JP7738325B2 - Light-curing water-based slurry - Google Patents
Light-curing water-based slurryInfo
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Description
本発明は、光硬化性水系スラリーに関するものである。 The present invention relates to a photocurable aqueous slurry.
近年、CADなどで設計支援された複雑形状を有する部材を高精細かつ生産性良く製造できるという期待から、セラミックス材料の三次元造形(プリンティング)技術に高い関心が寄せられている。 In recent years, there has been a great deal of interest in three-dimensional printing technology for ceramic materials, due to the expectation that it will be possible to manufacture components with complex shapes designed using CAD and other tools with high precision and high productivity.
特に、光造形法は精細描画性に優れ、人工骨歯を例としたテイラーメイド生体材料、特異な物質移動経路を有するリアクター材料や、小型精密機器用の微小構造部材など、従前の製造プロセスでは設計が困難な次世代材料の実現が期待されている。 In particular, stereolithography excels at producing high-resolution images, and is expected to lead to the creation of next-generation materials that are difficult to design using conventional manufacturing processes, such as tailor-made biomaterials such as artificial bones and teeth, reactor materials with unique material transport pathways, and microstructural components for small precision instruments.
一般に、三次元光造形法を活用したセラミックス材料は、セラミックス原料微粒子を光硬化性モノマーに高濃度分散させたスラリーに対して、位置選択的に光を照射することで複雑形状が成形されている。また、三次元造形された樹脂鋳型に対してスラリーを注型、固化する手法がとられることもある。 Ceramic materials that utilize 3D stereolithography are generally formed into complex shapes by selectively irradiating light onto a slurry in which fine ceramic raw material particles are highly dispersed in a photocurable monomer. Another method is to pour the slurry into a 3D molded resin mold and allow it to solidify.
このようにして得られた硬化体は、焼成工程を経て緻密化されるが、上述の典型的なスラリー中には多量の樹脂分が含まれているため、造形物の割れや崩壊を防止するために極めて低速な昇温条件で長時間にわたる焼成操作が強いられている。すなわち、光造形プロセスを経たセラミックス材料の生産性向上にあたっては、低樹脂量型の刺激応答性スラリーの設計が必須である。 The hardened body obtained in this way is densified through a firing process, but because the typical slurries mentioned above contain a large amount of resin, firing operations must be carried out over a long period of time with extremely slow temperature rise conditions to prevent cracking or collapse of the molded object. In other words, designing a stimulus-responsive slurry with a low resin content is essential to improving the productivity of ceramic materials that undergo stereolithography processes.
このような課題に対し、特許文献1では、溶剤中に懸濁した無機物粒子間をごく少量のモノマー分で光架橋することが可能な、従来の硬化原理とは一線を画した三次元光造形用の光硬化性スラリーが開示されている。また、特許文献1に記載された光硬化性スラリーによれば、無機物粒子を高濃度に含むスラリー中における無機物粒子の優れた分散安定性が得られると開示されている。 In response to these issues, Patent Document 1 discloses a photocurable slurry for three-dimensional optical shaping that is distinct from conventional curing principles, as it is capable of photocrosslinking inorganic particles suspended in a solvent with only a small amount of monomer. It also discloses that the photocurable slurry described in Patent Document 1 achieves excellent dispersion stability of inorganic particles in a slurry containing a high concentration of inorganic particles.
しかしながら、特許文献1に記載された光硬化性スラリーは、大量の有機溶剤を使用するため、作業環境安全性に課題がある。 However, the photocurable slurry described in Patent Document 1 uses a large amount of organic solvent, posing a safety issue for the working environment.
本発明は、このような問題を解決すべく、スラリー中の無機物粒子間をごく少量のモノマー分で光架橋することが可能で、スラリー中の無機物粒子の分散安定性に優れ、作業環境安全性が良好な光硬化性水系スラリーを提供することを課題とする。 In order to solve these problems, the present invention aims to provide a photocurable aqueous slurry that is capable of photocrosslinking inorganic particles in a slurry with a very small amount of monomer, has excellent dispersion stability of inorganic particles in the slurry, and is safe for the working environment.
上記課題は、以下のように特定される本発明によって解決される。
1.(1)無機物粒子と、(2)ポリアルキレンイミン、または、ポリエチレンイミンにポリエチレングリコール鎖を持つ化合物が付加した構造の変性ポリエチレンイミンと、(3)水溶性アクリレートと、(4)光重合開始剤と、を含む光硬化性水系スラリー。
2.前記水溶性アクリレートの含有量は、前記無機物粒子に対して1.5質量%~10.0質量%である前記1に記載の光硬化性水系スラリー。
3.前記ポリアルキレンイミン及び前記変性ポリエチレンイミンの重量平均分子量は、それぞれ300~50000である前記1または2に記載の光硬化性水系スラリー。
4.前記無機物粒子の含有量は、10体積%~65体積%である前記1~3のいずれかに記載の光硬化性水系スラリー。
5.(5)アニオン性高分子である分散剤をさらに含んだ前記1~4のいずれかに記載の光硬化性水系スラリー。
The above problems are solved by the present invention, which is specified as follows.
1. A photocurable aqueous slurry containing (1) inorganic particles, (2) a polyalkyleneimine or a modified polyethyleneimine having a structure in which a compound having a polyethylene glycol chain is added to polyethyleneimine, (3) a water-soluble acrylate, and (4) a photopolymerization initiator.
2. The photocurable aqueous slurry according to 1 above, wherein the content of the water-soluble acrylate is 1.5% by mass to 10.0% by mass relative to the inorganic particles.
3. The photocurable aqueous slurry according to 1 or 2 above, wherein the polyalkyleneimine and the modified polyethyleneimine each have a weight average molecular weight of 300 to 50,000.
4. The photocurable aqueous slurry according to any one of 1 to 3 above, wherein the content of the inorganic particles is 10% by volume to 65% by volume.
5. (5) The photocurable aqueous slurry according to any one of 1 to 4 above, further comprising a dispersant which is an anionic polymer.
本発明によれば、スラリー中の無機物粒子間をごく少量のモノマー分で光架橋することが可能で、スラリー中の無機物粒子の分散安定性に優れ、作業環境安全性が良好な光硬化性水系スラリーを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to photocrosslink inorganic particles in a slurry with only a small amount of monomer, thereby providing a photocurable aqueous slurry that has excellent dispersion stability of inorganic particles in the slurry and is safe for the working environment.
次に本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following embodiments, and it should be understood that appropriate design changes and improvements may be made based on the common knowledge of those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention.
<光硬化性水系スラリー>
本発明の実施形態に係る光硬化性水系スラリーは、無機物粒子と、ポリアルキレンイミン、または、ポリエチレンイミンにポリエチレングリコール鎖を持つ化合物が付加した構造の変性ポリエチレンイミン(以下、単に「変性ポリエチレンイミン」とも言う。)と、水溶性アクリレートと、光重合開始剤と、を含む。
<Photo-curable water-based slurry>
The photocurable aqueous slurry according to an embodiment of the present invention contains inorganic particles, polyalkyleneimine or modified polyethyleneimine having a structure in which a compound having a polyethylene glycol chain is added to polyethyleneimine (hereinafter, also simply referred to as "modified polyethyleneimine"), a water-soluble acrylate, and a photopolymerization initiator.
より具体的には、本発明の実施形態に係る光硬化性水系スラリーは、ポリアルキレンイミン、または、ポリエチレンイミンにポリエチレングリコール鎖を持つ化合物が付加した構造の変性ポリエチレンイミンが表面の少なくとも一部に付着した無機物粒子が、水溶性アクリレートと光重合開始剤とを含む水系溶媒中に分散したものである。 More specifically, the photocurable aqueous slurry according to an embodiment of the present invention comprises inorganic particles having polyalkyleneimine or modified polyethyleneimine, which has a structure in which a compound having a polyethylene glycol chain is attached to polyethyleneimine, attached to at least a portion of the surface thereof, dispersed in an aqueous solvent containing a water-soluble acrylate and a photopolymerization initiator.
