JPWO2013061747A1 - 被膜付き基板の製造方法 - Google Patents
被膜付き基板の製造方法Info
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Abstract
Description
少なくとも1種の加水分解可能な官能基を有するシラン化合物を含み、実質的に加水分解反応触媒を含有しない被膜形成用組成物を調製する工程、
前記被膜形成用組成物を基板上に塗布し塗膜を形成する工程、
前記塗膜を乾燥して前駆膜とする工程、および、
加水分解反応触媒を主成分として含む処理液により前記前駆膜の表面を処理して被膜とする工程、
を含むことを特徴とする被膜付き基板の製造方法。
[2]前記加水分解反応触媒が酸またはアルカリである[1]の被膜付き基板の製造方法。
[3]前記加水分解反応触媒が酸である[1]または[2]の被膜付き基板の製造方法。[4]前記酸が、塩酸、硝酸、硫酸、パラトルエンスルホン酸およびメタンスルホン酸からなる群から選ばれる1種以上である[2]または[3]の被膜付き基板の製造方法。
[5]前記加水分解可能な官能基を有するシラン化合物が、ペルフルオロアルキル基、ペルフルオロポリエーテル基およびポリジメチルシロキサン鎖から選ばれる構造を有するシラン化合物である[1]〜[4]のいずれかの被膜付き基板の製造方法。
[6]前記加水分解可能な官能基が、炭素原子数1〜10のアルコキシ基、イソシアネート基および塩素原子から選ばれる[1]〜[5]のいずれかの被膜付き基板の製造方法。[7]前記加水分解可能な官能基を有するシラン化合物として、加水分解可能な官能基が塩素原子またはイソシアネート基であるシラン化合物と、加水分解可能な官能基がアルコキシ基であるシラン化合物とを含む[1]〜[6]のいずれかの被膜付き基板の製造方法。
[8]前記処理液が、実質的にシラン化合物を含まない[1]〜[7]のいずれかの被膜付き基板の製造方法。
[9]前記前駆膜表面の処理を、前記処理液を含浸、保持させた保液部材を前記前駆膜表面に加圧接触させながら移動することにより行う[1]〜[8]のいずれかの被膜付き基板の製造方法。
[10]前記保液部材を構成する素材が、スポンジ、不織布、織布および紙から選ばれる[9]の被膜付き基板の製造方法。
[11]前記前駆膜の表面を処理する工程の前に、前記前駆膜を0〜60℃、50〜100RH%で、10〜180分間加湿する工程をさらに含む[1]〜[10]の被膜付き基板の製造方法。
[12]前記基板の構成材料がガラスまたは樹脂である[1]〜[11]のいずれかの被膜付き基板の製造方法。
本発明の製造方法は、基板上に被膜を有する、被膜付き基板を製造する方法であって、以下の(A)〜(D)の工程を含むことを特徴とする。
(A)加水分解可能な官能基を有するシラン化合物を含み、実質的に加水分解反応触媒を含有しない被膜形成用組成物を調製する工程(以下、被膜形成用組成物調製工程または(A)工程という)
(B)前記被膜形成用組成物を基板上に塗布し塗膜を形成する工程(以下、塗布工程または(B)工程という)
(C)前記塗膜を乾燥して前駆膜とする工程(以下、乾燥工程または(C)工程という)(D)加水分解反応触媒を主成分として含む処理液により前記前駆膜の表面を処理して被膜とする工程(以下、触媒処理工程または(D)工程という)
また、被膜を有する被膜付き基板は、基板と被膜の間に各種機能を有する中間膜を有してもよく、その場合(B)工程で被膜形成用組成物を塗布する面は、基板表面ではなく基板表面に形成された中間膜表面となる。
以下、加水分解性基を有するシラン化合物を「加水分解性シラン化合物」という。加水分解性シラン化合物の加水分解縮合により、ケイ素原子に結合する加水分解性基の数に応じて、線状のポリシロキサンや3次元的なネットワーク構造のポリシロキサンが形成されて被膜となる。なお、加水分解性シラン化合物には、ケイ素原子数が1以上の加水分解性シラン化合物、およびそれらの単独のまたは組合せた部分加水分解縮合物が含まれる。
本明細書において用いる、(メタ)アクリロイルオキシ基等の「(メタ)アクリロイルオキシ…」の用語は、「アクリロイルオキシ…」と「メタクリロイルオキシ…」の両方を意味する。また、後述の「(メタ)アクリル…」の用語は、同様に「アクリル…」と「メタクリル…」の両方を意味する。
本明細書における式(1A)で表される化合物を、化合物(1A)という。他の化合物も同様である。
本明細書における式(A)で表される基を、基(A)という。他の基も同様である。
(A)被膜形成用組成物調製工程
被膜形成用組成物は、基板上に加水分解性シラン化合物を含む塗膜を形成するための組成物であって、加水分解性シラン化合物を含む。さらに、通常、組成物の基板上への塗工性を確保するために溶媒を含む。また、本発明に用いる被膜形成用組成物は実質的に加水分解反応触媒を含有しない。
加水分解性シラン化合物は、シロキサン結合により被膜を形成しうる加水分解性シラン化合物であれば特に制限されない。具体的には、ケイ素原子の4個の結合手に1〜4個の加水分解性基が結合し、残りの結合手に、水素原子または有機基が結合した加水分解性シラン化合物が挙げられる。なお、加水分解性基が1個の加水分解性シラン化合物は、それ単独では被膜形成が困難であり、加水分解性基を2個以上有する加水分解性シラン化合物と組み合わせて用いられる。
