JP2003512498A - 無機／有機組成物 - Google Patents

無機／有機組成物

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Abstract

(57)【要約】 a)溶媒、b)この溶液中に実質上均一に分散させた無機粒子、c)この溶液中に実質上均一に分散させた無機表面改質剤、およびd)この溶液中に実質上均一に分散させた有機架橋剤、を含む被覆溶液。無機表面改質剤は、b)およびc)の１〜30質量パーセントを構成する。b)およびc)は合わせてb)、c)およびd)の30質量パーセント〜75質量パーセントを構成する。本発明に係る溶液を種々の基材に適用して、高度に耐摩耗性の被覆を生成することができる。本発明に係る被覆はまた、良好な酸素および水蒸気障壁性を示す。本発明に係る溶液は三次元物体の製造に利用することもできる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は一般に硬質被覆の技術に関するものである。より詳細には、本発明は
、架橋可能な有機官能基を含む第三の成分を加えた２種の異なる無機成分を含有
する新規な貯蔵安定性溶液から生成される新規な硬質被覆に関するものである。
【０００２】 本明細書の目的のためには、硬質被覆とは、良好な機械的性質、例えば引っ掻
き耐性および耐摩耗性を示す被覆を指す。硬質被覆を生成する技術には多くの異
なるアプローチが知られている。これらの硬質被覆は多くの異なる用途に利用さ
れている。例えば、硬質被覆はしばしば家具の保護に、そして自動車の各種部品
の保護に使用されている。
【０００３】 当分野では、ゾル−ゲルプロセスおよび技術を用いる硬質被覆の生成が知られ
ている。また、ゾル−ゲル経路による密で純粋な無機被覆の形成には、加熱が必
要であることも知られている。密で純粋な無機被覆の生成に要する熱量は、或る
種の材料、例えばプラスチック物質への被覆をできなくさせる。さらに、純粋な
無機被覆は、その高い(三次元)無機ネットワーク結合性のため、脆い。
【０００４】 ゾル-ゲル組成物への有機成分の導入は、被覆の全体的無機ネットワーク結合
性の低下を導き、被覆がより低い温度で生成されることを可能にする。また、有
機成分の含有により、被覆は、良好な引っ掻き耐性および耐摩耗性を維持しつつ
、より可撓的粘弾性となる(即ち脆さが減る)。これらの無機／有機被覆の幾つか
は、オルモシル(ormosil)(有機改質珪酸塩)、オルモサー(ormocer)(有機改質セ
ラミック)、またはナノマー(nanomer)(ナノ粒子およびポリマー型材料を含有す
る有機成分)として知られている。
【０００５】 しかしながら、現在までこれらの有機／無機被覆には多くの欠点があった。第
一に、約40パーセント以上の無機部分を有する被覆の生成は、幾つかの場合には
不可能ではないにせよ、極めて困難であった。より無機含有量の低い被覆は、多
くの用途にとって耐摩耗性または引っ掻き耐性が不充分となる。第二に、先行技
術による無機／有機被覆組成物は、水に対し感受性であり、または水と混和せず
、高価で使用が困難または危険でさえある有機溶媒を必要とする。
【０００６】 したがって、工業界では、低温で容易且つ経済的に生成できる硬質被覆の必要
性が存在する。本発明はこのような懸念に取り組むものである。
【０００７】 一つの態様において、本発明は、硬質被覆の生成のために容易に利用できる保
存安定性溶液である。本発明に係る溶液は、a)溶媒；b)この溶液中に実質上均一
に分散させた無機粒子（この粒子は１ナノメートル〜100ナノメートルのサイズ
を有する）；c)この溶液中に実質上均一に分散させた無機表面改質剤（この改質
剤の質量パーセントはb)およびc)の合計質量の１パーセント〜30パーセントを構
成する）；およびd)この溶液中に実質上均一に分散させた有機架橋剤（ここでb)
およびc)は合わせてb)、c)およびd)の30質量パーセント〜70質量パーセントを構
成する）を含む。
【０００８】 一つの好ましい態様では、本発明に係る溶液は水性である。本発明に係る被覆
を生成するため、本発明に係る溶液にその他の溶媒を使用することもできるが、
本発明の重要な利点は、本発明に係る溶液が、溶媒として水のみを用いて生成で
きるということである。
【０００９】 本発明に係る溶液の成分は、当分野で既知の様々な方法で混合できる。成分の
混合にとって好ましい方法は、まず溶媒中に無機表面改質剤を含有する溶液を調
製し、次いでこの表面改質剤を含有する溶液に、有機架橋剤、または当該架橋剤