[無機物粒子]
本発明の実施形態に係る光硬化性水系スラリーにおいて、無機物粒子は、水系溶媒中で、表面の少なくとも一部にポリエチレンイミンまたは変性ポリエチレンイミンが付着することができるものであれば特に限定されない。当該無機物粒子としては、例えば、酸化ケイ素(SiO2)、窒化ケイ素(Si3N4)、水酸化アパタイト(Ca10(PO4)6(OH)2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ホウ素(BN)、酸化イットリウム(Y2O3)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化チタン(TiO2)、炭酸カルシウム(CaCO3)、チタン酸バリウム(BaTiO3)等の無機化合物の粒子、ニッケル(Ni)、ケイ素(Si)等の粒子が挙げられる。
[Inorganic particles]
In the photocurable aqueous slurry according to the embodiment of the present invention, the inorganic particles are not particularly limited as long as polyethyleneimine or modified polyethyleneimine can adhere to at least a portion of their surfaces in an aqueous solvent. Examples of the inorganic particles include particles of inorganic compounds such as silicon oxide ( SiO2 ), silicon nitride ( Si3N4 ), hydroxyapatite ( Ca10 ( PO4 ) 6 (OH) 2 ), aluminum oxide ( Al2O3 ), zirconium oxide ( ZrO2 ), aluminum nitride (AlN), boron nitride (BN), yttrium oxide ( Y2O3 ), zinc oxide ( ZnO), titanium oxide ( TiO2 ), calcium carbonate ( CaCO3 ), and barium titanate ( BaTiO3 ), as well as particles of nickel (Ni) and silicon (Si).
無機物粒子の比表面積径は、10nm~10μmであることが好ましく、30nm~5μmであることがより好ましい。無機物粒子の比表面積径が10nm以上であれば、ポリエチレンイミンまたは変性ポリエチレンイミンが表面により良好に付着しやすくなる。無機物粒子の比表面積径が10μm以下であれば、形状が崩壊することなく、複雑形状部材の成形が可能となる。ここで、本発明の実施形態に係る光硬化性水系スラリーにおける無機物粒子の「比表面積径」とは、以下の方法で求められる数値である。すなわち、本発明の実施形態に係る光硬化性水系スラリーにおける無機物粒子の比表面積をガス吸着法により求め、粒子の形状を球形とみなした場合に比表面積から幾何学的に算出される直径を比表面積径とする。 The specific surface area diameter of the inorganic particles is preferably 10 nm to 10 μm, and more preferably 30 nm to 5 μm. If the specific surface area diameter of the inorganic particles is 10 nm or more, polyethyleneimine or modified polyethyleneimine will adhere more easily to the surface. If the specific surface area diameter of the inorganic particles is 10 μm or less, complex-shaped components can be molded without the shape collapsing. Here, the "specific surface area diameter" of the inorganic particles in the photocurable aqueous slurry according to an embodiment of the present invention is a numerical value determined by the following method. That is, the specific surface area of the inorganic particles in the photocurable aqueous slurry according to an embodiment of the present invention is determined by gas adsorption, and the diameter geometrically calculated from the specific surface area when the particle shape is considered spherical is defined as the specific surface area diameter.
本発明の実施形態に係る光硬化性水系スラリーにおいて、無機物粒子の含有量は、10体積%~65体積%であることが好ましく、40体積%~50体積%であることがより好ましい。無機物粒子の含有量が10体積%以上であれば、無機物粒子間が強固に架橋した無機物成形体に複雑形状を付与した場合でも機械的強度の低下を抑制することができる。無機物粒子の含有量が65体積%以下であれば、ポリアルキレンイミンが表面に付着した無機物粒子が水系溶媒により均一かつ安定して分散することができる。 In the photocurable aqueous slurry according to an embodiment of the present invention, the content of inorganic particles is preferably 10% to 65% by volume, and more preferably 40% to 50% by volume. If the content of inorganic particles is 10% by volume or more, a decrease in mechanical strength can be suppressed even when a complex shape is imparted to an inorganic molded article in which inorganic particles are strongly cross-linked. If the content of inorganic particles is 65% by volume or less, the inorganic particles having polyalkyleneimine attached to their surfaces can be dispersed uniformly and stably in the aqueous solvent.
[水溶性アクリレート]
本発明の実施形態に係る光硬化性水系スラリーにおいて、水溶性アクリレートは、水溶性多官能アクリレート、または、水素結合性部位(ヒドロキシル基、アミド基、ポリエチレングリコール鎖など)を有する水溶性単官能アクリレートのいずれか一種以上を少なくとも含むことが好ましい。
水溶性多官能アクリレートとしては、変性トリメチロールプロパントリアクリレート、ポリエチレングリコールジアクリレート、N,N’-{[(2-アクリルアミド-2-[(3-アクリルアミドプロポキシ)メチル]プロパン-1,3-ジイル)ビス(オキシ)]ビス(プロパン-1,3-ジイル)}ジアクリルアミド、N,N’,N’’-トリアクリロイジエチレントリアミン、N,N’-ジアクリロイ-4,7,10-トリオキサ-1,13-トリデカンジアミン、N,N’,N’’,N’’’-テトラアクリロイルトリエチレンテトラアミン等が挙げられる。
水素結合性部位を有する水溶性単官能アクリレートとしては、ヒドロキシエチルアクリレート、ヒドロキシプロピルアクリレート、ヒドロキシブチルアクリレート、エトキシジエチレングリコールアクリレート、メトキシトリエチレングリコールアクリレート、メトキシポリエチレングリコールアクリレート、N,N-ジメチルアクリルアミド、N-メトキシメチルアクリルアミド、N-ヒドロキシメチルアクリルアミド等が挙げられる。
水素結合性部位を有する水溶性単官能アクリレートである4-HBA(4-ヒドロキシブチルアクリレート)の構造式を下記式(1)に示す。水溶性多官能アクリレートであるPEGDA(ポリエチレングリコールジアクリレート)の構造式を下記式(2)に示す。
[Water-soluble acrylate]
In the photocurable aqueous slurry according to the embodiment of the present invention, the water-soluble acrylate preferably contains at least one of a water-soluble polyfunctional acrylate and a water-soluble monofunctional acrylate having a hydrogen-bonding site (such as a hydroxyl group, an amide group, or a polyethylene glycol chain).
Examples of the water-soluble polyfunctional acrylate include modified trimethylolpropane triacrylate, polyethylene glycol diacrylate, N,N'-{[(2-acrylamido-2-[(3-acrylamidopropoxy)methyl]propane-1,3-diyl)bis(oxy)]bis(propane-1,3-diyl)}diacrylamide, N,N',N''-triacryloyldiethylenetriamine, N,N'-diacrylloy-4,7,10-trioxa-1,13-tridecanediamine, and N,N',N'',N'''-tetraacryloyltriethylenetetraamine.
Examples of water-soluble monofunctional acrylates having a hydrogen bonding site include hydroxyethyl acrylate, hydroxypropyl acrylate, hydroxybutyl acrylate, ethoxydiethylene glycol acrylate, methoxytriethylene glycol acrylate, methoxypolyethylene glycol acrylate, N,N-dimethylacrylamide, N-methoxymethylacrylamide, and N-hydroxymethylacrylamide.
The structural formula of 4-HBA (4-hydroxybutyl acrylate), a water-soluble monofunctional acrylate having a hydrogen bonding site, is shown in formula (1) below. The structural formula of PEGDA (polyethylene glycol diacrylate), a water-soluble multifunctional acrylate, is shown in formula (2) below.
本発明の実施形態に係る光硬化性水系スラリーにおいて、水溶性アクリレートの含有量は、無機物粒子に対して1.5質量%~10.0質量%であることが好ましく、1.5質量%~5.0質量%であることがより好ましい。水溶性アクリレートの含有量が無機物粒子に対して1.5質量%以上であれば、光硬化性水系スラリーの固化が生じて、成形体の崩壊を起こすことなく、複雑形状を成形できる。水溶性アクリレートの含有量が無機物粒子に対して10.0質量%以下であれば、脱脂工程における割れの発生を効果的に抑制できる。 In the photocurable aqueous slurry according to an embodiment of the present invention, the content of the water-soluble acrylate is preferably 1.5% to 10.0% by mass relative to the inorganic particles, and more preferably 1.5% to 5.0% by mass. When the content of the water-soluble acrylate is 1.5% by mass or more relative to the inorganic particles, the photocurable aqueous slurry solidifies, allowing complex shapes to be formed without collapse of the molded body. When the content of the water-soluble acrylate is 10.0% by mass or less relative to the inorganic particles, cracking during the degreasing process can be effectively suppressed.
