JPWO2013047786A1 - 重合性無機粒子分散剤、該重合性無機粒子分散剤を含む無機有機複合粒子、および無機有機樹脂複合材 - Google Patents

重合性無機粒子分散剤、該重合性無機粒子分散剤を含む無機有機複合粒子、および無機有機樹脂複合材 Download PDF

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Abstract

本発明は、高屈折率と高アッベ数を有し、無機粒子との複合化で従来にない高屈折率と高アッベ数を両立した無機有機複合粒子および無機有機樹脂複合材を実現する重合性無機粒子分散剤を提供する。本発明は、下記官能基A、BおよびQからなる化合物である重合性無機粒子分散剤に関する。
A:重合性官能基
B:カルボキシル基、リン含有オキソ酸基、または硫黄含有オキソ酸基
Q:硫黄以外のヘテロ原子を含んでもよい2価以上の含硫黄脂肪族炭化水素基

Description

本発明は、高屈折率、高アッベ数の重合性無機粒子分散剤と、該重合性無機粒子分散剤を用いた無機有機複合粒子および無機有機樹脂複合材に関する。詳しくは、高屈折率と高アッベ数の相反性能を両立させた複合材組成物を提供し得る、それ自体高屈折率で高アッベ数の重合性無機粒子分散剤と、該重合性無機粒子分散剤を用いた無機有機複合粒子および無機有機樹脂複合材、更に、該無機有機樹脂複合材を用いた光学材料に関するものである。本発明はまた、高い屈折率と高いアッベ数を兼備する新規化合物に関する。
近年、携帯電話をはじめとする情報端末機器、フラットパネルディスプレイ(FPD)、レンズ材料、光ファイバーなどには、無機ガラスに代わり、軽量で耐衝撃性が高く、生産効率の高いプラスチック製の材料が多く用いられるようになっている。
中でも、高屈折率を要求される分野においては、材料の高屈折率化はもとより、波長による屈折率差の度合いの小さい材料(高アッベ数の材料)が求められている。しかしながら、プラスチック製の材料では、屈折率とアッベ数は相反する関係にあり、これらを同時に満足することは困難であった。
このような有機材料の問題点を改善するために、近年、有機材料と無機材料を分子レベルで複合化したハイブリッド材料が検討されている。具体的には、有機材料に高い屈折率と機械強度などを付与する目的で、金属酸化物ナノ粒子[酸化チタン(屈折率:2.5−2.7)、酸化ジルコニウム(屈折率:2.1−2.2)、チタン酸バリウム(屈折率:2.4)]を透明に分散させたハイブリッド材料が検討されている。
ハイブリッド材料では、高いアッベ数を達成するために、マトリックスとなる樹脂のアッベ数を高く設定する必要があるが、樹脂ではアッベ数と屈折率は相反関係にあり、アッベ数が高い樹脂は屈折率が低いといった性質がある。このため、ハイブリッド材料を高屈折率化するためには、マトリックスとなる樹脂に大量の金属酸化物ナノ粒子を分散させる必要があった。
例えば、特許文献1には、酸化ジルコニウムとアクリル系樹脂からハイブリッド材料を作製し、ハイブリッド材料中の酸化ジルコニウム充填量が30体積%(約70質量%)で、屈折率n=1.67、アッベ数ν=43を達成したことが記載されている。
一方、マトリックス樹脂だけで高屈折率と高アッベ数を両立する材料も提案されている。例えば、特許文献2には、1,4−ジチアン−2,5−ジチオールとジビニルスルホンとをマイケル付加重合することで得られる高分子材料で、高屈折率(589nmD線:1.6859)と高アッベ数(48.6)を達成できることが記載されている。
また、特許文献3には、2,5−ビス(メルカプトメチル)−1,4−ジチアンとジビニルスルホンまたはビス(ビニルスルホン)メタンとの重合反応により、高屈折率(589nmD線:1.6512)と高アッベ数(42.6)を達成できることが記載されている。
国際公開第2007/032217号 日本国特開2009−209277号公報 日本国特開2010−84122号公報
しかしながら、特許文献1に記載されるハイブリッド材料は、マトリックスとなる樹脂に無機粒子を高充填することにより上記の値を達成しているため、さらに屈折率とアッベ数を高めることができないという問題がある。つまり、無機粒子の充填量が少なくても屈折率1.65以上を示し、さらに無機粒子を充填することで広範囲の屈折率制御が可能で、かつ、アッベ数30以上を維持できるハイブリッド材料を得ることは困難である。また、特許文献1には、無機粒子を分散させる分散剤については一切記載されておらず、記載されている無機粒子分散液自体で重合することも出来ない。
また、特許文献2および特許文献3に記載される樹脂は、何れも熱による長時間の反応が必要で、工業的な観点からは著しく生産性が低いという問題がある。また、本発明者の検討によれば、これらの樹脂を構成するモノマーには、モノマー同士で重合しうる重合性官能基が存在しないため、単一のモノマーだけで重合することができず、また、無機粒子の吸着部位が存在しないため、無機粒子と混合した場合に分散安定化ができず、更には透明分散させることができない上に、屈折率を向上させることも困難であった。
本発明は、それ自体重合性を有し、かつ高屈折率と高アッベ数を有し、無機粒子の透明分散が可能で、更に、無機粒子との複合化で従来にない高屈折率と高アッベ数を両立した無機有機複合粒子および無機有機樹脂複合材を実現することができる重合性無機粒子分散剤を提供することを課題とする。
本発明はまた、前記重合性無機粒子分散剤を含む無機有機複合粒子および無機有機樹脂複合材と、該無機有機樹脂複合材を含む光学材料、更には、それ自体高屈折率で、高い屈折率と高いアッベ数を兼備する新規化合物を提供することを課題とする。
本発明者らは、上記課題を解決すべく種々検討を重ねた結果、特定の物性を有する重合性無機粒子分散剤を見出し、本発明を完成するに至った。具体的には、分子内に重合性官能基A、無機粒子と吸着する部位B、及び特定の基Qを有する重合性無機粒子分散剤を用いることで、当該重合性無機粒子分散剤単独の重合物でも従来の有機材料では到達できなかった高屈折率と高アッベ数を両立できる上に、屈折率及びアッベ数の温度依存性が低いことを見出した。そして、無機粒子、更には有機樹脂と複合化することで屈折率の向上と高アッベ数の維持が可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、以下を要旨とする。
1.下記官能基A、BおよびQからなる化合物である重合性無機粒子分散剤。
A:重合性官能基
B:カルボキシル基、リン含有オキソ酸基、または硫黄含有オキソ酸基
Q:硫黄以外のヘテロ原子を含んでもよい2価以上の含硫黄脂肪族炭化水素基
2.前記官能基A、BおよびQからなる化合物が下記式(I)または(II)で表される化合物である前項1に記載の重合性無機粒子分散剤。
(An1−Q−(Bm1 ・・・(I)
[式(I)中、Aは重合性官能基を表し、Bは、カルボキシル基、リン含有オキソ酸基、または硫黄含有オキソ酸基を表し、Qは、硫黄以外のヘテロ原子を含んでもよい(n1+m1)価の含硫黄脂肪族炭化水素基を表す。
n1およびm1は、各々独立に1〜10の整数を表す。
なお、n1およびm1が2以上の整数である場合、1分子中に複数個存在するAまたはBは各々同一であっても異なるものであってもよい。]
{(An2−Qm2−B ・・・(II)
[式(II)中、Aは重合性官能基を表し、Bは、m2価のリン含有オキソ酸基を表し、Qは、硫黄以外のヘテロ原子を含んでもよい(n2+1)価の含硫黄脂肪族炭化水素基を表す。
n2は、1〜10の整数を表す。
m2は、2〜10の整数を表す。
なお、1分子中に複数個存在するAまたはQは各々同一であっても異なるものであってもよい。]
3.前記式(I)におけるQまたは前記式(II)におけるQが、各々下記式(III)または(IV)で表される基である、前項2に記載の重合性無機粒子分散剤。
Figure 2013047786
[式(III)中、環Gは飽和3〜8員環の単環または橋架け環、あるいはこれらの環が2または3個結合してなる縮合環またはスピロ環を表し、環を形成するメチレン基の一部が硫黄原子を含む2価の基に置換されている。なお、環を形成するメチレン基の一部が、更に、酸素原子、窒素原子またはリン原子を含む2価の基を含んでもよい。Lは直接結合、スルフィド基、エーテル基、ヘテロ原子を有してもよい脂肪族炭化水素基、を表し、1分子中に複数含まれるLは同一であっても異なるものであってもよい。
tは式(III)がQである場合は(n1+m)(但し、mおよびn1は前記式(I)におけると同義)であり、式(III)がQである場合は(n2+1)(但しn2は前記式(II)におけると同義)である。]
−[S]−[CR−[E]− ・・・(IV)
[式(IV)において、Rは水素原子またはヘテロ原子を含んでいてよい炭化水素基を表し、Eは硫黄原子または酸素原子を表す。
pは1〜3の整数を表す。qは1〜3の整数を表す、rは0または1を表す。
1分子中に含まれる複数のRは、同一であっても異なるものであってもよい。
なお、式(IV)におけるS、CR、Eの結合順序は任意である。]
4.硫黄原子以外のヘテロ原子が、酸素原子、リン原子および窒素原子のいずれかである、前項3に記載の重合性無機粒子分散剤。
5.含硫黄脂肪族炭化水素基が含硫黄環状脂肪族炭化水素基を含む、前項2または3に記載の重合性無機粒子分散剤。
6.含硫黄環状脂肪族炭化水素基が、ジチアン環、ジチオラン環、トリチオラン環、チアスピロ環、ジチアスピロ環、トリチアスピロ環、テトラチアスピロ環、ジチエタン環、チイラン環、およびチオラン環の少なくとも一つを含む、前項5に記載の重合性無機粒子分散剤。
7.含硫黄環状脂肪族炭化水素基が、置換基として含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基を含む、前項5または6に記載の重合性無機粒子分散剤。
8.重合性官能基Aが、(メタ)アクリル基、オキシラン基、チイラン基、およびイソシアネート基のいずれかである、前項1ないし7のいずれか1に記載の重合性無機粒子分散剤。
9.屈折率が1.62以上である前項1ないし8のいずれか1に記載の重合性無機粒子分散剤。
10.アッベ数が40以上である前項1ないし8のいずれか1に記載の重合性無機粒子分散剤。
11.前項1ないし10のいずれか1に記載の重合性無機粒子分散剤と無機粒子とを含む無機有機複合粒子。
12.無機粒子が屈折率2.0以上の無機粒子である、前項11に記載の無機有機複合粒子。
13.無機粒子が径が1〜10nmの無機粒子である、前項11または12に記載の無機有機複合粒子。
14.重合性無機粒子分散剤に対する無機粒子の含有量が20〜90質量%である、前項11ないし13のいずれか1に記載の無機有機複合粒子。
15.前項11ないし14のいずれか1に記載の無機有機複合粒子と分散媒とを含む分散液。
16.更に重合性モノマーを含む、前項15に記載の分散液
17.前項11ないし14のいずれか1に記載の無機有機複合粒子を硬化して得られる無機有機樹脂複合材。
18.前項17に記載の無機有機樹脂複合材を含む光学材料。
19.光回路である前項18に記載の光学材料。
20.光導波路である前項18に記載の光学材料。
21.レンズである前項18に記載の光学材料。
22.下記官能基A、BおよびQを含む化合物。
A:重合性官能基
B:カルボキシル基、リン含有オキソ酸基、または硫黄含有オキソ酸基
Q:硫黄以外のヘテロ原子を含んでもよい2価以上の含硫黄環状脂肪族炭化水素基
本発明の重合性無機粒子分散剤は、それ自体重合可能であり、かつ高い屈折率と高いアッベ数を有することから、光学用材料として好適に用いることが出来る。さらに、本発明の重合性無機粒子分散剤は、粒子径1〜10nmの金属酸化物ナノ粒子などの無機粒子を均一に分散させることで無機有機複合粒子を形成できるため、透明性を維持しながら高屈折率化と高アッベ数化を可能とする。従って、このような無機有機複合粒子と用いて作製される無機有機樹脂複合材は、携帯情報端末などのディスプレイ、光学レンズ、マイクロレンズ、スイッチ類、導光シート、導光板または光導波路シートなど、高屈折率と高アッベ数が要求されるような光学用途へ有効に適用可能である。
以下に本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下に記載する形態は、本発明の趣旨をより良く理解させるためのものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
1.重合性無機粒子分散剤
本発明の重合性無機粒子分散剤は、下記官能基A、BおよびQからなる化合物である。該化合物は、中でも、紫外領域から近赤外領域において透明性を有しているモノマーであることが好ましい。
A:重合性官能基
B:カルボキシル基、リン含有オキソ酸基、または硫黄含有オキソ酸基
Q:硫黄以外のヘテロ原子を含んでもよい2価以上の含硫黄脂肪族炭化水素基
(1)A:重合性官能基
Aは重合性官能基であり、紫外線(UV)、電子線などの放射線または熱などで開始剤の存在下に、単独重合(重合性官能基A同士の重合)が可能な官能基である。重合性官能基Aは、1価の重合性官能基であることが好ましい。重合性官能基Aとしては、例えば、(メタ)アクリル基、オキシラン基、チイラン基およびイソシアネート基などが挙げられる。このうち、重合性無機粒子分散剤が合成しやすい点で、(メタ)アクリル基、オキシラン基またはチイラン基が好ましく、更に生産性または微細加工が可能といった観点からは、UVまたは電子線で重合可能な官能基であることが好ましく、特に(メタ)アクリル基が好ましい。
なお、本明細書において、「(メタ)アクリル」とは「アクリル」と「メタクリル」の一方または双方を指し、後述の「(メタ)アクリレート」についても同様である。
重合性無機粒子分散剤中に重合性官能基Aを有することにより、開始剤の存在下、重合性無機粒子分散剤単独で重合することができるだけではなく、光硬化性樹脂との配合組成物の一部として重合される場合に、無機粒子の析出防止、分散不良防止または機械的強度低下の防止などの作用効果を得ることができる。
(2)B:カルボキシル基、リン含有オキソ酸基、または硫黄含有オキソ酸基
Bは、カルボキシル基、リン含有オキソ酸基、または硫黄含有オキソ酸基であり、重合性無機粒子分散剤が合成しやすい点で、カルボキシル基が好ましく、重合性無機粒子分散剤が着色しづらい点でリン含有オキソ酸基が好ましい。Bは、無機粒子を分散安定化させるために、無機粒子と吸着、配位、水素結合若しくは共有結合など化学的な結合または相互作用を有する部位として作用する。好ましくは、カルボキシ基および以下に示される構造から少なくとも一つ以上選択される、1価もしくは2価以上の基であり、通常10価以下、好ましくは5価以下、より好ましくは4価以下、更に好ましくは3価以下である。
リン含有オキソ酸基としては、以下の基が挙げられる。
Figure 2013047786
上記式においてxは2以上の整数であり、通常10以下、好ましくは5以下、より好ましくは4以下、更に好ましくは3以下である。
Figure 2013047786
上記式において、Rは特に限定されないが、水素原子、ヘテロ原子を有してもよい炭化水素基が好ましい。
ヘテロ原子を有してもよい炭化水素基の炭素数は、通常6以下、好ましくは4以下、より好ましくは3以下であり、通常1以上である。ヘテロ原子を有してもよい炭化水素基の中でも、屈折率およびアッベ数の観点では、含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基または含硫黄環状脂肪族炭化水素基が好ましい。これらの含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基および含硫黄環状脂肪族炭化水素基には、硫黄以外の酸素または窒素などのヘテロ原子を含んでいてもよい。一方、合成の簡便さの点では、脂肪族炭化水素基が好ましい。中でも水素原子及び脂肪族炭化水素基が好ましく、水素原子が特に好ましい。なお、本願明細書においてヘテロ原子は特に限定されないが、好ましくは、硫黄原子、酸素原子、窒素原子、リン原子である。
上記式においてRは特に限定されないが、水素原子、ヘテロ原子を有してもよい炭化水素基が好ましい。ヘテロ原子を有してもよい炭化水素基の炭素数は、通常6以下、好ましくは4以下、より好ましくは3以下であり、通常1以上である。ヘテロ原子を有してもよい炭化水素基の中でも、屈折率およびアッベ数の観点では、含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基または含硫黄環状脂肪族炭化水素基が好ましい。これらの含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基および含硫黄環状脂肪族炭化水素基には、硫黄以外の酸素または窒素などのヘテロ原子を含んでいてもよい。一方、合成の簡便さの点では、脂肪族炭化水素基が好ましい。中でも水素原子及び脂肪族炭化水素基が好ましく、水素原子が特に好ましい。
硫黄含有オキソ酸基としては、以下の基が挙げられる。
Figure 2013047786
Bは、無機粒子の凝集を抑制し、無機粒子の分散安定化作用に優れる点において、好ましくは、カルボキシル基、または下記の構造の基が挙げられる。下記の構造においてRおよびRは前記と同様である。
Figure 2013047786
さらにBは、重合性無機粒子分散剤が合成しやすい点で、カルボキシル基が好ましい。一方、重合性無機粒子分散剤が着色しづらい点で下記構造を有する基が好ましい。
Figure 2013047786
Bは1価でも2価以上でもよいが、1価のBとしては、後述する下記式(I)におけるBが好ましく、例えば以下の構造が例示される。
Figure 2013047786
2価以上のBとしては、後述する下記式(II)におけるBが好ましく、例えば以下の構造が例示される。
Figure 2013047786
上記式においてxは2以上の整数であり、通常10以下、好ましくは5以下、より好ましくは4以下、更に好ましくは3以下である。
(3)Q:硫黄以外のヘテロ原子を含んでもよい2価以上の含硫黄脂肪族炭化水素基
Qは、硫黄以外のヘテロ原子を含んでもよい2価以上の含硫黄脂肪族炭化水素基であり、本発明の重合性無機粒子分散剤に硫黄原子と脂肪族炭化水素基を導入するための基である。本発明の重合性無機粒子分散剤、および該分散剤を硬化して得られる本発明の無機有機樹脂複合材は、硫黄原子と脂肪族炭化水素基を含むことにより、屈折率とアッベ数を高い値で両立できると同時に、これらの物性の温度依存性を低くすることができる。
光学特性を向上させやすい点で含硫黄環状脂肪族炭化水素基が好ましい。また、重合性無機粒子分散剤の安定性という点で、前記含硫黄脂肪族炭化水素基の中でも含硫黄飽和脂肪族炭化水素基が好ましい。なお、Qが硫黄以外のヘテロ原子を含んでもよい2価以上の含硫黄脂環状肪族炭化水素基である重合性無機粒子分散材は、新規化合物である。
Qの価数は通常2価以上であり、通常20価以下、好ましくは10価以下、より好ましくは5価以下、更に好ましくは4価以下、特に好ましくは3価以下である。価数が小さいと製造が容易な点で好ましい。
Qの分子量は、通常160以上、好ましくは170以上、より好ましくは180以上であり、通常2000以下、好ましくは1500以下、より好ましくは1300以下であり、更に好ましくは1000以下であり、最も好ましくは800以下である。含硫黄脂肪族炭化水素基の分子量が、上記下限以上であると揮発性が低い点で好ましく、上記上限以下であると溶解性(相溶性)が優れる点で好ましい。
Qに含まれる硫黄原子の割合は、硫黄原子として通常20質量%以上であり、好ましくは30質量%以上、より好ましくは35質量%以上である。また、通常90質量%以下であり、好ましくは85質量%以下、より好ましくは80質量%以下である。含硫黄脂肪族炭化水素基に含まれる硫黄原子の割合が、上記下限以上であると、屈折率が向上する点で好ましく、上記上限以下であると、化合物の安定性が高い点で好ましい。
