以下に、本発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明の第一の実施形態は、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)である。本実施形態に係る活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)(以下、単に「活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)」とも称す。)は、脂環構造及び/又は芳香族環構造を有する(メタ)アクリル重合体(A)と不飽和化合物(B)を含有する組成物である。
脂環構造及び/又は芳香族環構造を有する(メタ)アクリル重合体(A)を含有することで、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)は、これを硬化する際の硬化収縮が抑制される。そのため、造形精度の優れた活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の硬化物を得ることができる。また、該硬化物は、高い耐熱性を有する。
(メタ)アクリル重合体(A)の数平均分子量(Mn)は、2,000~100,000であることが好ましい。(メタ)アクリル重合体(A)の数平均分子量(Mn)が2,000以上であれば、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)を硬化させる際に、硬化収縮の抑制効果が発揮でき、精度良く造形が行え、また、得られる硬化物は耐熱性に優れるとともに、十分な耐衝撃性を有するため好ましい。(メタ)アクリル重合体(A)の数平均分子量(Mn)が100,000以下であれば、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の粘度を三次元光造形に適した範囲に保つことができるため好ましい。これらの観点から、(メタ)アクリル重合体(A)の数平均分子量(Mn)は、3,000~80,000である場合より好ましく、4,000~60,000である場合更に好ましい。
(メタ)アクリル重合体(A)の含有量は、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の全質量に対して0.1~50.0質量%であることが好ましい。(メタ)アクリル重合体(A)の含有量が0.1質量%以上であれば、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の硬化収縮率を抑制し、その硬化物を精度良く造形できるため好ましい。(メタ)アクリル重合体(A)の含有量が50.0質量%以下であれば、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の粘度を三次元光造形に適した範囲に保つことができるため好ましい。これらの観点から、(メタ)アクリル重合体(A)の含有量は、0.5~25.0質量%である場合より好ましく、1.0~20.0質量%である場合更に好ましく、5.0~20.0質量%である場合特に好ましい。
脂環構造及び/又は芳香族環構造を有する(メタ)アクリル重合体(A)は、単官能モノマー(a1)に由来する構造単位を含有する。単官能モノマー(a1)は、脂環構造及び/又は芳香族環構造を有する、メタクリレート系単官能モノマー、アクリルレート系単官能モノマー、メタクリルアミド系単官能モノマー及びアクリルアミド系単官能モノマーから選択される1種以上の単官能モノマーである。そのため、単官能モノマー(a1)に由来する構造単位を含有する(メタ)アクリル重合体(A)は脂環構造及び/又は芳香族環構造を有する。単官能モノマー(a1)に由来する構造単位を含有する(メタ)アクリル重合体(A)が活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)に含有されると、硬化時の収縮を抑制できるため、これを硬化して得られる硬化物は造形精度に優れる。このような観点から、(メタ)アクリル重合体(A)における単官能モノマー(a1)に由来する構造単位の含有量は、(メタ)アクリル重合体(A)の全質量に対して10.0質量%以上であることが好ましく、20.0質量%以上であることがより好ましい。(メタ)アクリル重合体(A)における単官能モノマー(a1)に由来する構造単位の含有量の上限は、特に限定されず、(メタ)アクリル重合体(A)の全質量に対して100質量%であってもよく、また、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の耐硬化収縮性と、その硬化物の耐熱性とのバランスを維持するために90.0質量%以下とすることが好ましい。更に、(メタ)アクリルアミド基を有する単官能モノマーのホモポリマーは通常高いガラス転移温度(Tg)を有する。そのため、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の硬化物のガラス転移温度(Tg)、すなわち耐熱性を向上させる観点からは、単官能モノマー(a1)が、脂環構造及び/又は芳香族環構造を有する、メタクリルアミド系単官能モノマー及び/又はアクリルアミド系単官能モノマーであることが好ましい。
単官能モノマー(a1)のうち、メタクリレート系単官能モノマー、アクリルレート系単官能モノマーとしては、例えば、シクロヘキシル(メタ)アクリレート、フェニル(メタ)アクリレート、ベンジル(メタ)アクリレート、フェノキシエチル(メタ)アクリレート、ジシクロペンタニル(メタ)アクリレート、ジシクロペンタニルオキシエチル(メタ)アクリレート、ジシクロペンテニル(メタ)アクリレート、ジシクロペンテニルオキシエチル(メタ)アクリレート、ボルニル(メタ)アクリレート、イソボルニル(メタ)アクリレート、t-ブチルシクロヘキシル(メタ)アクリレート、トリメチルシクロヘキシル(メタ)アクリレート、アダマンチル(メタ)アクリレート、フェノキシ基と炭素数1~4のアルキレングリコール基からなる官能基を導入したフェノキシアルキレングリコール(メタ)アクリレート類、炭素数が1~18の直鎖、分岐、環状のアルキル基を導入したアルキルシクロヘキシル(メタ)アクリレート類、ジアルキルシクロヘキシル(メタ)アクリレート類、トリアルキルシクロヘキシル(メタ)アクリレート類、アルキルフェニル(メタ)アクリレート類、アルキルベンジル(メタ)アクリレート類、アルキルフェノキシアルキレングリコール(メタ)アクリレート類、アルキルジシクロペンタニル(メタ)アクリレート類、アルキルジシクロペンタニルオキシエチル(メタ)アクリレート類、アルキルジシクロペンテニル(メタ)アクリレート類、アルキルジシクロペンテニルオキシエチル(メタ)アクリレート類、アルキルアダマンチル(メタ)アクリレート類、炭素数が1~18の直鎖、分岐、環状のヒドロキシアルキル基を導入したヒドロキシアルキルシクロヘキシル(メタ)アクリレート類、ヒドロキシアルキルフェニル(メタ)アクリレート類、ヒドロキシアルキルベンジル(メタ)アクリレート類、ヒドロキシアルキルフェノキシアルキレングリコール(メタ)アクリレート類、ヒドロキシアルキルジシクロペンタニル(メタ)アクリレート類、ヒドロキシアルキルジシクロペンタニルオキシエチル(メタ)アクリレート類、ヒドロキシアルキルジシクロペンテニル(メタ)アクリレート類、ヒドロキシアルキルジシクロペンテニルオキシエチル(メタ)アクリレート類、ヒドロキシアルキルアダマンチル(メタ)アクリレート類、炭素数が1~6の直鎖、分岐のアルキル基を導入したN-(メタ)アクリロイルオキシアルキルノルボルネンカルボキサミド、N-(メタ)アクリロイルオキシアルキルノルボルナンカルボキサミド、N-アルキル-N-(メタ)アクリロイルオキシアルキルノルボルネンカルボキサミド、N-アルキル-N-(メタ)アクリロイルオキシアルキルノルボルナンカルボキサミド等の(メタ)アクリロイル基含有多環式カルボキサミド類等が挙げられる。単官能モノマー(a1)は1種類単独で使用してもよいし、また2種類以上併用してもよい。なお(メタ)アクリレートとはアクリレートまたはメタクリレートを示す。
単官能モノマー(a1)のうち、メタクリルアミド系単官能モノマーとアクリルアミド系単官能モノマーとしては、例えば、N-シクロヘキシル(メタ)アクリルアミド、N-フェニル(メタ)アクリルアミド、N-ベンジル(メタ)アクリルアミド、N-ジシクロペンタニル(メタ)アクリルアミド、N-ジシクロペンタニルオキシエチル(メタ)アクリルアミド、N-ジシクロペンテニル(メタ)アクリルアミド、N-ジシクロペンテニルオキシエチル(メタ)アクリルアミド、N-ボルニル(メタ)アクリルアミド、N-イソボルニル(メタ)アクリルアミド、N-アダマンチル(メタ)アクリルアミド、炭素数1~8の直鎖または分岐のアルキル基を導入したN-アルキル-N-シクロヘキシル(メタ)アクリルアミド、N-アルキル-N-フェニル(メタ)アクリルアミド、N-アルキル-N-ベンジル(メタ)アクリルアミド、N-アルキル-N-ジシクロペンタニル(メタ)アクリルアミド、N-アルキル-N-ジシクロペンタニルオキシエチル(メタ)アクリルアミド、N-アルキル-N-ジシクロペンテニル(メタ)アクリルアミド、N-アルキル-N-ジシクロペンテニルオキシエチル(メタ)アクリルアミド、N-アルキル-N-ボルニル(メタ)アクリルアミド、N-アルキル-N-イソボルニル(メタ)アクリルアミド、N-アルキル-N-アダマンチル(メタ)アクリルアミド等が挙げられる。単官能モノマー(a1)は1種類単独で使用してもよいし、また2種類以上併用してもよい。なお(メタ)アクリルアミドとはアクリルアミドまたはメタクリルアミドを示す。
(メタ)アクリル重合体(A)は、単官能モノマー(a1)に由来する構造単位に加え、脂環構造及び芳香族環構造を有しないメタクリルアミド系単官能モノマー及びアクリルアミド系単官能モノマーから選択される1種以上の単官能モノマー(a2)に由来する構造単位を含有する重合体でもよい。単官能モノマー(a2)は、脂環構造及び芳香族環構造を有しないメタクリルアミド系単官能モノマー及びアクリルアミド系単官能モノマーから選択される1種以上の単官能モノマーである。上記のとおり、(メタ)アクリルアミド基を有する単官能モノマーのホモポリマーは通常高いガラス転移温度(Tg)を有するため、単官能モノマー(a2)に由来する構造単位を含有する(メタ)アクリルアミド重合体(A)は、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の硬化物のガラス転移温度(Tg)、すなわち耐熱性を向上させる。このような観点から、(メタ)アクリル重合体(A)における単官能モノマー(a2)に由来する構造単位の含有量は、(メタ)アクリル重合体(A)の全質量に対して、0.5~50.0質量%であることが好ましく、1.0~45.0質量%であることがより好まく、5.0~40.0質量%であることが特に好ましい。