[光重合開始剤]
本発明の実施形態に係る光硬化性水系スラリーにおいて、光重合開始剤としては、光硬化性水系スラリーに光を照射することにより、水溶性アクリレートのラジカル重合を開始するためのラジカルを発生させ、且つ、水溶性であれば特に限定されない。光重合開始剤としては、例えば、ベンジルジメチルケタール、ベンゾフェノン、2-ベンゾイル安息香酸メチル、4,4’-ビス(ジエチルアミノ)ベンゾフェノン、1-ヒドロキシ-シクロヘキシル-フェニル-ケトン、2-ヒドロキシ-2-メチル-1-フェニル-1-プロパノン、2-ヒドロキシ-4’-(2-ヒドロキシエトキシ)-2-メチルプロピオフェノン、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、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、2,2’-アゾビス[2-メチル-n-(2-ヒドロキシエチル)プロピオンアミド]、2-ヒドロキシ-4’-(2-ヒドロキシエトキシ)-2-メチルプロピオフェノン等が挙げられる。
[Photopolymerization initiator]
In the photocurable aqueous slurry according to the embodiment of the present invention, the photopolymerization initiator is not particularly limited as long as it generates radicals for initiating radical polymerization of the water-soluble acrylate upon irradiating the photocurable aqueous slurry with light and is water-soluble. Examples of the photopolymerization initiator include benzyl dimethyl ketal, benzophenone, methyl 2-benzoylbenzoate, 4,4'-bis(diethylamino)benzophenone, 1-hydroxycyclohexylphenyl ketone, 2-hydroxy-2-methyl-1-phenyl-1-propanone, 2-hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone, 2,4,6-trimethylbenzoyldiphenylphosphine oxide, bis(2,4,6-trimethylbenzoyl)phenylphosphine oxide, 2,2'-azobis[2-methyl-n-(2-hydroxyethyl)propionamide], and 2-hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone.
本発明の実施形態に係る光硬化性水系スラリーにおいて、光重合開始剤の含有量は、水溶性アクリレートに対して0.5質量%~8.0質量%であることが好ましく、1.0質量%~5.0質量%であることがより好ましい。光重合開始剤の含有量が水溶性アクリレートに対して0.5質量%以上であれば、短時間に光硬化性水系スラリーを固化させて、複雑形状を成形できる。光重合開始剤の含有量が水溶性アクリレートに対して8.0質量%以下であれば、複雑形状を成形する際の光硬化性水系スラリーの固化速度の低下を抑制できる。 In the photocurable aqueous slurry according to an embodiment of the present invention, the content of the photopolymerization initiator is preferably 0.5% to 8.0% by mass relative to the water-soluble acrylate, and more preferably 1.0% to 5.0% by mass. When the content of the photopolymerization initiator is 0.5% by mass or more relative to the water-soluble acrylate, the photocurable aqueous slurry can be solidified in a short time, allowing complex shapes to be formed. When the content of the photopolymerization initiator is 8.0% by mass or less relative to the water-soluble acrylate, a decrease in the solidification rate of the photocurable aqueous slurry when forming complex shapes can be suppressed.
[水系溶媒]
本発明の実施形態に係る光硬化性水系スラリーは水系溶媒を含んでいる。本発明の実施形態に係る光硬化性水系スラリーは、上述の無機物粒子、ポリアルキレンイミン、または、変性ポリエチレンイミン、水溶性アクリレート、及び、光重合開始剤の溶媒として、水系溶媒を用いることで、作業環境安全性が良好となる。
[Aqueous solvent]
The photocurable aqueous slurry according to the embodiment of the present invention contains an aqueous solvent. The photocurable aqueous slurry according to the embodiment of the present invention uses an aqueous solvent as a solvent for the inorganic particles, polyalkyleneimine or modified polyethyleneimine, water-soluble acrylate, and photopolymerization initiator, thereby improving the safety of the working environment.
本発明の実施形態で用いる水系溶媒としては、水であってもよく、水にアルコールなどの他の水系溶媒が混合したものであってもよい。当該アルコールとしては、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、イソブチルアルコール、高級アルコール、ベンジルアルコール等が挙げられる。 The aqueous solvent used in embodiments of the present invention may be water, or a mixture of water and another aqueous solvent such as an alcohol. Examples of such alcohols include methanol, ethanol, isopropyl alcohol, isobutyl alcohol, higher alcohols, and benzyl alcohol.
本発明の実施形態に係る光硬化性水系スラリーにおいて、水系溶媒の含有量は、35体積%~90体積%であることが好ましく、50体積%~60体積%であることがより好ましい。水系溶媒の含有量が35体積%以上であれば、光硬化性水系スラリーにおいて無機物粒子を均一に分散できる。一方、水系溶媒の含有量が90体積%以下であれば、成形体の崩壊を起こすことなく複雑形状を成形できる。 In the photocurable aqueous slurry according to an embodiment of the present invention, the content of the aqueous solvent is preferably 35% to 90% by volume, and more preferably 50% to 60% by volume. If the content of the aqueous solvent is 35% by volume or more, the inorganic particles can be uniformly dispersed in the photocurable aqueous slurry. On the other hand, if the content of the aqueous solvent is 90% by volume or less, complex shapes can be molded without causing collapse of the molded body.
本発明の実施形態に係る光硬化性水系スラリーは、水溶性アクリレートの重合を禁止するための重合禁止剤を含んでいてもよい。重合禁止剤としては、特に限定されず、水溶性アクリレートの種類に応じて、一般的なラジカル重合禁止剤が用いられる。本発明の実施形態に係る光硬化性水系スラリーにおいて、重合禁止剤の含有量は、特に限定されず、水溶性アクリレートの種類や、光硬化性水系スラリーにおける含有量等に応じて、適宜調整される。 The photocurable aqueous slurry according to an embodiment of the present invention may contain a polymerization inhibitor to inhibit the polymerization of the water-soluble acrylate. The polymerization inhibitor is not particularly limited, and a general radical polymerization inhibitor is used depending on the type of water-soluble acrylate. The content of the polymerization inhibitor in the photocurable aqueous slurry according to an embodiment of the present invention is not particularly limited, and is adjusted appropriately depending on the type of water-soluble acrylate, the content in the photocurable aqueous slurry, etc.
[ポリアルキレンイミン]
本発明の実施形態に係るポリアルキレンイミンとしては、例えば、ポリエチレンイミン、ポリプロピレンイミン、ポリブタジエンイミン等が挙げられる。これらの中でも、ポリエチレンイミンは、無機物粒子との親和性が高く、スラリー中における無機物粒子の分散安定性及び光硬化性水系スラリーの長期安定性が向上するためより好ましい。
[Polyalkyleneimine]
Examples of polyalkyleneimines according to the present invention include polyethyleneimine, polypropyleneimine, polybutadieneimine, etc. Among these, polyethyleneimine is more preferred because it has a high affinity with inorganic particles and improves the dispersion stability of the inorganic particles in the slurry and the long-term stability of the photocurable aqueous slurry.
ポリアルキレンイミンの重量平均分子量(Mw)は、300~50000であることが好ましく、300~30000であることがより好ましく、600~10000であることが更により好ましい。ポリアルキレンイミンの重量平均分子量(Mw)が300以上であれば、光硬化性水系スラリーの長期安定性が向上する。ポリアルキレンイミンの重量平均分子量(Mw)が50000以下であれば、光硬化性水系スラリーにおいて、ポリアルキレンイミンが表面に付着した無機物粒子が水系溶媒により均一かつ安定して分散することができる。重量平均分子量はGPC-MALS法により確認することができる。 The weight-average molecular weight (Mw) of the polyalkyleneimine is preferably 300 to 50,000, more preferably 300 to 30,000, and even more preferably 600 to 10,000. If the weight-average molecular weight (Mw) of the polyalkyleneimine is 300 or more, the long-term stability of the photocurable aqueous slurry is improved. If the weight-average molecular weight (Mw) of the polyalkyleneimine is 50,000 or less, inorganic particles with polyalkyleneimine attached to their surfaces can be dispersed uniformly and stably in the aqueous solvent in the photocurable aqueous slurry. The weight-average molecular weight can be confirmed by GPC-MALS.
