WO2009090916A1 - オキセタニル基を有する有機ケイ素化合物およびその製造方法ならびに硬化性組成物 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an organosilicon compound having an oxetanyl group, a method for producing the same, and a curable composition. Specifically, the present invention was obtained by hydrolyzing and condensing a silicon compound having an oxetanyl group and having 2 or 3 hydrolyzable groups and a silicon compound having 4 siloxane bond-forming groups. The present invention relates to a condensed organosilicon compound having an oxetanyl group, which is difficult to gel, a method for producing the same, and a curable composition containing the organosilicon compound.
- Organosilicon having an oxetanyl group by hydrolyzing and condensing a silicon compound having an oxetanyl group and three hydrolyzable groups and a silicon compound having four siloxane bond-forming groups in the presence of an acidic catalyst
- Patent Document 1 A method for producing a compound and a composition containing this organosilicon compound are known (Patent Document 1).
- the compound obtained by hydrolysis and condensation in the presence of an acidic catalyst may gel during storage depending on the storage conditions.
- Applications are limited.
- a silicon compound (s1) having an oxetanyl group and three OR groups (R is a hydrocarbon group) and four OR groups (R is a hydrocarbon group) When the organosilicon compound having an oxetanyl group is produced by hydrolyzing and condensing the silicon compound (s2) having an oxetanyl group under acidic conditions, the ratio of the OR group in the organosilicon compound is It was as high as at least 9% with respect to the total amount of OR groups in (s1) and OR groups in silicon compound (s2). This resulted in a cured product with insufficient gel formation, hardness, wear resistance, and the like.
- Example 1 of Patent Document 1 a silicon compound having an oxetanyl group and three hydrolyzable groups and a silicon compound having three siloxane bond-forming groups (methyltriethoxysilane) Condensates that are hydrolyzed and condensed under acidic conditions and do not gel are obtained.
- Comparative Example 1 of Patent Document 1 there is a disclosure that these compounds are gelled so as to be hydrolyzed and condensed under alkaline conditions. That is, it has an inhibiting factor for combining Patent Document 1 and Patent Document 2 or 3.
- the purpose of the present invention is that the proportion of the inorganic part in the structure is high, is stable without gelation after production, has excellent solubility in organic solvents, and has excellent storage stability when made into a composition.
- Another object of the present invention is to provide an organosilicon compound having an oxetanyl group, a method for producing the same, and a curable composition that provides a cured product having high hardness and excellent wear resistance.
- a silicon compound (A) represented by the following general formula (1) and a silicon compound (B) represented by the following general formula (2) are added to 1 mol of the silicon compound (A).
- An organosilicon compound having an oxetanyl group obtained by a method comprising a step of hydrolyzing and condensing the silicon compound (B) at a ratio of 0.3 to 2.8 mol.
- R 0 is an organic group having an oxetanyl group
- R 1 has an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, an aralkyl group having 7 to 10 carbon atoms, an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, or an oxetanyl group.
- An organic group, X is a hydrolyzable group, and n is 0 or 1.
- SiY 4 (2) [Wherein Y is a siloxane bond-forming group. ] 2. 2.
- R 0 is an organic group having an oxetanyl group
- R 1 has an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, an aralkyl group having 7 to 10 carbon atoms, an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, or an oxetanyl group.
- An organic group, X is a hydrolyzable group, and n is 0 or 1.
- SiY 4 (2) [Wherein Y is a siloxane bond-forming group. ] 6). 6.
- R 3 is a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, and R 4 is an alkylene group having 2 to 6 carbon atoms.
- the amount of the basic substance used for the alkaline condition is 1 to 20 moles when the total number of moles of the silicon compound (A) and the silicon compound (B) is 100 moles.
- a cationic curable composition comprising the organosilicon compound having an oxetanyl group described in 1 above and a cationic polymerization initiator. 10. 10. The cationic curable composition according to 9 above, wherein the cationic polymerization initiator is a photocationic polymerization initiator. 11. The cation according to 9 or 10, further comprising another cation polymerizable compound, wherein the cation polymerizable compound is at least one selected from an epoxy compound, another oxetanyl group-containing compound, and a vinyl ether compound. Curable composition. 12 10. A method for producing a cured film, comprising a step of applying the cationic curable composition according to 9 above to the surface of a substrate and curing the obtained film. 13.
- a method for producing a cured film comprising a step of applying the cationic curable composition according to 11 above to the surface of a substrate and curing the obtained film.
- a method for producing an article having a cured film comprising a step of applying the cationic curable composition according to 9 above to the surface of a substrate and curing the obtained film.
- the proportion of the inorganic portion is high, it is stable without gelation after production, it has excellent solubility in an organic solvent, and is preserved even when it is used as a composition. Excellent stability.
- cured material obtained using the curable composition containing the organosilicon compound which has this oxetanyl group is high hardness, and is excellent in abrasion resistance.
- the “ratio of the inorganic part” means the ratio of the part that does not contain a carbon atom as an atom constituting the compound to the entire structure of the compound.
- a stable organosilicon compound can be produced without causing gelation after production.
- at least one X is an OR group (R is a hydrocarbon group selected from an alkyl group, a cycloalkyl group, an aralkyl group, and an aryl group)
- At least one Y in the general formula (2) is an OR group (R is a hydrocarbon group selected from an alkyl group, a cycloalkyl group, an aralkyl group, and an aryl group).
- the ratio of OR groups derived from silicon compounds (A) and (B) is determined by the ratio of OR groups contained in these compounds before production. For example, it may be 8% or less with respect to the total amount. And this organosilicon compound is remarkably excellent in storage stability.
- the cationic curable composition of the present invention a cured product having high hardness and excellent wear resistance can be provided.
- the manufacturing method of the cured film of this invention the cured film which is high hardness and excellent in abrasion resistance can be efficiently formed in the surface of a base material.
- an article comprising a substrate and a cured film having a high hardness and excellent wear resistance formed on the surface of the substrate is efficiently formed. can do.
- Organosilicon compound having oxetanyl group and method for producing the same The organosilicon compound having oxetanyl group of the present invention (hereinafter referred to as “organosilicon compound (C)”) is represented by the following general formula (1) under alkaline conditions.
- the silicon compound (A) and the silicon compound (B) represented by the following general formula (2) are mixed in an amount of 0.3 to 2.8 with respect to 1 mol of the silicon compound (A). It is obtained by a method comprising a step of hydrolysis / condensation at a molar ratio.
- the manufacturing method of the organosilicon compound (C) of the present invention includes a silicon compound (A) represented by the following general formula (1) and a silicon compound represented by the following general formula (2) under alkaline conditions.
- B) is hydrolyzed and condensed at a ratio of 0.3 to 2.8 mol of the silicon compound (B) with respect to 1 mol of the silicon compound (A).
- R 0 is an organic group having an oxetanyl group
- R 1 has an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, an aralkyl group having 7 to 10 carbon atoms, an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, or an oxetanyl group.
- SiY 4 (2) [Wherein Y is a siloxane bond-forming group. ] Only one silicon compound (A) may be used, or two or more may be used in combination. Only one silicon compound (B) may be used, or two or more silicon compounds (B) may be used in combination.
- Silicon compound (A) This silicon compound (A) is a compound having an oxetanyl group represented by the general formula (1). This silicon compound (A) is a component for imparting cationic curability to the resulting organosilicon compound (C).
- R 0 is an organic group having an oxetanyl group, and this organic group preferably has 20 or less carbon atoms.
- Particularly preferred R 0 is an organic group having a structure represented by the following general formula (3). [Wherein R 3 is a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, and R 4 is an alkylene group having 2 to 6 carbon atoms. ]
- R 3 is preferably an ethyl group.
- R 4 is preferably a linear alkylene group, particularly preferably a propylene group (trimethylene group). This is because it is easy to obtain or synthesize an oxetane compound that forms such an organic functional group. If the carbon number of R 3 or R 4 in the general formula (3) is too large, the resulting organosilicon compound (C) is unlikely to have a high proportion of inorganic parts, and the surface hardness of the resulting cured product is not sufficient. There is a case.
- R 1 represents an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, an aralkyl group having 7 to 10 carbon atoms, an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, or an oxetanyl group. It is an organic group.
- R 1 is an organic group having an oxetanyl group
- particularly preferred R 1 is an organic group having a structure represented by the general formula (3).
- X in the general formula (1) is a hydrolyzable group, and a plurality of X may be the same or different from each other.
- Examples of X include a hydrogen atom, a halogen atom, an alkoxy group, a cycloalkoxy group, an aralkyloxy group, and an aryloxy group.
- Preferred X is an alkoxy group, a cycloalkoxy group or an aryloxy group.
- the alkoxy group is preferably an alkoxy group having 1 to 6 carbon atoms, and examples thereof include methoxy group, ethoxy group, n-propoxy group, iso-propoxy group, n-butoxy group, iso-butoxy group, sec -Butoxy group, tert-butoxy group, n-pentyl group, n-hexyl group and the like. Of these, alkoxy groups having 1 to 3 carbon atoms are particularly preferable.
- the cycloalkoxy group is preferably a cycloalkoxy group having 3 to 8 carbon atoms, and examples thereof include a cyclopentyloxy group and a cyclohexyloxy group.
- the aralkyloxy group is preferably an aralkyloxy group having 7 to 12 carbon atoms, and examples thereof include benzyloxy group and 2-phenylethyloxy.
- the aryloxy group is preferably an aryloxy group having 6 to 10 carbon atoms, and examples thereof include a phenyloxy group, an o-toluyloxy group, an m-toluyloxy group, a p-toluyloxy group, and a naphthyloxy group.
- X in the general formula (1) is preferably an alkoxy group having 1 to 3 carbon atoms because the hydrolyzability of the alkoxy group is good.
- X is particularly preferably a methoxy group because the raw materials are easily available and inexpensive, and the hydrolysis reaction is easy to control.
- n is 0 or 1.
- the silicon compound (A) in the case where n is 0 has three hydrolyzable groups X and is also referred to as “T monomer”.
- the silicon compound (A) in the case where n is 1 has two hydrolyzable groups X, and is also called “D monomer”.
- n is preferably 1.
- a silicon compound (A) where n is 0 and a silicon compound (A) where n is 1 may be used in combination.
- Silicon compound (B) This silicon compound (B) is a compound having one silicon atom and four siloxane bond-forming groups represented by the general formula (2). This silicon compound (B) has four siloxane bond-forming groups Y (also referred to as “Q monomer”), and is a component for increasing the proportion of the inorganic portion in the resulting organosilicon compound (C). is there.
- generation group produces
- Y in the general formula (2) is a siloxane bond-forming group, and a plurality of Y may be the same or different from each other.
- the siloxane bond-forming group Y include a hydroxyl group and a hydrolyzable group.
- hydrolyzable group those similar to X in the general formula (1) can be used.
- the siloxane bond-forming group Y is preferably other than a halogen atom, that is, a hydroxyl group, a hydrogen atom, an alkoxy group (methoxy group, ethoxy group, propoxy group, butoxy group, etc.), cycloalkoxy group (cyclopentyloxy group, cyclohexyl).
- Oxy group etc. aralkyloxy group (benzyloxy group, 2-phenylethyloxy group etc.), aryloxy group (phenyloxy group, o-toluyloxy group, m-toluyloxy group, p-toluyloxy group, naphthyloxy) Group, etc.).
- aralkyloxy group benzyloxy group, 2-phenylethyloxy group etc.
- aryloxy group phenyloxy group, o-toluyloxy group, m-toluyloxy group, p-toluyloxy group, naphthyloxy
- an alkoxy group, a cycloalkoxy group, an aralkyloxy group and an aryloxy group are preferable, and an alkoxy group is particularly preferable.
- Examples of the silicon compound (B) include the following.
- a group, a cycloalkoxy group, an aralkyloxy group or an aryloxy group, three of which are the same or different from each other, and two of the silicon compounds (iii) siloxane bond-forming groups Y which are hydroxyl groups or hydrogen atoms are the same or different from each other
- an alkoxy group, a cycloalkoxy group, an aralkyloxy group or an aryloxy group, and two of them are the same or different from each other
- three of the silicon compound (iv) siloxane bond-forming group Y which is a hydroxyl group or a hydrogen atom The same or different from each other, an alkoxy group, cycloalkoxy , An aralkyloxy group or an aryloxy group, and one silicon compound having a hydroxyl group or a hydrogen atom
- a silicon compound in which four siloxane bond-forming groups Y are the same or different from each other and are a hydroxyl group or
- Examples of the silicon compound of the aspect (i) include tetramethoxysilane Si (OCH 3 ) 4 , tetraethoxysilane Si (OC 2 H 5 ) 4 , tetrapropoxysilane Si (OC 3 H 7 ) 4 , tetrabutoxysilane Si ( OC 4 H 9 ) 4 and the like.
- the hydrocarbon group forming the alkoxy group may be linear or branched. However, since the branched group is liable to cause steric hindrance, it is preferably a linear hydrocarbon group.
- Examples of the silicon compound of the above embodiment (ii) include H 3 SiOCH 3 , H 3 SiOC 2 H 5 , H 3 SiOC 3 H 7 and the like. Examples of the silicon compound of the above embodiment (iii), H 2 Si ( OCH 3) 2, H 2 Si (OC 2 H 5) 2, H 2 Si (OC 3 H 7) 2 and the like.
- generation groups are alkoxy groups is preferable, and especially preferable compounds are tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, and tetrapropoxysilane.
- tetrapropoxysilane is used as the silicon compound (B)
- thickening, gelation and the like during the production of the organosilicon compound (C) can be made difficult to occur. Accordingly, tetrapropoxysilane is most preferable as the silicon compound (B).
- the method for producing the organosilicon compound (C) of the present invention comprises a silicon compound (A) represented by the above general formula (1) and the above general formula (2) under alkaline conditions.
- a silicon compound (A), a silicon compound (B), water, and a basic substance for making alkaline conditions are used.
- the present invention can further include the following steps after the first step.
- (Second step) A step of neutralizing the reaction solution obtained in the first step with an acid.
- (Third step) A step of removing volatile components from the neutralized liquid obtained in the second step.
- (Fourth step) A step of dissolving and at least dissolving the organosilicon compound (C) in the cleaning organic solvent by mixing and contacting the concentrated liquid obtained in the third step with the cleaning organic solvent.
- (5th process) The process of obtaining the organic solution containing an organosilicon compound (C), after wash
- (Sixth Step) A step of removing volatile components from the organic solution obtained in the fifth step.
- the method for producing an organosilicon compound (C) of the present invention preferably includes a first step, a second step and a fifth step.
- the first step is a step of hydrolyzing and condensing the silicon compound (A) and the silicon compound (B) at a specific ratio as described above under alkaline conditions.
- the lower limit of the ratio of the silicon compound (B) to 1 mol of the silicon compound (A) used in the reaction is 0.3 mol, preferably 0.4 mol, more preferably 0.5 mol, still more preferably 0. .9 moles.
- the upper limit of the ratio of the silicon compound (B) to 1 mol of the silicon compound (A) used in the reaction is 2.8 mol, preferably 2.6 mol, more preferably 2.5 mol, still more preferably Is 2.1 moles.
- the ratio of an inorganic part will become low in the obtained organosilicon compound (C), and it will obtain using the composition containing a silicon compound (C).