単官能モノマー(a2)としては、(メタ)アクリルアミド、モノ又はジ置換(メタ)アクリルアミド、(メタ)アクロイルモルホリン、N-ビニルホルムアミド、N-ビニルアセトアミド、N-ビニルピロリドン、N-ビニルピペリドン、N-ビニルカプロラクタム、不飽和ジカルボン酸アミドが挙げられ、また、モノ又はジ置換(メタ)アクリルアミドとしては、例えば、炭素数1から18の直鎖、分岐のアルキル基を導入したN-アルキル(メタ)アクリルアミド、N,N-ジアルキル(メタ)アクリルアミド、炭素数が1~6のヒドロキシアルキル基を導入したN-ヒロドキシアルキル(メタ)アクリルアミド、N,N-ジ(ヒロドキシアルキル)(メタ)アクリルアミド、炭素数が1~6のヒドロキシアルキル基および炭素数1~6のアルキル基を導入したN-アルキル-N-ヒロドキシアルキル(メタ)アクリルアミド、炭素数が1~6のアルコキシ基と炭素数1~6のアルキレン基からなるアルコキシアルキル基を導入したN-アルコキシアルキル(メタ)アクリルアミド、N,N-ジ(アルコキシアルキル)(メタ)アクリルアミド、炭素数が1~6のアルコキシ基と炭素数1~6のアルキレン基からなるアルコキシアルキル基、炭素数が1~6のアルキル基を導入したN-アルキル-N-アルコキシアルキル(メタ)アクリルアミド、炭素数が1~6のアルキルスルホン酸基を導入したN-スルホアルキルアクリルアミド、炭素数が1~6のアミノアルキル基を導入したN-アルキルアミノ(メタ)アクリルアミド、炭素数が1~6のアミノアルキル基と炭素数1~6のアルキル基からなるN-アルキルアミノアルキル基を導入したN-アルキルアミノアルキル(メタ)アクリルアミド、炭素数が1~6のアミノアルキル基と炭素数1~6のアルキル基からなるN,N-ジアルキルアミノアルキル基を導入したN,N-ジアルキルアミノアルキル(メタ)アクリルアミド等が挙げられ、不飽和ジカルボン酸アミドとしては炭素数が1~18の直鎖のアルキル基を導入したN-アルキルマレイン酸モノアミド、N-アルキルフマル酸モノアミド、N-アルキルイタコン酸モノアミドN,N-ジアルキルマレイン酸モノアミド、N,N-ジアルキルフマル酸モノアミド、N,N-ジアルキルイタコン酸モノアミド等が挙げられる。単官能モノマー(a2)は1種類単独で使用してもよいし、また2種類以上併用してもよい。
(メタ)アクリル重合体(A)は、単官能モノマー(a1)に由来する構造単位及び/又は単官能モノマー(a2)に由来する構造単位に加え、その分子量制御や疎水性向上のため必要に応じて他の重合性官能基を有するモノマーに由来する構造単位を含有する重合体でもよい。他の重合性官能基を有するモノマーは、分子中に重合性官能基を1個有する単官能モノマー(a3)や、分子中に重合性官能基を2個以上有し、かつ、メタクリレート基、アクリルレート基、メタクリルアミド基及びアクリルアミド基から選択される官能基を1個のみ個有する多官能モノマーである。単官能モノマー(a3)は、単官能モノマー(a1)及び(a2)を除く単官能モノマーである。単官能モノマー(a3)としては、(メタ)アクリレート系単官能モノマー、ビニル系単官能モノマー、アリル系単官能モノマーが挙げられる。これらの単官能モノマー(a3)は、1種類単独で使用してもよいし、また2種類以上併用してもよい。(メタ)アクリル重合体(A)が単官能モノマー(a3)に由来する構造単位を含有する場合、その含有量は(メタ)アクリル重合体(A)の全質量に対して、0.5~60.0質量%である態様が挙げられ、5.0~50.0質量%である態様を挙げることもできる。
単官能モノマー(a3)のうち、(メタ)アクリレート系単官能モノマーとしては、(メタ)アクリル酸、炭素数が1~22の直鎖、分岐アルキル基を導入したアルキル(メタ)アクリレート類、炭素数が1~18の直鎖、分岐のヒドロキシアルキル基を導入したヒドロキシアルキル(メタ)アクリレート類、(メタ)アクリル酸とヒドロキシアルキルカルボン酸類からなる(メタ)アクリル酸エチルカルボン酸、(メタ)アクリル酸エチルコハク酸等の(メタ)アクリル酸アルキルカルボン酸類、炭素数が1~18の直鎖、分岐のアルキルスルホン酸基を導入した(メタ)アクリル酸アルキルスルホン酸類、炭素数が1~18の直鎖、分岐のアルキルリン酸基を導入した(メタ)アクリル酸アルキルリン酸類、炭素数が1~18のアルキル基と炭素数1~4のアルキレングリコール基からなる官能基を導入したアルコキシアルキレングリコール(メタ)アクリレート類、アルコキシジアルキレングリコール(メタ)アクリレート類、アルコキシトリアルキレングリコール(メタ)アクリレート類、アルコキシポリアルキレングリコール(メタ)アクリレート類や、炭素数が1~6のアミノアルキル基を導入したN-アルキルアミノ(メタ)アクリレート類や、炭素数が1~6のアミノアルキル基と炭素数1~6のアルキル基からなるN-アルキルアミノアルキル基を導入したN-アルキルアミノアルキル(メタ)アクリレート類や、炭素数が1~6のアミノアルキル基と炭素数1~6のアルキル基からなるN,N-ジアルキルアミノアルキル基を導入したN,N-ジアルキルアミノアルキル(メタ)アクリレート類や、グリシジル(メタ)アクリレート、4-ヒドロキシブチル(メタ)アクリレートグリシジルエーテル等のエポキシ基を導入した(メタ)アクリレート類や、ヘテロ環を導入したテトラヒドロフルフリル(メタ)アクリレート、(2-メチル-2-エチル-1,3-ジオキソラン-4-イル)メチル(メタ)アクリレート、(3-エチルオキセタン-3-イル)メチル(メタ)アクリレート、環状トリメチロールプロパンホルマール(メタ)アクリレート等が挙げられる。
単官能モノマー(a3)のうちビニル系単官能モノマーとしては、酢酸ビニル等の炭素数が1~22のカルボン酸を導入したカルボン酸ビニルエステル、炭素数が1~22の直鎖、分岐、環状のアルキル基を導入したアルキルビニルエーテル、スチレン、炭素数が1~22の直鎖、分岐、環状のアルキル基を導入した2-アルキルスチレン、3-アルキルスチレン、4-アルキルスチレン、ビニルクロライド、N-ビニルオキサゾリン、マレイン酸、無水マレイン酸、フマル酸、イタコン酸、イタコン酸無水物、炭素数が1~22の直鎖、分岐、環状のアルキル基を導入したマレイン酸モノアルキルエステル、マレイン酸ジアルキルエステル、フマル酸モノアルキルエステル、フマル酸ジアルキルエステル、イタコン酸モノアルキルエステル、イタコン酸ジアルキルエステル、ビニルカルボン酸、ビニルスルホン酸、ビニルリン酸等が挙げられる。
単官能モノマー(a3)のうちアリル基を有するモノマーとしては、アリルオキサゾリン、アリルスルホン酸、アリルホスホン酸、酢酸アリル、エチレングリコールモノアリルエーテル、ジエチレングリコールモノアリルエーテル、エチルアリルエーテル、トリフルオロ酢酸アリル、アリルオキシテトラヒドロピラン、ヒドロキシエチルアリルエーテル、アリルスルホン酸塩、アリルホスホン酸等が挙げられる。
(メタ)アクリル重合体(A)の重合方法としては、特に限定することがなく、重合性官能基の重合方法として公知の方法により得ることができる。例えば、バルク重合、溶液重合、沈殿重合、エマルション重合等の重合方法において、活性エネルギー線または熱によるラジカル重合やアニオン重合、カチオン重合等を採用することができる。重合の温度や時間は、使用する重合開始剤や溶媒によって異なるものであるが、通常、開始剤の半減期より計算され、処理温度は、通常60℃~120℃であることが好ましく、処理時間は、通常2時間~20時間が好ましく、特には5時間~10時間が好ましい。
(メタ)アクリル重合体(A)を重合する際に、重合反応を促進する目的で重合開始剤を用いてもよい。重合開始剤として、公知の光重合開始剤、熱重合開始剤、アニオン重合開始剤、カチオン重合開始剤を用いることができる。光重合開始剤としては、アセトフェノン系、ベンゾイン系、ベンゾフェノン系、αアミノケトン系、キサントン系、アントラキノン系、アシルフォスフィンオキサイド系、高分子光重合開始剤系等を用いることができる。熱重合開始剤としては、アゾ系開始剤、過酸化物系開始剤、レドックス系開始剤等の通常のものを用いることができる。カチオン重合の開始剤には、プロトン酸やルイス酸等の通常のものを用いることができる。アニオン重合には、アルカリ金属や有機金属化合物等の通常のものを用いることができる。重合開始剤を用いる場合、その含有量は、特に限定されないが、重合反応を促進する観点から、使用される単官能モノマーの全質量に対して、0.01~10.0質量%であることが好ましい。
(メタ)アクリル重合体(A)を重合により合成する際に、分子量を制御する目的で、連鎖移動剤を使用することもできる。連鎖移動剤としては、メルカプトエタノール、炭素数4~18のアルキルメルカプタン類、メルカプト酢酸、メルカプトプロピオン酸、炭素数4~18のメルカプト酢酸アルキルエステル、メルカプトプロピオン酸アルキルエステル等のメルカプタン類、αメチルスチレン、αメチルスチレンダイマー、四塩化炭素等のハロゲン化物等が挙げられるが、特に限定することはない。分子量制御が容易なことからメルカプタン類が好ましい。連鎖移動剤の含有量は、特に限定されないが、(メタ)アクリル重合体(A)の数平均分子量を適宜調整できる観点から、使用される単官能モノマーの全質量に対して、0.1~10.0質量%であることが好ましい。
(メタ)アクリル重合体(A)を溶液重合により得る際に使用する有機溶媒としては、特に限定することはなく、トルエン、キシレン、メトキシベンゼンといった芳香族有機溶媒、酢酸エチル、酢酸ブチル等のエステル類、エタノール、イソプロパノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、トリメチレングリコール、プロピレングリコールといった等の多価アルコール類、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート等の多価アルコールの誘導体、ジエチルエーテル、ジオキサン、テトラヒドロフラン等のエーテル類、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類、ジメチルホルムアミド、3-メトキシ-N,N-ジメチルプロピオン酸アミド等のアミド溶媒類、2-ピロリドン、N-メチル-2-ピロリドン等のピロリドン類等が挙げられる。これらの溶媒は、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。また、溶媒の使用量は、特に限定されないが、使用される単官能モノマーの全質量に対して、30~300質量%である態様が挙げられる。
(メタ)アクリル重合体(A)は、その重合後に必要に応じて精製したポリマーとして使用することもできる。ポリマーの精製方法としては再沈殿等の公知の方法により行うことができる。なお、ポリマーの構成は、プロトン核磁気共鳴法(1H-NMR)、赤外分光法(IR)、元素分析、残存単官能モノマーの定量分析等の公知の方法により行うことができる。
活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)は、不飽和化合物(B)を含有する。化合物(B)を含有することで、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)は、高い硬化性を有し、その粘度を三次元光造形に適した範囲に調整することができる他、十分な強度及び耐衝撃性を有する硬化物を得ることができる。このような観点から、不飽和化合物(B)の含有量は、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)全体に対して、50.0~99.9質量%であることが好ましく、75.0~95.0質量%である場合より好ましく、80.0~90.0質量%である場合更に好ましい。
不飽和化合物(B)は、単官能モノマー(a)及び/又は多官能化合物(b)を含有することが好ましい。不飽和化合物(B)が含有する単官能モノマー(a)は、下記(a1)及び(a2)からなる群より選択されるいずれか1種以上のモノマーである。
(a1):脂環構造及び/又は芳香族環構造を有する、メタクリレート系単官能モノマー、アクリルレート系単官能モノマー、メタクリルアミド系単官能モノマー及びアクリルアミド系単官能モノマーから選択される1種以上の単官能モノマー
(a2):脂環構造及び/又は芳香族環構造を有しないメタクリルアミド系単官能モノマー及びアクリルアミド系単官能モノマーから選択される1種以上の単官能モノマー
