JP5340530B2 - ミクロ相分離構造物の製造方法 - Google Patents
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例えば、ミクロ相分離構造がシリンダー構造であるポリエチレン−ポリエチレンプロピレン(PE−PEP)による非晶−非晶ジブロック共重合体や、ポリスチレンと液晶セグメントによる非晶−液晶−非晶トリブロック共重合体をせん断流動配向させた例が知られている(非特許文献1、非特許文献2)。
しかしながら、これらの方法では、共重合体を配向させることはできるが、配向を制御することはできず、配向度の点、及びナノオーダー間隔のミクロドメイン構造の作成の点で不十分であるといった問題があった。
すなわち本発明は、以下のミクロ相分離構造物の製造方法及び当該製造方法により得られるミクロ相分離構造物を提供するものである。
1.液晶多形を示すセグメントと非晶性セグメントとを有するブロック共重合体をせん断ずり印加により配向制御することを特徴とするミクロ相分離構造物の製造方法。
2.前記せん断ずり印加を、前記ブロック共重合体がミクロ相分離構造を形成し、かつ液晶多形を示すセグメントが液晶相を形成する温度域で行うことを特徴とする前記1に記載のミクロ相分離構造物の製造方法。
3.前記せん断ずり印加が定常ずりである前記1又は2に記載のミクロ相分離構造物の製造方法。
4.前記ミクロ相分離構造がシリンダー構造である前記2又は3に記載のミクロ相分離構造物の製造方法。
5. 前記液晶多形を示すセグメントが、高分子骨格主鎖、スペーサー及びメソゲン基が結合し、さらにその末端に末端基が結合したものであり、高分子骨格主鎖が一般式(1)から選ばれる1種であり、スペーサーが一般式(2)から選ばれる1種であり、メソゲン基が一般式(3)から選ばれる1種であり、末端基が一般式(4)から選ばれる1種である前記1〜4のいずれかに記載のミクロ相分離構造物の製造方法。
6.前記液晶多形を示すセグメントが一般式(5)である前記1〜4のいずれかに記載のミクロ相分離構造物の製造方法。
7.前記非晶性セグメントを構成する化合物が親水性である前記1〜6のいずれかに記載のミクロ相分離構造物の製造方法。
8.前記ミクロ相分離構造物がフィルムである前記1〜7のいずれかに記載のミクロ相分離構造物の製造方法。
9.前記1〜7のいずれかに記載のミクロ相分離構造物の製造方法により得られるミクロ相分離構造物。
10.前記8に記載のミクロ相分離構造物の製造方法により得られるミクロ相分離構造フィルム。
このような液晶多形を示すセグメントは、二つ以上の液晶種を有するセグメントであれば特に制限はないが、高分子骨格主鎖、スペーサー及びメソゲン基が任意に結合し、さらにその末端に末端基が順に結合したものであり、各々以下に例示される基から選ばれる1種が結合してなるものを好ましく挙げることができる。また、このように表されるセグメントは、1種でもよいし、高分子骨格主鎖、スペーサー、メソゲン基及び末端基の少なくとも1つの基が異なる複数種を有していてもよい。
また、当該ブロック共重合体のガラス転移温度は、本発明のミクロ相分離構造物の成形性の観点から、50〜80℃が好ましく、70〜80℃がさらに好ましい。
本発明のミクロ相分離構造物の製造方法は、液晶多形を示すセグメントの液晶種によって、配向が変化することを利用し、高度に配向制御できるものである。本発明の好ましい具体例を図1及び図2を用いて説明する。
図1及び図2は、せん断ずり印加を施して得られたミクロ相分離構造物の模式図である。図1は液晶多形を示すセグメントがネマチック液晶相の場合のミクロ相分離構造物である。矢印はせん断ずり印加の方向であり、液晶多形を示すセグメントがネマチック液晶相の場合は、シリンダーがせん断ずり印加の方向に対して平行に配向(parallel−b配向)していることを示す。一方、図2は液晶多形を示すセグメントがスメクチック相の場合のミクロ相分離構造物である。図1と同様に、矢印はせん断ずり印加の方向であり、液晶多形を示すセグメントがスメクチック相の場合は、シリンダーがせん断ずり印加の方向に対して垂直に配向(perpendicular−c配向)していることを示す。
このように、本発明のミクロ相分離構造物の製造方法においては、液晶多形を示すセグメントの液晶種によって、配向を高度に制御することができる。