- the obtained cured product has insufficient surface hardness and heat resistance.
- the use ratio of the silicon compound (B) is too large, the organosilicon compound (C) cannot be produced due to thickening or gelation during production, or the obtained organosilicon compound (C) is thickened or It tends to gel and becomes poor in storage stability.
- Water used in the first step is a component necessary for hydrolyzing the hydrolyzable group contained in the raw material silicon compound (silicon compound (A) and silicon compound (B) when having a hydrolyzable group). is there.
- the amount of water used is preferably 0.5 to 10 mol, more preferably 1 to 5 mol, per 1 mol of the hydrolyzable group. If the amount of water used is too small, the reaction may be insufficient. If the amount of water used is too large, the step of removing water after the reaction becomes long and it is not economical.
- the reaction condition in the first step is to make the reaction system alkaline, that is, it is essential that the pH exceeds 7, preferably 8 or more, more preferably 9 or more.
- the upper limit is usually pH 13.
- the reaction system By setting the reaction system to the above pH, an organosilicon compound having excellent storage stability can be produced in a high yield.
- the reaction conditions in the first step are acidic conditions (less than pH 7), the organosilicon compound obtained by hydrolysis and condensation is inferior in storage stability and may gel during storage. is there. Moreover, under neutral conditions (around pH 7), hydrolysis / condensation reaction does not proceed easily, and the organosilicon compound cannot be obtained in good yield.
- the basic substance used to make the reaction system alkaline acts as a reaction catalyst for smoothly advancing the hydrolysis / condensation reaction between the silicon compound (A) and the silicon compound (B).
- the basic substance include ammonia, organic amines, tetramethylammonium hydroxide, tetraethylammonium hydroxide, tetrapropylammonium hydroxide, tetrabutylammonium hydroxide, choline, sodium hydroxide, potassium hydroxide, hydroxide Examples include calcium. Of these, ammonium compounds having a quaternary nitrogen atom with good catalytic activity are preferred, and tetramethylammonium hydroxide is more preferred.
- the basic substance is used in an amount of 1 to 20 moles, with the total number of moles of the silicon compound (A) and the silicon compound (B) being 100 moles, in order to adjust the reaction system to the preferred pH. Preferably there is. If the amount of the basic substance is too small, the hydrolysis / condensation reaction proceeds slowly and the reaction time may be long. Even if the amount of the basic substance used is too large, the effect of improving the reaction efficiency is not remarkable and is not economical.
- an organic solvent is preferably used as the reaction solvent.
- organic solvents suitable as a reaction solvent include alcohols such as methyl alcohol, ethyl alcohol and isopropyl alcohol; ketones such as acetone and methyl ethyl ketone; ethers such as tetrahydrofuran and 1,4-dioxane; toluene, benzene and xylene Aromatic hydrocarbons such as hexane; aliphatic hydrocarbons such as hexane; ligroin and the like.
- An organic solvent may be used individually by 1 type and 2 or more types may be used together. Alcohols are preferable organic solvents because the raw silicon compound and the product have good solubility.
- the reaction temperature in the first step is preferably 0 ° C. to 120 ° C., more preferably 10 ° C. to 100 ° C., still more preferably 40 ° C. to 80 ° C.
- the reaction time in the first step is preferably 1 to 30 hours, more preferably 4 to 24 hours.
- the organosilicon compound (C) of the present invention obtained by the hydrolysis / condensation reaction in the first step is a siloxane formed by a hydrolyzable group in the silicon compound (A) and a siloxane bond-forming group in the silicon compound (B).
- a polysiloxane having a bond is a polysiloxane having a bond.
- most of the hydrolyzable groups in the silicon compound (A) and the siloxane bond-forming groups in the silicon compound (B) are converted into siloxane bonds.
- the second step is a step of neutralizing the reaction solution containing the organosilicon compound (C) obtained in the first step with an acid.
- acids include inorganic acids such as phosphoric acid, nitric acid, sulfuric acid and hydrochloric acid, carboxylic acids such as acetic acid, formic acid, lactic acid, acrylic acid and oxalic acid, and sulfonic acids such as p-toluenesulfonic acid and methanesulfonic acid.
- the organic acid is mentioned.
- nitric acid and sulfuric acid are preferable acids because they hardly affect the stability of the oxetanyl group (addition reaction to the oxetanyl group hardly occurs) and are relatively easily removed by washing with water.
- the amount of acid used is appropriately selected according to the pH of the reaction solution containing the organosilicon compound (C), but is preferably 1 to 1.1 equivalents, more preferably 1 equivalent to 1 equivalent of the basic substance. 1 to 1.05 equivalents.
- the third step is a step of removing volatile components from the neutralized liquid obtained in the second step.
- distillation is performed under normal pressure (atmospheric pressure) or reduced pressure conditions.
- the volatile component removed in the third step is mainly the organic solvent used as the reaction solvent in the first step.
- an organic solvent that is miscible with water such as methanol
- this third step is usually carried out because there is a problem with water cleaning (fifth step) described later.
- an organic silicon compound (C) can be obtained by adding a large amount of an organic solvent suitable for washing the neutralized solution with water.
- the third step and the fourth step can be omitted.
- the reaction solvent in the first step is not miscible with water and is an organic solvent suitable for washing the neutralized solution with water, and the reaction solvent is a solvent miscible with water such as alcohol. Even if there is, if the organic silicon compound (C) can be washed by adding a large amount of an organic solvent suitable for washing the neutralized solution with water, the third step and the fourth step are performed. Can be omitted.
- the fourth step is a step in which at least the organosilicon compound (C) is dissolved in the cleaning organic solvent by mixing and contacting the concentrated liquid obtained in the third step and the cleaning organic solvent.
- the organic solvent for cleaning a compound that dissolves the organosilicon compound (C) and is immiscible with water is used. “Immiscible with water” means that water and an organic solvent for washing are sufficiently mixed and then separated into an aqueous layer and an organic layer when allowed to stand.
- Preferred organic solvents for washing include ketones such as methyl isobutyl ketone; ethers such as diisopropyl ether; aromatic hydrocarbons such as toluene; aliphatic hydrocarbons such as hexane; esters such as ethyl acetate.
- the cleaning organic solvent may be the same as or different from the reaction solvent used in the first step.
- the fifth step is a step of obtaining an organic solution containing the organosilicon compound (C) after washing the organic liquid obtained in the fourth step with water.
- This organic liquid means a liquid obtained in the second step when the third step and the fourth step are omitted.
- the said 5th process isolate separates the process which mixes and contacts water and an organic type liquid, and an aqueous layer and an organic layer (layer containing an organosilicon compound (C)), and an organic layer (organic solution)
- the step of recovering if the mixing and contact of water and the organic liquid is insufficient, or if the separation between the aqueous layer and the organic layer is insufficient, the resulting organosilicon compound (C) will contain impurities. It may contain a lot or become less stable.
- the temperature of the step of mixing and contacting the water and the organic liquid in the fifth step is not particularly limited, but is preferably 0 ° C. to 70 ° C., more preferably 10 ° C. to 60 ° C.
- the temperature of the step of separating the aqueous layer and the organic layer is not particularly limited, but is preferably 0 ° C. to 70 ° C., more preferably 10 ° C. to 60 ° C. It is preferable to set the treatment temperature in the two steps to about 40 ° C. to 60 ° C. because there is an effect of shortening the separation time of the aqueous layer and the organic layer.
- the sixth step is a step of removing volatile components from the organic solution obtained in the fifth step. In this step, distillation is performed under normal pressure (atmospheric pressure) or reduced pressure conditions.
- the volatile component removed in the sixth step is the cleaning organic solvent used in the fourth step, but if any other volatile component is contained, all are removed simultaneously in this step.
- the organosilicon compound (C) of the present invention is isolated.
- the cleaning organic solvent used in the fourth step is used as the solvent for the organosilicon compound (C).
- the sixth step can be omitted.
- the organosilicon compound (C) obtained in the first step is stable without being altered or denatured during or after the treatment in each subsequent step.
- the condensation rate of the silicon compound (A) and the silicon compound (B) can be 92% or more, more preferably 95% or more, and still more preferably 98% or more. It is most preferable that substantially all of the siloxane bond-forming groups (including hydrolyzable groups) are condensed, but the upper limit of the condensation rate is usually 99.9%.
- the T monomer and / or D monomer that is the silicon compound (A) and the Q monomer that is the silicon compound (B) are copolycondensed without being gelled under alkaline conditions. It is possible to use the M monomer in such a low ratio that does not lower the properties. Specifically, in the first step, the amount of the M monomer used can be 10 mol or less with respect to 100 mol of the total number of moles of the silicon compound (A) and the silicon compound (B).
- Organosilicon compound (C) The organosilicon compound (C) of the present invention is a polysiloxane having an oxetanyl group and a siloxane bond. And this organosilicon compound (C) is a compound containing the silicate unit represented by [SiO4 / 2 ]. This silicate unit is a structural unit in which four oxygen atoms are bonded to one silicon atom, and is a structural unit derived from the silicon compound (B).
- the organosilicon compound (C) of the present invention is further represented by a silsesquioxane unit represented by [R 0 SiO 3/2 ] and / or [R 0 R 1 SiO 2/2 ].
- Diorganosiloxane units may be included.
- the silsesquioxane unit and the diorganosiloxane unit are structural units in which three and two oxygen atoms are bonded to one silicon atom, respectively, and are structural units derived from the silicon compound (A).
- the organosilicon compound (C) of the present invention a compound containing a silicate unit represented by [SiO 4/2 ] and a silsesquioxane unit represented by [R 0 SiO 3/2 ], A compound containing a silicate unit represented by [SiO 4/2 ] and a diorganosiloxane unit represented by [R 0 R 1 SiO 2/2 ], and a silicate represented by [SiO 4/2 ] And a compound containing a unit, a silsesquioxane unit represented by [R 0 SiO 3/2 ], and a diorganosiloxane unit represented by [R 0 R 1 SiO 2/2 ].
- the content ratio of each structural unit is determined by the use ratio of the silicon compounds (A) and (B).
- the organosilicon compound (C) of the present invention is excellent in the surface hardness and the like of the resulting cured film, it is represented by a silicate unit represented by [SiO 4/2 ] and [R 0 SiO 3/2 ].
- a compound containing a silsesquioxane unit is preferable.
- the organosilicon compound (C) of the present invention has an organic part and an inorganic part in its structure.
- R 0 and R 1 in the above general formula (1) representing the silicon compound (A) form an organic moiety.
- a part of at least one of the hydrolyzable group (alkoxy group etc.) derived from the silicon compound (A) and the hydrolyzable group (alkoxy group etc.) derived from the silicon compound (B) remains. If so, this is also an organic part.
- the portion other than the organic portion is an inorganic portion that does not contain a carbon atom.
- the condensation rate can be set to 92% or more. Therefore, the organic silicon compound (C) has a high proportion of inorganic parts and a sufficiently formed polysiloxane structure. When the condensation rate is low, the hardness of the cured film obtained using this organosilicon compound (C) tends to decrease. Moreover, there exists a tendency for the storage stability of an organosilicon compound (C) to fall.
- the organosilicon compound (C) of the present invention has a siloxane bond-forming group (including a hydrolyzable group)
- the remaining ratio can be calculated from a 1 H NMR (nuclear magnetic resonance spectrum) chart.
- “all the hydrolyzable groups are substantially condensed” means that, for example, in the 1 H NMR chart of the obtained organosilicon compound (C), a peak based on a siloxane bond-forming group is hardly observed. Can be confirmed.
- the silicon compound (A) used in the production of the organosilicon compound (C) is a compound (T monomer having three hydrolyzable groups) where n in the general formula (1) is 0
- the resulting organosilicon compound (C) has silsesquioxane units and silicate units as constituent units. It becomes the compound which has.
- the organosilicon compound (C) can partially have a ladder-like, cage-like or random-like structure. Since the organosilicon compound (C) of the present invention has an oxetanyl group, it has cationic curability.
- a cured film having a large surface hardness and excellent heat resistance can be provided.
- the number average molecular weight of the organosilicon compound (C) of the present invention is preferably 1,000 to 20,000, more preferably 1,000 to 10,000 in terms of standard polystyrene by gel permeation chromatography (GPC) analysis. More preferably, it is 2,000 to 6,000.
- organosilicon compound (C1) is an organic group in which R 0 in the above general formula (1) is represented by the above general formula (3).
- N is 0 and at least 1, preferably 2, and more preferably 3 X is an OR group (R is a carbon atom selected from an alkyl group, a cycloalkyl group, an aralkyl group and an aryl group)
- a silicon compound (A) which is a hydrogen group) and at least 1, preferably 2, more preferably 3, particularly preferably 4 Y in the general formula (2) is an OR group (R is And a silicon compound (B) which is a hydrocarbon group selected from an alkyl group, a cycloalkyl group, an aralkyl group and an aryl group.) And a compound obtained by hydrolysis and condensation under alkaline conditions.
- the ratio of OR groups derived from the silicon compounds (A) and (B), which are the raw materials for production, contained in the organosilicon compound (C1) is the total amount of OR groups contained in these compounds before production. On the other hand, it is preferably 0 to 8%, more preferably 0.1 to 6%, still more preferably 0.5 to 5%.
- the above-mentioned ratio in the organosilicon compound obtained by hydrolysis / condensation of the production raw material under acidic conditions often exceeds 8%, and the stability after production is not sufficient, and the curable composition and The hardness and the like of the cured product obtained at that time were not sufficient.
- the organosilicon compound (C1) it has excellent storage stability, high workability due to high solubility in the organic solvent, and hardness and abrasion resistance of a cured product obtained when a curable composition is obtained. Excellent in properties.
- the cationic curable composition of the present invention is characterized by containing the organosilicon compound (C) of the present invention and a cationic polymerization initiator.
- the cation-curable composition of the present invention further includes other cationic polymerizable compounds (hereinafter referred to as “cationic polymerizable compound (D)”), sensitizers, thixotropic agents, silane coupling agents, You may contain an antifoamer, a filler, an inorganic polymer, an organic polymer, an organic solvent, etc.
- the organosilicon compound (C) is preferably the organosilicon compound (C1) from the viewpoints of curability of the cationic curable composition, hardness of the resulting cured product, wear resistance, and the like.
- a cationic polymerization initiator is a compound that generates a cation when irradiated with light such as ultraviolet rays (photo cationic polymerization initiator) or a compound that generates a cation when heated (thermal cationic polymerization initiator). These compounds can be used.
- a composition containing a photocationic polymerization initiator is referred to as a photocationic curable composition
- a composition containing a thermal cationic polymerization initiator is referred to as a thermal cation curable composition.
- Photocationic polymerization initiator examples include onium salts such as iodonium salts, sulfonium salts, diazonium salts, selenium salts, pyridinium salts, ferrocenium salts, and phosphonium salts. Of these, iodonium salts and sulfonium salts are preferred. In particular, aromatic iodonium salts and aromatic sulfonium salts are thermally relatively stable, and the curable compositions containing them have good storage stability. Since it is easy, it is a preferable photocationic polymerization initiator.
- onium salts such as iodonium salts, sulfonium salts, diazonium salts, selenium salts, pyridinium salts, ferrocenium salts, and phosphonium salts. Of these, iodonium salts and sulfonium salts are preferred. In particular, aromatic iodonium salts and aromatic sulf
- examples of the counter anion include BF 4 ⁇ , AsF 6 ⁇ , SbF 6 ⁇ , PF 6 ⁇ , B (C 6 F 5 ) 4 ⁇ and the like. It is done.