[変性ポリエチレンイミン]
本発明の実施形態に係る変性ポリエチレンイミン(PEI-mPEG)は、下記式(3)に例示するように、ポリエチレンイミン(PEI)にポリエチレングリコール鎖を持つ化合物が付加した構造を有する。なお、変性ポリエチレンイミンの構造は下記式(3)のものに限定されない。
[Modified polyethyleneimine]
The modified polyethyleneimine (PEI-mPEG) according to an embodiment of the present invention has a structure in which a compound having a polyethylene glycol chain is added to polyethyleneimine (PEI), as exemplified by the following formula (3). Note that the structure of the modified polyethyleneimine is not limited to that of the following formula (3).
式(3)に示すように、変性ポリエチレンイミンは、ポリエチレンイミン(PEI)の分子中に存在する一部のエチレンイミン構造単位(-CH2CH2NH-)の窒素原子にポリエチレングリコール鎖(以下「PEG鎖」と言うことがある。)を持つ化合物が付加した構造を有するものである。この変性ポリエチレンイミン(PEI-mPEG)は、ポリエチレングリコールの末端をアミンと反応するアクリレート等の官能基に変性させた変性ポリエチレングリコールと、ポリエチレンイミンとを反応させることにより合成することができる。式(3)に例示した変性ポリエチレンイミン(PEI-mPEG)は、PEG鎖を持つ化合物としてポリエチレングリコールモノメチルエーテルアクリレートを採用し、これをマイケル付加させた構造のものである。このような変性ポリエチレンイミンは、無機物粒子との親和性が高く、スラリー中における無機物粒子の分散安定性及び光硬化性水系スラリーの長期安定性が向上する。 As shown in formula (3), modified polyethyleneimine has a structure in which a compound having a polyethylene glycol chain (hereinafter sometimes referred to as a " PEG chain") is added to the nitrogen atom of some ethyleneimine structural units ( -CH2CH2NH- ) present in a polyethyleneimine (PEI) molecule. This modified polyethyleneimine (PEI-mPEG) can be synthesized by reacting polyethyleneimine with modified polyethylene glycol, in which the terminal of the polyethylene glycol has been modified with a functional group such as acrylate that reacts with amines. The modified polyethyleneimine (PEI-mPEG) exemplified in formula (3) has a structure in which polyethylene glycol monomethyl ether acrylate is used as the compound having a PEG chain and this is subjected to Michael addition. Such modified polyethyleneimine has a high affinity for inorganic particles, improving the dispersion stability of the inorganic particles in the slurry and the long-term stability of the photocurable aqueous slurry.
変性ポリエチレンイミン(PEI-mPEG)において、エチレンイミン構造単位(-CH2CH2NH-)のモル数に対する、PEG鎖を持つ化合物が付加されたエチレンイミン構造単位のモル数の割合(モル%)を、本明細書では「PEG付加率」と呼ぶ。PEG付加率は下記式(A)により表される。
PEG付加率(モル%)=100×MPEG/MEI …(A)
In modified polyethyleneimine (PEI-mPEG), the ratio (mol %) of the number of moles of ethyleneimine structural units to which a compound having a PEG chain has been added to the number of moles of ethyleneimine structural units ( -CH2CH2NH- ) is referred to as the "PEG addition ratio" in this specification. The PEG addition ratio is expressed by the following formula (A):
PEG addition rate (mol%)=100×MPEG/MEI (A)
上記式(A)において、MEI:エチレンイミン構造単位のモル数、MPEG:ポリエチレングリコール鎖(PEG鎖)を持つ化合物が付加されたエチレンイミン構造単位のモル数である。MEIは、変性ポリエチレンイミン(PEI-mPEG)を合成する際に使用したポリエチレンイミン(PEI)の質量(g)をエチレンイミン構造単位の式量43.1(g/mol)で除することにより算出できる。MPEGは変性ポリエチレンイミン(PEI-mPEG)中のPEG鎖を持つ化合物の質量を、そのPEG鎖を持つ化合物の重量平均分子量で除することにより算出できる。合成された変性ポリエチレンイミン(PEI-mPEG)の1H-NMR(核磁気共鳴法)による測定において、付加反応に使用したPEG鎖を持つ化合物(例えばポリエチレングリコールモノメチルエーテルアクリレート)の官能基(例えばアクリロイル基)のピークが検出されない場合は、反応容器に投入したPEG鎖を持つ化合物の全量が付加反応に消費されたことを示している。この場合は、付加されたPEG鎖を持つ化合物のモル数は、反応容器に投入したPEG鎖を持つ化合物のモル数に等しいとみなすことができる。 In the above formula (A), MEI is the number of moles of ethyleneimine structural units, and MPEG is the number of moles of ethyleneimine structural units to which a compound having a polyethylene glycol chain (PEG chain) has been added. MEI can be calculated by dividing the mass (g) of polyethyleneimine (PEI) used in synthesizing the modified polyethyleneimine (PEI-mPEG) by the formula weight of the ethyleneimine structural unit, 43.1 (g/mol). MPEG can be calculated by dividing the mass of the compound having a PEG chain in the modified polyethyleneimine (PEI-mPEG) by the weight-average molecular weight of the compound having a PEG chain. When the synthesized modified polyethyleneimine (PEI-mPEG) is measured by 1H -NMR (nuclear magnetic resonance), if no peak corresponding to a functional group (e.g., an acryloyl group) of the compound having a PEG chain (e.g., polyethylene glycol monomethyl ether acrylate) used in the addition reaction is detected, this indicates that the entire amount of the compound having a PEG chain introduced into the reaction vessel was consumed in the addition reaction. In this case, the number of moles of the compound having an attached PEG chain can be considered to be equal to the number of moles of the compound having a PEG chain introduced into the reaction vessel.
変性ポリエチレンイミンの重量平均分子量(Mw)は、300~50000であることが好ましく、500~50000であることがより好ましく、1000~30000であることが更により好ましい。変性ポリエチレンイミンの重量平均分子量(Mw)が300以上であれば、光硬化性水系スラリーの長期安定性がより向上する。変性ポリエチレンイミンの重量平均分子量(Mw)が50000以下であれば、光硬化性水系スラリーにおいて、変性ポリエチレンイミンが表面に付着した無機物粒子が水系溶媒により均一かつ安定して分散することができる。重量平均分子量はGPC-MALS法により確認することができる。 The weight-average molecular weight (Mw) of the modified polyethyleneimine is preferably 300 to 50,000, more preferably 500 to 50,000, and even more preferably 1,000 to 30,000. If the weight-average molecular weight (Mw) of the modified polyethyleneimine is 300 or more, the long-term stability of the photocurable aqueous slurry is further improved. If the weight-average molecular weight (Mw) of the modified polyethyleneimine is 50,000 or less, inorganic particles with modified polyethyleneimine attached to their surfaces can be dispersed uniformly and stably in the aqueous solvent in the photocurable aqueous slurry. The weight-average molecular weight can be confirmed using the GPC-MALS method.
本発明の実施形態に係る光硬化性水系スラリーにおいて、ポリアルキレンイミン、または、変性ポリエチレンイミンの含有量は、無機物粒子の表面積を基準として、0.3mg/m2~3.0mg/m2であることが好ましく、0.8mg/m2~2.0mg/m2であることがより好ましい。ポリアルキレンイミン、または、変性ポリエチレンイミンの含有量が0.3mg/m2以上であれば、無機物粒子の表面のほぼ全域に付着することができる。ポリアルキレンイミン、または、変性ポリエチレンイミンの含有量が3.0mg/m2以下であれば、光硬化性水系スラリーにおいて、ポリアルキレンイミン、または、変性ポリエチレンイミンが表面に付着した無機物粒子が水系溶媒により均一かつ安定して分散することができる。 In the photocurable aqueous slurry according to an embodiment of the present invention, the content of polyalkyleneimine or modified polyethyleneimine is preferably 0.3 mg/ m to 3.0 mg/m, and more preferably 0.8 mg/ m to 2.0 mg/ m , based on the surface area of the inorganic particles. When the content of polyalkyleneimine or modified polyethyleneimine is 0.3 mg/m or more , it can be adhered to almost the entire surface of the inorganic particles. When the content of polyalkyleneimine or modified polyethyleneimine is 3.0 mg/m or less , in the photocurable aqueous slurry, the inorganic particles having polyalkyleneimine or modified polyethyleneimine adhered to their surfaces can be dispersed more uniformly and stably in the aqueous solvent.
