JP7637536B2 - Dispersion of surface-treated metal oxide particles and method for producing same - Google Patents
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Description
本発明は、官能基を有する有機珪素化合物で表面処理された金属酸化物粒子の分散液及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a dispersion of metal oxide particles that have been surface-treated with an organosilicon compound having a functional group, and a method for producing the same.
従来、ガラス、プラスチックシート、プラスチックレンズ等の基材表面、表示装置等の鉛筆硬度(硬度)と耐擦傷性(強度)を向上させるために、基材表面にハードコート機能を有する透明被膜を形成させることが知られている。具体的には、透明性を有する有機樹脂膜或いは無機膜をガラスやプラスチック、表示装置基材等の表面に形成させている。この時、被膜中に、シリカ等の粒子を配合することによって、基材との密着性、強度等が向上することが知られている。他にも、被膜中に、酸化チタン、酸化ジルコニウム等の高屈折率粒子を配合することによって、被膜と基材との屈折率差を縮小させて干渉縞が抑制されることや、被膜中に、五酸化アンチモン、錫ドープ酸化インジウム、アンチモンドープ酸化錫等の導電性粒子を配合することによって、帯電防止性能が付与されることが知られている。このような金属酸化物粒子を用いる場合、マトリックス成分への分散性を向上させるために、有機珪素化合物で表面処理することが知られている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, in order to improve the pencil hardness (hardness) and scratch resistance (strength) of the surfaces of substrates such as glass, plastic sheets, and plastic lenses, and display devices, it is known to form a transparent coating having a hard coat function on the surface of the substrate. Specifically, a transparent organic resin film or inorganic film is formed on the surface of glass, plastic, display device substrate, etc. At this time, it is known that the adhesion to the substrate, strength, etc. are improved by blending particles such as silica in the coating. In addition, it is known that the refractive index difference between the coating and the substrate is reduced by blending high refractive index particles such as titanium oxide and zirconium oxide in the coating, thereby suppressing interference fringes, and that antistatic performance is imparted by blending conductive particles such as antimony pentoxide, tin-doped indium oxide, and antimony-doped tin oxide in the coating. When such metal oxide particles are used, it is known that the surface is treated with an organosilicon compound to improve the dispersibility in the matrix component (see, for example, Patent Document 1).
有機珪素化合物で表面処理された金属酸化物粒子には、粒子表面のOH基と有機珪素化合物とが化学結合している層と、両者が物理吸着している層がある。この化学結合層が存在することで樹脂中の粒子同士の凝集を抑制する効果があり、物理吸着層が存在することで樹脂への相溶性が向上することが知られている(例えば、特許文献2、3参照)。 Metal oxide particles that have been surface-treated with an organosilicon compound have a layer in which the OH groups on the particle surface are chemically bonded to the organosilicon compound, and a layer in which the two are physically adsorbed. The presence of this chemically bonded layer has the effect of suppressing the aggregation of particles in the resin, and the presence of the physically adsorbed layer is known to improve compatibility with the resin (see, for example, Patent Documents 2 and 3).
有機珪素化合物で表面処理された金属酸化物粒子を使用した被膜付基材は、高い硬度と強度とを要求される。ところで、金属酸化物粒子に物理吸着している有機珪素化合物がある場合、粒子の樹脂への相溶性向上による硬度及び強度の向上が期待される。ところが、このような表面処理金属酸化物粒子を使用した被膜付基材は、硬度及び強度の向上が不十分である。これは、金属酸化物粒子に対して、物理吸着している有機珪素化合物と、未反応の有機珪素化合物との少なくとも一方が存在していると、金属酸化物粒子と樹脂とが化学結合して三次元的に架橋することを阻害するため、被膜としての緻密性が不十分となるためと思われる。そのため、より精密に表面処理された金属酸化物粒子が要求される。また、この粒子には、分散媒中あるいは樹脂中で分散性が高いことが要求されている。更に、この粒子を使用した被膜付基材には、粒子の凝集が抑制されていて、十分な硬度と強度とを有することが要求されている。 A substrate with a coating using metal oxide particles surface-treated with an organosilicon compound is required to have high hardness and strength. When an organosilicon compound is physically adsorbed on the metal oxide particles, the compatibility of the particles with the resin is improved, and the hardness and strength are expected to be improved. However, a substrate with a coating using such surface-treated metal oxide particles is insufficient in terms of improvement in hardness and strength. This is thought to be because the presence of at least one of the organosilicon compound physically adsorbed on the metal oxide particles and the unreacted organosilicon compound inhibits the metal oxide particles and the resin from chemically bonding to each other to form a three-dimensional crosslink, resulting in insufficient denseness as a coating. Therefore, metal oxide particles with a more precise surface treatment are required. In addition, the particles are required to have high dispersibility in the dispersion medium or resin. Furthermore, the substrate with a coating using these particles is required to have sufficient hardness and strength by suppressing particle aggregation.
このような課題を解決するため、以下のような表面処理金属酸化物粒子の分散液を見出した。この分散液は、金属酸化物粒子100質量部に対して、官能基を有する有機珪素化合物を固形分として3~60質量部含む表面処理金属酸化物粒子を含む。分散液から表面処理金属酸化物粒子を除いた液中の有機珪素化合物は、金属酸化物粒子に対して、固形分として0.20質量部以下である。 To solve these problems, the following dispersion of surface-treated metal oxide particles was discovered. This dispersion contains surface-treated metal oxide particles that contain 3 to 60 parts by mass of an organosilicon compound having a functional group as solid content per 100 parts by mass of metal oxide particles. The organosilicon compound in the liquid excluding the surface-treated metal oxide particles from the dispersion is 0.20 parts by mass or less as solid content per metal oxide particle.
この表面処理金属酸化物粒子の画像解析による一次粒子径の平均(D)は、5~120nmである。また、これと、動的光散乱法による平均粒子径(L)との比(L/D)は、1.0~1.5である。 The average primary particle diameter (D) of these surface-treated metal oxide particles, as determined by image analysis, is 5 to 120 nm. The ratio (L/D) of this to the average particle diameter (L) as determined by dynamic light scattering is 1.0 to 1.5.
この表面処理金属酸化物粒子は、高い分散性を有する。また、マトリックス形成成分との重合点を多く有し、かつ、マトリックス形成成分との重合を阻害する「未反応、及び物理吸着している有機珪素化合物」の量が少ない。このような粒子を含む塗布液によれば、高い硬度と高い強度とを有する被膜付基材が得られる。 These surface-treated metal oxide particles have high dispersibility. They also have many polymerization points with the matrix-forming components, and the amount of "unreacted and physically adsorbed organosilicon compounds" that inhibit polymerization with the matrix-forming components is small. A coating solution containing such particles can be used to obtain a coated substrate with high hardness and strength.
この表面処理金属酸化物粒子を得るために、以下のような製造方法を見出した。 To obtain these surface-treated metal oxide particles, we discovered the following manufacturing method.
まず、金属酸化物粒子を含む分散液を準備して、これに、下記式(1)で表される有機珪素化合物を加えて、金属酸化物粒子を表面処理する(第一工程)。次に、この表面処理後の金属酸化物粒子の分散液から、有機珪素化合物を除去する(第二工程)。 First, a dispersion liquid containing metal oxide particles is prepared, and an organosilicon compound represented by the following formula (1) is added to the dispersion liquid to surface-treat the metal oxide particles (first step). Next, the organosilicon compound is removed from the dispersion liquid of the metal oxide particles after the surface treatment (second step).
Rn-SiX4-n ・・・式(1)
(式中、Rは炭素数1~10の非置換又は置換炭化水素基で、互いに同一であっても異なっていてもよい。置換基としては、例えば、アルキル基、ビニル基、エポキシ基、アルコキシ基、(メタ)アクリロキシ基、メルカプト基、グリシドキシ基、ハロゲン原子、アミノ基、フェニル基、フェニルアミノ基が挙げられる。Xは炭素数1~4のアルコキシ基、水酸基、ハロゲン原子、水素原子であり、nは0~4の整数を示す。)
R n -SiX 4-n ...Formula (1)
(In the formula, R represents an unsubstituted or substituted hydrocarbon group having 1 to 10 carbon atoms, and may be the same or different. Examples of the substituent include an alkyl group, a vinyl group, an epoxy group, an alkoxy group, a (meth)acryloxy group, a mercapto group, a glycidoxy group, a halogen atom, an amino group, a phenyl group, and a phenylamino group. X represents an alkoxy group having 1 to 4 carbon atoms, a hydroxyl group, a halogen atom, or a hydrogen atom, and n represents an integer of 0 to 4.)
前記第二工程で得られた分散液中の表面処理金属酸化物粒子の性状は、前述の表面処理金属酸化物粒子の分散液の性状に準じる。 The properties of the surface-treated metal oxide particles in the dispersion obtained in the second step are similar to those of the dispersion of surface-treated metal oxide particles described above.
本発明の表面処理金属酸化物粒子の分散液によれば、基材との密着性に優れ、高い硬度と強度とを有する被膜を作製可能な塗布液が得られる。 The dispersion of surface-treated metal oxide particles of the present invention provides a coating solution that has excellent adhesion to the substrate and can produce a coating film with high hardness and strength.
[表面処理金属酸化物粒子の分散液]
本発明に係る表面処理金属酸化物粒子(以下、これを単に「粒子」ということがある)の分散液(以下、これを単に「分散液」ということがある)について説明する。
[Dispersion of surface-treated metal oxide particles]
The dispersion (hereinafter, sometimes simply referred to as "dispersion") of surface-treated metal oxide particles (hereinafter, sometimes simply referred to as "particles") according to the present invention will be described below.
分散液中の粒子は、金属酸化物粒子100質量部に対して、官能基を有する有機珪素化合物を固形分として3~60質量部含む。また、分散液から粒子を除いた液中の有機珪素化合物の量は、金属酸化物粒子100質量部に対して、固形分として0.20質量部以下である。 The particles in the dispersion contain 3 to 60 parts by mass of an organosilicon compound having a functional group as solid content per 100 parts by mass of metal oxide particles. In addition, the amount of the organosilicon compound in the liquid excluding the particles from the dispersion is 0.20 parts by mass or less as solid content per 100 parts by mass of metal oxide particles.
この粒子の画像解析による一次粒子径の平均(D)は、5~120nmである。また、これと、粒子の動的光散乱法による平均粒子径(L)との比(L/D)は、1.0~1.5である。 The average primary particle size (D) of these particles as determined by image analysis is 5 to 120 nm. The ratio (L/D) of this to the average particle size (L) of the particles as determined by dynamic light scattering is 1.0 to 1.5.
粒子は、表面処理剤(式(1)で表される有機珪素化合物)に由来する官能基を含んでいる。その官能基は、ビニル基、エポキシ基、アルコキシ基、(メタ)アクリロキシ基、メルカプト基、グリシドキシ基、ハロゲン基、アミノ基、フェニル基及びフェニルアミノ基から選ばれる少なくとも一種であることが好ましい。これらの中でも、ビニル基、エポキシ基、アルコキシ基、(メタ)アクリロキシ基、アミノ基、メルカプト基が高い重合能を有する点で、より好ましい。 The particles contain a functional group derived from a surface treatment agent (an organosilicon compound represented by formula (1)). The functional group is preferably at least one selected from a vinyl group, an epoxy group, an alkoxy group, a (meth)acryloxy group, a mercapto group, a glycidoxy group, a halogen group, an amino group, a phenyl group, and a phenylamino group. Among these, the vinyl group, the epoxy group, the alkoxy group, the (meth)acryloxy group, the amino group, and the mercapto group are more preferred in that they have high polymerization ability.
金属酸化物粒子に対する有機珪素化合物の固形分は、熱重量測定から算出できる。500℃の加熱により、金属酸化物粒子、及び、有機珪素化合物由来の珪素分は残存する。そこで、遠心分離により、表面処理金属酸化物粒子のみを取り出して、これを500℃で加熱して、その加熱前後の質量減少量を測定し、金属酸化物粒子量との差から、有機珪素化合物由来の珪素分量を求める。次に、これを、表面処理に使用される有機珪素化合物の構造から、有機珪素化合物由来の固形分(Rn-SiO(4-n)/2)量に換算することで、有機珪素化合物の固形分量を算出できる。 The solid content of the organosilicon compound relative to the metal oxide particles can be calculated by thermogravimetry. By heating at 500°C, the metal oxide particles and the silicon content derived from the organosilicon compound remain. Therefore, only the surface-treated metal oxide particles are taken out by centrifugation and heated at 500°C, and the mass loss before and after the heating is measured, and the silicon content derived from the organosilicon compound is calculated from the difference with the amount of the metal oxide particles. Next, this is converted into the amount of solid content (R n -SiO (4-n)/2 ) derived from the organosilicon compound from the structure of the organosilicon compound used for the surface treatment, so that the solid content of the organosilicon compound can be calculated.
粒子が、金属酸化物粒子100質量部に対して、有機珪素化合物を固形分として3~60質量部含んでいると、粒子は凝集や沈降せずに分散液中に存在できる。また、塗布液中や被膜中でも分散性が良く、この粒子を使用すると、高い硬度及び強度を持つ被膜を得ることができる。 When the particles contain 3 to 60 parts by mass of an organosilicon compound as solid content per 100 parts by mass of metal oxide particles, the particles can exist in the dispersion liquid without agglomerating or settling. In addition, they have good dispersibility in the coating liquid and in the film, and using these particles makes it possible to obtain a coating with high hardness and strength.
