジエン、イソプレン等のジエン系単量体を挙げることができる。これらのヘテロ原子非含有単量体は、それぞれ単独で、又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
前記極性樹脂が極性基含有単量体単位を含有する場合、前記極性基は主鎖又は側鎖の末端に位置する、或いは主鎖又は側鎖にペンダント状に結合していることが、極性樹脂が中空粒子の外側表面に配置されやすくなり、中空粒子の粒径を制御しやすくなる点から好ましい。
前記極性樹脂である前記アクリル系樹脂としては、中空粒子の粒径をより制御しやすい点から、より好ましくは、メチルメタクリレート50.0質量%以上99.9質量%以下と、前記極性基含有単量体0.1質量%以上5.0質量%以下とを含む極性樹脂用重合性単量体の共重合体であり、更に好ましくは、メチルメタクリレート50.0質量%以上99.0質量%以下と、前記極性基含有単量体0.1質量%以上5.0質量%以下とを含む極性樹脂用重合性単量体の共重合体であり、より更に好ましくは、メチルメタクリレート50.0質量%以上98.0質量%以下と、メチルメタクリレートとは異なり且つ前記極性基を含有しない(メタ)アクリル系モノビニル単量体1.0質量%以上5.0質量%以下と、前記極性基含有単量体0.1質量%以上5.0質量%以下とを含む極性樹脂用重合性単量体の共重合体であり、特に好ましくは、メチルメタクリレート50.0質量%以上98.0質量%以下と、メチルメタクリレートとは異なり且つ前記極性基を含有しない(メタ)アクリル系モノビニル単量体1.0質量%以上5.0質量%以下と、前記極性基含有単量体0.2質量%以上3.0質量%以下とを含む極性樹脂用重合性単量体の共重合体である。
メチルメタクリレートとは異なり且つ前記極性基を含有しない(メタ)アクリル系モノビニル単量体としては、ガラス転移点を制御できる点から、エチルアクリレート及びブチルアクリレートから選ばれる少なくとも1種であることが好ましく、エチルアクリレートが特に好ましい。
前記極性基含有単量体としては、混合液中の重合性単量体との相溶性の観点から、前記極性基を含有する(メタ)アクリル系モノビニル単量体が好ましく、更に少ない添加量で粒子径制御が可能である点から、カルボキシル基又はヒドロキシル基を含有する(メタ)アクリル系モノビニル単量体がより好ましい。
また、前記極性樹脂が共重合体である場合、当該共重合体は、ランダム共重合体、ブロック共重合体又はグラフト共重合体のいずれであってもよいが、ランダム共重合体であることが好ましい。
また、前記極性樹脂は、溶解性が向上する点から、より細かく粉砕されていることが好ましい。
これらのロジンから得られるロジン酸に含有される成分としては、例えば、アビエチン酸、デヒドロアビエチン酸、パラストリン酸、イソピマール酸、ピマール酸等が挙げられる。ロジン酸の成分比は一定ではなく、ロジンの種類及び原料の松種や産地等によって異なる。
ロジン酸及びその金属塩としては、アビエチン酸、デヒドロアビエチン酸、パラストリン酸及びこれらの水素化物等のアビエチン酸類を50質量%以上含むロジン酸及びそのアルカリ金属塩が好ましい。
ロジン酸、高級脂肪酸及びこれらの金属塩の合計含有量は、混合液中の重合性単量体と疎水性溶剤の合計100質量部に対し、好ましくは0.0001質量部以上0.02質量部以下であり、より好ましくは0.001質量部以上0.01質量部以下であり、より更に好ましくは0.0015質量部以上0.006質量部以下である。上記含有量が上記下限値以上であると、中空粒子の粒子径及びシェルの厚みを制御しやすい。
混合液調製工程では、前記の各材料及び必要に応じ他の材料を単に混合し、適宜攪拌等することによって混合液を得てもよいが、シェルが均一になりやすい点から、重合性単量体、疎水性溶剤及び重合開始剤を含む油相と、分散安定剤及び水系媒体を含む水相とを予め別に調製し、これらを混合することにより、混合液を調製することが好ましい。本開示においては、難水溶性の無機分散安定剤をコロイド粒子の形態にて水系媒体に分散させたコロイド分散液を、水相として好ましく用いることができる。
このように油相と水相を予め別に調製した上で、これらを混合することにより、シェル部分の組成が均一な中空粒子を製造することができ、中空粒子の粒径の制御も容易となる。
界面活性剤としては、例えば、アニオン系界面活性剤、ノニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤、及び両性界面活性剤が挙げられ、公知の界面活性剤であってよい。
アニオン系界面活性剤としては、例えば、高級脂肪酸のアルカリ金属塩等のカルボン酸塩;高級アルコール硫酸エステル塩、高級アルキルエーテル硫酸エステル塩等の硫酸エステル塩;アルキルベンゼンスルホン酸塩、アルキルスルホン酸塩、パラフィンスルホン酸塩等のスルホン酸塩;高級アルコールリン酸エステル塩等のリン酸エステル塩等が挙げられる。