を含有する溶液を添加することである。次に、この無機表面改質剤および有機架
橋剤を含有する溶液を、無機粒子を含有するゾルに添加する。
【００１０】 本発明に係る溶液から被覆を生成させる方法は特に重要でない。この溶液をま
ず被覆しようとする物質に適用し、次いで溶液を硬化させ被覆を生成させる。本
発明に係る溶液は、存在している溶媒を除去する必要があるのか、それとも溶媒
が反応性溶媒であるのかに応じて二つの方法のうちいずれかで硬化させる。第一
の硬化方法は、まず溶媒を除去し、次いで適当な刺激（例えば熱またはＵＶ光）
を適用して有機架橋剤を架橋または重合させることである。反応性溶媒が存在す
る際に用いられる、本発明に係る溶液を硬化させる第二の方法は、溶媒を除去す
るのではなくこれを反応させ、そして適当な刺激の適用により有機架橋剤を架橋
または重合させるものである。
【００１１】 本発明に係る溶液、とりわけ水溶液を硬化させる好ましい方法は、溶液に充分
な熱を適用して溶媒を除去し、架橋を促進させることである。一般に、本発明に
係る溶液は充分低い温度で硬化でき、本発明に係る溶液がプラスチック基材、例
えばポリカーボネート、PET、PEN、PVC、PMMA、ポリオレフィン、ポリスルホン
、およびポリウレタン製の基材上で硬化することを可能にしている。
【００１２】 さらに別の態様では、本発明は耐摩耗性被覆として利用可能な新規組成物であ
る。本発明に係る組成物は、a)この組成物全体に実質上均一に分散させた無機粒
子（この粒子は１ナノメートル〜100ナノメートルのサイズを有し、当該無機粒
子はこの組成物体積の30容量パーセント〜70容量パーセントを構成する）；b)こ
の組成物全体に実質上均一に分散させた無機改質剤微粒子（この改質剤微粒子は
、当該無機粒子のサイズに比して１：50〜１：２のサイズ比を有し、当該改質剤
微粒子は、該組成物体積の１容量パーセント〜20容量パーセントを構成する）；
およびc)この組成物体積の10容量パーセント〜70容量パーセントを構成する架橋
した有機成分、を含む。
【００１３】 本発明に係る溶液および被覆は、少なくとも２種の異なる無機成分と、架橋可
能な有機官能性を含む少なくとも１つの第三の成分を含有する。本明細書の目的
のため、この第三成分を有機架橋剤と称する。この架橋剤は全体が有機でなくと
もよく、少なくともその性質が部分的に有機であればよい。したがって、本発明
に係る溶液および被覆は、無機成分（即ち無機相）と有機成分（即ち有機相）の
両者を含むという意味で、二相であると考えられる。本発明に係る被覆は、二種
の無機成分が異なるサイズであるという意味で、二方式であると考えられる。無
機成分および有機架橋剤に加え、本発明に係る溶液は溶媒を含む。
【００１４】 本発明に係る溶液は貯蔵安定性である。貯蔵安定性とは、本発明に係る溶液が
、数日または数ヶ月にもわたって貯蔵でき、その後さらなる調製（例えば再混合
）なしに利用できることを意味する。
【００１５】 本発明に係る溶液において有用な二つのタイプの溶媒がある。第一の型の溶媒
は、他の溶液成分のための担体媒質として挙動し、これらの溶液から被覆を生成
するプロセスの間に、本発明に係る溶液から除去されねばならない。本発明に係
る溶液において有用な第一のタイプの溶媒は、水、有機溶媒、およびこれらの混
合物を包含する。好ましい溶媒は、水、アルコール、ケトン、グリコールエーテ
ル、グリコールエステル、およびこれらの混合物である。特に好ましい溶媒は水
である。事実、本発明に係る溶液および被覆が唯一の溶媒として水を利用して生
成できるという事は、本発明の特に有利な側面である。
【００１６】 本発明に係る溶液において有用な第二のタイプの溶媒は、これらの溶液から被
覆を生成するプロセスの間に本発明に係る溶液から除去する必要のない溶媒であ
る。本明細書の目的のため、これらの溶媒を反応性溶媒と称する。これらの反応
性溶媒は、溶液から除去される代わりに架橋または重合反応を受ける。これらの
反応性溶媒を使用する一つの利点は、本発明の幾つかの態様では、架橋剤におい
て架橋または重合を開始させるのに使用するものと同じ刺激を、この溶媒の反応
開始にも使用できるということである。このようにして、これらの反応性溶媒を
利用して本発明に係る溶液から単一工程で被覆を生成することができる。典型的
には、有機架橋剤および溶媒の両方の反応を開始させるための刺激は、ＵＶ光ま
たは電子線の適用である。
【００１７】 本発明に係る溶液において有用な反応性溶媒の例は、エポキシ、アクリレート
、およびビニルエーテルを包含する。好ましい例は脂環式エポキシ、エポキシア