含フッ素加水分解性シラン化合物としては、含フッ素ポリエーテル基を有する加水分解性シラン化合物、含フッ素アルキル基を有する加水分解性シラン化合物、含フッ素有機基が結合したポリジメチルシロキサン鎖構造を有するシラン化合物等が挙げられる。含フッ素ポリエーテル基および含フッ素アルキル基としては、それぞれペルフルオロポリエーテル基およびペルフルオロアルキル基が好ましい。
加水分解性基とペルフルオロポリエーテル基を有するシラン化合物として、具体的には、下記式(1A)で表される化合物および下記式(1B)で表される化合物等が挙げられる。
A1−Q1−SiX1 mR1 3−m …(1A)
A1−Q1−{CH2CH(SiX1 mR1 3−m)}n−H …(1B)
式(1A)および式(1B)中の記号は以下の通りである。
A1:下記式(A)で示される基である。
Q1:−C(=O)NH−、−C(=O)N(CH3)−、−C(=O)N(C6H5)−から選ばれるアミド結合、ウレタン結合、エーテル結合、エステル結合、−CF2−基およびフェニレン基から選ばれる1種または2種を含有してもよい、−CH2−単位の繰返しからなる炭素原子数2〜12の2価の有機基を示す(ただし、−CH2−基の水素原子の1個は−OH基で置換されていてもよい。)。以下、−C(=O)N…は、−CON…と示す。例えば、−C(=O)NH−は、−CONH−と示す。
R1:水素原子または、水素原子の一部または全部が置換されていてもよい炭素原子数1〜8の一価炭化水素基(例えば、アルキル基、アルケニル基、アリール基)を示す。3−m個のR1は互いに同一であっても異なってもよい。
m:1、2または3を示す。
n:1〜10の整数を示す。
CF3−(OCF2)c−Q1−SiX1 mR1 3−m …(1A−1)
CF3−(OCF2CF2)a−(OCF2)c−Q1−SiX1 mR1 3−m …(1A−2)
CF3CF2−(OCF2CF2)a−Q1−SiX1 mR1 3−m …(1A−3)
CF3CF2CF2−(OCF2CF2CF2)d−Q1−SiX1 mR1 3−m …(1A−4)
CF3CF2CF2−{OCF(CF3)CF2}b−Q1−SiX1 mR1 3−m …(1A−5)
CF3−(OCF2)c−Q1−{CH2CH(SiX1 mR1 3−m)}n−H …(1B−1)
CF3−(OCF2CF2)a−(OCF2)c−Q1−{CH2CH(SiX1 mR1 3−m)}n−H …(1B−2)
CF3CF2−(OCF2CF2)a−Q1−{CH2CH(SiX1 mR1 3−m)} n−H …(1B−3)
CF3CF2CF2−(OCF2CF2CF2)d−Q1−{CH2CH(SiX1 mR 1 3−m)}n−H …(1B−4)
CF3CF2CF2−{OCF(CF3)CF2}b−Q1−{CH2CH(SiX1 mR1 3−m)}n−H …(1B−5)
上記式(1A−1)〜(1B−5)中の記号は、それぞれ独立して上記式(1A)、(1B)におけるのと同様であり、好ましい態様も上記同様である。
CF3−(OCF2CF2)a−OCF2−CONHC3H6Si(OCH3)3
CF3−(OCF2CF2)a−OCF2−CONHC3H6Si(OC2H5)3
CF3−(OCF2CF2)a−OCF2−CONHC2H4Si(OCH3)3
CF3−(OCF2CF2)a−OCF2−CONHC2H4Si(OC2H5)3
CF3−(OCF2CF2)a−OCF2−C2H4Si(OCH3)3
CF3−(OCF2CF2)a−OCF2−C2H4Si(OC2H5)3
(ただし、上記の全てにおいて、a=7〜8、平均値:7.3を示す。)
これらのなかでもさらにCF3(OCF2CF2)aOCF2CONHC3H6Si(OCH3)3が好ましい。
W21 s1(R21)t1Z21−Q21−A2−Q22−Z22(R22)t2W2 2 s2 …(2)
式(2)中、A2は2価のペルフルオロポリエーテル残基、Q21、Q22はそれぞれ独立に−CONH−、−CON(CH3)−、−CON(C6H5)−から選ばれるアミド結合、ウレタン結合、エーテル結合、エステル結合、−CF2−基およびフェニレン基から選ばれる1種または2種を含有してもよい、−CH2−単位の繰返しからなる炭素原子数2〜12の2価の有機基(ただし、−CH2−基の水素原子の1個は−OH基で置換されていてもよい。)であり、Z21、Z22はそれぞれ独立にシロキサン結合を3個以上有する3〜11価のポリオルガノシロキサン残基、R21、R22はそれぞれ独立に炭素原子数8〜40の1価のアルキル基、t1、t2はそれぞれ独立に1〜8の整数、W2 1、W22はそれぞれ独立に下記式(W)に示した基であり、s1、s2はそれぞれ独立に1〜9の整数、ただし、s1+t1=(Z21の価数−1)、s2+t2=(Z22の価数−1)である。