[分散剤]
本発明の実施形態に係る光硬化性水系スラリーは、アニオン性高分子である分散剤をさらに含んでもよい。このような構成によれば、水溶液中で正に帯電するポリアルキレンイミンや変性ポリエチレンイミンが十分固定化できない正に帯電した無機物粒子に対しても、負に帯電するアニオン性高分子を介して、無機物粒子上にポリアルキレンイミンや変性ポリエチレンイミンを吸着させることができる。
[Dispersant]
The photocurable aqueous slurry according to the embodiment of the present invention may further contain a dispersant that is an anionic polymer. With this configuration, even for positively charged inorganic particles to which the positively charged polyalkyleneimine or modified polyethyleneimine cannot be sufficiently immobilized in an aqueous solution, the polyalkyleneimine or modified polyethyleneimine can be adsorbed onto the inorganic particles via the negatively charged anionic polymer.
当該分散剤を構成するアニオン性高分子としては、ポリスチレンスルホン酸及びその塩、ポリアクリル酸及びその塩、アクリル酸-マレイン酸共重合体及びその塩等が挙げられる。 Examples of anionic polymers that make up the dispersant include polystyrene sulfonic acid and its salts, polyacrylic acid and its salts, and acrylic acid-maleic acid copolymers and their salts.
本発明の実施形態に係る光硬化性水系スラリーにおいて、分散剤の含有量は、無機物粒子の表面積を基準として、0.3mg/m2~3.0mg/m2であることが好ましく、0.8mg/m2~2.0mg/m2であることがより好ましい。分散剤の含有量が0.3mg/m2以上であれば、無機物粒子の表面のほぼ全域に分散剤が付着し、その分散剤を介してポリアルキレンイミン、または、変性ポリエチレンイミンを付着させることができる。分散剤の含有量が3.0mg/m2以下であれば、光硬化性水系スラリーにおいて、分散剤を介して、ポリアルキレンイミン、または、変性ポリエチレンイミンが表面に付着した無機物粒子が水系溶媒により均一かつ安定して分散することができる。 In the photocurable aqueous slurry according to an embodiment of the present invention, the content of the dispersant is preferably 0.3 mg/ m to 3.0 mg/m, and more preferably 0.8 mg/ m to 2.0 mg/ m , based on the surface area of the inorganic particles. If the content of the dispersant is 0.3 mg/ m or more, the dispersant adheres to almost the entire surface of the inorganic particles, and polyalkyleneimine or modified polyethyleneimine can be adhered via the dispersant. If the content of the dispersant is 3.0 mg/m or less , in the photocurable aqueous slurry, the inorganic particles having polyalkyleneimine or modified polyethyleneimine adhered to their surfaces via the dispersant can be dispersed uniformly and stably in the aqueous solvent.
<光硬化性水系スラリーの反応機構>
次に、本発明の実施形態に係る光硬化性水系スラリーの反応機構(硬化の機構)について説明する。
まず、水溶性の多官能アクリレートを用いた光硬化性水系スラリーの反応機構(硬化の機構)について説明する。
本実施形態の光硬化性水系スラリーに光を照射すると、まず、光重合開始剤がラジカルを発生する。すると、水溶性アクリレートがラジカル重合を開始して、水溶性アクリレートの重合体が生成する。また、ラジカル重合は発熱反応であるため、ラジカル重合の開始に伴って熱が発生する。このラジカル重合に起因する熱(反応熱)により、水溶性アクリレート及びその重合体を構成する二重結合に対して、無機物粒子の表面に付着したポリアルキレンイミンまたは変性ポリエチレンイミンのアミノ基を付加するマイケル付加反応が生じる。すなわち、本発明の実施形態に係る光硬化性水系スラリーは、光を照射することによって、まず水溶性アクリレートのラジカル重合を開始して、そのラジカル重合に起因する熱により、水溶性アクリレート及びその重合体を構成する二重結合とポリアルキレンイミンまたは変性ポリエチレンイミンのアミノ基との間でマイケル付加反応が生じる。よって、本発明の実施形態に係る光硬化性水系スラリーは、マイケル付加反応を生じさせるために、外部から熱を加える必要がなく、光を照射するだけで、ラジカル重合反応とマイケル付加反応を生じることができる。その結果、本実施形態の光硬化性水系スラリーは、簡便な操作により、無機物成形体を成形することができる。
<Reaction mechanism of photocurable aqueous slurry>
Next, the reaction mechanism (curing mechanism) of the photocurable aqueous slurry according to the embodiment of the present invention will be described.
First, the reaction mechanism (curing mechanism) of the photocurable aqueous slurry using a water-soluble polyfunctional acrylate will be described.
When the photocurable aqueous slurry of this embodiment is irradiated with light, the photopolymerization initiator first generates radicals. This initiates radical polymerization of the water-soluble acrylate, resulting in the production of a water-soluble acrylate polymer. Furthermore, because radical polymerization is an exothermic reaction, heat is generated as the radical polymerization begins. The heat (reaction heat) resulting from this radical polymerization causes a Michael addition reaction in which amino groups of the polyalkyleneimine or modified polyethyleneimine attached to the surfaces of the inorganic particles are added to the double bonds constituting the water-soluble acrylate and its polymer. That is, the photocurable aqueous slurry of this embodiment initiates radical polymerization of the water-soluble acrylate by irradiation with light, and the heat resulting from this radical polymerization causes a Michael addition reaction between the double bonds constituting the water-soluble acrylate and its polymer and the amino groups of the polyalkyleneimine or modified polyethyleneimine. Therefore, the photocurable aqueous slurry of this embodiment does not require external heat application to cause the Michael addition reaction; simply by irradiating it with light, the radical polymerization reaction and the Michael addition reaction can occur. As a result, the photocurable aqueous slurry of this embodiment can be used to form an inorganic molded article through a simple procedure.
このマイケル付加反応により、無機物粒子間が架橋される。マイケル付加反応に起因する結合は、下記式(4)で示すような化学反応によって形成される。 This Michael addition reaction crosslinks inorganic particles. The bonds resulting from the Michael addition reaction are formed by the chemical reaction shown in formula (4) below.
すなわち、上記式(4)において、(a)ポリアルキレンイミンまたは変性ポリエチレンイミンのアミノ基が、(b)水溶性アクリレートを構成する二重結合に対してマイケル付加反応して、(c)や(d)の結合を形成する。 That is, in the above formula (4), the amino group of (a) the polyalkyleneimine or modified polyethyleneimine undergoes a Michael addition reaction with the double bond constituting (b) the water-soluble acrylate to form the bond (c) or (d).
このようなマイケル付加反応によって形成された結合は、例えば、赤外分光法(Infrared Spectroscopy:IR)で赤外吸収スペクトルを測定することによって確認することができる。赤外吸収スペクトルの測定には、フーリエ変換赤外分光光度計(Fourier Transform Infrared Spectrometer:FT-IR)が用いられる。 The bond formed by such a Michael addition reaction can be confirmed, for example, by measuring the infrared absorption spectrum using infrared spectroscopy (IR). A Fourier transform infrared spectrophotometer (FT-IR) is used to measure the infrared absorption spectrum.