ここで、有機珪素化合物の量が3質量部よりも少ないと、十分な分散性や安定性が得られず、この粒子を被膜に使用した場合、十分な硬度及び強度を持つ被膜が得られないおそれがある。逆に、60質量部を超えても更に分散性や安定性が向上することもなく、被膜の硬度及び強度についても向上することもない。この有機珪素化合物の量は、好ましくは3~45質量部、より好ましくは3~30質量部である。 Here, if the amount of the organosilicon compound is less than 3 parts by mass, sufficient dispersibility and stability cannot be obtained, and when the particles are used in a coating, there is a risk that a coating with sufficient hardness and strength cannot be obtained. Conversely, if the amount exceeds 60 parts by mass, there is no further improvement in dispersibility or stability, and there is no improvement in the hardness and strength of the coating. The amount of this organosilicon compound is preferably 3 to 45 parts by mass, and more preferably 3 to 30 parts by mass.
分散液から粒子を除いた液中の有機珪素化合物の量は、GC-MS測定から算出できる。遠心操作により、粒子は沈降するのに対し、金属酸化物粒子と反応していない未反応の有機珪素化合物は上清側に抽出される。この上清液についてGC-MS測定を行うことで、分散液から粒子を除いた液中の有機珪素化合物を算出できる。 The amount of organosilicon compounds in the dispersion liquid after removing the particles can be calculated from GC-MS measurements. The particles settle during centrifugation, while unreacted organosilicon compounds that have not reacted with the metal oxide particles are extracted into the supernatant. By performing GC-MS measurements on this supernatant, the amount of organosilicon compounds in the dispersion liquid after removing the particles can be calculated.
分散液から粒子を除いた液中の有機珪素化合物の量が、金属酸化物粒子100質量部に対して、固形分として0.20質量部以下であることは、未反応の有機珪素化合物及び物理吸着している有機珪素化合物が少ないことを表している。ここで、このような有機珪素化合物の量が0.20質量部を超えて存在していると、この粒子を被膜に使用した場合、十分な硬度及び強度を持つ被膜が得られないおそれがある。これは、未反応の有機珪素化合物や物理吸着している有機珪素化合物が存在すると、被膜形成時のマトリックス形成成分の重合度が低下し、緻密な膜が得られないためである。この有機珪素化合物の量は、好ましくは0.10質量部以下、より好ましくは0.08質量部以下、更に好ましくは0.05質量部以下であり、特に好ましくは実質的に0質量部である。ここで、「実質的に0質量部」とは、有機珪素化合物が測定機器の検出限界未満であることを意味する。 The amount of organosilicon compound in the liquid excluding the particles from the dispersion is 0.20 parts by mass or less as solid content relative to 100 parts by mass of metal oxide particles, which indicates that there is little unreacted organosilicon compound and physically adsorbed organosilicon compound. Here, if the amount of such organosilicon compound is more than 0.20 parts by mass, when this particle is used for a coating, there is a risk that a coating having sufficient hardness and strength will not be obtained. This is because the presence of unreacted organosilicon compound or physically adsorbed organosilicon compound reduces the degree of polymerization of the matrix forming component during coating formation, and a dense film cannot be obtained. The amount of this organosilicon compound is preferably 0.10 parts by mass or less, more preferably 0.08 parts by mass or less, even more preferably 0.05 parts by mass or less, and particularly preferably substantially 0 parts by mass. Here, "substantially 0 parts by mass" means that the organosilicon compound is below the detection limit of the measuring instrument.
このように、本発明の粒子は、金属酸化物粒子表面のOH基と化学結合している「官能基を有する有機珪素化合物」を必要量有し、「未反応、及び物理吸着している有機珪素化合物」の含有量を抑制されていること、すなわち、「精密な表面処理」が成されていることが特徴の一つである。 As such, one of the features of the particles of the present invention is that they have a necessary amount of "organosilicon compounds having functional groups" that are chemically bonded to the OH groups on the surface of the metal oxide particles, and the content of "unreacted and physically adsorbed organosilicon compounds" is suppressed, i.e., they have undergone "precise surface treatment."
粒子の画像解析による一次粒子径の平均(D)は、5~120nmである。一次粒子径の平均(D)が、この範囲にあると、分散液中で粒子が凝集したり沈降したりせずに存在できる。また、塗布液中や被膜中でも分散性が良く、高い透明性と硬度及び強度を持つ被膜が得られる。 The average primary particle diameter (D) determined by particle image analysis is 5 to 120 nm. When the average primary particle diameter (D) is within this range, the particles can exist in the dispersion liquid without agglomerating or settling. They also have good dispersibility in the coating liquid and in the film, and a film with high transparency, hardness, and strength can be obtained.
ここで、一次粒子径の平均(D)が5nm未満の粒子は、得ること自体が困難である。逆に、120nmを超えると、透明な被膜が得られないおそれがある。この平均(D)は、好ましくは5~100nm、より好ましくは7~80nm、更に好ましくは7~50nmである。 Here, it is difficult to obtain particles with an average primary particle diameter (D) of less than 5 nm. Conversely, if it exceeds 120 nm, a transparent coating may not be obtained. This average (D) is preferably 5 to 100 nm, more preferably 7 to 80 nm, and even more preferably 7 to 50 nm.
粒子の動的光散乱法による平均粒子径(L)と、一次粒子径の平均(D)との比(L/D)は、1.0~1.5である。比(L/D)がこの範囲にあることは、凝集粒子の割合が少なく、単分散状態であることを表している。そのため、分散媒中あるいはマトリックス形成成分中で粒子の分散性が高い。また、被膜付基材にした場合、高い硬度、強度、及び透明性が得られる。 The ratio (L/D) of the average particle size (L) measured by dynamic light scattering to the average primary particle size (D) of the particles is 1.0 to 1.5. A ratio (L/D) in this range indicates that the proportion of aggregated particles is low and the particles are in a monodispersed state. Therefore, the particles are highly dispersible in the dispersion medium or matrix-forming components. In addition, when used as a coated substrate, high hardness, strength, and transparency are obtained.
ここで、比(L/D)が1.5を超えると、十分な被膜の硬度、強度、及び透明性が得られないおそれがある。 Here, if the ratio (L/D) exceeds 1.5, there is a risk that sufficient hardness, strength, and transparency of the coating will not be obtained.
比(L/D)は、好ましくは1.0~1.4、より好ましくは1.0~1.3である。 The ratio (L/D) is preferably 1.0 to 1.4, and more preferably 1.0 to 1.3.
金属酸化物粒子は、Si、Al、Sn、Sb、Ti、Zr、Zn、W、Fe、In、Baから選ばれる元素を少なくとも1種含むことが好ましい。これらの酸化物は、単独でも、混合物でも、複合酸化物でも構わない。ただし、金属酸化物粒子中の含有量は、好ましくは90質量%以上、より好ましくは95質量%以上、更に好ましくは98質量%以上、特に好ましくは100質量%である。 The metal oxide particles preferably contain at least one element selected from Si, Al, Sn, Sb, Ti, Zr, Zn, W, Fe, In, and Ba. These oxides may be used alone, in the form of a mixture, or in the form of a composite oxide. However, the content of these elements in the metal oxide particles is preferably 90% by mass or more, more preferably 95% by mass or more, even more preferably 98% by mass or more, and particularly preferably 100% by mass.
パルスNMRとは、静磁場内で熱平衡状態にある磁化をパルス状の数十MHzのラジオ波を照射して励起させ、励起された磁化が時間の経過とともに元の熱平衡状態に戻る現象を観測する測定方法である。ここで、粒子表面に接触又は吸着している液体分子と、粒子表面と接触していない自由な状態の液体分子とでは、磁場の変化に対する応答が異なる。 Pulsed NMR is a measurement method in which magnetization in a thermal equilibrium state in a static magnetic field is excited by irradiating it with pulsed radio waves of several tens of MHz, and the phenomenon in which the excited magnetization returns to its original thermal equilibrium state over time is observed. Here, the response to changes in the magnetic field is different between liquid molecules in contact with or adsorbed to the particle surface and liquid molecules in a free state that are not in contact with the particle surface.
一般に、粒子表面に吸着している液体分子の運動は制限を受けるが、粒子表面に吸着していない液体分子は自由に動くことができる。その結果、粒子表面に吸着している液体分子の緩和時間は、それ以外の液体分子の緩和時間よりも短くなる。粒子を分散させた液体で観測される緩和時間は、粒子表面上の液体体積濃度と自由状態の液体体積濃度とを反映した二つの緩和時間の平均値となる。 In general, the movement of liquid molecules adsorbed to particle surfaces is restricted, while liquid molecules not adsorbed to particle surfaces can move freely. As a result, the relaxation time of liquid molecules adsorbed to particle surfaces is shorter than the relaxation time of other liquid molecules. The relaxation time observed in a liquid with dispersed particles is the average value of two relaxation times reflecting the liquid volume concentration on the particle surfaces and the liquid volume concentration in the free state.
有機珪素化合物によって表面処理された金属酸化物粒子の分散液中には、金属酸化物粒子と化学結合した有機珪素化合物以外に、金属酸化物粒子と化学結合しなかった未反応の有機珪素化合物、及び物理吸着しているだけの有機珪素化合物が存在することがある。これらの有機珪素化合物は、金属酸化物粒子に比べ非常に小さい分子量であるため、非常に大きな比表面積を有する。また、分散液中の粒子に対して、これら未反応、及び物理吸着しているだけの有機珪素化合物に吸着している液体分子は運動を制限されるため、分散液中に未反応、及び物理吸着しているだけの有機珪素化合物が存在する場合、測定される緩和時間は短くなる、すなわち、緩和時間から算出される比表面積は大きい値となる。 In a dispersion of metal oxide particles that have been surface-treated with an organosilicon compound, in addition to the organosilicon compounds that are chemically bonded to the metal oxide particles, there may be unreacted organosilicon compounds that are not chemically bonded to the metal oxide particles, and organosilicon compounds that are only physically adsorbed. These organosilicon compounds have a very small molecular weight compared to the metal oxide particles, and therefore have a very large specific surface area. In addition, the movement of liquid molecules adsorbed to these unreacted and only physically adsorbed organosilicon compounds relative to the particles in the dispersion is restricted, so when unreacted and only physically adsorbed organosilicon compounds are present in the dispersion, the measured relaxation time will be short, i.e., the specific surface area calculated from the relaxation time will be a large value.
ところで、パルスNMR測定から求められる分散液中の粒子の比表面積(A1)は、分散媒に濡れている部分の粒子の比表面積を示す。有機珪素化合物によって表面処理された金属酸化物粒子は、有機珪素化合物と粒子表面のOH基の反応により粒子表面のOH基が少なくなっているため、親水性の分散媒に濡れている部分の粒子の比表面積は小さい値となる。これに対して、未反応の有機珪素化合物や、有機珪素化合物が物理吸着しているだけの金属酸化物粒子は、OH基が残存していることから、これらが分散液中に存在した場合、親水性の分散媒へ濡れている部分の比表面積は大きな値となる。このことから、この比表面積(A1)は、金属酸化物粒子への有機珪素化合物の表面処理(化学結合)の度合や、分散液中の未反応有機珪素化合物及び物理吸着しているだけの有機珪素化合物の量によっても値が変化する。なお、比表面積(A1)は、測定時の分散媒の種類によっても値が変化する。 The specific surface area (A1) of particles in a dispersion liquid determined by pulse NMR measurement indicates the specific surface area of the particles in the part wetted with the dispersion medium. Metal oxide particles surface-treated with an organosilicon compound have fewer OH groups on the particle surface due to the reaction between the organosilicon compound and the OH groups on the particle surface, so the specific surface area of the particles in the part wetted with the hydrophilic dispersion medium is small. In contrast, unreacted organosilicon compounds and metal oxide particles with only physically adsorbed organosilicon compounds still have OH groups, so when these are present in the dispersion liquid, the specific surface area of the part wetted with the hydrophilic dispersion medium is large. For this reason, the value of this specific surface area (A1) also changes depending on the degree of surface treatment (chemical bonding) of the organosilicon compound on the metal oxide particles and the amount of unreacted organosilicon compounds and only physically adsorbed organosilicon compounds in the dispersion liquid. The value of the specific surface area (A1) also changes depending on the type of dispersion medium used during measurement.
一方、金属酸化物粒子の一次粒子径の平均(F)から求められる比表面積(A2)は、BET法による比表面積とおおよそ一致する。したがって、「表面処理された金属酸化物粒子」の比表面積(A1)と、「表面処理されていない金属酸化物粒子」の比表面積(A2)との比(A1/A2)は、粒子表面の疎水化度や、分散液中の未反応有機珪素化合物及び物理吸着しているだけの有機珪素化合物の量の多少の指標となる。ここで、表面処理金属酸化物粒子のメタノール分散液のパルスNMR測定から得られる比表面積(A1)と、金属酸化物粒子の一次粒子径の平均(F)から求められる比表面積(A2)との比(A1/A2)は、0.80以下であることが好ましい。比(A1/A2)がこの範囲にあることは、粒子表面が十分に疎水化されていること、かつ分散液中の未反応の有機珪素化合物及び物理吸着しているだけの有機珪素化合物が少ないことを表している。このような粒子を使用すると、塗布液中や被膜中でも分散性が良く、高い透明性と硬度及び強度を持つ被膜が得られる。 On the other hand, the specific surface area (A2) calculated from the average primary particle diameter (F) of the metal oxide particles is roughly equal to the specific surface area by the BET method. Therefore, the ratio (A1/A2) of the specific surface area (A1) of the "surface-treated metal oxide particles" to the specific surface area (A2) of the "non-surface-treated metal oxide particles" is an index of the degree of hydrophobicity of the particle surface and the amount of unreacted organosilicon compounds and organosilicon compounds that are merely physically adsorbed in the dispersion. Here, the ratio (A1/A2) of the specific surface area (A1) obtained from the pulse NMR measurement of the methanol dispersion of the surface-treated metal oxide particles to the specific surface area (A2) calculated from the average primary particle diameter (F) of the metal oxide particles is preferably 0.80 or less. The ratio (A1/A2) being in this range indicates that the particle surface is sufficiently hydrophobic and that the amount of unreacted organosilicon compounds and organosilicon compounds that are merely physically adsorbed in the dispersion is small. The use of such particles results in good dispersibility in the coating solution and film, resulting in a film with high transparency, hardness, and strength.
