JP4704175B2 - 光学レンズ用組成物及び光学レンズ並びに光学部品 - Google Patents
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- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
Description
これらの光学素子の1つに、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリシクロヘキシルメタクリレート、ポリカーボネート(PC)等の樹脂を用いて成形した光学レンズがある(例えば、特許文献1参照)。特に、耐熱性および耐薬品性に優れた光学レンズとしては、ポリエチレングリコールビスアリルカーボネートを用いたプラスチックレンズが提案されている。
また、耐熱性および耐薬品性に優れているとされたプラスチックレンズにおいても、屈折率が低く、耐熱性もそれほど高いものではなく、高い熱安定性、高屈折率等の要求に応えることは難しいものであった。
前記正方晶ジルコニア粒子は、樹脂中に分散してなることが好ましい。
前記正方晶ジルコニア粒子の含有率は1重量%以上かつ80重量%以下であることが好ましい。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
図1は、本発明の第1の実施形態の光学レンズを示す断面図である。
図において、1は平板状の透明複合体からなる透明基材、2は透明基材1の表面(一方の面)に形成された略半球状の微小な凸レンズ部であり、透明基材1および凸レンズ部2全体が光透過領域とされている。
ここで、ジルコニア粒子を正方晶ジルコニア粒子に限定した理由は、微粒子合成の立場からは微粒子の粒径が20nm以下のように小さくなると、正方晶の方が従来知られている単斜晶よりも安定になることと、硬度が高く、透明複合体の機械的特性を向上させることができる上に、ジルコニア粒子を樹脂中に分散させた透明複合体においては、正方晶ジルコニアを透明複合体の第2相として添加すると、単斜晶ジルコニア粒子を添加した場合と比べて、マルテンサイト変態と称される体積膨張により高い靭性を示すからである。
このように、正方晶ジルコニア粒子は、ナノサイズの粒子であるから、樹脂と複合化した透明複合体においても、光散乱が小さく、複合体の透明性を維持することが可能である。
「アクリレート樹脂」
アクリレート樹脂としては、単官能アクリレートおよび/または多官能アクリレートが用いられ、これらのうち1種または2種以上が用いられる。
単官能アクリレート及び多官能アクリレートそれぞれの具体例について次に挙げる。
(a)脂肪族単官能(メタ)アクリレートとしては、
ブチル(メタ)アクリレート、ラウリル(メタ)アクリレート、ステアリル(メタ)アクリレート等のアルキル(メタ)アクリレート
メトキシプロピレングリコール(メタ)アクリレート、エトキシジエチレングリコール(メタ)アクリレート等のアルコキシアルキレングリコール(メタ)アクリレート
(メタ)アクリルアミド、N−ブトキシメチル(メタ)アクリルアミド等のN−置換アクリルアミド等が挙げられる。
1,6−ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、1.4−ブタンジオールジ(メタ)アクリレート、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、テトラエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリブタンジオールジ(メタ)アクリレート、等のアルキレングリコールジ(メタ)アクリレート
ペンタエリスリトールトリアクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイド変性トリメチロールプロパントリアクリレート等のトリ(メタ)アクリレート
ペンタエリスリトールテトラアクリレート、ジ−トリメチロールプロパンテトラアクリレート等のテトラ(メタ)アクリレート
ジペンタエリスリトール(モノヒドロキシ)ペンタアクリレート等のペンタ(メタ)アクリレート
等が挙げられる。
(d)芳香族(メタ)アクリレートのうち、単官能型としては、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、フェノキシジエチレングリコール(メタ)アクリレート等が、また、多官能型としては、ビスフェノールAジ(メタ)アクリレート等のジアクリレート類、ビスフェノールFジ(メタ)アクリレート等が挙げられる。
(f)エポキシ(メタ)アクリレートとしては、ビスフェノールA型エポキシアクリレート、ノボラック型エポキシアクリレート等が挙げられる。
