JPWO2020080011A1 - 紫外線硬化性シリコーン組成物及びその硬化物 - Google Patents

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Abstract

吊り上げ方式等の造形方式でも使用可能な粘度で、低臭気な紫外線硬化性シリコーン組成物及びその硬化物の提供。(A)下記式(1)で示されるオルガノポリシロキサン【化1】[式(1)中、nは80≦n≦1,000、R1は炭素原子数1〜20の一価炭化水素基、Aは下記式(2)で示される基である。【化2】[式(2)中、pは0≦p≦10、aは1≦a≦3、R1は炭素原子数1〜20の一価炭化水素基、R2は酸素原子又はアルキレン基、R3はアクリロイルオキシアルキル基等である。]](B)下記式(3)で示されるオルガノポリシロキサン【化3】[式(3)中、R4は炭素原子数1〜10の一価脂肪族炭化水素基又はアクリロイルオキシアルキル基等であり、mは5≦m≦50を満たす数である。]及び(C)光重合開始剤を含有する紫外線硬化性シリコーン組成物。

Description

本発明は、紫外線硬化性シリコーン組成物及びその硬化物に関する。
近年3Dプリンタで用いられる造形材料の開発が盛んになってきており、造形材料の種類は金属から樹脂まで様々なものが存在している。樹脂分野での主流はアクリレート系光硬化性樹脂組成物やウレタンアクリレート系光硬化性樹脂組成物であるが、これらの組成物の硬化物は非常に硬く曲げることは出来ない(特許文献1)。
用途に応じて柔らかいゴムライクな材料が必要になることも多くなってきており、造形方式に合せた材料が既に開発されている。例えば、光造形方式(SLA)向けの材料として、アルケニル基含有オルガノポリシロキサン、メルカプト基含有オルガノポリシロキサン及びMQレジンを含有した組成物が既に開示されている(特許文献2)。また、ディスペンス技術向けに紫外線によって活性化される白金触媒を含有したシリコーン混合物も開示されている(特許文献3)。
しかしながら、近年普及し始めている吊り上げ方式の場合は、造形材料の粘度が低い必要が有り、上述した材料をそのまま使用することは出来ない。また、インクジェット方式を用いる3Dプリンタ向けに光硬化性の低粘度シリコーン材料が開示されている(特許文献4)が、材料の反応性を高める為の紫外線反応性成分に由来する臭気が問題となっていた。
特開2012−111226号公報 特許第4788863号公報 特許第5384656号公報 国際公開第2018/003381号公報
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、吊り上げ方式等の造形方式でも使用可能な粘度で、低臭気であり、その硬化物は柔らかいゴムライクな3Dプリンタ造形材料として使用出来る紫外線硬化性シリコーン組成物及びその硬化物を提供することを目的とする。
本発明者らは上記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、特定の長鎖紫外線硬化性オルガノポリシロキサン成分及び短鎖紫外線硬化性オルガノポリシロキサン成分を用いることで、硬化前は低粘度且つ低臭気であり、硬化後は良好なゴム物性を示す紫外線硬化性シリコーン組成物を提供出来ることを見出し、本発明を完成した。
本発明は、下記の紫外線硬化性シリコーン組成物及びその硬化物を提供する。
[1]
(A)下記式(1)で示されるオルガノポリシロキサン:100質量部、
Figure 2020080011
[式(1)中、nは80≦n≦1,000を満たす数であり、R1は互いに独立に炭素原子数1〜20の一価炭化水素基であり、Aは下記式(2)で示される基である。
Figure 2020080011
[式(2)中、pは0≦p≦10を満たす数であり、aは1≦a≦3を満たす数であり、R1は互いに独立に炭素原子数1〜20の一価炭化水素基であり、R2は酸素原子又はアルキレン基であり、R3はアクリロイルオキシアルキル基、メタクリロイルオキシアルキル基、アクリロイルオキシアルキルオキシ基、またはメタクリロイルオキシアルキルオキシ基である。]]
(B)下記式(3)で示されるオルガノポリシロキサン:5〜100質量部
Figure 2020080011
[式(3)中、R4は、夫々独立に炭素原子数1〜10の一価脂肪族炭化水素基、アクリロイルオキシアルキル基、メタクリロイルオキシアルキル基、アクリロイルオキシアルキルオキシ基及びメタクリロイルオキシアルキルオキシ基より選ばれる基であり、1分子中にアクリロイルオキシアルキル基、メタクリロイルオキシアルキル基、アクリロイルオキシアルキルオキシ基及びメタクリロイルオキシアルキルオキシ基から選ばれる基を2個有する。mは5≦m≦50を満たす数である。]