ノニオン系界面活性剤としては、例えば、高級アルコールエチレンオキシド付加物、脂肪酸エチレンオキシド付加物、高級アルキルアミンエチレンオキシド付加物、ポリプロピレングリコールエチレンオキシド付加物等のポリエチレングリコール型非イオン界面活性剤;ポリエチレンオキシド、グリセリンの脂肪酸エステル、ペンタエリスリットの脂肪酸エステル、ソルビット若しくはソルビタンの脂肪酸エステル、多価アルコールのアルキルエーテル、アルカノールアミンの脂肪族アミド等の多価アルコール型非イオン界面活性剤等が挙げられる。
カチオン系界面活性剤としては、例えば、アルキルトリメチルアンモニウム塩等の第4級アンモニウム塩等が挙げられる。
両性界面活性剤としては、例えば、高級アルキルアミノプロピオン酸塩等のアミノ酸型両性界面活性剤、高級アルキルジメチルベタイン、高級アルキルジヒドロキシエチルベタイン等のベタイン型両性界面活性剤等が挙げられる。
また、本開示においては、ポリビニルアルコール、メチルセルロース、エチルセルロース、ポリアクリル酸、ポリアクリルイミド、ポリエチレンオキシド、ポリ(ハイドロオキシステアリン酸-g-メタクリル酸メチル-co-メタクリル酸)共重合体等の親水基と疎水基を併せ持つ高分子化合物も、界面活性剤に含まれるものとする。
また、特に限定はされないが、界面活性剤の分子量は、通常3000未満である。
懸濁工程は、上述した混合液を懸濁させることにより、疎水性溶剤を含む単量体組成物の液滴が水系媒体中に分散した懸濁液を調製する工程である。
単量体組成物の液滴を形成するための懸濁方法は特に限定されないが、例えば、インライン型乳化分散機(大平洋機工社製、商品名:マイルダー、及び株式会社ユーロテック製、商品名:キャビトロン等の横型のインライン型分散機;IKA製、商品名:DRS 2000/5等の縦型のインライン型分散機等)、高速乳化分散機(プライミクス株式会社製、商品名:T.K.ホモミクサー MARK II型等)等の強攪拌が可能な装置を用いて行う。
懸濁工程で調製される懸濁液においては、上記親油性材料を含みかつ1~10μm程度の粒径を持つ単量体組成物の液滴が、水系媒体中に均一に分散している。このような単量体組成物の液滴は肉眼では観察が難しく、例えば光学顕微鏡等の公知の観察機器により観察できる。
懸濁工程においては、単量体組成物の液滴中に相分離が生じるため、極性の低い疎水性溶剤が液滴の内部に集まりやすくなる。その結果、得られる液滴は、その内部に疎水性溶剤が、その周縁に重合性単量体等の疎水性溶剤以外の材料が分布することとなる。
図2には、水系媒体1中に、単量体組成物の液滴10及び水系媒体1中に分散した重合性単量体4cが分散している様子が示されている。液滴10は、油溶性の単量体組成物4の周囲を、分散安定剤(図示せず)が取り囲むことにより構成される。
単量体組成物4中には油溶性重合開始剤5、並びに、重合性単量体及び疎水性溶剤(いずれも図示せず)が含まれる。
液滴10は、単量体組成物4を含む微小油滴であり、油溶性重合開始剤5は当該微小油滴の内部で重合開始ラジカルを発生させる。したがって、微小油滴を成長させ過ぎることなく、目的とする粒径の前駆体粒子を製造することができる。
このような油溶性重合開始剤を用いた懸濁重合法においては、重合開始剤が、水系媒体1中に分散した重合性単量体4cと接触する機会は存在しない。したがって、油溶性重合開始剤を使用することにより、目的とする中空部を有する樹脂粒子の他に、比較的粒径の小さい密実粒子等の余分な樹脂粒子が副成することを抑制できる。
本工程は、上述した懸濁工程により得られた懸濁液を重合反応に供することにより、樹脂を含むシェルに取り囲まれた中空部を有し、かつ中空部に疎水性溶剤を内包する前駆体粒子を含む前駆体組成物を調製する工程である。前駆体粒子は、単量体組成物の液滴に含まれる重合性単量体の重合により形成され、前駆体粒子が備えるシェルは、上記重合性単量体の重合体を樹脂として含む。
重合方式に特に限定はなく、例えば、回分式(バッチ式)、半連続式、及び連続式等が採用できる。
重合温度は、好ましくは40~80℃であり、より好ましくは50~70℃である。
重合温度に昇温する際の昇温速度は、好ましくは10~60℃/h、より好ましくは15~55℃/hである。
重合の反応時間は好ましくは1~20時間であり、より好ましくは2~15時間である。
重合工程においては、疎水性溶剤を内部に含む単量体組成物の液滴のシェル部分が重合するため、上述したように、得られる前駆体粒子の内部には、疎水性溶剤で満たされた中空部が形成される。
なお、本開示において重合転化率は、第一の重合反応により得られる前駆体組成物中の前駆体粒子の固形分の質量と、第一の重合反応後に未反応のまま残留した重合性単量体の質量から、下記式(B)により求められる。また、未反応の重合性単量体の質量は、ガスクロマトグラフィー(GC)を用いて測定することができる。
重合転化率(質量%)=100-(未反応の重合性単量体の質量/前駆体粒子の固形分の質量)×100 式(B)
上記第一の重合反応の反応時間は、好ましくは0.5~5時間であり、より好ましくは1~3時間である。