シリコーン樹脂は、少なくとも下記の(a)〜(c)の成分から構成されることが好ましい。
(a)1分子中のケイ素原子に結合した官能基のうち少なくとも2つがアルケニル基であるオルガノポリシロキサン
(b)1分子中のケイ素原子に結合した官能基のうち少なくとも2つが水素原子であるか、または分子鎖の両端が水素原子で封鎖された直鎖状のオルガノポリシロキサン
(c)ヒドロシリル化反応用触媒
また、このアルケニル基以外のケイ素原子に結合した官能基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基等のアルキル基、フェニル基、トリル基等のアリール基、ベンジル基、フェネチル基等のアラルキル基等が挙げられ、特に、メチル基が好ましい。
また、(b)成分の含有量は、(a)成分に含まれている合計アルケニル基1モルに対して水素原子が0.1〜10モルの範囲内となる量であることが好ましく、より好ましくは0.1〜5モルの範囲内となる量であり、さらに好ましくは0.5〜2モルの範囲内となる量である。
この白金系触媒としては、白金微粉末、塩化白金酸、白金−オレフィン錯体、白金カルボニル錯体等が挙げられ、特に、塩化白金酸が好ましい。
このシリコーン樹脂については、本発明の目的を損なわないかぎり、その他任意の成分として、耐熱剤、染料、顔料、難燃性付与剤等を含有してもよい。
エポキシ樹脂としては、
(a)ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ビスフェノールS型エポキシ樹脂、水素添加ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂等の2官能型のグリシジルエーテル型エポキシ樹脂、
(b)フェノールノボラック型エポキシ樹脂、オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、アルキル変性トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、トリス・ヒドロキシフェニルメタン型エポキシ樹脂、テトラフェニロールエタン型エポキシ樹脂等の多官能型のグリシジルエーテル型エポキシ樹脂、
(c)テトラグリシジルジアミニジフェニルメタン型エポキシ樹脂、トリグリシジルイソシアヌレート型エポキシ樹脂、アミノフェノール型エポキシ樹脂、アニリン型エポキシ樹脂、トルイジン型エポキシ樹脂等のグリシジルアミン型エポキシ樹脂
等が挙げられる。
これらの樹脂に対しては、その特性を損なわない範囲において、酸化防止剤、離型剤、カップリング剤、無機充填剤等を添加してもよい。
ここで、正方晶ジルコニア粒子の含有率を1重量%以上かつ80重量%以下と限定した理由は、下限値の1重量%は屈折率及び機械的特性の向上が可能となる添加率の最小値であるからであり、一方、上限値の80重量%は樹脂自体の特性(柔軟性、比重)を維持することができる添加率の最大値であるからである。
この可視光透過率は、透明複合体における正方晶ジルコニア粒子の含有率により異なり、正方晶ジルコニア粒子の含有率が1重量%では、95%以上、正方晶ジルコニア粒子の含有率が40重量%では、80%以上である。
また、正方晶ジルコニア粒子は、単斜晶ジルコニア粒子に比べてマルテンサイト変態による靭性値の向上が期待でき、しかも、靭性、硬度が高く、複合体の機械的特性向上に適している。
また、正方晶ジルコニア粒子は、ナノサイズの粒子であるから、樹脂と複合化させた場合においても、光散乱が小さく、複合材料の透明性を維持することが可能である。
これにより、透明性、屈折率、熱安定性、硬度および耐候性が向上し、よって、長期に亘って信頼性が向上する。
この光学レンズを作製する際に、次に示すジルコニア透明分散液を用いる。
「ジルコニア透明分散液」
このジルコニア透明分散液は、分散粒径が1nm以上かつ20nm以下の正方晶ジルコニア粒子と、分散媒とを含む分散液である。
分散媒は、基本的には、水、有機溶媒、液状の樹脂モノマー、液状の樹脂オリゴマーのうち少なくとも1種以上を含有したものである。
また、上記の液状の樹脂オリゴマーとしては、ウレタンアクリレート系オリゴマー、エポキシアクリレート系オリゴマー、アクリレート系オリゴマー等が好適に用いられる。
ここで、正方晶ジルコニア粒子の含有率を1重量%以上かつ70重量%以下と限定した理由は、この範囲が正方晶ジルコニア粒子が良好な分散状態を取りうる範囲であり、含有率が1重量%未満であると、正方晶ジルコニア粒子としての効果が低下し、また、70重量%を超えると、ゲル化や凝集沈澱が生じ、分散液としての特徴を消失するからである。