式(W)中、X2は炭素原子数1〜10のアルコキシ基、炭素原子数2〜10のオキシアルコキシ基、炭素原子数2〜10のアシロキシ基、炭素原子数2〜10のアルケニルオキシ基、ハロゲン原子、またはイソシアネート基を示す。これらの中でも、炭素原子数1〜10のアルコキシ基、イソシアネート基および塩素原子が好ましい。m個のX2は互いに同一であっても異なってもよい。
R23は炭素原子数1〜4のアルキル基、またはフェニル基を示し、3−m個のR23は互いに同一であっても異なってもよい。mは1、2または3、pは2〜10の整数である。
−(CF2)e1(OCF2CFY)fO{(CF2)gO)}h(CFYCF2O)i(CF2)e2− …(A3)
(式(A3)中、Yはそれぞれ独立にフッ素原子またはCF3基、e1、e2は1〜3の整数、gは2〜6の整数、f、iはそれぞれ0〜100の整数でf+iは2〜100、hは0〜6の整数であり、各繰り返し単位の配列はランダムであってよい。)
−(CF2)e3(OCF2CF2CF2)jO(CF2)e4− …(A4)
(式(A4)中、jは1〜100の整数、e3、e4は1〜3の整数である。)
−(CF2)e5(OCF2CFY)k(OCF2)lO(CF2)e6− …(A5)
(式(A5)中、Yはフッ素原子またはCF3基、e5、e6は1〜3の整数、k、lはそれぞれ0〜100の整数でk+lは2〜100であり、各繰り返し単位の配列はランダムであってよい。)
−CF2−(OCF2CF2)x−(OCF2)y−OCF2− …(A6)
(式(A6)中、x=0〜50、y=1〜50およびx+y=2〜60の整数である。)
上記化合物(2)は、公知の方法、例えば、特許第4666667号公報に記載の方法で製造可能である。
加水分解性基とペルフルオロアルキル基を有するシラン化合物として、具体的には、下記式(3)で表される化合物等が挙げられる。
CF3−(CF2)r−Q3−SiR3 3−mX3 m …(3)
式(3)中の記号は以下の通りである。
r:0から19の整数を示す。
Q3:炭素原子数1〜10のフッ素原子を含まない2価の有機基を示す。
m:1、2または3を示す。
R3:水素原子または、水素原子の一部または全部が置換されていてもよい炭素原子数1〜8の一価炭化水素基(例えば、アルキル基、アルケニル基、アリール基)を示す。3−m個のR3は互いに同一であっても異なってもよい。
X3:炭素原子数1〜10のアルコキシ基、炭素原子数2〜10のオキシアルコキシ基、炭素原子数2〜10のアシロキシ基、炭素原子数2〜10のアルケニルオキシ基、ハロゲン原子、またはイソシアネート基を示す。これらの中でも、炭素原子数1〜10のアルコキシ基、イソシアネート基および塩素原子が好ましい。m個のX3は互いに同一であっても異なってもよい。
CF3−(CF2)r(CH2)n4SiX3 3 …(3−1)
CF3−(CF2)r(CH2)n4Si(R3)X3 2 …(3−2)
CF3−(CF2)rCONH(CH2)n5SiX3 3 …(3−3)
CF3−(CF2)rCONH(CH2)n5Si(R3)X3 2 …(3−4)
CF3−(CF2)rCONH(CH2)n6NH(CH2)5−n6SiX3 3 …(3−5)
CF3−(CF2)rCONH(CH2)n6NH(CH2)5−n6Si(R3)X3 2 …(3−6)
式(3−1)〜(3−6)中のX3、R3は上記式(3)におけるのと同じ意味を示し、好ましい態様も同じである。rは1〜19の整数、n4は1〜6の整数、n5は1〜5の整数、n6は1〜4の整数である。
C6F13CH2CH2Si(OCH3)3
C8F17CH2CH2Si(OCH3)3
C6F13CH2CH2SiCl3
C8F17CH2CH2SiCl3
C6F13CH2CH2Si(NCO)3
C8F17CH2CH2Si(NCO)3
上記化合物(3)は、一般的な方法で製造可能である。また、化合物(3)としては市販品があり、本発明にはこのような市販品を用いることも可能である。
加水分解性基を有するポリジメチルシロキサン鎖に含フッ素有機基が結合したシラン化合物として、具体的には、下記式(4)で表される化合物等が挙げられる。
上記化合物(2)は、公知の方法、例えば、特開2002−121286号公報に記載の方法で製造可能である。
フッ素原子を有しない加水分解性シラン化合物として、具体的には、下記一般式(5)で示される加水分解性シラン化合物、上記式(4)においてRf−Q4−のかわりにCH 3−、OH−、R4 3−mX4 mSi−O−等が結合したポリジメチルシロキサン鎖を有する加水分解性シラン化合物等が挙げられる。
ここで、式(5)中、R51は炭素原子数1〜18の置換または非置換の1価炭化水素基であり、R52は炭素原子数1〜18のアルキル基またはアリール基、X5は炭素原子数1〜10のアルコキシ基、炭素原子数2〜10のオキシアルコキシ基、炭素原子数2〜10のアシロキシ基、炭素原子数2〜10のアルケニルオキシ基、ハロゲン原子、またはイソシアネート基を示す。vおよびwは0、1または2であり、v+wは0、1または2である。