次に、水素結合性部位を有する水溶性単官能アクリレートを用いた光硬化性水系スラリーの反応機構(硬化の機構)について説明する。
本実施形態の光硬化性水系スラリーに光を照射すると、まず、光重合開始剤がラジカルを発生する。すると、水溶性アクリレートがラジカル重合を開始して、水溶性アクリレートの重合体が生成する。このとき、水溶性アクリレートの重合体に含まれる水素結合性基が、無機物粒子の表面に付着したポリアルキレンイミンまたは変性ポリエチレンイミンと水素結合を形成する。
Next, the reaction mechanism (curing mechanism) of the photocurable aqueous slurry using a water-soluble monofunctional acrylate having a hydrogen-bonding site will be described.
When the photocurable aqueous slurry of this embodiment is irradiated with light, the photopolymerization initiator first generates radicals. This then initiates radical polymerization of the water-soluble acrylate, producing a water-soluble acrylate polymer. At this time, hydrogen-bonding groups contained in the water-soluble acrylate polymer form hydrogen bonds with the polyalkyleneimine or modified polyethyleneimine attached to the surfaces of the inorganic particles.
本発明の実施形態に係る光硬化性水系スラリーは、スラリー中における無機物粒子の分散安定性に優れる。また、水溶性アクリレートとして多官能アクリレートを用いた場合、ラジカル重合反応によって発生する反応熱を利用して、水溶性アクリレートおよびその重合体を構成する二重結合に対して、無機物粒子の表面に付着した、ポリアルキレンイミンまたは変性ポリエチレンイミンのアミノ基を付加するマイケル付加反応が生じるため、簡便な操作により無機物粒子間が強固に架橋した無機物成形体を成形することができる。また、水溶性アクリレートとして水素結合性部位を有する水溶性単官能アクリレートを用いた場合、ラジカル重合によって水溶性アクリレートの重合体が生成する。このとき、水溶性アクリレートの重合体に含まれる水素結合性基が、無機物粒子の表面に付着したポリアルキレンイミンまたは変性ポリエチレンイミンと水素結合を形成することで、簡便な操作により、無機物成形体を成形することができる。
また、無機物粒子の表面に付着した、ポリアルキレンイミンまたは変性ポリエチレンイミンと水系溶媒との親和性が高いためスラリーの粘度が低く、流動性が高くなり、鋳型に容易に注型したり、高精細な光造形が実現できる。また、微量のモノマーで光硬化が可能なため、光硬化性水系スラリーを硬化してなる無機物成形体を製造する際、高速焼成しても無機物成形体が割れ難くなる。さらに、溶媒として水系溶媒を用いており、有機溶剤を使用するものでないため、作業環境安全性が良好となる。
The photocurable aqueous slurry according to the present invention exhibits excellent dispersion stability of inorganic particles in the slurry. Furthermore, when a polyfunctional acrylate is used as the water-soluble acrylate, the reaction heat generated by the radical polymerization reaction is utilized to cause a Michael addition reaction in which amino groups of the polyalkyleneimine or modified polyethyleneimine attached to the surface of the inorganic particles are added to the double bonds constituting the water-soluble acrylate and its polymer. This allows for the formation of an inorganic molded body in which the inorganic particles are strongly crosslinked by a simple operation. Furthermore, when a water-soluble monofunctional acrylate having a hydrogen-bonding moiety is used as the water-soluble acrylate, a polymer of the water-soluble acrylate is produced by radical polymerization. At this time, the hydrogen-bonding groups contained in the water-soluble acrylate polymer form hydrogen bonds with the polyalkyleneimine or modified polyethyleneimine attached to the surface of the inorganic particles, allowing for the formation of an inorganic molded body by a simple operation.
Furthermore, the polyalkyleneimine or modified polyethyleneimine attached to the surface of the inorganic particles has a high affinity for the aqueous solvent, resulting in a low slurry viscosity and high fluidity, making it easy to cast into a mold and enabling high-resolution photolithography. Furthermore, since photocuring is possible with a small amount of monomer, when producing an inorganic molded body by curing the photocurable aqueous slurry, the inorganic molded body is less likely to crack even when subjected to high-speed firing. Furthermore, since an aqueous solvent is used as the solvent, and no organic solvent is used, the working environment is safer.
<光硬化性水系スラリーの製造方法>
本発明の実施形態に係る光硬化性水系スラリーの製造方法は、まず、水系溶媒中にて、ポリアルキレンイミンまたは変性ポリエチレンイミンを添加して撹拌することで、ポリアルキレンイミンまたは変性ポリエチレンイミンを含む水系溶液を調製する。
<Method for producing photocurable aqueous slurry>
In a method for producing a photocurable aqueous slurry according to an embodiment of the present invention, first, a polyalkyleneimine or a modified polyethyleneimine is added to an aqueous solvent and stirred to prepare an aqueous solution containing the polyalkyleneimine or the modified polyethyleneimine.
次に、ポリアルキレンイミンまたは変性ポリエチレンイミンを含む水系溶液に、無機物粒子と光重合開始剤を分散させて、無機物粒子の分散液を調製する。水系溶液に無機物粒子と光重合開始剤を分散させる方法は特に限定されないが、例えば、無機物粒子と光重合開始剤を含む水系溶液を撹拌翼やマグネチックスターラーを用いて撹拌する方法、無機物粒子と光重合開始剤を含む水系溶液に超音波を印加する方法等が挙げられる。 Next, inorganic particles and a photopolymerization initiator are dispersed in an aqueous solution containing polyalkyleneimine or modified polyethyleneimine to prepare a dispersion of inorganic particles. The method for dispersing the inorganic particles and photopolymerization initiator in the aqueous solution is not particularly limited, but examples include stirring the aqueous solution containing the inorganic particles and photopolymerization initiator using a stirring blade or magnetic stirrer, and applying ultrasound to the aqueous solution containing the inorganic particles and photopolymerization initiator.
次に、得られた分散液に、水溶性アクリレートを添加する。これにより、本発明の実施形態に係る光硬化性水系スラリーが得られる。分散液に水溶性アクリレートを添加し、分散させる方法は特に限定されないが、例えば、水溶性アクリレートを含む分散液を撹拌翼やマグネチックスターラーを用いて撹拌する方法、水溶性アクリレートを含む分散液に超音波を印加する方法等が挙げられる。 Next, a water-soluble acrylate is added to the resulting dispersion, thereby obtaining a photocurable aqueous slurry according to an embodiment of the present invention. The method for adding and dispersing the water-soluble acrylate to the dispersion is not particularly limited, but examples include stirring the dispersion containing the water-soluble acrylate using a stirring blade or magnetic stirrer, and applying ultrasound to the dispersion containing the water-soluble acrylate.
<無機物成形体>
無機物成形体は、本発明の実施形態に係る光硬化性水系スラリーを硬化してなる無機物成形体である。
水溶性アクリレートとして多官能アクリレートを用いた場合、水溶性アクリレートおよびその重合体を構成する二重結合に対して、ポリアルキレンイミンまたは変性ポリエチレンイミンのアミノ基がマイケル付加反応することによって形成された結合を有する。
より詳細には、無機物成形体は、無機物粒子の表面にポリアルキレンイミンまたは変性ポリエチレンイミンが付着し、ポリアルキレンイミンまたは変性ポリエチレンイミンのアミノ基が、水溶性アクリレートおよびその重合体を構成する二重結合に対してマイケル付加反応することによって形成された結合を有するものである。
無機物成形体は、水溶性アクリレートおよびその重合体を構成する二重結合に対して、無機物粒子の表面に付着したポリアルキレンイミンまたは変性ポリエチレンイミンのアミノ基がマイケル付加しているため、無機物粒子間が強固に架橋している。
<Inorganic molded body>
The inorganic molded body is an inorganic molded body obtained by curing the photocurable aqueous slurry according to an embodiment of the present invention.
When a polyfunctional acrylate is used as the water-soluble acrylate, it has a bond formed by a Michael addition reaction of the amino group of the polyalkyleneimine or modified polyethyleneimine with the double bond constituting the water-soluble acrylate and its polymer.
More specifically, the inorganic molded body has polyalkyleneimine or modified polyethyleneimine attached to the surface of inorganic particles, and has bonds formed by a Michael addition reaction of the amino groups of the polyalkyleneimine or modified polyethyleneimine with the double bonds that constitute the water-soluble acrylate and its polymer.