Qは硫黄原子以外のヘテロ原子を含んでもよい含硫黄脂肪族炭化水素基であるが、本発明において、含硫黄脂肪族炭化水素基とは、脂肪族炭化水素基を構成する炭素原子の少なくとも一つが硫黄原子に置換された基である。中でも、脂肪族炭化水素基を構成するメチレン基の少なくとも一つが硫黄原子を含む2価の基に置換された基が好ましい。
本発明において、硫黄原子以外のヘテロ原子を含んでもよいとは、含硫黄脂肪族炭化水素基を構成する炭素原子の一部を更に硫黄原子以外のヘテロ原子に置換されていてよいことを意味する。好ましくは含硫黄脂肪族炭化水素基を構成するメチレン基の一部を硫黄原子以外のヘテロ原子を含む2価の基に置換されていてよいことを意味する。
硫黄原子以外のヘテロ原子は限定されないが、好ましくは酸素原子、リン原子および窒素原子のいずれか1種または2種以上であり、より好ましくは酸素原子および/または窒素原子である。
脂肪族炭化水素基を構成する炭素原子の一部が、硫黄原子、及び任意にそれ以外のヘテロ原子で置換された構造としては、例えば、脂肪族炭化水素基の任意のメチレン基が硫黄原子を含む2価の基に置換された構造が挙げられる。
硫黄原子を含む2価の基としては、例えば、スルフィド基、ジスルフィド基またはトリスルフィド基などの含硫黄基;スルホキシド基、スルホン基、チオエステル基、チオノエステル基またはチオカルボニル基などの含硫黄・酸素基;チオホスホノ基またはジチオホスホノ基などの含硫黄・リン基;チオアミド基またはチオウレア基などの含硫黄・含窒素基等が挙げられる。また、これらの構造に更に、カルボニル基またはエステル基などの含酸素基;以下例示される含酸素・リン基
Figure 2013047786
;以下例示される含窒素基、
Figure 2013047786
などのヘテロ原子を含む2価の基に置換された構造も挙げられる。
上記式中、Rは特に限定されないが、水素原子、およびヘテロ原子を有してもよい炭化水素基が挙げられる。ヘテロ原子を有してもよい炭化水素基の炭素数は、通常6以下、好ましくは4以下、より好ましくは3以下であり、通常1以上である。
ヘテロ原子を有してもよい炭化水素基の中でも、屈折率およびアッベ数の観点では、含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基または含硫黄環状脂肪族炭化水素基が好ましい。これらの含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基および含硫黄環状脂肪族炭化水素基は、硫黄以外の酸素または窒素などのヘテロ原子を含んでいてもよい。一方、合成の簡便さの点では、脂肪族炭化水素基が好ましい。中でも水素原子及び脂肪族炭化水素基が好ましく、水素原子が特に好ましい。
Qで表される含硫黄脂肪族炭化水素基は、炭素数が通常3以上、より好ましくは4以上であり、通常20以下、好ましくは15以下、より好ましくは12以下の脂肪族炭化水素基に対し、その一部が硫黄原子および任意に硫黄原子以外のヘテロ原子で置換されている基、好ましくは該脂肪族炭化水素基を構成するメチレン基の一部が硫黄原子を含む2価の基および任意に硫黄原子以外のヘテロ原子を含む2価の基に置換された基が好ましい。
基本となる脂肪族炭化水素基は、鎖状構造、環状構造、または置換基として鎖状構造を有する環状構造のいずれでもよい。
鎖状構造の場合、上記炭素数の範囲を満たす直鎖または分岐の脂肪族炭化水素基が好ましく、一部に鎖状構造を有する環状構造の場合、含有する鎖状構造を構成する炭素数を含めて上記範囲内とすることが好ましい。
Qとしては、具体的には、後述する下記式(I)におけるQまたは、下記式(II)におけるQが好ましい。
(4)重合性無機粒子分散剤
本発明の重合性無機粒子分散剤は、特に、無機粒子に分散安定性を持たせ、無機粒子が本来持っている高い屈折率を維持可能で、かつ高いアッベ数を有する化合物であることが好ましい。従って、本発明の重合性無機粒子分散剤は、無機粒子を分散安定化させる吸着部位であるBと、開始剤の存在下に単独重合可能な官能基であるA以外の構成として、ベンゼン環のような屈折率は高いがアッベ数を低くする官能基、またはアッベ数は高いが屈折率を低くするような官能基は含有しないことが好ましい。
本発明の重合性無機粒子分散剤の分子量は、特に制限されないが、通常100以上、好ましくは150以上、より好ましくは200以上であり、通常2000以下、好ましくは1000以下、より好ましくは800以下である。含硫黄脂肪族炭化水素基の分子量が、上記下限以上であると揮発性が低い点で好ましく、上記上限以下であると他のモノマーと複合材を作製する場合の溶解性(相溶性)が優れる点で好ましい。
本発明の重合性無機粒子分散剤に含まれる硫黄原子の割合は、硫黄原子として通常10質量%以上であり、好ましくは15質量%以上、より好ましくは20質量%以上である。また、通常70質量%以下であり、好ましくは60質量%以下、より好ましくは50質量%以下である。含硫黄脂肪族炭化水素基に含まれる硫黄原子の割合が、上記下限以上であると、屈折率やアッベ数などの光学特性が向上する点で好ましく、上記上限以下であると、原料が入手しやすい点、および化合物の安定性が増す点で好ましい。
重合性無機粒子分散剤におけるAとBの比率は、Aに対するBの基の数の比率として、通常0.1以上、好ましくは0.5以上、より好ましくは1以上であり、通常10以下、好ましくは5以下、より好ましくは3以下、更に好ましくは2以下である。
Aに対するBの比率が上記下限より高いことで本発明の重合性無機粒子分散剤が無機粒子を分散する機能が向上する点で好ましい。また、本発明の重合性無機粒子分散剤の保存安定性が向上し、また、保存時及び重合時等のゲル化を抑制できる傾向がある点でも好ましい。一方。Aに対するBの割合が上記上限より低いことで、本発明の重合性無機粒子分散剤から得られる無機有機樹脂複合材の強度を向上することができる。
重合性無機粒子分散剤におけるAの含有割合(質量%)は、 通常5質量%以上であり、10質量%以上が好ましく、15質量%以上がより好ましい。また、通常40質量%以下であり、30質量%以下が好ましく、20質量%以下がより好ましい。Aの含有割合が上記下限以上であることにより、本発明の重合性無機粒子分散剤から得られる無機有機樹脂複合材の強度を向上することができる。Aの含有割合が上記上限以下であることにより、本発明の重合性無機粒子分散剤の保存安定性が向上し、また、重合時等のゲル化を抑制できる。
重合性無機粒子分散剤におけるBの含有割合(質量%)は、 通常10質量%以上であり、15質量%以上が好ましく、20質量%以上がより好ましい。また、通常50質量%以下であり、40質量%以下が好ましい。Bの含有割合が上記下限以上であることにより、本発明の重合性無機粒子分散剤が無機粒子を分散する機能が向上する点で好ましい。Bの含有割合が上記上限以下であることにより、本発明の重合性無機粒子分散剤と無機粒子を混合した際のナノ粒子の凝集を抑制できる。
重合性無機粒子分散剤におけるQの含有割合(質量%)は、 通常20質量%以上であり、30質量%以上が好ましく、40質量%以上がより好ましい。また、通常90質量%以下であり、80質量%以下が好ましく、70質量%以下がより好ましく、60質量%以下が更に好ましい。Qの含有割合が上記下限以上であることにより、重合性無機粒子分散剤の光学特性、特に屈折率およびアッベ数が向上しやすくなる。Qの含有割合が上記上限以下であることにより、無機有機樹脂複合材を重合性モノマーと混合して製造する際に相溶しやすくなる。
本発明の重合性無機粒子分散剤はA、BおよびQからなるが、A、BおよびQの結合順序は特に限定されない。Bが1価の場合にはAとBとの直接結合は存在せず、AとBはそれぞれQに結合して重合性無機粒子分散剤を形成する。Bが1価の場合のA、BおよびQの結合の例として以下の構造が挙げられる。
Figure 2013047786
中でも好ましい具体例として、後述の式(I)で表される化合物が挙げられる。Bが2価以上の場合には、QとBとは互いに任意の位置、数、割合で結合させることができる。その際、1価であるAはQおよびBのどちらに結合してもよい。Bが2価の場合のA、BおよびQの結合の例として以下の構造が挙げられる。
Figure 2013047786
中でも好ましい具体例として、後述の式(II)で表される化合物が挙げられる。
また、1価のBと2価のBとを併用することもできる。1価のBは、通常、Qと結合して本発明の重合性無機粒子分散剤の末端に位置し、2価のBはAまたはQと結合する。1価のBと2価のBとを併用する場合のA、BおよびQの結合の例として、以下の構造が挙げられる。
Figure 2013047786
2.重合性無機粒子分散剤の好ましい構造の例
前記官能基A、BおよびQを含む化合物としては、下記式(I)または下記式(II)で表される化合物(以下、各々「化合物(I)」または「化合物(II)」と称す場合がある。)が好ましい。
(1)式(I)で表される化合物
(An1−Q−(Bm1 ・・・(I)
式(I)中、Aは、重合性官能基を表し、Bは、カルボキシル基、リン含有オキソ酸基、または硫黄含有オキソ酸基を表し、Qは、硫黄以外のヘテロ原子を含んでもよい(n1+m1)価の含硫黄脂肪族炭化水素基を表す。n1およびm1は、各々独立に1〜10の整数を表す。なお、n1およびm1が2以上の整数である場合、1分子中に複数個存在するAまたはBは各々同一であっても異なるものであってもよい。
以下、化合物(I)に含まれる官能基A,B,Qについて説明する。
(1−1)官能基A
は、1価の重合性官能基であり、通常、紫外線(UV)、電子線などの活性エネルギー線または熱などで開始剤の存在下に、単独重合可能な官能基であれば特に制限はなく、具体的には、例えば、(メタ)アクリル基、オキシラン基、チイラン基およびイソシアネート基などが挙げられる。このうち、重合性無機粒子分散剤が合成しやすい点で、(メタ)アクリル基、オキシラン基またはチイラン基が好ましく、更に生産性または微細加工が可能といった観点からは、UVまたは電子線で重合可能な官能基であることが好ましく、特に(メタ)アクリル基が好ましい。
重合性無機粒子分散剤中に重合性官能基Aを有することにより、開始剤の存在下、重合性無機粒子分散剤単独で重合することができるだけではなく、光硬化性樹脂との配合組成物の一部として重合される場合に、無機粒子の析出防止、分散不良防止または機械的強度低下の防止などの作用効果を得ることができる。
(1−2) 官能基B
は、カルボキシル基、リン含有オキソ酸基、または硫黄含有オキソ酸基を表す。重合性無機粒子分散剤が合成しやすい点で、カルボキシル基が好ましく、重合性無機粒子分散剤が着色しづらい点でリン含有オキソ酸基が好ましい。
上記リン含有オキソ酸基は1価のリン含有オキソ酸であり、以下の構造を有する基が好ましい。
Figure 2013047786
Figure 2013047786
ここで、Rは特に限定されないが、水素原子、およびヘテロ原子を有してもよい炭化水素基が好ましい。ヘテロ原子を有してもよい炭化水素基の炭素数は、通常6以下、好ましくは4以下、より好ましくは3以下であり、通常1以上である。
ヘテロ原子を有してもよい炭化水素基の中でも、屈折率およびアッベ数の観点では、含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基または含硫黄環状脂肪族炭化水素基が好ましい。これらの含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基および含硫黄環状脂肪族炭化水素基は、硫黄以外の酸素または窒素などのヘテロ原子を含んでいてもよい。一方、合成の簡便さの点では、脂肪族炭化水素基が好ましい。中でも水素原子及び脂肪族炭化水素基が好ましく、水素原子が特に好ましい。
また、Rは特に限定されないが、水素原子、およびヘテロ原子を有してもよい炭化水素基が好ましい。ヘテロ原子を有してもよい炭化水素基の炭素数は、通常6以下、好ましくは4以下、より好ましくは3以下であり、通常1以上である。
ヘテロ原子を有してもよい炭化水素基の中でも、屈折率およびアッベ数の観点では、含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基または含硫黄環状脂肪族炭化水素基が好ましい。これらの含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基および含硫黄環状脂肪族炭化水素基には、硫黄以外の酸素または窒素などのヘテロ原子を含んでいてもよい。一方、合成の簡便さの点では、脂肪族炭化水素基が好ましい。中でも水素原子及び脂肪族炭化水素基が好ましく、水素原子が特に好ましい。
具体的には例えば、ホスホノオキシ基[−OPO(OH)]、ホスホノ基[−PO(OH)]が好ましく、ホスホノ基が最も好ましい。
硫黄含有オキソ酸基としては、例えば、スルホ基[−SO(OH)]、スルフィノ基[−SO(OH)]およびスルフェノ基(−SOH)が挙げられ、好ましくはスルホ基、スルフィノ基であり、さらに好ましくはスルホ基である。
は、無機粒子の凝集を抑制し、無機粒子の分散安定化作用に優れる点において、好ましくは、カルボキシル基またはリン含有オキソ酸基であり、より好ましくはリン含有オキソ酸基である。
(1−3)官能基Q
は、硫黄以外のヘテロ原子を含んでもよい(n1+m1)価の含硫黄脂肪族炭化水素基を表す。Qが含硫黄脂肪族炭化水素基を含むと、重合性無機粒子分散剤の高アッベ数化という点で好ましい。また、重合性無機粒子分散剤の安定性という点で、前記含硫黄脂肪族炭化水素基の中でも含硫黄飽和脂肪族炭化水素基が好ましい。
の分子量は、通常160以上、好ましくは170以上、より好ましくは180以上であり、通常2000以下、好ましくは1500以下、より好ましくは1300以下である。含硫黄脂肪族炭化水素基の分子量が、上記下限以上であると揮発性が低い点で好ましく、上記上限以下であると溶解性(相溶性)が優れる点で好ましい。
に含まれる硫黄原子の割合は、硫黄原子として通常20質量%以上であり、好ましくは30質量%以上、より好ましくは35質量%以上である。また、通常90質量%以下であり、好ましくは85質量%以下、より好ましくは80質量%以下である。含硫黄脂肪族炭化水素基に含まれる硫黄原子の割合が、上記下限以上であると、屈折率が向上する点で好ましく、上記上限以下であると、化合物の安定性が高い点で好ましい。
は硫黄原子以外のヘテロ原子を含んでもよい含硫黄脂肪族炭化水素基であるが、本発明において、含硫黄脂肪族炭化水素基とは、脂肪族炭化水素基を構成する炭素原子の少なくとも一つが硫黄原子に置換された基である。中でも、脂肪族炭化水素基を構成するメチレン基の少なくとも一つが硫黄原子を含む2価の基に置換された基が好ましい。
本発明において、硫黄原子以外のヘテロ原子を含んでもよいとは、含硫黄脂肪族炭化水素基を構成する炭素原子の一部を更に硫黄原子以外のヘテロ原子に置換されていてよいことを意味する。好ましくは含硫黄脂肪族炭化水素基を構成するメチレン基の一部を硫黄原子以外のヘテロ原子を含む2価の基に置換されていてよいことを意味する。
硫黄原子以外のヘテロ原子は限定されないが、好ましくは酸素原子、リン原子および窒素原子のいずれか1種または2種以上であり、より好ましくは酸素原子および/または窒素原子である。
脂肪族炭化水素基を構成する炭素原子の一部が、硫黄原子、及び任意にそれ以外のヘテロ原子で置換された構造としては、例えば、脂肪族炭化水素基の任意のメチレン基が硫黄原子を含む2価の基に置換された構造が挙げられる。硫黄原子を含む2価の基としては、例えば、スルフィド基、ジスルフィド基またはトリスルフィド基などの含硫黄基;スルホキシド基、スルホン基、チオエステル基、チオノエステル基またはチオカルボニル基などの含硫黄・酸素基;チオホスホノ基またはジチオホスホノ基などの含硫黄・リン基;チオアミド基またはチオウレア基などの含硫黄・含窒素基等が挙げられる。また、これらの構造に更に、カルボニル基またはエステル基などの含酸素基;以下例示される含酸素・リン基
Figure 2013047786
;以下例示される含窒素基、
Figure 2013047786
などのヘテロ原子を含む2価の基に置換された構造も挙げられる。
上記式中、Rは特に限定されないが、水素原子、およびヘテロ原子を有してもよい炭化水素基が挙げられる。ヘテロ原子を有してもよい炭化水素基の炭素数は、通常6以下、好ましくは4以下、より好ましくは3以下であり、通常1以上である。
ヘテロ原子を有してもよい炭化水素基の中でも、屈折率およびアッベ数の観点では、含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基または含硫黄環状脂肪族炭化水素基が好ましい。これらの含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基および含硫黄環状脂肪族炭化水素基には、硫黄以外の酸素または窒素などのヘテロ原子を含んでいてもよい。一方、合成の簡便さの点では、脂肪族炭化水素基が好ましい。中でも水素原子及び脂肪族炭化水素基が好ましく、水素原子が特に好ましい。
前記一般式(I)においてQで表される含硫黄脂肪族炭化水素基は、炭素数が通常3以上、より好ましくは4以上であり、通常20以下、好ましくは15以下、より好ましくは12以下の脂肪族炭化水素基に対し、その一部が硫黄原子および任意に硫黄原子以外のヘテロ原子で置換されている基、好ましくは該脂肪族炭化水素基を構成するメチレン基の一部が硫黄原子を含む2価の基および任意に硫黄原子以外のヘテロ原子を含む2価の基に置換された基が好ましい。
基本となる脂肪族炭化水素基は、鎖状構造、環状構造、または置換基として鎖状構造を有する環状構造のいずれでもよい。
鎖状構造の場合、上記炭素数の範囲を満たす直鎖または分岐の脂肪族炭化水素基が好ましく、一部に鎖状構造を有する環状構造の場合、含有する鎖状構造を構成する炭素数を含めて上記範囲内とすることが好ましい。
含硫黄脂肪族炭化水素基としては、含硫黄環状脂肪族炭化水素基および含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基が挙げられる。分子体積当たりの硫黄原子含有量を上げられるという点で含硫黄環状脂肪族炭化水素基が好ましい。以下、含硫黄環状脂肪族炭化水素基および含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基について詳細に説明する。
(1−3−1)含硫黄環状脂肪族炭化水素基
含硫黄環状脂肪族炭化水素基は、置換基として鎖状構造を有してよい。鎖状構造を有する場合はAおよび/またはBと鎖状構造を介して結合しても、鎖状構造を介さずに結合してもよいが、鎖状構造を介して結合する方が製造しやすい点で好ましい。
鎖状構造としては、酸素、窒素などのヘテロ原子を有していてもよい含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基が屈折率、アッベ数の両立の観点で好ましい。
含硫黄環状脂肪族炭化水素基の分子量は、置換基を有する場合には置換基を含めた分子量として、通常160以上、好ましくは170以上、より好ましくは180以上であり、通常2000以下、好ましくは1500以下、より好ましくは1300以下である。含硫黄環状脂肪族炭化水素基の分子量が、上記下限以上であると揮発性が低い点で好ましく、上記上限以下であると化合物の溶解性(相溶性)が優れる点で好ましい。
含硫黄環状脂肪族炭化水素基は、置換基を有する場合には置換基を含めた炭素数として、通常3以上、より好ましくは4以上であり、通常20以下、好ましくは15以下、より好ましくは12以下の脂肪族炭化水素基に対し、脂肪族炭化水素基を構成するメチレン基の一部が、硫黄原子を含む2価の基および任意に硫黄原子以外のヘテロ原子を含む2価の基で置換された基である。