- aromatic iodonium salt examples include (tricumyl) iodonium tetrakis (pentafluorophenyl) borate, diphenyliodonium / hexafluorophosphate, diphenyliodonium / hexafluoroantimonate, diphenyliodonium / tetrafluoroborate, diphenyliodonium / tetrakis (pentafluorophenyl).
- aromatic iodonium salt such as “UV-9380C” (trade name) manufactured by GE Toshiba Silicone, “RHODOSIL PHOTOINITITOR 2074” (trade name) manufactured by Rhodia, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. “WPI-016”, “WPI-116”, “WPI-113” (trade name), and the like.
- aromatic sulfonium salt examples include bis [4- (diphenylsulfonio) phenyl] sulfide / bishexafluorophosphate, bis [4- (diphenylsulfonio) phenyl] sulfide / bishexafluoroantimonate, bis [4- ( Diphenylsulfonio) phenyl] sulfide-bistetrafluoroborate, bis [4- (diphenylsulfonio) phenyl] sulfide-tetrakis (pentafluorophenyl) borate, diphenyl-4- (phenylthio) phenylsulfonium hexafluorophosphate, diphenyl- 4- (phenylthio) phenylsulfonium hexafluoroantimonate, diphenyl-4- (phenylthio) phenylsulf
- aromatic sulfonium salts include “Syracure UVI-6990”, “ “Syracure UVI-6922” and “Syracure UVI-6974” (trade name), “Adekaoptomer SP-150”, “Adekaoptomer SP-152”, “Adekaoptomer SP-170” and “Adekaoptomer SP-170” manufactured by Adeka Co., Ltd.
- Adekaoptomer SP-172 "(trade name),” WPAG-593 “,” WPAG-596 “,” WPAG-640 "and” WPAG-641 "(trade name) manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. Can be mentioned.
- aromatic diazonium salt examples include benzenediazonium hexafluoroantimonate, benzenediazonium hexafluorophosphate, and benzenediazonium hexafluoroborate.
- the content of the photocationic polymerization initiator contained in the photocationic curable composition is preferably 0.01 to 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the whole of the cationically polymerizable compound including the organosilicon compound (C). Part, more preferably 0.1 to 7 parts by weight, still more preferably 0.2 to 5 parts by weight.
- the content of the cationic photopolymerization initiator is within this range, the curability of the curable composition (can be cured in a short time and energy cost can be reduced), and the hardness and abrasion resistance of the resulting cured product are excellent. .
- thermal cationic polymerization initiator examples include sulfonium salts, phosphonium salts, quaternary ammonium salts and the like. Of these, sulfonium salts are preferred.
- the counter anion in the thermal cationic polymerization initiator examples include AsF 6 ⁇ , SbF 6 ⁇ , PF 6 ⁇ , B (C 6 F 5 ) 4 ⁇ and the like.
- sulfonium salts examples include triphenylsulfonium boron tetrafluoride, antiphenyl triphenylsulfonium hexafluoride, arsenic triphenylsulfonium hexafluoride, arsenic tri (4-methoxyphenyl) sulfonium hexafluoride, and diphenyl (4-phenylthiophenyl). ) Sulfonium arsenic hexafluoride and the like.
- sulfonium salt such as “Adeka Opton CP-66” and “Adeka Opton CP-77” (trade name) manufactured by Adeka Corporation, “Sun Aid SI-60L”, “Sun Aid” manufactured by Sanshin Chemical Industry Co., Ltd. SI-80L “and” Sun-Aid SI-100L “(trade name).
- Examples of the phosphonium salt include ethyltriphenylphosphonium antimony hexafluoride and tetrabutylphosphonium antimony hexafluoride.
- Examples of the ammonium salt type compounds include N, N-dimethyl-N-benzylanilinium hexafluoride antimony, N, N-diethyl-N-benzylanilinium boron tetrafluoride, N, N-dimethyl-N—.
- the content of the thermal cationic polymerization initiator contained in the thermal cationic curable composition is preferably 0.01 to 10 mass with respect to 100 mass parts of the whole cationic polymerizable compound including the organosilicon compound (C). Part, more preferably 0.1 to 7 parts by weight, still more preferably 0.2 to 5 parts by weight. When the content of the thermal cationic polymerization initiator is within this range, the curability of the curable composition, the hardness of the resulting cured product, and the wear resistance are excellent.
- This cationically polymerizable compound (D) is a compound having cationic polymerizability other than the organosilicon compound (C), for example, an epoxy compound (a compound having an epoxy group), a compound having another oxetanyl group (another oxetanyl) Group-containing compound), a compound having a vinyl ether group (vinyl ether compound), and the like. These compounds may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type.
- an epoxy compound having an alicyclic structure is particularly preferable because it has an effect of smoothly promoting cationic polymerization of the oxetanyl group in the organosilicon compound (C).
- epoxy compound a monofunctional epoxy compound, a polyfunctional epoxy compound, etc.
- the polyfunctional epoxy compound include dicyclopentadiene dioxide, limonene dioxide, 4-vinylcyclohexene dioxide, (3,4-epoxycyclohexyl) methyl-3,4-epoxycyclohexyl carboxylate (for example, manufactured by Daicel Chemical Industries, Ltd.) “Celoxide 2021P” (trade name)), di (3,4-epoxycyclohexyl) adipate, bisphenol A type epoxy resin, halogenated bisphenol A type epoxy resin, hydrogenated bisphenol A type epoxy resin, bisphenol S diglycidyl ether, bisphenol F-type epoxy resin, 1,6-hexanediol diglycidyl ether, polytetramethylene glycol diglycidyl ether, compound in which both ends of polybutadiene are glycidyl etherified o-cresol novolac type epoxy resin
- a block copolymer having an ethylene-butylene copolymer portion and an isoprene polymer portion such as a compound in which a portion of the isoprene polymer portion is epoxidized, “EHPE3150” (trade name) manufactured by Daicel Chemical Industries, Ltd.
- a compound having a structure in which a vinyl group is epoxidized a cage silsesquioxane having a glycidyl group, such as “Q-4” in “Q8 series” manufactured by Mayaterials, “manufactured by Mayaterials” Examples thereof include alicyclic cage silsesquioxane having an epoxy group, epoxidized vegetable oil, and the like such as “Q-5” in “Q8 series”.
- Examples of monofunctional epoxy compounds include ⁇ -olefin epoxides such as 1,2-epoxyhexadecane, phenyl glycidyl ether, 2-ethylhexyl glycidyl ether, dodecyl glycidyl ether, and glycidyl methacrylate.
- ⁇ -olefin epoxides such as 1,2-epoxyhexadecane, phenyl glycidyl ether, 2-ethylhexyl glycidyl ether, dodecyl glycidyl ether, and glycidyl methacrylate.
- oxetanyl group containing compound a monofunctional oxetane compound, a polyfunctional oxetane compound, etc. are mentioned.
- polyfunctional oxetane compound 1,4-bis ⁇ [(3-ethyl-3-oxetanyl) methoxy] methyl ⁇ benzene (XDO), di [2- (3-oxetanyl) butyl] ether (DOX), 1, 4-bis [(3-ethyloxetane-3-yl) methoxy] benzene (HQOX), 1,3-bis [(3-ethyloxetane-3-yl) methoxy] benzene (RSOX), 1,2-bis [ (3-Ethyloxetane-3-yl) methoxy] benzene (CTOX), 4,4′-bis [(3-ethyloxetane-3-yl) methoxy] biphenyl (4,4′-BPO
- Monofunctional oxetane compounds include 3-ethyl-3- (2-ethylhexyloxymethyl) oxetane (EHOX), 3-ethyl-3- (dodecyloxymethyl) oxetane (OXR-12), and 3-ethyl. -3- (octadecyloxymethyl) oxetane (OXR-18), 3-ethyl-3- (phenoxymethyl) oxetane (POX), 3-ethyl-3-hydroxymethyloxetane (OXA), and the like.
- vinyl ether compound a monofunctional vinyl ether compound, a polyfunctional vinyl ether compound, etc.
- examples of the polyfunctional vinyl ether compound include cyclohexane dimethanol divinyl ether, triethylene glycol divinyl ether, and novolak divinyl ether.
- examples of the monofunctional vinyl ether compound include hydroxyethyl vinyl ether, hydroxybutyl vinyl ether, dodecyl vinyl ether, propenyl ether propylene carbonate, cyclohexyl vinyl ether and the like.
- the content of the cationic polymerizable compound (D) is preferably based on 100 parts by mass of the organosilicon compound (C). Is 0.1 to 1,000 parts by mass, more preferably 1 to 300 parts by mass, and still more preferably 2 to 100 parts by mass.
- the content of the cationic polymerizable compound (D) is within this range, the curability of the curable composition, the hardness of the resulting cured product, and the wear resistance are excellent.
- the cation curable composition of the present invention can contain a photo sensitizer.
- a radical photopolymerization initiator can be preferably used.
- Typical photosensitizers that can be used in the present invention are the compounds disclosed by Crivello in Advanced in Polymer Science (Adv. In Polymer. Sci., 62, 1 (1984)). Specific examples include pyrenes, perylenes, acridine oranges, thioxanthones, 2-chlorothioxanthones, and benzoflavins. Of these, thioxanthones are particularly preferred because they have the effect of increasing the activity of a photocationic polymerization initiator such as an onium salt.
- the photocationic curable composition of this invention contains a photosensitizer
- content of this photosensitizer is with respect to 100 mass parts of the whole cationic polymerizable compound containing the said organosilicon compound (C).
- the amount is preferably 0.5 to 10 parts by mass, more preferably 1 to 8 parts by mass, and still more preferably 3 to 6 parts by mass.
- the content of the cationic polymerizable compound (D) is within this range, the curability of the curable composition, the hardness of the resulting cured product, and the wear resistance are excellent.
- Organic Solvent may be either a compound that dissolves the organosilicon compound (C) or a compound that does not dissolve the organosilicon compound (C), or a combination of both.
- the organic solvent is a compound that dissolves the organosilicon compound (C) as described above or a mixture that dissolves the organosilicon compound (C) by using both of them, the resulting cationic curability is obtained. It is excellent in workability using the composition, film formability and the like.
- the photocationic curable composition and the thermal cation curable composition according to the present invention can be obtained by mixing raw material components.
- a conventionally known mixer or the like may be used. Specific examples include a reaction flask, a change can mixer, a planetary mixer, a disper, a Henschel mixer, a kneader, an ink roll, an extruder, a three-roll mill, and a sand mill.
- the cationic curable composition of the present invention can be cationically cured by a method such as a method of irradiating active energy rays, a method of heating, a method of using a combination of active energy ray irradiation and heating.
- a method of irradiating active energy rays such as a method of irradiating active energy rays, a method of heating, a method of using a combination of active energy ray irradiation and heating.
- Specific examples of the active energy ray include an electron beam, ultraviolet light, and visible light, and ultraviolet light is particularly preferable.
- the method for producing the cured film of the present invention is a method of applying the cationic curable composition of the present invention to the surface of a substrate and curing the resulting film. It is characterized by providing the process to make. Moreover, the manufacturing method of the articles
- the cationic curable composition contains an organic solvent, it is usually cured after the organic solvent is volatilized after the coating film is formed.
- the substrate is not particularly limited, and the constituent material may be either an organic material or an inorganic material. Specifically, metals, alloys, glass, ceramics, resins, paper, wood, concrete, and the like can be used.
- the shapes include films, sheets, plates (flat plates, curved plates), cubes, rectangular parallelepipeds, pyramids, cones, linear bodies (straight lines, curved lines, etc.), annular bodies (circular, polygonal forms, etc.), tubes, spheres And the like, and irregular shapes having irregularities, grooves, through holes, corners, and the like.
- the base material is preferably a substrate containing a resin (usually a flat plate).
- polyester resin polycarbonate resin
- ABS resin ASA resin
- AES resin polystyrene, styrene / acrylonitrile copolymer, styrene / maleic anhydride copolymer, (meth) acrylic acid ester / styrene copolymer
- Polyethylene polypropylene, polyarylate resin, polyvinyl chloride resin, acrylic resin; polyphenylene ether, polyphenylene sulfide, fluororesin, polyether ketone, polyether ether ketone, polysulfone, polyether sulfone, phenoxy resin, etc.
- Polycarbonate resin Polycarbonate resin.
- the method for forming the coating is also not particularly limited, and is appropriately selected according to the constituent material, shape, etc. of the substrate.
- the coating can be formed using an applicator, bar coater, wire bar coater, roll coater, curtain flow coater or the like.
- a dip coating method, a scat method, a spray method, etc. can also be used.
- the curing method and curing conditions are selected depending on whether the cationic curable composition is photocurable or thermosetting.
- Curing conditions in the case of photocuring, the type of light source, the amount of light irradiation, etc., and in the case of thermosetting, heating temperature, heating time, etc.
- thermosetting heating temperature, heating time, etc.
- the cationic curable composition is a photocationic curable composition
- light irradiation may be performed by a known light irradiation device or the like.
- a known light irradiation device for example, a low-pressure mercury lamp, a medium-pressure mercury lamp, a high-pressure mercury lamp, an ultrahigh-pressure mercury lamp, a chemical lamp, a black light lamp, a microwave-excited mercury lamp, a metal halide lamp, and a UV-free electrode A lamp, LED, etc. are mentioned.
- the light irradiation intensity to the coating may be selected according to the purpose, application, etc., and is a light wavelength region effective for activation of the photocationic polymerization initiator (although it varies depending on the kind of the photocationic polymerization initiator,
- the light irradiation intensity in a wavelength of ⁇ 420 nm is preferably 0.1 to 100 mW / cm 2 .
- the irradiation energy should be appropriately set according to the type and composition of the active energy ray, and the light irradiation time for the coating may be selected according to the purpose, application, etc.
- the integrated light amount expressed as the product of the light irradiation intensity and the light irradiation time at 10 to 5000 mJ / cm 2 is set. More preferably, it is 500 to 3,000 mJ / cm 2 , and still more preferably 2,000 to 3,000 mJ / cm 2 . Therefore, if the integrated light quantity is in the above range, the composition is smoothly cured and a uniform cured product can be easily obtained. Note that most of the film components are dried by touch by cationic polymerization after 0.1 to several minutes after light irradiation, but heating may be used in combination to promote the cationic polymerization reaction.
- the curing method and curing conditions are not particularly limited.
- the curing temperature is preferably 80 ° C. to 200 ° C., more preferably 100 ° C. to 180 ° C. Within the above range, the temperature may be constant or the temperature may be raised. Furthermore, you may combine temperature rising and temperature falling.
- the curing time is appropriately selected depending on the kind of the thermal cationic polymerization initiator, the content ratio of other components, etc., but is usually 30 to 300 minutes, preferably 60 to 240 minutes.
- the thickness of the cured film is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 100 ⁇ m, more preferably 1 to 50 ⁇ m, and still more preferably 5 to 20 ⁇ m.
- TMSOX 3-ethyl-3-((3- (trimethoxysilyl) propoxy) methyl) oxetane
- the organosilicon compound (C-1) was analyzed by 1 H NMR analysis and IR (infrared absorption) to confirm the presence of an oxetanyl group.