クリレート、およびウレタンアクリレートを包含する。
【００１８】 本発明に係る溶液に必要な溶媒の量は特に重要でない。存在する他の成分をこ
の溶液中に実質上均一に分散させるのに充分な溶媒が存在しなければならない。 一般に、本発明に係る溶液において、溶媒は、この溶液の少なくとも約10質量
パーセント且つ約90質量パーセント以内を構成する。
【００１９】 典型的には、溶媒はこの溶液の少なくとも約25質量パーセントであり且つ約75
質量パーセント以内を構成する。本発明に係る溶液中に存在する溶媒の量は、生
成される被覆の化学的性質に重大な影響を及ぼすことなく所望の粘度を有する溶
液が生成されるよう、調節することができる。
【００２０】 本発明に係る溶液中の無機相は、二つの異なる無機成分、すなわち本発明に係
る被覆中で微粒子形態をとる無機表面改質剤および無機粒子、を含む。好ましく
は、下に述べるこれらの無機粒子および無機改質剤微粒子はほぼ球形である。本
明細書中で別途記載のない限り、本発明で使用する無機粒子または微粒子のサイ
ズについての言及は、粒子または微粒子の平均直径を指す。
【００２１】 第一の無機成分は、１ナノメートル〜100ナノメートルの範囲のサイズの無機
粒子を含む。溶媒より高い密度および約100ナノメートルより大きなサイズを有
する粒子は、長期間保存した場合に低粘度の溶液中で沈殿する傾向がある。した
がって、本発明で使用する無機粒子は約100ナノメートル未満のサイズを持たね
ばならず、さもなければ得られる溶液は保存中に非沈殿性とはならないであろう
（即ち、保存安定性でない）。
【００２２】 透明な被覆が求められる場合、無機粒子は約50ナノメートル未満のサイズを持
つべきである。好ましい無機粒子は約40ナノメートル以下のサイズを有するであ
ろう。より好ましくは、本発明で使用する無機粒子は約30ナノメートル以下のサ
イズを有する。
【００２３】 一般に、本発明に係る被覆が充分な機械的性質、例えば良好な引っ掻き耐性お
よび良好な耐摩耗性を有するためには、使用する無機粒子は少なくとも１ナノメ
ートルのサイズを持たねばならない。好ましくは本発明で使用する無機粒子は、
少なくとも約５ナノメートルのサイズを有する。
【００２４】 さらに、実質上サイズが均一の粒子を使用するのが好ましい。全てが正確に同
一サイズの粒子である必要はないが、得られる被覆の透明性が所望の適用にとっ
て重要である場合には、粒子サイズの均一性の増大が好ましい。
【００２５】 本発明に係る溶液において、無機粒子は溶液中に実質上均一に分散されるべき
である。均一な分散は全成分の充分な混合を容易にし、均質な被覆の生成を可能
にする。
【００２６】 本発明の態様において有用な無機粒子は、天然および合成セラミック、粘土、
鉱物、金属、金属合金、およびこれらの混合物を包含する。有用なセラミック、
粘土、および鉱物の例は、酸化物、水酸化物、カーバイド、硼化物、燐化物、チ
タン酸塩、タングステン酸塩、窒化物、珪化物、弗化物、硫化物、炭酸塩、およ
び珪酸塩である。好ましい無機粒子は酸化物または水酸化物表面を有するもので
ある。より好ましい無機粒子は、溶媒中の酸化物ゾルとして使用する。シリカ、
アルミナ、水酸化アルミニウム、セリア、チタニア、およびジルコニアの水性ゾ
ルの形態の無機粒子を使用するのが特に好ましい。
【００２７】 無機相の第二の成分は無機表面改質剤である。本発明に係る被覆において、顕
微鏡写真が、この改質剤が無機粒子の表面に沈殿し、付着し、または結合するこ
とを示すことから、本明細書の目的のため、「表面改質剤」という語を使用する
。
【００２８】 無機表面改質剤は本発明に係る溶液中に実質上均一に分散させるべきである。
実質上均一に分散させるとは、表面改質剤が当該溶液全体に均一に分配され、当
該溶液の他の成分と混和することを意味する。好ましくは、無機表面改質剤は、
使用する溶媒に可溶性である。溶媒に可溶性の表面改質剤は容易に分散する。
【００２９】 表面改質剤は、無機相の総質量（即ち、無機粒子および表面改質剤を合した合
計質量）の１パーセント〜30パーセントを構成すべきである。好ましくは、表面
改質剤は無機相の１質量パーセント〜20質量パーセントを構成する。
【００３０】 本発明において有用な無機表面改質剤は、溶媒と反応してこの溶媒中にナノメ
ートルスケールのゾルまたはミセル懸濁液を形成するものを包含し得る。例えば
、金属塩化物は水と反応して金属水酸化物のゾルを形成する。有用な表面改質剤
は、イオン交換、イオン除去、pH変化、改質剤濃度の変化、温度の変化、圧力の