含硫黄環状脂肪族炭化水素基に含まれる硫黄原子の割合は、硫黄原子として通常20質量%以上であり、好ましくは30質量%以上、より好ましくは35質量%以上である。また、通常90質量%以下であり、好ましくは85質量%以下、より好ましくは80質量%以下である。含硫黄環状脂肪族炭化水素基に含まれる硫黄原子の割合が、上記下限以上であると、高屈折率化という点で好ましく、上記上限以下であると、化合物の安定性が高いため好ましい。
含硫黄環状脂肪族炭化水素基の中でも、式(III)の構造で表される含硫黄環状脂肪族炭化水素基が好ましい。
Figure 2013047786
式(III)中、環Gは飽和3〜8員環の単環または橋架け環、あるいはこれらの環が2または3個結合してなる縮合環またはスピロ環を表し、環を形成するメチレン基の一部が硫黄原子を含む2価の基に置換されている。なお、環を形成するメチレン基の一部が、更に、酸素原子、窒素原子またはリン原子などのヘテロ原子を含む2価の基に置換されていてもよい。
Lは直接結合、スルフィド基、エーテル基、またはヘテロ原子を有してもよい脂肪族炭化水素基、を表し、1分子中に複数含まれるLは同一であっても異なるものであってもよい。tは(n1+m1)(但し、m1およびn1は前記式(I)におけると同義)である。なお、Qが式(III)の構造で表される含硫黄環状脂肪族炭化水素基である無機粒子分散剤は新規化合物の中でも好ましい化合物である。
・環G
環Gは飽和3〜8員環の単環または橋架け環、あるいはこれらの環が2または3個結合してなる縮合環またはスピロ環を表し、環を形成するメチレン基の一部が硫黄原子を含む2価の基に置換されている。なお、環を形成するメチレン基の一部が、更に、酸素原子、窒素原子またはリン原子などのヘテロ原子を含む2価の基に置換されていてもよい。
前記単環としては、例えば、チイラン(但し、Aがチイラン基である場合を除く)、ジチイラン、チエタン、1,2−ジチエタン、1,3−ジチエタン、トリチエタン、チオラン、1,2−ジチオラン、1,3−ジチオラン、1,2,3−トリチオラン、1,2,4−トリチオラン、テトラチオラン、下記に示す構造の含硫黄環状脂肪族炭化水素、1,2−ジチアン、1,3−ジチアン、1,4−ジチアン、1,2,3−トリチアン、1,2,4−トリチアン、1,3,5−トリチアン、1,2,3,4−テトラチアン、1,2,4,5−テトラチアン、ビス(1,2,3,5,6−ペンタチエパノ)メタン、トリス(1,2,3,5,6−ペンタチエパノ)メタン、チエパン、1,2−ジチエパン、1,3−ジチエパン、1,4−ジチエパン、1,2,3−トリチエパン、1,2,4−トリチエパン、1,2,5−トリチエパン、1,3,5−トリチエパン、1,2,3,4−テトラチエパン、1,2,3,5−テトラチエパン、1,2,4,5−テトラチエパン、1,2,4,6−テトラチエパン、1,2,3,4,5−ペンタチエパン、1,2,3,4,6−ペンタチエパン、1,2,3,5,6−ペンタチエパンおよびヘキサチエパン等が挙げられる。
Figure 2013047786
前記橋架け環としては、例えば、下記に示す構造の含硫黄環状脂肪族炭化水素が挙げられる。
Figure 2013047786
上記の、これらの環が2または3個結合してなる縮合環としては、例えば、下記に示す構造の含硫黄環状脂肪族炭化水素が挙げられる。
Figure 2013047786
上記の、これらの環が2または3個結合してなるスピロ環としては、例えば、1,4−ジチアスピロ[4.5]デカン、1,5−ジチアスピロ[5.5]ウンデカン、2,4,8,10−テトラチアサスピロ[5.5]ウンデカン、および下記に示す構造の含硫黄環状脂肪族炭化水素が挙げられる。
Figure 2013047786
中でも、該含硫黄環状脂肪族炭化水素が、ジチアン環、ジチオラン環、トリチオラン環、チアスピロ環、ジチアスピロ環、トリチアスピロ環、テトラチアスピロ環、ジチエタン環、チイラン環、およびチオラン環の少なくとも一つを含むことが、分子体積当たりの硫黄原子含有量を上げられるという点で好ましい。
また、下記に示す構造の含硫黄環状脂肪族炭化水素は工業的に製造しやすく、化合物として安定しており、光学特性が出やすい点で好ましい。
Figure 2013047786
更に、下記に示す構造の含硫黄環状脂肪族炭化水素基は、硫黄原子を効率的に導入でき、光学特性を制御しやすい点で好ましい。
Figure 2013047786
・L
Lは直接結合、スルフィド基、エーテル基、またはヘテロ原子を有してもよい脂肪族炭化水素基、を表し、1分子中に複数含まれるLは同一であっても異なるものであってもよい。ヘテロ原子を有してもよい脂肪族炭化水素基の炭素数は、通常1以上であり、通常6以下、好ましくは5以下、より好ましくは4以下、さらに好ましくは3以下である。
製造のしやすさや、化合物の安定性の点からヘテロ原子を有してもよい炭化水素基が好ましい。ヘテロ原子を有してもよい炭化水素基としては、ヘテロ原子を有してもよい脂肪族炭化水素基が好ましく、硫黄以外のヘテロ原子を有してもよい含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基がより好ましく、以下(1−3−2)の含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基がさらに好ましい。
含硫黄環状脂肪族炭化水素基の環状構造がAと結合する場合には、Lが−C−S−、−C−C−S−、−C−O−、または−C−C−O−の構造を有するのが好ましい。また、含硫黄環状脂肪族炭化水素基の環状構造がBと結合する場合にはLが−C−S−、−C−C−S−、−C−S−C−、−C−、−C−O−、−C−C−O−、または−C−O−C−の構造を有するのが好ましい。なお、これらの表記は左側が環状構造との結合部位を、右側がAまたはBとの結合部位を表す。
これらの中でも、硫黄原子の含有量を上げるためには炭素数が少ない方が好ましい。また、環状構造に含まれる硫黄原子と置換基に含まれる硫黄原子とがチオアセタール構造を形成しない構造が、化合物が安定なため好ましい。
の好ましい具体例として、以下の構造が挙げられる。
Figure 2013047786
(1−3−2)含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基
含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基の分子量は、置換基を有する場合には置換基を含めた分子量として、通常60以上、好ましくは80以上、より好ましくは90以上であり、通常1000以下、好ましくは500以下、より好ましくは300以下である。含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基の分子量が、上記下限以上であると揮発性が低い点で好ましく、上記上限以下であると溶解性(相溶性)が優れる点で好ましい。
含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基は、置換基を有する場合には置換基を含めた炭素数として、通常1以上、好ましくは2以上、より好ましくは3以上であり、通常20以下、好ましくは15以下、より好ましくは10以下の脂肪族炭化水素基に対し、脂肪族炭化水素基を構成するメチレン基の一部が硫黄原子および任意に硫黄原子のヘテロ原子で置換されている基が好ましい。
含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基に含まれる硫黄原子の割合は、硫黄原子として通常20質量%以上であり、好ましくは30質量%以上、より好ましくは35質量%以上である。また、通常90質量%以下であり、好ましくは85質量%以下、より好ましくは80質量%以下である。
含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基に含まれる硫黄原子の割合が、上記下限以上であると、無機粒子分散剤の高屈折率化と高アッベ数の両立という点で好ましく、上記上限以下であると、無機粒子分散剤の着色が少なくなるという点で好ましい。含硫黄脂肪族炭化水素基が含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基であると、溶解性や硬化物への柔軟性の付与がしやすい点で好ましい。
含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基の中でも、式(IV)の構造で表される含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基が好ましい。
−[S]−[CR−[E]− ・・・(IV)
式(IV)において、Rは水素原子またはヘテロ原子を含んでいてよい炭化水素基を表し、Eは酸素原子を表す。pは1〜3の整数を表す。qは1〜3の整数を表す。rは0または1を表す。1分子中に含まれる複数のRは、同一であっても異なるものであってもよい。式(IV)におけるS、CR、Eの結合順序は任意である。ヘテロ原子を有してもよい炭化水素基の炭素数は、通常6以下、好ましくは4以下、より好ましくは3以下であり、通常1以上である。ヘテロ原子を有してもよい炭化水素基の中でも、屈折率およびアッベ数の観点では、含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基または含硫黄環状脂肪族炭化水素基が好ましい。これらの含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基および含硫黄環状脂肪族炭化水素基には、硫黄以外の酸素または窒素などのヘテロ原子を含んでいてもよい。一方、合成の簡便さの点では、脂肪族炭化水素基が好ましい。中でも水素原子及び脂肪族炭化水素基が好ましく、水素原子が特に好ましい。
含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基の具体例としては、−S−C−C−S−C−O−、又は−S−C−C−O−の構造を有する基、エチレンチオ基、エチレンチオエチレン基、メチレンジチオ基、メチレントリチオ基、および下記に示す基が挙げられるが、これらに限定されるものではない。なお、下記構造式において、波線が付いた直線部分がAまたはBとの結合部位である。
Figure 2013047786
これらの中でも、エチレンチオ基、エチレンチオエチレン基、および以下に示す基が好ましい。
Figure 2013047786
本発明の重合性無機粒子分散剤が、このようなへテロ原子含有炭化水素基Qを有することにより、所望の分散媒体に無機粒子を透明に、かつ、安定に分散させることが可能になり、また、無機粒子が有する高い屈折率を維持したまま、高いアッベ数も有し、無機粒子による高屈折率領域での屈折率制御とアッベ数制御が可能となる。
<n1,m1>
前記式(I)において、n1およびm1は、それぞれ独立して、1〜10の整数を表し、好ましくは1〜6の整数、さらに好ましくは1〜3の整数である。n1およびm1は、1以上であることが必要であるが、過度に大きいと重合性無機粒子分散剤の屈折率が低下するため好ましくない。
n1とm1の比率は、m1に対するn1の比率が通常0.1以上、好ましくは0.2以上、より好ましくは0.3以上、更に好ましくは0.5以上であり、通常10以下、好ましくは5以下、より好ましくは3以下、更に好ましくは2以下である。特に好ましくは1である。
式(I)で表される化合物の好ましい具体例として、以下の化合物が挙げられる。
Figure 2013047786
Figure 2013047786
Figure 2013047786
(2)式(II)で表される化合物
{(An2−Qm2−B ・・・(II)
式(II)において、Aは、重合性官能基を表し、Bは、m2価のリン含有オキソ酸基を表し、Qは、硫黄以外のヘテロ原子を含んでもよい(n2+1)価の含硫黄脂肪族炭化水素基を表す。n2は、1〜10の整数を表す。m2は、2〜5の整数を表す。なお、1分子中に複数個存在するAまたはQは各々同一であっても異なるものであってもよい。
以下、式(II)で表される化合物に含まれる官能基A,B,Qについて説明する。
(2−1)官能基A
は、1価の重合性官能基であり、通常、紫外線(UV)若しくは電子線などの活性エネルギー線、または熱などで開始剤の存在下に、単独重合可能な官能基であれば特に制限はなく、具体的には、例えば、(メタ)アクリル基、オキシラン基、チイラン基またはイソシアネート基などが挙げられる。このうち、生産性または微細加工が可能といった観点からは、UVまたは電子線で重合可能な官能基であることが好ましく、特に(メタ)アクリル基が好ましい。
重合性無機粒子分散剤中に重合性官能基Aを有することにより、開始剤の存在下、重合性無機粒子分散剤単独で重合することができるだけではなく、光硬化性樹脂との配合組成物の一部として重合される場合に、無機粒子の析出防止、分散不良防止、機械的強度低下の防止などの作用効果を得ることができる。
(2−2) 官能基B
は、m2価のリン含有オキソ酸基を表す。m2は2〜5の整数である。
m2価のリン含有オキソ酸基としては、例えば、以下の構造を有するものが挙げられる。
Figure 2013047786
上記式(P)中、xは2以上5以下の整数である。
式(P)の構造として具体的には、以下の構造が挙げられる。
Figure 2013047786
m2価のリン含有オキソ酸基は、硫黄原子を含んでもよい。例えば、以下の構造を有するものが挙げられる。
Figure 2013047786
なお、BはQ以外の任意の置換基と結合してもよい。任意の置換基としては、例えば、水素原子、ヘテロ原子を有してもよい炭化水素基などが挙げられる。ヘテロ原子を有してもよい炭化水素基の炭素数は、通常6以下、好ましくは4以下、より好ましくは3以下であり、通常1以上である。ヘテロ原子を有してもよい炭化水素基の中でも、屈折率およびアッベ数の観点では、含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基または含硫黄環状脂肪族炭化水素基が好ましい。これらの含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基および含硫黄環状脂肪族炭化水素基には、硫黄以外の酸素または窒素などのヘテロ原子を含んでいてもよい。一方、合成の簡便さの点では、脂肪族炭化水素基が好ましい。中でも水素原子及び脂肪族炭化水素基が好ましく、水素原子が特に好ましい。
(2−3)官能基Q
は、硫黄以外のヘテロ原子を含んでもよい(n2+1)価の含硫黄脂肪族炭化水素基を表す。Qが含硫黄脂肪族炭化水素基を含むと、重合性無機粒子分散剤の高アッベ数化という点で好ましい。また、重合性無機粒子分散剤の安定性という点で、前記含硫黄脂肪族炭化水素基の中でも含硫黄飽和脂肪族炭化水素基が好ましい。
の分子量は、通常160以上、好ましくは170以上、より好ましくは180以上であり、通常2000以下、好ましくは1500以下、より好ましくは1300以下である。含硫黄脂肪族炭化水素基の分子量が、上記下限以上であると揮発性が低い点で好ましく、上記上限以下であると溶解性(相溶性)が優れる点で好ましい。
に含まれる硫黄原子の割合は、硫黄原子として通常20質量%以上であり、好ましくは30質量%以上、より好ましくは35質量%以上である。また、通常90質量%以下であり、好ましくは85質量%以下、より好ましくは80質量%以下である。含硫黄脂肪族炭化水素基に含まれる硫黄原子の割合が、上記下限以上であると、屈折率が向上する点で好ましく、上記上限以下であると、化合物の安定性が高い点で好ましい。
は硫黄原子以外のヘテロ原子を含んでもよい含硫黄脂肪族炭化水素基であるが、該含硫黄脂肪族炭化水素基とは、脂肪族炭化水素基を構成する炭素原子の少なくとも一つが硫黄原子に置換された基である。中でも、脂肪族炭化水素基を構成するメチレン基の少なくとも一つが硫黄原子を含む2価の基に置換された基が好ましい。
また、硫黄原子以外のヘテロ原子を含んでもよいとは、含硫黄脂肪族炭化水素基を構成する炭素原子の一部を更に硫黄原子以外のヘテロ原子に置換されていてよいことを意味する。好ましくは含硫黄脂肪族炭化水素基を構成するメチレン基の一部を硫黄原子以外のヘテロ原子を含む2価の基に置換されていてよいことを意味する。
硫黄原子以外のヘテロ原子は限定されないが、好ましくは酸素原子、リン原子および窒素原子のいずれか1種または2種以上であり、より好ましくは酸素原子および/または窒素原子である。
脂肪族炭化水素基を構成する炭素原子の一部が、硫黄原子、及び任意にそれ以外のヘテロ原子で置換された構造としては、例えば、脂肪族炭化水素基の任意のメチレン基が硫黄原子を含む2価の基に置換された構造が挙げられる。硫黄原子を含む2価の基としては、例えば、スルフィド基、ジスルフィド基またはトリスルフィド基などの含硫黄基;スルホキシド基、スルホン基、チオエステル基、チオノエステル基またはチオカルボニル基などの含硫黄・酸素基;チオホスホノ基またはジチオホスホノ基などの含硫黄・リン基;チオアミド基またはチオウレア基などの含硫黄・含窒素基等が挙げられる。また、これらの構造に更に、カルボニル基またはエステル基などの含酸素基;以下例示される含酸素・リン基
Figure 2013047786
;以下例示される含窒素基、
Figure 2013047786
などのヘテロ原子を含む2価の基に置換された構造も挙げられる。
上記式中、Rは特に限定されないが、水素原子、およびヘテロ原子を有してもよい炭化水素基が挙げられる。ヘテロ原子を有してもよい炭化水素基の炭素数は、通常6以下、好ましくは4以下、より好ましくは3以下であり、通常1以上である。
ヘテロ原子を有してもよい炭化水素基の中でも、屈折率およびアッベ数の観点では、含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基または含硫黄環状脂肪族炭化水素基が好ましい。これらの含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基および含硫黄環状脂肪族炭化水素基には、硫黄以外の酸素または窒素などのヘテロ原子を含んでいてもよい。一方、合成の簡便さの点では、脂肪族炭化水素基が好ましい。中でも水素原子及び脂肪族炭化水素基が好ましく、水素原子が特に好ましい。
前記一般式(II)においてQで表される含硫黄脂肪族炭化水素基は、炭素数が通常3以上、より好ましくは4以上であり、通常20以下、好ましくは15以下、より好ましくは12以下の脂肪族炭化水素基に対し、その一部が硫黄原子および任意に硫黄原子以外のヘテロ原子で置換されている基、好ましくは該脂肪族炭化水素基を構成するメチレン基の一部が硫黄原子を含む2価の基および任意に硫黄原子以外のヘテロ原子を含む2価の基に置換された基を表す。
基本となる脂肪族炭化水素基は、鎖状構造、環状構造、または置換基として鎖状構造を有する環状構造のいずれでもよい。
鎖状構造の場合、上記炭素数の範囲を満たす直鎖または分岐の脂肪族炭化水素基が好ましく、一部に鎖状構造を有する環状構造の場合、含有する鎖状構造を構成する炭素数を含めて上記範囲内とすることが好ましい。
含硫黄脂肪族炭化水素基としては、含硫黄環状脂肪族炭化水素基および含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基が挙げられる。分子体積当たりの硫黄原子含有量を上げられるという点で含硫黄環状脂肪族炭化水素基が好ましい。以下、含硫黄環状脂肪族炭化水素基および含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基について詳細に説明する。
(2−3−1)含硫黄環状脂肪族炭化水素基