- 1 H NMR analysis about 1 g of the organosilicon compound (C-1) and about 100 mg of hexamethyldisiloxane (hereinafter referred to as “HMDSO”), which is an internal standard substance, are precisely weighed and mixed, and the proton of HMDSO is mixed.
- HMDSO hexamethyldisiloxane
- the content of the silicon compound (A) that is, the structural unit (T monomer unit) derived from TMSOX and the content of the alkoxy group of the organosilicon compound (C-1) were determined.
- the content of the silicon compound (B), that is, the structural unit (Q monomer unit) derived from TMOS was calculated.
- the obtained organosilicon compound (C-1) was a copolycondensate obtained by a stoichiometric reaction between the silicon compound (A) and the silicon compound (B).
- the content of the alkoxy group (methoxy group bonded to the silicon atom) calculated from the 1 H NMR chart of the organosilicon compound (C-1) was 1.0% with respect to the entire alkoxy group contained in the raw material. The amount was equivalent to Further, in the organosilicon compound (C-1), the ratio of the inorganic portion was 42%.
- Mn number average molecular weight (Mn) of the organosilicon compound (C-1) was measured by gel permeation chromatography (GPC), it was Mn 4,000 (polystyrene conversion value) (see Table 1).
- the organosilicon compound (C-1) was stored in the dark at 60 ° C. for 3 days in the atmosphere, and then confirmed to be soluble in THF and propylene glycol monomethyl ether acetate (hereinafter referred to as “PGMEA”) at 25 ° C. As a result, the solubility was good.
- the organosilicon compound (C-1) was dissolved in PGMEA to prepare a 50% by mass solution, and then allowed to stand in the dark at 60 ° C.
- the number average molecular weight and viscosity after a certain period of time were as shown in Table 2, and there was almost no change with time.
- the viscosity was measured with an E-type viscometer “VISCONIC-EMD” (model name) manufactured by Tokyo Keiki Co., Ltd.
- Example 1-2 A reactor equipped with a stirrer and a thermometer was charged with 56.6 g of methanol, 8.35 g (0.03 mol) of TMSOX, and 2.28 g (0.015 mol) of TMOS, and then 2.5% by mass of tetramethyl hydroxide.
- Aqueous ammonium solution 4.1 g water 0.225 mol, tetramethylammonium hydroxide 1.13 mmol
- This mixture was reacted at a temperature of 25 ° C. and a pH of 9 for 2 hours with stirring. Thereafter, 0.72 g (1.14 mmol) of 10 mass% nitric acid aqueous solution was added to neutralize the reaction solution.
- the organosilicon compound (C-2) was analyzed by 1 H NMR analysis and IR analysis, and it was confirmed that an oxetanyl group was present. Further, this organosilicon compound (C-2) was also obtained by a stoichiometric reaction between the silicon compound (A) and the silicon compound (B) by 1 H NMR analysis as in Example 1-1. It was confirmed to be a copolycondensate obtained.
- the content of the alkoxy group (methoxy group bonded to the silicon atom) calculated from the 1 H NMR chart of the organosilicon compound (C-2) is 1.5% with respect to the total alkoxy group contained in the charged raw material. The amount was equivalent to In the organosilicon compound (C-2), the proportion of inorganic moieties was 34%.
- Example 1-3 A reactor equipped with a stirrer and a thermometer was charged with 60 g of methanol, 8.35 g (0.03 mol) of TMSOX, and 19.8 g (0.075 mol) of tetrapropoxysilane, and then 1.2% by mass of tetrahydroxide hydroxide. 20.5 g of methylammonium aqueous solution (water 1.13 mol, tetramethylammonium hydroxide 2.6 mmol) was gradually added. This mixture was reacted at a temperature of 25 ° C. and a pH of 9 for 2 hours with stirring. Thereafter, 1.7 g (2.7 mmol) of 10% by mass nitric acid aqueous solution was added to neutralize the reaction solution.
- methylammonium aqueous solution water 1.13 mol, tetramethylammonium hydroxide 2.6 mmol
- the organosilicon compound (C-3) was subjected to 1 H NMR analysis and IR analysis, and it was confirmed that an oxetanyl group was present. Further, this organosilicon compound (C-3) was also obtained by a stoichiometric reaction between the silicon compound (A) and the silicon compound (B) by 1 H NMR analysis as in Example 1-1. It was confirmed to be a copolycondensate obtained.
- the content of the alkoxy group (methoxy group bonded to the silicon atom) calculated from the 1 H NMR chart of the organosilicon compound (C-3) is 3.0% with respect to the total alkoxy group contained in the raw material. The amount was equivalent to In the organosilicon compound (C-3), the proportion of inorganic portions was 56%.
- Example 1-4 A reactor equipped with a stirrer and a thermometer was charged with 41 g of 1-propanol and 6.23 g (0.04 mol) of tetramethoxysilane, and then 0.3 g of a 25 mass% tetramethylammonium hydroxide methanol solution (8 mmol of methanol). , Tetramethylammonium hydroxide 0.8 mmol) was gradually added. This mixture was reacted at a temperature of 25 ° C. and a pH of 9 for 1 hour with stirring. Thereafter, 5.52 g (0.02 mol) of TMSOX was added, and 4.07 g of water was further added.
- the organosilicon compound (C-4) was analyzed by 1 H NMR analysis and IR analysis, and it was confirmed that an oxetanyl group was present. Further, this organosilicon compound (C-4) was also obtained by a stoichiometric reaction between the silicon compound (A) and the silicon compound (B) by 1 H NMR analysis as in Example 1-1. It was confirmed to be a copolycondensate obtained.
- the content of the alkoxy group (methoxy group bonded to the silicon atom) calculated from the 1 H NMR chart of the organosilicon compound (C-4) is 1.0% with respect to the total alkoxy group contained in the charged raw material. The amount was equivalent to In the organosilicon compound (C-4), the proportion of inorganic moieties was 53%.
- Example 1-5 A reactor equipped with a stirrer and a thermometer was charged with 203.41 g of methanol, 27.98 g (0.1 mol) of TMSOX, and 22.84 g (0.15 mol) of TMOS, and then 25% by mass of tetramethylammonium hydroxide. A mixed solution consisting of 6.38 g of methanol solution (0.15 mol of methanol, 17.5 mmol of tetramethylammonium hydroxide), 16.22 g (0.9 mol) of water and 22.6 g of methanol was gradually added. The mixture was reacted for 2 hours at a temperature of 20 ° C. and a pH of 9 with stirring.
- the organosilicon compound (C-5) was analyzed by 1 H NMR analysis and IR analysis, and it was confirmed that an oxetanyl group was present. Further, this organosilicon compound (C-5) was also obtained by a stoichiometric reaction between the silicon compound (A) and the silicon compound (B) by 1 H NMR analysis as in Example 1-1. It was confirmed to be a copolycondensate obtained.
- the content of the alkoxy group (methoxy group bonded to the silicon atom) calculated from the 1 H NMR chart of the organosilicon compound (C-5) was 3.2% based on the total alkoxy group contained in the charged raw material. The amount was equivalent to In the organosilicon compound (C-5), the proportion of inorganic moieties was 47%.
- Example 1-6 A reactor equipped with a stirrer and a thermometer was charged with 203.41 g of methanol, 27.98 g (0.1 mol) of TMSOX, and 22.84 g (0.15 mol) of TMOS, and then 25% by mass of tetramethylammonium hydroxide. A mixed solution consisting of 6.38 g of methanol solution (0.15 mol of methanol, 17.5 mmol of tetramethylammonium hydroxide), 16.22 g (0.9 mol) of water and 22.6 g of methanol was gradually added. The mixture was reacted for 2 hours at a temperature of 60 ° C. and a pH of 9 with stirring.
- the organosilicon compound (C-6) was analyzed by 1 H NMR analysis and IR analysis, and it was confirmed that an oxetanyl group was present. Further, this organosilicon compound (C-6) was also obtained by the stoichiometric reaction of silicon compound (A) and silicon compound (B) by 1 H NMR analysis as in Example 1-1. It was confirmed to be a copolycondensate obtained.
- the content of the alkoxy group (methoxy group bonded to the silicon atom) calculated from the 1 H NMR chart of the organosilicon compound (C-6) is 3.0% with respect to the total alkoxy group contained in the charged raw material. The amount was equivalent to In the organosilicon compound (C-6), the proportion of inorganic moieties was 47%.
- Comparative Example 1-1 A reactor equipped with a stirrer and a thermometer was charged with 430 g of methanol, 55.68 g (0.2 mol) of TMSOX, and 30.44 g (0.2 mol) of TMOS, and then 25.5 g of a 0.7 mass% hydrochloric acid aqueous solution ( Water 1.4 mol, hydrogen chloride 4.8 mmol) was gradually added. The mixture was reacted for 18 hours at a temperature of 25 ° C. and a pH of 5 with stirring. Since no acid remained in the reaction solution, neutralization with a basic substance was not performed. Thereafter, the solvent (methanol) was distilled off under reduced pressure to obtain a colorless and transparent liquid organosilicon compound (C-7). Since no acid remained, the reaction product was not washed with water. The yield was 60.2g.
- the organosilicon compound (C-7) was analyzed by 1 H NMR analysis and IR analysis, and it was confirmed that an oxetanyl group was present. Further, this organosilicon compound (C-7) was also obtained by a stoichiometric reaction between the silicon compound (A) and the silicon compound (B) by 1 H NMR analysis as in Example 1-1. It was confirmed to be a copolycondensate obtained.
- the content of the alkoxy group (methoxy group bonded to the silicon atom) calculated from the 1 H NMR chart of the organosilicon compound (C-7) was 9.0% with respect to the entire alkoxy group contained in the charged raw material. The amount was equivalent to In the organosilicon compound (C-7), the proportion of inorganic moieties was 39%.
- Comparative Example 1-2 An organosilicon compound (C-8) was produced in the same manner as in Comparative Example 1-1 except that the amount of hydrogen chloride as the acid catalyst was changed to 10 mmol.
- the organosilicon compound (C-8) was analyzed by 1 H NMR analysis and IR analysis, and it was confirmed that an oxetanyl group was present. Further, this organosilicon compound (C-8) was also obtained by a stoichiometric reaction between the silicon compound (A) and the silicon compound (B) by 1 H NMR analysis as in Example 1-1. It was confirmed to be a copolycondensate obtained.
- the content of the alkoxy group (methoxy group bonded to the silicon atom) calculated from the 1 H NMR chart of the organosilicon compound (C-8) was 9.1% with respect to the entire alkoxy group contained in the charged raw material. The amount was equivalent to In the organosilicon compound (C-8), the proportion of inorganic moieties was 39%.
- the number average molecular weight and viscosity of the organosilicon compound (C-8) and the change with time thereof were measured in the same manner as in Example 1-1, and are shown in Table 1 and Table 3, respectively.
- Comparative Example 1-3 A reactor equipped with a stirrer and a thermometer was charged with 60 g of methanol, 8.35 g (0.03 mol) of TMSOX, and 23.8 g (0.09 mol) of tetrapropoxysilane. 24.5 g of aqueous methylammonium solution (water 1.35 mol, tetramethylammonium hydroxide 3 mmol) was gradually added. The mixture was reacted for 2 hours at a temperature of 25 ° C. and a pH of 9 while stirring. Thereafter, 1.92 g (3.06 mmol) of a 10 mass% nitric acid aqueous solution was added to neutralize the reaction solution.
- aqueous methylammonium solution water 1.35 mol, tetramethylammonium hydroxide 3 mmol
- Comparative Example 1-4 A reactor equipped with a stirrer and a thermometer was charged with 133.6 g (0.48 mol) of TMSOX and 118.4 g of isopropyl alcohol, and then bubbled with nitrogen to adjust the internal temperature of the mixed raw material to 80 ° C. Thereafter, while stirring the mixed raw material, 4.38 g (12 mmol) of 25% by mass of tetramethylammonium hydroxide and 22.66 g of water were added dropwise and reacted at a temperature of 80 ° C. and pH 9 for 1 hour. Next, 2.47 g of 25% by mass sulfuric acid was added to the reaction solution to neutralize the reaction solution.
- Comparative Example 1-5 A reactor equipped with a stirrer and a thermometer was charged with 56.6 g of methanol, 8.35 g (0.03 mol) of TMSOX, and 2.28 g (0.015 mol) of TMOS, and then 25. 5 g (water 1.4 mol, hydrogen chloride 4.8 mmol) was gradually added. The mixture was reacted for 18 hours at a temperature of 25 ° C. and a pH of 5 with stirring. Since no acid remained in the reaction solution, neutralization with a basic substance was not performed. Thereafter, the solvent (methanol) was distilled off under reduced pressure to obtain a colorless and transparent liquid organosilicon compound (C-11). Since no acid remained, the reaction product was not washed with water. The yield was 5.44g.
- the organosilicon compound (C-11) was analyzed by 1 H NMR analysis and IR analysis, and it was confirmed that an oxetanyl group was present. Further, this organosilicon compound (C-11) was also obtained by a stoichiometric reaction between the silicon compound (A) and the silicon compound (B) by 1 H NMR analysis as in Example 1-1. It was confirmed that this was a copolycondensate obtained.
- the content of the alkoxy group (methoxy group bonded to the silicon atom) calculated from the 1 H NMR chart of the organosilicon compound (C-11) was 9.3% with respect to the total alkoxy group contained in the charged raw material. The amount was equivalent to In the organosilicon compound (C-11), the proportion of inorganic moieties was 31%.
- the haze of the cured film before and after the Taber abrasion test under the above-described conditions was determined as a haze meter “NDH2000” manufactured by Nippon Denshoku Industries Co., Ltd.
- the model name was measured in accordance with JIS K7105, JIS K7361-1 and JIS K7136.
- Example 2-2 A photocationic curable composition was prepared in the same manner as in Example 2-1, except that the organosilicon compound (C-4) was used instead of the organosilicon compound (C-1). Various evaluations were conducted except for the universal hardness test and wear loss measurement (see Table 4). In the production of the cured film for the Taber abrasion test, the number of times of ultraviolet irradiation was 15 times.
- Example 2-3 A photocationic curable composition was prepared in the same manner as in Example 2-1, except that the organosilicon compound (C-3) was used instead of the organosilicon compound (C-1). Various evaluations were conducted except for the universal hardness test and wear loss measurement (see Table 4). In the production of the cured film for the Taber abrasion test, the number of times of ultraviolet irradiation was 15 times.
- Example 2-4 50 parts by mass of 100 parts by mass of the organosilicon compound (C-1) and 2 parts by mass of (tricumyl) iodonium tetrakis (pentafluorophenyl) borate as a photocationic polymerization initiator were dissolved in 102 parts by mass of PGMEA as a solvent.
- % PGMEA solution photocationic curable composition
- Example 2-5 90 parts by mass of an organosilicon compound (C-1) and an epoxy compound Q-4 represented by the following formula (5) (one of “Q8 series” manufactured by Mayateries), a cage silsesquioxy having a glycidyl group Sun) 10 parts by mass and 2 parts by mass of (tricumyl) iodonium tetrakis (pentafluorophenyl) borate, which is a cationic polymerization initiator, are dissolved in 102 parts by weight of PGMEA, which is a solvent, and a 50% by mass PGMEA solution (photocation) Curable composition) was prepared and subjected to various evaluations excluding the pencil hardness test, universal hardness test and wear loss measurement. (See Table 4). In the production of the cured film for the Taber abrasion test, the number of times of ultraviolet irradiation was 15 times.
