JP4661785B2 - 撥水親水膜を表面に有する基材の製造方法 - Google Patents
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Description
<1>下記工程(1)〜(3)を順に行うことを特徴とする撥水親水膜を表面に有する基材の製造方法。
工程(1):基材上に、ケイ素原子に結合した水素原子が存在する表面を形成する工程。
工程(2):工程(1)で形成した表面のケイ素原子に結合した水素原子の一部に、ヒドロシリル化反応しうる不飽和結合と撥水性部分とを併有する撥水性化合物(B)を、ヒドロシリル化触媒の存在下にヒドロシリル化反応させることにより、表面の一部に撥水性部分を導入して、撥水性部分を有する表面を形成させる工程。
工程(3):工程(2)で形成した表面に存在する残余のケイ素原子に結合した水素原子の少なくとも一部を親水性の基に変換することにより、表面の一部に親水性部分を導入して、撥水性部分と親水性部分を有する表面を形成させる工程。
H−SiXk(R)3−k (1a)
R1(CH2)mCH=CH2、
R2(CH3)2SiO[R2(CH3)SiO]n(CH3)2SiCH=CH2、
CH2=CH(CH3)2SiO[R6(CH3)SiO]n(CH3)2SiCH=CH2。
つぎに、該シリコーン膜表面のケイ素原子に結合した水素原子の一部に、撥水性化合物(B)をヒドロシリル化反応させることによりシリコーン膜表面の一部に撥水性部分を導入し、
つぎに、該シリコーン膜表面の組成物を除去した後に、該表面上で加水分解反応を行い親水性部分を導入することを特徴とする、
撥水性部分と親水性部分を有するシリコーン膜が表面に形成された基材の製造方法。
本発明の製造方法は、工程(1)〜(3)を順に行う。
基材としては、ガラス;シリコンウェハー;Pd、Pt、Ru、Ag、Au、Ti、In、Cu、Cr、Fe、Zn、Sn、Ta、W、またはPb等の金属;PdO、SnO2、In2O3、PbO、またはSb2O3等の金属酸化物;HfB2、ZrB2、LaB6、CeB6、YB4、またはGdB4等の硼化物;TiC、ZrC、HfC、TaC、SiC、またはWC等の炭化物;TiN、ZrN、またはHfN等の窒化物;SiまたはGe等の半導体;カーボン;ポリイミド、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート、またはポリテトラフルオロエチレン等の樹脂;等の材料からなる基材から選択できる。
工程(1)は、下記方法によるのが好ましい。
方法(1−1):Si−Hの1個以上とケイ素原子に結合した加水分解性基の1個以上とを有するヒドロシラン(A)または該ヒドロシラン(A)の加水分解物を塗布して、ケイ素原子に結合した水素原子を表面に有するシリコーン膜からなる表面を形成する方法。
方法(1−2):Si−H基に変換される表面を有する基材の該変換されうる基をSi−H基に変換する方法。
このうち、方法(1−1)が簡便であり好ましい。図1は方法(1−1)により膜を形成する方法を示している。
H−SiXk(R)3−k(1a)
ただし、Rは一価有機基、Xは加水分解性基、kは1〜3の整数を示す。
式(1a)中のXとしては、ハロゲン原子、アルコキシ基、アシロキシ基(たとえばアセトキシ基)、ケトオキシム基が好ましく、ハロゲン原子、アルコキシ基(炭素数1〜4の基が好ましい)がより好ましく、Cl−、CH3O−、C2H5O−が最も好ましい。これらの基(X)は加水分解反応により水酸基となり、さらに分子間で反応してSi−O−Si結合を形成する。Rが含まれる場合には、炭素原子数1〜5のアルキル基が好ましく、炭素原子数1〜3のアルキル基がより好ましく、メチル基が最も好ましい。kは2〜3が好ましく、3がより好ましい。kが3である式(1a)の化合物は、一般的な基材に対し優れた密着性を発現し、特にkが3であり、Xがアルコキシ基またはハロゲン原子である化合物(1a)が好ましい。
H−Si(OCH2CH3)3、
H−Si(OCH3)3、
H−SiCl3。
R1(CH2)mCH=CH2(1b)、