ここで、比(A1/A2)が0.80を超えると、粒子表面の疎水化が不十分であるおそれや、分散液中に未反応の有機珪素化合物及び物理吸着しているだけの有機珪素化合物が多く存在しているおそれがある。比(A1/A2)の下限は、特に設定されないが、粒子径を考慮すると、例えば0.30である。比(A1/A2)は、より好ましくは0.70以下、更に好ましくは0.65以下である。 Here, if the ratio (A1/A2) exceeds 0.80, there is a risk that the hydrophobization of the particle surface is insufficient, or that a large amount of unreacted organosilicon compound and organosilicon compound that is merely physically adsorbed is present in the dispersion liquid. There is no particular lower limit for the ratio (A1/A2), but taking into account the particle size, it is, for example, 0.30. The ratio (A1/A2) is more preferably 0.70 or less, and even more preferably 0.65 or less.
粒子の比表面積(A1)については、下記式(2)で求められる金属酸化物粒子の体積濃度(Ψp)を用いて、式(3)により得られる。 The specific surface area (A1) of the particles is calculated by the following formula (3) using the volume concentration (Ψp) of the metal oxide particles calculated by the following formula (2):
Ψp=(Sc/Sd)/[(1-Sc)/Td] ・・・式(2)
(ただし、式中、Scは分散液の金属酸化物粒子の固形分濃度(質量%)、Sdは金属酸化物粒子の構成成分の密度(g/cm3)、及びTdは25℃における分散媒の密度(g/cm3)を示す。)
Ψp=(Sc/Sd)/[(1-Sc)/Td]...Formula (2)
(In the formula, Sc represents the solid concentration (mass %) of the metal oxide particles in the dispersion, Sd represents the density (g/cm 3 ) of the components of the metal oxide particles, and Td represents the density (g/cm 3 ) of the dispersion medium at 25° C.)
ここで、固形分濃度とは、対象の物質(ここでは、金属酸化物粒子)を分散液中の固形分として換算した濃度である(以下同様)。なお、Sdは、例えば、金属酸化物粒子の構成成分がシリカの場合は2.2、アルミナの場合は3.9、酸化スズの場合は6.9、酸化アンチモンの場合は5.2、チタニア(アナターゼ)の場合は3.9、チタニア(ルチル)の場合は4.3、ジルコニアの場合は6.0、酸化亜鉛の場合は5.6、酸化タングステンの場合は7.2、酸化鉄(III)の場合は5.2、酸化インジウムの場合は7.2、酸化バリウムの場合は5.7を用いる。なお、金属酸化物粒子が、複合酸化物粒子や、酸化物が混合している粒子、酸化物粒子の混合物といった場合は、Sdは、その酸化物の割合に応じて求めることができる。また、Tdは、例えば、分散媒がメタノールの場合は0.79を用いる。もし、他の種類の分散媒あるいは分散媒の混合物を使用する場合は、それに応じた密度を用いる。 Here, the solid content concentration is the concentration of the target substance (here, metal oxide particles) converted into the solid content in the dispersion liquid (same below). For example, Sd is 2.2 when the constituent component of the metal oxide particles is silica, 3.9 when it is alumina, 6.9 when it is tin oxide, 5.2 when it is antimony oxide, 3.9 when it is titania (anatase), 4.3 when it is titania (rutile), 6.0 when it is zirconia, 5.6 when it is zinc oxide, 7.2 when it is tungsten oxide, 5.2 when it is iron (III) oxide, 7.2 when it is indium oxide, and 5.7 when it is barium oxide. If the metal oxide particles are composite oxide particles, particles containing mixed oxides, or mixtures of oxide particles, Sd can be calculated according to the ratio of the oxides. For example, Td is 0.79 when the dispersion medium is methanol. If another type of dispersion medium or a mixture of dispersion mediums is used, the density corresponding to it is used.
A1={[(Ra/Rb)-1]×Rb}/(Ka×Ψp) ・・・式(3)
(ただし、式中、A1は粒子の比表面積(m2/g)、Raは分散液の測定におけるパルスNMRの緩和時間の逆数、及びRbは分散媒の測定におけるパルスNMRの緩和時間の逆数、Kaは使用する分散媒と金属酸化物粒子による係数を示す。)
A1={[(Ra/Rb)-1]×Rb}/(Ka×Ψp) ...Formula (3)
(In the formula, A1 is the specific surface area ( m2 /g) of the particles, Ra is the inverse of the pulse NMR relaxation time in the measurement of the dispersion liquid, Rb is the inverse of the pulse NMR relaxation time in the measurement of the dispersion medium, and Ka is a coefficient depending on the dispersion medium and metal oxide particles used.)
係数Kaは、金属酸化物粒子の一次粒子径の平均(F)から得られる比表面積(A2)と、金属酸化物粒子の分散液のパルスNMR測定により得られる比表面積(A3)とが同じ値になるものとして算出される。 The coefficient Ka is calculated assuming that the specific surface area (A2) obtained from the average primary particle diameter (F) of the metal oxide particles is the same as the specific surface area (A3) obtained by pulsed NMR measurement of the metal oxide particle dispersion.
金属酸化物粒子の比表面積(A2)については、金属酸化物粒子の一次粒子径の平均(F)を用いて、下記式(4)により比表面積(A2)を求めることができる。 The specific surface area (A2) of the metal oxide particles can be calculated using the average primary particle diameter (F) of the metal oxide particles according to the following formula (4).
A2=6000/Sd/F ・・・式(4)
(式中、Sdは、金属酸化物粒子の密度(g/cm3)を示す。)
A2=6000/Sd/F...Formula (4)
(In the formula, Sd represents the density (g/cm 3 ) of the metal oxide particles.)
金属酸化物粒子の比表面積(A3)については、式(2)で求められる金属酸化物粒子の体積濃度(Ψp)を用いて、式(5)により得られる。 The specific surface area (A3) of the metal oxide particles is calculated using the volume concentration (Ψp) of the metal oxide particles calculated using formula (2) according to formula (5).
A3={[(Rc/Rd)-1]×Rd}/(Ka×Ψp) ・・・式(5)
(ただし、式中、A3は金属酸化物粒子の比表面積(m2/g)、Rcは金属酸化物粒子の分散液の測定におけるパルスNMRの緩和時間の逆数、及びRdは分散媒の測定におけるパルスNMRの緩和時間の逆数、Kaは使用する分散媒と金属酸化物粒子による係数を示す。)
A3={[(Rc/Rd)-1]×Rd}/(Ka×Ψp) ...Formula (5)
(In the formula, A3 is the specific surface area ( m2 /g) of the metal oxide particles, Rc is the reciprocal of the pulse NMR relaxation time in the measurement of the metal oxide particle dispersion, Rd is the reciprocal of the pulse NMR relaxation time in the measurement of the dispersion medium, and Ka is a coefficient depending on the dispersion medium and metal oxide particles used.)
ここで、係数Kaは、比表面積(A2)と比表面積(A3)とが同じ値になるように設定されるので、式(4)及び式(5)より、
Ka={[(Rc/Rd)-1]×Rd}/(Ψp×A2) ・・・式(6)
として求めることができる。
Here, the coefficient Ka is set so that the specific surface area (A2) and the specific surface area (A3) have the same value. Therefore, from the formulas (4) and (5),
Ka={[(Rc/Rd)-1]×Rd}/(Ψp×A2) ...Formula (6)
It can be calculated as:
分散液の分散媒及び濃度は、液中で粒子が凝集や沈殿を生じることなく安定して分散していれば特に限定されない。 There are no particular limitations on the dispersion medium and concentration of the dispersion liquid, so long as the particles are stably dispersed in the liquid without aggregation or precipitation.
分散媒としては、例えば、アルコール類、エステル類、グリコール類、エーテル類、ケトン類等が挙げられる。これらは単独で使用してもよく、2種以上を混合して使用してもよい。 Examples of dispersion media include alcohols, esters, glycols, ethers, ketones, etc. These may be used alone or in combination of two or more.
分散液の濃度は、金属酸化物としての固形分濃度が0.1~50質量%であることが好ましい。ここで、濃度が0.1質量%未満だと、塗布液の製造に際して加工に時間がかかるおそれがある。逆に、50質量%を超えると、分散液の安定性が低下したりするおそれがある。分散液の濃度は、より好ましくは5~45質量%、更に好ましくは10~40質量%である。 The concentration of the dispersion liquid is preferably 0.1 to 50% by mass in terms of solid concentration as metal oxide. Here, if the concentration is less than 0.1% by mass, the processing time required for manufacturing the coating liquid may be long. Conversely, if the concentration exceeds 50% by mass, the stability of the dispersion liquid may decrease. The concentration of the dispersion liquid is more preferably 5 to 45% by mass, and even more preferably 10 to 40% by mass.
粒子の不純分であるアルカリ金属及びアルカリ土類金属に属する元素の各々の含有量は、当該元素を酸化物で表した時、粒子に対して、500ppm以下が好ましい。これにより、粒子の合着が少なくなるため、分散液や塗布液の安定性が高い。また、粒子が塗布液中や被膜中で均一に分散され、高い硬度と強度とを有する被膜が得られる。 The content of each of the elements belonging to the alkali metals and alkaline earth metals, which are impurities of the particles, when expressed as oxide, is preferably 500 ppm or less relative to the particles. This reduces particle adhesion, resulting in high stability of the dispersion and coating liquid. In addition, the particles are uniformly dispersed in the coating liquid and coating, resulting in a coating with high hardness and strength.
ここで、各々の含有量が500ppmよりも多いと、粒子同士が固着する割合が増え、十分な分散液や塗布液の安定性が得られなかったり、十分な被膜の硬度及び強度が得られなかったりするおそれがある。含有量は、より好ましくは100ppm以下である。なお、アルカリ金属とは、Li、Na、K、Rb、Cs、Frを、アルカリ土類金属とは、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Raを表す。 If the content of each exceeds 500 ppm, the proportion of particles adhering to each other increases, and there is a risk that sufficient stability of the dispersion or coating liquid may not be obtained, or sufficient hardness and strength of the coating may not be obtained. The content is more preferably 100 ppm or less. Note that alkali metals refer to Li, Na, K, Rb, Cs, and Fr, and alkaline earth metals refer to Be, Mg, Ca, Sr, Ba, and Ra.
なお、粒子の形状は、特に限定されない。例えば、球状、楕球体(ラグビーボール)状、繭状、金平糖状、鎖状、サイコロ状などが挙げられる。中でも、球状粒子は、分散性が高く、被膜中で均一に分散できるため好ましい。 The shape of the particles is not particularly limited. Examples include spherical, ellipsoidal (rugby ball), cocoon, confetti, chain, and dice shapes. Among these, spherical particles are preferred because they have high dispersibility and can be uniformly dispersed in the coating.
[表面処理金属酸化物粒子の分散液の製造方法]
本発明に係る表面処理金属酸化物粒子の分散液の製造方法は、金属酸化物粒子を式(1)で表される有機珪素化合物で表面処理する第一工程と、この第一工程で得られた表面処理された金属酸化物粒子の分散液から、有機珪素化合物を除去する第二工程とを順に含む。これによって、分散性が高い表面処理金属酸化物粒子の分散液が得られる。
[Method for producing a dispersion of surface-treated metal oxide particles]
The method for producing a dispersion of surface-treated metal oxide particles according to the present invention includes a first step of surface-treating metal oxide particles with an organosilicon compound represented by formula (1) and a second step of removing the organosilicon compound from the dispersion of surface-treated metal oxide particles obtained in the first step, thereby obtaining a dispersion of surface-treated metal oxide particles with high dispersibility.
このようにして製造された表面処理金属酸化物粒子は、凝集が抑制されていて、被膜に使用された場合、十分な硬度と強度とを有する。以下に、各工程について述べる。 The surface-treated metal oxide particles produced in this way have reduced aggregation and have sufficient hardness and strength when used in a coating. Each process is described below.
[第一工程]
本工程で出発物質として準備する金属酸化物粒子は、Si、Al、Sn、Sb、Ti、Zr、Zn、W、Fe、In、Baから選ばれる元素を少なくとも1種含む酸化物が好ましい。これらの酸化物は、単独でも、混合物でも、複合酸化物でも構わない。ただし、粒子中の含有量は、好ましくは90質量%以上、より好ましくは95質量%以上、更に好ましくは98質量%以上、特に好ましくは100質量%である。
[First step]
The metal oxide particles prepared as the starting material in this step are preferably oxides containing at least one element selected from Si, Al, Sn, Sb, Ti, Zr, Zn, W, Fe, In, and Ba. These oxides may be used alone, in mixtures, or in composite oxides. However, the content in the particles is preferably 90% by mass or more, more preferably 95% by mass or more, even more preferably 98% by mass or more, and particularly preferably 100% by mass.