単官能モノマー(a)が不飽和化合物(B)に含まれる場合、その含有量(すなわち、単官能モノマー(a1)及び(a2)の含有量の合計)は、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の全質量に対して20.0~70.0質量%であることが好ましく、25.0~60.0質量%であることがより好ましい。単官能モノマー(a)の含有量がこの範囲内にあれば、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の粘度を各種方式の三次元光造形に適した範囲に調整できるため、造形精度に優れた硬化物を得ることができる。
不飽和化合物(B)に含まれる単官能モノマー(a1)としては、上記(メタ)アクリル重合体(A)の構造単位を構成する単官能モノマー(a1)として列挙した、脂環構造及び/又は芳香族環構造を有する、メタクリレート系単官能モノマー、アクリルレート系単官能モノマー、メタクリルアミド系単官能モノマー及びアクリルアミド系単官能モノマーから選択される1種以上の単官能モノマーが挙げられる。(メタ)アクリル重合体(A)は単官能モノマー(a1)由来の構造を含有するため、単官能モノマー(a1)を有する不飽和化合物(B)との相溶性がよい。その結果、(メタ)アクリル重合体(A)を含有することによる活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の硬化収縮抑制効果や、その硬化物の耐熱性向上及び造形精度向上の効果が最大限に発揮できるとともに、透明性の高い硬化物を得ることができる。このような観点から、単官能モノマー(a1)が不飽和化合物(B)に含まれる場合、その含有量は、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の全質量に対して5.0~55.0質量%であることが好ましく、10.0~30.0質量%であることがより好ましい。単官能モノマー(a1)は1種類単独で使用してもよいし、また2種類以上併用してもよい。
不飽和化合物(B)に含まれる単官能モノマー(a1)は、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の硬化性を向上させる観点から、脂環構造及び/又は芳香族環構造を有する、メタクリルアミド系単官能モノマー及び/又はアクリルアミド系単官能モノマーであることが好ましく、N-フェニル(メタ)アクリルアミド、N-メチル-フェニル(メタ)アクリルアミド、N-シクロヘキシル(メタ)アクリルアミド、N-メチル-N-シクロヘキシル(メタ)アクリルアミド等が好適例として挙げられる。また、不飽和化合物(B)に含まれる単官能モノマー(a1)は、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の粘度を三次元光造形に適した範囲に調整しやすい観点から、常温において液体であることが好ましく、シクロヘキシル(メタ)アクリレート、フェニル(メタ)アクリレート、ベンジル(メタ)アクリレート、フェノキシエチル(メタ)アクリレート、ジシクロペンタニル(メタ)アクリレート、ジシクロペンタニルオキシエチル(メタ)アクリレート、ジシクロペンテニル(メタ)アクリレート、イソボルニル(メタ)アクリレート、t-ブチルシクロヘキシル(メタ)アクリレート、トリメチルシクロヘキシル(メタ)アクリレート等が好適例として挙げられる。なお、本明細書において常温とは5℃~35℃である。
不飽和化合物(B)に含まれる単官能モノマー(a2)としては、上記(メタ)アクリル重合体(A)の構造単位を構成し得る単官能モノマー(a2)として列挙した脂環構造及び芳香族環構造を有しないメタクリルアミド系単官能モノマー及びアクリルアミド系単官能モノマーから選択される1種以上の単官能モノマーが挙げられる。単官能モノマー(a2)はその構造にアミド基を有するため、単官能モノマー(a2)を含む不飽和化合物(B)を含有する活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)は、その硬化性が向上するとともに、これを硬化して得られる硬化物のガラス転移温度(Tg)が上昇することで耐熱性が向上する。また、(メタ)アクリル重合体(A)が(a2)由来の構造を含有する場合、(メタ)アクリル重合体(A)と不飽和化合物(B)の相溶性がよく、(メタ)アクリル重合体(A)を含有することによる活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の硬化収縮抑制効果や、その硬化物の耐熱性及び造形精度向上の効果が最大限に発揮できるとともに、透明性の高い硬化物を得ることができる。このような観点から、単官能モノマー(a2)が不飽和化合物(B)に含まれる場合、その含有量は活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の全質量に対して5.0~50.0質量%であることが好ましく、10.0~30.0質量%であることがより好ましい。単官能モノマー(a2)は、1種類単独で使用してもよいし、また2種類以上併用してもよい。また、不飽和化合物(B)に含まれる単官能モノマー(a2)は、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の粘度を三次元光造形に適した範囲に調整しやすい観点から、常温において液体であることが好ましい。
不飽和化合物(B)に含まれる多官能化合物(b)としては、下記(b1)、(b2)及び(b3)の多官能化合物を挙げることができる。
(b1):分子中にポリオール由来の骨格及び2個以上の重合性官能基を有し、かつ少なくとも1個の重合性官能基はメタクリルアミド基又はアクリルアミド基である多官能化合物
(b2):分子中に2個以上の重合性官能基を有し、かつポリオール由来の骨格を有しない多官能化合物
(b3):分子中に2個以上の重合性官能基を有し、かつイソシアヌレート環を有する多官能化合物
これらの中でも、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の硬化性を向上させるとともに、硬化収縮率を抑制する多官能化合物(b1)が不飽和化合物(B)に含有されることが好ましい。
多官能化合物(b)が不飽和化合物(B)に含まれる場合、その含有量(すなわち、多官能化合物(b1)、(b2)及び(b3)の合計含有量)は活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の全質量に対して、1.0~75.0質量%であることが好ましく、10.0~60.0質量%であることがより好ましい。多官能化合物(b)の含有量がこの範囲内にあれば、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の硬化性が向上するため好ましい。
多官能化合物(b1)は、分子中にポリオール由来の骨格及び2個以上の重合性官能基を有し、かつ少なくとも1個の重合性官能基はメタクリルアミド基又はアクリルアミド基である多官能化合物である。多官能化合物(b1)における他の重合性官能基としては、メタクリレート基、アクリルレート基、メタクリルアミド基及びアクリルアミド基から選択される1種以上の官能基が好適な例として挙げられる。上記のとおり多官能化合物(b1)が不飽和化合物(B)に含有されると、重合性官能基であるメタクリルアミド基又はアクリルアミド基により、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の硬化性が向上する。また、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の硬化収縮を抑制でき造形精度に優れるとともに、十分な耐衝撃性を有する硬化物が得られる。このような観点から、多官能化合物(b1)が不飽和化合物(B)に含まれる場合、その含有量は、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の全質量に対して5.0~50.0質量%であることが好ましく、10.0~40.0質量%であることがより好ましい。多官能化合物(b1)における重合性官能基の個数は、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物の硬化物の硬化性向上の観点から2個以上であることが好ましく、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の硬化収縮を抑制する観点から通常10個以下であり、6個以下が好ましい。また、前記ポリオール由来の骨格としては、エーテル骨格、エステル骨格、カーボネート骨格、シリコーン骨格、オレフィン骨格、アクリル骨格から選ばれる1種もしくは2種以上の骨格が好適な例として挙げられる。これらの多官能化合物(b1)は、1種類単独で使用してもよいし、また2種類以上併用してもよい。
多官能化合物(b1)の製造方法としては、特に限定しないが、例えば、ポリオール化合物とジイソシアネート化合物を反応させて得られるイソシアネート基含有ウレタンプレポリマーを水酸基含有(メタ)アクリレート及び/又は水酸基含有(メタ)アクリルアミドと反応させる方法、ポリオール化合物、ジイソシアネート化合物と水酸基含有(メタ)アクリレート及び/又は水酸基含有(メタ)アクリルアミドとを混合して反応させる方法など、公知の方法を挙げることができる。
多官能化合物(b1)の製造に用いられるポリオール化合物としては、例えば、分子中に2個以上の水酸基を有する化合物であり、エーテル骨格を有するポリエーテルポリオール、エステル骨格を有するポリエステルポリオール、カーボネート骨格を有するポリカーボネートポリオール、シリコーン骨格を有する水酸基含有シリコーン、オレフィン骨格を有する水素添加ポリアルカジエンポリオール、ポリアルカジエンポリオール、アクリル骨格を有するアクリルポリオールが挙げられる。これらの中でも、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)を硬化して得られる硬化物に十分な耐衝撃性を付与する観点から、分子中に2個の水酸基を有するポリエーテルジオール、ポリエステルジオール、ポリカーボネートジオール、水素添加ポリアルカジエンジオール、ポリアルカジエンジオールが好適な例として挙げられる。これらは1種を単独、又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
ポリエーテルポリオールとしては、炭素数2~18の直鎖、分岐、環状のポリアルキレングリコールが挙げられ、例えば、ポリエチレングリコール、グリセリントリ(ポリオキシエチレン)エーテル、トリメチロールプロパントリ(ポリオキシエチレン)エーテル、ペンタエリスリトールテトラ(ポリオキシエチレン)エーテル、ポリ(オキシ-1,3-プロピレン)グリコール、グリセリントリ(ポリオキシ-1,3-プロピレン)エーテル、トリメチロールプロパントリ(ポリオキシ-1,3-プロピレン)エーテル、ペンタエリスリトールテトラ(ポリオキシ-1,3-プロピレン)エーテル、ポリ(オキシ-1,2-プロピレン)グリコール、グリセリントリ(ポリオキシ-1,2-プロピレン)エーテル、トリメチロールプロパントリ(ポリオキシ-1,2-プロピレン)エーテル、ペンタエリスリトールテトラ(ポリオキシ-1,2-プロピレン)エーテル、ポリ(オキシ-1,4-ブチレン)グリコール、ポリ(オキシ-1,5-ペンチレン)グリコール、ポリ(オキシ-3-メチル-1,5-ペンチレン)グリコール、ポリ(オキシ-1,6-ヘキシレン)グリコール等のアルキレングリコール類が挙げられる。