より具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、ヘキシル基、デシル基、シクロヘキシル基などのアルキル基、フェニル基、フェネチル基などのアリール基、3−クロロプロピル基などのフッ素以外のハロゲン化アルキル基、p−クロロフェニル基などのフッ素以外のハロゲン化アリール基、ビニル基、アリル基、9−デセニル基、p−ビニルベンジル基などのアルケニル基、3−(メタ)アクリロイルオキシプロピル基などの(メタ)アクリロイルオキシ基含有有機基、3−メルカプトプロピル基、p−メルカプトメチルフェニルエチル基などのメルカプト基含有有機基、3−アミノプロピル基、(2−アミノエチル)−3−アミノプロピル基などのアミノ基含有有機基、2−シアノエチル基などのシアノ基含有有機基、3−グリシドキシプロピル基、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチル基などのエポキシ基含有有機基などを例示することができる。
X5としては、これらのなかでも炭素原子数1〜10のアルコキシ基、塩素原子、イソシアネート基が好ましく、加水分解速度、塗布液の安定性の点からメトキシ基、エトキシ基、イソプロポキシ基、tert−ブトキシ等の炭素原子数4以下のアルコキシ基が特に好ましい。
2官能性アルコキシシラン化合物としては、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、ジフェニルジメトキシシラン、ジフェニルジエトキシシラン、フェニルメチルジメトキシシラン、フェニルメチルジエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−(メタ)アクリロイルオキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−(メタ)アクリロイルオキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、3−アミノプロピルメチルジエトキシシラン等が好適に利用できる。
本発明の製造方法においては、加水分解性シラン化合物として、目的、用途等に応じて、成膜性や耐摩耗性、耐食性、耐候性等の耐久性、さらに撥水性等の機能を考慮して、例えば上に示した加水分解性シラン化合物から選択された1種または2種以上が用いられる。
本発明の製造方法が好適に用いられる、含フッ素加水分解性シラン化合物を用いた撥水性被膜の場合の加水分解性シラン化合物の好ましい組合せとしては、例えば、含フッ素ポリエーテル基を有する加水分解性シラン化合物と、含フッ素アルキル基を有する加水分解性シラン化合物および/または含フッ素アルキル基が結合したポリジメチルシロキサン鎖構造を有するシラン化合物と、の組み合わせが挙げられる。
ここで、反応性の高いシラン化合物の加水分解性基としては、塩素原子、イソシアネート基が挙げられ、反応性の低いシラン化合物の加水分解性基としては、アルコキシ基が挙げられる。
また、本発明の製造方法では、触媒処理工程を有するため、被膜形成用組成物は実質的に加水分解反応触媒を含有しなくても、十分に加水分解反応が進行し、高い耐久性を備えた被膜付き基板を得ることができる。
さらに化合物(1A)のなかでも、化合物(1A−2)が好ましく、CF3(OCF2CF2)aOCF2CONHC3H6Si(OCH3)3(ただし、a=7〜8、平均値:7.3を示す。)が特に好ましい。
化合物(3)のなかでは、化合物(3−1)が好ましく、そのなかでもC6F13CH 2CH2Si(OCH3)3、C8F17CH2CH2Si(OCH3)3、C6F13CH2CH2SiCl3、C8F17CH2CH2SiCl3、C6F13CH2CH2Si(NCO)3、C8F17CH2CH2Si(NCO)3、が特に好ましい。
ここで、本発明の製造方法に用いる被膜形成用組成物は、実質的に加水分解性シラン化合物の加水分解反応を触媒する触媒を含有しない。したがって、加水分解性シラン化合物の部分加水分解縮合物や部分加水分解共縮合物を配合する場合は、その生成反応液中に存在する触媒を被膜形成用組成物に持ち込まないようにして配合する。
本発明に用いる被膜形成用組成物は、加水分解性シラン化合物を含む状態でこれを基板上に塗布する際の、作業性、成膜性等を確保するために、通常、溶媒を含有する。溶媒は、用いる加水分解性シラン化合物を溶解するものであれば特に制限されない。溶媒としては、アルコール類、エーテル類、ケトン類、芳香族炭化水素類、パラフィン系炭化水素類、酢酸エステル類等が好ましく、特にフッ素原子を含む有機溶剤(例えば、フルオロアルコール、フルオロ炭化水素)が好ましい。溶媒は1種に限定されず、極性、蒸発速度等の異なる2種以上の溶媒を混合して使用してもよい。
被膜形成用組成物は、含有する加水分解性シラン化合物が加水分解縮合するための水を含んでいてもよい。被膜形成用組成物における水の配合量は、加水分解性シラン化合物の合量質量の100質量部に対して、10〜50質量部程度が好ましい。なお、被膜形成用組成物は水を含有しなくとも、以下の塗膜から前駆膜の状態において雰囲気中の水分を利用して加水分解性シラン化合物の加水分解縮合を行わせることができる。