含硫黄環状脂肪族炭化水素基は、置換基として鎖状構造を有してよい。鎖状構造を有する場合はAおよび/またはBと鎖状構造を介して結合しても、鎖状構造を介さずに結合してもよいが、鎖状構造を介して結合する方が製造しやすい点で好ましい。
鎖状構造としては、酸素、窒素などのヘテロ原子を有していてもよい含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基が屈折率、アッベ数の両立の観点で好ましい。含硫黄環状脂肪族炭化水素基の分子量は、置換基を有する場合には置換基を含めた分子量として、通常160以上、好ましくは170以上、より好ましくは180以上であり、通常2000以下、好ましくは1500以下、より好ましくは1300以下である。含硫黄環状脂肪族炭化水素基の分子量が、上記下限以上であると揮発性が低い点で好ましく、上記上限以下であると溶解性(相溶性)が優れる点で好ましい。
含硫黄環状脂肪族炭化水素基は、置換基を有する場合には置換基を含めた炭素数として、通常3以上、より好ましくは4以上であり、通常20以下、好ましくは15以下、より好ましくは12以下の脂肪族炭化水素基に対し、脂肪族炭化水素基を構成するメチレン基の一部が、硫黄原子を含む2価の基および任意に硫黄原子以外のヘテロ原子を含む2価の基で置換された基が好ましい。
含硫黄環状脂肪族炭化水素基に含まれる硫黄原子の割合は、硫黄原子として通常20質量%以上であり、好ましくは30質量%以上、より好ましくは35質量%以上である。また、通常90質量%以下であり、好ましくは85質量%以下、より好ましくは80質量%以下である。含硫黄環状脂肪族炭化水素基に含まれる硫黄原子の割合が、上記下限以上であると、高屈折率化という点で好ましく、上記上限以下であると、化合物の安定性が高いため好ましい。
含硫黄環状脂肪族炭化水素基の中でも、式(III)の構造で表される含硫黄環状脂肪族炭化水素基が好ましい。
Figure 2013047786
式(III)中、環Gは飽和3〜8員環の単環または橋架け環、あるいはこれらの環が2または3個結合してなる縮合環またはスピロ環を表し、環を形成するメチレン基の一部が硫黄原子を含む2価の基に置換されている。なお、環を形成するメチレン基の一部が、更に、酸素原子、窒素原子またはリン原子などのヘテロ原子を含む2価の基に置換されていてもよい。
Lは直接結合、スルフィド基、エーテル基、またはヘテロ原子を有してもよい脂肪族炭化水素基、を表し、1分子中に複数含まれるLは同一であっても異なるものであってもよい。tは(n1+m1)(但し、m1およびn1は前記式(I)におけると同義)である。なお、Qが式(III)の構造で表される含硫黄環状脂肪族炭化水素基である無機粒子分散剤は新規化合物の中でも好ましい化合物である。
・環G
環Gは飽和3〜8員環の単環または橋架け環、あるいはこれらの環が2または3個結合してなる縮合環またはスピロ環を表し、環を形成するメチレン基の一部が硫黄原子を含む2価の基に置換されている。なお、環を形成するメチレン基の一部が、更に、酸素原子、窒素原子またはリン原子などのヘテロ原子を含む2価の基に置換されていてもよい。
前記単環としては、例えば、チイラン(但し、Aがチイラン基である場合を除く)、ジチイラン、チエタン、1,2−ジチエタン、1,3−ジチエタン、トリチエタン、チオラン、1,2−ジチオラン、1,3−ジチオラン、1,2,3−トリチオラン、1,2,4−トリチオラン、テトラチオラン、下記に示す構造の含硫黄環状脂肪族炭化水素、1,2−ジチアン、1,3−ジチアン、1,4−ジチアン、1,2,3−トリチアン、1,2,4−トリチアン、1,3,5−トリチアン、1,2,3,4−テトラチアン、1,2,4,5−テトラチアン、ビス(1,2,3,5,6−ペンタチエパノ)メタン、トリス(1,2,3,5,6−ペンタチエパノ)メタン、チエパン、1,2−ジチエパン、1,3−ジチエパン、1,4−ジチエパン、1,2,3−トリチエパン、1,2,4−トリチエパン、1,2,5−トリチエパン、1,3,5−トリチエパン、1,2,3,4−テトラチエパン、1,2,3,5−テトラチエパン、1,2,4,5−テトラチエパン、1,2,4,6−テトラチエパン、1,2,3,4,5−ペンタチエパン、1,2,3,4,6−ペンタチエパン、1,2,3,5,6−ペンタチエパンおよびヘキサチエパン等が挙げられる。
Figure 2013047786
前記橋架け環としては、例えば、下記に示す構造の含硫黄環状脂肪族炭化水素が挙げられる。
Figure 2013047786
上記の、これらの環が2または3個結合してなる縮合環としては、例えば、下記に示す構造の含硫黄環状脂肪族炭化水素が挙げられる。
Figure 2013047786
上記の、これらの環が2または3個結合してなるスピロ環としては、例えば、1,4−ジチアスピロ[4.5]デカン、1,5−ジチアスピロ[5.5]ウンデカン、2,4,8,10−テトラチアサスピロ[5.5]ウンデカン、および下記に示す構造の含硫黄環状脂肪族炭化水素が挙げられる。
Figure 2013047786
また、該含硫黄環状脂肪族炭化水素が、ジチアン環、ジチオラン環、トリチオラン環、チアスピロ環、ジチアスピロ環、トリチアスピロ環、テトラチアスピロ環、ジチエタン環、チイラン環、およびチオラン環の少なくとも一つを含むことが、分子体積当たりの硫黄原子含有量を上げられるという点で好ましい。
中でも、下記に示す構造の含硫黄環状脂肪族炭化水素基は工業的に製造しやすく、化合物として安定しており、光学特性が出やすい点で好ましい。
Figure 2013047786
更に、下記に示す構造の含硫黄環状脂肪族炭化水素基は、硫黄原子を効率的に導入でき、光学特性を制御しやすい点で好ましい。
Figure 2013047786
・L
Lは直接結合、スルフィド基、エーテル基、ヘテロ原子を有してもよい脂肪族炭化水素基、を表し、1分子中に複数含まれるLは同一であっても異なるものであってもよい。ヘテロ原子を有してもよい脂肪族炭化水素基の炭素数は、通常1以上であり、通常6以下、好ましくは5以下、より好ましくは4以下、さらに好ましくは3以下である。
製造のしやすさや、化合物の安定性の点からヘテロ原子を有してもよい炭化水素基が好ましい。ヘテロ原子を有してもよい炭化水素基としては、ヘテロ原子を有してもよい脂肪族炭化水素基が好ましく、硫黄以外のヘテロ原子を有してもよい含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基がより好ましく、以下(2−3−2)の含硫黄脂肪族炭化水素基がさらに好ましい。
含硫黄環状脂肪族炭化水素基の環状構造がAと結合する場合には、Lが−C−S−、−C−C−S−、−C−O−、または−C−C−O−の構造を有するのが好ましい。また、含硫黄環状脂肪族炭化水素基の環状構造がBと結合する場合にはLが−C−S−、−C−C−S−、−C−S−C−、−C−、−C−O−、−C−C−O−、または−C−O−C−の構造を有するのが好ましい。なお、これらの表記は左側が環状構造との結合部位を、右側がAまたはBとの結合部位を表す。
これらの中でも、硫黄原子の含有量を上げるためには炭素数が少ない方が好ましい。また、環状構造に含まれる硫黄原子と置換基に含まれる硫黄原子とがチオアセタール構造を形成しない構造が、化合物が安定なため好ましい。
の好ましい具体例として、以下の構造が挙げられる。
Figure 2013047786
(2−3−2)含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基
含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基の分子量は、置換基を有する場合には置換基を含めた分子量として、通常60以上、好ましくは80以上、より好ましくは90以上であり、通常1000以下、好ましくは500以下、より好ましくは300以下である。含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基の分子量が、上記下限以上であると揮発性が低い点で好ましく、上記上限以下であると溶解性(相溶性)が優れる点で好ましい。
含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基は、置換基を有する場合には置換基を含めた炭素数として、通常1以上、好ましくは2以上、より好ましくは3以上であり、通常20以下、好ましくは15以下、より好ましくは10以下の脂肪族炭化水素骨格に対し、その一部が硫黄原子および任意に硫黄原子のヘテロ原子で置換されている基が好ましい。
含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基に含まれる硫黄原子の割合は、硫黄原子として通常20質量%以上であり、好ましくは30質量%以上、より好ましくは35質量%以上である。また、通常90質量%以下であり、好ましくは85質量%以下、より好ましくは80質量%以下である。
含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基に含まれる硫黄原子の割合が、上記下限以上であると、無機粒子分散剤の高屈折率化と高アッベ数の両立という点で好ましく、上記上限以下であると、無機粒子分散剤の着色が少なくなるという点で好ましい。含硫黄脂肪族炭化水素基が含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基であると、溶解性や硬化物への柔軟性の付与がしやすい点で好ましい。
含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基の中でも、式(IV)の構造で表される含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基が好ましい。
−[S]−[CR−[E]− ・・・(IV)
式(IV)において、Rは水素原子またはヘテロ原子を含んでいてよい炭化水素基を表し、Eは酸素原子を表す。pは1〜3の整数を表す。qは1〜3の整数を表す。rは0または1を表す。1分子中に含まれる複数のRは、同一であっても異なるものであってもよい。式(IV)におけるS、CR、Eの結合順序は任意である。ヘテロ原子を有してもよい炭化水素基の炭素数は、通常6以下、好ましくは4以下、より好ましくは3以下であり、通常1以上である。ヘテロ原子を有してもよい炭化水素基の中でも、屈折率およびアッベ数の観点では、含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基または含硫黄環状脂肪族炭化水素基が好ましい。これらの含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基および含硫黄環状脂肪族炭化水素基には、硫黄以外の酸素または窒素などのヘテロ原子を含んでいてもよい。一方、合成の簡便さの点では、脂肪族炭化水素基が好ましい。中でも水素原子及び脂肪族炭化水素基が好ましく、水素原子が特に好ましい。
含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基の具体例としては、−S−C−C−S−C−O−、又は−S−C−C−O−の構造を有する基、エチレンチオ基、エチレンチオエチレン基、メチレンジチオ基、メチレントリチオ基、および下記に示す基が挙げられるが、これらに限定されるものではない。なお、下記構造式において、波線が付いた直線部分がAまたはBとの結合部位である。
Figure 2013047786
これらの中でも、エチレンチオ基、エチレンチオエチレン基、および以下に示す基が好ましい。
Figure 2013047786
本発明の重合性無機粒子分散剤が、このようなQを有することにより、所望の分散媒体に無機粒子を透明に、かつ、安定に分散させることが可能になり、また、無機粒子が有する高い屈折率を維持したまま、高いアッベ数も有し、無機粒子による高屈折率領域での屈折率制御とアッベ数制御が可能となる。
<n2,m2>
前記式(II)において、n2は、1〜10の整数を表し、好ましくは1〜6の整数、さらに好ましくは1〜3の整数である。m2は2〜10の整数を表し、好ましくは2〜6の整数、さらに好ましくは2〜3の整数である。n2およびm2は、1以上であることが必要であるが、過度に大きいと重合性無機粒子分散剤の屈折率が低下するため好ましくない。
式(II)で表される化合物の好ましい具体例として、以下の化合物が挙げられる。
Figure 2013047786
3.重合性無機粒子分散剤の物性
(1)屈折率
本発明の重合性無機粒子分散剤は、通常屈折率が1.62以上であり、好ましくは1.65以上、より好ましくは1.7以上である。屈折率の上限は特に限定はないが、通常2.0以下である。屈折率が1.62以上であることにより、無機有機複合粒子とした場合の見かけの屈折率が低下するのを抑制し、無機有機複合材としてnd=1.65以上の高屈折率範囲で屈折率の広範囲な制御が容易となる。なお、本明細書において、重合性無機粒子分散剤、無機有機複合粒子の光学特性を記載した場合は、これらを用いて製造した無機有機樹脂複合材の光学特性を指す。
このような高屈折率の範囲で屈折率制御が必要な理由として、例えば、反射防止用途で使用する場合の最低反射率をより低くすることが出来るということがある。すなわち、各種基材の反射防止技術としては、基材に対して低屈折率の膜を成膜し、低屈折率層表面の反射光と基材との界面での反射光の位相を逆転させて打ち消すことが行われている。
しかしながら、現状では、低屈折率層だけの単独膜では、反射を完全に防止できていない。これは、基材の屈折率と低屈折率層の屈折率に依存するが、例えば、基材の屈折率が1.63の場合、完全に反射を防止するためには、屈折率で1.28程度の低屈折率膜を成膜しなければならないからであり、高分子単独でこのような低屈折率膜を成形し得る材料はいまだ存在しない。
一方で、より反射を防止するための方法として、低屈折率と高屈折率の材料を積層することで広い波長範囲で反射を防止出来ることが知られている。この際、基材と低屈折率層の間に高屈折率層を挟むことになるが、基材の屈折率と低屈折率層の屈折率は様々であるために、挟みこむ高屈折率層もそれらに合わせた屈折率制御が必要となっている。
例えば、低屈折率層として現状入手可能な屈折率1.4程度の低屈折率膜を用い、基材として屈折率1.5程度の基材を用いた場合、反射防止効果を得るためには、挟み込む高屈折率層の屈折率は1.6〜1.7が必要である。従って、屈折率を調整できる範囲としては、少なくとも1.6以上、より好ましくは1.62以上は必要である。
重合性無機粒子分散剤の屈折率を1.62以上にするためには、重合性無機粒子分散剤の中に高屈折率化に寄与する原子、または官能基が含まれている方が好ましい。高屈折率化に寄与する原子、または官能基としては、硫黄原子、フッ素を除くハロゲン原子、窒素原子、フェニル基などが挙げられるが、高いアッベ数の観点から、ハロゲン原子やフェニル基は好ましくなく、硫黄原子を有することが好ましい。
<屈折率の測定方法>
屈折率の測定方法としては、通常、市販のアッベ計による直接測定のほか、特に薄膜状のサンプルでは、分光膜厚計を用いた膜厚測定による反射率を各波長で測定して屈折率を求める方法、エリプソメーターによる光のp偏向とs偏向の位相差Δおよび反射振幅比角φの測定から各光学モデルを用いて解析する方法などが挙げられるが、本発明における屈折率は、分光膜厚計で測定された値をいう。
分光膜厚計で屈折率を測定する場合、測定値をcauchyモデルでフィッティングすることで各波長(486nm(F線)、587nm(d線)、656nm(C線)での屈折率n、n、nを算出することができる。
本発明の重合性無機粒子分散剤の屈折率は、後述の実施例の項に記載されるように、重合性無機粒子分散剤を1〜10質量%含む溶液に、後述の重合開始剤を0.001〜1質量%添加して得られる組成物を用いて薄膜を形成し、この薄膜に紫外線を照射して得られる硬化膜に対して測定される。
本発明において、屈折率は、nをさすが、屈折率n、nについても1.62以上であることが好ましい。
(2)アッベ数
本発明の重合性無機粒子分散剤は、アッベ数が40以上であり、好ましくは45以上、より好ましくは50以上である。重合性無機粒子分散剤のアッベ数が40より小さいと、無機粒子と複合化した場合に高屈折率と高アッベ数の両立が困難となるため好ましくない。また、該分散剤を用いて無機有機複合粒子を作製し、無機有機樹脂複合材とした場合に、複合材に高アッベ数を付与する効果が小さくなるため好ましくない。アッベ数の上限は特に限定はないが、通常60以下である。
ここで、屈折率と化合物の分子構造を特徴付けるLorentz−Lorentzの式が知られている。これによればポリマーの屈折率は、その繰り返し単位の分子体積Vと分子屈折[R]とから下記式(1)で表される。
n=√(2[R]/V+1)/(1−[R]/V) (1)
一方、アッベ数νは、前述のC線(656nm)、d線(587nm)、F線(486nm)に対する屈折率をそれぞれn、n、nとした時、下記式(2)で表される。
ν=(n−1)/(n−n) (2)
化学便覧に記載されている、原子分散の値を用いて、上記(1)、(2)式からアッベ数νは、分子分散を[ΔR]として、下記の式で表される。
ν=6n/(n +2)(n+1)×[R]/[ΔR] (3)
ここで、分子分散は分子を構成する原子分散の和である。従って、樹脂で高アッベ数を得るには、原子分散[R]が大きく、分子分散[ΔR]が小さい原子を多く含むことが必要であり、Fを除くハロゲン原子や硫黄原子([R]が大きく、[ΔR]が小さい)が最適である。
このなかで、ハロゲン原子は、環境問題などの観点から使用を制限される傾向にあり、また、有害性もあるため、アッベ数を高くするためには、硫黄原子が好ましく用いられる。このため、本発明の重合性無機粒子分散剤におけるQとしては、硫黄原子を含むものが好適である。
4.重合性無機粒子分散剤の製造方法
本発明の重合性無機粒子分散剤であるA、BおよびQからなる化合物の製造方法は、A、BおよびQが結合した構造が得られる方法であれば特に限定されず、公知の基であるA、B、Qを、公知の方法により結合して得ることができる。
具体的には、AとQとを結合してA−Qの構造の化合物を得た後、該A−Qの構造の化合物のQにBを結合してもよいし、BとQとを結合してQ−Bの構造の化合物を得た後、該Q−Bの構造の化合物のQにAを結合してもよい。
なお、Bが2価以上の価数である場合、AとQとの結合を先に行う方が製造が容易であるため好ましい。また、Bは極性が高い基であり、反応生成物の精製が困難な点でも、AとQとの結合を先に行う方が好ましい。
AとBとの結合を形成する場合には、一方をQと結合した後、他方を結合するのが好ましい。
以下、AとQ、QとB、およびAとBとの結合方法を説明する。
(1)AとQとを結合する方法
重合性官能基Aとして具体的には、(メタ)アクリル基、オキシラン基、チイラン基、イソシアネート基などが挙げられるが、以下、例として本発明で好ましく用いられる重合性官能基である(メタ)アクリル基を例にとって、Qとの連結方法について説明する。
(メタ)アクリル基を導入する方法としては、(メタ)アクリル酸誘導体と水酸基またはメルカプト基とを反応させる方法が最も一般的である。すなわち、あらかじめ水酸基またはメルカプト基を配した、硫黄以外のヘテロ原子を含んでもよい2価以上の含硫黄脂肪族炭化水素基Qに、(メタ)アクリル酸誘導体を、適当な触媒または反応試剤の存在下反応させることで得ることができる。
上記方法で使用する「あらかじめ用意された水酸基またはメルカプト基」は、前述の式(III)におけるLまたは式(IV)におけるEの一部を構成する酸素原子または硫黄原子となってもよい。具体的には以下に示す方法1から5が例示される。
方法1:(メタ)アクリル酸誘導体として(メタ)アクリル酸とQの水酸基とをエステル化反応する方法