極性基含有非架橋性単量体としては、例えば、カルボキシル基、ヒドロキシル基、スルホン酸基、アミノ基、ポリオキシエチレン基及びエポキシ基から選ばれる極性基を含む非架橋性単量体を好ましく挙げることができる。より具体的には、(メタ)アクリル酸、クロトン酸、ケイ皮酸、イタコン酸、フマル酸、マレイン酸、ブテントリカルボン酸等のエチレン性不飽和カルボン酸単量体等のカルボキシル基含有単量体;2-ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2-ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、4-ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート等のヒドロキシル基含有単量体;スチレンスルホン酸等のスルホン酸基含有単量体;ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート、ジエチルアミノエチル(メタ)アクリレート等のアミノ基含有単量体;メトキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレート等のポリオキシエチレン基含有単量体;グリシジル(メタ)アクリレート、アリルグリシジルエーテル、4-ヒドロキシブチルアクリレートグリシジルエーテル等のエポキシ基含有単量体等を挙げることができる。
上記第二の重合反応の反応時間は、好ましくは1~6時間であり、更に好ましくは2~4時間である。
なお、本開示において、未反応の重合性単量体の残留量とは、中空粒子の固形分質量に対する、未反応のまま残留した重合性単量体の質量の割合である。なお、未反応の重合性単量体の質量は、ガスクロマトグラフィー(GC)を用いて測定することができる。
本工程は、上述した重合工程により得られる、前駆体粒子を含む前駆体組成物中に残存する分散安定剤を除去するための洗浄を行った後、前駆体組成物を固液分離することにより、前駆体粒子を含む固体分を得る工程である。
また、分散安定剤として、酸に可溶な無機化合物を使用した場合、前駆体粒子を含む前駆体組成物へ酸を添加し、pHを、好ましくは6.5以下、より好ましくは6以下に調整することが好ましい。添加する酸としては、硫酸、塩酸、硝酸等の無機酸、および蟻酸、酢酸等の有機酸を用いることができるが、分散安定剤の除去効率が大きいことや製造設備への負担が小さいことから、特に硫酸が好適である。
上記洗浄を行うことにより、シェルに含まれる金属の含有量を低減させることができる。
固液分離工程後、後述する溶剤除去工程を実施する前に、予備乾燥工程等の任意の工程を実施してもよい。予備乾燥工程としては、例えば、固液分離工程後に得られた固体分を、乾燥機等の乾燥装置や、ハンドドライヤー等の乾燥器具により予備乾燥する工程が挙げられる。
本工程は、前記固液分離工程により得られた前駆体粒子に内包される疎水性溶剤を除去する工程である。
前駆体粒子に内包される疎水性溶剤を気中にて除去することにより、前駆体粒子内部の疎水性溶剤が空気と入れ替わり、気体で満たされた中空粒子が得られる。
特に、加熱乾燥法を用いる場合には、加熱温度は疎水性溶剤の沸点以上、かつ前駆体粒子のシェル構造が崩れない最高温度以下とする必要がある。したがって、前駆体粒子中のシェルの組成と疎水性溶剤の種類によるが、例えば、加熱温度を50~200℃としてもよく、70~200℃としてもよく、100~200℃としてもよい。
気中における乾燥操作によって、前駆体粒子内部の疎水性溶剤が、外部の気体により置換される結果、中空部を気体が占める中空粒子が得られる。
なお、前駆体粒子に内包される疎水性溶剤は、例えば、前駆体組成物を固液分離せずに、前駆体粒子及び水系媒体を含むスラリー中で、当該前駆体粒子に内包される疎水性溶剤をスラリーの水系媒体に置換することにより除去することもできるが、前駆体粒子に内包される疎水性溶剤を気中にて除去する方法は、シェルに含まれる金属の含有量を低減できる点から好ましい。
上記(1)~(5)以外の工程としては、例えば、中空部の再置換工程を更に有していてもよい。
中空部の再置換工程とは、中空粒子内部の気体や液体を、他の気体や液体に置換する工程である。このような置換により、中空粒子内部の環境を変えたり、中空粒子内部に選択的に分子を閉じ込めたり、用途に合わせて中空粒子内部の化学構造を修飾したりすることができる。
本開示の中空粒子は、樹脂を含むシェルおよび当該シェルに取り囲まれた中空部を備える中空粒子であって、
前記シェルが前記樹脂として、全単量体単位100質量部中に架橋性単量体単位を70~100質量部含む重合体を含有し、
空隙率が60%以上であり、
中空粒子表面に存在する界面活性剤の含有量が200ppm以下であり、
周波数1MHzにおける比誘電率が1.6以下であることを特徴とする。
本開示において、中空粒子の比誘電率は、測定周波数1MHzの条件で、摂動方式の測定装置を用いて測定される。