In the inorganic molding, the amino groups of the polyalkyleneimine or modified polyethyleneimine attached to the surface of the inorganic particles are strongly cross-linked to the double bonds constituting the water-soluble acrylate and its polymer by Michael addition.
また、水溶性アクリレートとして水素結合性部位を有する水溶性単官能アクリレートを用いて作製した無機物成形体においては、水溶性アクリレートの重合体に含まれる水素結合性基が、無機物粒子の表面に付着したポリアルキレンイミンまたは変性ポリエチレンイミンと水素結合している。 In addition, in inorganic molded articles made using a water-soluble monofunctional acrylate having hydrogen-bonding sites as the water-soluble acrylate, the hydrogen-bonding groups contained in the water-soluble acrylate polymer form hydrogen bonds with the polyalkyleneimine or modified polyethyleneimine attached to the surface of the inorganic particles.
無機物成形体としては、例えば、ゴム等のように弾性変形可能な成形体、塑性変形する成形体等が挙げられる。
したがって、当該無機物成形体によれば、複雑形状部材(成形体)の成形を可能とすることができる。また、無機物成形体を焼結することにより、無機物成形体の複雑形状が維持された焼結体を得ることができる。
Examples of inorganic molded bodies include elastically deformable molded bodies such as rubber, and plastically deformable molded bodies.
Therefore, the inorganic molded body can be molded into a complex-shaped component (molded body). Furthermore, by sintering the inorganic molded body, a sintered body can be obtained that maintains the complex shape of the inorganic molded body.
<無機物成形体の製造方法>
無機物成形体の製造方法は、本実施形態の光硬化性水系スラリーに光を照射して、光硬化性水系スラリーを硬化させ、光硬化性水系スラリーからなる無機物成形体を形成する。光硬化性水系スラリーに光を照射することにより、上述のように、水溶性アクリレートがラジカル重合を開始する。
水溶性アクリレートとして多官能アクリレートを用いた場合、このラジカル重合に起因する熱により、水溶性アクリレート及びその重合体を構成する二重結合に対して、無機物粒子の表面に付着したポリアルキレンイミンまたは変性ポリエチレンイミンのアミノ基を付加するマイケル付加反応が生じる。
また、水溶性アクリレートとして水素結合性部位を有する水溶性単官能アクリレートを用いた場合、このラジカル重合によって水溶性アクリレートの重合体が生成する。このとき、水溶性アクリレートの重合体に含まれる水素結合性基が、無機物粒子の表面に付着したポリアルキレンイミンまたは変性ポリエチレンイミンと水素結合を形成する。
これらの結果として、光硬化性水系スラリーが固化または凝集し、無機物成形体が得られる。
<Method of manufacturing inorganic molded body>
In the method for producing an inorganic molded body of this embodiment, the photocurable aqueous slurry is irradiated with light to cure the photocurable aqueous slurry, thereby forming an inorganic molded body from the photocurable aqueous slurry. By irradiating the photocurable aqueous slurry with light, the water-soluble acrylate initiates radical polymerization as described above.
When a polyfunctional acrylate is used as the water-soluble acrylate, the heat generated by this radical polymerization causes a Michael addition reaction in which the amino groups of the polyalkyleneimine or modified polyethyleneimine attached to the surface of the inorganic particles are added to the double bonds that constitute the water-soluble acrylate and its polymer.
When a water-soluble monofunctional acrylate having a hydrogen-bonding moiety is used as the water-soluble acrylate, a polymer of the water-soluble acrylate is produced by this radical polymerization. At this time, the hydrogen-bonding group contained in the polymer of the water-soluble acrylate forms a hydrogen bond with the polyalkyleneimine or modified polyethyleneimine attached to the surface of the inorganic particle.
As a result, the photocurable aqueous slurry solidifies or aggregates to obtain an inorganic molded body.
例えば、目的とする形状に応じた、光透過性の成形型に光硬化性水系スラリーを投入し、その状態で光硬化性水系スラリーに光を照射して、光硬化性水系スラリーを固化または凝集させることにより、その成形型による外形を有する無機物成形体が得られる。また、成形型を複雑形状にすることにより、無機物成形体の外形を複雑形状にすることができる。 For example, a photocurable aqueous slurry can be placed in a light-transmitting mold corresponding to the desired shape, and then irradiated with light to solidify or aggregate the photocurable aqueous slurry, resulting in an inorganic molded product with the outer shape of the mold. Furthermore, by using a mold with a complex shape, the outer shape of the inorganic molded product can also be made complex.
また、例えば、光硬化性水系スラリーが目的の形状となるように、ノズル等から光硬化性水系スラリーを吐出させて、吐出直後の光硬化性水系スラリーに光を照射して、光硬化性水系スラリーを固化または凝集させることにより、目的の形状を有する無機物成形体を成形してもよい。 Also, for example, the photocurable aqueous slurry may be ejected from a nozzle or the like so that it takes on the desired shape, and the photocurable aqueous slurry may be irradiated with light immediately after ejection to solidify or aggregate the photocurable aqueous slurry, thereby forming an inorganic molded product having the desired shape.
このようにして得られた無機物成形体を脱脂、焼結することにより、無機物成形体の複雑形状が維持された焼結体を得ることができる。 By degreasing and sintering the inorganic molded body obtained in this manner, a sintered body can be obtained that maintains the complex shape of the inorganic molded body.
当該無機物成形体の製造方法によれば、水溶性アクリレートおよびその重合体を構成する二重結合に対して、無機物粒子の表面に付着したポリアルキレンイミンまたは変性ポリエチレンイミンのアミノ基がマイケル付加した、無機物粒子間が強固に架橋した無機物成形体が得られる。または、水溶性アクリレートの重合体に含まれる水素結合性基が、無機物粒子の表面に付着したポリアルキレンイミンまたは変性ポリエチレンイミンと水素結合した無機物成形体が得られる。そのため、複雑形状部材(成形体)の成形を可能とすることができる。また、当該無機物成形体の製造方法によって得られた無機物成形体を焼結することにより、無機物成形体の複雑形状が維持された焼結体を得ることができる。 This method for producing inorganic molded bodies produces inorganic molded bodies in which the amino groups of the polyalkyleneimine or modified polyethyleneimine attached to the surfaces of the inorganic particles undergo Michael addition to the double bonds constituting the water-soluble acrylate and its polymer, resulting in strong cross-linking between the inorganic particles. Alternatively, inorganic molded bodies can be produced in which the hydrogen-bonding groups contained in the water-soluble acrylate polymer form hydrogen bonds with the polyalkyleneimine or modified polyethyleneimine attached to the surfaces of the inorganic particles. This makes it possible to mold components (molded bodies) with complex shapes. Furthermore, by sintering the inorganic molded body produced by this method for producing inorganic molded bodies, a sintered body can be produced in which the complex shape of the inorganic molded body is maintained.
以下に本発明を実施例でさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 The present invention will be described in further detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
<実験例1>
-PEI添加光硬化性水系スラリーの作製-
蒸留水に、ポリエチレンイミン(PEI、重量平均分子量(Mw)=1800)を添加し、さらに無機物粒子としてSiO2を分散させて、遊星混合(5分間)及びボールミルを用いた撹拌(24時間)により、無機物粒子の分散液を調製した。
ポリエチレンイミンは、作製する光硬化性水系スラリーにおける含有量がSiO2に対して0.4mg/m2となるように添加した。
SiO2は、平均粒径が約220nmであり、作製する光硬化性水系スラリーにおける含有量が46体積%となるように添加した。
次に、得られた分散液に、水溶性アクリレート及び光重合開始剤を添加し、遊星混合(500rpm、1分間)、超音波撹拌(1分間)及び脱泡(200rpm、1分間)をこの順で行い、光硬化性水系スラリーを作製した。
水溶性アクリレートとしては、上記式(1)で示す4-HBAまたは上記式(2)で示すPEGDAを用いた。4-HBA及びPEGDAの光硬化性水系スラリーにおける含有量は、それぞれ、SiO2に対して5.0質量%、7.5質量%または10質量%とした。
光重合開始剤は、2-ヒドロキシ-4’-(2-ヒドロキシエトキシ)-2-メチルプロピオフェノン(紫外光用重合開始剤:紫外光365nm硬化型)、または、2,2’-アゾビス[2-メチル-n-(2-ヒドロキシエチル)プロピオンアミド](青色光用重合開始剤:青色光405nm硬化型)を用いた。当該紫外光用重合開始剤は、水溶性アクリレートに対して2質量%となるように添加した。また、当該青色光用重合開始剤は、水溶性アクリレートに対して2質量%となるように添加した。
<Experimental Example 1>
- Preparation of PEI-added photocurable aqueous slurry -
Polyethyleneimine (PEI, weight-average molecular weight (Mw) = 1800) was added to distilled water, and SiO2 was further dispersed as inorganic particles. The mixture was then subjected to planetary mixing (5 minutes) and stirring using a ball mill (24 hours) to prepare a dispersion of inorganic particles.