表面処理は、まず、金属酸化物粒子の分散液を準備する。分散媒としては、水や、メタノール、エタノールといったアルコール類を使用することが好ましい。これに、所定量の式(1)で表される有機珪素化合物を加えて、有機珪素化合物を加水分解して行う。この加水分解には、必要に応じて水を添加することも可能である。添加する水のモル数(Mw)と有機珪素化合物のモル数(Mo)との比(Mw/Mo)は、1以上であることが好ましい。ここで、比(Mw/Mo)が1未満の場合は、加水分解が不十分となり、被膜の硬度や強度、透明性、及びヘイズ等が不十分となるおそれがある。比(Mw/Mo)の上限は特に設定されないが、比(Mw/Mo)が200を超えると、加水分解反応が激しくなり、有機珪素化合物同士が重合し、金属酸化物表面への効率的な有機珪素化合物処理ができないおそれがあるため、例えば200である。この比(Mw/Mo)は、より好ましくは1~100である。 In the surface treatment, first, a dispersion liquid of metal oxide particles is prepared. As the dispersion medium, water or alcohols such as methanol and ethanol are preferably used. A predetermined amount of an organosilicon compound represented by formula (1) is added to the dispersion liquid to hydrolyze the organosilicon compound. Water can be added to the hydrolysis as necessary. The ratio (Mw/Mo) of the number of moles of water (Mw) to the number of moles of the organosilicon compound (Mo) to be added is preferably 1 or more. Here, if the ratio (Mw/Mo) is less than 1, the hydrolysis is insufficient, and the hardness, strength, transparency, haze, etc. of the coating may be insufficient. Although there is no particular upper limit for the ratio (Mw/Mo), if the ratio (Mw/Mo) exceeds 200, the hydrolysis reaction becomes intense, and the organosilicon compounds polymerize with each other, and there is a risk that the organosilicon compound treatment on the metal oxide surface cannot be performed efficiently, so the upper limit is, for example, 200. This ratio (Mw/Mo) is more preferably 1 to 100.
また、この加水分解においては、必要に応じて、加水分解用触媒として酸又はアルカリを使用することも可能である。中でもアンモニアが好ましい。アンモニアを用いると、分散液中に残存しても除去が容易であり、分散液の安定性が維持されやすい。添加するアンモニアのモル数(MN)と有機珪素化合物のモル数(Mo)との比(MN/Mo)は、0.005~5の範囲にあることが好ましい。ここで、比(MN/Mo)が0.005未満の場合は、加水分解が不十分となり、被膜の硬度や強度、透明性、及びヘイズ等が不十分となるおそれがある。この比(MN/Mo)が5を超える場合は加水分解反応が激しくなり、有機珪素化合物同士が重合し、金属酸化物表面への効率的な有機珪素化合物処理ができないおそれがある。 In addition, in this hydrolysis, an acid or an alkali can be used as a hydrolysis catalyst as necessary. Among them, ammonia is preferable. When ammonia is used, it is easy to remove even if it remains in the dispersion, and the stability of the dispersion is easily maintained. The ratio (M N /Mo) of the mole number of ammonia (M N ) to the mole number of the organosilicon compound (Mo) to be added is preferably in the range of 0.005 to 5. Here, when the ratio (M N /Mo) is less than 0.005, the hydrolysis becomes insufficient, and the hardness, strength, transparency, haze, etc. of the coating may become insufficient. When this ratio (M N /Mo) exceeds 5, the hydrolysis reaction becomes intense, and the organosilicon compounds polymerize with each other, and the organosilicon compound treatment on the metal oxide surface may not be performed efficiently.
表面処理は、均一系で行うことが好ましく、金属酸化物粒子と有機珪素化合物との化学結合を促進させるために、分散媒の沸点未満の温度(例えば、室温~120℃)で0.5~48時間加熱することが好ましい。 The surface treatment is preferably carried out in a homogeneous system, and in order to promote chemical bonding between the metal oxide particles and the organosilicon compound, it is preferable to heat the dispersion medium at a temperature below the boiling point (e.g., room temperature to 120°C) for 0.5 to 48 hours.
この表面処理によって金属酸化物粒子の表面と有機珪素化合物とが化学結合された粒子は、被膜付基材に使用する場合、基材との密着性が高く、高い硬度と強度とを有する。 When the metal oxide particles have their surfaces chemically bonded to the organosilicon compound by this surface treatment, they have high adhesion to the substrate and high hardness and strength when used on a coated substrate.
有機珪素化合物としては、例えば、表1に示すものが挙げられる。これらの有機珪素化合物は、粒子に単独で存在しても良いし、複数種が存在していても良い。表面処理においては、これら有機珪素化合物を単独で処理したり、混合して処理したりすることはもちろん、同一の種類、複数の種類を混合したもの、あるいは複数の種類を別々に、段階的に処理することも可能である。 Examples of organosilicon compounds include those shown in Table 1. These organosilicon compounds may be present in the particles alone or in combination. In surface treatment, these organosilicon compounds can be used alone or in mixtures, and it is also possible to treat the particles in stages using the same type, a mixture of multiple types, or multiple types separately.
[第二工程]
第一工程にて表面処理された有機珪素化合物には、金属酸化物粒子に化学結合しているものの他に、未反応の有機珪素化合物や、物理吸着しているだけの有機珪素化合物が存在する。第二工程では、金属酸化物粒子に対して「未反応、及び物理吸着している有機珪素化合物」を除去することを目的とする。表面処理された金属酸化物粒子から、これらの有機珪素化合物を除去する方法としては、例えば、限外濾過膜法、遠心分離法、蒸留法等が挙げられる。中でも、除去効率の高さから、限外濾過膜法が好ましい。また、物理吸着しているだけの有機珪素化合物を金属酸化物粒子から分離することを目的として、超音波処理を組み合わせても良い。
[Second step]
In the first step, the organosilicon compounds surface-treated include those chemically bonded to the metal oxide particles, as well as unreacted organosilicon compounds and those that are merely physically adsorbed. The second step is aimed at removing "unreacted and physically adsorbed organosilicon compounds" from the metal oxide particles. Methods for removing these organosilicon compounds from the surface-treated metal oxide particles include, for example, ultrafiltration membrane method, centrifugation method, distillation method, etc. Among these, the ultrafiltration membrane method is preferred because of its high removal efficiency. In addition, ultrasonic treatment may be combined with the purpose of separating the organosilicon compounds that are merely physically adsorbed from the metal oxide particles.
この「有機珪素化合物の除去」を効率よく行うためには、第一工程にて表面処理された金属酸化物粒子の分散液の金属酸化物としての濃度が、固形分として10~60質量%であることが好ましい。ここで、濃度が10質量%未満だと、得られる表面処理された金属酸化物粒子に対して、第二工程で使用する洗浄液の量が多くなり、生産性が悪い。逆に、60質量%を超えると、第二工程中に増粘が生じたり、ゲル化したりするおそれがある。また、「有機珪素化合物の除去」に使用する洗浄液の量は、第一工程での表面処理量や、分散液の濃度等にもよるが、第一工程にて表面処理された金属酸化物粒子の分散液の3倍以上が好ましい。ここで、洗浄液量が3倍未満だと「有機珪素化合物の除去」が不十分となるおそれがある。この洗浄液量については特に上限はないが、10倍以上の洗浄液を使用しても「有機珪素化合物の除去」が格段に向上するわけでもないため、例えば10倍である。この洗浄液は、第一工程で使用した分散媒と同じ種類のものを使用することが好ましい。 In order to efficiently perform this "removal of organosilicon compounds", it is preferable that the concentration of metal oxide in the dispersion of the metal oxide particles surface-treated in the first step is 10 to 60 mass% as solids. Here, if the concentration is less than 10 mass%, the amount of cleaning liquid used in the second step is large relative to the obtained surface-treated metal oxide particles, resulting in poor productivity. Conversely, if it exceeds 60 mass%, there is a risk of thickening or gelation during the second step. In addition, the amount of cleaning liquid used for "removal of organosilicon compounds" is preferably three times or more the amount of the dispersion of the metal oxide particles surface-treated in the first step, although it depends on the amount of surface treatment in the first step and the concentration of the dispersion. Here, if the amount of cleaning liquid is less than three times, there is a risk of "removal of organosilicon compounds" being insufficient. There is no particular upper limit on the amount of this cleaning liquid, but even if 10 times or more of the cleaning liquid is used, the "removal of organosilicon compounds" is not significantly improved, so for example, it is 10 times. It is preferable to use the same type of cleaning liquid as the dispersion medium used in the first step.
ここで、第二工程での除去によって、第一工程で加えた有機珪素化合物の少なくとも一部が除去されるため、第一工程での有機珪素化合物の添加量が、そのまま粒子に残存するわけではない。そのため、最終的に粒子に含まれる、官能基を有する有機珪素化合物が、金属酸化物粒子100質量部に対して、固形分として3~60質量部となることと、分散液から粒子を除いた液中の有機珪素化合物の量が、金属酸化物粒子100質量部に対して、固形分として0.20質量部以下となることとが、両立することが必要である。これによって、金属酸化物粒子表面のOH基と化学結合している「官能基を有する有機珪素化合物」を必要量有し、性能低下のおそれがある「未反応、及び物理吸着している有機珪素化合物」の含有量が抑制されているという「精密な表面処理」が実現できる。 Here, since at least a portion of the organosilicon compound added in the first step is removed by the removal in the second step, the amount of organosilicon compound added in the first step does not remain on the particles as it is. Therefore, it is necessary that the organosilicon compound having a functional group finally contained in the particles is 3 to 60 parts by mass as solid content per 100 parts by mass of metal oxide particles, and that the amount of organosilicon compound in the liquid excluding the particles from the dispersion is 0.20 parts by mass or less as solid content per 100 parts by mass of metal oxide particles. This allows for a "precise surface treatment" to be realized in which the necessary amount of "organosilicon compound having a functional group" that is chemically bonded to the OH groups on the metal oxide particle surface is present, and the content of "unreacted and physically adsorbed organosilicon compound" that may cause a decrease in performance is suppressed.
また、得られた粒子は、画像解析による一次粒子径の平均(D)が5~120nmである。更に、これと、粒子の動的光散乱法による平均粒子径(L)との比(L/D)は、1.0~1.5である。 The particles obtained have an average primary particle diameter (D) of 5 to 120 nm as determined by image analysis. The ratio (L/D) of this to the average particle diameter (L) of the particles as determined by dynamic light scattering is 1.0 to 1.5.
なお、これらの物性の好ましい範囲は、前述の表面処理金属酸化物粒子の範囲に準じる。 The preferred ranges for these physical properties are the same as those for the surface-treated metal oxide particles described above.
ところで、その表面処理量の違いに因る場合もあるが、第一工程から第二工程への1回の操作では、前述の「粒子に含まれる、官能基を有する有機珪素化合物量」及び「分散液から粒子を除いた液中の有機珪素化合物量」の2つの範囲を満足することが困難な場合がある。これは、金属酸化物粒子表面のOH基と有機珪素化合物との反応効率にもよるが、金属酸化物粒子表面のOH基との化学結合を進め、目的の粒子を効率的に得るためには、第一工程から第二工程を行った後、再び第一工程から第二工程を行うことを複数回繰り返すことが好ましい。更には、1回あたりの表面処理量を最終的な目標量よりも少なくして、工程を繰り返した方が、より効率的に「精密な表面処理」が実現できる。 By the way, although this may be due to the difference in the amount of surface treatment, it may be difficult to satisfy the two ranges of "the amount of organosilicon compound having functional groups contained in the particles" and "the amount of organosilicon compound in the liquid excluding the particles" in a single operation from the first step to the second step. This depends on the reaction efficiency between the OH groups on the metal oxide particle surface and the organosilicon compound, but in order to advance the chemical bond with the OH groups on the metal oxide particle surface and efficiently obtain the desired particles, it is preferable to repeat the first step to the second step and then the first step to the second step multiple times. Furthermore, it is possible to achieve "precise surface treatment" more efficiently by reducing the amount of surface treatment per time compared to the final target amount and repeating the steps.
[被膜形成用塗布液]
本発明の粒子は、被膜形成用の塗布液に適用できる。この塗布液は、粒子とマトリックス形成成分と有機系分散媒とを含む。これ以外に、重合開始剤、レベリング剤、界面活性剤等の添加剤を含んでいてもよい。
[Coating liquid for film formation]
The particles of the present invention can be applied to a coating liquid for forming a coating film. This coating liquid contains particles, a matrix forming component, and an organic dispersion medium. In addition to these, the coating liquid may contain additives such as a polymerization initiator, a leveling agent, and a surfactant.
塗布液中の粒子の濃度は、含まれる粒子やマトリックス形成成分等の固形分の合計量に対して、固形分として20~70質量%が好ましい。 The concentration of particles in the coating solution is preferably 20 to 70% by mass in terms of solids, based on the total amount of solids, such as the particles and matrix-forming components, contained therein.
ここで、粒子の濃度が20質量%未満であると、被膜の硬度が不十分となるおそれがある。逆に、70質量%より多いと、被膜にクラックが発生するおそれ、基材との密着性が不十分となるおそれ、硬度や強度、透明性、ヘイズ等が悪化するおそれがある。この粒子の濃度は、より好ましくは30~65質量%、更に好ましくは40~60質量%である。 Here, if the particle concentration is less than 20% by mass, the hardness of the coating may be insufficient. Conversely, if it is more than 70% by mass, cracks may occur in the coating, adhesion to the substrate may be insufficient, and hardness, strength, transparency, haze, etc. may deteriorate. The particle concentration is more preferably 30 to 65% by mass, and even more preferably 40 to 60% by mass.
マトリックス形成成分としては、有機樹脂系マトリックス形成成分が好適である。例えば、紫外線硬化性樹脂、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等のマトリックスを形成する成分が挙げられる。 As the matrix-forming component, an organic resin-based matrix-forming component is suitable. Examples include components that form a matrix such as ultraviolet-curable resins, thermosetting resins, and thermoplastic resins.
紫外線硬化性樹脂としては、(メタ)アクリル系樹脂、γ-グリシルオキシ系樹脂、ウレタン系樹脂、ビニル系樹脂等がある。 Examples of UV-curable resins include (meth)acrylic resins, gamma-glycyloxy resins, urethane resins, vinyl resins, etc.
熱硬化性樹脂としては、ウレタン樹脂、メラミン樹脂、ケイ素樹脂、ブチラール樹脂、反応性シリコーン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、熱硬化性アクリル樹脂等がある。 Thermosetting resins include urethane resin, melamine resin, silicon resin, butyral resin, reactive silicone resin, phenolic resin, epoxy resin, unsaturated polyester resin, and thermosetting acrylic resin.