正方晶ジルコニア粒子以外の無機酸化物粒子としては、単斜晶または立方晶のジルコニア粒子、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化セリウム、酸化スズ、アンチモン添加酸化スズ(ATO)、スズ添加酸化インジウム(ITO)等が挙げられる。
分散剤としては、リン酸エステル系分散剤等が挙げられる。
この可視光透過率は、正方晶ジルコニア粒子の含有率により異なり、正方晶ジルコニア粒子の含有率が1重量%では、95%以上、正方晶ジルコニア粒子の含有率が40重量%では、80%以上である。
上述したジルコニア透明分散液と、樹脂のモノマーやオリゴマーを、ミキサー等を用いて混合し、流動し易い状態の樹脂組成物を作製する。
次いで、この樹脂組成物を金型を用いて所定の形状に成形し、平板状の樹脂組成物からなる基材の表面(一方の面)に微小な凸レンズ部が形成された成形体を作製する。
次いで、この成形体を加熱、あるいは紫外線や赤外線等の照射を施し、この成形体を硬化させ、光学レンズとする。
特に、アクリル樹脂等の紫外線(UV)硬化性樹脂を含む樹脂組成物を硬化させる方法としては、様々な方法があるが、代表的には、加熱または光照射により開始されるラジカル重合反応を用いたモールド成形法、トランスファー成形法等が挙げられる。このラジカル重合反応としては、熱による重合反応(熱重合)、紫外線等の光による重合反応(光重合)、ガンマ線による重合反応、あるいは、これらの複数を組み合わせた方法等が挙げられる。
以上により、図1に示す本実施形態の光学レンズを作製することができる。
したがって、高光透過率、高屈折率、高い熱安定性、高硬度および耐候性に優れた光学レンズを提供することができる。
図2は、本発明の第2の実施形態のマイクロレンズアレイ(光学部品)を示す断面図である。
このマイクロレンズアレイは、凸レンズ部2が透明基材1の表面(一方の面)にマトリックス状に複数個形成された構成である。
このマイクロレンズアレイにおいても第1の実施形態の光学用レンズと全く同様の効果を奏することができる。
しかも、このマイクロレンズアレイは、高光透過率、高屈折率、高い熱安定性、高硬度および耐候性に優れたものであるから、高解像度及び高信頼性が要求される複写機、プリンター等のOA機器等に好適である。
「実施例1」
(ジルコニア透明分散液の作製)
オキシ塩化ジルコニウム8水塩2615gを純水40L(リットル)に溶解させたジルコニウム塩溶液に、28%アンモニア水344gを純水20Lに溶解させた希アンモニア水を攪拌しながら加え、ジルコニア前駆体スラリーを調整した。
次いで、このスラリーに、硫酸ナトリウム300gを5Lの純水に溶解させた硫酸ナトリウム水溶液を攪拌しながら加えた。このときの硫酸ナトリウムの添加量は、ジルコニウム塩溶液中のジルコニウムイオンのジルコニア換算値に対して30重量%であった。
次いで、この固形物を自動乳鉢等により粉砕した後、電気炉を用いて、大気中、500℃にて1時間焼成した。
次いで、この焼成物を純水中に投入し、攪拌してスラリー状とした後、遠心分離器を用いて洗浄を行い、添加した硫酸ナトリウムを十分に除去した後、乾燥器にて乾燥させ、正方晶ジルコニア粒子を作製した。
次いで、この正方晶ジルコニア粒子10gに、分散媒としてトルエンを87g、分散剤としてCS−141E(旭電化工業(株)社製)を3g加え、0.1mmφのジルコニアビーズを用いたビーズミルにより分散処理を行い、分散粒径が1nm以上かつ20nm以下のジルコニア透明分散液(Z1)を作製した。
上記のジルコニア透明分散液(Z1)100gに、1,6−ヘキサンジオールジアクリレート5g、ペンタエリスリトールトリアクリレート2.5g、ペンタエリスリトールテトラアクリレート2g、重合開始剤としてベンゾイルパーオキサイド0.5gを加え、樹脂組成物を作製した。
次いで、この樹脂組成物を光学レンズ用金型に流し込み、60℃にて5時間、続いて120℃にて2時間加熱して硬化させ、実施例1の光学レンズを作製した。この光学レンズのジルコニアの含有率は50重量%であった。
実施例1のジルコニア透明分散液(Z1)100gに、シリコーンオイル(メチルハイドロジェンポリシロキサンと両末端に各々ビニル基を有するオルガノポリシロキサンとの混合物)10gを加え、さらに塩化白金酸をシリコーンオイル100重量部に対して20ppmとなるように加え、次いで真空乾燥により脱溶剤化し、樹脂組成物を作製した。
次いで、この樹脂組成物を光学レンズ用金型に流し込み、150℃にて2時間加熱して硬化させ、実施例2の光学レンズを作製した。この光学レンズのジルコニアの含有率は50重量%であった。