Polyethyleneimine was added so that the content in the photocurable aqueous slurry to be prepared was 0.4 mg/m 2 relative to SiO 2 .
SiO2 has an average particle size of about 220 nm, and was added so that its content in the photocurable aqueous slurry to be prepared was 46% by volume.
Next, a water-soluble acrylate and a photopolymerization initiator were added to the obtained dispersion, and planetary mixing (500 rpm, 1 minute), ultrasonic stirring (1 minute), and degassing (200 rpm, 1 minute) were carried out in this order to prepare a photocurable aqueous slurry.
The water-soluble acrylate used was 4-HBA represented by the above formula (1) or PEGDA represented by the above formula (2). The contents of 4-HBA and PEGDA in the photocurable aqueous slurry were 5.0 mass %, 7.5 mass %, and 10 mass %, respectively, relative to SiO2 .
The photopolymerization initiator used was 2-hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone (ultraviolet light polymerization initiator: UV light 365 nm curing type) or 2,2'-azobis[2-methyl-n-(2-hydroxyethyl)propionamide] (blue light polymerization initiator: blue light 405 nm curing type). The ultraviolet light polymerization initiator was added so that it accounted for 2% by mass relative to the water-soluble acrylate. The blue light polymerization initiator was also added so that it accounted for 2% by mass relative to the water-soluble acrylate.
<実験例2>
-せん断速度、スラリーの粘度の評価-
実験例1で作製した各光硬化性水系スラリーについて、粘度曲線を以下のように測定した。
・粘度曲線の測定方法:
コーン・プレート型治具を取り付けたレオメータを用いて、せん断速度を0~80s-1に上昇させる過程と、80~0s-1に降下させる過程のみかけ粘度を連続的に計測することで粘度曲線を測定した。
水溶性アクリレートとして4-HBAを用い、重合開始剤として上記紫外光用重合開始剤を用いて作製した光硬化性水系スラリーに係る評価結果を示すグラフを図1に示す。
水溶性アクリレートとして4-HBAを用い、重合開始剤として上記青色光用重合開始剤を用いて作製した光硬化性水系スラリーに係る評価結果を示すグラフを図2に示す。
水溶性アクリレートとしてPEGDAを用い、重合開始剤として上記紫外光用重合開始剤を用いて作製した光硬化性水系スラリーに係る評価結果を示すグラフを図3に示す。
<Experimental Example 2>
-Evaluation of shear rate and slurry viscosity-
The viscosity curve of each of the photocurable water-based slurries prepared in Experimental Example 1 was measured as follows.
・Method for measuring viscosity curve:
A viscosity curve was measured by using a rheometer equipped with a cone-and-plate jig to continuously measure the apparent viscosity while increasing the shear rate from 0 to 80 s −1 and decreasing it from 80 to 0 s −1 .
FIG. 1 is a graph showing the evaluation results of a photocurable aqueous slurry prepared using 4-HBA as the water-soluble acrylate and the above ultraviolet photopolymerization initiator as the polymerization initiator.
FIG. 2 is a graph showing the evaluation results of a photocurable aqueous slurry prepared using 4-HBA as the water-soluble acrylate and the above blue light polymerization initiator as the polymerization initiator.
FIG. 3 is a graph showing the evaluation results of a photocurable aqueous slurry prepared using PEGDA as the water-soluble acrylate and the above-mentioned ultraviolet photopolymerization initiator as the polymerization initiator.
図1~3によれば、実験例1で作製した光硬化性水系スラリーのいずれも、せん断速度を0~80s-1に上昇させる過程と、80~0s-1に降下させる過程でヒステリシス性は認められず、分散安定性に優れていることがわかった。 1 to 3, no hysteresis was observed in any of the photocurable aqueous slurries prepared in Experimental Example 1 during the process of increasing the shear rate from 0 to 80 s -1 and during the process of decreasing the shear rate from 80 to 0 s -1 , indicating that they had excellent dispersion stability.
<実験例3>
-光硬化時間、貯蔵弾性率の評価-
実験例1で作製した各光硬化性水系スラリーについて、紫外光または青色光を照射してその前後における貯蔵弾性率を以下のように測定した。
・貯蔵弾性率の測定:
コーン・プレート型治具を取り付けたレオメータを用いて、動的粘弾性測定(周波数1.0Hz、ひずみ0.1%)により貯蔵弾性率を測定した。動的粘弾性測定の開始後30秒後に、30秒間紫外光または青色光を照射し、スラリーの貯蔵弾性率の経時変化を測定した。
水溶性アクリレートとして4-HBAを用い、重合開始剤として上記紫外光用重合開始剤を用いて作製した光硬化性水系スラリーに係る評価結果を示すグラフを図4に示す。
水溶性アクリレートとして4-HBAを用い、重合開始剤として上記青色光用重合開始剤を用いて作製した光硬化性水系スラリーに係る評価結果を示すグラフを図5に示す。
水溶性アクリレートとしてPEGDAを用い、重合開始剤として上記紫外光用重合開始剤を用いて作製した光硬化性水系スラリーに係る評価結果を示すグラフを図6に示す。
<Experimental Example 3>
- Evaluation of light curing time and storage modulus -
Each of the photocurable aqueous slurries prepared in Experimental Example 1 was irradiated with ultraviolet light or blue light, and the storage modulus was measured before and after the irradiation as follows.
Measurement of storage modulus:
The storage modulus was measured by dynamic viscoelasticity measurement (frequency 1.0 Hz, strain 0.1%) using a rheometer equipped with a cone-and-plate jig. 30 seconds after the start of the dynamic viscoelasticity measurement, the slurry was irradiated with ultraviolet or blue light for 30 seconds, and the change in storage modulus of the slurry over time was measured.
FIG. 4 is a graph showing the evaluation results of a photocurable aqueous slurry prepared using 4-HBA as the water-soluble acrylate and the above ultraviolet photopolymerization initiator as the polymerization initiator.
FIG. 5 is a graph showing the evaluation results of a photocurable aqueous slurry prepared using 4-HBA as the water-soluble acrylate and the above blue light polymerization initiator as the polymerization initiator.
FIG. 6 is a graph showing the evaluation results of a photocurable aqueous slurry prepared using PEGDA as the water-soluble acrylate and the above-mentioned ultraviolet photopolymerization initiator as the polymerization initiator.
図4~6によれば、実験例1で作製した光硬化性水系スラリーのいずれも、紫外光または青色光を照射した直後に貯蔵弾性率が著しく増大しており、水溶性アクリレートの添加量が無機物粒子に対して10質量%以下のごく少量でも光硬化可能であることがわかった。 Figures 4 to 6 show that the storage modulus of all of the photocurable aqueous slurries prepared in Experimental Example 1 increased significantly immediately after irradiation with ultraviolet light or blue light, demonstrating that photocuring was possible even with a very small amount of water-soluble acrylate added, less than 10% by mass relative to the inorganic particles.
Claims (4)
前記水溶性アクリレートの含有量は、前記無機物粒子に対して1.5質量%~10.0質量%である光硬化性水系スラリー。 (1) inorganic particles; (2) polyalkyleneimine or modified polyethyleneimine having a structure in which a compound having a polyethylene glycol chain is added to polyethyleneimine; (3) water-soluble acrylate; and (4) a photopolymerization initiator ,
The photocurable aqueous slurry has a content of the water-soluble acrylate of 1.5% by mass to 10.0% by mass relative to the inorganic particles .
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