被膜形成用組成物は、本発明の効果を損なわない範囲で、目的に応じて、任意に添加剤を含んでもよい。添加剤としては、必須成分との反応性または相溶性等を考慮して選択するのが好ましく、シリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニア等の金属酸化物の超微粒子、染料または顔料等の着色用材料、防汚性材料、各種樹脂等が好ましく挙げられる。添加剤の添加量は、被膜形成用組成物の固形分(溶媒などの揮発成分を除いた成分)の100質量部に対して、0.01〜20質量部が好ましい。被膜形成用組成物への添加剤の過剰な添加は、得られる被膜の性能の低下を招くおそれがある。
被膜形成用組成物は、加水分解性シラン化合物とその他各種成分の各所定量を均一な組成となるように混合することで調製される。
本発明の製造方法において、このようにして調製される被膜形成用組成物は、実質的に加水分解反応触媒を含有しないことから貯蔵安定性に優れるものである。
次いで、(A)工程で調製された被膜形成用組成物を基板上に塗布し塗膜を形成する。
被膜形成用組成物を基板上に塗布する方法としては、均一な塗膜が形成できる方法であれば、特に限定されない。例えば、はけ塗り、フローコート、スピンコート、ディップコート、スキージコート、スプレーコート、ダイコート、手塗り等の方法が使用できる。これらの方法により、基板上に被膜形成用組成物を、最終的に得られる被膜の厚さが所定の厚さとなるように塗膜の厚さを調整して、塗布する。なお、本発明の製造方法が適用される被膜の厚さとしては、特に制限されないが、50nm以下の厚さが好ましく、その下限は単分子層の厚さである。被膜の厚さは1〜30nmがより好ましく、1〜20nmが特に好ましい。
Si(X6)4 …(6)
ペルヒドロポリシラザンは、−SiH2−NH−SiH2−で表される構造を有する線状や環状のオリゴマーであり、1分子あたりのケイ素原子の数は2〜500が好ましい。
本発明の製造方法においては、上記(B)工程で形成された塗膜を、次の(D)触媒処理工程の前に乾燥して前駆膜の状態とする。ここで、塗膜とは、それを構成する成分の組成が塗布に用いた被膜形成用組成物と全く同様であるものをいい、前駆膜とは乾燥により溶媒が除去され、被膜形成用組成物とは異なる組成の成分で構成されているものをいう。つまり、わずかでも溶媒が除去されていれば「前駆膜」の範疇に含まれる。
乾燥工程は、塗膜からの溶媒の除去が、被膜形成用組成物に配合した溶媒量の90〜100質量%除去されるまで行うことが好ましい。被膜形成用組成物に配合された溶媒は、乾燥工程において、その全量が除去されることが特に好ましい。
乾燥工程は、被膜形成用組成物の調製に用いる溶媒の種類や量、塗膜の厚さ等にもよるが、具体的には、0〜40℃で10秒間〜10分間程度放置することで行われる。
なお、意図して乾燥工程を行っていなくても、塗膜形成後に溶媒の蒸発が起きている場合には、乾燥工程が存在するものとする。
本発明の製造方法においては乾燥工程後、前駆膜に対して以下の触媒処理工程が施される。ここで、本発明の製造方法においては、上記乾燥工程と以下の触媒処理工程の間に、加湿工程が設けられることが好ましい。加湿工程により前駆膜中の加水分解性シラン化合物の硬化反応が促進されるためである。加湿工程は、上記乾燥工程で得られた基板上の前駆膜を、0〜60℃で、10〜180分間加湿する工程である。温度と時間は20〜40℃、30〜120分間がより好ましい。湿度条件としては50〜100RH%が好ましく、60〜90RH%が特に好ましい。
本発明の製造方法においては、乾燥工程後、前駆膜に対して以下の触媒処理工程が施される。ここで、本発明の製造方法においては、上記乾燥工程と以下の触媒処理工程の間に、加熱工程が設けられることが好ましい。加熱工程により前駆膜中の加水分解性シラン化合物の硬化反応が促進されるためである。加熱工程は、上記乾燥工程で得られた基板上の前駆膜を60℃超250℃以下で、10〜180分間加熱する工程である。温度と時間は80〜200℃、30〜60分間がより好ましい。
なお、(C)工程と(D)工程の間に、加湿工程と加熱工程の両方を行うことも可能である。両方行う場合には、加熱工程後に加湿工程を行うと、加湿工程が基板の冷却工程を兼ねることができるため好ましい。また、加熱工程後に加湿工程を行うと、基板の余熱によって加湿工程が高温高湿状態となり、加水分解の進行を促進することができるため好ましい。
上記乾燥工程後、好ましくは乾燥工程後に上記加湿工程および/または加熱工程を得た前駆膜の表面を、加水分解反応触媒を主成分として含む処理液により処理してシリカ被膜とする。
処理液が含有する加水分解反応触媒としては、被膜形成用組成物が含有する加水分解性シラン化合物の加水分解反応を触媒する成分であれば特に制限されないが、具体的には、酸またはアルカリが挙げられる。酸触媒としては、塩酸、硝酸、酢酸、硫酸、燐酸、スルホン酸、メタンスルホン酸、パラトルエンスルホン酸等が使用できる。アルカリ触媒としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニア等が使用できる。
これらのなかでも、加水分解反応触媒は酸が好ましく、酸としては、塩酸、硝酸、硫酸、パラトルエンスルホン酸およびメタンスルホン酸からなる群から選ばれる1種以上が好ましい。これらのなかでも、前駆膜表面への残留性、安全性の観点から、パラトルエンスルホン酸が特に好ましい。