熱可塑性樹脂としては、ポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアミド樹脂、ポリフェニレンオキサイド樹脂、熱可塑性アクリル樹脂、塩化ビニル樹脂、フッ素樹脂、酢酸ビニル樹脂、シリコーンゴム等がある。 Thermoplastic resins include polyester resin, polycarbonate resin, polyamide resin, polyphenylene oxide resin, thermoplastic acrylic resin, polyvinyl chloride resin, fluororesin, vinyl acetate resin, silicone rubber, etc.
これらの樹脂は、2種以上の共重合体や変性体でもよく、組み合わせて使用してもよい。また、これらの樹脂は、エマルジョン樹脂、水溶性樹脂、親水性樹脂であってもよい。 These resins may be copolymers or modified products of two or more kinds, or may be used in combination. These resins may also be emulsion resins, water-soluble resins, or hydrophilic resins.
これらの樹脂を形成する成分は、粒子の分散性、塗膜の容易さから、モノマーやオリゴマーが好ましい。 The components that form these resins are preferably monomers or oligomers, due to their particle dispersibility and ease of coating.
塗布液中のマトリックス形成成分の濃度は、含まれる粒子やマトリックス形成成分等の固形分の合計量に対して、固形分として30~80質量%が好ましい。 The concentration of the matrix-forming components in the coating solution is preferably 30 to 80% by mass in terms of solid content relative to the total amount of solid content, such as the particles and matrix-forming components, contained therein.
ここで、マトリックス形成成分の濃度が30質量%未満であると、被膜化が困難である。また、被膜が得られたとしても、被膜にクラックが発生するおそれ、基材との密着性が不十分となるおそれ、硬度や強度、透明性、ヘイズ等が悪化するおそれがある。逆に、80質量%よりも多いと、粒子の量が少ないため、被膜の硬度が不十分となるおそれがある。このマトリックス形成成分の濃度は、より好ましくは35~70質量%、更に好ましくは40~60質量%である。 Here, if the concentration of the matrix-forming component is less than 30% by mass, it is difficult to form a coating. Even if a coating is obtained, there is a risk that the coating may crack, that adhesion to the substrate may be insufficient, and that hardness, strength, transparency, haze, etc. may deteriorate. Conversely, if it is more than 80% by mass, the amount of particles is small, and the hardness of the coating may be insufficient. The concentration of this matrix-forming component is more preferably 35 to 70% by mass, and even more preferably 40 to 60% by mass.
有機系分散媒としては、粒子を均一に分散でき、マトリックス形成成分や重合開始剤等の添加剤を溶解あるいは分散できるものが用いられる。中でも、親水性の分散媒や極性を有する分散媒が好ましい。表2に示すように、親水性の分散媒としては、例えば、アルコール類、エステル類、グリコール類、エーテル類等が挙げられる。極性を有する分散媒としては、例えば、エステル類、ケトン類等が挙げられる。 これらは、単独で使用してもよく、2種以上を混合して使用してもよい。 As the organic dispersion medium, one that can disperse particles uniformly and dissolve or disperse additives such as matrix-forming components and polymerization initiators is used. Among them, hydrophilic dispersion media and polar dispersion media are preferred. As shown in Table 2, examples of hydrophilic dispersion media include alcohols, esters, glycols, and ethers. Examples of polar dispersion media include esters and ketones. These may be used alone or in a mixture of two or more.
添加剤としては、被膜形成に従来使用可能なものが任意に使用できる。例えば、マトリックス形成成分の重合促進や造膜性を向上させるために、重合開始剤、レベリング剤等が使用される。 Any additive that can be used conventionally for film formation can be used. For example, polymerization initiators, leveling agents, etc. are used to promote polymerization of the matrix-forming components and improve film-forming properties.
重合開始剤としては、例えば、表3に示すものが挙げられる。 Examples of polymerization initiators include those shown in Table 3.
レベリング剤としては、例えば、アクリル系レベリング剤、シリコーン系レベリング剤、アクリルシリコーン系レベリング剤等が挙げられる。これらのレベリング剤には、強度向上の観点からフッ素基を有するものが好ましく使用される。 Examples of leveling agents include acrylic leveling agents, silicone leveling agents, and acrylic silicone leveling agents. Among these leveling agents, those having a fluorine group are preferably used from the viewpoint of improving strength.
これらの添加剤の塗布液中の濃度は、被膜化した際に固形分として含まれるものは、便宜上、マトリックス形成成分として計上し、被膜化後はマトリックスとして計上する。 For the sake of convenience, the concentrations of these additives in the coating solution that are contained as solids when the coating is formed are counted as matrix-forming components, and after coating, they are counted as the matrix.
塗布液の固形分濃度(塗布液に対する、粒子の固形分とマトリックス形成成分の固形分とを合計した固形分の割合)は、1~60質量%が好ましい。 The solids concentration of the coating solution (the ratio of the total solids of the particles and the matrix-forming components to the coating solution) is preferably 1 to 60% by mass.
ここで、塗布液の固形分濃度が1質量%未満であると、塗料の濃縮安定性が低いため、塗工が困難となり、均一な被膜が得られないおそれがある。また、ヘイズあるいは外観が悪くなるため、生産性、製造信頼性等が低下するおそれがある。逆に、60質量%より高いと、塗布液の安定性が悪くなるおそれがある。また、塗布液の粘度が高くなるため、塗工性が低下するおそれがある。更に、被膜のヘイズが高くなり、強度が不十分となるおそれがある。塗布液の固形分濃度は、より好ましくは5~50質量%である。 Here, if the solids concentration of the coating solution is less than 1% by mass, the coating may be difficult to apply due to low concentration stability, and a uniform coating may not be obtained. In addition, haze or poor appearance may result, which may reduce productivity and manufacturing reliability. Conversely, if the solids concentration is more than 60% by mass, the stability of the coating solution may be poor. In addition, the viscosity of the coating solution may increase, which may reduce coatability. Furthermore, the haze of the coating may increase, resulting in insufficient strength. The solids concentration of the coating solution is more preferably 5 to 50% by mass.
[被膜付基材]
上述の塗布液を用いて、被膜を基材に形成する。得られる被膜は、視認性の観点から、透明であることが好ましい。
[Coated substrate]
The coating film is formed on a substrate using the above-mentioned coating liquid. From the viewpoint of visibility, the resulting coating film is preferably transparent.
具体的には、基材上に塗布液を塗布した後、乾燥及び紫外線照射を行い、基材上に被膜を形成する。塗布液の塗布方法としては、基材に被膜を形成できるものであれば特に制限されない。例えば、スプレー法、スピナー法、ロールコート法、バーコート法、スリットコーター印刷法、グラビア印刷法、マイクログラビア印刷法等の周知の方法が採用できる。乾燥は、例えば、50~150℃程度に加熱し、分散媒を蒸発させて除去する。その後、紫外線を照射し、樹脂成分の重合を促進させて被膜の硬度化を図る。被膜は、主にマトリックス(樹脂)成分と粒子とで形成される。 Specifically, the coating liquid is applied onto the substrate, then drying and ultraviolet irradiation are performed to form a coating on the substrate. There are no particular limitations on the method of applying the coating liquid, as long as it can form a coating on the substrate. For example, well-known methods such as spraying, spinner, roll coating, bar coating, slit coater printing, gravure printing, and microgravure printing can be used. Drying is performed, for example, by heating to about 50 to 150°C to evaporate and remove the dispersion medium. After that, ultraviolet irradiation is performed to promote polymerization of the resin component and harden the coating. The coating is mainly formed of a matrix (resin) component and particles.
被膜では、塗布液中の粒子とマトリックス形成成分の固形分の割合が、そのまま被膜中の粒子成分とマトリックスの割合となる。上述のように、塗布液中の添加剤の内、固形分として残存するものはマトリックスとして計上する。 In the case of a coating, the ratio of the solid content of the particles and matrix-forming components in the coating liquid is the same as the ratio of the particle components and matrix in the coating. As mentioned above, any additives in the coating liquid that remain as solids are counted as matrix.
被膜の膜厚は、用途に応じて適宜選択できる。例えば、ハードコート膜であれば、0.5~20μmが好ましい。 The thickness of the coating can be selected appropriately depending on the application. For example, for a hard coat film, a thickness of 0.5 to 20 μm is preferable.
ここで、膜厚が0.5μm未満であると、被膜の硬度や強度が不十分となるおそれがある。逆に、膜厚が20μmより厚いと、膜収縮が大きくなり、カーリングが顕著になる場合や、基材との密着性が不十分となるおそれがある。また、収縮が非常に大きい場合には、クラックが発生するおそれもある。この膜厚は、より好ましくは1~15μm、更に好ましくは4~12μmである。 Here, if the film thickness is less than 0.5 μm, the hardness and strength of the coating may be insufficient. Conversely, if the film thickness is greater than 20 μm, the film shrinks significantly, causing noticeable curling and insufficient adhesion to the substrate. Furthermore, if the shrinkage is very large, cracks may occur. This film thickness is more preferably 1 to 15 μm, and even more preferably 4 to 12 μm.
被膜付基材の光透過率は、85.0%以上が好ましい。 The light transmittance of the coated substrate is preferably 85.0% or more.
ここで、光透過率が85.0%未満であると、表示装置等において画像の鮮明度が不十分となるおそれがある。この光透過率は、より好ましくは90.0%以上である。 Here, if the light transmittance is less than 85.0%, the clarity of the image on a display device or the like may be insufficient. This light transmittance is more preferably 90.0% or more.
また、被膜付基材のヘイズは、好ましくは1.0%以下、より好ましくは0.5%以下である。 The haze of the coated substrate is preferably 1.0% or less, and more preferably 0.5% or less.
被膜の強度(耐擦傷性)は、#0000のスチールウールを用い、荷重1kg/cm2にて摺動させて評価する。この摺動回数が少なくとも40回の時点で膜表面に筋状の傷が認められないことが好ましい。この耐擦傷性は、より好ましくは60回の時点で傷が認められないこと、更に好ましくは100回の時点で傷が認められないことである。 The strength (scratch resistance) of the coating is evaluated by rubbing it with #0000 steel wool at a load of 1 kg/ cm2 . It is preferable that no streaky scratches are observed on the surface of the coating after at least 40 rubbings. More preferably, the scratch resistance is such that no scratches are observed after 60 rubbings, and even more preferably, no scratches are observed after 100 rubbings.
被膜の鉛筆硬度は、3H以上が好ましい。 The coating's pencil hardness should preferably be 3H or higher.
ここで、3H未満では、ハードコート膜として硬度が不十分である。この鉛筆硬度は、より好ましくは4H以上、更に好ましくは5H以上である。 Here, if the hardness is less than 3H, the hardness is insufficient for a hard coat film. The pencil hardness is more preferably 4H or more, and even more preferably 5H or more.
基材は、公知のものが使用可能である。例えば、ポリカーボネート、アクリル樹脂、ポリエチレンテレフタラート、トリアセチルセルロース(TAC)、ポリメタクリル酸メチル樹脂、シクロオレフィンポリマー等の透明な樹脂基材が好ましい。これらの基材は、上述の塗布液によって形成される被膜との密着性が優れ、硬度、強度等に優れた被膜付基材を得ることができる。このため、薄い基材に好適に用いられる。基材の厚みに特に制限はないが、好ましくは20~100μm、より好ましくは30~80μmである。 Any known substrate can be used. For example, transparent resin substrates such as polycarbonate, acrylic resin, polyethylene terephthalate, triacetyl cellulose (TAC), polymethyl methacrylate resin, and cycloolefin polymer are preferred. These substrates have excellent adhesion to the coating formed by the above-mentioned coating liquid, and a substrate with a coating excellent in hardness, strength, etc. can be obtained. For this reason, it is suitable for use with thin substrates. There is no particular restriction on the thickness of the substrate, but it is preferably 20 to 100 μm, and more preferably 30 to 80 μm.
被膜と基材との密着性は、被膜付基材の表面にナイフで升目状に傷を付け、これにセロファンテープを接着した後、セロファンテープを剥離して、残存している升目の数が多い程、被膜が剥離せず基材との密着性が高いため好ましい。 The adhesion between the coating and the substrate is determined by scratching the surface of the coated substrate with a knife into a grid pattern, adhering cellophane tape to the scratched pattern, and then peeling off the cellophane tape. The more grid patterns that remain, the more likely the coating will not peel off and the stronger the adhesion to the substrate, which is preferable.
また、このような基材上に、他の被膜が形成された被膜付基材を用いこともできる。他の被膜としては、例えば、従来公知の反射防止膜、プライマー膜、高屈折率膜、導電性膜等が挙げられる。 It is also possible to use a coated substrate in which another coating is formed on such a substrate. Examples of other coatings include conventionally known anti-reflection films, primer films, high refractive index films, conductive films, etc.
以下、本発明の実施例を説明する。 The following describes an embodiment of the present invention.
[実施例1]
〈金属酸化物粒子の分散液の調製〉
シリカ粒子の水分散液(日揮触媒化成(株)製 カタロイドSI-30、固形分濃度30質量%)2000gに陽イオン交換樹脂(三菱ケミカル(株)製 ダイヤイオンSK-1BH)300gを用いて3時間イオン交換し、次いで、陰イオン交換樹脂(三菱化学(株)製 ダイヤイオンSA-20A)200gを用いて3時間イオン交換した。その後、陽イオン交換樹脂100gを用い、80℃で3時間イオン交換し、シリカ粒子の水分散液を調製した。次いで、限外膜濾過法により、分散媒をメタノールに置換した後、濃縮を行い固形分濃度30質量%のシリカ粒子のメタノール分散液を調製した。
[Example 1]
Preparation of Dispersion of Metal Oxide Particles
2000 g of an aqueous dispersion of silica particles (KGC Catalysts and Chemicals, Cataloid SI-30, solid content concentration 30% by mass) was subjected to ion exchange for 3 hours using 300 g of a cation exchange resin (Diaion SK-1BH, Mitsubishi Chemical Corporation), and then ion exchange for 3 hours using 200 g of an anion exchange resin (Diaion SA-20A, Mitsubishi Chemical Corporation). Thereafter, ion exchange was performed for 3 hours at 80° C. using 100 g of a cation exchange resin to prepare an aqueous dispersion of silica particles. Next, the dispersion medium was replaced with methanol by ultrafiltration, and the mixture was concentrated to prepare a methanol dispersion of silica particles having a solid content concentration of 30% by mass.