合成して得られたブロック共重合体の試料を、せん断ずり印加を行う治具に設置する。当該治具中にて、ブロック共重合体中の液晶多形を示すセグメントが等方相を示す温度で熱処理(通常0〜10分間)をした後、所定の液晶種を示す温度領域まで降温し、所定の条件でせん断ずり印加を施す。次いで、せん断ずり印加の応力が定常状態になったところでせん断ずり印加を停止し、ブロック共重合体のガラス転移温度以下まで降温させて、試料を治具から剥離してフィルム状のミクロ相分離構造物が得られる。
本発明により、フィルムとして得られるミクロ相分離構造物のフィルム厚みは通常50〜1500μmである。また、合成樹脂基板などの基板上にブロック共重合体の試料を配置した状態で、せん断ずりを印加してもよい。
ワイヤグリッド偏光子は、基板上に無数の金属細線を周期的に配列させたものであるが、従来のフォトリソグラフィー法等では、その周期間隔をミクロンオーダー程度のものしか製造することができず、赤外線用のワイヤグリッド偏光子しか製造できなかった。しかし、本発明のミクロ相分離構造物は、高い配向度を有し、ナノオーダー間隔のミクロドメイン構造を有するので、そのシリンダー構造部分に金属をコーティングすることで、ナノオーダーの周期間隔を有するワイヤグリッド偏光子を得ることができるので、可視光及び紫外光用としての使用が可能となる。
(評価方法)
実施例で得られたミクロ相分離構造物の試料について、以下の方法で評価した。
(1)ガラス転移温度の測定
実施例で得られた試料のガラス転移温度は、示差走査熱量計(DSC)により測定された値であり、示差走査熱量計Pyris−1(Perkin−Elmer社製)を用いて、10℃/minの昇温、降温サイクルにおいて観測されるピーク温度からガラス転移温度を決定した。なお、測定はせん断ずり印加前の試料を用いて行った。
(2)数平均分子量(Mn)、重量平均分子量(Mw)及び分子量分布(Mw/Mn)の測定
数平均分子量及び重量平均分子量は、せん断ずり印加前の試料をクロロホルムに溶解した0.5質量%溶液をGPCにより下記条件で測定したポリスチレン換算の値である。
カラム:Shodex製、溶離液:クロロホルム、流速:1.0mL/min、カラム温度:40℃、検出器:示差屈折率計。
(3)ミクロ相分離構造の評価(せん断ずり印加前)
実施例でせん断ずり印加前に得られた試料を、小角X線散乱測定Nano−STAR(ブルカーエイエックス社製)を用いて、得られるパターンよりスフィアー構造、ラメラ構造等のミクロ相分離構造を同定した。また、試料における液晶多形を示すセグメントの同定は、広角X線回折測定(RINT2500、理学電気社製)を行い、得られるパターンよりネマチック液晶、スメクチック液晶等の液晶種を同定した。
(4)ミクロ相分離構造の評価(せん断ずり印加後)
実施例でせん断ずり印加後に得られた試料を、小角X線散乱測定Nano−STAR(ブルカーエイエックス社製)及び、広角X線回折測定(RINT2500、理学電気社製)を用いてミクロ相分離構造を同定した。
得られたデータを下記の数式に適用し、配向度、シリンダー半径、シリンダーの周期長を算出した。
p−アニシジン25.0g(203mmol)を塩酸水溶液(3mol/l)250mLに溶解させた。この水溶液を氷浴中で冷却した状態にて亜硝酸ナトリウム14.3g(208mmol)を蒸留水150mLに溶解させた水溶液をゆっくり加えて水溶液1を得た。一方、フェノール19.5mg(208mmol)を10質量%水酸化ナトリウム水溶液200mLに溶解させた溶液を氷浴で冷やし、水溶液1をゆっくり加えた。赤褐色の懸濁溶液中に生じた沈殿物を回収し、多量の水で洗浄した。残った固体を真空乾燥し、目的生成物4−ヒドロキシ−4’メトキシアゾベンゼンを得た。収量は18.48g(81mmol)、収率39.9%だった。
合成例1で得られた4−ヒドロキシ−4’メトキシアゾベンゼン18.48g(81mmol)、1,6−ジブロモヘキサン152g(624mmol)、炭酸カルシウム89.2g(646mmol)をアセトンに溶解させて、24時間還流を行った。反応後溶媒を減圧留去させ、残渣をクロロホルムに溶解させた。水で洗浄を行い、硫酸マグネシウムを加えて一晩攪拌させた後、減圧留去を行った。得られた固体をエタノール/水の混合溶媒で再結晶を行い、目的生成物1−ブロモ−6−(4−メトキシアゾベンゼン−4’オキシ)ヘキサンを得た。収量は19.0g(48.6mmol)、収率59.9%だった。