ポリエステルポリオールとしては、ポリカルボン酸とポリオールからなり、分子中にポリエステル骨格を含み末端に水酸基を有するものである。ポリカルボン酸成分として、フタル酸、テトラヒドロフタル酸、テレフタル酸、イソフタル酸、1,2-シクロヘキサンジカルボン酸、1,2-シクロヘキサンジカルボン酸、1,3-シクロヘキサンジカルボン酸、1,4-シクロヘキサンジカルボン酸、コハク酸、マレイン酸、フマル酸、アジピン酸、アゼライン酸、セバシン酸、ドデカン二酸、1,2,4-ブタントリカルボン酸、ヘミメリト酸、トリメリット酸、トリメシン酸、シクロヘキサントリカルボン酸、ピロメリット酸、シクロヘキサンテトラカルボン酸、などが挙げられ、ポリオール成分としては、エチレングリコール、1,2-プロピレングリコール、1,3-プロピレングリコール、1,2-ブタンジオール、1,4-ブタンジオール、1,2-ペンタンジオール、1,5-ペンタンジオール、1,2-ヘキサンジオール、1,6-ヘキサンジオール、1,4-シクロヘキサンジメタノール、3-メチル-1,5-ペンタンジオール、1,2-オクタンジオール、1,8-オクタンジオール、1,2-ノナンジオール、1,9-ノナンジオール、イソソルビド、ネオペンチルグリコール、グリセリン、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール等が挙げられる。
ポリカーボネートポリオールはカルボニル成分とポリオールからなり、分子中にカーボネート骨格を含む末端に水酸基を有するものである。カルボニル成分としてホスゲン、クロロギ酸エステル、ジアルキルカーボネート、ジアリールカーボネート及びアルキレンカーボネート等が挙げられ、ポリオール成分としては、エチレングリコール、1,2-プロピレングリコール、1,3-プロピレングリコール、1,2-ブタンジオール、1,4-ブタンジオール、1,2-ペンタンジオール、1,5-ペンタンジオール、1,2-ヘキサンジオール、1,6-ヘキサンジオール、1,4-シクロヘキサンジメタノール、3-メチル-1,5-ペンタンジオール、1,2-オクタンジオール、1,8-オクタンジオール、1,2-ノナンジオール、1,9-ノナンジオール、イソソルビド、ネオペンチルグリコール、グリセリン、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール等が挙げられる。
水素添加ポリアルカジエンポリオールとしては、1,2-水添ポリブタジエンジオール、1,4-水添ポリブタジエンジオール、水添ポリイソプレンポリオール等が挙げられ、ポリアルカジエンポリオールとしては、1,2-ポリブタジエンジオール、1,4-ポリブタジエンジオール、ポリイソプレンポリオール等が挙げられる。
多官能化合物(b1)の製造に用いられるジイソシアネート化合物としては、分子中に2個のイソシアネート基を有する化合物であれば特に限定されず、例えば、トリメチレンジイソシアネート、テトラメチレンジイソシアネート、ペンタメチレンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート、1,2-プロピレンジイソシアネート、1,2-ブチレンジイソシアネート、2,3-ブチレンジイソンアネート、1,3-ブチレンジイソシアネート、2,4,4-トリメチルヘキサメチレンジイソシアネート、2,2,4-トリメチルヘキサメチレンジイソシアネート等の脂肪族ジイソシアネート類、1,3-フェニレンジイソシアネート、1,4-フェニレンジイソシアネート、2,4-トリレンジイソシアネート、2,6-トリレンジイソシアネート、4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネート、2,4-ジフェニルメタンジイソシアネート、キシリレンジイソシアネート等の芳香族ジイソシアネート類、シクロペンチレンジイソシアネート、シクロヘキシレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、4,4’-ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート、メチルシクロヘキシレンジイソシアネート、2,5-ノルボルナンジイソシアネート、2,6-ノルボルナンジイソシアネート、1,3-ビス(イソシアナトメチル)シクロヘキサン等の脂環族ジイソシアネート類もしくは、これらのアダクトタイプ、ビュレットタイプ等が挙げられる。これらの中でも、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)を硬化して得られる硬化物に十分な耐衝撃性を付与する観点及び黄変(経時的着色)抑制の観点から、脂肪族ジイソシアネート類、脂環族ジイソシアネート類が好適な例として挙げられる。これらは、1種を単独、又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
多官能化合物(b1)の製造に用いられる水酸基含有(メタ)アクリレート及び/又は水酸基含有(メタ)アクリルアミドとしては、例えば、炭素数1~20の直鎖、分岐、環状のアルキレン基を導入したヒドロキシアルキル(メタ)アクリレート、グリセリン(メタ)アクリレート、グリセリンジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパン(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパンジ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトール(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールジ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトール(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールジ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールペンタ(メタ)アクリレート、N-ヒドロキシアルキル(メタ)アクリルアミド、炭素数1~9のアルキレングリコールからなる原子の合計数が20以下のポリアルキレングリコールを導入したポリアルキレングリコール(メタ)アクリレート、N-ポリアルキレングリコール(メタ)アクリルアミド、ヒドロキシフェニル(メタ)アクリレート、N-ヒドロキシフェニル(メタ)アクリルアミド、前記(メタ)アクリルアミド系モノマーの窒素原子に炭素数1から8の直鎖、分岐或いは環状のアルキル基、アルキレン基を導入したN-アルキル(N-ヒドロキシアルキル)(メタ)アクリルアミド、N-アルキル(N-ポリアルキレングリコール)(メタ)アクリルアミド、N-アルキル(N-ヒドロキシフェニル)(メタ)アクリルアミド等が挙げられる。
水酸基含有(メタ)アクリレート及び/または水酸基含有(メタ)アクリルアミドとしては、水酸基含有N-置換アクリルアミド類が、多官能化合物(b1)の凝集力を向上させ、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の硬化性を高めるとともに、これを硬化して得られる硬化物に十分な耐衝撃性を付与するため好ましい。水酸基含有N-置換アクリルアミド類としては、N-(2-ヒドロキシエチル)アクリルアミド、N-(2-ヒドロキシエチル)メタクリルアミド、N-(2-ヒドロキシプロピル)アクリルアミド、N-(2-ヒドロキシプロピル)メタクリルアミド等が挙げられる。この内、N-(2-ヒドロキシエチル)アクリルアミドが、PII=0.0と皮膚刺激性が低く、安全性が高いことからより好ましい。これらの水酸基含有(メタ)アクリレート及び/または水酸基含有(メタ)アクリルアミドは単独または2種類以上を組み合わせて用いることができる。
多官能化合物(b1)の数平均分子量(Mn)は、1,500~100,000であることが好ましく、2,000~50,000であることがより好ましい。多官能化合物(b1)の数平均分子量(Mn)がこの範囲内にあれば、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の粘度を好適な範囲に調整することができ、また、これを硬化して得られる硬化物に十分な耐衝撃性を付与する。
多官能化合物(b2)は、分子中に2個以上の重合性官能基を有し、かつポリオール由来の骨格を有しない多官能化合物である。多官能化合物(b2)が不飽和化合物(B)に含有されると、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の硬化性が向上するとともに、これを硬化して得られる硬化物に十分な強度を付与する。このような観点から、多官能化合物(b2)が不飽和化合物(B)に含まれる場合、その含有量は活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の全質量に対して、5.0~30.0質量%であることが好ましく、5.0~20.0質量%であることがより好ましい。また、多官能化合物(b2)における重合性官能基としては、メタクリレート基、アクリルレート基、メタクリルアミド基及びアクリルアミド基から選択される1種以上の官能基が好ましく、該重合性官能基の少なくとも1個がメタクリルアミド基又はアクリルアミド基であることがより好ましい。多官能化合物(b2)における重合性官能基の個数は、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の硬化性向上及び十分な強度を硬化物に付与する観点から2個以上であることが好ましく、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の他成分による硬化収縮の抑制効果を担保する観点から通常10個以下であり、6個以下であることが好ましい。なお、「ポリオール由来の骨格を有しない」とは、エーテル骨格、エステル骨格、カーボネート骨格、シリコーン骨格、オレフィン骨格、アクリル骨格のいずれも有しないことを表す。これらの多官能化合物(b2)は、1種類単独で使用してもよいし、また2種類以上併用してもよい。多官能化合物(b2)の製造方法としては、特に限定されないが、上記したジイソシアネート化合物を上記した水酸基含有(メタ)アクリレート及び/又は水酸基含有(メタ)アクリルアミドと反応させる方法を挙げることができる。
多官能化合物(b2)の製造に用いられる水酸基含有(メタ)アクリレート及び/又は水酸基含有(メタ)アクリルアミドとしては、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)を硬化して得られる硬化物に十分な強度を付与する観点から、分子中に水酸基を1個、(メタ)アクリレート基又は(メタ)アクリルアミド基を1個有するものが好ましい。
多官能化合物(b2)の数平均分子量(Mn)は、1,500未満であることが好ましい。多官能化合物(b2)の数平均分子量が1,500未満であれば、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の硬化性を向上させるため好ましく、この観点から1,000以下であることがより好ましい。多官能化合物(b2)の数平均分子量(Mn)の下限値は、特に限定されないが、通常300以上である。