変化といったプロセスによって、またはその他の物理的、化学的、光学的、もし
くは機械的刺激によって、無機粒子の表面に沈殿するようにした改質剤である。
表面改質剤が無機粒子の表面に沈殿するようにさせるための好ましい方法は、本
発明に係る溶液から溶媒を除去することである。イオン交換技術を利用して、溶
媒を除去せずに無機粒子表面に改質剤を沈殿させることもできる。
【００３１】 本発明において有用な無機表面改質剤は、無機塩、有機金属化合物、セラミッ
ク前駆体、セラミック、粘土、鉱物、金属、金属合金、またはこれらの混合物を
包含する。水溶液のための好ましい表面改質剤は、金属塩、例えば塩化アルミニ
ウム、オキシ塩化アルミニウム、および塩化錫である。
【００３２】 本発明において有用な有機架橋剤は、本発明に係る溶液中に実質上均一に分散
できる有機化合物および有機金属化合物、ならびにこれらのオリゴマー、付加物
、縮合物ならびに反応生成物を包含する。実質上均一に分散するとは、有機架橋
剤が溶液全体に実質上均一に分配され、この溶液の他の成分と混合することを意
味する。好ましくは、本発明において有用な有機架橋剤は、使用する溶媒に可溶
性である。架橋剤は、pH変化、架橋剤の濃度の変化、温度の変化、圧力の変化に
よって、またはその他の物理的、化学的、光学的、照射もしくは機械的刺激によ
って、当該溶媒に不溶性、またはその他の状態で非分散性となり得る。
【００３３】 有用な有機架橋剤の例は、エポキシド、アクリレート、ウレタン、ビニル、有
機シラン、有機チタン酸塩、有機燐酸塩、有機シラノール、および、ヒドロキシ
、グリコール、アミノール、またはフェノール官能性を有するこれらの同じ化合
物である。本発明に係る水溶液のための好ましい架橋剤は、ヒドロキシ官能性を
有するシラノール、酸加水分解されたエポキシシラノール、酸加水分解されたエ
ポキシ、エポキシ−アミン付加物、ヒドロキシ含有アクリル酸塩、ヒドロキシ含
有ウレタン、ヒドロキシ含有エポキシ、エトキシド含有アクリル酸塩、エトキシ
ド含有ウレタン、およびエトキシド含有エポキシである。
【００３４】 本発明に係る溶液中に存在する有機架橋剤の量は、総溶液に対してではなく、
存在する無機相(即ち、無機粒子プラス無機表面改質剤)の量に対して測定すべき
である。架橋剤は、無機粒子、無機表面改質剤、および有機架橋剤の合計質量の
約70質量パーセント以下を構成すべきである。一般に、架橋剤は、無機粒子、無
機表面改質剤、および有機架橋剤の合計質量の少なくとも約25質量パーセントを
構成する。
【００３５】 一般に、無機相のパーセンテージが高い（即ち架橋剤が少ない）程、得られる
被覆の耐摩耗性が上がる。また、小さな無機粒子は、より大きな総表面積を持ち
、より高いパーセンテージの有機架橋剤を必要とする。本発明に係る被覆におい
て高い粒子詰め込み密度を達成するためには、球形の粒子または縦横比の低い粒
子が好ましい。
【００３６】 チタニア、セリア、酸化鉄、酸化クロム、酸化バナジウムといった或る種の無
機材料は、紫外(ＵＶ)光散乱および吸収能を持っている。本発明に係る溶液にこ
れらの材料を組み入れることにより、ＵＶ感受性基質に防護（即ちＵＶ遮断）を
提供する被覆を生成できる。本発明は、本発明に係る被覆全体に均一に分配した
これらのＵＶ遮断無機材料の高いロードを可能にするという点で、特異な利点を
提供するものである。
【００３７】 有用なＵＶ遮断材料、無機粒子として、無機表面改質剤として、または有機金
属架橋剤の一部として、本発明に係る溶液および被覆に導入できる。例えば、Ｕ
Ｖ遮断被覆において有用な無機相の生成には、粒子径10〜50ナノメートルのチタ
ニアまたはセリアゾルを、アルミニウム塩表面改質剤と共に有利に利用できる。
その他の例には、シリカゾルまたはチタニアゾルの使用が包含され、セリウム化
合物またはセリウム塩を含む表面改質剤と共に利用できる。加えて、本発明に係
るＵＶ遮断被覆には、有機チタニウム塩架橋剤を有利に利用できる。
【００３８】 無機粒子、表面改質剤、および架橋剤の組み合わせを単一の被覆または多層の
連続被覆に使用して、被覆を調整するＵＶおよび可視光透過性、機械的性質、な
らびに屈折率を調節または最適化することができる。
【００３９】 本発明に係る溶液の成分は、当分野で既知の様々な方法で混合できる。事実、
成分が容易に混合でき、且つ溶液中に均一に分散できるという事が本発明の特異
な利点である。成分が、容易に混合でき、且つ実質上、または完全に水性である
本発明の溶液中に均一に分散できるという事が、さらなる利点である。表面改質