1Lのナス型フラスコに炭酸水素カリウム10.5g(105.0mmol)を入れ、これにメタクリル酸9.4g(108.6mmol)をゆっくり滴下した後、室温で5分攪拌をおこなった。これに合成例2で得られた1−ブロモ−6−(4−メトキシアゾベンゼン−4’オキシ)ヘキサン19.0g(48.6mmol)とp−ヒドロキノン0.035g(0.32mmol)をジメチルホルムアミド500mLに溶解させた溶液を滴下し、100℃に加熱して24時間反応を行った。反応終了後ジメチルホルムアミドを減圧留去させた後、残渣をクロロホルムに溶解させた。有機層を5質量%の水酸化ナトリウム水溶液および水で2回ずつ洗浄を行い、硫酸マグネシウムを加えて一晩攪拌させた後、減圧留去を行った。得られた固体を、クロロホルムを展開溶媒としてカラムクロマトグラフィーにかけ、さらに、クロロホルム/ヘキサンの混合溶媒中から再結晶を行い、液晶多形を示すセグメントを構成する目的生成物Azを得た。収量は10.0g(25.2mmol)、収率は51.9%だった。ここで、目的性生物Azは下記化学式で表される化合物である。
スチレン(東京化成社製)13.0g、1−ブロモエチルベンゼン(東京化成社製)0.0541g、(−)−スパルテイン(アルドリッチ社製)0.156gを100mLナスフラスコに入れ、アニソール(関東化学社製)13.0gに溶解させる。系を液体窒素に浸して凍結させた後減圧し、室温に戻す操作を3回繰り返し、系中の酸素を取り除く。再び系を凍結させ、臭化銅(和光純薬工業社製)0.0477gを投入する。再び系を高真空状態とした後、高純度窒素を導入して10分間放置する。その後、ナスフラスコを110°Cに保ったオイルバスに浸し、窒素気流下で3.75時間重合する。ナスフラスコを氷水に浸し、系を冷やして重合を停止させる。反応溶液に適量のテトラヒドロフラン(東京化成社製)を加え、塩基性の活性アルミナ(ブロックマンI、アルドリッチ社製)に通し、臭化銅を反応系から取り除く。その溶液をメタノール中に投入し、得られたポリスチレンを析出させる。析出したポリスチレンを適量のテトラヒドロフランに溶解させ、メタノール中に投入し沈殿させる操作を3回繰り返す。こうして得られたPS−Brマクロイニシエータの数平均重合度(Mn)は10900、分子量分布(Mw/Mn)は1.16であった。
合成例3で得られたモノマーAz4.62g、合成例4で得られたPS−Brマクロイニシエーター(数平均分子量10900)0.9g、CuBr(和光純薬工業)0.187g、(−)−スパルテイン(アルドリッチ)0.0571g及びアニソール(関東化学社製)18.48gを50mLのナスフラスコ中に入れ、得られたアニソール溶液を凍結後、系を減圧して融解させる作業を3回繰り返して反応溶液中から酸素を除去した。その後、溶液が凍結した状態で臭化銅をナスフラスコに入れ、反応系中の酸素を除去するために高真空状態とした。90℃に加熱したオイルバスにナスフラスコを2時間入れ、窒素気流下で重合を行った。重合終了後、反応溶液を塩基性の活性アルミナを通すことにより臭化銅を反応系から取り除き、メタノール中に注ぐ再沈殿を2回繰り返した。得られたポリマーにはポリスチレンの重合中に二分子停止を起こしたスチレン−スチレンがブロック共重合せずに残っているので、これを除くためメチルシクロヘキサンを用いてソックスレー抽出を行った後、再びメタノールで再沈殿を行った。
得られたジブロック共重合体のガラス転移温度は73℃、数平均分子量(Mn)は20500、分子量分布(Mw/Mn)は1.32だった。また、得られたジブロック共重合体の組成比は1H−NMR測定により算出し、φLCは87だった。
得られたジブロック共重合体は下記化学式で示される。
合成例5において、合成例3で得られたモノマーAzの使用量を1.37gとし、PS−Brマクロイニシエーターの使用量を0.4gとした以外は合成例5と同様にして、ジブロック共重合体PS−b−PM6BAを合成した。
得られたジブロック共重合体のガラス転移温度は73℃、数平均分子量(Mn)は39900、分子量分布(Mw/Mn)は1.26だった。また、得られたジブロック共重合体の組成比は1H−NMR測定により算出し、φLCは78だった。