(メタ)アクリル酸と水酸基との反応例は日本国特開2011−201937号公報、日本国特開2012−36138号公報等に示されている。
方法2:(メタ)アクリル酸誘導体として(メタ)アクリル酸メチルなどのエステルを用いたエステル交換反応により(メタ)アクリル基を導入する方法
エステルと水酸基との反応例は、日本国特開2011−201937号公報、日本国特開平1−258642号公報、日本国特開平4−66555号公報等に示されている。
方法3:(メタ)アクリル酸誘導体として、(メタ)アクリル酸クロライドなどの酸ハライドを用いてエステル化を行うことにより(メタ)アクリル基を導入する方法
酸ハライドと水酸基との反応例は日本国特開2011−201937号公報、日本国特開2000−119220号公報等に、酸ハライドとメルカプト基との反応例は日本国特開平2−3675号公報、日本国特開平2−229808号公報、日本国特開平3−11054号公報等に示されている。
方法4:(メタ)アクリル酸誘導体として(メタ)アクリル酸無水物を用いる方法
(メタ)アクリル酸無水物と水酸基との反応例は、日本国特開平2−229808号公報、日本国特開平3−11054号公報等に示されている。(メタ)アクリル酸無水物とメルカプト基との反応例は日本国特開平11−35522号公報に示されている。
方法5:3−ハロプロピオン酸ハライドを水酸基またはメルカプト基と反応させ、得られる3−ハロプロピオン酸エステルを脱ハロゲン化水素させて(メタ)アクリル基を構築する方法
あらかじめ水酸基またはメルカプト基を配した硫黄以外のヘテロ原子を含んでもよい2価以上の含硫黄脂肪族炭化水素基Qとハロプロピオン酸ハライドとを反応させ、得られるハロプロピオン酸エステルを脱ハロゲン化水素させて、(メタ)アクリル基を有するQを得ることができる。
ハロプロピオン酸ハライドと水酸基との反応例は日本国特開2011−201937号公報、日本国特開2006−232797号公報等に示されている。ハロプロピオン酸ハライドとメルカプト基との反応例は日本国特開平2−172969号公報等に示されている。
(メタ)アクリル基を導入する方法としては、これらの方法に限定されることはない。また、所望のQの構造や反応性に応じてこれらの方法を適宜選択することができる。また、その他の重合性官能基についても、公知の方法を用いて所望のQと連結することが可能である。
(2)BとQとを結合する方法
以下、本発明で好ましく用いられる無機粒子と吸着する部位Bである下記構造を例にとって、Qとの連結方法について説明する。
Figure 2013047786
(2−1)Bが下記構造1の場合
Figure 2013047786
方法6:ハロアルキル構造を有するQをグリニア化合物へと誘導後、CO2と付加させカーボネート構造へと増炭し、酸性とすることでカルボキシル基を得る方法。
以下の非特許文献に類似の基質による具体的処方が述べられている。
Organic Synthesis、Collective Volume 6、845−853頁、1988年
方法7:水酸基またはメルカプト基を有するQと、電子吸引性基を有するオレフィンとのマイケル付加反応による方法。
電子吸引性基を有するオレフィンとしてアクリル酸を用いた類似の基質における方法が日本国特開2008−174506号公報および以下の非特許文献に示されている。
Tetrahedron,49巻、15号、3149−3164頁、1993年
アクリロニトリルを用い、マイケル付加後にニトリル基を加水分解してカルボキシル基とする類似の基質における方法が日本国特許5031554号公報および以下の非特許文献に示されている。
Synthetic Communications,38巻、789−795頁、2008年
方法8:水酸基またはメルカプト基を有するQと、コハク酸無水物とを反応させる方法があり、類似の基質における反応例が日本国特開2006−273709号公報や以下の非特許文献に示されている。
Organic Synthesis、Collective Volume 11、1068−1073頁、2009年
方法9:水酸基またはメルカプト基を有するQと、クロロ酢酸エステルとを反応させた後、エステルを加水分解する方法
類似の基質における、水酸基またはメルカプト基とクロロ酢酸エステルとの反応は、米国特許第6080867号公報、米国特許第5925764号公報、以下の非特許文献に示されている。
Tetrahedron Letters,30巻、28号、3633−3636頁、1989年
Chemical & pharmaceutical bulletin、38巻、11号、3035−3041頁、1990年
加水分解の方法は、米国特許第6303804号公報、国際公開第2010/68242号、中国特許第102001981号公報、および以下の非特許文献に例示されている。
Tetrahedron Letters,45巻、30号、5901−5903頁、2004年
構造1を導入する方法としては、これらの方法に限定されることはない。また、所望のQの構造や反応性に応じてこれらの方法を適宜選択することができる。
(2−2)Bが下記構造2又は3の場合
Figure 2013047786
Figure 2013047786
これらの構造を導入する方法としては、塩基存在下で水酸基やメルカプト基を有するQとホスホリルクロリドまたはチオホスホリルクロリドとを反応させることで、リン含有オキソ酸構造を導入する方法が知られている。日本国特開平11−80175号公報、日本国特許第2735732号公報等には、類似な基質による具体的な方法が例示されている。この方法によって得られる化合物は上記構造2および3の構造を有する化合物の混合物になることが一般的である。本発明においてはそれらの混合物は分離されることなく使用することができる。
(2−3)Bが下記構造4の場合
下記構造4をQと結合する方法としては、塩基存在下で水酸基やメルカプト基を有するQとホスホリルクロリドまたはチオホスホリルクロリドとを反応させる方法が知られている。具体的には、類似の基質における方法が日本国特開平5−320181号公報に例示されている。
Figure 2013047786
構造4においてRは水素原子又はヘテロ原子を有しても良い脂肪族炭化水素基である。
QとBを結合する方法は、これらの方法に限定されることはない。また、所望のQの構造や反応性に応じてこれらの方法を適宜選択することができる。
また上記方法で使用する「ハロアルキル基」および「水酸基またはメルカプト基」は、前述の式(III)におけるLまたは式(IV)におけるEの一部を構成する炭素原子、酸素原子または硫黄原子となってもよい。
(3)AとBとを連結する方法
無機粒子と吸着する部位Bが二価以上の場合は、重合性官能基AをBに直接結合させることも可能である。その際の方法としては、あらかじめBに配した水酸基またはメルカプト基に対して、上述した方法1から5を適用する方法が例示される。また、その他の方法として、(メタ)アクリル酸無水物とリン酸塩との反応による類似化合物の合成方法が以下の非特許文献に、五酸化ニリンと(メタ)アクリル酸やアリルアルコールを反応させる類似化合物の方法が国際公開第2004/049068号に例示されている。
Bioorganic Chemistry、1989年、17巻1号1−12頁
重合性官能基Aと、二価以上の無機粒子と吸着する部位Bとを連結する方法としては、これらの方法に限定されることはない。また、所望のAおよびBの構造や反応性に応じてこれらの方法を適宜選択することができる。上記方法で使用する「あらかじめ用意された水酸基またはメルカプト基」は、前述の式(III)におけるLまたは式(IV)におけるEの一部を構成する酸素原子または硫黄原子となってもよい。
5.無機粒子
(1)無機粒子の屈折率
本発明の無機有機複合粒子に用いられる無機粒子としては特に限定はなく、公知の無機粒子から任意に選択できるが、高い屈折率を有しているものが好ましく、その屈折率は通常2.0以上であり、好ましくは、2.2以上である。無機粒子の屈折率の上限は特に限定はないが、通常3.0以下である。
無機粒子としては、具体的には、酸化ジルコニウム(屈折率2.1−2.2)、酸化チタン(屈折率2.5−2.7)、酸化セリウム(屈折率2.1)、酸化スズ(屈折率1.9−2.0)、酸化ニオブ(屈折率2.3)、酸化亜鉛(屈折率2.0)、チタン酸バリウム(屈折率2.4)、チタン酸ストロンチウム(屈折率2.4)、これら金属酸化物から選ばれる少なくとも1種を含む複合酸化物が好ましい。
無機粒子の屈折率が2.0よりも小さい場合、本発明の重合性無機粒子分散剤と組み合わせて無機有機複合粒子とした際に、屈折率を向上させる効果が乏しく、無機有機複合粒子の硬化物の屈折率として1.65以上を達成することが困難になるため好ましくない。
(2)無機粒子の粒子径
無機有機複合粒子として高い透明性を保つという観点から、無機粒子の大きさは、粒子径として1〜10nmが好ましく、さらに好ましくは1〜5nmである。これは、粒子の大きさを、1nm以上、とすることにより、無機粒子のサイズ効果により本来無機粒子が持っている屈折率よりも小さくなり、高屈折率が得られなくなるのを防ぐことができる。10nm以下とすることにより、レイリー散乱により透明性を確保できなくなるのを防ぐことができる。
ここで、無機粒子の粒子径とは透過型電子顕微鏡(TEM)で直接粒子を観察し、任意に選択した粒子200個の長軸の長さを計測し、平均した時の値である。
(3)無機粒子の製造方法
無機粒子の製造方法については、特に制限するものではないが、以下の文献に記載される、アルコール溶媒中でのソルボサーマル法、酸化物原料のアルコキシドを気相中で噴霧熱分解する方法、金属酸化物を直接粉砕する方法、マイクロエマルジョンを利用する方法など、公知の方法から適宜選択することができる。
ソルボサーマル法:
W.Stober,A.Fink and E.Bohn,J .Colloid Interface Sci.,Vol.26,p.62(1986)
E..S.Tormey,R.L.Prober,H.K.Bowen and P.D.Calvert,Advances in Ceramic Society Press.,Vol.9,p.140(1984)
B.Fegley,Jr.,and E.A.Barringer,Better Ceramics through Chemistry, Elsevier,p.187(1984)
噴霧熱分解法:
日本国特開昭63−221842号公報
粉体工学会誌vol26,No.3,pp169-173(1989)
粉体工学会誌vol33,No.3,pp187-191(1996)
粉砕法:
ナノマテリアル工学体系 第一巻ニューセラミックス・ガラス,富士テクノシステム,p.45
マイクロエマルジョン:
M.Yanagi,Y.Asano,K.Kandori,K.Kon-no and A.Kitahara,1986 色材研究発表会要旨集,p.86(1986)
K.Osseo-Asare and F.J.Arriagada,Colloids Surfaces,Vol.50,p.321(1990)
T.Kawai,A.Fujino,and K.Kon-no,Colloids Surfaces A,Vol.109,p.245(1996)
本発明の無機有機複合粒子において、無機粒子は1種を単独で用いてもよく、本発明の効果を損なわない範囲において2種以上を組み合わせて用いることも可能である。
6.無機有機複合粒子
本発明の無機有機複合粒子は、無機粒子と本発明の重合性無機粒子分散剤とを複合化して得られるものである。
無機粒子に本発明の重合性無機粒子分散剤を複合化することで、本発明の無機有機複合粒子を用いて得られる無機有機樹脂複合材の屈折率を向上させることが出来、無機粒子の含有量20質量%という低含有量で屈折率n=1.65以上という高屈折率を達成し、かつn=1.65以上の領域において、広い範囲で屈折率とアッベ数を制御できることが可能となる。
この際、無機粒子および重合性無機粒子分散剤はそれぞれ複数種類使用してもよい。
無機有機複合粒子の製造方法は、特に制限はないが、通常、湿式法が用いられる。湿式法とは、溶媒中に無機粒子を縣濁させ、無機粒子の懸濁液に重合性無機粒子分散剤を直接、または溶液状態で混合する方法である。これにより、無機粒子が均一に分散した透明分散液を作製することが可能である。
本発明の無機有機複合粒子において、無機粒子と重合性無機粒子分散剤との配合量は、それぞれの物質の屈折率に基づき目的に応じて設定できるが、通常、重合性無機粒子分散剤に対する無機粒子の量は20質量%以上90質量%以下であることが好ましく、より好ましくは、40質量%以上85質量%以下、さらに好ましくは60質量%以上80質量%以下である。
重合性無機粒子分散剤に対する無機粒子の含有量を20質量%以上とすることにより、屈折率向上効果が高まり、無機有機複合粒子として1.65以上の屈折率を得易くなるため、好ましい。また、重合性無機粒子分散剤に対する無機粒子の含有量を90質量%以下とすることにより、重合性無機粒子分散剤による無機粒子の分散効果が高くなり、分散安定性が向上するため好ましい。
無機粒子を縣濁させる分散媒は特に限定されないが、重合性無機粒子分散剤との相性を考えると、有機系溶媒が好ましく用いられる。具体的には、例えば、テトラヒドロフラン、トルエン、ヘキサン、N−メチルピロリドン、ジメチルスルホキシド、エタノール、メタノール、ブタノール、プロピレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテルおよびメチルイソブチルケトンなどの1種または2種以上が挙げられる。
無機粒子に対する分散媒の量は、通常50質量%以上99質量%以下である。無機粒子に対する分散媒量を50質量%以上にすることで、無機粒子濃度が調整され、ゲル化、粒子の析出などの発生を抑制できる。また、無機粒子に対する分散媒の量を99質量%以下にすることで、組成物として使用する際の溶媒(分散媒)除去工程の時間を短縮でき、溶媒除去工程におけるゲル化や相分離などの問題を抑制できる。
上記の分散媒に無機粒子を縣濁させるためには、例えば、ソルボサーマル法により作製した無機粒子を貧溶媒中で沈殿させ、上澄み液を除去した後、さらに粒子表面に付着している有機物に対して貧溶媒となる溶媒および良溶媒となる溶媒の1:1混合液などで数回洗浄して遠心分離機でウエットの無機粒子を回収した後、所望の分散媒を添加する。
無機粒子懸濁液と重合性無機粒子分散剤との混合方法は特に限定されないが、無機粒子縣濁液に所定量の重合性無機粒子分散剤を直接、または任意の溶媒に溶解させて混合添加すればよい。重合性無機粒子分散剤を溶液状態で混合するときは、溶媒としては無機粒子を縣濁させる分散媒と同一のものを用いることが好ましい。
無機粒子懸濁液と重合性無機粒子分散剤との混合条件は、特に限定されないが、例えば、大気圧下、50℃以下の温度で1〜2時間程度攪拌する方法が挙げられる。
7.無機有機複合粒子分散液
上記の無機粒子懸濁液と重合性無機粒子分散剤との混合により、無機有機複合粒子の分散液が得られる。この分散液は、目的に応じてそのまま分散液として使用するか、分散媒を除去または別の溶媒に置換して使用することができる。
(1)無機有機複合粒子の濃度
無機粒子と重合性無機粒子分散剤を複合化した無機有機複合粒子を、上記の分散液として用いる場合、無機有機複合粒子分散液中の無機有機複合粒子の濃度は、通常1質量%以上50質量%以下、好ましくは1質量%以上30質量%以下である。
上記無機有機複合粒子濃度を前記下限値以上とすることにより、無機有機複合粒子の濃度が十分となり、薄膜形成用として使用した場合でも十分な厚さの膜が形成されるため好ましく、前記上限値以下とすることにより、無機有機複合粒子分散液の安定性が良くなり、ゲル化などが生じにくくなるため好ましい。
(2)無機有機複合粒子分散液の組成比率
無機有機複合粒子分散液中の無機粒子の割合は、無機有機複合粒子分散液に対して、通常0.2質量%以上、好ましくは1質量%以上、より好ましくは2質量%以上である。また、無機粒子を分散安定化できる範囲において特に上限はないが、通常、無機粒子濃度は45質量%以下である。
無機粒子濃度を0.2質量%以上とすることにより、無機粒子による屈折率向上効果が高まるため好ましく、逆に45質量%以下とすることにより、重合性無機粒子分散剤による無機粒子の分散効果が高くなり、分散安定性が向上するため好ましい。
(3)分散媒
分散媒は、特に限定はないが、前述の如く、重合性無機粒子分散剤との相性を考えると、有機系溶媒が好ましく用いられる。具体的には、テトラヒドロフラン、トルエン、ヘキサン、N−メチルピロリドン、ジメチルスルホキシド、エタノール、メタノール、ブタノール、プロピレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテルまたはメチルイソブチルケトンなどの1種または2種以上が挙げられる。
(4)その他成分
<分散剤>
無機有機複合粒子分散液中には、本発明の重合性無機粒子分散剤以外の分散剤を使用しても構わない。本発明の効果を損なわない限り、カルボキシル基、リン含有オキソ酸基、硫黄含有オキソ酸基などの吸着部位を有する既知の分散剤の1種または2種以上を含んでもよい。
<酸化防止剤>
無機有機複合粒子分散液中には、重合性無機粒子分散剤の耐候性付与の目的で窒素系、リン系などの公知の酸化防止剤を含有していてもよい。その場合、無機有機複合粒子分散液中の酸化防止剤の含有量は、重合性無機粒子分散剤に対して通常0.01質量%以上、より好ましくは1質量%以上であり、通常5質量%以下、好ましくは4質量%以下、より好ましくは3質量%以下である。無機有機複合粒子分散液中の酸化防止剤の含有量が上記上限以上であることにより、長期間、重合反応後の硬化物の着色や劣化を防止することが出来、上記上限以下であることにより、酸化防止剤添加による重合反応後の硬化物の透明性の低下、屈折率の低下などを抑制することが出来る。
<重合禁止剤>
無機有機複合粒子分散液中には、重合性無機粒子分散剤の重合防止の目的で公知の重合禁止剤を含有していてもよい。その場合、無機有機複合粒子分散液中の重合禁止剤の含有量は、重合性無機粒子分散剤に対して通常0.01質量%以上、より好ましくは1質量%以上であり、通常5質量%以下、好ましくは4質量%以下、より好ましくは3質量%以下である。無機有機複合粒子分散液中の重合禁止剤の含有量が上記上限以上であることにより、長期間、重合性無機有機分散剤の溶液中でのゲル化を防止することが出来、上記上限以下であることにより、重合禁止剤添加による重合反応後の硬化物の透明性の低下、屈折率の低下などを抑制することが出来る。
<その他>
無機有機複合粒子分散液中には、さらに、粘度やハンドリング性を改善する目的で重合性無機粒子分散剤と相溶性のある、公知の粘度調整剤やレベリング剤などを含んでいてもよい。
8.無機有機樹脂複合材
本発明の無機有機複合粒子は重合性官能基Aを有するため、当該重合性官能基Aを重合させることにより無機有機樹脂複合材が得られる。例えば、無機有機複合粒子またはその分散液に、通常重合開始剤を混合した後、成形、硬化させることにより、無機有機複合粒子の重合体である無機有機樹脂複合材を得ることができる。
一方、無機有機複合粒子と、他の重合性モノマーを混合した後に、各々を重合させても無機有機樹脂複合材を得ることができる。例えば、無機有機複合粒子またはその分散液に、樹脂の原料モノマーを混合した後、各々の重合を促進する重合開始剤を混合し、成形、硬化させることによっても無機有機樹脂複合材を得ることができる。
以下、無機有機樹脂複合材の製造方法を説明する。
8−1.無機有機複合粒子の重合体の製造方法
無機有機複合粒子またはその分散液に、通常重合開始剤を混合した後、成形、硬化させることにより、無機有機複合粒子の重合体である無機有機樹脂複合材を得ることができる。