剤および架橋剤は４つの異なる方法：a)溶液の形態で；b)ゾルまたはミセルの形
態で；c)無機粒子の表面に付着して、無機粒子の周囲に殻または部分的殻を形成
する；およびd) a)、b)、およびc)の組み合わせ、で溶媒に分散することができ
る。いったん成分が混合されたならば、全成分の均一な分散が、必要ならば本発
明の溶液をVibraCell 700 Watt超音波ホーン(Sonics and Materialsより入手可
能)のような装置を用いる超音波処理に付すことにより、促進できる。
【００４０】 成分を混合するための好ましい方法は、まず、溶媒中に無機表面改質剤を含有
する溶液を調製し、次いでこの表面改質剤を含有する溶液に、有機架橋剤、また
は当該架橋剤を含有する溶液を添加することである。次に、この無機表面改質剤
および有機架橋剤を含有する溶液を、無機粒子を含有するゾルに添加する。
【００４１】 本発明に係る溶液から被覆を生成する方法は特に重要でない。まずこの溶液を
被覆しようとする基材に適用し、次いで溶液を硬化させ被覆を生成させる。一般
に、本発明の溶液は、本発明の溶液がプラスチック基材、例えばポリカーボネー
ト、PET、およびPVC、ポリオレフィン、ならびにポリウレタン製の基材上で硬化
できるに充分なほど低い温度で硬化することができる。
【００４２】 本発明に係る溶液は、存在している溶媒を除去する必要があるのか、それとも
溶媒が反応性溶媒であるのかに応じて二つの方法のうちいずれかで硬化させる。
第一の硬化方法は、まず溶媒を除去し、次いで適当な刺激（例えば熱またはＵＶ
光）を適用して架橋剤中の架橋可能部分（例えばエポキシ官能性）を架橋または
重合させることである。架橋または重合機構の例は、重縮合または付加反応機構
を包含する。本発明に係る溶液、特に水溶液を硬化させる好ましい方法は、溶媒
を除去するに充分な熱を当該溶液に適用して架橋を促進させることである。反応
性溶媒が存在する際に用いられる、本発明に係る溶液を硬化させる第二の方法は
、溶媒を除去する代わりにこれを反応させ、そして適当な刺激の適用により有機
架橋剤を架橋または重合させるものである。本発明の好ましい態様では、同じ刺
激を用いて溶媒を反応させ、且つ架橋剤を架橋または重合させることができる。
【００４３】 風乾または減圧乾燥したが架橋させていない溶液に対して、透過型電子顕微鏡
検査といったような当分野で既知の顕微鏡検査を実施した。即ち、溶媒は除去し
たが有機架橋剤をまだ架橋させていない被覆に対してこれらの検査を実施した。
同じ検査を、完全に硬化させた（即ち、架橋または重合させた）被覆についても
実施した。これらの検査は、表面改質剤が、より大きな無機粒子の表面で微粒子
を形成しているらしいことを示した。これらの表面改質剤微粒子は、被覆全体に
実質上均一に分散していた。
【００４４】 これらの表面改質剤微粒子のサイズは、無機相に利用する無機粒子のサイズよ
り実質上小さい。無機粒子のサイズに対する表面改質剤微粒子のサイズの比は、
少なくとも約１：50であり、好ましくは少なくとも約１：15である。無機粒子の
サイズに対する表面改質剤微粒子のサイズの比は、約１：２以下であり、好まし
くは約１：５以下である。
【００４５】 本発明に係る被覆はさらに、架橋した有機成分を含有する。この成分は、本質
的には上記の有機架橋剤で構成されるが、この架橋剤上の架橋可能部分または重
合可能部分が適当な刺激により架橋または重合している点が異なっている。
【００４６】 本発明に係る被覆中の成分は、しっかりと「詰め込まれる」。したがって、本
発明に係る被覆は、この被覆中の成分の間に空隙または空気が殆ど含まれていな
い。本発明に係る被覆中の空隙の量は、被覆の顕微鏡写真を調べることにより、
当業者によって評価できる。本発明に係る被覆中の無機粒子と表面改質剤の間の
サイズの相違が、無機相がしっかりと「詰め込まれる」事を可能にし、より高い
無機ローディングを導き、それ故、より良好な引っ掻き耐性およびより良好な耐
摩耗性を産むと考えられる。
【００４７】 空隙は、本発明に係る被覆の体積の約20パーセント未満を構成する。好ましく
は、合計の空隙は、この体積の約10パーセント未満を構成する。より好ましくは
、本発明に係る被覆中の合計空隙は、本発明に係る被覆の総体積の約５容量パー
セント未満を構成する。
【００４８】 本発明に係る被覆において、無機粒子の体積は当該被覆の総体積の30パーセン
ト〜70パーセントを構成する。好ましくは、無機粒子は40容量パーセント〜70容
量パーセントを構成する。本発明に係る被覆において、無機改質剤微粒子の体積