多官能化合物(b3)は、分子中に2個以上の重合性官能基を有し、かつイソシアヌレート環を有する多官能化合物である。多官能化合物(b3)が不飽和化合物(B)に含有されると、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の硬化性が向上し、これを硬化して得られる硬化物の耐熱性が向上するとともに、該硬化物に十分な強度を付与できる。このような観点から、多官能化合物(b3)が不飽和化合物(B)に含まれる場合、その含有量は活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の全質量に対して5.0~50.0質量%であることが好ましく、5.0~40.0質量%であることがより好ましい。また、多官能化合物(b3)における重合性官能基としては、メタクリレート基、アクリルレート基、メタクリルアミド基及びアクリルアミド基から選択される1種以上の官能基が好ましく、該重合性官能基の少なくとも1個がメタクリルアミド基又はアクリルアミド基であることがより好ましい。多官能化合物(b3)としては、トリス-(2-アクリロキシエチル)イソシアヌレート、カプロラクトン変性トリス-(2-アクリロキシエチル)イソシアヌレートやイソシアヌレート環を有するポリイソシアネートと上記の水酸基含有(メタ)アクリレート及び/または水酸基含有(メタ)アクリルアミドに由来する構造単位を有する化合物が挙げられる。多官能化合物(b3)における重合性官能基の個数は、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の硬化性向上及びその硬化物の耐熱性向上の観点から3個以上であることが好ましい。一方で、その上限は、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)中の他成分による硬化収縮の抑制効果を担保する観点から通常10個以下であり、6個以下であることが好ましい。これらの多官能化合物(b3)は、1種類単独で使用してもよいし、また2種類以上併用してもよい。多官能化合物(b3)の製造方法としては、特に限定されないが、イソシアヌレート環を有するポリイソシアネートと水酸基含有(メタ)アクリレート及び/又は水酸基含有(メタ)アクリルアミドを反応させる方法、イソシアヌレート環を有するポリイソシアネートと上記のポリオール化合物と水酸基含有(メタ)アクリレート及び/又は水酸基含有(メタ)アクリルアミドを反応させる方法など、公知の方法を挙げることができる。
多官能化合物(b3)の製造に用いられるイソシアヌレート環を有するポリイソシアネートとしては、上記のジイソシアネート化合物のイソシアヌレート体が挙げられ、例えば、ジシクロヘキシルメタン4,4’-ジイソシアナートのイソシアヌレート体、ヘキサメチレンジイソシアネートのイソシアヌレート体、イソホロンジイソシアネートのイソシアヌレート体等が挙げられる。
多官能化合物(b3)の製造に用いられる水酸基含有(メタ)アクリレート及び/または水酸基含有(メタ)アクリルアミドとしては、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の硬化性向上並びにこれを硬化して得られる硬化物の耐熱性向上及び該硬化物に十分な強度を付与する観点から、分子中に水酸基を1個、(メタ)アクリレート基または(メタ)アクリルアミド基を1個有するものが好ましい。
不飽和化合物(B)は、その他のモノマーを含有してもよい。その他のモノマーとしては、上記(メタ)アクリル重合体(A)の構造単位を構成し得る単官能モノマー(a3)として列挙した単官能モノマー及び、多官能化合物(b1)、(b2)及び(b3)を除く多官能化合物(b4)が挙げられる。不飽和化合物(B)中の単官能モノマー(a3)は、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の粘度を好適な範囲に調整できる。また、不飽和化合物(B)中の多官能化合物(b4)は、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)を硬化して得られる硬化物の架橋密度等のバランスを調整できる。このような観点から、不飽和化合物(B)におけるその他のモノマーの含有量、は活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の全質量に対して、30.0質量%以下であることが好ましく、25.0質量%であることがより好ましい。その他のモノマーの含有量の下限は、特に限定されないが、通常0.1質量%以上である。その他のモノマーは1種類単独で使用してもよいし、また2種類以上併用してもよい。
多官能化合物(b4)としては、多官能化合物(b1)、(b2)及び(b3)を除く分子中に重合性官能基を2つ以上有するモノマーであれば、特に限定することはない。重合性官能基としては(メタ)アクリレート基、(メタ)アクリルアミド基、ビニル基、ビニルエーテル基、メチルビニルエーテル基、アリル基、(メタ)アリルエーテル基とマレイミド基等が挙げられる。また、多官能化合物(b4)は、分子中に、これらの重合性官能基から選択される、同一の官能基を2つ以上有してもよいし、異なる官能基を2つ以上組み合わせて有してもよい。
多官能化合物(b4)としては、例えば、炭素数2~10のアルキレングリコールを用いたアルキレングリコール、ジアルキレングリコール、トリアルキレングリコール、ポリアルキレングリコール等のジ(メタ)アクリレート体、ジ(メタ)アクリルアミド体、ジビニルエーテル体、ジメチルビニルエーテル体、ジ(メタ)アリルエーテル体や、メチレンジ(メタ)アクリレート、ジシクロペンタニルジ(メタ)アクリレート、カプロラクトン変性ジシクロペンテニルジ(メタ)アクリレート、トリシクロデカンジメタノールジ(メタ)アクリレート、ポリエステルジ(メタ)アクリレート、エチレンオキサイド変性ビスフェノールAジ(メタ)アクリレート、プロピレンオキサイド変性ビスフェノールAジ(メタ)アクリレート、メチレンビス(メタ)アクリルアミド、ジシクロペンタニルジ(メタ)アクリルアミド、カプロラクトン変性ジシクロペンテニルジ(メタ)アクリルアミド、トリシクロデカンジメタノールジ(メタ)アクリルアミド、ポリエステルジ(メタ)アクリルアミド、エチレンオキサイド変性ビスフェノールAジ(メタ)アクリルアミド、プロピレンオキサイド変性ビスフェノールAジ(メタ)アクリルアミド等の同一の重合性官能基を導入した二官能の化合物、アリル(メタ)アクリレート、アリル(メタ)アクリルアミド、2-(2-ビニロキシエトキシ)エチル(メタ)アクリレート、2-(2-ビニロキシエトキシ)エチル(メタ)アクリルアミド、N-(2-アクロイロキシエチル)マレイミド、N-(2-ヒドロキシエチルプロパンアミド)マレイミドといった異なる重合性官能基を導入した二官能の化合物、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、トリ(メタ)アクリロイルオキシエトキシトリメチロールプロパン、トリメチロールプロパン(ポリエチレングリコール付加)トリアクリレート、コハク酸変性ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート等の三官能の化合物、ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、トリメチロールエタントリ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ジトリメチロールプロパンテトラ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールペンタ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサ(メタ)アクリレート、グリセリンポリグリシジルエーテルポリ(メタ)アクリレート、エチレンオキサイド変性ジペンタエリスリトールペンタ(メタ)アクリレート、エチレンオキサイド変性ジペンタエリスリトールヘキサ(メタ)アクリレート、エチレンオキサイド変性ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、エチレンオキサイド変性ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート等の四官能以上の化合物)が挙げられる。これらは1種類単独で使用してもよいし、また2種類以上併用してもよい。
本実施形態に係る活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の粘度は、25℃において1~100,000mPa・sであることが好ましい。粘度がこの範囲にあることで、各種方式の三次元光造形の樹脂組成物として好適に使用することができる。粘度は後述する方法により測定できる。
本実施形態に係る活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の硬化収縮率は、7%未満であることが好ましい。硬化収縮率がこの範囲にあることで、造形精度の優れた硬化物を得ることができる。硬化収縮率は後述する方法により測定、算出される。また、硬化物の造形精度は後述する方法により評価される。
本実施形態に係る活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)は、重合により硬化し固形となる組成物であるが、この際の重合方法としては、特に限定することがなく、重合性官能基の重合方法として公知の方法により得ることができる。例えば、活性エネルギー線又は熱によるラジカル重合やアニオン重合、カチオン重合等が挙げられる。これらの中でも、活性エネルギー線による重合は、光重合開始剤の種類や添加量、また照射する活性エネルギー線の照度や積算光量の調整により容易に重合を制御できるため好ましい。
活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の硬化に用いる活性エネルギー線とは、電磁波または荷電粒子線の中でエネルギー量子を有するもの、すなわち、可視光、電子線、紫外線、赤外線、X線、α線、β線、γ線等の活性エネルギー線などを指す。例えば、高圧水銀ランプ、ハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、LEDランプ、電子線加速装置、放射性元素などの線源が挙げられる。活性エネルギー線源として電子線を用いた場合は、通常、光重合開始剤を含有する必要はないが、その他の活性エネルギー線源を用いた場合は、光重合開始剤(C)を添加することが好ましい。照射する活性エネルギー線としては、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の保存安定性と硬化速度及び有害性の低さから紫外線が好ましい。
活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の硬化の際には活性エネルギー線による一次硬化を行った後、更に二次硬化として、活性エネルギー線の照射や熱による硬化促進を行ってもよい。また二次硬化の際に用いる活性エネルギー線としては一次硬化の際の活性エネルギー線と同一の波長であっても、異なる波長であってもよい。更に二次硬化と同様の硬化反応を多段階に分けて行ってもよい。
光重合開始剤(C)としては、光ラジカル開始剤や光アニオン重合開始剤が挙げられる。光ラジカル重合開始剤としては、アセトフェノン系、ベンゾイン系、ベンゾフェノン系、αアミノケトン系、キサントン系、アントラキノン系、アシルフォスフィンオキサイド系、高分子光重合開始剤系等の通常のものから適宜選択すればよい。例えば、アセトフェノン類としては、ジエトキシアセトフェノン、2,2-ジメトキシ-1,2-ジフェニルエタン-1-オン、2-ヒドロキシ-2-メチル-1-フェニルプロパン-1-オン、1-(4-イソプロピルフェニル)-2-ヒドロキシ-2-メチルプロパン-1-オン、4-(2-ヒドロキシエトキシ)-フェニル-(2-ヒドロキシ-2-プロピル)ケトン、1-ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、2-メチル-1-(4-メチルチオフェニル)-2-モルホリノプロパン-1、ベンゾイン類としては、ベンゾイン、α-メチルベンゾイン、α-フェニルベンゾイン、α-アリルベンゾイン、α-ベンゾイルベンゾイン、ベンゾインメチルエーテル、ベンゾインエチルエーテル、ベンゾインイソプロピルエーテル、ベンゾインイソブチルエーテル、ベンジルジメチルケタール、ベンゾフェノン類としては、ベンゾフェノン、ベンゾイル安息香酸、ベンゾイル安息香酸メチル、αアミノケトン類としては、2-メチル-1-(4-メチルチオフェニル)-2-(4-モルホリニル)-1-プロパノン、2-ベンジル-2-(ジメチルアミノ)-1-(4-(4-モルホリニル)フェニル)-1-ブタノン、2-(ジメチルアミノ)-2-(4-メチルフェニル)メチル-1-(4-(4-モルホリニル)フェニル)-1-ブタノン、キサントン類としては、キサントン、チオキサントン、アントラキノン類としては、アントラキノン、2-メチルアントラキノン、2-エチルアントラキノン、アシルフォスフィンオキサイド類としては、ビス(2,4,6-トリメチルベンゾイル)-フェニルフォスフィンオキサイド、2,4,6-トリメチルベンゾイル-ジフェニル-フォスフィンオキサイド、高分子光開始剤としては、2-ヒドロキシ-2-メチル-1-(4-(1-メチルビニル)フェニル)プロパン-1-オンのポリマー等が挙げられる。