(1)重合開始剤
重合開始剤は無機有機複合粒子の重合反応を行うために用いられる。
通常、重合開始剤の量は、重合性無機粒子分散剤の量に対して0.01質量%以上、特に0.1質量%以上、とりわけ1質量%以上であることが好ましく、通常20質量%以下、特に15質量%以下、とりわけ10質量%以下であることが好ましい。重合開始剤の使用量が上記下限以上であることにより、硬化不良を起こしたり、未反応成分が溶出したりすることがなく、十分な屈折率、機械強度が得られる。また、重合開始剤の使用量が上記上限以下であることにより、重合開始剤による着色などを生じることなく、無機粒子の相分離、硬化物の白濁、脆化などを抑制することが出来る。
重合性無機粒子分散剤の重合反応を行えるものであれば、用いる重合開始剤に特に制限はなく、アセトフェノン類、ベンゾフェノン類、ベンゾインエーテル類、ヒドロキシケトン類、アシルホスフィンオキシド類、ジアゾニウムカチオンオニウム塩、ヨードニウムカチオンオニウム塩、スルホニウムカチオンオニウム塩など、重合性無機粒子分散剤の種類に応じて適宜用いることができる。
具体的には、例えば、1−[4−(2−ヒドロキシエトキシ)フェニル]−2−ヒドロキシ−2−メチル−1−プロパン−1−オン、1−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、2,2−ジメトキシ−1,2−ジフェニルエタン−1−オン、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サイド、2,4,6−トリメチルベンゾイルフェニルエトキシホスフィンオキサイド、2−ベンジル−2−ジメチルアミノ−1−(4−モルフォリノフェニル)ブタノン−1、2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニル−プロパン−1−オン、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、ベンゾインメチルエーテル、ベンゾインエチルエーテル、ベンゾインイソブチルエーテル、ベンゾインイソプロピルエーテル、ビス(2,4,6−トリメチルベンゾイル)−フェニルフォスフィンオキサイド、2−ヒドロキシ−2−メチル−[4−(1−メチルビニル)フェニル]プロパノールオリゴマー、イソプロピルチオキサントン、o−ベンゾイル安息香酸メチル、[4−(メチルフェニルチオ)フェニル]フェニルメタン、2,4−ジエチルチオキサントン、2−クロロチオキサントン、ベンゾフェノン、エチルアントラキノン、ベンゾフェノンアンモニウム塩、チオキサントンアンモニウム塩、ビス(2,6−ジメトキシベンゾイル)−2,4,4−トリメチル−ペンチルフォスフィンオキサイド、2,4,6−トリメチルベンゾフェノン、4−メチルベンゾフェノン、4,4’−ビスジエチルアミノベンゾフェノン、1,4−ジベンゾイルベンゼン、10−ブチル−2−クロロアクリドン、2,2’−ビス(o−クロロフェニル)4,5,4’,5’−テトラキス(3,4,5−トリメトキシフェニル)1,2’−ビイミダゾール、2,2’ビス(o−クロロフェニル)4,5,4’,5’−テトラフェニル−1,2’−ビイミダゾール、2−ベンゾイルナフタレン、4−ベンゾイルビフェニル、4−ベンゾイルジフェニルエーテル、アクリル化ベンゾフェノン、ビス(η5−2,4−シクロペンタジエン−1−イル)−ビス(2,6−ジフルオロ−3−(1H−ピロール−1−イル)−フェニル)チタニウム、o−メチルベンゾイルベンゾエート、p−ジメチルアミノ安息香酸エチルエステル、p−ジメチルアミノ安息香酸イソアミルエチルエステル、活性ターシャリアミン、カルバゾール・フェノン系光重合開始剤、アクリジン系光重合開始剤、トリアジン系光重合開始剤、ベンゾイル系光重合開始剤、トリアリルスルフォニウム、ヘキサフルオロフォスフェート塩、トリアリルスルホニウムヘキサフルオロホスフェート、6フッ化リン系芳香族スルホニウム塩、6フッ化アンチモン系芳香族スルホニウム塩、6フッ化アンチモン系芳香族スルホニウム塩、6フッ化アンチモン系芳香族スルホニウム塩、トリアリルスルフォニウム、ヘキサフルオロアンチモン、4−メチルフェニル[4−(2−メチルプロピル)フェニル]−ヘキサフルオロフォスフェート、1,2−オクタンジオン,1−[4−(フェニルチオ)−2−(o−ベンゾイルオキシム)]、1−[9−エチル−6−(2−メチルベンゾイル)−9H−カルバゾール−3−イル]−1−(o−アセチルオキシム)、エチル−4−ジメチルアミノベンゾエート、エチル−4−ジメチルアミノベンゾエート、2−エチルヘキシル−4−ジメチルアミノベンゾエート、(9−オキソ9H−キサンテン−2−イル)フェニルヨードニウムヘキサフルオロホスフェート、ビス[4−n−アルキル(C10〜13)フェニル]ヨードニウムヘキサフルオロホスフェート、ビス[4−n−アルキル(C10〜13)フェニル]ヨードニウムヘキサフルオロアンチモン、トリフェニルスルホニムトリフルオロスルホネート、ビシクロ[2,2,1]ヘプタン−1−メタンスルフォネート、(9−オキソ9H−キサンテン−2−イル)フェニルスルホニウムヘキサフルオロホスフェート、p−アジドベンズアルデヒド、p−アジドアセトフェノン、p−アジド安息香酸、p−アジドベンズアルデヒド−2−スルホン酸Na塩、p−アジドベンザルアセトフェノン、4,4’−ジアジドカルコン、4,4’−ジアジドジフェニルスルフィド、3,3’−ジアジドジフェニルスルフィド、2,6−ビス−(4’アジドベンザル)−4−メチルシクロヘキサン、1,3−ビス−(4’−アジドベンザル)−プロパノン、4,4’−ジアジドカルコン−2−スルホン酸Na塩、4,4’−ジアジドスチルベン−2,2’−ジスルホン酸Na塩、1,3’−ビス−(4’−アジドベンザル)−2’−ジスルホン酸Na塩−2−プロパノン、2,6−ビス−(4’−アジドベンザル)−2’−スルホン酸(Na塩)シクロヘキサノン、2,6−ビス−(4’−アジドベンザル)−2’−スルホン酸(Na塩)4−メチル−シクロヘキサノン、α−シアノ−4,4’−ジベンゾスチルベン、2,5−ビス−(4’−アジドベンザルスルホン酸Na塩)シクロペンタノン、3−スルホニルアジド安息香酸、4−スルホニルアジド安息香酸、シンナミン酸、α−シアノシンナミリデンアセトン酸、p−アジド−α−シアノシンナミン酸、p−フェニレンジアクリル酸、p−フェニレンジアクリル酸ジエチルエステル、ポリビニルシンナメート、ポリフェノキシ−イソプロピルシンナミリデンアセテート、ポリフェノキシ−イソプロピルα−シアノシンナミリデンアセテート、ナフトキノン(1,2)ジアジド(2)−4−スルホン酸Na塩、ナフトキノン(1,2)ジアジド(2)−5−スルホン酸Na塩、ナフトキノン(1,2)ジアジド(2)−5−スルホン酸エステル(I)、ナフトキノン(1,2)ジアジド(2)−5−スルホン酸エステル(II)、ナフトキノン(1,2)ジアジド(2)−4−スルホン酸塩、2,3,4,4’−テトラヒドロキシベンゾフェノントリ(ナフトキノンジアジドスルホン酸)エステル、ナフトキノン−1,2,5−(トリヒドロキシベンゾフェノン)トリエステル、1,4−イミノキノン−ジアジド(4)−2−スルフォアミド(I)、1−ジアゾ−2,5−ジエトキシ−4−p−トリメルカプトベンゼン塩、5−ニトロアセナフテン、N−アセチルアミノ−4−ニトロナフタレンおよび有機ホウ素化合物などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。これらは、所望の硬化物の特性に応じて、単独で用いても2種以上組み合わせて用いてもよい。
(2)成形
本発明の無機有機複合粒子またはその分散液は、各種成形に適用可能である。例えば、フィルム状またはシート状に成形する場合、スピンコート、バーコート、スプレー、ロールなどの既存の方法を用いて膜を形成する。また、ディスペンサーなどを用いて所望の部位に直接流し込んでもよい。
特に、無機有機複合粒子の分散液を成形する場合、通常、分散媒体である溶剤の乾燥工程を設ける。乾燥は、大気、室温下での風乾のほか、オーブン中での加熱乾燥、真空オーブン中での減圧乾燥、減圧加熱乾燥など一般的な乾燥方法を用いることが出来る。特に、空気中で安定性に不安がある場合は、不活性ガス雰囲気下で乾燥を行ってもよい。
(3)硬化方法
硬化方法は、特に限定はないが、前記成形体に、紫外線、電子線などの放射線や熱を照射することにより硬化できる。放射線の照射による硬化が好ましく、中でも紫外線(UV)照射による硬化が好適である。UV照射による場合、紫外線ランプは、高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプまたはUV−LEDなどを用い、紫外線の照度としては、30〜3000mW/cm、積算光量は10〜10000mJ/cmで照射して硬化させることが好ましい。また、放射線の照射と、赤外線、熱風、高周波加熱などを併用してもよい。
前記照射条件を前記下限値以上にすることにより、硬化不良による未反応成分の溶出を防止したり、屈折率、機械強度を工場することができるため好ましい。また、前記照射条件を前記上限以下にすることにより、紫外線による有機成分の劣化を抑制したり、着色、無機粒子の相分離、硬化物の白濁、脆化などを抑制できるため好ましい。
8−2.無機有機複合粒子と重合性モノマーとの混合物の重合体およびその製造方法
本発明の無機有機樹脂複合材は、上記の無機有機複合粒子と樹脂とを含んでもよい。本発明の無機有機複合粒子は、それ自体高い屈折率とアッベ数を有しているため、樹脂と複合化することで効果的にその物性を付与することが可能である。該複合化とは、樹脂と無機有機複合粒子とが均一に分布して硬化した状態を指す。該複合化の方法は特に限定されないが、樹脂の原料である重合性モノマーと無機有機複合粒子とを混合した後硬化する方法が挙げられる。
含んでもよい樹脂は、特に限定されないが、(メタ)アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等が好適に用いられる。屈折率という観点から、比較的高屈折率モノマーの種類が豊富なアクリル系樹脂が好適に用いられる。透明性や屈折率、生産性の良さなどの観点から、(メタ)アクリル樹脂が好ましい。樹脂の原料としては、重合性モノマーが好ましく用いられる。
(1)重合性モノマー
本明細書における重合性モノマーとは、紫外線または電子線などの放射線や、熱などで重合可能な官能基を有しているモノマーである。無機有機複合粒子と混合して硬化できれば、特に制限なく用いることができる。
重合性モノマーとしては、例えば、(メタ)アクリル樹脂の原料である(メタ)アクリレート類、エポキシ樹脂の原料であるエポキシ化合物、およびシリコーン樹脂の原料であるシラン化合物などが挙げられる。また、例えば、ビニル基、(メタ)アクリルアミド基などの官能基を持つ反応性モノマーが挙げられる。
(1−1)(メタ)アクリレート
(メタ)アクリル樹脂の原料である(メタ)アクリレートとしては、単官能(メタ)アクリレート、二官能(メタ)アクリレート、多官能(メタ)アクリレートなどが挙げられる。具体的には、単官能(メタ)アクリレートとしては、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、プロピル(メタ)アクリレート、n−ブチル(メタ)アクリレート、i−ブチル(メタ)アクリレート、t−ブチル(メタ)アクリレート、ペンチル(メタ)アクリレート、ヘキシル(メタ)アクリレート、2−エチルヘキシル(メタ)アクリレート、ヘプチル(メタ)アクリレート、オクチル(メタ)アクリレート、アリル(メタ)アクリレート、メタリル(メタ)アクリレート、N,N−ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート、N,N−ジメチルアミノプロピル(メタ)アクリレート、N,N−ジエチルアミノエチル(メタ)アクリレート、N,N−ジエチルアミノプロピル(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコールモノアルキルエーテル(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコールモノアルキルエーテル(メタ)アクリレート、N−ビニルピロリドン、ノニル(メタ)アクリレート、フェニル(メタ)アクリレート、テトラヒドロフルフリル(メタ)アクリレート、ノルボルニル(メタ)アクリレート、フェノキシ−2−メチルエチル(メタ)アクリレート、フェノキシエトキシエチル(メタ)アクリレート、3−フェノキシ−2−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、2−フェニルフェノキシエチル(メタ)アクリレート、4−フェニルフェノキシエチル(メタ)アクリレート、3−(2−フェニルフェニル)−2−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、エチレンオキシド変性p−クミルフェノールの(メタ)アクリレート、デシル(メタ)アクリレート、2−ブロモフェノキシエチル(メタ)アクリレート、2,4−ジブロモフェノキシエチル(メタ)アクリレート、2,4,6−トリブロモフェノキシエチル(メタ)アクリレート、イソデシル(メタ)アクリレート、ドデシル(メタ)アクリレート、ラウリル(メタ)アクリレート、n−ステアリル(メタ)アクリレート、シクロヘキシル(メタ)アクリレート、イソボルニル(メタ)アクリレート、トリシクロデカニル(メタ)アクリレート、ジシクロペンテニル(メタ)アクリレート、アダマンチル(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、2−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、4−ヒドロキシブチルアクリレート、2−ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート、ポリテトラメチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、2−(メタ)アクリロイロキシエチル−2−ヒドロキシエチルフタル酸グリセリンモノメタクリレート、3−アクリロイロキシグリセリンモノメタクリレート、2−メタクリロイロキシエチル−2−ヒドロキシプロピルフタレート、末端水酸基ポリエステルモノ(メタ)アクリレート、フェノキシエチル(メタ)アクリレート、2−フェノキシ−2−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシ−3−フェノキシプロピル(メタ)アクリレート、3−クロロ−2−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、グリセリンモノ(メタ)アクリレート、グリシジル(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコールモノ(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコール−ポリプロピレングリコールモノ(メタ)アクリレート、メトキシポリエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、オクトキシポリエチレングリコール−ポリプロピレングリコールモノ(メタ)アクリレート、ベンジル(メタ)アクリレート、フェノールエチレンオキサイド変性(n=2)(メタ)アクリレート、ノニルフェノールプロピレンオキサイド変性(n=2.5)(メタ)アクリレート、2−(メタ)アクリロイルオキシエチルアシッドホスフェート、ジフェニル−2−メタクリロイルオキシエチルホスフェート、モノ(2−メタクリロイルオキシエチル)アシッドホスフェート、モノ(2−アクリロイルオキシエチル)アシッドホスフェート、o−フェニルフェノールグリシジルエーテル(メタ)アクリレート、アリル(メタ)アクリレート2−アクリロイルオキシエチルアシッドホスフェートモノエステル、(メタ)アクリル酸、2−(メタ)アクリロイルオキシ−2−ヒドロキシプロピルフタレート等のフタル酸誘導体のハーフ(メタ)アクリレート、フルオレン骨格含有単官能性(メタ)アクリレート、ヒドロキシエチル化o−フェニルフェノール(メタ)アクリレート、フルフリル(メタ)アクリレート、カルビトール(メタ)アクリレート、ブトキシエチル(メタ)アクリレート、単官能ウレタン(メタ)アクリレート、単官能エポキシ(メタ)アクリレートおよび単官能ポリエステル(メタ)アクリレート等を挙げることができる。
2官能(メタ)アクリレートとしては、例えば、ネオペンチルグリコールジ(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、1,6−ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、トリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリシクロデカンジメタノールジ(メタ)アクリレート、1,3−アダマンタンジオールジ(メタ)アクリレート、ビスフェノールAのEO(エポキシ)付加物ジ(メタ)アクリレート、グリセリンジ(メタ)アクリレート、ヒドロキシピバリン酸ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパン(メタ)アクリル酸安息香酸エステル、2−ブチル−2−エチル−1,3−プロパンジオールジ(メタ)アクリレート、2官能ウレタン(メタ)アクリレート、2官能エポキシ(メタ)アクリレート、2官能ポリエステル(メタ)アクリレート、9,9−ビス[4−(2−アクリロイルオキシエトキシ)フェニル]フルオレン、フルオレン骨格含有2官能性(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコールジアクリレート、ポリプロピレングリコールジアクリレート、ネオペンチルグリコールヒドロキシピバリン酸エステルジアクリレート、ネオペンチルグリコール変性トリメチロールプロパンジアクリレート、ヒドロキシピバリン酸ネオペンチルグリコールエステルのカプロラクトン変性ジアクリレート、ビスフェノールAジ(メタ)アクリレート、エチレンオキシド変性ビスフェノールAの(メタ)アクリレート、プロピレンオキシド変性ビスフェノールAの(メタ)アクリレート、ビスフェノールAとグリシジル(メタ)アクリレートとの反応で得られるエポキシ(メタ)アクリレート、エチレンオキシド変性ビスフェノールAとグリシジル(メタ)アクリレートとの反応で得られるエポキシ(メタ)アクリレートおよびプロピレンオキシド変性ビスフェノールAとグリシジル(メタ)アクリレートとの反応で得られるエポキシ(メタ)アクリレート等を挙げることができる。
多官能(メタ)アクリレートとしては、例えば、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ヘキサ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールペンタ(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、多官能ウレタン(メタ)アクリレート、多官能エポキシ(メタ)アクリレート、多官能ポリエステル(メタ)アクリレート、フルオレン骨格含有多官能性(メタ)アクリレート、トリス[2−(アクリロイルオキシ)エチル]イソシアヌレート、トリス[2−(アクリロイルオキシ)プロピル]イソシアヌレート、2,4,6−トリス(アクリロイルオキシエトキシ)−1,3,5−トリアジンおよび2,4,6−トリス(アクリロイルオキシプロポキシ)−1,3,5−トリアジン等を挙げることができる。
これらは、単独または2種以上を組み合わせて用いることができる。