は、当該被覆の総体積の１パーセント〜20パーセントを構成する。本発明に係る
被覆において、架橋した有機成分の体積は当該被覆の総体積の10パーセント〜70
パーセントを構成する。好ましくは、架橋した有機成分は10容量パーセント〜50
容量パーセントを構成する。
【００４９】 本発明の利点の一つは、本発明に係る被覆において、無機相の高いロードが達
成できるということである。本明細書において別途記載のない限り、無機物の「
ロード」とは、本発明に係る被覆中に存在する無機相の質量パーセントを指す。
無機相は本発明に係る被覆の少なくとも約30質量パーセントを構成する。
【００５０】 一般に、より高いロードの無機相を有する被覆は、無機相のロードが低い被覆
より良好な引っ掻きおよび摩耗耐性を有する。したがって、幾つかの好ましい被
覆の態様では、無機相は少なくとも約40質量パーセント、好ましくは少なくとも
約50質量パーセントを構成する。無機相は被覆の約75質量パーセントまでを構成
し得る。より大きな無機粒子を使用することにより、さらに高い無機ロードを達
成できるが、大きな粒子の使用は溶液の安定性を減少させ、得られる被覆の光透
過性を減少させるかも知れない。
【００５１】 添加物が他の成分の機能または有効性を実質上妨害する量で含まれない限り、
本発明に係る溶液および被覆は種々の添加物を含有させることができる。当業者
は特定の適用のための特定の需要に応じて異なる添加物を選択できる。当業者が
本発明に係る溶液および被覆への配合を考慮し得る添加物は、界面活性剤、分散
剤、付着促進剤、レベリング剤、顔料、色素、ラテックス、乳化ポリマー、希釈
剤、可塑剤、充填剤、増粘剤、消泡剤、カップリング剤、触媒、ブロッキング剤
、硬膜剤、硬化剤、流動調節剤、緩衝剤、有機樹脂、殺真菌剤、湿潤剤、光開始
剤、ＵＶ吸収剤、光安定剤、抗酸化剤、コアクティベーター、および増量剤を包
含する。
【００５２】 本発明に係る溶液は、数多くの異なる基材の被覆に有利に使用することができ
る。例えば、本発明の被覆は、ポリカーボネート、PET、PVC、ポリオレフィン、
およびポリウレタンのようなプラスチック；アルミ箔、真鍮、および鉄のような
金属；木材；ならびにガラス上にうまく施すことができた。
【００５３】 本発明の被覆は障壁性が要求される適用に使用できる。例えば、本発明の被覆
をPET基材に適用した。被覆を施された基材は、被覆していない同じPET基材より
劇的に低い酸素および水蒸気透過率（即ち、高い障壁性）を示した。
【００５４】 本明細書は被覆の形成に焦点を合わせてきたが、本発明の溶液は他の物品の形
成に有利に利用できるということに留意すべきである。例えば、本発明の溶液は
スタンドアローン薄膜の形成に利用できる。薄膜を形成させる一つの方法は、着
脱可能な基質上に厚い被覆を作り、次いでこの被覆を基材からはずすことである
。さらに、本発明の溶液は、この溶液を鋳型内に注ぎ次いで溶液を硬化させるこ
とにより、三次元物体の形成に利用することができる。
【００５５】 データ 幾つかの異なる被覆を製造し、耐摩耗性を試験した。比較目的のためガラス表
面もまた試験した。耐摩耗性は、被覆を摩耗試験に付す前後に各被覆の曇りを測
定することにより評価した。曇りの値の変化が小さいことは被覆がより耐摩耗性
であることを示し、一方曇りの値の大きな変化は耐摩耗性がより小さいことを示
す。曇りの測定値は全てASTM 4060の方法に従いHunterLab UltraScan Iユニット
で取得した。別途記載のない限り、全ての摩耗試験は、摩耗ロード500グラム(即
ち、合計1000グラム重を２個の摩耗車輪上に平均的に分配)、1000摩耗サイクル
で、CS-10F摩耗車輪を使用するTaber Abraserで実施した。
【００５６】 下の試料１〜４は全て、調製した溶液が無機相15質量パーセント、架橋剤25質
量パーセント、および溶媒60質量パーセントを含むように作製した。試料１〜４
は無機相の組成物のみが相違する。４種の試料全てにおいて、使用した架橋剤は
3-グリシドオキシプロピルトリメトキシシラン(Dow CorningよりZ-6040として入
手可能)であった。４種の試料全てにおいて、使用した溶媒は水であった。
【００５７】 ４種の試料全てから被覆を作製し、上記の曇り測定を用いて耐摩耗性を評価し
た。耐摩耗性試験の結果を第Ｉ表に示す。
【００５８】試料１ 無機相の供給にアルミナゾル(Alphaより在庫No. 12733として入手可能)を使用
した。このアルミナゾルは20質量パーセントの水中コロイド懸濁液であり、pH4.