光アニオン重合開始剤としては、アセトフェノン O-ベンゾイルオキシム、2-(9-オキソキサンテン-2-イル)プロピオン酸1,5,7-トリアザビシクロ[4.4.0]デカ-5-エン等の開始剤が挙げられる。これらの光重合開始剤は1種又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
光重合開始剤(C)の含有量は、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の全質量対して0.1~10.0質量%が好ましく、1.0~5.0質量%がより好ましい。光重合開始剤(C)の含有量が0.1質量%以上である場合には、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の活性エネルギー線照射による重合反応が速やかに進行し、照射時間を短くでき、残存モノマーが少なくなるため好ましい。光重合開始剤(C)の含有量が10.0質量%以下である場合には、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)を用いて得られた硬化物に十分な強度と耐衝撃性を付与でき、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の保存安定性も良好となるため好ましい。
活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の硬化に必要な活性エネルギー線照射量(積算光量)は、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)が含有する、(メタ)アクリル重合体(A)及び不飽和化合物(B)の種類と含有量の他、光重合開始剤(C)を有する場合には、その種類と含有量によって変動し、更に三次元光造形物を形成する際には造形物の厚みにより硬化に必要な積算光量が異なるため、特に制限するものではないが、効率的な硬化を行う観点から、通常1~20,000mJ/cm2である。活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)を三次元光造形の樹脂組成物として用いる場合、特定の形状に造形した樹脂組成物の薄膜(厚さ:数μm~1mm)の硬化物を順次積層する手法が一般に用いられる。そのため活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の薄膜を硬化する際に必要な積算光量は少ない方が照射時間が短く、造形速度が上がるため好ましい。このような観点から、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の薄膜を硬化する際に必要な積算光量は、1,000mJ/cm2以下が好ましく、500mJ/cm2以下がより好ましく、200mJ/cm2以下が更に好ましく、100mJ/cm2以下であれば、各種方式の三次元光造形の樹脂組成物として好適に用いることができるため、最も好ましい。
本実施形態の活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)は、必要に応じてその他成分(D)を含有してもよい。その他の成分(D)としては、有機溶剤や各種添加剤、エポキシ化合物やオキセタン化合物等を挙げることができる。
有機溶剤としては、ケトン系溶剤、エステル系溶剤、アミド系溶剤、エーテル系溶剤、芳香族炭化水素系溶剤、脂肪族炭化水素系溶剤等が挙げられる。活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)は、有機溶剤を含有したまま硬化して用いてもよいし、有機溶剤を留去してから硬化を行ってもよい。有機溶剤の含有量は、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)が発現する特性に悪影響を与えない程度であれば特に限定されない。
各種添加剤としては、紫外線増感剤、熱重合禁止剤、老化防止剤、酸化防止剤、紫外線増感剤、防腐剤、リン酸エステル系およびその他の難燃剤、界面活性剤、湿潤分散剤、帯電防止剤、着色剤、可塑剤、表面潤滑剤、レベリング剤、軟化剤、増粘剤、顔料、有機フィラー、無機フィラー等が挙げられる。これら各種添加剤の添加量は、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)が発現する特性に悪影響を与えない程度であれば特に限定されず、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物の全質量に対して10.0質量%以下であることが好ましい。
紫外線増感剤としては、例えば、9,10-ジアルコキシアントラセン化合物、9,10-ビス(ジヒドロキシアルコキシ)アントラセン等のアントラセン化合物、チオキサントン、1-クロロ-4-プロポキシチオキサントン、イソプロピルチオキサントン、2,4-ジエチルチオキサントン、2-ブチルチオキサントン、2-クロロチオキサントン、2-プロポキシチオキサントン、ポリマー性チオキサントン等のチオキサントン化合物等が挙げられる。
熱重合禁止剤としては、例えば、ハイドロキノン、p-メトキシフェノール、2,6-ジ-tert-ブチル-p-クレゾール、2,2,6,6-テトラメチルピペリジン-1-オキシル、4-ヒドロキシ-2,2,6,6-テトラメチルピペリジン-1-オキシル、フェノチアジン、ピロガロール、β-ナフトール等が挙げられる。
老化防止剤としては、例えば、ブチル化ヒドロキシトルエン及びブチルヒドロキシアニソール等のヒンダードフェノール系、ベンゾトリアゾール系、及びヒンダードアミン系の化合物が挙げられる。
界面活性剤としては、例えば、ノニルフェノールのポリエチレンオキサイド付加物、ラウリン酸ポリエチレンオキサイド付加物、ステアリン酸ポリエチレンオキサイド付加物等のアルキレンオキサイド付加型非イオン界面活性剤、ソルビタンパルミチン酸モノエステル、ソルビタンステアリン酸モノエステル、ソルビタンステアリン酸トリエステル等の多価アルコール型非イオン界面活性剤、アセチレン系グリコール化合物型非イオン界面活性剤、アセチレン系ポリアルキレングリコール化合物型非イオン界面活性剤、パーフルオロアルキルポリエチレンオキサイド付加物、パーフルオロアルキルカルボン酸塩、パーフルオロアルキルベタイン等のフッ素含有界面活性剤、ポリエーテル変性シリコーンオイル、(メタ)アクリレート変性シリコーンオイル等の変性シリコーンオイル、両性の高分子界面活性剤が挙げられる。
帯電防止剤としては、例えば、グリセリン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルケニルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル、ビス(2-ヒドロキシエチル)アルキルアミン、ポリオキシエチレンアルキルアミン等のノニオン性帯電防止剤、アルキルスルホン酸塩、アルキルベンゼンスルホン酸塩、アルキルホスフェート等のアニオン性帯電防止剤、テトラアルキルアンモニウム塩、トリアルキルベンジルアンモニウム塩等のノニオン性帯電防止剤、アルキルベタイン、アルキルイミダソリウムベタイン等の両性の帯電防止剤、(メタ)アクリロイルアミノエチルトリメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、(メタ)アクリロイルアミノプロピルトリメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、(メタ)アクリロイルオキシエチルトリメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド等の重合性帯電防止剤が挙げられる。
エポキシ化合物としては、例えば、ビスフェノールAジグリシジルエーテル、水添ビスフェノールAジグリシジルエーテル等のグリシジル化合物、シクロヘキセンオキシド、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サンカルボキシレート等の脂環式エポキシ化合物が挙げられ、オキセタン化合物としては2,2-ビス(ヒドロキシメチル)-1-ブタノールの1,2-エポキシ-4-(2-オキシラニル)シクロヘキサン付加物、キシリレンビスオキセタン等が挙げられる。
本実施形態に係る活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)を硬化して得られる硬化物は、実用可能な強度及び耐衝撃性を有する。硬化物の強度は、後述する方法で測定される引張強度により評価され、該引張強度が30MPa以上である場合、実用可能な十分な強度を有すると判断される。硬化物の耐衝撃性は、後述する方法で測定されるアイゾット衝撃強さにより評価され、該アイゾット衝撃強さが20J/m以上である場合、実用可能な十分な耐衝撃性を有すると判断される。
本実施形態に係る活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)を硬化して得られる硬化物は、そのガラス転移温度(Tg)が40℃以上であると、常温で変形し難く硬質な状態が保てるため耐熱性があると判断される。硬化物のTgは、後述する方法で測定できる。
本実施形態に係る活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の硬化物は、高い透明性及び高い耐熱性を有し、十分な強度及び耐衝撃性を有する樹脂として様々な用途に活用できる。用途としては、例えば、自動車、電化製品、家具などを構成する構造体、塗料やコーティング材等、歯科衛生材料、光学材料、光造形材料、強化プラスチック用材料、三次元光造形におけるモデル材用の樹脂組成物等が挙げられるが、必ずしもこれらに限られるものではない。
本発明の第二の実施形態は、三次元光造形におけるモデル材用の活性エネルギー線硬化性樹脂組成物又は活性エネルギー線硬化型インクである(以下、単に「活性エネルギー線硬化性樹脂組成物」又は「活性エネルギー線硬化型インク」とも称す。)。上述した本発明の第一の実施形態に係る活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)は、三次元光造形に用いるプリンターにてモデル材用の活性エネルギー線硬化性樹脂組成物や活性エネルギー線硬化型インクとして使用でき、活性エネルギー線により硬化されることでモデル材として三次元光造形物を形成することができる。三次元光造形法のプリンターとしては、活性エネルギー線硬化型インクをインクジェットプリンターにより描画した面を積層していく材料噴射方式のプリンターや、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物を満たした樹脂槽にレーザーやプロジェクターを用いて硬化した樹脂層を作製し、積層していくSLA方式やDLP方式の液槽光重合方式のプリンター、活性エネルギー線硬化型インクを用いた材料押出堆積法方式による3Dプリンターが挙げられるが、必ずしもこれらに限られるものではない。