触媒処理工程においては、このような処理液を用いて、基板上の前駆膜の表面を処理する。前駆膜表面の処理は、少なくとも前駆膜表面の全体に処理液を均等に接触させる処理であれば特に制限されない。前駆膜表面の処理は、具体的には上記処理液を含浸、保持させた保液部材を前駆膜表面に加圧接触させながら移動することにより行うことが好ましい。
前駆膜表面への処理液の供給量としては、前駆膜の単位表面積あたりの体積量として、具体的には、0.01〜20ml/m2が好ましく、0.1〜20ml/m2がより好ましい。圧力は200〜5,000Paが好ましく、移動速度としては、0.01〜10m/secが好ましい。保液部材の加圧、移動は人の手で行われてもよいが、圧力や移動速度が常に一定に制御可能な装置により行うことが好ましい。
なお、触媒処理工程の条件としては、温度は0〜40℃が好ましい。0℃未満であると、処理後の残留水分の凍結や、加水分解効果の減少をまねくおそれがある。40℃超では、溶媒の蒸発が早くなることで作業性の低下をまねくおそれがある。また、触媒処理工程の時間としては、5秒間〜5分間が好ましい。5秒間未満であると、処理できていない部分が発生する可能性があり、5分間を超えると本工程が律速になり生産性が落ちる可能性がある。
このようにして、触媒処理工程により前駆膜表面から前駆膜内部の加水分解性シラン化合物が加水分解縮合することで硬化して、被膜を有する被膜付き基板が得られる。
本発明の製造方法により得られる被膜の厚さとしては、特に制限されないが、50nm以下の厚さが好ましく、その下限は単分子層の厚さである。被膜の厚さは1〜30nmがより好ましく、1〜20nmが特に好ましい。
本発明の被膜を有する被膜付き基板を製造する方法は、用いる被膜形成用組成物の貯蔵安定性を確保しながら、簡便で生産効率がよく、さらに基板の劣化がなく外観が良好であり、高い耐久性を備えた被膜付き基板の製造が可能な方法である。
<撥水性>
撥水性は以下の方法で測定した水接触角(CA)値で評価した。まず、以下の各試験を行う前に初期値を測定した。
[水接触角(CA)]
撥水膜付き基板の撥水膜表面に置いた、直径1mmの水滴の接触角をCA−X150(協和界面科学社製)を用いて測定した。撥水膜表面における異なる5ケ所で測定を行い、その平均値を算出した。
[屋外暴露試験]
JISZ2381に準拠して屋外暴露試験を行った。すなわち、撥水膜付き基板を、撥水膜表面が水平に対して30度の角度で南向きになるよう屋外に設置し、試験開始から3ヶ月後、上記方法により水接触角を測定した。試験後における水接触角(CA)が90°以上である場合を合格「○」、90°未満である場合を不合格「×」とした。
[中性塩水噴霧試験]
JISZ2371に準拠して塩水噴霧試験を行った。すなわち、撥水膜付き基板を、撥水膜表面が水平に対して20度の角度で上向きになるよう設置し、pH6.5〜7.2の範囲に調整した濃度5wt%の塩化ナトリウム水溶液を35℃雰囲気下で300時間噴霧した後、上記方法により水接触角を測定した。試験後における水接触角(CA)が、55°以上である場合を合格「○」、55°未満である場合を不合格「×」とした。
<化合物(3)>
化合物(3−1):C6F13C2H4SiCl3(東京化成工業製)
化合物(3−5): C6F13C2H4Si(NCO)3
参考文献(Journal of Fluorine Chemistry 79 (1996) 87-91)に基づいて、原料としてC6F13C2H4SiCl3の21.5gとシアン酸銀の25.0gを用い、ベンゼン溶媒中で、80℃にて1時間撹拌することで合成し、精製して室温で液体の化合物(3−5)を17.3g得た。
化合物(1A−21):CF3O(CF2CF2O)aCF2CONHC3H6Si(OCH3)3
(ただし、上記化合物(1A−21)において、a=7〜8・平均値:7.3を示す。)
なお、上記化合物(1A−21)については、以下の合成例により得られた化合物をそれぞれ使用した。ここで、合成例で使用した化合物の略号は、次の通りの化合物を示す。R−225:ジクロロペンタフルオロプロパン
RF2:−CF(CF3)OCF2CF(CF3)OCF2CF2CF3
R−113:CCl2FCClF2
フラスコ内に、CH3O(CH2CH2O)aCH2CH2OH(市販のポリオキシエチレングリコールモノメチルエーテル、a=7〜8・平均値:7.3)の25g、R−225の20g、NaFの1.2g、およびピリジンの1.6gを入れ、内温を10℃以下に保ちながら激しく撹拌し、窒素をバブリングさせた。フラスコ内に、FC(O)−RF 2の46.6gを、内温を5℃以下に保ちながら3.0時間かけて滴下した。滴下終了後、50℃にて12時間撹拌し、室温にて24時間撹拌して、粗液を回収した。粗液を減圧濾過した後、回収液を真空乾燥機(50℃、5.0torr)で12時間乾燥し、粗液を得た。粗液を100mLのR−225に溶解し、1000mLの飽和重曹水で3回水洗し、有機相を回収した。有機相に硫酸マグネシウムの1.0gを加え、12時間撹拌した後、加圧濾過して硫酸マグネシウムを除去し、回収液からエバポレータにてR−225を留去し、室温で液体である化合物(CH3O(CH2CH2O)aCH2CH2OC(O)−RF2(a=7〜8・平均値:7.3))の56.1gを得た。