0、粒子径50ナノメートル、そして正の粒子電荷を有していた。このアルミナゾ
ルを3-グリシドオキシプロピルトリメトキシシランおよび水と混合した。混合物
をVibraCell 700 Watt超音波ホーン(Sonics and Materialsより入手可能)を用い
て30パーセント振幅設定で2.5分間超音波処理した。次いでこの混合物をさらに
攪拌することなく室温で2.5時間放置した。
【００５９】 次にこの混合物を、コロナ処理したポリカーボネート基質に、スピン被覆機(H
eadway Researchより入手可能)を使用し900rpmで１分間適用した。スピン被覆し
た後、被覆した基質を120℃のThelco炉で45分間加熱することにより硬化させた
。次いで被覆した基材を室温まで空冷した。
【００６０】 被覆した基質の曇りを測定した。曇りは0.43パーセントと測定された。次に、
被覆した試料を摩耗試験に付した。摩耗試験により作られた摩耗痕跡上の少なく
とも４個の異なる点から、再度曇りを測定した。この曇り測定値を平均し、比較
に使用した。摩耗試験後の平均の曇り測定値は19.80パーセントであった。
【００６１】試料２ アルミナゾルの代わりにシリカゾル(DuPontからLudox-TMA(登録商標)として入
手可能)を使用する他は試料１と同じ方法で組成物と被覆を作製した。このシリ
カゾルは、34パーセントの水中コロイド懸濁液であり、pH４〜７、粒子径22ナノ
メートル、比表面積140m2/g、そして負の粒子電荷を持っていた。
【００６２】 曇りの測定を、試料１の曇り測定と同じ方法で試料２の被覆について実施した
。摩耗試験前の曇り測定値は0.52パーセントであり、摩耗試験後の曇り測定値は
19.61パーセントであった。
【００６３】試料３ 無機相の供給にシリカゾルのみを使用する代わりに、試料２で用いた同じシリ
カゾルとアルミニウム塩との混合物を用いて無機相を供給する以外は試料２と同
じ方法で、組成物と被覆を作製した。このアルミニウム塩は塩化アルミニウム六
水和物(Aldrichより入手可能)であった。合計の無機相は組成物全体の15質量パ
ーセントに維持しつつ、シリカゾルにより無機相の95質量パーセントが、そして
塩化アルミニウム六水和物により無機相の５質量パーセント（AlO1.5として計算
）が供給された。
【００６４】 試料２の曇り測定と同じ方法で試料３の被覆についての曇り測定を行った。摩
耗試験前の曇り測定値は0.40パーセントであり、摩耗試験後の曇り測定値は3.85
パーセントであった。
【００６５】試料４ 硝酸アルミニウムと、同じシリカゾルとの混合物を無機相の供給に使用する他
は試料３と同じ方法で組成物および被覆を作製した。硝酸アルミニウムはAldric
hから硝酸アルミニウム九水和物として入手できる。合計の無機相は組成物全体
の15質量パーセントに維持しつつ、シリカゾルにより無機相の95質量パーセント
が、そして硝酸アルミニウムにより無機相の５質量パーセントが供給された。
【００６６】 試料３の曇り測定と同じ方法で試料４の被覆についての曇り測定を行った。摩
耗試験前の曇り測定値は0.36パーセントであり、摩耗試験後の曇り測定値は7.32
パーセントであった。
【００６７】試料５ 試料３で使用した同じアルミニウム塩の１質量部を３部の脱イオン水に室温で
溶解した。試料３で使用した同じ架橋剤15部をこの塩溶液に混合した。熱の放出
と共に混合を約５分間継続し、混合物は透明となった。30質量部のシリカゾル(D
uPontよりLudox-Clとして入手可能)を混合物に加え、その結果温度は周囲温度付
近に下がった。使用したシリカゾルは30質量パーセントの水中懸濁液であり、pH
4.5、粒子径12ナノメートル、比表面積230m2/g、そして正の粒子電荷を持ってい
た。次いでこの混合物を試料３のように2.5分間超音波処理した。
【００６８】 得られた溶液を、800rpmのスピン速度で１分間スピン被覆することにより、コ
ロナ処理したポリカーボネート基材に適用した。被覆した基材を試料３と同じ方
法で硬化させた。
【００６９】 1000摩耗サイクルではなく2000摩耗サイクルを使用する他は試料３と同じ方法
で耐摩耗性を試験した。摩耗試験前に測定した曇り測定値は0.40パーセントであ
り、摩耗試験後に測定した曇り測定値は2.66パーセントであった。
【００７０】ガラス試料 1/8インチ(0.3173cm)のガラス試料に対し試料1-4と同じ方法で摩耗試験を行っ
た。始めの曇り測定値は0.09パーセントであり、摩耗試験後の曇り測定値は1.34
パーセントであった。
【００７１】
【表１】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4J037 AA18 AA22 AA25 AA30 CA05 CA12 FF18 4J038 CG141 CH131 DB001 DG001 DL031 HA136 HA146 HA216 HA446 KA08 MA10 NA11 PB02 PB07