及び
(C)光重合開始剤:0.1〜20質量部
を含有することを特徴とする紫外線硬化性シリコーン組成物。
[2]
25℃での粘度が10〜5,000mPa・sであることを特徴とする[1]に記載の紫外線硬化性シリコーン組成物。
[3]
[1]又は[2]に記載の紫外線硬化性シリコーン組成物の硬化物。
[4]
3Dプリンタインク用である[1]又は[2]に記載の紫外線硬化性シリコーン組成物。
本発明によれば、紫外線にて硬化した造形物が、良好なゴム物性を示し、低粘度且つ低臭気な紫外線硬化性シリコーン組成物を提供することが出来る。
以下、本発明をより詳細に説明する。
[(A)成分]
(A)成分は、下記式(1)で示されるオルガノポリシロキサンである。
Figure 2020080011
式(1)中のnは80≦n≦1,000であり、好ましくは90≦n≦800、より好ましくは95≦n≦700である。nが80より小さいと硬化物が脆い材料になり、nが1,000より大きいと組成物の粘度が高くなり、取り扱い性に劣る。
式(1)中のAは下記式(2)で示される基である。
Figure 2020080011
式(1)および式(2)において、R1は、互いに独立して炭素原子数1〜20の一価炭化水素基、好ましくは、脂肪族不飽和基を除く、炭素原子数1〜10、より好ましくは1〜8の一価炭化水素基を表す。
式(1)及び式(2)において、R1の炭素原子数1〜20の一価炭化水素基は、直鎖、分岐、環状のいずれでもよく、その具体例としては、メチル、エチル、n−プロピル、イソプロピル、n−ブチル、イソブチル、tert−ブチル、n−ヘキシル、シクロヘキシル、n−オクチル、2−エチルヘキシル、n−デシル基等のアルキル基;ビニル、アリル(2−プロペニル)、1−プロペニル、イソプロペニル、ブテニル基等のアルケニル基;フェニル、トリル、キシリル、ナフチル基等のアリール基;ベンジル、フェニルエチル、フェニルプロピル基等のアラルキル基などが挙げられる。
また、これら一価炭化水素基の炭素原子に結合した水素原子の一部または全部は、その他の置換基で置換されていてもよく、その具体例としては、クロロメチル、ブロモエチル、トリフルオロプロピル、シアノエチル基等のハロゲン置換炭化水素基や、シアノ置換炭化水素基などが挙げられる。
これらの中でも、R1としては、炭素原子数1〜5のアルキル基及びフェニル基が好ましく、メチル基、エチル基及びフェニル基がより好ましい。
また、式(2)において、R2は、酸素原子または炭素原子数1〜20、好ましくは1〜10、より好ましくは1〜5のアルキレン基を表す。
式(2)において、R2の炭素原子数1〜20のアルキレン基は、直鎖、分岐、環状のいずれでもよく、その具体例としては、メチレン、エチレン、プロピレン、トリメチレン、テトラメチレン、イソブチレン、ペンタメチレン、ヘキサメチレン、ヘプタメチレン、オクタメチレン、ノナメチレン、デシレン基等が挙げられる。
これらの中でも、R2としては、酸素原子、メチレン、エチレン及びトリメチレン基が好ましく、酸素原子またはエチレン基がより好ましい。
さらに、式(2)において、R3は、互いに独立して、アクリロイルオキシアルキル基、メタクリロイルオキシアルキル基、アクリロイルオキシアルキルオキシ基、またはメタクリロイルオキシアルキルオキシ基を表す。
式(2)において、R3のアクリロイルオキシアルキル基、メタクリロイルオキシアルキル基、アクリロイルオキシアルキルオキシ基、またはメタクリロイルオキシアルキルオキシ基におけるアルキル(アルキレン)基の炭素数としては、特に限定されるものではないが、1〜10が好ましく、1〜5がより好ましい。これらアルキル基の具体例としては、上記R1で例示した基のうち、炭素原子数1〜10のものが挙げられる。
3の具体例としては、下記式で示されるものが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
Figure 2020080011
(式中、bは、1≦b≦4を満たす数を表し、R5は、炭素原子数1〜10のアルキレン基を表す。)
上記式(2)中のpは、0≦p≦10を満たす数を表すが、0または1が好ましく、aは、1≦a≦3を満たす数を表すが、1または2が好ましい。
上記式(1)で表されるオルガノポリシロキサンの例としては、例えば下記の化合物を挙げることができる。
Figure 2020080011