化合物(6−1):Si(NCO)4(SI−400、商品名、マツモトファインケミカル社製)
後述の撥水膜付き基板の製造に係る各例における(D)工程:触媒処理工程で用いる、加水分解反応触媒を主成分として含む処理液(F)を以下のようにして調製した。
(調製例1−1)
撹拌機、温度計がセットされたガラス容器に、イソプロピルアルコール(純正化学社製)を96.98g、蒸留水(和光純薬工業製)を3.00g、パラトルエンスルホン酸一水和物(和光純薬工業製)を0.02g入れ、25℃にて1時間攪拌して、(D)工程に用いる処理液(F1)を得た。なお、処理液(F1)におけるパラトルエンスルホン酸の含有量は0.018質量%である。
撹拌機、温度計がセットされたガラス容器に、イソプロピルアルコール(純正化学社製)を96.95g、蒸留水(和光純薬工業製)を3.00g、パラトルエンスルホン酸一水和物(和光純薬工業製)を0.05g入れ、25℃にて1時間攪拌して、(D)工程に用いる処理液(F2)を得た。なお、処理液(F2)におけるパラトルエンスルホン酸の含有量は0.045質量%である。
撹拌機、温度計がセットされたガラス容器に、イソプロピルアルコール(純正化学社製)を96.90g、蒸留水(和光純薬工業製)を3.00g、パラトルエンスルホン酸一水和物(和光純薬工業製)を0.10g入れ、25℃にて1時間攪拌して、(D)工程に用いる処理液(F3)を得た。なお、処理液(F3)におけるパラトルエンスルホン酸の含有量は0.09質量%である。
撹拌機、温度計がセットされたガラス容器に、イソプロピルアルコール(純正化学社製)を96.80g、蒸留水(和光純薬工業製)を3.00g、パラトルエンスルホン酸一水和物(和光純薬工業製)を0.20g入れ、25℃にて1時間攪拌して、(D)工程に用いる処理液(F4)を得た。なお、処理液(F4)におけるパラトルエンスルホン酸の含有量は0.18質量%である。
撹拌機、温度計がセットされたガラス容器に、イソプロピルアルコール(純正化学社製)を96.50g、蒸留水(和光純薬工業製)を3.00g、パラトルエンスルホン酸一水和物(和光純薬工業製)を0.50g入れ、25℃にて1時間攪拌して、(D)工程に用いる処理液(F5)を得た。なお、処理液(F5)におけるパラトルエンスルホン酸の含有量は0.45質量%である。
撹拌機、温度計がセットされたガラス容器に、イソプロピルアルコール(純正化学社製)を96.00g、蒸留水(和光純薬工業製)を3.00g、パラトルエンスルホン酸一水和物(和光純薬工業製)を1.00g入れ、25℃にて1時間攪拌して、(D)工程に用いる処理液(F6)を得た。なお、処理液(F6)におけるパラトルエンスルホン酸の含有量は0.9質量%である。
撹拌機、温度計がセットされたガラス容器に、イソプロピルアルコール(純正化学社製)を92.00g、蒸留水(和光純薬工業製)を3.00g、パラトルエンスルホン酸一水和物(和光純薬工業製)を5.00g入れ、25℃にて1時間攪拌して、(D)工程に用いる処理液(F7)を得た。なお、処理液(F7)におけるパラトルエンスルホン酸の含有量は4.5質量%である。
撹拌機、温度計がセットされたガラス容器に、イソプロピルアルコール(純正化学社製)を96.72g、蒸留水(和光純薬工業製)を3.00g、36wt%濃塩酸(和光純薬工業製)を0.28g入れ、25℃にて1時間攪拌して、(D)工程に用いる処理液(F8)を得た。なお、処理液(F8)における塩酸の含有量は0.1質量%である。
撹拌機、温度計がセットされたガラス容器に、イソプロピルアルコール(純正化学社製)を96.83g、蒸留水(和光純薬工業製)を3.00g、60wt%濃硝酸(和光純薬工業製)を0.17g入れ、25℃にて1時間攪拌して、(D)工程に用いる処理液(F9)を得た。なお、処理液(F9)における硝酸の含有量は0.1質量%である。
撹拌機、温度計がセットされたガラス容器に、イソプロピルアルコール(純正化学社製)を97.00g、蒸留水(和光純薬工業製)を3.00g入れ、25℃にて1時間攪拌して、比較のために(D)工程に用いる処理液(F10)を得た。
後述の撥水膜付き基板の製造に係る各例において用いた中間膜形成用組成物(E)の調製例を以下に示す。
(調製例2−1)
撹拌機、温度計がセットされたガラス容器に、酢酸ブチル(純正化学社製)を9.70g、化合物(6−1)を0.30g入れ、25℃にて30分間撹拌して、中間膜形成用の液状組成物(E1)を得た。
(調製例2−2)
撹拌機、温度計がセットされたガラス容器に、酢酸ブチル(純正化学社製)を9.50g、化合物(6−1)を0.40gおよび化合物(3−5)を0.10g入れ、25℃にて30分間撹拌して、中間膜形成用の液状組成物(E2)を得た。
上記各調製例で得られた中間膜形成用組成物(E)および処理液(F)を用いて、以下の(A)工程〜(D)工程により撥水膜付き基板を製造した。