- Example 2-6 A photocationic curable composition was prepared in the same manner as in Example 2-5 except that the organosilicon compound (C-4) was used instead of the organosilicon compound (C-1), and a pencil hardness test was performed. Various evaluations were conducted except for the universal hardness test and wear loss measurement (see Table 4). In the production of the cured film for the Taber abrasion test, the number of times of ultraviolet irradiation was 15 times.
- Comparative Example 2-1 A photocationic curable composition was prepared and evaluated in the same manner as in Example 2-1, except that the organosilicon compound (C-7) was used instead of the organosilicon compound (C-1). (See Table 4).
- the compositions containing the organosilicon compounds obtained by the production method of the present invention gave a cured film having excellent hardness and wear resistance.
- the reason is considered that the organosilicon compound (C) contains a hydrolyzate of tetrafunctional silane (Q monomer unit) as a constituent unit and has a high proportion of inorganic parts.
- a small increase in haze ( ⁇ H) indicates that the cured films are hardly damaged.
- the organosilicon compound of the present invention has a high proportion of the inorganic portion in the structure, and has good post-production stability and storage stability.
- This organosilicon compound has cationic curability.
- the curable composition of this invention can give the hardened
- the composition has cationic curability, and the cured product of the composition includes a hard coat, protective films for various substrates, a resist film, modifiers for various polymer materials, plastic reinforcing agents, various It is useful as a coating material modifier, a coating material raw material, a low dielectric constant material, an insulating film material, a heat resistance imparting material, a liquid crystal raw material, a semiconductor sealing material, an optical waveguide material, a hard mask material, and the like.
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Abstract
Description
また、特許文献1の方法を用いて、オキセタニル基を有し3個のOR基(Rは炭化水素基である)を有するケイ素化合物(s1)と、4個のOR基(Rは炭化水素基である)を有するケイ素化合物(s2)とを、酸性条件下で加水分解・縮合させて、オキセタニル基を有する有機ケイ素化合物を製造した場合、この有機ケイ素化合物中のOR基の割合は、ケイ素化合物(s1)中のOR基およびケイ素化合物(s2)中のOR基の合計量に対して、少なくとも9%と高かった。これにより、ゲルの生成や、硬度、耐摩耗性等が不十分な硬化物を招くこととなった。
なお、特許文献1の実施例1によると、オキセタニル基を有し3個の加水分解性基を有するケイ素化合物と、3個のシロキサン結合生成基を有するケイ素化合物(メチルトリエトキシシラン)とを、酸性条件下で加水分解・縮合させ、ゲル化しない縮合物が得られている。一方、特許文献1の比較例1によると、これらの化合物をアルカリ性条件下で加水分解・縮合させようとしてゲル化したという開示がある。即ち、特許文献1と、特許文献2または3とを組み合わせることの阻害要因を有している。
1.アルカリ性条件下、下記一般式(1)で表されるケイ素化合物(A)と、下記一般式(2)で表されるケイ素化合物(B)とを、上記ケイ素化合物(A)1モルに対して上記ケイ素化合物(B)0.3~2.8モルの割合で加水分解・縮合する工程を備える方法により得られたことを特徴とする、オキセタニル基を有する有機ケイ素化合物。
SiY4 (2)
[式中、Yはシロキサン結合生成基である。]
2.[SiO4/2]で表されるシリケート単位と、[R0SiO3/2]で表されるシルセスキオキサン単位とを含む上記1に記載のオキセタニル基を有する有機ケイ素化合物。
3.上記一般式(1)におけるR0が、下記一般式(3)で表される有機基である上記1または2に記載のオキセタニル基を有する有機ケイ素化合物。
4.上記一般式(1)におけるXがアルコキシ基、シクロアルコキシ基またはアリールオキシ基である上記1に記載のオキセタニル基を有する有機ケイ素化合物。
5.上記1に記載のオキセタニル基を有する有機ケイ素化合物を製造する方法であって、アルカリ性条件下、下記一般式(1)で表されるケイ素化合物(A)と、下記一般式(2)で表されるケイ素化合物(B)とを、上記ケイ素化合物(A)1モルに対して上記ケイ素化合物(B)0.3~2.8モルの割合で加水分解・縮合する工程を備えることを特徴とする、オキセタニル基を有する有機ケイ素化合物の製造方法。
SiY4 (2)
[式中、Yはシロキサン結合生成基である。]
6.上記一般式(1)におけるR0が、下記一般式(3)で表される有機基である上記5に記載のオキセタニル基を有する有機ケイ素化合物の製造方法。
7.アルカリ性条件とするための塩基性物質の使用量が、上記ケイ素化合物(A)および上記ケイ素化合物(B)の合計モル数を100モルとした場合に、1~20モルである、上記5に記載のオキセタニル基を有する有機ケイ素化合物の製造方法。
8.上記塩基性物質が水酸化テトラアルキルアンモニウムである上記7に記載のオキセタニル基を有する有機ケイ素化合物の製造方法。
9.上記1に記載のオキセタニル基を有する有機ケイ素化合物と、カチオン重合開始剤とを含有することを特徴とするカチオン硬化性組成物。
10.上記カチオン重合開始剤が光カチオン重合開始剤である上記9に記載のカチオン硬化性組成物。
11.更に、他のカチオン重合性化合物を含有し、該カチオン重合性化合物が、エポキシ化合物、他のオキセタニル基含有化合物、および、ビニルエーテル化合物から選ばれた少なくとも1種である上記9または10に記載のカチオン硬化性組成物。
12.上記9に記載のカチオン硬化性組成物を基材の表面に塗布し、得られた被膜を硬化させる工程を備えることを特徴とする硬化膜の製造方法。
13.上記11に記載のカチオン硬化性組成物を基材の表面に塗布し、得られた被膜を硬化させる工程を備えることを特徴とする硬化膜の製造方法。
14.上記9に記載のカチオン硬化性組成物を基材の表面に塗布し、得られた被膜を硬化させる工程を備えることを特徴とする、硬化膜を有する物品の製造方法。
15.上記基材が、ポリカーボネート樹脂を含む基板である上記14に記載の硬化膜を有する物品の製造方法。
16.上記14に記載の方法により得られたことを特徴とする、硬化膜を有する物品。
尚、「無機部分の割合」とは、化合物を構成する原子として炭素原子を含まない部分が化合物の構造全体に占める割合を意味する。
本発明のオキセタニル基を有する有機ケイ素化合物の製造方法によれば、製造後のゲル化を招くことなく安定な有機ケイ素化合物を製造することができる。特に、上記一般式(1)において少なくとも1個のXがOR基(Rは、アルキル基、シクロアルキル基、アラルキル基およびアリール基から選ばれた炭化水素基である。)であるケイ素化合物(A)と、上記一般式(2)において少なくとも1個のYがOR基(Rは、アルキル基、シクロアルキル基、アラルキル基およびアリール基から選ばれた炭化水素基である。)であるケイ素化合物(B)とを、製造原料として用いた場合、得られた有機ケイ素化合物において、ケイ素化合物(A)および(B)に由来するOR基の割合を、製造前のこれらの化合物に含まれるOR基の合計量に対して、例えば、8%以下等とすることができる。そして、この有機ケイ素化合物は、著しく保存安定性に優れる。
本発明のカチオン硬化性組成物によれば、高硬度であり、耐摩耗性に優れる硬化物を与えることができる。
また、本発明の硬化膜の製造方法によれば、基材の表面に、高硬度であり、耐摩耗性に優れる硬化膜を効率よく形成することができる。
更に、本発明の硬化膜を有する物品の製造方法によれば、基材と、この基材の表面に形成された高硬度であり、耐摩耗性に優れる硬化膜とを備える物品を効率よく形成することができる。
本発明のオキセタニル基を有する有機ケイ素化合物(以下、「有機ケイ素化合物(C)」という。)は、アルカリ性条件下、下記一般式(1)で表されるケイ素化合物(A)と、下記一般式(2)で表されるケイ素化合物(B)とを、上記ケイ素化合物(A)1モルに対して上記ケイ素化合物(B)0.3~2.8モルの割合で加水分解・縮合する工程を備える方法により得られたことを特徴とする。
また、本発明の有機ケイ素化合物(C)の製造方法は、アルカリ性条件下、下記一般式(1)で表されるケイ素化合物(A)と、下記一般式(2)で表されるケイ素化合物(B)とを、上記ケイ素化合物(A)1モルに対して上記ケイ素化合物(B)0.3~2.8モルの割合で加水分解・縮合する工程を備えることを特徴とする。
SiY4 (2)
[式中、Yはシロキサン結合生成基である。]
上記ケイ素化合物(A)は、1つのみ用いてよいし、2つ以上を組み合わせて用いることができる。上記ケイ素化合物(B)もまた、1つのみ用いてよいし、2つ以上を組み合わせて用いることができる。
このケイ素化合物(A)は、上記一般式(1)で表される、オキセタニル基を有する化合物である。このケイ素化合物(A)は、得られる有機ケイ素化合物(C)にカチオン硬化性を付与するための成分である。
また、特に好ましいR0は、下記一般式(3)で表される構造を有する有機基である。
上記一般式(3)におけるR3またはR4の炭素数が大きすぎると、得られる有機ケイ素化合物(C)において無機部分の割合が高いものになりにくく、得られる硬化物の表面硬度が十分でない場合がある。
シクロアルコキシ基は、好ましくは、炭素数3~8のシクロアルコキシ基であり、その例としては、シクロペンチルオキシ基、シクロヘキシルオキシ基等が挙げられる。
アラルキルオキシ基は、好ましくは、炭素数7~12のアラルキルオキシ基であり、その例としては、ベンジルオキシ基、2-フェニルエチルオキシ等挙げられる。
アリールオキシ基は、好ましくは、炭素数6~10のアリールオキシ基であり、その例としては、フェニルオキシ基、o-トルイルオキシ基、m-トルイルオキシ基、p-トルイルオキシ基、ナフチルオキシ基等が挙げられる。
アルコキシ基の加水分解性が良好であることから、本発明において、上記一般式(1)のXは、炭素数1~3のアルコキシ基であることが好ましい。また、原料の入手が容易であり安価であること、加水分解反応が制御しやすいことから、特に好ましいXはメトキシ基である。
得られる有機ケイ素化合物(C)において無機部分の割合がより高いものにするためには、nは0であるケイ素化合物(A)を用いることが好ましい。
得られる有機ケイ素化合物(C)を、後述する溶剤への溶解性により優れたものにするためには、nは1であることが好ましい。
上記効果のバランスをとるために、nが0のケイ素化合物(A)と、nが1のケイ素化合物(A)とを併用してもよい。
このケイ素化合物(B)は、上記一般式(2)で表される、ケイ素原子1個およびシロキサン結合生成基4個を有する化合物である。このケイ素化合物(B)は、シロキサン結合生成基Yを4個有するもの(「Qモノマー」とも呼ばれる。)であり、得られる有機ケイ素化合物(C)における無機部分の割合を高くするための成分である。シロキサン結合生成基は、ケイ素化合物(A)における加水分解性基との反応により、シロキサン結合を生成する。
シロキサン結合生成基Yは、好ましくはハロゲン原子以外のものであり、即ち、水酸基、水素原子、アルコキシ基(メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基等)、シクロアルコキシ基(シクロペンチルオキシ基、シクロヘキシルオキシ基等)、アラルキルオキシ基(ベンジルオキシ基、2-フェニルエチルオキシ基等)、アリールオキシ基(フェニルオキシ基、o-トルイルオキシ基、m-トルイルオキシ基、p-トルイルオキシ基、ナフチルオキシ基等)等である。これらのうち、アルコキシ基、シクロアルコキシ基、アラルキルオキシ基およびアリールオキシ基が好ましく、アルコキシ基が特に好ましい。
尚、シロキサン結合生成基Yがハロゲン原子であるケイ素化合物(B)を用いると、上記一般式(1)における加水分解性基Xの説明と同様に、反応の進行とともに反応液の液性が変化し、管理が煩雑となる場合がある。
(i)シロキサン結合生成基Yの4個が、互いに同一または異なって、アルコキシ基、シクロアルコキシ基、アラルキルオキシ基またはアリールオキシ基であるケイ素化合物
(ii)シロキサン結合生成基Yの1個がアルコキシ基、シクロアルコキシ基、アラルキルオキシ基またはアリールオキシ基であり、3個が、互いに同一または異なって、水酸基または水素原子であるケイ素化合物
(iii)シロキサン結合生成基Yの2個が、互いに同一または異なって、アルコキシ基、シクロアルコキシ基、アラルキルオキシ基またはアリールオキシ基であり、2個が、互いに同一または異なって、水酸基または水素原子であるケイ素化合物
(iv)シロキサン結合生成基Yの3個が、互いに同一または異なって、アルコキシ基、シクロアルコキシ基、アラルキルオキシ基またはアリールオキシ基であり、1個が、水酸基または水素原子であるケイ素化合物
(v)シロキサン結合生成基Yの4個が、互いに同一または異なって、水酸基または水素原子であるケイ素化合物