(式中、R1、R2、R5、n、およびbは、上記と同じ意味を表す。)
このようなオルガノポリシロキサンは公知の方法で製造することができる。上記式(4)で表されるオルガノポリシロキサンは、例えば、両末端ジメチルビニルシロキシ基封鎖ジメチルポリシロキサン、両末端ジメチルビニルシロキシ基封鎖ジフェニルポリシロキサン又は両末端ジメチルビニルシロキシ基封鎖ジメチルシロキサン・ジフェニルシロキサン共重合体等の両末端ジメチルビニルシロキシ基封鎖ジオルガノポリシロキサンと3−(1,1,3,3−テトラメチルジシロキサニル)プロピルメタクリラート(CAS No.96474−12−3)とのヒドロシリル化反応物として得られる。
上記式(5)で表されるオルガノポリシロキサンは、例えば、両末端ジメチルビニルシロキシ基封鎖ジメチルポリシロキサン、両末端ジメチルビニルシロキシ基封鎖ジフェニルポリシロキサン又は両末端ジメチルビニルシロキシ基封鎖ジメチルシロキサン・ジフェニルシロキサン共重合体等の両末端ジメチルビニルシロキシ基封鎖ジオルガノポリシロキサンとジクロロメチルシランとのヒドロシリル化反応物に2−ヒドロキシエチルアクリレートを反応させて得ることができる。
(A)成分は、本発明組成物中40〜95質量%含有することが好ましく、更に40〜90質量%含有することが好ましく、特に50〜90質量%含有することが好ましい。
[(B)成分]
(B)成分は、下記式(3)で示されるオルガノポリシロキサンである。
Figure 2020080011
上記式(3)におけるR4は、夫々独立に炭素原子数1〜10の一価脂肪族炭化水素基、アクリロイルオキシアルキル基、メタクリロイルオキシアルキル基、アクリロイルオキシアルキルオキシ基及びメタクリロイルオキシアルキルオキシ基より選ばれる基である。該一価脂肪族炭化水素基としては、炭素原子数1〜8の一価脂肪族炭化水素基が好ましく、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基などのアルキル基が挙げられる。さらに好ましくは炭素原子数1〜6の一価脂肪族炭化水素基であり、中でも、合成のし易さ、コストの面からR4の全数のうち80%以上がメチル基であるものが好ましい。
また、上記式(3)中のR4のうち2個は、アクリロイルオキシアルキル基、メタクリロイルオキシアルキル基、アクリロイルオキシアルキルオキシ基及びメタクリロイルオキシアルキルオキシ基より選ばれる重合性基であり、これら2個の重合性基は同一であっても異なっていてもよく、具体的には上記R3として挙げられたものと同様のものが挙げられる。該重合性基はオルガノポリシロキサンの分子鎖の末端、途中の何れに存在してもよいが、合成のし易さ、コストの面から1分子の両末端に1個ずつ存在するものが好ましい
式(3)中のmは5≦m≦50を満たす数であり、好ましくは8≦m≦50、より好ましくは10≦m≦30である。mが5より小さいと臭いが強くなり、mが50より大きいと組成物の反応性が劣り、硬化後の材料も脆くなる。mの値は、例えば29Si−NMR測定などにより平均値として算出できる。
このようなオルガノポリシロキサンの例としては、例えば下記の化合物を挙げることができる。
Figure 2020080011
(式中、Meはメチル基を表し、mは上記と同じ意味を表す。)
(B)成分の添加量は、(A)成分100質量部に対して、5〜100質量部の範囲であり、好ましくは10〜70質量部である。(B)成分の添加量が(A)成分100質量部に対して5質量部未満の場合は、組成物の硬化性が不足し、硬化物も脆くなってしまう。高粘度の(A)成分と組み合わせる場合、(B)成分の添加量を増やすことにより組成物全体の粘度を吊り上げ方式に適した所望の範囲に調整することができ、反応性を高めることができるが、(B)成分の添加量が(A)成分100質量部に対して100質量部を超えると、硬化物の硬度が必要以上に高くなり、所望のゴム物性が得られなくなる。
(C)光重合開始剤