R2(CH3)2SiO[R2(CH3)SiO]n(CH3)2SiCH=CH2(2b)。
CH2=CHR4CH=CH2、
CH≡CR5C≡CH、
CH2=CH(CH3)2SiO[R6(CH3)SiO]n(CH3)2SiCH=CH2 (3b)。
たとえば触媒として、ビス(アセチルアセトナト)白金(II)を使用する場合には、撥水性化合物(B)とのヒドロシリル化は、200nm以上の汎用の光源を用いて行うことができる。
この親水性の基の導入方法としては、アミン化合物の水溶液またはアルカリ金属水酸化物の水溶液を用いてSi−Hを加水分解することによってSi−OHとする(本発明においては、親水基化処理ともいう。)方法によることが好ましい。特にアルカリ金属水酸化物の水溶液を用いた加水分解が好ましい。アルカリ金属水酸化物としては、NaOH、KOHの水溶液が好ましい。アルカリ金属水酸化物の濃度は、水溶液中に0.01〜1モル/Lであることが好ましい。図1には、残余のSi−Hを、Si−OHとして親水化した例を示す。
ガラス基板は、ソーダライム系ガラス基板(10cm×10cm×2mm)の表面を、酸化セリウム系微粒子を含む研磨剤で研磨洗浄し、純水ですすいで風乾して用いた。また、silicon waferは、10cm四方で、エタノールで洗浄後、UV/O3洗浄したものを用いた。
100mLのガラス製容器に、H−Si(OCH2CH3)3(東京化成社製、0.5g)、イソプロパノール(50g)、0.1モル/LのHCl(0.16g)を装入して20時間撹拌して加水分解溶液を調製した。この溶液(5g)に、C8F17CH2CH=CH2(旭硝子社製、0.86g)、ビス(アセチルアセトナト)白金(II)(シグマ・アルドリッチ社製、1質量%THF溶液を0.07g)加えて塗布液を調製した。
ガラス基板に、上記塗布液の2mLを滴下し、3000rpmで20秒間スピンコートした。
実施例1において、C8F17CH2CH=CH2をCH3(CH2)9CH=CH2(0.32g)に変更すること以外は、同様の操作を行った。
得られた表面の水に対する接触角は、非照射部分が4度、紫外線照射部分が110度であることから、撥水性部分(接触角110度)と、親水性部分(接触角4度)とを有するシリコーン膜の形成が確認された。
実施例1において、C8F17CH2CH=CH2をCH2=CH(CH3)2SiO[(CH3)2SiO]n(CH3)2SiCH=CH2(分子量6000、0.94g)に変更すること、および紫外線照射後の表面を、0.1モル/LのNaOH水溶液ですすぐ前にイソプロパノールですすぐこと以外は、同様の操作を行った。
得られた表面の水に対する接触角は、非照射部分が4度、紫外線照射部分が110度であることから、撥水性部分(接触角110度)と、親水性部分(接触角4度)とを有するシリコーン膜の形成が確認された。
同様にCH2=CH(CH3)2SiO[(CH3)2SiO]n(CH3)2SiCH=CH2量を0.05gに減らして同じ操作で膜を形成させた結果、同様のシリコーン膜の形成を確認した。該シリコーン膜を後述するSEM観察に用いた。
実施例1で作製したH−Si(OCH2CH3)3)の加水分解溶液(2mL)をガラス基板に滴下し、3000rpmで20秒間スピンコートして、第一膜を形成した。
次に、イソプロパノール(5g)中に、C8F17CH2CH=CH2(0.86g)、ビス(アセチルアセトナト)白金(II)(1質量%THF溶液を0.07g)含む溶液の2mLを、上記第一膜表面に滴下し、3000rpmで20秒間スピンコートした。
実施例1において、ビス(アセチルアセトナト)白金(II)を2−メチル−1−[4−(メチルチオ)フェニル]−2−モルフォリノプロパン−1−オン(チバ・スペシャリティ・ケミカルズ(株))の1質量%イソプロパノール溶液に変更すること以外は、同様の操作を行った。
得られた表面の水に対する接触角は、非照射部分が4度、紫外線照射部分が111度であることから、撥水性部分(接触角111度)と、親水性部分(接触角4度)とを有するシリコーン膜の形成が確認された。