なお、本開示において、中空粒子表面に存在する界面活性剤の含有量とは、中空粒子の質量に対する、中空粒子表面に存在する界面活性剤の質量の割合である。中空粒子表面に存在する界面活性剤は、例えば、水中で中空粒子を超音波処理することにより抽出することができる。水中に抽出された界面活性剤の種類及び質量は、1H-NMRスペクトルのピーク位置及びピーク強度から特定することができる。
なお、本開示において、中空粒子における金属の含有量とは、中空粒子の質量に対する、中空粒子に含まれる金属成分の合計質量の割合である。
なお、中空粒子に含まれる金属の含有量は、ICP発光分析法により測定することができる。金属種の特定は、蛍光X線分析(XRF)により行うことができる。
上記重合体は、中空粒子のシェルの骨格を形成するものである。上記重合体において、架橋性単量体単位の含有量が100質量部未満の場合、架橋性単量体単位以外の単量体単位は、非架橋性単量体単位である。
上述した中空粒子の製造方法により得られる本開示の中空粒子において、シェルに含まれる上記重合体は、上述した重合性単量体が重合することにより得られ、上記重合体に含まれる架橋性単量体単位又は非架橋性単量体単位は、上述した重合性単量体に由来する。そのため、上記重合体における各単量体単位の含有量は、重合反応に供した各重合性単量体の量から算出することができる。
上記重合体は、全単量体単位が架橋性単量体単位であってもよいが、架橋性単量体単位と非架橋性単量体単位を組み合わせて含む場合、全単量体単位100質量部中の架橋性単量体単位の含有量は、下限としては、好ましくは80質量部以上、より好ましくは90質量部以上であり、上限としては、好ましくは99質量部以下、より好ましくは97質量部以下である。
上記重合体の全単量体単位100質量部中、2官能の架橋性単量体単位の含有量は、特に限定はされないが、下限としては、好ましくは50質量部以上、より好ましくは60質量部以上であり、上限としては、好ましくは90質量部以下、より好ましくは80質量部以下である。
上記重合体が3官能以上の架橋性単量体単位を含む場合、上記重合体の全単量体単位100質量部中、3官能以上の架橋性単量体単位の含有量は、特に限定はされないが、下限としては、好ましくは5質量部以上、より好ましくは10質量部以上、更に好ましくは20質量部以上であり、上限としては、好ましくは40質量部以下、より好ましくは30質量部以下である。
本開示の中空粒子のシェルが粒径制御剤として上記極性樹脂を含有する場合、シェルの全固形分100質量%中、上記極性樹脂の含有量は、好ましくは0.1質量%以上、より好ましくは0.3質量%以上、更に好ましくは0.4質量%以上、より更に好ましくは0.5質量%以上であり、一方で、好ましくは10.0質量%以下、より好ましくは8.0質量%以下、更に好ましくは5.0質量%、より更に好ましくは2.0質量%以下である。
本開示の中空粒子のシェルが、粒径制御剤として、ロジン酸、高級脂肪酸及びこれらの金属塩からなる群から選ばれる少なくとも1種を含有する場合、シェルの全固形分100質量%中、ロジン酸、高級脂肪酸及びこれらの金属塩の合計含有量は、好ましくは0.0001~0.02質量%であり、より好ましくは0.0010~0.01質量%であり、更に好ましくは0.0015~0.006質量%である。
なお、中空粒子のシェル中に粒径制御剤が含まれていること、及びその含有量は、例えば、熱分解ガスクロマトグラフィーにより確認することができる。
中空粒子の体積平均粒径を上述した好ましい範囲内とするためには、例えば、混合液調製工程において、上述した好ましい分散安定剤及び粒径制御剤の組み合わせを用い、更に上述した好ましい疎水性溶剤を用いることが好ましい。
本開示の中空粒子は、1又は2以上の中空部を有していてもよいが、高い空隙率と、機械強度との良好なバランスを維持する点、及び低誘電率化の点から、中空部を1つのみ有するものが好ましい。
本開示の中空粒子は、平均円形度が、0.950~0.995であってもよい。
本開示の中空粒子の形状のイメージの一例は、薄い皮膜からなりかつ気体で膨らんだ袋であり、その断面図は図1の(5)中の中空粒子100の通りである。この例においては、外側に薄い1枚の皮膜が設けられ、その内部が気体で満たされる。
なお、粒子形状は、例えば、SEMやTEMにより確認することができる。また、粒子内部の形状は、粒子を公知の方法で輪切りにした後、SEMやTEMにより確認することができる。
中空粒子の体積平均粒径(Dv)及び個数平均粒径(Dn)は、例えば、粒度分布測定装置により中空粒子の粒径を測定し、その個数平均及び体積平均をそれぞれ算出し、得られた値をその粒子の個数平均粒径(Dn)及び体積平均粒径(Dv)とすることができる。粒度分布は、体積平均粒径を個数平均粒径で除した値とする。