これらのうち、態様(i)が好ましい。
上記態様(iii)のケイ素化合物としては、H2Si(OCH3)2、H2Si(OC2H5)2、H2Si(OC3H7)2等が挙げられる。
また、上記態様(v)のケイ素化合物としては、HSi(OH)3、H2Si(OH)2、H3Si(OH)、SiH4、Si(OH)4等が挙げられる。
上記ケイ素化合物(B)としてテトラプロポキシシランを使用すると、有機ケイ素化合物(C)の製造中の増粘、ゲル化等を起こりにくくすることができる。従って、テトラプロポキシシランはケイ素化合物(B)として最も好ましいものである。
本発明の有機ケイ素化合物(C)の製造方法は、アルカリ性条件下、上記一般式(1)で表されるケイ素化合物(A)と、上記一般式(2)で表されるケイ素化合物(B)とを、ケイ素化合物(A)1モルに対してケイ素化合物(B)0.3~2.8モルの割合で加水分解・縮合する工程(以下、「第1工程」という。)を含む。この第1工程では、通常、ケイ素化合物(A)、ケイ素化合物(B)、水、および、アルカリ性条件とするための塩基性物質が用いられる。本発明は、第1工程の後、更に、以下の工程を含むことができる。
(第2工程)第1工程で得られた反応液を、酸により中和する工程。
(第3工程)第2工程で得られた中和液から揮発性成分を除去する工程。
(第4工程)第3工程で得られた濃縮液と、洗浄用有機溶剤とを、混合および接触させて、少なくとも有機ケイ素化合物(C)を洗浄用有機溶剤に溶解する工程。
(第5工程)第4工程で得られた有機系液を水により洗浄した後、有機ケイ素化合物(C)を含む有機溶液を得る工程。
(第6工程)第5工程で得られた有機溶液から揮発性成分を除去する工程。
本発明の有機ケイ素化合物(C)の製造方法は、第1工程、第2工程および第5工程を含むことが好ましい。
第1工程は、ケイ素化合物(A)とケイ素化合物(B)とを、上記のように、特定の割合で使用してアルカリ性条件において加水分解・縮合させる工程である。
反応に使用されるケイ素化合物(A)1モルに対するケイ素化合物(B)の割合の下限は、0.3モルであり、好ましくは0.4モル、より好ましくは0.5モル、更に好ましくは0.9モルである。また、反応に使用されるケイ素化合物(A)1モルに対するケイ素化合物(B)の割合の上限は、2.8モルであり、好ましくは2.6モル、より好ましくは2.5モル、更に好ましくは2.1モルである。
上記ケイ素化合物(B)の使用割合が上記範囲にあると、得られる有機ケイ素化合物(C)を含有する組成物が硬化するときの体積収縮が抑制される。尚、上記ケイ素化合物(B)の使用割合が0.9モル以上である場合には、体積収縮の抑制効果のみならず、有機ケイ素化合物(C)を含有する組成物を基材上で硬化させたときに、硬化物と基材との優れた密着性を得ることができる。
水の使用量が少なすぎると、反応が不十分となる場合がある。水の使用量が多すぎると、反応後に水を除去する工程が長くなり経済的ではない。
第1工程における反応条件が、酸性条件下(pH7未満)である場合には、加水分解・縮合させて得られる有機ケイ素化合物は、保存安定性に劣るものとなり、保存中にゲル化することもある。
また、中性条件下(pH7付近)では、加水分解・縮合反応が進行しにくく、有機ケイ素化合物を収率よく得ることができない。
尚、pH13を超える条件で製造する場合には、pH8~pH13の場合と同様、有機ケイ素化合物を高収率で得ることができるが、その条件とするための塩基性物質の使用量が多くなるため、経済的ではなく、また反応終了後に反応液を中和するコストもアップする。
また、第1工程における反応時間は、好ましくは1~30時間、より好ましくは4~24時間である。
第2工程は、第1工程で得られた、有機ケイ素化合物(C)を含む反応液を、酸により、中和する工程である。酸の例としては、リン酸、硝酸、硫酸、塩酸等の無機酸や、酢酸、蟻酸、乳酸、アクリル酸、シュウ酸等のカルボン酸、p-トルエンスルホン酸、メタンスルホン酸等のスルホン酸等の有機酸が挙げられる。これらのうち、硝酸および硫酸は、オキセタニル基の安定性に悪影響を及ぼしにくく(オキセタニル基への付加反応が起こりにくく)、水洗により比較的除去されやすいので好ましい酸である。酸の使用量は、有機ケイ素化合物(C)を含む反応液のpHに応じて、適宜、選択されるが、塩基性物質1当量に対して、好ましくは1~1.1当量、より好ましくは1~1.05当量である。
第3工程は、第2工程で得られた中和液から揮発性成分を除去する工程である。この工程では、常圧(大気圧)または減圧の条件における蒸留が行われる。第3工程において除去される揮発性成分としては、第1工程の反応溶媒として使用された有機溶剤が主である。反応溶媒として、例えば、メタノールのように水と混和する有機溶剤が使用された場合には、後述する水による洗浄(第5工程)に支障があるため、通常、この第3工程が実施される。
尚、第1工程における反応溶媒が、アルコール等の水と混和する有機溶剤であったとしても、中和液の水による洗浄に適した有機溶剤を多量に追加することで有機ケイ素化合物(C)の洗浄を行うことが可能な場合には、この第3工程及び第4工程を省略することができる。
また、第1工程における反応溶媒が、水と混和しないものであり、中和液の水による洗浄に適した有機溶剤である場合、および、上記反応溶媒が、アルコール等の水と混和する溶媒であったとしても、中和液の水による洗浄に適した有機溶剤を多量に追加することで有機ケイ素化合物(C)の洗浄を行うことが可能な場合には、第3工程および第4工程を省略することができる。
第4工程は、第3工程で得られた濃縮液と、洗浄用有機溶剤とを、混合および接触させて、少なくとも有機ケイ素化合物(C)を洗浄用有機溶剤に溶解する工程である。洗浄用有機溶剤としては、有機ケイ素化合物(C)を溶解し、水と混和しない化合物を使用する。水と混和しないとは、水と洗浄用有機溶剤とを十分混合した後、静置すると、水層及び有機層に分離することを意味する。
好ましい洗浄用有機溶剤としては、メチルイソブチルケトン等のケトン類;ジイソプロピルエーテル等のエーテル類;トルエン等の芳香族炭化水素;ヘキサン等の脂肪族炭化水素;酢酸エチル等のエステル類等が挙げられる。
上記洗浄用有機溶剤は、第1工程において用いられた反応溶媒と同一であってよいし、異なってもよい。
第5工程は、第4工程で得られた有機系液を水により洗浄した後、有機ケイ素化合物(C)を含む有機溶液を得る工程である。尚、この有機系液は、第3工程および第4工程が省略された場合、第2工程で得られた液を意味する。この第5工程によって、第1工程において使用された塩基性物質および第2工程において使用された酸ならびにそれらの塩は、水層に含まれ、有機層から実質的に除かれる。
第5工程における、水と有機系液とを混合および接触させる工程の温度は、特に制限されないが、好ましくは0℃~70℃、より好ましくは10℃~60℃である。また、水層と有機層とを分離する工程の温度もまた、特に限定されないが、好ましくは0℃~70℃、より好ましくは10℃~60℃である。2つの工程における処理温度を40℃~60℃程度とすることは、水層及び有機層の分離時間の短縮効果があるため、好ましい。
第6工程は、第5工程で得られた有機溶液から揮発性成分を除去する工程である。この工程では、常圧(大気圧)または減圧の条件における蒸留が行われる。第6工程において除去される揮発性成分としては、第4工程で用いた洗浄用有機溶剤であるが、他に揮発性成分が含まれていれば、この工程において、すべて同時に除去される。
以上の工程によって、本発明の有機ケイ素化合物(C)は単離される。
尚、この有機ケイ素化合物(C)が有機溶剤に溶解されてなる溶液とする場合には、上記第4工程で用いた洗浄用有機溶剤を、そのまま有機ケイ素化合物(C)の溶媒として使用することができ、第6工程は省略することができる。
しかしながら、所定量以上のMモノマーを併用することで、ゲル化は回避できても、得られる有機ケイ素化合物の無機的性質は低下する傾向にある。本発明では、アルカリ性条件下、ケイ素化合物(A)であるTモノマー及び/又はDモノマーと、ケイ素化合物(B)であるQモノマーとをゲル化させずに共重縮合させているが、無機的性質を下げない程度の低い割合でMモノマーを併用することは可能である。具体的には、第1工程の際に、Mモノマーの使用量を、ケイ素化合物(A)及びケイ素化合物(B)の合計モル数100モルに対して、10モル以下とすることができる。
本発明の有機ケイ素化合物(C)は、オキセタニル基を有し、シロキサン結合を有するポリシロキサンである。そして、この有機ケイ素化合物(C)は、[SiO4/2]で表されるシリケート単位を含む化合物である。このシリケート単位は、1個のケイ素原子に4個の酸素原子が結合した構成単位であり、ケイ素化合物(B)に由来する構成単位である。
また、本発明の有機ケイ素化合物(C)は、更に、[R0SiO3/2]で表されるシルセスキオキサン単位、および/または、[R0R1SiO2/2]で表されるジオルガノシロキサン単位を含んでもよい。シルセスキオキサン単位およびジオルガノシロキサン単位は、それぞれ、1個のケイ素原子に3個および2個の酸素原子が結合した構成単位であり、ケイ素化合物(A)に由来する構成単位である。
上記の場合、有機ケイ素化合物(C)は、部分的にラダー(はしご)状、かご状またはランダム状の構造をとることができる。
本発明の有機ケイ素化合物(C)は、オキセタニル基を有するため、カチオン硬化性を備える。有機ケイ素化合物(C)をカチオン硬化させることにより、表面硬度が大きく耐熱性に優れた硬化膜を与えることができる。
しかしながら、上記有機ケイ素化合物(C1)によると、保存安定性に優れ、上記有機溶剤に対する溶解性が高いことで作業性に優れ、硬化性組成物としたときに得られる硬化物の硬度、耐摩耗性等にも優れる。
本発明のカチオン硬化性組成物は、上記本発明の有機ケイ素化合物(C)と、カチオン重合開始剤とを含有することを特徴とする。
本発明のカチオン硬化性組成物は、更に、他のカチオン重合性を有する化合物(以下、「カチオン重合性化合物(D)」という。)、増感剤、チクソトロピー性付与剤、シランカップリング剤、消泡剤、充填剤、無機ポリマー、有機ポリマー、有機溶剤等を含有してもよい。
有機ケイ素化合物(C)は、カチオン硬化性組成物の硬化性、得られる硬化物の硬度、耐摩耗性等の観点から、好ましくは、上記有機ケイ素化合物(C1)である。
カチオン重合開始剤は、紫外線等の光が照射されてカチオンを生成する化合物(光カチオン重合開始剤)または加熱されてカチオンを生成する化合物(熱カチオン重合開始剤)であり、公知の化合物を用いることができる。以下、光カチオン重合開始剤を含有する組成物を、光カチオン硬化性組成物といい、熱カチオン重合開始剤を含有する組成物を、熱カチオン硬化性組成物という。
光カチオン重合開始剤としては、ヨードニウム塩、スルホニウム塩、ジアゾニウム塩、セレニウム塩、ピリジニウム塩、フェロセニウム塩、ホスホニウム塩等のオニウム塩が挙げられる。これらのうち、ヨードニウム塩およびスルホニウム塩が好ましく、特に、芳香族ヨードニウム塩および芳香族スルホニウム塩は、熱的に比較的安定であり、これらを含有する硬化性組成物が保存安定性のよいものとなりやすいため、好ましい光カチオン重合開始剤である。
光カチオン重合開始剤がヨードニウム塩またはスルホニウム塩である場合、対アニオンの例としては、BF4 -、AsF6 -、SbF6 -、PF6 -、B(C6F5)4-等が挙げられる。
上記芳香族ヨードニウム塩としては、市販品を用いることができ、GE東芝シリコーン社製「UV-9380C」(商品名)、ローディア社製「RHODOSIL PHOTOINITIATOR2074」(商品名)、和光純薬工業株式会社製「WPI-016」、「WPI-116」および「WPI-113」(商品名)等が挙げられる。
上記芳香族スルホニウム塩としては、市販品を用いることができ、例えば、市販のトリアリールスルホニウム塩(芳香族スルホニウム塩)としては、ダウ・ケミカル日本株式会社製の、「サイラキュアUVI-6990」、「サイラキュアUVI-6992」および「サイラキュアUVI-6974」(商品名)、株式会社アデカ製の「アデカオプトマーSP-150」、「アデカオプトマーSP-152」、「アデカオプトマーSP-170」および「アデカオプトマーSP-172」(商品名)、和光純薬工業株式会社製の「WPAG-593」、「WPAG-596」、「WPAG-640」および「WPAG-641」(商品名)、等が挙げられる。
熱カチオン重合開始剤としては、スルホニウム塩、ホスホニウム塩、第4アンモニウム塩等が挙げられる。これらのうち、スルホニウム塩が好ましい。
熱カチオン重合開始剤における対アニオンの例としては、AsF6 -、SbF6 -、PF6 -、B(C6F5)4-等が挙げられる。
上記スルホニウム塩としては、市販品を用いることができ、アデカ社製「アデカオプトンCP-66」および「アデカオプトンCP-77」(商品名)、三新化学工業社製「サンエイドSI-60L」、「サンエイドSI-80L」および「サンエイドSI-100L」(商品名)、等が挙げられる。
上記アンモニウム塩型化合物としては、例えば、N,N-ジメチル-N-ベンジルアニリニウム六フッ化アンチモン、N,N-ジエチル-N-ベンジルアニリニウム四フッ化ホウ素、N,N-ジメチル-N-ベンジルピリジニウム六フッ化アンチモン、N,N-ジエチル-N-ベンジルピリジニウムトリフルオロメタンスルホン酸、N,N-ジメチル-N-(4-メトキシベンジル)ピリジニウム六フッ化アンチモン、N,N-ジエチル-N-(4-メトキシベンジル)ピリジニウム六フッ化アンチモン、N,N-ジエチル-N-(4-メトキシベンジル)トルイジニウム六フッ化アンチモン、N,N-ジメチル-N-(4-メトキシベンジル)トルイジニウム六フッ化アンチモン等が挙げられる。
このカチオン重合性化合物(D)は、有機ケイ素化合物(C)以外のカチオン重合性を有する化合物であり、例えば、エポキシ化合物(エポキシ基を有する化合物)、他のオキセタニル基を有する化合物(他のオキセタニル基含有化合物)、ビニルエーテル基を有する化合物(ビニルエーテル化合物)等が挙げられる。これらの化合物は、1種単独で用いてよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。エポキシ化合物のうち、脂環構造を有するエポキシ化合物は、上記有機ケイ素化合物(C)におけるオキセタニル基のカチオン重合を円滑に進める効果を奏するため、特に好ましい。
多官能エポキシ化合物としては、ジシクロペンタジエンジオキサイド、リモネンジオキサイド、4-ビニルシクロヘキセンジオキサイド、(3,4-エポキシシクロヘキシル)メチル-3,4-エポキシシクロヘキシルカルボキシレート(例えば、ダイセル化学工業社製「セロキサイド2021P」(商品名))、ジ(3,4-エポキシシクロヘキシル)アジペート、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ハロゲン化ビスフェノールA型エポキシ樹脂、水素添加ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールSジグリシジルエーテル、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、1,6-ヘキサンジオールジグリシジルエーテル、ポリテトラメチレングリコールジグリシジルエーテル、ポリブタジエンの両末端がグリシジルエーテル化された化合物、o-クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、m-クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、p-クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、トリメチロールプロパントリグリシジルエーテル、ペンタエリスリトールテトラグリシジルエーテル、ポリブタジエンの内部エポキシ化物、ダイセル化学工業社製「エポフレンド」(商品名)等の、スチレン-ブタジエン共重合体における、二重結合が一部エポキシ化された化合物、KRATON社製「L-207」(商品名)等の、エチレン-ブチレン共重合体部およびイソプレン重合体部を備えるブロック共重合体における、イソプレン重合体部の一部がエポキシ化された化合物、ダイセル化学工業社製「EHPE3150」(商品名)等の、4-ビニルシクロヘキセンオキサイドの開環重合体において、ビニル基をエポキシ化した構造の化合物、Mayaterials社製「Q8シリーズ」における「Q-4」等の、グリシジル基を有するかご状シルセスキオキサン、Mayaterials社製「Q8シリーズ」における「Q-5」等の、エポキシ基を有する脂環タイプのかご状シルセスキオキサン、エポキシ化植物油等が挙げられる。