〈有機珪素化合物による金属酸化物粒子の表面処理(第一工程)〉
このシリカ粒子のメタノール分散液2000gに、濃度28質量%のアンモニア水4.4gと純水39.8gを添加し、室温で0.5時間撹拌した。
<Surface treatment of metal oxide particles with organosilicon compound (first step)>
To 2000 g of this methanol dispersion of silica particles, 4.4 g of 28% by mass ammonia water and 39.8 g of pure water were added, and the mixture was stirred at room temperature for 0.5 hours.
次に、有機珪素化合物としてγ-メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン(信越化学工業(株)製 KBM-503)90g(シリカ粒子100質量部に対して、Rn-SiX4-nとして15質量部)を添加し、50℃で19時間撹拌して、表面処理シリカ粒子の分散液を得た。 Next, 90 g (15 parts by mass of R n -SiX 4-n per 100 parts by mass of silica particles) of γ-methacryloxypropyltrimethoxysilane (KBM-503 manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) was added as an organosilicon compound, and the mixture was stirred at 50° C. for 19 hours to obtain a dispersion of surface-treated silica particles.
〈有機珪素化合物の除去(第二工程)〉
この表面処理シリカ粒子の分散液を室温まで冷却し、メタノール10kg(シリカ粒子のメタノール分散液の5倍量に相当)を用いて、限外濾過膜法により、「未反応、及び物理吸着している有機珪素化合物」を除去し、金属酸化物粒子としての固形分濃度が30質量%の本願発明の表面処理シリカ粒子のメタノール分散液を製造した。
<Removal of organosilicon compounds (second step)>
This dispersion of surface-treated silica particles was cooled to room temperature, and 10 kg of methanol (equivalent to 5 times the amount of the methanol dispersion of silica particles) was used to remove "unreacted and physically adsorbed organosilicon compounds" by ultrafiltration membrane method, thereby producing a methanol dispersion of surface-treated silica particles of the present invention having a solid content concentration of 30 mass% as metal oxide particles.
表面処理金属酸化物粒子の分散液について、以下の方法で測定した。 The dispersion of surface-treated metal oxide particles was measured using the following method.
粒子の各製造工程における特徴、及び粒子及び分散液の性状を表4に示す(以下の実施例及び比較例も同様)。 The characteristics of each manufacturing process of the particles, and the properties of the particles and dispersion liquid are shown in Table 4 (the same applies to the following examples and comparative examples).
(1)官能基を有する有機珪素化合物
粒子中に含まれる官能基の有無、及びその種類については、次の方法により求めた。
(1) Organosilicon Compound Having a Functional Group The presence or absence of a functional group contained in the particles and the type of the functional group were determined by the following method.
まず、分散液をエバポレーターにて乾燥させた後、150℃で乾燥させた。その粉体をフーリエ変換型赤外分光装置(FT-IR)(日本分光(株)製 FT/IR-6100)を使用して、拡散反射法にて、波数領域を700cm-1~4000cm-1、検出器をTGS、分解能を4.0cm-1、積算回数を50回で測定を行い、ピークを検出して、有機化合物のスペクトルデータベースSDBS(https://sdbs.db.aist.go.jp(National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, 2021.01))を参照して、官能基を特定した。 First, the dispersion was dried in an evaporator and then dried at 150 ° C. The powder was measured by a diffuse reflectance method using a Fourier transform infrared spectrometer (FT-IR) (FT / IR-6100 manufactured by JASCO Corporation) in a wave number region of 700 cm -1 to 4000 cm -1 , a TGS detector, a resolution of 4.0 cm -1 , and an accumulation count of 50 times, and the peak was detected. The functional group was identified by referring to the organic compound spectrum database SDBS (https://sdbs.db.aist.go.jp (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, 2021.01)).
(2)官能基を有する有機珪素化合物の固形分量
分散液を、小型超遠心機(日立工機(株)製 CS150GXL)を用いて、温度を10℃、回転数を1,370,000rpm(1,000,000G)の条件下で30分間遠心処理した。処理液の沈殿物を回収し、真空乾燥により乾燥後、熱重量示差熱分析装置(日立ハイテクサイエンス(株)製 TG/DTA EXSTAR6000 MSD)を用いて、500℃加熱前後の質量減少量を測定し、金属酸化物粒子量との差から、有機珪素化合物由来の珪素分量を求めた。次に、これを、表面処理に使用した有機珪素化合物の構造から有機珪素化合物由来の固形分(Rn-SiO(4-n)/2)量に換算し、官能基を有する有機珪素化合物の固形分量を求めた。
(2) Solid content of organosilicon compound having functional group
The dispersion was centrifuged for 30 minutes using a small ultracentrifuge (CS150GXL manufactured by Hitachi Koki Co., Ltd.) at a temperature of 10°C and a rotation speed of 1,370,000 rpm (1,000,000 G). The precipitate of the treatment solution was collected and dried by vacuum drying, and then the mass loss before and after heating at 500°C was measured using a thermogravimetric differential thermal analyzer (TG/DTA EXSTAR6000 MSD manufactured by Hitachi High-Tech Science Co., Ltd.), and the silicon content derived from the organosilicon compound was calculated from the difference with the amount of metal oxide particles. Next, this was converted from the structure of the organosilicon compound used in the surface treatment into the amount of solids derived from the organosilicon compound (R n -SiO (4-n)/2 ), and the solids content of the organosilicon compound having a functional group was calculated.
(3)分散液から粒子を除いた液中の有機珪素化合物量
分散液を、小型超遠心機(日立工機(株)製 CS150GXL)を用いて、前述と同様に遠心処理した。処理液の上澄み液を回収し、熱抽出ガスクロマトグラフ(アジレント・テクノロジー(株)製 Agilent5977BGC/MSD)を用いて、粒子を除いた液中の有機珪素化合物量を測定した。
(3) Amount of organosilicon compound in the liquid after removing particles from the dispersion The dispersion was centrifuged in the same manner as described above using a small ultracentrifuge (CS150GXL manufactured by Hitachi Koki Co., Ltd.) The supernatant of the treated liquid was collected, and the amount of organosilicon compound in the liquid after removing particles was measured using a thermal extraction gas chromatograph (Agilent5977BGC/MSD manufactured by Agilent Technologies, Inc.).
(4)粒子の一次粒子径の平均(D)、及び金属酸化物粒子の一次粒子径の平均(F)
粒子の分散液を0.01質量%に希釈した後、電子顕微鏡用銅セルのコロジオン膜上で乾燥させた。次に、これを電界放出型走査電子顕微鏡((株)日立ハイテクノロジーズ製 S-5500)にて、所定の倍率で写真撮影した。得られた写真投影図(SEM像)の任意の300個の粒子について、画像処理から粒子の面積を求め、その面積から円相当径を求めた。その円相当径の平均値を粒子の一次粒子径の平均(D)とした。
(4) Average primary particle size of particles (D) and average primary particle size of metal oxide particles (F)
The particle dispersion was diluted to 0.01% by mass and then dried on a collodion film of a copper cell for an electron microscope. This was then photographed at a predetermined magnification using a field emission scanning electron microscope (S-5500, manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation). The particle areas of 300 randomly selected particles in the obtained photographic projection (SEM image) were calculated by image processing, and the equivalent circle diameter was calculated from the area. The average value of the equivalent circle diameters was taken as the average primary particle diameter (D) of the particles.
また、シリカ粒子の分散液についても同様に画像解析して、シリカ粒子の一次粒子径の平均(F)を求めた。 The silica particle dispersion was also subjected to image analysis in the same manner to determine the average primary particle size (F) of the silica particles.
(5)動的光散乱法による平均粒子径(L)
エタノールを用いて、分散液を適正濃度に調整して、動的光散乱粒子径測定装置(大塚電子(株)製 FPAR-1000)にて、粒子径を測定し、平均粒子径(L)とした。ここで、適正濃度とは、散乱光量が15000~30000CPSとなる濃度を意味する。なお、測定条件は、溶媒屈折率を1.3614、温度を20℃で行った。
(5) Average particle size (L) measured by dynamic light scattering method
The dispersion was adjusted to an appropriate concentration using ethanol, and the particle size was measured using a dynamic light scattering particle size measurement device (FPAR-1000, manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd.) to obtain the average particle size (L). The appropriate concentration means a concentration at which the amount of scattered light is 15,000 to 30,000 CPS. The measurement was performed under the following conditions: a solvent refractive index of 1.3614 and a temperature of 20°C.
(6)金属元素、アルカリ金属、及びアルカリ土類金属の含有量
粒子及び金属酸化物粒子中の金属元素(Si、Al、Sn、Sb、Ti、Zr、Zn、W、Fe、In、Ba)の含有量、アルカリ金属の含有量、及びアルカリ土類金属の含有量については、粒子をフッ酸で溶解し、加熱してフッ酸を除去した後、必要に応じて純水を加え、得られた溶液についてICP誘導結合プラズマ発光分光質量分析装置((株)島津製作所製 ICPM-8500)を用いて測定した。
(6) Content of Metal Elements, Alkali Metals, and Alkaline Earth Metals The contents of metal elements (Si, Al, Sn, Sb, Ti, Zr, Zn, W, Fe, In, Ba), alkali metals, and alkaline earth metals in the particles and metal oxide particles were measured by dissolving the particles in hydrofluoric acid, heating to remove the hydrofluoric acid, adding pure water as necessary, and measuring the resulting solution using an ICP inductively coupled plasma optical emission spectrometer (ICP-8500, manufactured by Shimadzu Corporation).
(7)パルスNMRによる比表面積(A1)
パルスNMR(Xigo nanotools製Acorn Area)を使用して、分散液及び分散媒について各々の緩和時間を測定し、前述の式(2)より比表面積(A1)を求めた。なお、測定条件は、磁場を0.3T、測定周波数を13MHz、測定核を1H NMR、測定方法はCPMGパルスシークエンス法にて、サンプル量を1ml、Ka値を0.000039、温度を25℃で行った。ここで、Ka値は、固形分濃度30質量%、25℃の金属酸化物粒子(ここでは、シリカ粒子)のメタノール分散液及びメタノール分散媒についてパルスNMR測定を行い、前述の式(4)~(6)により算出したものを使用した。
(7) Specific surface area (A1) by pulsed NMR
Using a pulse NMR (Acorn Area manufactured by Xigo nanotools), the relaxation times of the dispersion and the dispersion medium were measured, and the specific surface area (A1) was calculated from the above formula (2). The measurement conditions were a magnetic field of 0.3 T, a measurement frequency of 13 MHz, a measurement nucleus of 1 H NMR, a measurement method of CPMG pulse sequence method, a sample amount of 1 ml, a Ka value of 0.000039, and a temperature of 25 ° C. Here, the Ka value was calculated from the above formulas (4) to (6) by performing pulse NMR measurement on a methanol dispersion and a methanol dispersion medium of metal oxide particles (here, silica particles) with a solid content concentration of 30 mass% and 25 ° C.
(8)比表面積(A2)
金属酸化物粒子の一次粒子径の平均(F)を用いて、下記式(4)により、比表面積(A2)を求めた。
(8) Specific surface area (A2)
The specific surface area (A2) was calculated using the average primary particle size (F) of the metal oxide particles according to the following formula (4).
A2=6000/Sd/F ・・・式(4)
(式中、Sdは、金属酸化物粒子の密度(g/cm3)を示す。)
A2=6000/Sd/F...Formula (4)
(In the formula, Sd represents the density (g/cm 3 ) of the metal oxide particles.)
〈被膜形成用の塗布液の製造〉
製造された表面処理シリカ粒子のメタノール分散液を遠心分離法と超音波分散法を用いて、分散媒をメチルイソブチルケトン(MIBK)に置換し、固形分濃度40質量%の表面処理シリカ粒子のMIBK分散液を調製した。
<Production of Coating Solution for Film Formation>
The dispersion medium of the methanol dispersion of the produced surface-treated silica particles was replaced with methyl isobutyl ketone (MIBK) using centrifugation and ultrasonic dispersion methods to prepare an MIBK dispersion of surface-treated silica particles with a solid content concentration of 40 mass%.
この粒子のMIBK分散液6.00gと、多官能アクリレート樹脂(共栄社化学(株)製 ライトアクリレートDPE-6A)1.60gと、光重合開始剤(IGM Resins B.V.製 Omnirad 184)0.10gと、アクリルシリコーン系レベリング剤(楠本化成(株)製 ディスパロンNSH-8430HF、固形分濃度10質量%)0.10gと、MIBK1.20gとアセトン1.00gとを十分に混合して、固形分濃度40質量%の被膜形成用の塗布液を製造した。 6.00 g of the MIBK dispersion of these particles, 1.60 g of a multifunctional acrylate resin (Light Acrylate DPE-6A, manufactured by Kyoeisha Chemical Co., Ltd.), 0.10 g of a photopolymerization initiator (Omnirad 184, manufactured by IGM Resins B.V.), 0.10 g of an acrylic silicone leveling agent (Disparlon NSH-8430HF, manufactured by Kusumoto Chemical Co., Ltd., solids concentration 10% by mass), 1.20 g of MIBK, and 1.00 g of acetone were thoroughly mixed to produce a coating solution for forming a coating with a solids concentration of 40% by mass.