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 a)溶媒； b)溶液中に実質上均一に分散させた、１ナノメートル〜100ナノメートルのサイ
    ズを有する無機粒子； c)溶液中に実質上均一に分散させた無機表面改質剤、この改質剤の質量パーセン
    トはb)およびc)の合計質量の１パーセント〜30パーセントを構成する；および d)溶液中に実質上均一に分散させた有機架橋剤、ここでb)およびc)は合わせてb)
    、c)およびd)の少なくとも約30質量パーセントを構成する、 を含む溶液。
  2. 【請求項２】 前記溶媒が水である、請求項１に記載の溶液。
  3. 【請求項３】 前記無機粒子が、金属酸化物表面を有する粒子および金属水
    酸化物表面を有する粒子より成る群から選ばれる、請求項１に記載の溶液。
  4. 【請求項４】 前記無機粒子がシリカ、アルミナ、水酸化アルミニウム、セ
    リア、チタニア、およびジルコニアより成る群から選ばれる、請求項１に記載の
    溶液。
  5. 【請求項５】 前記無機表面改質剤が金属塩および有機金属化合物より成る
    群から選ばれる、請求項１に記載の溶液。
  6. 【請求項６】 前記無機表面改質剤が塩化アルミニウム、オキシ塩化アルミ
    ニウム、および塩化錫より成る群から選ばれる、請求項１に記載の溶液。
  7. 【請求項７】 前記無機表面改質剤がヒドロキシ含有モノマーおよびヒドロ
    キシ含有オリゴマーより成る群から選ばれる、請求項１に記載の溶液。
  8. 【請求項８】 前記有機架橋剤がヒドロキシ官能化シラノール、酸加水分解
    されたエポキシ、およびエトキシド含有アクリレート、ウレタン、およびエポキ
    シより成る群から選ばれる、請求項１に記載の溶液。
  9. 【請求項９】 前記無機粒子が１ナノメートル〜50ナノメートルのサイズを
    有する、請求項１に記載の溶液。
  10. 【請求項１０】 前記無機粒子が１ナノメートル〜40ナノメートルのサイズ
    を有する、請求項１に記載の溶液。
  11. 【請求項１１】 前記無機粒子が１ナノメートル〜30ナノメートルのサイズ
    を有する、請求項１に記載の溶液。
  12. 【請求項１２】 前記無機表面改質剤が前記溶媒に可溶である、請求項１に
    記載の溶液。
  13. 【請求項１３】 前記有機架橋剤が前記溶媒に可溶である、請求項１に記載
    の溶液。
  14. 【請求項１４】 前記溶媒が反応性溶媒である、請求項１に記載の溶液。
  15. 【請求項１５】 前記改質剤の質量パーセントがb)およびc)の合計質量の１
    パーセント〜20パーセントを構成する、請求項１に記載の溶液。
  16. 【請求項１６】 a)組成物に実質上均一に分散させた無機粒子、この粒子は
    １ナノメートル〜100ナノメートルのサイズを有し、当該無機粒子はこの組成物
    体積の30容量パーセント〜70容量パーセントを構成する； b)組成物に実質上均一に分散させた無機改質剤微粒子、この無機改質剤微粒子は
    、当該無機粒子のサイズに比して１：50〜１：２のサイズ比を有し、当該改質剤
    微粒子は、この組成物体積の１容量パーセント〜20容量パーセントを構成する；
    および c)組成物体積の10容量パーセント〜70容量パーセントを構成する架橋した有機成
    分、 を含む組成物。
  17. 【請求項１７】 前記無機粒子がこの組成物体積の40容量パーセント〜70容
    量パーセントを構成する、請求項１６に記載の組成物。
  18. 【請求項１８】 前記架橋した有機成分がこの組成物体積の10容量パーセン
    ト〜50容量パーセントを構成する、請求項１６に記載の組成物。
  19. 【請求項１９】 前記無機粒子が１ナノメートル〜50ナノメートルのサイズ
    を有する、請求項１６に記載の組成物。
  20. 【請求項２０】 前記無機粒子が１ナノメートル〜40ナノメートルのサイズ
    を有する、請求項１６に記載の組成物。
  21. 【請求項２１】 前記無機粒子が１ナノメートル〜30ナノメートルのサイズ
    を有する、請求項１６に記載の組成物。
  22. 【請求項２２】 前記改質剤微粒子が、無機粒子のサイズに比して１：15〜
    １：２のサイズ比を有する、請求項１６に記載の組成物。
  23. 【請求項２３】 前記改質剤微粒子が、無機粒子のサイズに比して１：50〜
    １：５のサイズ比を有する、請求項１６に記載の組成物。
  24. 【請求項２４】 前記改質剤微粒子が、無機粒子のサイズに比して１：15〜
    １：５のサイズ比を有する、請求項１６に記載の組成物。
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