実施例1において、C8F17CH2CH=CH2を(CH3)3SiO[(CH3)2SiO]n(CH3)2SiCH=CH2(0.5g。nは該化合物の分子量が6000となる数。)を用いた以外は、同様の操作を行った。
得られた表面の水に対する接触角は、非照射部分が5度、紫外線照射部分が110度であることから、撥水性部分(接触角110度)と、親水性部分(接触角5度)とを有するシリコーン膜の形成が確認された。
実施例1において、C8F17CH2CH=CH2をC4H9(CH3)2SiO[(CH3)2SiO]n(CH3)2SiCH=CH2(0.5g。nは該化合物の分子量が62700となる数。)を用いること以外は、同様の操作を行った。
得られた表面の水に対する接触角は、非照射部分が5度、紫外線照射部分が110度であることから、撥水性部分(接触角110度)と、親水性部分(接触角5度)とを有するシリコーン膜の形成が確認された。
実施例3において、触媒をジクロロビス−(シクロヘキセン)−白金(II)ダイマーに変更すること以外は、同様の操作を行った。
得られた表面の水に対する接触角は、非照射部分が4度、紫外線照射部分が110度であることから、撥水性部分(接触角110度)と、親水性部分(接触角4度)とを有するシリコーン膜の形成が確認された。
実施例3において、触媒としてジクロロビス(ベンゾニトリル)白金(II)を用いた以外は、同様の操作を行った。
得られた表面の水に対する接触角は、非照射部分が4度、紫外線照射部分が110度であることから、撥水性部分(接触角110度)と、親水性部分(接触角4度)とを有するシリコーン膜の形成が確認された。
実施例3において、基板をシリコンウェハに変更し、光の照射をライン/スペースパターン(ライン/スペース=10/10μm)を有するフォトマスクを介しておこなった他は同様の操作をおこなった。処理基板を、scanning electron microscopeを用いて観察したところ図2に示すように、基板の撥水親水微細パターニングが形成されていることを確認した。
実施例3において、基板をシリコンウェハに変更して光の照射をライン/スペースパターン(ライン/スペース=3/50μm)を有するフォトマスクを介しておこなった他は同様の操作をおこなった。処理基板を、scanning electron microscopeを用いて観察したところ図2に示すように、線幅が3μmである撥水親水微細パターニングが基板表面に形成されていることを確認した。
また、本発明により提供される撥水親水性パターンを有する膜は、医療分野においても使用できる。例えば、毛細血管の血管部が親水部になるようなパターンを持ったマスクを作製し、基板に毛細血管のパターンを転写する。その上に血管皮細胞をばら撒いて、親水部のみで細胞増殖し、毛細血管のパターンを再生できる。
また、H−Si結合とヒドロシリル化反応する撥水性化合物(B)として撥水性を有する炭化水素系化合物を用いると撥水部は親油部ともなりうるため、油性のインクを親油部に保持させることができ、印刷の製版として利用できる。
また、本発明の撥水親水性パターンを有する膜は、膜表面に存在する水酸基等の親水性基の反応性を利用して、該親水性基に他の性質を有する化合物を反応させ、撥水性と他の性質を有する基板を形成させることも可能である。
なお、2004年10月28日に出願された日本特許出願2004−313558号の明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。
Claims (16)
- 下記工程(1)〜(3)を順に行うことを特徴とする撥水親水膜を有する基材の製造方法。
工程(1):基材上に、ケイ素原子に結合した水素原子が存在する表面を形成する工程。
工程(2):工程(1)で形成した表面のケイ素原子に結合した水素原子の一部に、ヒドロシリル化反応しうる不飽和結合と撥水性部分とを併有する撥水性化合物(B)を、ヒドロシリル化触媒の存在下にヒドロシリル化反応させることにより、表面の一部に撥水性部分を導入して、撥水性部分を有する表面を形成させる工程。