光重合開始剤(C)としては、公知のものを用いることができ、これには例えば、2,2−ジエトキシアセトフェノン、2,2−ジメトキシ−1,2−ジフェニルエタン−1−オン(BASF製Irgacure 651)、1−ヒドロキシ−シクロヘキシル−フェニル−ケトン(BASF製Irgacure 184)、2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニル−プロパン−1−オン(BASF製Irgacure 1173)、2−ヒドロキシ−1−{4−[4−(2−ヒドロキシ−2−メチループロピオニル)−ベンジル]−フェニル}−2−メチル−プロパン−1−オン(BASF製Irgacure 127)、フェニルグリオキシリックアシッドメチルエステル(BASF製Irgacure MBF)、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(BASF製Irgacure 907)、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)−1−ブタノン(BASF製Irgacure 369)、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(BASF製Irgacure 819)、2,4,6−トリメチルベンゾイル−ジフェニル−フォスフィンオキサイド(BASF製Irgacure TPO)及びこれらの混合物等が挙げられる。
上記(C)成分のうち、(A)成分との相溶性の観点から好ましいものは、2,2−ジエトキシアセトフェノン、2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニル−プロパン−1−オン(BASF製Irgacure 1173)、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(BASF製Irgacure 819)、2,4,6−トリメチルベンゾイル−ジフェニル−フォスフィンオキサイド(BASF製Irgacure TPO)である。
光重合開始剤の添加量は(A)100質量部に対して、0.1〜20質量部である。(C)成分の添加量が(A)成分100質量部に対して0.1質量部未満であると硬化性が不足し、20質量部を超える量で添加した場合は深部硬化性が悪化する。
本発明の組成物には、更に本発明の効果を損なわない範囲で、色材(顔料或いは染料)、シランカップリング剤、接着助剤、重合禁止剤、酸化防止剤、耐光性安定剤である紫外線吸収剤、光安定化剤等の添加剤を配合することができる。また、本発明の組成物は他の樹脂組成物と適宜混合して使用する事もできる。
シリコーン組成物の調製方法
本発明の紫外線硬化性シリコーン組成物は、上記(A)成分、(B)成分及び(C)成分、並びに必要に応じてその他の成分を攪拌及び混合等することにより得られる。攪拌等の操作に用いる装置は特に限定されないが、擂潰機、3本ロール、ボールミル、プラネタリーミキサー等を用いることができる。また、これら装置を適宜組み合わせてもよい。
本発明の紫外線硬化性シリコーン組成物において、吊り上げ方式による造形が可能な目安としては、組成物の粘度は10〜5,000mPa・sであることが好ましく、100〜2,000mPa・sであることがより好ましい。なお、粘度は、回転粘度計を用いて25℃で測定した値である。組成物の粘度がこのような範囲であれば、造形中に紫外線を照射した箇所の流動を抑制することができる。組成物の粘度は、(A)成分の鎖長を変更したり、(B)成分の添加量を増減することによって調整できる。
本発明の紫外線硬化性シリコーン組成物は、紫外線を照射することにより速やかに硬化する。本発明の紫外線硬化性シリコーン組成物に照射する紫外線の光源としては、例えば、UVLEDランプ、高圧水銀灯、超高圧水銀灯、メタルハライドランプ、カーボンアークランプ、及びキセノンランプ等が挙げられる。紫外線の照射量(積算光量)は、例えば、本発明の組成物を2.0mm程度の厚みに成形したシートに対して、好ましくは1〜5,000mJ/cm2であり、より好ましくは10〜4,000mJ/cm2である。つまり、365nmにて照度100mW/cm2の紫外線を用いた場合、0.01〜50秒程度紫外線を照射すればよい。
また、本発明の紫外線硬化性シリコーン組成物からなる硬化物が優れたゴム物性を示す為には、硬化後の硬度は5〜80(TypeA)の範囲であり、好ましくは10〜70(TypeA)である。硬化後の引張強さは0.5MPa以上であることが好ましく、0.8MPa以上であることがより好ましい。引張強さが0.5MPa未満であると造形物が脆くなる場合がある。硬化後の切断時伸びは50%以上であることが好ましく、80%以上であることがより好ましい。切断時伸びが50%未満になると造形物を折り曲げた際に追随出来ずに割れ易くなる。なお、これらの値は、JIS−K6249に準じて測定したときの値である。硬化物のゴム物性は、(A)成分の鎖長を変更したり、(B)成分の添加量を増減することによって調整できる。