多官能オキセタン化合物としては、1,4-ビス{[(3-エチル-3-オキセタニル)メトキシ]メチル}ベンゼン(XDO)、ジ[2-(3-オキセタニル)ブチル]エーテル(DOX)、1,4-ビス〔(3-エチルオキセタン-3-イル)メトキシ〕ベンゼン(HQOX)、1,3-ビス〔(3-エチルオキセタン-3-イル)メトキシ〕ベンゼン(RSOX)、1,2-ビス〔(3-エチルオキセタン-3-イル)メトキシ〕ベンゼン(CTOX)、4,4’-ビス〔(3-エチルオキセタン-3-イル)メトキシ〕ビフェニル(4,4’-BPOX)、2,2’-ビス〔(3-エチル-3-オキセタニル)メトキシ〕ビフェニル(2,2’-BPOX)、3,3’,5,5’-テトラメチル〔4,4’-ビス(3-エチルオキセタン-3-イル)メトキシ〕ビフェニル(TM-BPOX)、2,7-ビス〔(3-エチルオキセタン-3-イル)メトキシ〕ナフタレン(2,7-NpDOX)、1,6-ビス〔(3-エチルオキセタン-3-イル)メトキシ〕-2,2,3,3,4,4,5,5-オクタフルオロヘキサン(OFH-DOX)、3(4),8(9)-ビス[(1-エチル-3-オキセタニル)メトキシメチル〕-トリシクロ[5.2.1.02.6]デカン、1,2-ビス[2-[(1-エチル-3-オキセタニル)メトキシ]エチルチオ]エタン、4,4’-ビス[(1-エチル-3-オキセタニル)メチル]チオジベンゼンチオエーテル、2,3-ビス[(3-エチルオキセタン-3-イル)メトキシメチル]ノルボルナン(NDMOX)、2-エチル-2-[(3-エチルオキセタン-3-イル)メトキシメチル]-1,3-0-ビス[(1-エチル-3-オキセタニル)メチル]-プロパン-1,3-ジオール(TMPTOX)、2,2-ジメチル-1,3-0-ビス[(3-エチルオキセタン-3-イル)メチル]-プロパン-1,3-ジオール(NPGOX)、2-ブチル-2-エチル-1,3-0-ビス[(3-エチルオキセタン-3-イル)メチル]-プロパン-1,3-ジオール、1,4-0-ビス[(3-エチルオキセタン-3-イル)メチル]-ブタン-1,4-ジオール、2,4,6-0-トリス[(3-エチルオキセタン-3-イル)メチル]シアヌル酸、ビスフェノールAおよび3-エチル-3-クロロメチルオキセタン(以下、「OXC」と略す)のエーテル化物(BisAOX)、ビスフェノールFおよびOXCのエーテル化物(BisFOX)、フェノールノボラックおよびOXCのエーテル化物(PNOX)、クレゾールノボラックおよびOXCのエーテル化物(CNOX)、オキセタニルシルセスキオキサン(OX-SQ)、3-エチル-3-ヒドロキシメチルオキセタンのシリコンアルコキサイド(OX-SC)等が挙げられる。
多官能ビニルエーテル化合物としては、シクロヘキサンジメタノールジビニルエーテル、トリエチレングリコールジビニルエーテル、ノボラック型ジビニルエーテル等が挙げられる。
また、単官能ビニルエーテル化合物としては、ヒドロキシエチルビニルエーテル、ヒドロキシブチルビニルエーテル、ドデシルビニルエーテル、プロペニルエーテルプロピレンカーボネート、シクロヘキシルビニルエーテル等が挙げられる。
本発明のカチオン硬化性組成物が、光カチオン硬化性組成物である場合、光増感剤を含有することができる。
光増感剤としては、光ラジカル重合開始剤が好適に使用できる。本発明において用いることができる典型的な光増感剤は、クリベロがアドバンスド イン ポリマーサイエンス(Adv.in Polymer.Sci.,62,1(1984))で開示している化合物である。具体的には、ピレン類、ペリレン類、アクリジンオレンジ類、チオキサントン類、2-クロロチオキサントン類、ペンゾフラビン類等が挙げられる。これらのうち、チオキサントン類が、オニウム塩等の光カチオン重合開始剤の活性を高める効果を奏するため、特に好適である。
この有機溶剤としては、上記有機ケイ素化合物(C)を溶解する化合物、および、上記有機ケイ素化合物(C)を溶解しない化合物のいずれでもよく、また両者を併用してもよい。上記有機溶剤が、上記のような、有機ケイ素化合物(C)を溶解する化合物である場合や両者を併用して有機ケイ素化合物(C)を溶解する混合物である場合には、得られるカチオン硬化性組成物を用いた作業性、成膜性等に優れる。
活性エネルギー線の具体例としては、電子線、紫外線、可視光等が挙げられるが、紫外線が特に好ましい。
本発明の硬化膜の製造方法は、上記本発明のカチオン硬化性組成物を基材の表面に塗布し、得られた被膜を硬化させる工程を備えることを特徴とする。
また、本発明の硬化膜を有する物品の製造方法は、上記本発明のカチオン硬化性組成物を基材の表面に塗布し、得られた被膜を硬化させる工程を備えることを特徴とする。
カチオン硬化性組成物が有機溶剤を含有する場合は、通常、塗膜形成後、有機溶剤を揮発させてから硬化させる。
上記基材は、樹脂を含む基板(通常、平板である)であることが好ましい。この樹脂としては、ポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ABS樹脂、ASA樹脂、AES樹脂、ポリスチレン、スチレン・アクリロニトリル共重合体、スチレン・無水マレイン酸共重合体、(メタ)アクリル酸エステル・スチレン共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアリレート樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、アクリル樹脂;ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンサルファイド、フッ素樹脂、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、フェノキシ樹脂等が挙げられるが、好ましくはポリカーボネート樹脂である。
上記被膜への光照射強度は、目的、用途等に応じて選択すればよく、光カチオン重合開始剤の活性化に有効な光波長領域(光カチオン重合開始剤の種類によって異なるが、通常、300~420nmの波長の光が用いられる。)における光照射強度は、好ましくは0.1~100mW/cm2である。
また、照射エネルギーは、活性エネルギー線の種類や配合組成に応じて適宜設定すべきものであるが、上記被膜への光照射時間も、目的、用途等に応じて選択すればよく、上記光波長領域における光照射強度および光照射時間の積として表される積算光量が10~5,000mJ/cm2となるように設定されることが好ましい。より好ましくは500~3,000mJ/cm2であり、更に好ましくは2,000~3,000mJ/cm2である。従って、積算光量が上記範囲にあれば、組成物の硬化が円滑に進行し、均一な硬化物を容易に得ることができる。
尚、光照射後0.1~数分後には、ほとんどの被膜成分は、カチオン重合により指触乾燥するが、カチオン重合反応を促進するために、加熱を併用してもよい。
硬化温度は、好ましくは80℃~200℃であり、より好ましくは100℃~180℃である。上記範囲内で、温度を一定としてもよいし、昇温させてもよい。更には、昇温と降温とを組み合わせてもよい。硬化時間は、熱カチオン重合開始剤の種類、他の成分の含有割合等により適宜、選択されるが、通常、30~300分であり、好ましくは60~240分である。上記好ましい条件で被膜を硬化させることにより、膨れ、クラック等のない均一な硬化膜を形成することができ、この硬化膜を有する物品を得ることができる。
実施例1-1
攪拌機および温度計を備えた反応器に、メタノール400gと、下記式(4)で表される3-エチル-3-((3-(トリメトキシシリル)プロポキシ)メチル)オキセタン(以下、「TMSOX」という。)55.68g(0.2mol)と、テトラメトキシシラン(以下、「TMOS」という。)30.44g(0.2mol)とを仕込んだ後、1.7質量%水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液53.64g(水3mol、水酸化テトラメチルアンモニウム10mmol)を徐々に加えた。この混合物を、攪拌しながら、温度25℃、pH9で24時間反応させた。その後、10質量%硝酸水溶液を6.61g(10.5mmol)加えて、反応液を中和した。次いで、減圧下で有機溶剤(メタノール)および水を留去して、得られた残渣(反応生成物)をメチルイソブチルケトンに溶解させ、水洗を行うことで塩類や過剰の酸を除去した。その後、減圧下でメチルイソブチルケトン溶液から溶剤(メチルイソブチルケトン)を留去し、無色の半固体の有機ケイ素化合物(C-1)を得た。収量は48.5gであった。
1H NMR分析は、有機ケイ素化合物(C-1)約1gおよび内部標準物質であるヘキサメチルジシロキサン(以下、「HMDSO」という)約100mgを、それぞれ精秤して混合し、HMDSOのプロトンを基準として行った。この1H NMR分析により、ケイ素化合物(A)、即ち、TMSOXに由来する構造単位(Tモノマー単位)の含有量および有機ケイ素化合物(C-1)のアルコキシ基の含有量を求め、これらを基にしてケイ素化合物(B)、即ち、TMOSに由来する構造単位(Qモノマー単位)の含有量を計算した。その結果、得られた有機ケイ素化合物(C-1)は、ケイ素化合物(A)およびケイ素化合物(B)が化学量論的に反応して得られた共重縮合物であることが確認された。
有機ケイ素化合物(C-1)の1H NMRチャートから算出したアルコキシ基(ケイ素原子に結合したメトキシ基)の含有量は、仕込み原料に含まれていたアルコキシ基の全体に対して1.0%に相当する量であった。
また、上記有機ケイ素化合物(C-1)において、無機部分の割合は42%であった。
また、上記有機ケイ素化合物(C-1)を、PGMEAに溶解させて、50質量%の溶液を調製した後、60℃暗所で静置した。一定時間経過後の数平均分子量および粘度は、表2に示すとおりであり、経時変化は、ほとんどなかった。粘度は、東京計器社製E型粘度計「VISCONIC-EMD」(型式名)により測定した。
攪拌機および温度計を備えた反応器に、メタノール56.6gと、TMSOX8.35g(0.03mol)と、TMOS2.28g(0.015mol)とを仕込んだ後、2.5質量%水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液4.1g(水0.225mol、水酸化テトラメチルアンモニウム1.13mmol)を徐々に加えた。この混合物を、攪拌しながら、温度25℃、pH9で、2時間反応させた。その後、10質量%硝酸水溶液を0.72g(1.14mmol)加えて、反応液を中和した。次いで、減圧下で有機溶剤(メタノール)および水を留去して、得られた残渣(反応生成物)を酢酸エチルに溶解させ、水洗を行うことで塩類や過剰の酸を除去した。その後、減圧下で酢酸エチル溶液から溶剤(酢酸エチル)を留去し、無色透明な液体の有機ケイ素化合物(C-2)を得た。収量は7.34gであった。
また、この有機ケイ素化合物(C-2)についても、実施例1-1と同様にした1H NMR分析により、ケイ素化合物(A)およびケイ素化合物(B)が化学量論的に反応して得られた共重縮合物であることが確認された。
有機ケイ素化合物(C-2)の1H NMRチャートから算出したアルコキシ基(ケイ素原子に結合したメトキシ基)の含有量は、仕込み原料に含まれていたアルコキシ基の全体に対して1.5%に相当する量であった。
また、上記有機ケイ素化合物(C-2)において、無機部分の割合は34%であった。
攪拌機および温度計を備えた反応器に、メタノール60gと、TMSOX8.35g(0.03mol)と、テトラプロポキシシラン19.8g(0.075mol)とを仕込んだ後、1.2質量%水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液20.5g(水1.13mol、水酸化テトラメチルアンモニウム2.6mmol)を徐々に加えた。この混合物を、攪拌しながら、温度25℃、pH9で、2時間反応させた。その後、10質量%硝酸水溶液を1.7g(2.7mmol)加えて、反応液を中和した。次いで、減圧下で有機溶剤(メタノールおよびプロパノール)と水を留去して、得られた残渣(反応生成物)をメチルイソブチルケトンに溶解させ、水洗を行うことで塩類や過剰の酸を除去した。その後、減圧下でメチルイソブチルケトン溶液から溶剤(メチルイソブチルケトン)を留去し、無色透明な半固体の有機ケイ素化合物(C-3)を得た。収量は11.4gであった。
また、この有機ケイ素化合物(C-3)についても、実施例1-1と同様にした1H NMR分析により、ケイ素化合物(A)およびケイ素化合物(B)が化学量論的に反応して得られた共重縮合物であることが確認された。
有機ケイ素化合物(C-3)の1H NMRチャートから算出したアルコキシ基(ケイ素原子に結合したメトキシ基)の含有量は、仕込み原料に含まれていたアルコキシ基の全体に対して3.0%に相当する量であった。
また、上記有機ケイ素化合物(C-3)において、無機部分の割合は56%であった。
攪拌機および温度計を備えた反応器に、1-プロパノール41gと、テトラメトキシシラン6.23g(0.04mol)とを仕込んだ後、25質量%水酸化テトラメチルアンモニウムメタノール溶液0.3g(メタノール8mmol、水酸化テトラメチルアンモニウム0.8mmol)を徐々に加えた。この混合物を、攪拌しながら、温度25℃、pH9で1時間反応させた。その後、TMSOX5.52g(0.02mol)を加え、更に水4.07gを加えた。次いで、25質量%水酸化テトラメチルアンモニウムメタノール溶液1.24g(メタノール29mmol、水酸化テトラメチルアンモニウム3.4mmol)を加え、撹拌しながら、温度23℃、pH9で24時間、そして、60℃で4時間反応させた。その後、10質量%硝酸水溶液2.78g(4.4mmol)加え、反応液を中和した。次いで、この反応液を、酢酸エチル160gと水180gの混合液の中に加え抽出を行い、反応生成物を含む酢酸エチル層を回収した。この酢酸エチル層を水洗することで塩類や過剰の酸を除去した。その後、減圧下で酢酸エチル溶液から溶剤(酢酸エチル)を留去し、無色透明な固体の有機ケイ素化合物(C-4)を得た。収量は6.5gであった。
また、この有機ケイ素化合物(C-4)についても、実施例1-1と同様にした1H NMR分析により、ケイ素化合物(A)およびケイ素化合物(B)が化学量論的に反応して得られた共重縮合物であることが確認された。
有機ケイ素化合物(C-4)の1H NMRチャートから算出したアルコキシ基(ケイ素原子に結合したメトキシ基)の含有量は、仕込み原料に含まれていたアルコキシ基の全体に対して1.0%に相当する量であった。
また、上記有機ケイ素化合物(C-4)において、無機部分の割合は53%であった。