中空粒子の見かけ密度D1の測定法は以下の通りである。まず、容量100cm3のメスフラスコに約30cm3の中空粒子を充填し、充填した中空粒子の質量を精確に秤量する。次に、中空粒子が充填されたメスフラスコに、気泡が入らないように注意しながら、イソプロパノールを標線まで精確に満たす。メスフラスコに加えたイソプロパノールの質量を精確に秤量し、下記式(I)に基づき、中空粒子の見かけ密度D1(g/cm3)を計算する。
式(I)
見かけ密度D1=[中空粒子の質量]/(100-[イソプロパノールの質量]÷[測定温度におけるイソプロパノールの比重])
見かけ密度D1は、中空部が中空粒子の一部であるとみなした場合の、中空粒子全体の比重に相当する。
式(II)
真密度D0=[中空粒子の粉砕片の質量]/(100-[イソプロパノールの質量]÷[測定温度におけるイソプロパノールの比重])
真密度D0は、中空粒子のうちシェル部分のみの比重に相当する。上記測定方法から明らかなように、真密度D0の算出に当たっては、中空部は中空粒子の一部とはみなされない。
式(III)
空隙率(%)=100-(見かけ密度D1/真密度D0)×100
中空粒子の空隙率は、中空粒子の比重において中空部が占める割合であると言い替えることができる。
本開示の中空粒子を含有する成形体は、樹脂として、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリウレタン、エポキシ樹脂、アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン(ABS)樹脂、アクリロニトリル-スチレン(AS)樹脂、ポリ(メタ)アクリレート、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリイミド、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンサルファイド、ポリエステル、ポリテトラフルオロエチレン、マレイミド樹脂、ビスマレイミドトリアジン樹脂、 液晶性ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、シアネートエステル樹脂、ポリエーテルケトンケトン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂などの熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂を含有するものであってもよい。なお、樹脂成分としてエポキシ樹脂を用いる場合は、適宜、アミン類、酸無水物類、イミダゾール類等の硬化剤又は触媒を混合することが好ましい。また、本開示の中空粒子を含有する成形体は、更に、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維等の有機又は無機の繊維を含有するものであってもよい。本開示の中空粒子は、熱可塑性又は熱硬化性の樹脂を用いて形成される成形体、及び、熱可塑性又は熱硬化性の樹脂とさらに繊維を含む材料を用いて形成される成形体においても、フィラーとして含有させることができる。
本開示の中空粒子を含有する樹脂製成形体の用途としては、例えば、自動車、電気、電子、建築、航空、宇宙等の各種分野に用いられる光反射材、断熱材、遮音材及び低誘電体等の部材、食品用容器、スポーツシューズ、サンダル等の履物、家電部品、自転車部品、文具、工具等を挙げることができる。中でも、本開示の中空粒子は、高湿度環境下での性能安定性に優れ、比誘電率が低いことから、電気又は電子の分野において、低誘電率且つ信頼性の高い材料として好適に用いられる。例えば、本開示の中空粒子は、電子回路基板材料として好適に用いられ、具体的には、本開示の中空粒子を、電子回路基板の絶縁樹脂層に含有させることにより、絶縁樹脂層の比誘電率を低減させ、高湿度環境下におけるマイグレーション等の不具合を抑制することができる。
また、本開示の中空粒子は、他にも、層間絶縁材料、ドライフィルムレジスト、ソルダーレジスト、ボンディングワイヤ、マグネットワイヤ、半導体封止材、エポキシ封止材、モールドアンダーフィル、アンダーフィル、ダイボンドペースト、バッファーコート材、銅張積層板、フレキシブル基板、高周波デバイスモジュール、アンテナモジュール、車載レーダーなどの半導体材料に好適である。これらの中でも、層間絶縁材料、ソルダーレジスト、マグネットワイヤ、エポキシ封止材、アンダーフィル、バッファーコート材、銅張積層板、フレキシブル基板、高周波デバイスモジュール、アンテナモジュール、車載レーダーなどの半導体材料に、特に好適である。
また、本開示の中空粒子は、高空隙率を有し、潰れ難く、耐熱性にも優れるため、アンダーコート材に要求される断熱性、緩衝性(クッション性)を満たし、感熱紙用途に即した耐熱性も満たす。また、本開示の中空粒子は、光沢、隠ぺい力等に優れたプラスチックピグメントとしても有用である。
更に、本開示の中空粒子は、内部に香料、薬品、農薬、インキ成分等の有用成分を浸漬処理、減圧または加圧浸漬処理等の手段により封入できるため、内部に含まれる成分に応じて各種用途に利用することができる。