以下、実施例及び比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
[実施例1〜3、比較例1〜4]
下記の各成分を表1に示す組成比(数値は質量部を表す)で混合して紫外線硬化性シリコーン組成物を得た。
なお、各例で得られた組成物の粘度は、回転粘度計を用いて25℃で測定した値である。
また、各組成物を枠に流し、アイグラフィックス株式会社製のランプH(M)06−L−61を用いて、窒素雰囲気下、2,000mJ/cm2の紫外線照射条件で硬化させ、厚さ2.0mmの硬化シートを得た。得られた硬化シートについて、硬度、引張強さ及び切断時伸びをJIS−K6249に準じて測定した。また、硬化前の各組成物について臭気の強いものは×とし、弱いものは〇とした。得られた結果を表1に示す。
・(A)成分
(A−1):上述した方法により製造した下記式(6)で表されるオルガノポリシロキサン
Figure 2020080011
(A−2):上述した方法により製造した下記式(7)で表されるオルガノポリシロキサン
Figure 2020080011
・(B)成分
(B−1):下記式(8)で表されるオルガノポリシロキサン
Figure 2020080011
(B−2):下記式(9)で表されるオルガノポリシロキサン
Figure 2020080011
・(比較成分)
(B−3):下記式(10)で表されるオルガノジシロキサン
Figure 2020080011
(B−4):下記式(11)で表されるオルガノポリシロキサン
Figure 2020080011
(B−5):イソボルニルアクリレート(共栄社化学(株)製ライトアクリレートIB−XA)
・(C)成分
(C−1):2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニル−プロパン−1−オン(BASF社製Irgacure 1173)
(C−2):2,4,6−トリメチルベンゾイル−ジフェニル−フォスフィンオキサイド(BASF社製Irgacure TPO)
Figure 2020080011
本発明の紫外線硬化性シリコーン組成物は充分に低粘度であり、硬化後は優れたゴム物性を示し、低臭気であるため、特に面露光方式や吊し上げ方式等の造形方式を用いる3Dプリンタ向けのシリコーン材料として有用である。一方、(B)成分を含まない比較例1では硬化が起こらず、(B)成分に代えて本発明の範囲外の重合性成分を使用した比較例2〜4では、組成物が強い臭気を有したり(比較例2、4)、引張強さが不十分なものとなった(比較例3)。

Claims (4)

  1. (A)下記式(1)で示されるオルガノポリシロキサン:100質量部、
    Figure 2020080011
    [式(1)中、nは80≦n≦1,000を満たす数であり、R1は互いに独立に炭素原子数1〜20の一価炭化水素基であり、Aは下記式(2)で示される基である。
    Figure 2020080011
    [式(2)中、pは0≦p≦10を満たす数であり、aは1≦a≦3を満たす数であり、R1は互いに独立に炭素原子数1〜20の一価炭化水素基であり、R2は酸素原子又はアルキレン基であり、R3はアクリロイルオキシアルキル基、メタクリロイルオキシアルキル基、アクリロイルオキシアルキルオキシ基、またはメタクリロイルオキシアルキルオキシ基である。]]
    (B)下記式(3)で示されるオルガノポリシロキサン:5〜100質量部
    Figure 2020080011
    [式(3)中、R4は、夫々独立に炭素原子数1〜10の一価脂肪族炭化水素基、アクリロイルオキシアルキル基、メタクリロイルオキシアルキル基、アクリロイルオキシアルキルオキシ基及びメタクリロイルオキシアルキルオキシ基より選ばれる基であり、1分子中にアクリロイルオキシアルキル基、メタクリロイルオキシアルキル基、アクリロイルオキシアルキルオキシ基及びメタクリロイルオキシアルキルオキシ基から選ばれる基を2個有する。mは5≦m≦50を満たす数である。]
    及び
    (C)光重合開始剤:0.1〜20質量部
    を含有することを特徴とする紫外線硬化性シリコーン組成物。
  2. 25℃での粘度が10〜5,000mPa・sである請求項1に記載の紫外線硬化性シリコーン組成物。
  3. 請求項1又は2に記載の紫外線硬化性シリコーン組成物の硬化物。
  4. 3Dプリンタインク用である請求項1又は2に記載の紫外線硬化性シリコーン組成物。
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