(1−2)エポキシ化合物
エポキシ樹脂の原料であるエポキシ化合物としては、例えば、ビスフェノールA型エポキシ化合物、ビスフェノールF型エポキシ化合物、フェノールノボラック型エポキシ化合物、クレゾールノボラック型エポキシ化合物等のノボラック型エポキシ化合物:脂環式エポキシ化合物、トリグリシジルイソシアヌレート、ヒダントインエポキシ化合物等の含窒素環エポキシ化合物:水添加ビスフェノールA型エポキシ化合物、脂肪族系エポキシ化合物、グリシジルエーテル型エポキシ化合物、ビスフェノールS型エポキシ化合物、ビフェニル型エポキシ化合物、ジシクロ環型エポキシ化合物、ナフタレン型エポキシ化合物等が挙げられる。これらは、単独または2種以上を組み合わせて用いることができる。
上記エポキシ樹脂の硬化剤としては、例えば、酸無水物系硬化剤、すなわち、無水フタル酸、無水マレイン酸、無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、テトラヒドロ無水フタル酸、無水メチルナジック酸、無水ナジック酸、無水グルタル酸等が挙げられる。これらは、単独または2種以上を組み合わせて用いることができる。
(1−3)シラン化合物
また、シリコーン樹脂の原料であるシラン化合物としては、重合可能な官能基を持ったジメチルシラン化合物、メチルフェニルシラン化合物、アミノ基含有シラン化合物、カルボキシ基含有シラン化合物、カルビノール基含有シラン化合物、フェニル基含有シラン化合物、オルガノハイドロジェンシラン化合物、多環式炭化水素含有シラン化合物、芳香環炭化水素含有シラン化合物、フェニルシルセスキオキサン等も使用することができる。これらは、単独または2種以上を組み合わせて用いることができる。
(1−4)その他の重合性モノマー
その他、ビニル基または(メタ)アクリルアミド基などの官能基を持つ反応性モノマーを添加してもよい。
(2)製造方法
無機有機複合粒子と樹脂を含む無機有機樹脂複合材の製造方法としては、特に制限はなく、前述の8−1に記載の方法と同様の方法で製造できる。通常、湿式法が最適である。湿式法とは、無機有機複合粒子の分散液と所望の重合性モノマーとを混合した後、分散媒を除去する方法である。
無機有機樹脂複合材中の有機樹脂の割合は目的に応じて任意に設定でき、特に限定されないが、本発明の重合性無機粒子分散剤と無機粒子との合計に対して通常10質量%以上、好ましくは20質量%以上、より好ましくは30質量%以上であり、通常80質量%以下である。無機有機複合粒子と複合化する有機樹脂が10質量%以上であることにより、得られる硬化物の機械的物性を制御しやすい。また、80質量%以下であることで、無機有機複合粒子による屈折率改善効果を発揮できる。すなわち、無機有機樹脂複合材の有機樹脂の割合が上記範囲になるように重合性モノマーの混合量を調整すればよい。通常、本発明の重合性無機粒子分散剤と無機粒子との合計に対して通常10質量%以上、好ましくは20質量%以上、より好ましくは30質量%以上であり、通常80質量%以下である。
分散媒を用いる場合、無機有機複合粒子と重合性モノマーの合計の濃度は、通常1質量%以上50質量%以下、好ましくは1質量%以上30質量%以下である。上記無機有機複合粒子濃度を前記下限値以上とすることにより、無機有機複合粒子の濃度が十分となり、薄膜形成用として使用した場合でも十分な厚さの膜が形成されるため好ましく、前記上限値以下とすることにより、無機有機複合粒子分散液の安定性が良くなり、ゲル化などが生じにくくなるため好ましい。
前述の8−1に記載の方法と同様の方法で製造できるが、製造方法の概略は以下の通りである。無機有機樹脂複合材の硬化物を得るには前述の重合開始剤を添加する。重合開始剤の量は、通常、無機有機樹脂複合材中の無機成分以外の固形分に対して通常0.01質量%以上、好ましくは0.1質量%以上、より好ましくは1質量%以上であり、通常20質量%以下、好ましくは10質量%以下、より好ましくは5質量%以下である。
重合開始剤の使用量が前記下限以上であることにより、硬化不良を起こしたり、未反応成分が溶出したりすることがなく、十分な屈折率、機械強度の硬化物を得ることができる。また、重合開始剤の使用量が前記上限以下であることにより、重合開始剤による着色などを生じることなく、無機粒子の相分離、硬化物の白濁、脆化などを抑制することが出来る。
本発明の無機有機樹脂複合材は、各種成形に適用可能である。例えば、フィルム状またはシート状に成形、硬化させる場合、スピンコート、バーコート、スプレーまたはロールなどの既存の方法を用いて膜を形成した後、紫外線、熱または電子線などを照射して重合させて硬化することが出来る。また、ディスペンサーなどを用いて所望の部位に直接流し込んだ後、紫外線などで重合させてもよい。
硬化方法は、特に限定はないが、紫外線(UV)照射による硬化が好適である。UV照射による場合、紫外線ランプは、高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ、UV−LEDなどを用い、紫外線の照度としては、30〜3000mW/cm、積算光量は10〜10000mJ/cmで照射して硬化させることが好ましい。また、これらの光または電子線と、赤外線、熱風、高周波加熱などを併用してもよい。
照射条件を前記下限値以上とすることにより、硬化不良による未反応成分の溶出を防ぎ、十分な屈折率、機械強度が得られるため好ましい。また、前記上限以下とすることにより、紫外線により樹脂が劣化するのを防ぎ、着色、無機粒子の相分離、硬化物の白濁または脆化などが生じにくいため好ましい。
8−3.無機有機樹脂複合材
得られた硬化物である無機有機樹脂複合材の屈折率は室温(25℃)において1.60以上であることが好ましく、さらに好ましくは1.65以上、とりわけ1.70以上である。屈折率の上限は特に限定はないが、通常2.0以下である。また、得られた硬化物のアッベ数は、好ましくは屈折率nが1.60の場合、40以上であり、屈折率ndが1.70の場合、35以上、屈折率nが1.75の場合、30以上である。
屈折率とアッベ数が上記のように高屈折率領域で広範囲に変化できることが本発明の無機有機樹脂複合材の特徴のひとつである。従来、同一の樹脂材料系では、屈折率を大きく変化させることが出来ず、屈折率を変えるためには構造の異なる2種類のモノマーをそれぞれ熱により長時間重合させなければならなかった。また、そのような熱による重合を用いた材料系で無機粒子と複合化しても、重合にかかる時間を短縮できず、さらに、高いアッベ数を付与することも出来ない。また、熱による重合であるため微細な加工にも適していない。
これに対して、本発明の無機有機複合粒子を用いた無機有機樹脂複合材は、光による短時間重合により得られるばかりか、様々な光学特性の材料を組み合わせて一つの光学系が構成されるレンズの設計や屈折率制御が必要となる多層膜の膜設計などに好適に用いることが可能となる。また、例えば、曲率半径の大きな光回路が必要とされるような半導体チップ間の情報伝達用途などでは、屈折率とアッベ数が高いことによる屈曲部での光散乱ロス低減が可能となるため好適に用いることができる。
更に、本発明の無機有機樹脂複合材は光学特性の温度依存性が低いという特徴を有する。具体的には、本発明の無機有機樹脂複合材の60℃における屈折率は1.60以上であり、好ましくは1.65以上、より好ましくは1.70以上である。60℃における屈折率の上限は特に限定はないが、通常2.0以下である。また、60℃における無機有機樹脂複合材のアッベ数は、好ましくは屈折率nが1.60の場合、40以上であり、屈折率nが1.65の場合、35以上、屈折率nが1.70の場合、30以上である。
本発明の無機有機樹脂複合材の屈折率の温度依存性は、通常1.0×10−3以下、好ましくは3.0×10−4以下、より好ましくは2.5×10−4以下、更に好ましくは2.4×10−4以下である。また、無機有機樹脂複合材のアッベ数の温度依存性は、通常、1.0×10−1以下、好ましくは9.0×10−2以下、より好ましくは8.0×10−2以下である。
スマートホン等の携帯用電子機器や、自動車電装部品などでは外部環境によって温度が大きく変化するが、温度変化による屈折率の変化は、光回路内を導光する光の速度の変化をもたらすため、温度によって情報処理速度に違いが出るなどの問題が生じる可能性がある。したがって、このような温度による速度の違いを生じさせないためにも、温度による屈折率の変化は出来るだけ小さい方がよい。アッベ数に関しても、多波長の光を同一の光回路で同時に導光させる場合など、媒体中を導光する光は波長による速度の違いがない方が好ましいため、波長による屈折率の変化の指標であるアッベ数は、出来るだけ高い方が良い。すなわち、本発明の無機有機樹脂複合材は、これらの、光導波路や光回路等の光学特性の低温度依存性が求められる用途に特に好適に使用できる。
9.用途
本発明の無機有機樹脂複合材は、無機有機樹脂複合材料中に占める無機有機複合粒子の量が少ない場合でも高屈折率であり、かつ、高アッベ数である。従って、無機有機複合粒子の添加量を変化させることで、可視光全域を用いる光学部材、各種光学特性を組み合わせて一つの光学系を設計するようなレンズ用途、膜用途など広範囲な屈折率制御とアッベ数制御が求められる用途に好適である。特に、本発明の無機有機複合粒子の特徴を反映し、幅広い波長領域で透明性が高く、しかも高い屈折率とアッベ数が要求される各種の光学用部材に最適である。更にはこれらの光学特性の低温度依存性が求められる光学用部材に特に適している。
すなわち、液晶ディスプレイ(LCD)、プラズマディスプレイパネル(PDP)、エレクトロルミネッセンスディスプレイ(EL)または表面電界ディスプレイ(SED)等のフラットパネルディスプレイ(FPD)の表示部に用いられる、前方散乱、反射または集光等の機能性フィルムに最適に用いられる。また、光導波路、光回路、光ファイバー、導光シート、マイクロアレイレンズシート、プリズムシート、フレネルレンズ、レンチキュラーレンズ等の光伝送部材、レンズシート、拡散フィルム、ホログラフィック基板または調光フィルム等にも適用可能である。
以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。
なお、本実施例において、測定は以下の方法により行った。
・屈折率
反射分光膜厚計(大塚電子(株)製「FE-3000」)を用い、代表的な屈折率の波長分散の近似式としてn−Cauchyの分散式より、、330〜1000nmの範囲で絶対反射率のスペクトルを測定し、非線形最小二乗法によって、屈折率のスペクトルを求め、波長486nm(F線)、587nm(d線)、656nm(C線)の光に対する屈折率を得た。測定温度は25℃で行った。
・屈折率の温度依存性
ホットステージを装着した、メトリコン社製 Model2010プリズムカプラを用い、633nmの光に対する屈折率を測定した。測定温度は、30℃から80℃で行い、30℃から80℃における温度1℃あたりの屈折率の変化量を求めた。上記測定温度は、サンプルに接したプリズムの温度であるが、プリズムの温度がサンプル温度と同等になるまで十分静置(10分以上)してから屈折率測定を行った。
・アッベ数(ν
反射分光膜厚計(大塚電子(株)製「FE-3000」)を用い、、代表的な屈折率の波長分散の近似式としてn−Cauchyの分散式より、、330〜1000nmの範囲で絶対反射率のスペクトルを測定し、非線形最小二乗法によって、屈折率のスペクトルを求め、波長486nm(F線)、587nm(d線)、656nm(C線)の光に対する屈折率を得た。さらにアッベ数を下記式により算出した。測定温度は、25℃において行った。
アッベ数(ν)=(n−1)/(n−n)(式中、nは、波長587nmの光に対する屈折率、nは、波長486nmの光に対する屈折率、nは、波長656nmの光に対する屈折率を示す。)
・アッベ数(ν)の温度依存性
上記アッベ数(ν)の25℃の測定値を用い、さらに80℃も同様にしてアッベ数を算出した。アッベ数の温度依存性は、25℃から80℃における温度1℃あたりのアッベ数の変化量を求めた。
測定は、反射分光膜厚計(大塚電子(株)製「FE-3000」)を用いた。測定サンプル下にヒーターを設置し、さらに5mm厚のアルミ板をサンプルとヒーターの間に挟むことで、ヒーターからの熱が均一にサンプルにあたるようにして測定を行った。また、非接触型の温度計により測定したサンプル温度を測定温度とした。
また、分散液等の分散安定性は目視観察により、透明性を確認することにより評価した。
[無機粒子の合成]
無機有機複合粒子の形成に用いる無機粒子として酸化ジルコニウムナノ粒子を以下の方法で合成した。
500mLのベンジルアルコール(含酸素有機溶媒)を1Lの3つ口フラスコに入れ、30分窒素バブリングした。窒素バブリングしたまま、70質量%のジルコニウムプロポキシド含有1−プロパノール溶液116.7g(ジルコニウムプロポキシド(金属酸化物前駆体)のモル数=0.25mol)を加え、30分攪拌し、ここにオレイルアミン100.3g(0.375mol)を添加してさらに30分攪拌した。調製した溶液(反応液)を、3時間窒素バブリングし、ステンレス製密閉容器に封入し、48時間、200℃で加熱した。
得られた乳白色スラリー状の反応液50gを採取し、大過剰のエタノールを添加して沈殿を生成させ、遠心分離して沈殿を回収した。沈殿をエタノール/ヘキサン混合溶媒で6回洗浄後、回収、乾燥して、白色粉末状の酸化ジルコニウム(収率80%)を得た。
得られた酸化ジルコニウムの結晶性、一次粒子径は、X線回折測定(オランダPANalytical(旧Phillips)社製PW1700、X線出力(CuKα):40Kv、30mA、走査軸:θ/2θ、走査範囲(2θ):10.0−80.0、測定モード:continuous、読込み幅:0.05、走査速度:3.0/min、スリットDS:1、SS:1、RS:0.2mm)、透過型電子顕微鏡観察により確認した。
結晶子径は、X線回折測定の2θ=30付近の(111)面のピーク半価幅よりScherrer式(D=K・λ/β・cosθ、半価幅補正式:β=(βo−βi1/2、ここで、K=0.9、λ=1.54056Å、CuKα1線由来のブラック角(θ)およびCuKα1線由来の半価幅(βo)はMDI社製のJADE5.0+を用いてプロファイルフィッティング法により算出。試料由来のCuKα1線由来の半価幅(β)は予め標準Siにより求めておいたCuKα1線由来の回折角(2θ)とCuKα1線由来の装置由来半価幅の回帰曲線からβiを算出)を用いて計算した。
この結果、得られた酸化ジルコニウムは3−4nmの結晶子径であることが分かった。また、透過型電子顕微鏡による観察の結果、生成した粒子の粒子径は何れも1nm以上10nm以下の範囲にあることが分かった。
[重合性無機粒子分散剤の合成]
実施例1 <2−(カルボキシメチルチオメチル)−5−(メタクリロイルチオメチル)−1,4−ジチアンの合成>
重合性無機粒子分散剤として、2−(カルボキシメチルチオメチル)−5−(メタクリロイルチオメチル)−1,4−ジチアン(以下「MDC」という)を以下の方法で合成した。
Figure 2013047786
窒素雰囲気下、滴下ロートを付した1Lの三口フラスコに、公知の方法(例えば日本国特許第2895987号公報に記載の方法)で合成した2,5−ビス(メルカプトメチル)−1,4−ジチアン32.4g(153mmol)、トリエチルアミン30.8g(305mmol)、ジクロロメタン600mlを仕込み、室温で撹拌した。ここへ、ブロモ酢酸tert−ブチル29.7g(153mmol)を1時間かけて滴下した後、同温度で終夜撹拌した。
ここへ水を加えて有機層を分離し、飽和食塩水で洗浄後、無水硫酸ナトリウムで脱水した。不溶物を濾別後、濃縮して得られた油状物をシリカゲルカラムクロマトグラフィー(n−ヘプタン/酢酸エチル=9/1体積比)で精製し、2−(tert−ブチルオキシカルボニルメチルチオメチル)−5−(メルカプトメチル)−1,4−ジチアン24.5g(75.0mmol)を無色油状物として得た。
窒素雰囲気下、滴下ロートを付した1Lの三口フラスコに、上記で得られた2−(tert−ブチルオキシカルボニルメチルチオメチル)−5−(メルカプトメチル)−1,4−ジチアン24.5g(75.0mmol)、トリエチルアミン8.3g(82mmol)、p−メトキシフェノール100mg、およびジクロロメタン600mlを仕込み、室温で撹拌した。
ここへ、メタクリル酸クロライド8.5g(82mmol)を1時間かけて滴下した後、同温度で3時間撹拌した。水を加えて有機層を分離し、飽和食塩水で洗浄後、無水硫酸ナトリウムで脱水した。不溶物を濾別後、濃縮して得られた油状物をシリカゲルカラムクロマトグラフィー(n−ヘプタン/酢酸エチル=4/1体積比)で精製し、2−(tert−ブチルオキシカルボニルメチルチオメチル)−5−(メタクリロイルチオメチル)−1,4−ジチアン25.5g(64.6mmol)を無色油状物として得た。
窒素雰囲気下、滴下ロートを付した500mLの三口フラスコに、上記で得られた2−(tert−ブチルオキシカルボニルメチルチオメチル)−5−(メタクリロイルチオメチル)−1,4−ジチアン10g(25mmol)、塩化銅(II)20mg、ジクロロメタン200ml、トリフルオロ酢酸50gを仕込み、室温で撹拌した。2.5時間後、トリフルオロ酢酸50gを追加して、さらに4時間撹拌した後、水と酢酸エチルを加えて、有機層を分離した。飽和食塩水で洗浄後、無水硫酸ナトリウムで脱水し、濃縮して、2−(カルボキシメチルチオメチル)−5−(メタクリロイルチオメチル)−1,4−ジチアン7.14g(21.1mmol)を白色固体として得た。
IR(KBr、cm−1):
装置:FT/IR−6100typeA(日本分光)
検出器:TGS
測定手法:液膜法
分解能:4cm−1
積算回数:32回
3500〜3100cm−1(OH伸縮)、
2900〜2952cm−1(CH伸縮)、
1713、1693cm−1(CO伸縮)
H-NMR(300MHz):
装置:JEOL製 JNM−AL300
溶媒:CDCl
内部標準物質:TMS
δ[ppm]:6.11(1H,s)、5.63(1H,s)、3.30−2.70(12H,m)、1.98(3H,s)
MS(API−ES,negative):
装置:Water LCT Premier XE
イオン化法:フローインジェクション ESI(−)法
測定溶媒:メタノール
カルボン酸モノエステル 337[M−H]675[2M−H]
実施例2 <ビス[2−(5−メタクリロイルチオメチル−1,4−ジチアニル−2−メチルチオ)エチル]リン酸エステルと、[2−(5−メタクリロイルチオメチル−1,4−ジチアニル−2−メチルチオ)エチル]リン酸エステルとの混合物の合成>
重合性無機粒子分散剤として、ビス[2−(5−メタクリロイルチオメチル−1,4−ジチアニル−2−メチルチオ)エチル]リン酸エステルと、[2−(5−メタクリロイルチオメチル−1,4−ジチアニル−2−メチルチオ)エチル]リン酸エステルとの混合物(以下「MDEP」という)を、以下の方法で合成した。
Figure 2013047786
窒素雰囲気下、滴下ロートを付した1Lの三口フラスコに、脱気処理したエタノール370ml、KOH19.5g(174mmol)を加え、室温下で溶解した。公知の方法(例えば特許第2895987号公報に記載の方法)で合成した2,5−ビス(メルカプトメチル)−1,4−ジチアン37.0g(174mmol)を加え、同温度で溶解させた。
反応液を氷冷し、2−ブロモエタノール21.7g(174mmol)を15分間で滴下した。氷冷下で1時間、室温に上げて1時間撹拌後、氷冷に戻してから2N−塩酸でpH=1に調整した。エタノールを減圧留去後、酢酸エチルで抽出、濃縮して得られた油状物を、シリカゲルカラムクロマトグラフィー(n−ヘプタン/酢酸エチル=1/1体積比)で精製し、2−ヒドロキシエチル化物(化合物A)21.0g(81.9mmol)を無色油状物として得た(収率47%)。