合成例3で得られたモノマーAz0.3g、PEG−Brマクロイニシエーター0.081g、臭化銅(和光純薬工業社製)0.009g、(−)−スパルテイン(アルドリッチ)0.0266g及びアニソール(関東化学社製)1.1625gを50mLのナスフラスコ中に入れ、得られたアニソール溶液を凍結後、系を減圧して融解させる作業を3回繰り返して反応溶液中から酸素を除去した。その後、溶液が凍結した状態で臭化銅をナスフラスコに入れ、反応系中の酸素を除去するために高真空状態とした。90℃に加熱したオイルバスにナスフラスコを2時間入れ、窒素気流下で重合を行った。重合終了後、反応溶液を塩基性の活性アルミナを通すことにより臭化銅を反応系から取り除き、メタノール中に注ぐ再沈殿を2回繰り返した。
なお、上記のPEG−Brマクロイニシエーターは、Y.Tian,K.Watanabe,X.Kong,J.Abe,andT.Iyoda,Macromolecules,35,3797−3747(2002)に記載される合成方法に従い合成した。
得られたジブロック共重合体のガラス転移温度は71℃、数平均分子量(Mn)は13000、分子量分布(Mw/Mn)は1.20だった。また、得られたジブロック共重合体の組成比は1H−NMR測定により算出し、φLCは84だった。
合成例5で得られたジブロック共重合体PS−b−PM6BA(Mn:20500、Mw/Mn:1.32、φLC:87)の試料を、治具(コーン角:5.6deg、直径:25mmのコーンプレート)中に設置し、液晶多形を示すセグメントが等方相を示す温度140℃で熱処理をした後、120℃まで降温し、所定の条件でせん断ずり印加をせん断速度5.32s-1の条件で施した。次いで、せん断ずり印加の応力が定常状態になった状態でせん断ずり印加を停止し、ブロック共重合体のガラス転移温度73℃よりも低い室温まで降温させて、試料を治具から剥離してフィルム状のミクロ相分離構造物を得た。
得られた試料を上記の方法で相分離挙動を測定し、配向度、シリンダー半径、及びシリンダー周期長を算出した。結果を表1に示す。
実施例1において、せん断ずり印加を施す温度及びせん断速度を表1に示す条件で行った以外は、実施例1と同様にしてミクロ相分離構造物を得た。
得られた試料を上記の方法で相分離挙動を測定し、配向度、シリンダー半径、及びシリンダー周期長を算出した。結果を表1に示す。
実施例1において、ジブロック共重合体を合成例6で得られたジブロック共重合体PS−b−PM6BA(Mn:39900、Mw/Mn:1.26、φLC:78)とし、せん断ずり印加を施す温度を120℃とした以外は、実施例1と同様にしてミクロ相分離構造物を得た。
得られた試料を上記の方法で測定し、配向度、シリンダー半径、及びシリンダー周期長を算出した。結果を表1に示す。
実施例1において、ジブロック共重合体を合成例7で得られたジブロック共重合体PEG−PM6BA(Mn:13000、Mw/Mn:1.20、φLC:84)とし、せん断ずり印加を施す温度を110℃とし、せん断速度を0.532s-1とした以外は、実施例1と同様にしてミクロ相分離構造物を得た。
得られた試料を上記の方法で測定し、配向度、シリンダー半径、及びシリンダー周期長を算出した。結果を表1に示す。
Claims (6)
- 液晶多形を示すセグメントと非晶性セグメントとを有するブロック共重合体をせん断ずり印加により配向制御することを特徴とするミクロ相分離構造物の製造方法により得られるミクロ相分離構造フィルムであって、ミクロ相分離構造がシリンダー構造であり、シリンダー半径が8.5〜18.7nmであり、シリンダー周期長が20.9〜35.0nmである、ミクロ相分離構造フィルム。
- 前記せん断ずり印加を、前記ブロック共重合体がミクロ相分離構造を形成し、かつ液晶多形を示すセグメントが液晶相を形成する温度域で行うことを特徴とする請求項1に記載のミクロ相分離構造フィルム。
- 前記せん断ずり印加が定常ずりである請求項1又は2に記載のミクロ相分離構造フィルム。
- 前記液晶多形を示すセグメントが、高分子骨格主鎖、スペーサー及びメソゲン基が結合し、さらにその末端に末端基が結合したものであり、高分子骨格主鎖が下記一般式(1)から選ばれる1種であり、スペーサーが下記一般式(2)から選ばれる1種であり、メソゲン基が下記一般式(3)から選ばれる1種であり、末端基が下記一般式(4)から選ばれる1種である請求項1〜3のいずれかに記載のミクロ相分離構造フィルム。
- 前記非晶性セグメントを構成する化合物が親水性である請求項1〜5のいずれかに記載のミクロ相分離構造フィルム。
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