反応容器内にトルエン200部を投入し、トルエンを攪拌しながら反応容器内を十分に窒素で置換した後、90℃に昇温させ、その後メタクリル酸メチル(MMA)96.2部、アクリル酸(AA)0.3部、アクリル酸エチル(EA)3.5部、及びt-ブチルパーオキシ-2-エチルヘキサノエート(日油社製、商品名:パーブチルO)2.8部の混合溶液を、2時間かけて反応容器中へ滴下した。更に、トルエン還流下で10時間保持することにより、重合を完了させ、その後、減圧下で溶媒を蒸留除去して、極性樹脂A(MMA/AA/EA共重合体)を得た。
得られた極性樹脂A(MMA/AA/EA共重合体)を構成する繰り返し単位の総質量100%中、MMA由来の繰り返し単位の割合は96.2%、AA由来の繰り返し単位は0.3%、EA由来の繰り返し単位は3.5%であった。また、得られた極性樹脂Aは、水に不溶であり、極性樹脂Aの数平均分子量は10000であった。
なお、数平均分子量の測定は、流速0.35ml/分のテトラヒドロフランをキャリアとするゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により、ポリスチレン換算分子量として求めた。装置は、東ソー社製HLC8220、カラムは昭和電工社製Shodex(登録商標)KF-404HQを3本連結したもの(カラム温度40℃)、検出器は示差屈折計および紫外検出器を用い、分子量の較正はポリマーラボラトリー社製の標準ポリスチレン(500から300万)の12点で実施した。
(1)混合液調製工程
まず、下記材料を混合した混合物を油相とした。
エチレングリコールジメタクリレート 31.9部
トリメチロールプロパントリアクリレート 13.7部
極性樹脂A(MMA/AA/EA共重合体) 0.2部
2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)(油溶性重合開始剤、富士フイルム和光純薬社製、商品名:V-65) 1.04部
疎水性溶剤:シクロヘキサン 54.5部
一方で、攪拌槽において、室温下で、イオン交換水225部に塩化マグネシウム(水溶性多価金属塩)7.8部を溶解した水溶液に、イオン交換水55部に水酸化ナトリウム(水酸化アルカリ金属)5.5部を溶解した水溶液を攪拌下で徐々に添加して、水酸化マグネシウムコロイド(難水溶性の金属水酸化物コロイド)(水酸化マグネシウム4.0部)分散液を調製し、水相とした。
水相と油相を混合することにより、混合液を調製した。
上記混合液調製工程で得た混合液を、分散機(プライミクス社製、商品名:ホモミクサー)により、回転数4,000rpmの条件下で1分間攪拌して懸濁させ、疎水性溶剤を内包したモノマー液滴が水中に分散した懸濁液を調製した。
上記懸濁工程で得た懸濁液を、窒素雰囲気で、40℃から30分かけて65℃まで昇温し(昇温速度:50℃/時間)、65℃の温度条件下で1時間30分攪拌して第一の重合反応を行い、更に、メチルアクリレート2.3部を攪拌槽に添加し、窒素雰囲気下、65℃の温度条件下で2時間30分攪拌することで第二の重合反応を行った。第一及び第二の重合反応により、疎水性溶剤を内包した前駆体粒子が水中に分散したスラリー液である前駆体組成物を調製した。
上記重合工程で得た前駆体組成物を希硫酸により25℃で10分間洗浄して、pHを5.5以下にした。次いで、濾過により水を分離した後、新たにイオン交換水200部を加えて再スラリー化し、水洗浄処理(洗浄、濾過、脱水)を25℃で数回繰り返し行って、濾過分離して固体分を得た。得られた固体分を乾燥機にて40℃の温度で乾燥させ、疎水性溶剤を内包した前駆体粒子を得た。
上記固液分離工程で得た前駆体粒子を、真空乾燥機にて、200℃の真空条件下で6時間加熱処理した後、窒素により常圧にし、室温まで冷却することで、実施例1の中空粒子を得た。走査型電子顕微鏡の観察結果及び空隙率の値から、これらの粒子が球状であり、かつ中空部を有することを確認した。
実施例1において、上記(1)混合液調製工程で油相を調製する際に、重合性単量体及び疎水性溶剤の添加量を表1に従って変更した以外は、実施例1と同様の手順で、実施例2の中空粒子を製造した。
実施例1において、上記(1)混合液調製工程で水相を調製する際に、塩化マグネシウム(水溶性多価金属塩)の添加量を7.8部から15.7部に変更し、水酸化ナトリウム(水酸化アルカリ金属)の添加量を5.5部から11.0部に変更し、水酸化マグネシウムコロイド中の水酸化マグネシウムの量を8.0部とした以外は、実施例1と同様の手順で、実施例3の中空粒子を製造した。
特開2000-313818号公報の製造例1と同様にして、比較例1の中空粒子を製造した。