〈被膜付基材の製造〉
この塗布液を、TACフィルム(富士フイルム(株)製 FT-PB40UL-M、厚さ 40μm)にバーコーター法(#16)で塗布し、80℃で120秒間乾燥した後、N2雰囲気下で、300mJ/cm2の紫外線を照射して硬化させ、被膜付基材を製造した。
<Production of coated substrate>
This coating solution was applied to a TAC film (FT-PB40UL-M, 40 μm thick, manufactured by Fujifilm Corporation) using a bar coater method (#16), dried at 80° C. for 120 seconds, and then cured by irradiating with 300 mJ/ cm2 of ultraviolet light in a N2 atmosphere to produce a coated substrate.
被膜付基材を以下の項目について測定した。結果を表5に示す(以下の実施例及び比較例も同様)。 The coated substrate was measured for the following items. The results are shown in Table 5 (the same applies to the following Examples and Comparative Examples).
(9)膜厚
膜厚は、デジタルゲージ((株)小野測器製 ゲージスタンドST-0230及びデジタルゲージカウンターDG-5100)により、被膜の任意の5か所を測定した値の平均値とした。
(9) Film Thickness The film thickness was determined as the average value of measurements taken at any five points on the film using a digital gauge (gauge stand ST-0230 and digital gauge counter DG-5100, manufactured by Ono Sokki Co., Ltd.).
(10)ヘイズ、全光線透過率
ヘーズメーター(日本電色工業(株)製 NDH-5000)により被膜付基材のヘイズ、全光線透過率を測定した。
(10) Haze and Total Light Transmittance The haze and total light transmittance of the coated substrate were measured using a haze meter (NDH-5000, manufactured by Nippon Denshoku Industries Co., Ltd.).
(11)耐擦傷性の測定
#0000のスチールウールを用い、荷重1kg/cm2において、所定の回数を摺動した。各摺動回数において被膜の表面を目視観察した。これを以下の様に分類して強度を評価した。
評価基準:
60回以上 :◎
40回以上60回未満 :○
20回以上40回未満 :△
20回以下 :×
(11) Measurement of Scratch Resistance Using #0000 steel wool, the coating was rubbed a specified number of times under a load of 1 kg/ cm2 . After each number of rubs, the surface of the coating was visually observed. The results were classified into the following categories to evaluate the strength.
Evaluation criteria:
60 or more times: ◎
Between 40 and 60 times: ○
20 or more but less than 40 times: △
20 times or less: ×
(12)鉛筆硬度
鉛筆硬度は、JIS K 5400に準じて、鉛筆硬度試験器で測定した。即ち、被膜表面に対して45度の角度に鉛筆をセットし、所定の荷重を負荷して一定速度で引っ張り、傷の有無を観察した。これを以下の様に分類して硬度を評価した。
評価基準:
4H以上:◎
3H :○
2H :△
H以下 :×
(12) Pencil hardness The pencil hardness was measured using a pencil hardness tester in accordance with JIS K 5400. That is, a pencil was set at a 45 degree angle to the coating surface, and a specific load was applied and pulled at a constant speed to observe whether there was any damage. The hardness was evaluated by classifying it as follows.
Evaluation criteria:
4H or more: ◎
3H: ○
2H: △
H or less: ×
(13)強度と硬度の総合評価
耐擦傷性と鉛筆硬度の評価に対し、以下の様に点数をつけた。
◎:4点
○:3点
△:2点
×:1点
(13) Overall Evaluation of Strength and Hardness The scratch resistance and pencil hardness were evaluated and scored as follows.
◎: 4 points ○: 3 points △: 2 points ×: 1 point
これらの点数を用いて、以下の式にて合計点を算出し、4段階に分類することで総合判定を行った。 Using these scores, a total score was calculated using the following formula, and an overall judgment was made by classifying the scores into four levels.
合計点算出式:(鉛筆硬度の点数)×(耐擦傷性の点数) Total score calculation formula: (pencil hardness score) x (scratch resistance score)
総合判定は、下記「◎」又は「○」を合格とした。
12以上16以下 :◎
9以上12回未満 :○
6以上9未満 :△
6未満 :×
The overall evaluation was as follows: "◎" or "○" was considered a pass.
12 or more and 16 or less: ◎
9 or more but less than 12 times: ○
6 or more but less than 9: △
Less than 6: ×
(14)密着性
被膜付基材の表面にナイフで縦横1mmの間隔で11本の平行な傷を付け100個の升目を作り、これにセロファンテープを接着した。次いで、セロファンテープを剥離して、被膜が剥離せず残存している升目の数を数えた。これを以下の様に分類して密着性を評価した。
評価基準:
残存升目の数100個 :○
残存升目の数99個以下:×
(14) Adhesion The surface of the coated substrate was scratched with a knife in 11 parallel lines spaced 1 mm apart to form 100 squares, to which cellophane tape was attached. The cellophane tape was then peeled off and the number of squares that remained without the coating was counted. The adhesion was evaluated by classifying the results as follows:
Evaluation criteria:
Number of remaining squares: 100
Number of remaining squares: 99 or less: ×
[実施例2]
実施例1において、第二工程後に、再び第一工程と第二工程とを順に行って、表面処理シリカ粒子のメタノール分散液を製造した(第一工程と第二工程の繰り返し回数=2回)。
[Example 2]
In Example 1, after the second step, the first step and the second step were carried out again in this order to produce a methanol dispersion of surface-treated silica particles (the first step and the second step were repeated twice).
次に、この分散液を使用した以外は実施例1と同様にして、塗布液及び被膜付基材を製造し、各特性を評価した。 Next, a coating solution and a coated substrate were produced in the same manner as in Example 1, except that this dispersion was used, and the properties were evaluated.
[実施例3]
γ-メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン30g(シリカ粒子100質量部に対して、Rn-SiX4-nとして5質量部)を使用した以外は実施例2と同様にして、表面処理シリカ粒子のメタノール分散液を製造した。
[Example 3]
A methanol dispersion of surface-treated silica particles was prepared in the same manner as in Example 2, except that 30 g of γ-methacryloxypropyltrimethoxysilane (5 parts by mass as R n -SiX 4-n per 100 parts by mass of silica particles) was used.
次に、この分散液を使用した以外は実施例1と同様にして、塗布液及び被膜付基材を製造し、各特性を評価した。 Next, a coating solution and a coated substrate were produced in the same manner as in Example 1, except that this dispersion was used, and the properties were evaluated.
[実施例4]
γ-メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン300g(シリカ粒子100質量部に対して、Rn-SiX4-nとして50質量部)を使用し、第一工程と第二工程とを、順に10回繰り返した以外は実施例1と同様にして、表面処理シリカ粒子のメタノール分散液を製造した。
[Example 4]
A methanol dispersion of surface-treated silica particles was produced in the same manner as in Example 1, except that 300 g of γ-methacryloxypropyltrimethoxysilane (50 parts by mass of R n -SiX 4-n per 100 parts by mass of silica particles) was used and the first and second steps were repeated 10 times in sequence.
次に、この分散液を使用した以外は実施例1と同様にして、塗布液及び被膜付基材を製造し、各特性を評価した。 Next, a coating solution and a coated substrate were produced in the same manner as in Example 1, except that this dispersion was used, and the properties were evaluated.
[実施例5]
第二工程にて、メタノール6kgを使用した以外は実施例2と同様にして、表面処理シリカ粒子のメタノール分散液を製造した。
[Example 5]
A methanol dispersion of surface-treated silica particles was produced in the same manner as in Example 2, except that 6 kg of methanol was used in the second step.
次に、この分散液を使用した以外は実施例1と同様にして、塗布液及び被膜付基材を製造し、各特性を評価した。 Next, a coating solution and a coated substrate were produced in the same manner as in Example 1, except that this dispersion was used, and the properties were evaluated.
[実施例6]
第二工程にて、メタノール4.8kgを使用した以外は実施例2と同様にして、表面処理シリカ粒子のメタノール分散液を製造した。
[Example 6]
A methanol dispersion of surface-treated silica particles was produced in the same manner as in Example 2, except that 4.8 kg of methanol was used in the second step.
次に、この分散液を使用した以外は実施例1と同様にして、塗布液及び被膜付基材を製造し、各特性を評価した。 Next, a coating solution and a coated substrate were produced in the same manner as in Example 1, except that this dispersion was used, and the properties were evaluated.
[実施例7]
シリカ粒子の水分散液(日揮触媒化成(株)製 カタロイドSI-80P、固形分濃度40質量%)1500gを水500gで希釈して使用した以外は実施例2と同様にして、表面処理シリカ粒子のメタノール分散液を製造した。
[Example 7]
A methanol dispersion of surface-treated silica particles was produced in the same manner as in Example 2, except that 1,500 g of an aqueous dispersion of silica particles (Cataloid SI-80P manufactured by JGC Catalysts and Chemicals, Ltd., solid content concentration 40% by mass) was diluted with 500 g of water and used.
次に、この分散液を使用した以外は実施例1と同様にして、塗布液及び被膜付基材を製造し、各特性を評価した。 Next, a coating solution and a coated substrate were produced in the same manner as in Example 1, except that this dispersion was used, and the properties were evaluated.
[実施例8]
シリカアルミナ粒子の水分散液(日揮触媒化成(株)製 カタロイドSN-350、固形分濃度16質量%)3750gを、限外膜濾過法により、分散媒をメタノールに置換した後、濃縮を行い固形分濃度30質量%のシリカアルミナ粒子のメタノール分散液を調製した。この分散液を使用したこと以外は実施例2と同様にして、表面処理シリカアルミナ粒子のメタノール分散液を製造した。
[Example 8]
The dispersion medium of 3,750 g of an aqueous dispersion of silica-alumina particles (JGC Catalysts and Chemicals Co., Ltd., Cataloid SN-350, solid content concentration 16% by mass) was replaced with methanol by ultrafiltration, and then the mixture was concentrated to prepare a methanol dispersion of silica-alumina particles with a solid content concentration of 30% by mass. A methanol dispersion of surface-treated silica-alumina particles was produced in the same manner as in Example 2, except that this dispersion was used.
次に、この分散液を使用した以外は実施例1と同様にして、塗布液及び被膜付基材を製造し、各特性を評価した。 Next, a coating solution and a coated substrate were produced in the same manner as in Example 1, except that this dispersion was used, and the properties were evaluated.
[実施例9]
シリカ粒子の水分散液(日揮触媒化成(株)製 カタロイドSI-550、固形分濃度20質量%)3000gを使用したこと以外は実施例2と同様にして、表面処理シリカ粒子のメタノール分散液を製造した。
[Example 9]
A methanol dispersion of surface-treated silica particles was produced in the same manner as in Example 2, except that 3,000 g of an aqueous dispersion of silica particles (Cataloid SI-550, manufactured by JGC Catalysts and Chemicals, Ltd., solid content concentration 20% by mass) was used.
次に、この分散液を使用した以外は実施例1と同様にして、塗布液及び被膜付基材を製造し、各特性を評価した。 Next, a coating solution and a coated substrate were produced in the same manner as in Example 1, except that this dispersion was used, and the properties were evaluated.
[実施例10]
シリカ粒子の水分散液(日揮触媒化成(株)製 スフェリカスラリーSS-120、固形分濃度18質量%)3333gを使用した以外は実施例2と同様にして、表面処理シリカ粒子のメタノール分散液を製造した。
[Example 10]
A methanol dispersion of surface-treated silica particles was produced in the same manner as in Example 2, except that 3,333 g of an aqueous dispersion of silica particles (Spherica Slurry SS-120, manufactured by JGC Catalysts and Chemicals, Ltd., solid content concentration 18% by mass) was used.
次に、この分散液を使用した以外は実施例1と同様にして、塗布液及び被膜付基材を製造し、各特性を評価した。 Next, a coating solution and a coated substrate were produced in the same manner as in Example 1, except that this dispersion was used, and the properties were evaluated.
[実施例11]
シリカ粒子の水分散液(日揮触媒化成(株)製 カタロイドSI-80P)1500gを水500gで希釈したものと、γ-メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン18g(シリカ粒子100質量部に対して、Rn-SiX4-nとして3質量部)とを使用した以外は実施例2と同様にして、表面処理シリカ粒子のメタノール分散液を製造した。
[Example 11]
A methanol dispersion of surface-treated silica particles was produced in the same manner as in Example 2, except that 1,500 g of an aqueous dispersion of silica particles (Cataloid SI-80P, manufactured by JGC Catalysts and Chemicals Co., Ltd.) was diluted with 500 g of water, and 18 g of γ-methacryloxypropyltrimethoxysilane (3 parts by mass as R n -SiX 4-n per 100 parts by mass of silica particles) was used.
次に、この分散液を使用した以外は実施例1と同様にして、塗布液及び被膜付基材を製造し、各特性を評価した。 Next, a coating solution and a coated substrate were produced in the same manner as in Example 1, except that this dispersion was used, and the properties were evaluated.
[実施例12]
シリカアルミナ粒子の水分散液(日揮触媒化成(株)製 カタロイドSN、固形分濃度20質量%)3000gを、限外膜濾過法により、分散媒をメタノールに置換した後、濃縮を行い固形分濃度30質量%のシリカアルミナ粒子のメタノール分散液を調製した。この分散液を使用したこと以外は実施例2と同様にして、表面処理シリカ粒子のメタノール分散液を製造した。
[Example 12]
A dispersion medium of 3000 g of an aqueous dispersion of silica-alumina particles (Cataloid SN, manufactured by JGC Catalysts and Chemicals, Ltd., solid content concentration 20% by mass) was replaced with methanol by ultrafiltration, and then concentrated to prepare a methanol dispersion of silica-alumina particles with a solid content concentration of 30% by mass. A methanol dispersion of surface-treated silica particles was produced in the same manner as in Example 2, except that this dispersion was used.
次に、この分散液を使用した以外は実施例1と同様にして、塗布液及び被膜付基材を製造し、各特性を評価した。 Next, a coating solution and a coated substrate were produced in the same manner as in Example 1, except that this dispersion was used, and the properties were evaluated.