工程(3):工程(2)で形成した表面に存在する残余のケイ素原子に結合した水素原子の少なくとも一部を親水性の基に変換することにより、表面の一部に親水性部分を導入して、撥水性部分と親水性部分を有する表面を形成させる工程。 - 工程(1)で形成するケイ素原子に結合した水素原子が存在する表面が、基材上に、ケイ素原子に結合した水素原子の1個以上とケイ素原子に結合した加水分解性基の1個以上とを有するヒドロシラン(A)または該ヒドロシラン(A)の加水分解物を塗布することによって形成する、ケイ素原子に結合した水素原子を表面に有するシリコーン膜からなる表面である請求項1に記載の製造方法。
- 工程(3)によって、基材上に撥水性部分と親水性部分を有する膜厚が0.01〜100nmであるシリコーン膜が形成する請求項2に記載の製造方法。
- ヒドロシラン(A)が、下式(1a)で表される化合物である請求項2または3に記載の製造方法。ただし、Xは加水分解性基を示し、Rは一価有機基を示し、kは1〜3の整数を示す。
H−SiXk(R)3−k (1a) - ヒドロシラン(A)が、Xがアルコキシ基でありkが3である式(1a)で表される化合物である請求項4に記載の製造方法。
- ケイ素原子に結合した水素原子を表面に有するシリコーン膜が、ヒドロシラン(A)またはヒドロシラン(A)の加水分解物とともにヒドロシリル化触媒を含む膜である請求項2〜5のいずれかに記載の製造方法。
- 工程(2)が、工程(1)で形成したケイ素原子に結合した水素原子が存在する表面に、前記撥水性化合物(B)の膜を形成させ、つぎにヒドロシリル化触媒の存在下にヒドロシリル化反応を行う工程である、請求項1〜6のいずれかに記載の製造方法。
- ヒドロシリル化触媒が、撥水性化合物(B)の膜中に含まれる請求項7に記載の製造方法。
- 工程(2)のヒドロシリル化反応が、光を照射することにより行う反応である請求項1〜8のいずれかに記載の製造方法。
- 工程(2)のヒドロシリル化反応が、フォトマスクを介して光を照射することにより行う反応である請求項1〜9のいずれかに記載の製造方法。
- 光が、200nm以上の波長を有する光である請求項9または10に記載の製造方法。
- 撥水性化合物(B)が下式で表される化合物の少なくとも1種である請求項1〜10のいずれかに記載の製造方法。ただし、R1は1価の撥水性の基であり、R2およびR6は、それぞれ独立にフッ素原子を含んでいてもよい1価の有機基。mは0〜10の整数、nは0以上の整数を示す。
R1(CH2)mCH=CH2、
R2(CH3)2SiO[R2(CH3)SiO]n(CH3)2SiCH=CH2、
CH2=CH(CH3)2SiO[R6(CH3)SiO]n(CH3)2SiCH=CH2。 - 工程(3)が、工程(2)で形成した表面を、アルカリ金属水酸化物の水溶液で処理して残余のケイ素原子に結合した水素原子の少なくとも一部を水酸基に変換することにより、表面の一部に水酸基を導入する工程である請求項1〜12のいずれかに記載の製造方法。
- 親水性部分と撥水性部分が所望のパターンを形成してなる請求項1〜13のいずれかに記載の製造方法。
- 親水性部分の水に対する接触角が50度以下であり、撥水性部分の水に対する接触角が80度以上である請求項1〜14のいずれかに記載の製造方法。
- 基材上に、ケイ素原子に結合した水素原子の1個以上とケイ素原子に結合した加水分解性基の1個以上とを有するヒドロシラン(A)または該ヒドロシラン(A)の加水分解物と、ヒドロシリル化反応しうる不飽和結合と撥水性部分とを併有する撥水性化合物(B)と、ヒドロシリル化触媒とを含む組成物を塗布して、ケイ素原子に結合した水素原子の1個以上を有するシリコーン膜を形成させ、
つぎに、該シリコーン膜表面のケイ素原子に結合した水素原子の一部に、撥水性化合物(B)をヒドロシリル化反応させることによりシリコーン膜表面の一部に撥水性部分を導入し、
つぎに、該シリコーン膜表面の組成物を除去した後に、該表面上で加水分解反応を行い親水性部分を導入することを特徴とする、
撥水性部分と親水性部分を有するシリコーン膜が表面に形成された基材の製造方法。
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