窒素雰囲気下、滴下ロートを付した500mLの三口フラスコに、ジクロロメタン210mlと、上記で得られた化合物A21.0gを仕込み溶解させたところへ、1,1,1,3,3,3−ヘキサメチルジシラザン(TMS)9.4g(58.2mmol)を加えて、室温で9時間反応させTMS化体(化合物B)とした。得られた反応液に4−メトキシフェノール53mgを加えて溶解させた後氷冷し、トリエチルアミン9.1g(89.9mmol)を加えた。
氷冷下を保持しながら、メタクリル酸クロライド8.56g(81.9mmol)を30分間で滴下した。その後氷冷下で1時間、室温に上げて1時間反応させた。氷冷に戻してから水を加え、分液、濃縮して得られた油状物を、シリカゲルカラムクロマトグラフィー(n−ヘプタン/酢酸エチル=6/4体積比)で精製し、メタクリロイル化物(化合物C)17.5g(53.9mmol)を無色油状物として得た(収率66%)。
窒素雰囲気下、滴下ロートを付した100mLの三口フラスコに、ジクロロメタン20mlと、オキシ塩化リン1.08g(7.04mmol)を加え氷冷した。ここへ滴下ロートより、上記で得られた化合物C4.64g(14.3mmol)とトリエチルアミン1.45g(14.3mmol)のジクロロメタン15mlの混合溶液を、氷冷を保ちながら30分間で滴下した。氷冷のまま1時間撹拌後、トリエチルアミン0.73g(7.2mmol)を添加し、同温で4時間反応させた。ここへ氷を加え、10時間撹拌させた後、分液し、有機層を飽和食塩水で調整した0.1N−塩酸で洗浄し、無水硫酸マグネシウムで乾燥、濃縮後、無色油状物4.5gを得た。
H−NMRおよびLC/MSより、目的物のビス[2−(5−メタクリロイルチオメチル−1,4−ジチアニル−2−メチルチオ)エチル]リン酸エステルと、[2−(5−メタクリロイルチオメチル−1,4−ジチアニル−2−メチルチオ)エチル]リン酸エステルとの混合物であることを確認した。HPLCによる混合物の含有純度は73%、リン酸エステルの混合比は、リン酸ジエステル体とリン酸モノエステル体との比は1/2であった。
HPLCの分析条件は以下である。
カラム:Inertsil ODS−3V 5μm 150mm×4.6mm I.D.(GLサイエンス社製)
カラム槽温度:40℃
溶離液:0.1体積%リン酸水溶液/アセトニトリル=30/70(体積比)
流量:1ml/min
検出器:UV210nm
IR(KBr、cm−1):
装置:Thermo Fisher Scientific製 NEXUS670およびNic−Plan
パージ:N
測定手法:顕微反射法
分解能:4cm−1
積算回数:128回
3500〜3100cm−1(OH伸縮)、
2952、2909cm−1(CH伸縮)、
1659cm−1(CO伸縮)、
1283、1027、893cm−1(PO伸縮、CO伸縮、P-O-Cアルキル伸縮)
H−NMR(400MHz):
装置:BRUKER製 AVANCE400
溶媒:CDCl
内部標準物質:TMS
δ[ppm]:6.10(1H)、5.63(1H)、3.65−3.63(2H)、3.33−3.32(2H)、3.15−2.70(10H)、1.98(3H)
MS(API−ES,negative):
装置:Water LCT Premier XE
イオン化法:フローインジェクション ESI(−)法
測定溶媒:メタノール
リン酸モノエステル 403[M−H]、807[2M−H]
リン酸ジエステル 710[M−H]
[重合性無機粒子分散剤の屈折率およびアッベ数の評価]
実施例3 <MDC>
実施例1で合成したMDC0.196gを、ガラス製の10mlサンプル瓶に秤量し、テトラヒドロフラン(THF)7.784gに室温下で溶解して2.5質量%の分散液を作製した。ここに、重合開始剤として1−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン(日本シーベルヘグナー社製、Luna200)をMDCに対して10質量%添加し、溶解させた。
作製した溶液を、スピンコーター(MIKASA製)を用いて(回転数:1000rpm、時間:20秒)、ガラス基板上に塗布・乾燥させ、薄膜を形成した。その後、酸素遮断環境下、高圧水銀ランプ(アイグラフィックス社製)を用い、照度100mW/cm、積算光量350mJ/cmの紫外線を照射して、重合性無機粒子分散剤MDC単独の硬化膜(膜厚280nm)を作製した。
得られた硬化膜の屈折率、アッベ数を前述の方法に従って測定した。その結果を表1に示す。表1には、上記MDCのTHF中の分散安定性を併記した。
実施例4 <MDEPの屈折率およびアッベ数>
実施例2で得られたMDEPを、ガラス製の10mLサンプル瓶に秤量し、テトラヒドロフラン4mLに室温下で溶解して10質量%の分散液を作製した。ここに、重合開始剤として1−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン(日本シーベルヘグナー社製、Luna200)をMDEPに対して5質量%添加し、溶解させた。
作製した溶液を、スピンコーター(MIKASA社製)を用いて(回転数:1000rpm、時間:20秒)、ガラス基板上に塗布・乾燥させ、薄膜を形成した。その後、酸素遮断環境下、高圧水銀ランプ(アイグラフィックス社製)を用い、照度100mW/cm、積算光量350mJ/cmの紫外線を照射して、重合性無機粒子分散剤MDEP単独の硬化膜(膜厚400nm)を作製した。得られた硬化膜の屈折率、アッベ数を前述の方法に従って測定した。その結果を表1に示す。表1には、上記MDEPのTHF中の分散安定性を併記した。
比較例1 <Qに芳香環を含む重合性無機粒子分散剤の屈折率およびアッベ数>
日本国特開2006−273709号公報に記載の合成例3の方法により、以下の化合物αを製造した。
化合物α
Figure 2013047786
実施例3において、重合性無機粒子分散剤を、実施例1で合成したMDCから前記方法で得られた化合物αに変更した以外は、同じ方法で重合性無機粒子分散剤単独の硬化膜を作製し、同様に屈折率とアッベ数を測定し、結果を分散安定性と共に表1に示した。
比較例2 <Qに硫黄原子を含まない重合性無機粒子分散剤(2−メタクリロイロキシエチルアシッドホスフェート)の屈折率およびアッベ数>
実施例3において、重合性無機粒子分散剤を、実施例1で合成したMDCから2−メタクリロイロキシエチルアシッドホスフェート(共栄社化学社製、ライトエステルP−2M)に変更した以外は、同じ方法で重合性無機粒子分散剤単独の硬化膜を作製し、同様に屈折率とアッベ数を測定し、結果を分散安定性と共に表1に示した。
比較例3 <Qに硫黄原子を含まない重合性無機粒子分散剤(2−メタクリロイロキシエチルアシッドホスフェート)の屈折率およびアッベ数>
比較例1において、重合性無機粒子分散剤を2−メタクリロイロキシエチルフタル酸(新中村化学社製、CB−1)に変更した以外は、同じ方法で重合性無機粒子分散剤単独の硬化膜を作製し、同様に屈折率とアッベを数測定し、結果を分散安定性と共に表1に示した。
Figure 2013047786
実施例5 <MDC>
実施例3と同様にして得られた硬化膜を使用してアッベ数の温度依存性を前述の方法により測定した。屈折率の測定には、テトラヒドロフラン(THF)を溶媒として使用した6.0質量%のMDC分散液を作製し、ここに、重合開始剤として1−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン(日本シーベルヘグナー社製、Luna200)をMDCに対して10質量%添加し、溶解させた溶液を使用した。作製した溶液を、スピンコーター(MIKASA製)を用いて(回転数:500rpm、時間:20秒)、ガラス基板上に塗布・乾燥させ、薄膜を形成した。その後、酸素遮断環境下、高圧水銀ランプ(アイグラフィックス社製)を用い、照度100mW/cm、積算光量350mJ/cmの紫外線を照射して、重合性無機粒子分散剤MDC単独の硬化膜(膜厚430nm)を作製した。前述の方法で薄膜の屈折率の測定を行った。結果を表2に示す。
比較例4 <化合物α>
実施例5において、重合性無機粒子分散剤を、化合物αに変更した以外は、同じ方法で重合性無機粒子分散剤単独の硬化膜を作製し、同様に屈折率とアッベ数の温度依存性を前述の方法により測定し、結果を表2に示した。
Figure 2013047786
以上の評価結果より、本発明の重合性無機粒子分散剤は、芳香環を含む重合性無機粒子分散剤に対して屈折率・アッベ数、特にの温度依存性が高いことがわかる。
[無機有機樹脂複合材の製造と評価]
実施例6 (MDC)
実施例1で製造したMDC0.7997gを、前述の方法により合成した酸化ジルコニウム0.2g(MDCに対し、酸化ジルコニウム20質量%)をテトラヒドロフラン32.3gに懸濁させた分散液に添加、混合して、固形分濃度3質量%の分散液を作製した。
ここに、重合開始剤として1−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン(日本シーベルヘグナー社製、Luna200)をMDCに対して10質量%添加し、溶解させた。作製した溶液(この溶液の分散安定性を表1に示す。)を、スピンコーター(MIKASA社製)を用いて(回転数:1000rpm、時間:20秒)、ガラス基板上に塗布・乾燥させ、薄膜を形成した。その後、酸素遮断環境下、高圧水銀ランプ(アイグラフィックス社製)を用い、照度100mW/cm、積算光量350mJ/cmの紫外線を照射して、無機有機複合粒子の硬化膜(膜厚210μm)を作製した。この硬化膜の屈折率とアッベ数を前述の方法に従って測定した。結果を表3に示す。
実施例7 (MDC)
実施例6において、MDCに対する酸化ジルコニウムの使用量を40質量%とした以外は、実施例4と同様にして硬化膜を得、その屈折率とアッベ数を測定した。結果を表3に示す。
実施例8 (MDC)
実施例6において、MDCに対する酸化ジルコニウムの使用量を60質量%とした以外は、実施例4と同様にして硬化膜を得、その屈折率とアッベ数を測定した。結果を表3に示す。
[無機有機樹脂複合材の製造と評価]
実施例9 <MDEP>
実施例2で得られたMDEP0.25gを、前述の方法により合成した酸化ジルコニウム0.06g(MDEPに対し、酸化ジルコニウム20質量%)をテトラヒドロフラン3mlに懸濁させた分散液に添加混合して、固形分濃度10質量%の分散液を作製した。ここに、重合開始剤として1−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン(日本シーベルヘグナー社製、Luna200)をMDEPに対して5質量%添加し、溶解させた。
作製した溶液(この溶液の分散安定性を表1に示す。)を、スピンコーター(MIKASA社製)を用いて(回転数:1000rpm、時間:20秒)、ガラス基板上に塗布・乾燥させ、薄膜を形成した。その後、酸素遮断環境下、高圧水銀ランプ(アイグラフィックス社製)を用い、照度100mW/cm、積算光量350mJ/cmの紫外線を照射して、無機有機複合粒子の硬化膜(膜厚340μm)を作製した。この硬化膜の屈折率とアッベ数を前述の方法に従って測定した。結果を表3に示す。
実施例10
実施例9において、MDEPに対する酸化ジルコニウムの使用量を40質量%とした以外は実施例9と同様にして硬化膜を得、その屈折率とアッベ数を測定した。結果を表3に示す。
実施例11
実施例9において、MDEPに対する酸化ジルコニウムの使用量を60質量%とした以外は実施例9と同様にして硬化膜を得、その屈折率とアッベ数を測定した。結果を表3に示す。
実施例12
実施例9において、MDEPに対する酸化ジルコニウムの使用量を70質量%とした以外は実施例9と同様にして硬化膜を得、その屈折率とアッベ数を測定した。結果を表3に示す。
比較例5
比較例1において、重合性無機粒子分散剤を2−メタクリロイロキシエチルフタル酸(新中村化学社製、CB−1)に変更した以外は、同じ方法で重合性無機粒子分散剤単独の硬化膜を作製し、同様に屈折率とアッベ数測定し、結果を分散安定性と共に表3に示す。
比較例6
比較例2において、重合性無機粒子分散剤を2−メタクリロイロキシエチルフタル酸(新中村化学社製、CB−1)に変更した以外は、同じ方法で無機有機複合粒子の硬化膜を作製し、同様に屈折率とアッベ数測定し、結果を分散安定性と共に表3に示す。
Figure 2013047786
以上の結果より、次のことが分かった。実施例3,4より、実施例1,2で製造した重合性無機粒子分散剤MDC,MDEPは、単独でも硬化物を与え、透明性が高く、屈折率が1.62以上で、しかもアッベ数40以上を有していることが分かった。
また、実施例6〜8および実施例9〜12によれば、従来分散剤では1.65以上の屈折率を達成するには、60質量%以上の無機粒子濃度が必要となるが、本発明の分散剤(MDC,MDEP)を無機粒子と複合化することにより、無機粒子濃度が20質量%という低濃度でも、高屈折率と高アッベ数を達成できることが分かった。
また、重合性無機粒子分散剤の吸着部位による透明分散効果があり、かつ、無機粒子濃度を更に上げることで、従来にはない屈折率の向上と高アッベ数の維持を広範囲で達成できることが分かった。
本発明を特定の態様を用いて詳細に説明したが、本発明の意図と範囲を離れることなく様々な変更および変形が可能であることは、当業者にとって明らかである。なお本出願は、2011年9月30日付で出願された日本特許出願(特願2011−217350)に基づいており、その全体が引用により援用される。
本発明の重合性無機粒子分散剤は、それ自体重合可能で有り、かつ高い屈折率と高いアッベ数を有することから、光学用材料として好適に用いることが出来る。さらに、本発明の重合性無機粒子分散剤は、粒子径1〜10nmの金属酸化物ナノ粒子などの無機粒子を均一に分散させることで無機有機複合粒子を形成できるため、透明性を維持しながら高屈折率化と高アッベ数化を可能とする。
従って、このような無機有機複合粒子により作製される無機有機樹脂複合材は、携帯情報端末などのディスプレイ、光学レンズ、マイクロレンズ、スイッチ類、導光シート、導光板、光導波路、光回路などの高屈折率と高アッベ数が要求されるような光学用途へ適用可能である。

Claims (22)

  1. 下記官能基A、BおよびQからなる化合物である重合性無機粒子分散剤。
    A:重合性官能基
    B:カルボキシル基、リン含有オキソ酸基、または硫黄含有オキソ酸基
    Q:硫黄以外のヘテロ原子を含んでもよい2価以上の含硫黄脂肪族炭化水素基
  2. 前記官能基A、BおよびQからなる化合物が下記式(I)または(II)で表される化合物である請求項1に記載の重合性無機粒子分散剤。
    (An1−Q−(Bm1 ・・・(I)
    [式(I)中、Aは重合性官能基を表し、Bは、カルボキシル基、リン含有オキソ酸基、または硫黄含有オキソ酸基を表し、Qは、硫黄以外のヘテロ原子を含んでもよい(n1+m1)価の含硫黄脂肪族炭化水素基を表す。
    n1およびm1は、各々独立に1〜10の整数を表す。
    なお、n1およびm1が2以上の整数である場合、1分子中に複数個存在するAまたはBは各々同一であっても異なるものであってもよい。]
    {(An2−Qm2−B ・・・(II)
    [式(II)中、Aは重合性官能基を表し、Bは、m2価のリン含有オキソ酸基を表し、Qは、硫黄以外のヘテロ原子を含んでもよい(n2+1)価の含硫黄脂肪族炭化水素基を表す。
    n2は、1〜10の整数を表す。
    m2は、2〜10の整数を表す。
    なお、1分子中に複数個存在するAまたはQは各々同一であっても異なるものであってもよい。]
  3. 前記式(I)におけるQまたは前記式(II)におけるQが、各々下記式(III)または(IV)で表される基である、請求項2に記載の重合性無機粒子分散剤。
    Figure 2013047786
    [式(III)中、環Gは飽和3〜8員環の単環または橋架け環、あるいはこれらの環が2または3個結合してなる縮合環またはスピロ環を表し、環を形成するメチレン基の一部が硫黄原子を含む2価の基に置換されている。なお、環を形成するメチレン基の一部が、更に、酸素原子、窒素原子またはリン原子を含む2価の基を含んでもよい。Lは直接結合、スルフィド基、エーテル基、ヘテロ原子を有してもよい脂肪族炭化水素基、を表し、1分子中に複数含まれるLは同一であっても異なるものであってもよい。
    tは式(III)がQである場合は(n1+m)(但し、mおよびn1は前記式(I)におけると同義)であり、式(III)がQである場合は(n2+1)(但しn2は前記式(II)におけると同義)である。]
    −[S]−[CR−[E]− ・・・(IV)
    [式(IV)において、Rは水素原子またはヘテロ原子を含んでいてよい炭化水素基を表し、Eは硫黄原子または酸素原子を表す。
    pは1〜3の整数を表す。qは1〜3の整数を表す、rは0または1を表す。
    1分子中に含まれる複数のRは、同一であっても異なるものであってもよい。
    なお、式(IV)におけるS、CR、Eの結合順序は任意である。]
  4. 硫黄原子以外のヘテロ原子が、酸素原子、リン原子および窒素原子のいずれかである、請求項3に記載の重合性無機粒子分散剤。
  5. 含硫黄脂肪族炭化水素基が含硫黄環状脂肪族炭化水素基を含む、請求項2または3に記載の重合性無機粒子分散剤。
  6. 含硫黄環状脂肪族炭化水素基が、ジチアン環、ジチオラン環、トリチオラン環、チアスピロ環、ジチアスピロ環、トリチアスピロ環、テトラチアスピロ環、ジチエタン環、チイラン環、およびチオラン環の少なくとも一つを含む、請求項5に記載の重合性無機粒子分散剤。
  7. 含硫黄環状脂肪族炭化水素基が、置換基として含硫黄鎖状脂肪族炭化水素基を含む、請求項5または6に記載の重合性無機粒子分散剤。
  8. 重合性官能基Aが、(メタ)アクリル基、オキシラン基、チイラン基、およびイソシアネート基のいずれかである、請求項1ないし7のいずれか1項に記載の重合性無機粒子分散剤。
  9. 屈折率が1.62以上である請求項1ないし8のいずれか1項に記載の重合性無機粒子分散剤。
  10. アッベ数が40以上である請求項1ないし8のいずれか1項に記載の重合性無機粒子分散剤。
  11. 請求項1ないし10のいずれか1項に記載の重合性無機粒子分散剤と無機粒子とを含む無機有機複合粒子。
  12. 無機粒子が屈折率2.0以上の無機粒子である、請求項11に記載の無機有機複合粒子。
  13. 無機粒子が径が1〜10nmの無機粒子である、請求項11または12に記載の無機有機複合粒子。
  14. 重合性無機粒子分散剤に対する無機粒子の含有量が20〜90質量%である、請求項11ないし13のいずれか1項に記載の無機有機複合粒子。
  15. 請求項11ないし14のいずれか1項に記載の無機有機複合粒子と分散媒とを含む分散液。
  16. 更に重合性モノマーを含む、請求項15に記載の分散液
  17. 請求項11ないし14のいずれか1項に記載の無機有機複合粒子を硬化して得られる無機有機樹脂複合材。
  18. 請求項17に記載の無機有機樹脂複合材を含む光学材料。
  19. 光回路である請求項18に記載の光学材料。
  20. 光導波路である請求項18に記載の光学材料。
  21. レンズである請求項18に記載の光学材料。
  22. 下記官能基A、BおよびQを含む化合物。
    A:重合性官能基
    B:カルボキシル基、リン含有オキソ酸基、または硫黄含有オキソ酸基
    Q:硫黄以外のヘテロ原子を含んでもよい2価以上の含硫黄環状脂肪族炭化水素基
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