即ち、スチレン70部、ブタジエン27部、イタコン酸3部およびt-ドデシルメルカプタン12部に、蒸留水200部に反応性乳化剤SE10N(アデカ製)0.5部および過硫酸アンモニウム1.0部を溶かした水溶液を撹拌しながら、75℃で8時間重合してポリマー粒子を得た。次に、このポリマー粒子を種ポリマーとして用いて、以下の重合を行った。即ち、このポリマー粒子10部と、界面活性剤であるポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル0.1部及びラウリル硫酸アンモニウム0.4部と、過硫酸アンモニウム0.5部を、蒸留水900部に分散した。これにメチルメタクリレート50部、ジビニルベンゼン40部、α-メチルスチレン10部およびトルエン20部の混合物を加えて、75℃で5時間重合したところ、トルエンを粒子内部に含む前駆体粒子の分散液が得られた。得られた前駆体粒子について、スプレードライ処理を行い、比較例1の中空粒子を得た。
比較例1において、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテルの添加量を0.1部から0.3部に変更し、ラウリル硫酸アンモニウム0.4部の代わりにラウリル硫酸ナトリウム0.4部を用いた以外は、比較例1と同様の手順で、比較例2の中空粒子を製造した。
各実施例及び各比較例で得た中空粒子について、以下の測定及び評価を行った。結果を表1に示す。
粒度分布測定機(ベックマン・コールター社製、商品名:マルチサイザー4e)を用いて中空粒子の体積平均粒径を測定した。測定条件は、アパーチャー径:50μm、分散媒体:アイソトンII(:商品名)、濃度10%、測定粒子個数:100,000個とした。
具体的には、粒子サンプル0.2gをビーカーに取り、その中に分散剤として界面活性剤水溶液(富士フィルム社製、商品名:ドライウェル)を加えた。そこへ、更に分散媒体を2ml加え、粒子を湿潤させた後、分散媒体を10ml加え、超音波分散器で1分間分散させてから上記粒度分布測定機による測定を行った。
2-1.中空粒子の見かけ密度の測定
まず、容量100cm3のメスフラスコに約30cm3の中空粒子を充填し、充填した中空粒子の質量を精確に秤量した。次に、中空粒子の充填されたメスフラスコに、気泡が入らないように注意しながら、イソプロパノールを標線まで精確に満たした。メスフラスコに加えたイソプロパノールの質量を精確に秤量し、下記式(I)に基づき、中空粒子の見かけ密度D1(g/cm3)を計算した。
式(I)
見かけ密度D1=[中空粒子の質量]/(100-[イソプロパノールの質量]÷[測定温度におけるイソプロパノールの比重])
予め中空粒子を粉砕した後、容量100cm3のメスフラスコに中空粒子の粉砕片を約10g充填し、充填した粉砕片の質量を精確に秤量した。
あとは、上記見かけ密度の測定と同様にイソプロパノールをメスフラスコに加え、イソプロパノールの質量を精確に秤量し、下記式(II)に基づき、中空粒子の真密度D0(g/cm3)を計算した。
式(II)
真密度D0=[中空粒子の粉砕片の質量]/(100-[イソプロパノールの質量]÷[測定温度におけるイソプロパノールの比重])
中空粒子の見かけ密度D1と真密度D0から、下記式(III)に基づき、中空粒子の空隙率を計算した。
式(III)
空隙率(%)=100-(見かけ密度D1/真密度D0)×100
摂動方式の測定装置(AET社製、型式:ADMS01Nc)を用いて、周波数1MHz、室温(25℃)下における中空粒子の比誘電率を測定した。
超純水50mlと中空粒子5gを精秤し、よく混合した。超音波を30分照射し、0.45μm径のシリンジメンブランフィルターでろ過した。ろ液を凍結乾燥し、残渣に溶媒テトラメチルシラン(TMS)1gを加えて溶かし、下記条件下、1H-NMR測定を行った。1H-NMRスペクトルから特定される界面活性剤について、TMS強度基準の検量線を作成し、中空粒子表面から抽出された界面活性剤の抽出量を算出した。尚、検量線はTMS強度と界面活性剤由来のピーク強度比から作成した。中空粒子の質量に対する、中空粒子表面から抽出された界面活性剤の抽出量の割合を算出し、中空粒子表面に存在する界面活性剤の含有量とした。
なお、1H-NMRスペクトルから界面活性剤が検出されなかった粒子については、不検出(ND)とした。
<1H-NMR測定条件>
装置名:FT-NMR装置
共鳴周波数:400MHz
測定モード:1H-NMR
パルス幅:5.0μs(パルス角:90°)
測定範囲:26ppm(周波数範囲:10500Hz)
積算回数:1024回
測定温度:40℃
溶媒:重水素化クロロホルム(TMS(テトラメチルシラン)1%)
基準物質:テトラメチルシラン由来ピーク:0.00ppm(内部標準法)
マイクロウェーブ(PerkinElmer社製、Multiwave 3000)を用いて、精秤した中空粒子10gの湿式分解を行い、得られた分解物についてICP発光分析装置(PerkinElmer社製、Optima 2100 DV型)を用いてICP発光分析を行い、金属の合計質量を測定した。なお、金属種の特定は、蛍光X線分析(XRF)による元素分析により行った。中空粒子の質量に対する、分解物中の金属の合計質量の割合を算出し、中空粒子中の金属含有量とした。
<中空粒子含有樹脂ワニスの調製>