活性エネルギー線硬化型インクを用いた材料押出堆積法方式とは、活性エネルギー線硬化型インクをプリンターの材料供給部に充填し、ノズルからゾル状にして造形エリアに吐出する工程と、光を照射して硬化する工程とを同時に進行し、硬化物を積層していく方法である。出力方法に制限はないが、例えばディスペンサー吐出装置を用いて出力することができる。例えば、空気もしくは固体のプランジャー、ギア、スクリュー等によって液体材料を押し出す方式、チューブをローラーによってしごき、チューブ内の液体材料を押し出す方式等が挙げられる。活性エネルギー線硬化型インクは、吐出時に液体であり、又取り扱い作業性の観点から、20℃以上150℃以下の温度域の一部もしくは全部において流動性があることが好ましい。活性エネルギー線の照射方法について、特に限定することがなく、活性エネルギー線硬化型インクが吐出されながら照射され、硬化できればよい。例えば、三次元光造形物の構造をレーザー等の光源やプロジェクターによる面照射によって部分的に硬化させる方法、スポット照射又は面照射によってディスペンサー等から出力された活性エネルギー線硬化型インク全体を硬化させる方法等を用いることができる。
本実施形態に係る活性エネルギー線硬化性樹脂組成物又は活性エネルギー線硬化型インクの粘度は、硬化物の構造を形成する際の操作性の面から、25℃において1~100,000mPa・sであることが好ましい。活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)をSLA方式やDLP方式の液槽光重合方式による3Dプリンターの活性エネルギー線硬化性樹脂組成物として用いる場合には、造形テーブルのスムーズな動作等の造形操作の観点から、その粘度は25℃において20,000mPa・s以下であることが好ましく、10,000mPa・s以下であることがより好ましく、5,000mPa・s以下であることが更に好ましく、2,000mPa・s以下であることが特に好ましい。
活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)を材料噴射方式による光硬化型インクジェット3Dプリンターの活性エネルギー線硬化型インクとして用いる場合には、インクジェットノズルから安定吐出を行う観点から、その粘度は25℃において1~200mPa・sであることが好ましく、吐出温度は20℃~100℃の範囲であることが好ましい。吐出温度を高温に設定すると活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の粘度が低下し、高粘度の樹脂を吐出できるが、熱による変性や重合が起こりやすくなる。活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の熱的な安定性の観点から80℃以下の温度での吐出が好ましいため、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の粘度は100mPa・s以下であることがより好ましい。
活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)を、材料押出堆積法方式の3Dプリンターの活性エネルギー線硬化型インクとして用いる場合には、ディスペンサー等のノズルから安定吐出を行う観点から、その粘度は25℃において10,000~100,000mPa・sであることが好ましく、吐出温度は20℃~100℃の範囲であることが好ましい。
活性エネルギー線硬化性樹脂組成物又は活性エネルギー線硬化型インクを硬化して得られたモデル材は、引張強度が30MPa以上、かつ、アイゾット衝撃強さが20J/m以上であれば、実用可能な十分な強度及び耐衝撃性を有するため好ましい。引張強度及びアイゾット衝撃強さの測定は、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の硬化物と同様の方法で行うことができる。
活性エネルギー線硬化性樹脂組成物又は活性エネルギー線硬化型インクを硬化して得られたモデル材は、耐熱性としてガラス転移温度(Tg)が40℃以上であることが好ましい。モデル材のガラス転移温度(Tg)が40℃以上であると、モデル材は通常の室温で変形し難く硬質な状態が保てるため好ましい。この測定は、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)の硬化物と同様の方法で行うことができる。
本発明の第一の実施形態に係る活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)又は、本発明の第二の実施形態に係る活性エネルギー線硬化性樹脂組成物又は活性エネルギー線硬化型インクを用いた三次元光造形による三次元光造形物の製造において、三次元光造形物の形状は任意であるが、中空の構造を造形する際に支持体としてサポート材を用いることが一般的である。サポート材は三次元光造形物と同時に造形し、硬化され、造形終了後に除去するものであり、特に限定せず、熱溶融可能なワックスや樹脂、または活性エネルギー線硬化性樹脂が挙げられる。
本発明の第一の実施形態に係る活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)又は、本発明の第二の実施形態に係る活性エネルギー線硬化性樹脂組成物又は活性エネルギー線硬化型インクを用いた三次元光造形において、液槽光重合法による三次元光造形を行う場合、モデル材とサポート材は同一の樹脂が使用されることが多く、本発明の活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)は三次元光造形物を作製するモデル材として用いられるだけではなく、三次元光造形物を支持するサポート材としても使用することができる。
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。また、以下において「部」及び「%」は特記しない限りすべて質量基準である。
実施例の脂環構造及び/又は芳香族環構造を有する(メタ)アクリル重合体(A)、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)、比較例の活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(F)おいて使用する原料を示す。
<単官能モノマー(a1)>
a1-1:イソボルニルメタクリレート(ライトエステルIB-X 共栄社化学株式会社製)(常温液体)
a1-2:N-アクリロイルオキシエチルノルボルネンカルボキサミド(登録商標「Kohshylmer」、AENA KJケミカルズ株式会社製)(常温固体)
a1-3:イソボルニルアクリレート(ライトアクリレートIB-XA 共栄社化学株式会社製)(常温液体)
a1-4:フェノキシエチルアクリレート(ライトアクリレートPO-A 共栄社化学株式会社製)(常温液体)
a1-5:ジシクロペンタニルアクリレ-ト(ファンクリル FA-513AS 日立化成株式会社製)(常温液体)
a1-6:t-ブチルシクロヘキシルアクリレート(登録商標「Kohshylmer」、TBCHA KJケミカルズ株式会社製)(常温液体)
a1-7:N-フェニルアクリルアミド(東京化成工業株式会社製)(常温固体)
<単官能モノマー(a2)>
a2-1:N-アクロイルモルホリン(登録商標「Kohshylmer」、「ACMO」 KJケミカルズ株式会社製)(常温液体)
a2-2:N-ビニルピロリドン(NVP BASF Corporation, Chemical Intermediates製)(常温液体)
a2-3:N-(2-ヒドロキシエチル)アクリルアミド(登録商標「Kohshylmer」、「HEAA」 KJケミカルズ株式会社製)(常温液体)
a2-4:N-ビニルカプロラクタム(NVC BASF Corporation, Chemical Intermediates製)(常温固体)
a2-5:N,N-ジメチルアクリルアミド(登録商標「Kohshylmer」、「DMAA」 KJケミカルズ株式会社製)(常温液体)
a2-6:N,N-ジエチルアクリルアミド(登録商標「Kohshylmer」、「DEAA」 KJケミカルズ株式会社製)(常温液体)
<多官能化合物(b1)~(b3)>
b3-1:トリス(2-アクリロイルオキシエチル)イソシアヌレート(A-9300、新中村化学工業株式会社製)
b3-3:カプロラクトン変性トリス-(2-アクリロキシエチル)イソシアヌレート(A-9300-1CL、新中村化学工業株式会社製)
実施例に用いられる多官能化合物(b1-1)~(b1-5)、(b2-1)~(b2-3)、(b3-2)の分子量、含有する重合性官能基の品種と個数、原料ポリオールの構造、原料イソシアネートの構造などを表1に示す。
多官能化合物(b)の数平均分子量(Mn)は、高速液体クロマトグラフィー(株式会社島津製作所製のLC10Aを用いて、カラムはShodex GPC KF-806L(排除限界分子量:2×107、分離範囲:100~2×107、理論段数:10,000段/本)、溶離液としてテトラヒドロフランを使用した。)により測定し、標準ポリスチレン分子量換算により算出した。
<その他のモノマー(単官能モノマー(a3))>
a3-1:メチルメタクリレート(三菱ガス化学株式会社製)
a3-2:アクリル酸(三菱ケミカル株式会社製)
a3-3:ブチルアクリレート(三菱ケミカル株式会社製)
a3-4:テトラヒドロフルフリルアクリレート(ビスコート#150 大阪有機化学工業株式会社)
a3-5:メタクリル酸(三菱ケミカル株式会社製)
a3-6:環状トリメチロールプロパンホルマールアクリレート(ビスコート#200 大阪有機化学工業株式会社)
a3-7:エチルアクリレート(三菱ケミカル株式会社製)
<その他のモノマー(多官能化合物(b4))>
b4-1:エトキシ化ビスフェノールAジアクリレート(NKエステルA-BEP10 新中村化学工業株式会社製 平均分子量:705)
b4-2:ジメチロール-トリシクロデカンジアクリレート(ライトアクリレートDCP-A 共栄社化学株式会社製 分子量304)
b4-3:メタクリル酸アリル(三菱ケミカル株式会社製)
<光重合開始剤(C)>
C-1:Omnirad TPO(ジフェニル(2,4,6-トリメチルベンゾイル)ホスフィンオキサイド、IGM Resins B.V.製)
C-2:Omnirad 184(1-ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、IGM Resins B.V.製)
C-3:Omnirad 819(フェニルビス(2,4,6-トリメチルベンゾイル)ホスフィンオキサイド、IGM Resins B.V.製)
<その他成分(D)>
D-1:イソプロピルチオキサントン(東京化成工業株式会社製)
D-2:ポリ(1-ビニルピロリドン-co-酢酸ビニル)(1-ビニルピロリドン/酢酸ビニル=1.3/1.0(mol比))、Mw:50,000、Sigma-Aldrich製)
実施例及び比較例に用いられる脂環構造及び/又は芳香族環構造を有する(メタ)アクリル重合体(A-1)~(A-15)の組成及び物性などを表2に示す。
(メタ)アクリル重合体(A-1)~(A-15)の数平均分子量
(メタ)アクリル重合体(A-1)~(A-15)の数平均分子量は、高速液体クロマトグラフィー(株式会社島津製作所製のLC10Aを用いて、カラムはShodex GPC KF-806L(排除限界分子量:2×107、分離範囲:100~2×107、理論段数:10,000段/本)、溶離液としてテトラヒドロフランを使用した。)により測定し、標準ポリスチレン分子量換算により算出した。
<実施例1>