[実施例13]
四塩化チタンをTiO2換算で2質量%含む四塩化チタン水溶液4500gと、濃度15質量%のアンモニア水1760gとを混合し、白色のスラリーを調製した。スラリーを濾過した後、純水で洗浄し、固形分濃度が5質量%のケーキ1800gを得た。これに35質量%の過酸化水素水2056gと純水5144gを加え、80℃で1時間加熱して、過酸化チタン酸をTiO2換算で1質量%含む過酸化チタン酸水溶液9000gを得た。
[Example 13]
4500g of titanium tetrachloride aqueous solution containing 2% by mass of titanium tetrachloride in terms of TiO2 and 1760g of ammonia water with a concentration of 15% by mass were mixed to prepare a white slurry. The slurry was filtered and then washed with pure water to obtain 1800g of a cake with a solid content concentration of 5% by mass. 2056g of 35% by mass of hydrogen peroxide solution and 5144g of pure water were added to this, and heated at 80°C for 1 hour to obtain 9000g of a titanic acid peroxide aqueous solution containing 1% by mass of titanic acid in terms of TiO2 .
次に、この過酸化チタン酸水溶液9000gを、シリカアルミナ粒子の水分散液(日揮触媒化成(株)製 カタロイドSN-350)92gを純水5890gで希釈した水分散液に添加した。その後、この水分散液をオートクレーブ中にて165℃で18時間加温した。次に、得られた水分散液を室温まで冷却した後、限外濾過膜装置を用いて濃縮した。次いで、陽イオン交換樹脂を用いてイオン交換し、固形分濃度1質量%のチタニアシリカ粒子の水分散液10472gを得た。 Next, 9,000 g of this titanic acid peroxide aqueous solution was added to an aqueous dispersion of 92 g of an aqueous dispersion of silica alumina particles (Cataloid SN-350, manufactured by JGC Catalysts and Chemicals Co., Ltd.) diluted with 5,890 g of pure water. This aqueous dispersion was then heated at 165°C for 18 hours in an autoclave. Next, the resulting aqueous dispersion was cooled to room temperature and concentrated using an ultrafiltration membrane device. Next, ion exchange was performed using a cation exchange resin to obtain 10,472 g of an aqueous dispersion of titania silica particles with a solid content concentration of 1% by mass.
この水分散液に、有機珪素化合物としてSiO2換算で28.8質量%のテトラエトキシシラン(多摩化学工業(株)製)79.9g(チタニアシリカ粒子100質量部に対して、Rn-SiX4-nとして22質量部)と、メタノール10472gとを添加した後、50℃で19時間撹拌した。この分散液を室温まで冷却した後、限外膜濾過法により、分散媒をメタノールに置換、及び濃縮を行い、金属酸化物粒子としての固形分濃度が30質量%のチタニアシリカ粒子のメタノール分散液を調製した。 To this aqueous dispersion, 79.9 g of tetraethoxysilane (manufactured by Tama Chemicals Co., Ltd.) (22 parts by mass as R n -SiX 4-n per 100 parts by mass of titania silica particles) having a SiO 2 content of 28.8% by mass as an organosilicon compound and 10,472 g of methanol were added, and the mixture was stirred for 19 hours at 50° C. After cooling the dispersion to room temperature, the dispersion medium was replaced with methanol by ultrafiltration and the mixture was concentrated to prepare a methanol dispersion of titania silica particles having a solid content concentration of 30% by mass as metal oxide particles.
このチタニアシリカ粒子のメタノール分散液425.8gに、濃度28質量%のアンモニア水2.3gと純水10.5gとを添加し、室温で0.5時間撹拌した。次に、有機珪素化合物としてγ-メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン63.9g(チタニアシリカ粒子100質量部に対して、Rn-SiX4-nとして50質量部)を添加し、50℃で19時間撹拌して、表面処理チタニアシリカ粒子の分散液を得た。 To 425.8 g of this methanol dispersion of titania silica particles, 2.3 g of 28% ammonia water and 10.5 g of pure water were added and stirred at room temperature for 0.5 hours. Next, 63.9 g of γ-methacryloxypropyltrimethoxysilane (50 parts by mass of R n -SiX 4-n per 100 parts by mass of titania silica particles) was added as an organosilicon compound and stirred at 50° C. for 19 hours to obtain a dispersion of surface-treated titania silica particles.
この表面処理チタニアシリカ粒子の分散液を室温まで冷却し、メタノール2.1kg(チタニアシリカ粒子のメタノール分散液の5倍量に相当)を用いて、限外濾過膜法により、「未反応、及び物理吸着している有機珪素化合物」を除去した。 This dispersion of surface-treated titania silica particles was cooled to room temperature, and 2.1 kg of methanol (equivalent to 5 times the amount of the methanol dispersion of titania silica particles) was used to remove "unreacted and physically adsorbed organosilicon compounds" by ultrafiltration membrane method.
次に、再度、前述のγ-メタクリロキシプロピルトリメトキシシランによる表面処理、及び、限外濾過膜法による「未反応、及び物理吸着している有機珪素化合物」の除去を行って、金属酸化物粒子としての固形分濃度が30質量%の本願発明の表面処理チタニアシリカ粒子のメタノール分散液を製造した。 Next, the surface was again treated with gamma-methacryloxypropyltrimethoxysilane as described above, and the "unreacted and physically adsorbed organosilicon compounds" were removed by ultrafiltration membrane method to produce a methanol dispersion of the surface-treated titania silica particles of the present invention having a solids concentration of 30 mass% as metal oxide particles.
次に、この分散液を使用した以外は実施例1と同様にして、塗布液及び被膜付基材を製造し、各特性を評価した。 Next, a coating solution and a coated substrate were produced in the same manner as in Example 1, except that this dispersion was used, and the properties were evaluated.
[実施例14]
有機珪素化合物として、γ-メタクリロキシオクチルトリメトキシシラン(信越化学工業(株)製 KBM-5803)を使用した以外は実施例2と同様にして、表面処理シリカ粒子のメタノール分散液を製造した。
[Example 14]
A methanol dispersion of surface-treated silica particles was prepared in the same manner as in Example 2, except that γ-methacryloxyoctyltrimethoxysilane (KBM-5803, manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) was used as the organosilicon compound.
次に、この分散液を使用した以外は実施例1と同様にして、塗布液及び被膜付基材を製造し、各特性を評価した。 Next, a coating solution and a coated substrate were produced in the same manner as in Example 1, except that this dispersion was used, and the properties were evaluated.
[比較例1]
γ-メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン6g(シリカ粒子100質量部に対して、Rn-SiX4-nとして1質量部)を使用した以外は実施例1と同様にして、表面処理シリカ粒子のメタノール分散液を製造した。
[Comparative Example 1]
A methanol dispersion of surface-treated silica particles was prepared in the same manner as in Example 1, except that 6 g of γ-methacryloxypropyltrimethoxysilane (1 part by mass as R n -SiX 4-n per 100 parts by mass of silica particles) was used.
次に、この分散液を使用した以外は実施例1と同様にして、塗布液及び被膜付基材を製造し、各特性を評価した。 Next, a coating solution and a coated substrate were produced in the same manner as in Example 1, except that this dispersion was used, and the properties were evaluated.
[比較例2]
第二工程を実施せずに、モレキュラーシーブ(関東化学(株)製 3A 1/16)を使用して、第一工程で得られた表面処理シリカ粒子の分散液から、水分及びアンモニアを除去して、金属酸化物粒子としての固形分濃度を30質量%に調整した以外は実施例1同様にして、表面処理シリカ粒子のメタノール分散液を製造した。
[Comparative Example 2]
A methanol dispersion of surface-treated silica particles was produced in the same manner as in Example 1, except that the second step was not carried out and a molecular sieve (3A 1/16, manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) was used to remove moisture and ammonia from the dispersion of surface-treated silica particles obtained in the first step to adjust the solid content concentration as metal oxide particles to 30 mass %.
次に、この分散液を使用した以外は実施例1と同様にして、塗布液及び被膜付基材を製造し、各特性を評価した。 Next, a coating solution and a coated substrate were produced in the same manner as in Example 1, except that this dispersion was used, and the properties were evaluated.
[比較例3]
第二工程にて、メタノール2kg(シリカ粒子のメタノール分散液の1倍量に相当)を使用した以外は実施例1と同様にして、表面処理シリカ粒子のメタノール分散液を製造した。
[Comparative Example 3]
A methanol dispersion of surface-treated silica particles was produced in the same manner as in Example 1, except that 2 kg of methanol (corresponding to one time the amount of the methanol dispersion of silica particles) was used in the second step.
次に、この分散液を使用した以外は実施例1と同様にして、塗布液及び被膜付基材を製造し、各特性を評価した。 Next, a coating solution and a coated substrate were produced in the same manner as in Example 1, except that this dispersion was used, and the properties were evaluated.
[比較例4]
シリカ粒子の水分散液(日揮触媒化成(株)製 スフェリカスラリー160、固形分濃度16質量%)3750gを使用した以外は実施例2と同様にして、表面処理シリカ粒子のメタノール分散液を製造した。
[Comparative Example 4]
A methanol dispersion of surface-treated silica particles was produced in the same manner as in Example 2, except that 3,750 g of an aqueous dispersion of silica particles (Spherica Slurry 160, manufactured by JGC Catalysts and Chemicals, Ltd., solid content concentration 16% by mass) was used.
次に、この分散液を使用した以外は実施例1と同様にして、塗布液及び被膜付基材を製造し、各特性を評価した。 Next, a coating solution and a coated substrate were produced in the same manner as in Example 1, except that this dispersion was used, and the properties were evaluated.
Claims (4)
前記分散液から前記表面処理金属酸化物粒子を除いた液中の前記有機珪素化合物が、前記金属酸化物粒子に対して、固形分として0.20質量部以下であり、
前記表面処理金属酸化物粒子の画像解析による一次粒子径の平均(D)が5~120nm、前記表面処理金属酸化物粒子の動的光散乱法による平均粒子径(L)と、前記一次粒子径の平均(D)との比(L/D)が1.0~1.5であり、
前記表面処理金属酸化物粒子のメタノール分散液のパルスNMR測定から求められる前記表面処理金属酸化物粒子の比表面積(A1)と、前記金属酸化物粒子の画像解析による一次粒子径の平均(F)から求められる前記金属酸化物粒子の比表面積(A2)との比(A1/A2)が0.30~0.80であることを特徴とする分散液。 A dispersion liquid of surface-treated metal oxide particles containing 3 to 60 parts by mass of an organosilicon compound having a functional group as a solid content per 100 parts by mass of metal oxide particles,
the organosilicon compound in the liquid remaining after removing the surface-treated metal oxide particles from the dispersion is 0.20 parts by mass or less in terms of solid content relative to the metal oxide particles;
the surface-treated metal oxide particles have an average primary particle size (D) of 5 to 120 nm as determined by image analysis, and the ratio (L/D) of the average particle size (L) of the surface-treated metal oxide particles as determined by dynamic light scattering to the average primary particle size (D) is 1.0 to 1.5;
a ratio (A1/A2) of a specific surface area (A1) of the surface-treated metal oxide particles determined by pulse NMR measurement of a methanol dispersion of the surface-treated metal oxide particles to a specific surface area (A2) of the metal oxide particles determined from an average primary particle diameter (F) of the metal oxide particles by image analysis is 0.30 to 0.80 .
前記第一工程で得られた、金属酸化物としての固形分濃度が10~60質量%の、表面処理後の金属酸化物粒子の分散液から、1回あたりの洗浄液量が前記分散液の3倍以上の洗浄液量にて、前記有機珪素化合物を除去する第二工程と、を順に備え、
前記第二工程で得られた分散液中の表面処理金属酸化物粒子が、前記金属酸化物粒子100質量部に対して、官能基を有する有機珪素化合物を固形分として3~60質量部含み、
前記分散液から前記表面処理金属酸化物粒子を除いた液中の前記有機珪素化合物が、前記金属酸化物粒子に対して、固形分として0.20質量部以下であり、
前記表面処理金属酸化物粒子の画像解析による一次粒子径の平均(D)が5~120nm、前記表面処理金属酸化物粒子の動的光散乱法による平均粒子径(L)と、前記一次粒子径の平均(D)との比(L/D)が1.0~1.5であることを特徴とする表面処理金属酸化物粒子の分散液の製造方法。
Rn-SiX4-n (1)
(式中、Rは炭素数1~10の非置換又は置換炭化水素基で、Xは炭素数1~4のアルコキシ基、水酸基、ハロゲン原子、水素原子であり、nは0~4の整数を示す。) A first step of surface-treating the metal oxide particles by adding an organosilicon compound represented by the following formula (1) to a dispersion liquid containing the metal oxide particles;
a second step of removing the organosilicon compound from the dispersion of surface-treated metal oxide particles obtained in the first step , the dispersion having a solid content concentration as metal oxide of 10 to 60 mass % , using a cleaning liquid amount per one time that is at least three times the amount of the dispersion ,
the surface-treated metal oxide particles in the dispersion obtained in the second step contain, as a solid content, 3 to 60 parts by mass of an organosilicon compound having a functional group per 100 parts by mass of the metal oxide particles;
the organosilicon compound in the liquid remaining after removing the surface-treated metal oxide particles from the dispersion is 0.20 parts by mass or less in terms of solid content relative to the metal oxide particles;
a ratio (L/D) of an average particle size (L) of the surface-treated metal oxide particles measured by a dynamic light scattering method to the average primary particle size (D) of the surface-treated metal oxide particles measured by an image analysis method is 1.0 to 1.5.
R n -SiX 4-n (1)
(In the formula, R is an unsubstituted or substituted hydrocarbon group having 1 to 10 carbon atoms, X is an alkoxy group having 1 to 4 carbon atoms, a hydroxyl group, a halogen atom, or a hydrogen atom, and n is an integer of 0 to 4.)
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