実施例1のジルコニア透明分散液(Z1)100gに、エポキシレジン:エピコート828を7gおよび硬化剤としてエピキュア3080を3g(いずれもジャパンエポキシレジン(株)社製)を加え、真空乾燥により脱溶剤化し、樹脂組成物を作製した。
次いで、この樹脂組成物を光学レンズ用金型に流し込み、80℃にて30分間加熱して硬化させ、実施例3の光学レンズを作製した。この光学レンズのジルコニアの含有率は50重量%であった。
ジルコニア粒子として単斜晶及び正方晶ジルコニア粒子を含むRC−100(第一希元素(株)社製)を用いた以外は、実施例1に準じて分散処理を行い、比較例1のジルコニア分散液(Z2)を作製した。ちなみに、このジルコニア粒子の平均分散粒径は100nmであった。
このジルコニア分散液(Z2)に、実施例1で用いた1,6−ヘキサンジオールジアクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレート、ペンタエリスリトールテトラアクリレート、重合開始剤としてベンゾイルパーオキサイドを加え、樹脂組成物を作製した。この樹脂組成物中のジルコニアの含有率を50重量%とした。
次いで、この樹脂組成物を実施例1に準じて処理し、比較例1の光学レンズを作製した。
比較例1のジルコニア分散液(Z2)に、実施例2で用いたシリコーンオイル(メチルハイドロジェンポリシロキサンと両末端に各々ビニル基を有するオルガノポリシロキサンとの混合物)及び塩化白金酸を加え、次いで真空乾燥により脱溶剤化し、樹脂組成物を作製した。この樹脂組成物中のジルコニアの含有率を50重量%とした。
次いで、この樹脂組成物を実施例2に準じて処理し、比較例2の光学レンズを作製した。
比較例1のジルコニア分散液(Z2)に、実施例3で用いたエポキシレジン:エピコート828および硬化剤としてエピキュア3080を加え、真空乾燥により脱溶剤化し、樹脂組成物を作製した。この樹脂組成物中のジルコニアの含有率を50重量%とした。
次いで、この樹脂組成物を実施例3に準じて処理し、比較例3の光学レンズを作製した。
比較例1に準じて樹脂組成物を作製した。ただし、この樹脂組成物中のジルコニア粒子の含有率を2重量%とした。
次いで、この樹脂組成物を実施例1に準じて処理し、比較例4の光学レンズを作製した。
比較例2に準じて樹脂組成物を作製した。ただし、この樹脂組成物中のジルコニア粒子の含有率を2重量%とした。
次いで、この樹脂組成物を実施例2に準じて処理し、比較例5の光学レンズを作製した。
比較例3に準じて樹脂組成物を作製した。ただし、この樹脂組成物中のジルコニア粒子の含有率を2重量%とした。
次いで、この樹脂組成物を実施例3に準じて処理し、比較例6の光学レンズを作製した。
実施例1〜3及び比較例1〜6それぞれの光学レンズについて、可視光透過率、屈折率および硬度の3点について、下記の装置または方法により評価を行った。
分光光度計(日本分光社製)を用いて可視光線の透過率を測定した。
ここでは、測定用試料を100×100×1mmの大きさのバルク体とし、透過率が80%以上を「○」、80%未満を「×」とした。
(2)屈折率
日本工業規格:JIS K 7142「プラスチックの屈折率測定方法」に準拠し、アッベ屈折計により測定した。
ここでは、ジルコニアを添加していない樹脂を基準として、屈折率が0.05以上向上した場合を「○」、屈折率が0.05未満しか向上しなかった場合を「×」とした。
日本工業規格:JIS K 7215「プラスチックのデュロメータ硬さ試験方法」に準拠し、デュロメータを用いてJIS−A硬度を測定した。
ここでは、比較例1のジルコニア分散液(Z2)を用いた比較例1〜3の樹脂組成物を用いて作製され、ジルコニアの含有率が50重量%である光学レンズの硬さを基準とし、この基準値より高い場合を「○」、この基準値より低い場合を「×」とした。
以上の評価結果を表1に示す。
一方、比較例1〜6では、可視光透過率、屈折率、硬度のいずれかの特性が実施例1〜3と比べて劣っていた。
2 凸レンズ部
Claims (5)
- 分散粒径が1nm以上かつ20nm以下の正方晶ジルコニア粒子と、透明樹脂とを含有してなることを特徴とする光学レンズ用組成物。
- 前記正方晶ジルコニア粒子は、樹脂中に分散してなることを特徴とする請求項1記載の光学レンズ用組成物。
- 前記正方晶ジルコニア粒子の含有率は1重量%以上かつ80重量%以下であることを特徴とする請求項1または2記載の光学レンズ用組成物。
- 少なくとも光透過領域は、請求項1、2または3記載の光学レンズ用組成物からなることを特徴とする光学レンズ。
- 請求項4記載の光学レンズを備えてなることを特徴とする光学部品。
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