撹拌機、温度計がセットされたガラス容器に、酢酸ブチル(純正化学社製)を3.10g、ハイドロフルオロエーテル(AE3000、商品名、旭硝子社製)を12.39g、化合物(3−1)を0.936g、化合物(1A−21)を0.234g入れ、25℃にて30分間撹拌し、被膜(撥水膜)形成用組成物として液状組成物(H1)を得た。全ての例(例1〜例16)において、この被膜(撥水膜)形成用組成物(H1)を使用した。
なお、被膜(撥水膜)形成用組成物(H1)を、25℃の雰囲気下で24時間保管したところ、目立った沈殿は発生せず、貯蔵安定性は良好であることが確認された。
基板として、酸化セリウムで表面を研磨洗浄し、乾燥した清浄なソーダライムガラス基板(水接触角5°、300mm×300mm×厚さ3mm)を用い、各例において表1に示す通り、上記で得られた中間膜形成用液状組成物(E1)または(E2)の2gをスキージコート法によって塗布し、表面を自然乾燥させた。
全例(例1〜例16)において、得られた中間膜付きガラス基板の中間膜表面に、上記(A)工程で得られた被膜(撥水膜)形成用組成物(H1)の2gをスキージコート法によって塗布した。
全例(例1〜例16)において、上記(B)工程後、被膜(撥水膜)形成用組成物(H1)の塗膜が形成されたガラス基板を、常温(25℃)で5分間放置して、該塗膜を乾燥させ前駆膜とした。
例1〜3、例5〜9、例11〜13および例15において、上記(C)工程後、前駆膜付きガラス基板を25℃、80RH%に設定された恒温恒湿槽で1時間保持した。なお、例4、10、14、16については、(C−1)工程なしに以下の(D)工程を行った。
上記(C−1)工程後(例1〜3、例5〜9、例11〜13および例15)または(C)工程後(例4、10、14、16)の前駆膜付きガラス基板の、前駆膜の表面を、各例において表1に示す通り、上記で得られた酸触媒を含有する処理液(F1)〜(F9)または触媒を含有しない処理液(F10)のいずれか2gを湿らせたキムワイプL−100(商品名、日本製紙クレシア製)で、室温において、拭き上げる(圧力:1000Pa、速度:1.5m/sec)ことにより被膜(撥水膜)を有する撥水膜付き基板を得た。なお、前駆膜の表面への処理液の供給量は15ml/m2であった。このようにして、例1〜16により被膜(撥水膜)付き基板1〜16を得た。表1に各例において(B)の塗布工程で用いた、中間膜形成用組成物、被膜(撥水膜)形成用組成物、(D)の触媒処理工程で用いた処理液、および(C−1)の加湿工程の有無を示す。
上記各例で得られた被膜(撥水膜)付き基板1〜16について上記の評価方法により耐久性の評価を行った。耐候性評価結果を表2に、耐食性評価結果を表3に示す。
Claims (12)
- 基板上に被膜を有する、被膜付き基板を製造する方法であって、
少なくとも1種の加水分解可能な官能基を有するシラン化合物を含み、実質的に加水分解反応触媒を含有しない被膜形成用組成物を調製する工程、
前記被膜形成用組成物を基板上に塗布し塗膜を形成する工程、
前記塗膜を乾燥して前駆膜とする工程、および、
加水分解反応触媒を主成分として含む処理液により前記前駆膜の表面を処理して被膜とする工程、
を含むことを特徴とする被膜付き基板の製造方法。 - 前記加水分解反応触媒が酸またはアルカリである請求項1記載の被膜付き基板の製造方法。
- 前記加水分解反応触媒が酸である請求項1または2に記載の被膜付き基板の製造方法。
- 前記酸が、塩酸、硝酸、硫酸、パラトルエンスルホン酸およびメタンスルホン酸からなる群から選ばれる1種以上である請求項2または3に記載の被膜付き基板の製造方法。
- 前記加水分解可能な官能基を有するシラン化合物が、ペルフルオロアルキル基、ペルフルオロポリエーテル基およびポリジメチルシロキサン鎖から選ばれる構造を有するシラン化合物である請求項1〜4のいずれか1項に記載の被膜付き基板の製造方法。
- 前記加水分解可能な官能基が、炭素原子数1〜10のアルコキシ基、イソシアネート基および塩素原子から選ばれる請求項1〜5のいずれか1項に記載の被膜付き基板の製造方法。
- 前記加水分解可能な官能基を有するシラン化合物として、加水分解可能な官能基が塩素原子またはイソシアネート基であるシラン化合物と、加水分解可能な官能基がアルコキシ基であるシラン化合物とを含む請求項1〜6のいずれか1項に記載の被膜付き基板の製造方法。
- 前記処理液が、実質的にシラン化合物を含まない請求項1〜7のいずれか1項に記載の被膜付き基板の製造方法。
- 前記前駆膜表面の処理を、前記処理液を含浸、保持させた保液部材を前記前駆膜表面に加圧接触させながら移動することにより行う請求項1〜8のいずれか1項に記載の被膜付き基板の製造方法。
- 前記保液部材を構成する素材が、スポンジ、不織布、織布および紙から選ばれる請求項9記載の被膜付き基板の製造方法。
- 前記前駆膜の表面を処理する工程の前に、前記前駆膜を0〜60℃、50〜100RH%で、10〜180分間加湿する工程をさらに含む請求項1〜10のいずれか1項に記載の被膜付き基板の製造方法。
- 前記基板の構成材料がガラスまたは樹脂である請求項1〜11のいずれか1項に記載の被膜付き基板の製造方法。
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