(メタ)アクリル重合体(A-1)50.0質量部、イソボルニルメタクリレート(a1-1)24.0質量部、フェノキシエチルアクリレート(a1-4)5.0質量部、N-アクリロイルモルホリン(a2-1)20.0質量部、Omnirad TPO(C-1)1.0質量部を容器に仕込み、50℃で1時間攪拌することにより、均一透明な実施例1の活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E-1)を得た。
<実施例2~15>
表3に示す組成で、実施例1と同様の操作を行うことにより、実施例2~15に相当する均一透明な活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E-2)~(E-15)を得た。
<比較例1~2>
表3に示す組成で、実施例1と同様の操作を行うことにより、比較例1及び2に相当する活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(F-1)及び(F-2)を得た。
(活性エネルギー線硬化性樹脂組成物の粘度)
ブルックフィールド型粘度計(装置名:デジタル粘度計 LV DV2T 英弘精機株式会社製)を使用し、JIS K5600-2-3に準じて、25℃にて、各実施例と比較例で得られた活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)及び(F)の粘度を測定した。
(活性エネルギー線硬化性樹脂組成物の各成分の相溶性)
各実施例と比較例で得られた活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)及び(F)を目視観察し、以下の基準で組成物における各成分の相溶性を評価した。
◎:透明
○:微白濁
×:白濁
(活性エネルギー線硬化性樹脂組成物の硬化物の強度)
水平に設置したガラス板上に厚さ75μmの重剥離PETフィルム(東洋紡株式会社製、ポリエステルフィルムE7001)を密着させ、厚さ1mm、内部がJIS K6251に準拠した2号ダンベル型に打ち抜いたスペーサーを設置し、スペーサーの内側に各実施例と比較例で得られた活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)又は(F)を各々充填した後、更にその上に厚さ50μmの軽剥離PETフィルム(東洋紡株式会社製、ポリエステルフィルムE7002)を重ね、紫外線を両面より照射(装置:アイグラフィックス製、インバーター式コンベア装置ECS-4011GX、メタルハライドランプ:アイグラフィックス製M04-L41、紫外線照度200mW/cm2、積算光量1000mJ/cm2)し、樹脂組成物を硬化させた。その後、両側の剥離PETフィルムを取り除いて、実施例用の硬化物及び比較例用の硬化物の試験片を得た。JIS K7161に従って、卓上形精密万能試験機(株式会社島津製作所製 オートグラフAGS-X)を用い、25℃の温度環境下にて、引張速度10mm/分、チャック間距離50mmの条件で引張強度を測定し、以下に示す基準により強度の評価を行った。
◎:引張強度40MPa以上
○:引張強度30MPa以上40MPa未満
△:引張強度20MPa以上30MPa未満
×:引張強度20MPa未満
(活性エネルギー線硬化性樹脂組成物の硬化物の透明性)
前記引張試験用の試験片と同様に硬化物を作製し、透明性を目視により以下の評価を行った。
◎:透明
○:微白濁
△:白濁
×:分離
(活性エネルギー線硬化性樹脂組成物の硬化物のガラス転移温度(Tg))
前記引張試験用の試験片と同様に硬化物を作製し、示差走査熱量計(株式会社島津製作所製のDSC-60plus)により硬化物のガラス転移温度(Tg)を測定した。
(活性エネルギー線硬化性樹脂組成物の硬化物の耐熱性)
前記測定した硬化物のガラス転移温度(Tg)から耐熱性について、以下の評価を行った。
◎:硬化物Tg 80℃以上
○:硬化物Tg 40℃以上80℃未満
×:硬化物Tg 40℃未満
(活性エネルギー線硬化性樹脂組成物の耐硬化収縮)
硬化収縮率はJIS K5600 2-4に従って、下記計算式(1)に示すように活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)及び(F)の硬化前後の密度変化によって求めた。活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)及び(F)の硬化前後の密度に関しては、電子比重計(アルファーミラージュ株式会社製のMDS-300)により、JIS K7112に従って測定した。硬化物は前記引張試験用の試験片と同様に作製した。得られた硬化収縮率から以下の評価を行った。
(硬化収縮率)=(Ds-Dl)/Dl×100 ・・・計算式(1)
(式中、Dsは(E)及び(F)の硬化後の密度であり、Dlは(E)及び(F)の硬化前の密度である。)
◎:硬化収縮率 6%未満
○:硬化収縮率 6%以上7%未満
△:硬化収縮率 7%以上8%未満
×:硬化収縮率 8%以上
(活性エネルギー線硬化性樹脂組成物の硬化性)
硬化性は水平に設置したガラス板上に厚さ100μmのPETフィルム(東洋紡株式会社製、ポリエステルフィルム コスモシャイン A4100)を易接着面を表面とする様に密着させ、バーコーターNo.30を用いて、各実施例と比較例で得られた活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)又は(F)を各々塗布した後、更にその上に厚さ50μmの軽剥離PETフィルム(東洋紡株式会社製、ポリエステルフィルムE7002)を重ね、紫外線を所定の積算光量にて照射(装置:株式会社アイテックシステム製、卓上バッチ式UV-LED硬化装置MUVBA-0.3×0.3×0.5、波長405nm、照度(UV-V)50mW/cm2)し樹脂組成物を硬化させた。その後、剥離PETフィルムを取り除いて、実施例用及び比較例用の硬化性評価用の硬化物の試験片を得た。得られた硬化物表面のタックを評価し、タックが消失する積算光量にて以下の評価を行った。
◎:積算光量 200mJ/cm2未満でタックが消失
○:積算光量 200mJ/cm2以上500mJ/cm2未満でタックが消失
×:積算光量 500mJ/cm2以上でタックが消失
(活性エネルギー線硬化性樹脂組成物の硬化物の造形精度)
水平に設置したガラス板上に厚さ75μmの重剥離PETフィルム(東洋紡株式会社製、ポリエステルフィルムE7001)を密着させ、厚さ10mm、内部が10×10mmのスペーサーを設置し、スペーサーの内側に1mm厚分の各実施例と比較例で得られた活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)又は(F)を各々充填した後、60℃で30秒間保温することで表面を平滑にした後、紫外線を照射(装置:アイグラフィックス製、インバーター式コンベア装置ECS-4011GX、メタルハライドランプ:アイグラフィックス製M04-L41、紫外線照度200mW/cm2、(E-1)~(E-15)及び(F-1)及び(F-2)は積算光量1,000mJ/cm2、(F-3)は積算光量5,000mJ/cm2)し、樹脂組成物を硬化させた。その後、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)又は(F)を各々1mm厚で充填、硬化を計10回繰り返し、10×10×10mmの硬化物を得た。得られた硬化物の高さについて測定した。また、得られら硬化物の側面を目視観察した。これらの結果を組み合わせ、以下の基準により造形精度を評価した。
◎:高さ10mm±0.1mm未満、かつ、側面に凹凸がない。
○:高さ10mm±0.1mm以上 ±0.2mm未満、又は、側面にごく僅かな凹凸がある。
△:高さ10mm±0.2mm以上 ±0.3mm未満、又は、側面に僅かな凹凸がある。
×:高さ10mm±0.3mm以上、又は、側面に明らかな凹凸がある。
(耐衝撃性)
水平に設置したガラス板上に厚さ75μmの重剥離PETフィルム(東洋紡株式会社製、ポリエステルフィルムE7001)を密着させ、厚さ4mm、内部が10×80mmのスペーサーを設置し、スペーサーの内側に4mm厚分の各実施例と比較例で得られた活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)又は(F)を各々充填した後、更にその上に厚さ50μmの軽剥離PETフィルム(東洋紡株式会社製、ポリエステルフィルムE7002)を重ね、紫外線を両側より照射(装置:アイグラフィックス製、インバーター式コンベア装置ECS-4011GX、メタルハライドランプ:アイグラフィックス製M04-L41、紫外線照度200mW/cm2、(E-1)~(E-15)及び(F-1)は積算光量1,000mJ/cm2、(F-2)は積算光量5,000mJ/cm2)し、樹脂組成物を硬化させた。その後、両側の剥離PETフィルムを取り除き、さらに紫外線を所定の積算光量にて照射し(装置:株式会社アイテックシステム製、卓上バッチ式UV-LED硬化装置MUVBA-0.3×0.3×0.5、波長405nm、照度(UV-V)50mW/cm2、(E-1)~(E-15)及び(F-1)は積算光量5,000mJ/cm2、(F-2)は積算光量15,000mJ/cm2)、樹脂組成物のポストキュアを行い、完全に硬化させた。その後、活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E)又は(F)を硬化して得られた試験片を用いて、JIS K-7110に準じてアイゾット衝撃強度(ノッチ有)を測定し、耐衝撃性について、以下の評価を行った。なお、株式会社安田精機製作所製のアイゾット・シャルピー衝撃試験機「型式No.195-R」を使用した。
◎:40J/m以上
○:30J/m以上40J/m未満
△:20J/m以上30J/m未満
×:20J/m未満
表4の結果から明らかなように、実施例1~15が示す本発明の活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(E-1)~(E-15)は、脂環構造及び/又は芳香族環構造を有する(メタ)アクリル重合体(A)と不飽和化合物(B)を併用することにより、三次元光造形に適した範囲の粘度を有し、操作性に優れ、硬化時における収縮を抑制できる他、硬化して得られる硬化物は良好な耐熱性を示した。特に、(E-8)と(E-9)は、それらの粘度が100mPa・s以下であるためインクジェット用インクとして適性な粘度を確保でき、(E-6)は、粘度10,000mPa・s以上と活性エネルギー線硬化型インクを用いた材料押出堆積法方式に好適な範囲の粘度を示した。また引張強度、破断伸度、ヤング率のバランスが良好で優れた強靭性を示し、耐熱性を維持しつつ、硬化収縮率を抑制し造形精度に優れる硬化物が得られることが示された。
一方で、比較例1が示す活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(F-1)は、(メタ)アクリル重合体(A)に替えてN-ビニルピロリドン(NVP)と酢酸ビニル(VAc)の共重合体及び、不飽和化合物(B)を含有する組成物である。該共重合体は、(メタ)アクリル重合体(A)とは異なり脂環構造も芳香族環構造も有していないため、組成物の硬化収縮を抑制できず、造形精度の良い硬化物が得られなかった。また、硬化時に該共重合体が分離してしまい透明均一な硬化物が得ることができず、その結果、該硬化物は強度や耐衝撃性に劣るものであった。さらに、比較例2が示す活性エネルギー線硬化性樹脂組成物(F-2)は、側鎖に硬化性のアリル基を有する(メタ)アクリル重合体(A)を含有する一方、不飽和化合物(B)を含有しない組成物である。該組成物(F-2)は、不飽和化合物(B)を含有していないため、(メタ)アクリル重合体(A-15)と光開始剤(C-1)との相溶性が悪い他、硬化性が劣るとともに、硬化収縮の抑制効果も劣り、造形精度の良い硬化物が得られなかった。また、該硬化物の各特性(耐熱性、透明性、強度及び耐衝撃性)も劣るものであった。