攪拌機および温度計を備えた反応器に、メタノール203.41gと、TMSOX27.98g(0.1mol)と、TMOS22.84g(0.15mol)とを仕込んだ後、水酸化テトラメチルアンモニウムの25質量%メタノール溶液6.38g(メタノール0.15mol、水酸化テトラメチルアンモニウム17.5mmol)と、水16.22g(0.9mol)と、メタノール22.6gとからなる混合液を徐々に加えた。この混合物を、撹拌しながら、温度20℃、pH9で2時間反応させた。その後、10質量%硝酸水溶液11.60g(18.4mmol)を加えて中和した。次いで、減圧下で有機溶剤(メタノール)および水を留去して、得られた残渣(反応生成物)をPGMEAに溶解させ、水洗を行うことで塩類や過剰の酸を除去した。その後、減圧下でPGMEA溶液からPGMEA等を留去し、無色の固体の有機ケイ素化合物(C-5)を得た。収量は27.25g(収率91%)であった。
また、この有機ケイ素化合物(C-5)についても、実施例1-1と同様にした1H NMR分析により、ケイ素化合物(A)およびケイ素化合物(B)が化学量論的に反応して得られた共重縮合物であることが確認された。
有機ケイ素化合物(C-5)の1H NMRチャートから算出したアルコキシ基(ケイ素原子に結合したメトキシ基)の含有量は、仕込み原料に含まれていたアルコキシ基の全体に対して3.2%に相当する量であった。
また、上記有機ケイ素化合物(C-5)において、無機部分の割合は47%であった。
また、上記有機ケイ素化合物(C-5)の粘度およびその経時変化を、実施例1-1と同様にして測定し、それぞれ、表1及び表2に示した。
攪拌機および温度計を備えた反応器に、メタノール203.41gと、TMSOX27.98g(0.1mol)と、TMOS22.84g(0.15mol)とを仕込んだ後、水酸化テトラメチルアンモニウムの25質量%メタノール溶液6.38g(メタノール0.15mol、水酸化テトラメチルアンモニウム17.5mmol)と、水16.22g(0.9mol)と、メタノール22.6gとからなる混合液を徐々に加えた。この混合物を、撹拌しながら、温度60℃、pH9で2時間反応させた。その後、10質量%硝酸水溶液11.60g(18.4mmol)を加えて中和した。次いで、減圧下で有機溶剤(メタノール)および水を留去して、得られた残渣(反応生成物)をPGMEAに溶解させ、水洗を行うことで塩類や過剰の酸を除去した。その後、減圧下でPGMEA溶液からPGMEA等を留去し、無色の固体の有機ケイ素化合物(C-6)を得た。収量は27.55(収率92%)であった。
また、この有機ケイ素化合物(C-6)についても、実施例1-1と同様にした1H NMR分析により、ケイ素化合物(A)およびケイ素化合物(B)が化学量論的に反応して得られた共重縮合物であることが確認された。
有機ケイ素化合物(C-6)の1H NMRチャートから算出したアルコキシ基(ケイ素原子に結合したメトキシ基)の含有量は、仕込み原料に含まれていたアルコキシ基の全体に対して3.0%に相当する量であった。
また、上記有機ケイ素化合物(C-6)において、無機部分の割合は47%であった。
攪拌機および温度計を備えた反応器に、メタノール430gと、TMSOX55.68g(0.2mol)と、TMOS30.44g(0.2mol)とを仕込んだ後、0.7質量%塩酸水溶液25.5g(水1.4mol、塩化水素4.8mmol)を徐々に加えた。この混合物を、攪拌しながら、温度25℃、pH5で18時間反応させた。反応液に酸が残存していなかったため、塩基性物質による中和は行わなかった。その後、減圧下で溶剤(メタノール)を留去し、無色透明な液体の有機ケイ素化合物(C-7)を得た。酸が残存していなかったため、反応生成物の水洗浄は行わなかった。収量は60.2gであった。
また、この有機ケイ素化合物(C-7)についても、実施例1-1と同様にした1H NMR分析により、ケイ素化合物(A)およびケイ素化合物(B)が化学量論的に反応して得られた共重縮合物であることが確認された。
有機ケイ素化合物(C-7)の1H NMRチャートから算出したアルコキシ基(ケイ素原子に結合したメトキシ基)の含有量は、仕込み原料に含まれていたアルコキシ基の全体に対して9.0%に相当する量であった。
また、上記有機ケイ素化合物(C-7)において、無機部分の割合は39%であった。
酸触媒である塩化水素の量を10mmolに変えた以外は、比較例1-1と同様にして、有機ケイ素化合物(C-8)を製造した。
また、この有機ケイ素化合物(C-8)についても、実施例1-1と同様にした1H NMR分析により、ケイ素化合物(A)およびケイ素化合物(B)が化学量論的に反応して得られた共重縮合物であることが確認された。
有機ケイ素化合物(C-8)の1H NMRチャートから算出したアルコキシ基(ケイ素原子に結合したメトキシ基)の含有量は、仕込み原料に含まれていたアルコキシ基の全体に対して9.1%に相当する量であった。
また、上記有機ケイ素化合物(C-8)において、無機部分の割合は39%であった。
攪拌機および温度計を備えた反応器に、メタノール60gと、TMSOX8.35g(0.03mol)と、テトラプロポキシシラン23.8g(0.09mol)とを仕込んだ後、1.1質量%水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液24.5g(水1.35mol、水酸化テトラメチルアンモニウム3mmol)を徐々に加えた。この混合物を、攪拌しながら、温度25℃、pH9で2時間反応させた。その後、10質量%硝酸水溶液を1.92g(3.06mmol)加えて、反応液を中和した。次いで、減圧下で有機溶剤(メタノール)と水を留去して、得られた残渣(反応生成物)をメチルイソブチルケトンに溶解させ、水洗を行うことで塩類や過剰の酸を除去した。その後、減圧下でメチルイソブチルケトン溶液から溶剤(メチルイソブチルケトン)を留去したところ、ゲル化してしまい有機ケイ素化合物は得られなかった。
攪拌機および温度計を備えた反応器に、TMSOX133.6g(0.48mol)と、イソプロピルアルコール118.4gとを仕込んだ後、窒素でバブリングし、混合原料の内温を80℃に調整した。その後、この混合原料を、撹拌しながら、25質量%水酸化テトラメチルアンモニウム4.38g(12mmol)および水22.66gを滴下し、温度80℃、pH9で1時間反応させた。次いで、反応液に、25質量%硫酸2.47gを加えて、反応液を中和した。その後、減圧下で有機溶剤(メタノール)と水を留去して、得られた残渣(反応生成物)をメチルイソブチルケトンに溶解させ、水洗を行うことで塩類や過剰の酸を除去した。次いで、減圧下でメチルイソブチルケトン溶液から溶剤(メチルイソブチルケトン)を留去し、無色透明な粘性液体の有機ケイ素化合物(C-10)を得た。収量は101.3gであった。
上記有機ケイ素化合物(C-10)において、無機部分の割合は25%であった。
攪拌機および温度計を備えた反応器に、メタノール56.6gと、TMSOX8.35g(0.03mol)と、TMOS2.28g(0.015mol)とを仕込んだ後、0.7質量%塩酸水溶液25.5g(水1.4mol、塩化水素4.8mmol)を徐々に加えた。この混合物を、攪拌しながら、温度25℃、pH5で18時間反応させた。反応液に酸が残存していなかったため、塩基性物質による中和は行わなかった。その後、減圧下で溶剤(メタノール)を留去し、無色透明な液体の有機ケイ素化合物(C-11)を得た。酸が残存していなかったため、反応生成物の水洗浄は行わなかった。収量は5.44gであった。
また、この有機ケイ素化合物(C-11)についても、実施例1-1と同様にした1H NMR分析により、ケイ素化合物(A)およびケイ素化合物(B)が化学量論的に反応して得られた共重縮合物であることが確認された。
有機ケイ素化合物(C-11)の1H NMRチャートから算出したアルコキシ基(ケイ素原子に結合したメトキシ基)の含有量は、仕込み原料に含まれていたアルコキシ基の全体に対して9.3%に相当する量であった。
また、上記有機ケイ素化合物(C-11)において、無機部分の割合は31%であった。
実施例2-1
有機ケイ素化合物(C-1)90質量部と、(3,4-エポキシシクロヘキシル)メチル-3,4-エポキシシクロヘキシルカルボキシレート10質量部と、光カチオン重合開始剤である(トリクミル)ヨードニウムテトラキス(ペンタフルオロフェニル)ボレート2質量部とを、溶剤であるPGMEA102質量部に溶解させて、50質量%のPGMEA溶液(光カチオン硬化性組成物)を調製した。
バーコーターを用いて、光カチオン硬化性組成物をガラス基板および鋼板に塗布し、約50℃で5分間加熱して溶剤(PGMEA)を揮発させて約15μmの厚さの被膜を形成させた。その後、大気中、下記条件により紫外線照射を行って硬化させ、表面のタックがなくなるまでの照射回数を測定した。
[紫外線照射条件]
ランプ:80W/cm高圧水銀ランプ
ランプ高さ:10cm
コンベアスピード:10m/min
光カチオン硬化性組成物を、ガラス板および鋼板に塗布し、約50℃で5分間加熱して溶剤(PGMEA)を揮発させて約15μmの厚さの被膜を形成させた。その後、上記(1)硬化性試験と同じ条件で紫外線硬化(紫外線照射回数3回)させて硬化膜を得た。
この硬化膜を、温度23℃、湿度60%の恒温室内に24時間静置した後、JIS K5600-5-4に準じて表面の鉛筆硬度を測定した。
光カチオン硬化性組成物を、ガラス板および鋼板に塗布し、約50℃で5分間加熱して溶剤(PGMEA)を揮発させて約15μmの厚さの被膜を形成させた。その後、上記(1)硬化性試験と同じ条件で紫外線硬化(紫外線照射回数3回)させて硬化膜を得た。
この硬化膜を、温度23℃、湿度60%の恒温室内に24時間静置した後、最大荷重1mN/20secでユニバーサル硬度を測定した。
バーコーターを用いて、光カチオン硬化性組成物を、ポリカーボネート板に塗布し、約50℃で5分間加熱して溶剤(PGMEA)を揮発させて約15μmの厚さの被膜を形成させた。その後、上記(1)硬化性試験と同じ条件で紫外線硬化(紫外線照射回数5回)させて硬化膜を得た。
この硬化膜を、温度23℃、湿度60%の恒温室内に24時間静置した後、以下の条件においてテーバー摩耗試験を実施した。
試験条件は、摩耗輪として「CS-10F」を使用し、各250gの荷重をかけ、500回転で摩耗減量を測定した。尚、測定ごとに「ST-11」(砥石)にて摩耗輪のリフェーシングを実施した。
有機ケイ素化合物(C-1)に代えて、有機ケイ素化合物(C-4)を用いた以外は、実施例2-1と同様にして、光カチオン硬化性組成物を調製し、鉛筆硬度試験、ユニバーサル硬度試験及び摩耗減量測定を除く各種評価を行った(表4参照)。尚、テーバー摩耗試験用硬化膜の製造に際しては、紫外線照射回数を15回とした。
有機ケイ素化合物(C-1)に代えて、有機ケイ素化合物(C-3)を用いた以外は、実施例2-1と同様にして、光カチオン硬化性組成物を調製し、鉛筆硬度試験、ユニバーサル硬度試験及び摩耗減量測定を除く各種評価を行った(表4参照)。尚、テーバー摩耗試験用硬化膜の製造に際しては、紫外線照射回数を15回とした。
有機ケイ素化合物(C-1)100質量部と、光カチオン重合開始剤である(トリクミル)ヨードニウムテトラキス(ペンタフルオロフェニル)ボレート2質量部とを、溶剤であるPGMEA102重量部に溶解させて、50質量%のPGMEA溶液(光カチオン硬化性組成物)を調製し、鉛筆硬度試験、ユニバーサル硬度試験及び摩耗減量測定を除く各種評価を行った。(表4参照)。尚、テーバー摩耗試験用硬化膜の製造に際しては、紫外線照射回数を15回とした。
有機ケイ素化合物(C-1)90質量部と、下記式(5)で表されるエポキシ化合物Q-4(Mayaterials社製「Q8シリーズ」のうちの1種、グリシジル基を有するかご状シルセスキオキサン)10質量部と、カチオン重合開始剤である(トリクミル)ヨードニウムテトラキス(ペンタフルオロフェニル)ボレート2質量部とを、溶剤であるPGMEA102重量部に溶解させて、50質量%のPGMEA溶液(光カチオン硬化性組成物)を調製し、鉛筆硬度試験、ユニバーサル硬度試験及び摩耗減量測定を除く各種評価を行った。(表4参照)。尚、テーバー摩耗試験用硬化膜の製造に際しては、紫外線照射回数を15回とした。
有機ケイ素化合物(C-1)に代えて、有機ケイ素化合物(C-4)を用いた以外は、実施例2-5と同様にして、光カチオン硬化性組成物を調製し、鉛筆硬度試験、ユニバーサル硬度試験及び摩耗減量測定を除く各種評価を行った(表4参照)。尚、テーバー摩耗試験用硬化膜の製造に際しては、紫外線照射回数を15回とした。
有機ケイ素化合物(C-1)に代えて、有機ケイ素化合物(C-7)を用いた以外は、実施例2-1と同様にして、光カチオン硬化性組成物を調製し、各種評価を行った(表4参照)。
また、本発明の硬化性組成物は、表面硬度が大きく、耐摩耗性に優れた硬化物を与えることができる。そして、この組成物は、カチオン硬化性を有し、該組成物の硬化物は、ハードコート、各種基材の保護膜、レジスト被膜、各種高分子材料の改質剤、プラスチックの強化剤、各種コーティング材料の改質剤、コーティング材料用原料、低誘電率材料、絶縁膜材料、耐熱性付与材料、液晶用原料、半導体封止材料、光導波路用材料、ハードマスク材料等として有用である。
Claims (16)
- [SiO4/2]で表されるシリケート単位と、[R0SiO3/2]で表されるシルセスキオキサン単位とを含む請求項1に記載のオキセタニル基を有する有機ケイ素化合物。
- 上記一般式(1)におけるXがアルコキシ基、シクロアルコキシ基またはアリールオキシ基である請求項1に記載のオキセタニル基を有する有機ケイ素化合物。
- 請求項1に記載のオキセタニル基を有する有機ケイ素化合物を製造する方法であって、アルカリ性条件下、下記一般式(1)で表されるケイ素化合物(A)と、下記一般式(2)で表されるケイ素化合物(B)とを、上記ケイ素化合物(A)1モルに対して上記ケイ素化合物(B)0.3~2.8モルの割合で加水分解・縮合する工程を備えることを特徴とする、オキセタニル基を有する有機ケイ素化合物の製造方法。
SiY4 (2)
[式中、Yはシロキサン結合生成基である。]
- アルカリ性条件とするための塩基性物質の使用量が、上記ケイ素化合物(A)および上記ケイ素化合物(B)の合計モル数を100モルとした場合に、1~20モルである、請求項5に記載のオキセタニル基を有する有機ケイ素化合物の製造方法。
- 上記塩基性物質が水酸化テトラアルキルアンモニウムである請求項7に記載のオキセタニル基を有する有機ケイ素化合物の製造方法。
- 請求項1に記載のオキセタニル基を有する有機ケイ素化合物と、カチオン重合開始剤とを含有することを特徴とするカチオン硬化性組成物。
- 上記カチオン重合開始剤が光カチオン重合開始剤である請求項9に記載のカチオン硬化性組成物。
- 更に、他のカチオン重合性化合物を含有し、該カチオン重合性化合物が、エポキシ化合物、他のオキセタニル基含有化合物、および、ビニルエーテル化合物から選ばれた少なくとも1種である請求項9または10に記載のカチオン硬化性組成物。
- 請求項9に記載のカチオン硬化性組成物を基材の表面に塗布し、得られた被膜を硬化させる工程を備えることを特徴とする硬化膜の製造方法。
- 請求項11に記載のカチオン硬化性組成物を基材の表面に塗布し、得られた被膜を硬化させる工程を備えることを特徴とする硬化膜の製造方法。
- 請求項9に記載のカチオン硬化性組成物を基材の表面に塗布し、得られた被膜を硬化させる工程を備えることを特徴とする、硬化膜を有する物品の製造方法。
- 上記基材が、ポリカーボネート樹脂を含む基板である請求項14に記載の硬化膜を有する物品の製造方法。
- 請求項14に記載の方法により得られたことを特徴とする、硬化膜を有する物品。
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