まず、ジメチルホルムアミド(DMF)20部及びメチルエチルケトン(MEK)6部の混合溶剤(室温)に、臭素化エポキシ樹脂(東都化成(株)製、商品名:YDB-500EK75、エポキシ当量500、固形分75質量%)90部、及びクレゾールノボラック型エポキシ樹脂(東都化成(株)製、商品名:YDCN220EK75、エポキシ当量210、固形分75質量%)10部を溶解し、さらにジシアンジアミド(DICY)(日本カーバイト(株)製)2部、及び2-エチル-4-メチルイミダゾール(2E4MZ)(四国化成工業(株)製)0.1部を添加し、これを攪拌混合することによって樹脂ワニスを調製した。
次に、室温まで冷却した樹脂ワニス95部と中空粒子5部とを、ディスパーを用いて3000rpmで30分間攪拌混合することによって、中空粒子含有樹脂ワニスを得た。
得られた中空粒子含有樹脂ワニスをガラスクロス(日東紡製、商品名:WEA116E)に含浸させた後、150~170℃で3~10分加熱乾燥することにより溶剤を除去し、プリプレグを得た。
得られたプリプレグ1枚の両面に35μm厚の銅箔(ST箔)を配して、180℃、2時間、圧力2.94MPa(30kg/cm2)の硬化条件で、加熱加圧することによって、厚さ0.13mmの両面銅張積層板を得た。
得られた両面銅張積層板をプレッシャークッカー処理(110℃、湿度85%RH、100時間処理)した。当該処理後の両面銅張積層板に50Vの電圧を所定時間印加して抵抗値を測定し、異常の有無を確認して下記評価基準により評価した。なお、抵抗値に変化が生じた場合を異常有りとした。抵抗値の変化は、銅基板の腐食によるものと考えられる。
(信頼性試験評価基準)
◎:300時間電圧を印加しても異常がない
○:100時間電圧を印加しても異常がない
×:電圧印加時間が100時間に達するまでに異常が生じる
EGDMA:エチレングリコールジメタクリレート
TMPT:トリメチロールプロパントリアクリレート
MA:メチルアクリレート
MMA:メチルメタクリレート
DVB:ジビニルベンゼン
α-MSt:α-メチルスチレン
V-65:2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)(油溶性重合開始剤、富士フイルム和光純薬社製、商品名:V-65)
比較例1、2で得られた中空粒子は、シェルに含まれる重合体の全単量体単位100質量部に対し、架橋性単量体単位の割合が70質量部未満であり、空隙率が60%未満であり、粒子表面に存在する界面活性剤の含有量が200ppm超過であった。そのため、比較例1、2で得られた中空粒子は、信頼性試験において電圧印加時間が100時間に達するまでに異常が生じ、高湿度環境下における性能安定性に劣っており、また、比誘電率が1.6超過であり高かった。なお、比較例1で得られた中空粒子の表面から検出された界面活性剤は、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル(25℃の水に対する溶解度:1g/L以上)とラウリル硫酸アンモニウム(25℃の水に対する溶解度:100g/L)であった。比較例2で得られた中空粒子の表面から検出された界面活性剤は、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル(25℃の水に対する溶解度:1g/L以上)とラウリル硫酸ナトリウム(25℃の水に対する溶解度:100g/L)であった。
これに対し、各実施例で得られた中空粒子は、シェルに含まれる重合体が、全単量体単位100質量部中に架橋性単量体単位を70~100質量部含むものであり、空隙率が60%以上であり、粒子表面に存在する界面活性剤の含有量が200ppm以下であったため、信頼性試験において300時間電圧を印加しても異常がなく、高湿度環境下での性能安定性に優れるものであり、また、比誘電率が1.6以下であり、比誘電率が低い中空粒子であった。なお、各実施例で得られた中空粒子の表面からは、界面活性剤は検出されなかった。
2 低極性材料
4 単量体組成物
4a 疎水性溶剤
4b 疎水性溶剤以外の材料
4c 水系媒体中に分散した重合性単量体
5 油溶性重合開始剤
6 シェル
8 中空部
10 液滴
20 前駆体粒子
100 中空部が気体で満たされた中空粒子
Claims (2)
- 樹脂を含むシェルおよび当該シェルに取り囲まれた中空部を備える中空粒子であって、
前記シェルが前記樹脂として、全単量体単位100質量部中に架橋性単量体単位を70~100質量部含む重合体を含有し、
空隙率が60%以上90%以下であり、
中空粒子表面に存在する界面活性剤の含有量が0ppm以上200ppm以下であり、
金属の含有量が37ppm以上100ppm以下であり、
25℃で測定された周波数1MHzにおける比誘電率が1.3以上1.6以下である、電子回路基板用の中空粒子。 - 体積平均粒径が1~10μmである、請求項1に記載の中空粒子
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