JP5991315B2 - 硬化性組成物および光学用接着剤 - Google Patents

硬化性組成物および光学用接着剤 Download PDF

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Description

本発明は、複合光学素子を作製する際に使用される光学用接着剤として好適な硬化性組成物に関するものである。
アクリレート化合物等を主成分とする光硬化性組成物は、光学素子を作製する際の接着剤として幅広く使用されている。接着剤にとって、接着性、硬化性、機械的強度、耐久性、および光学特性は基本性能であるが、近年では光学素子の高機能化に伴って、屈折率が重要な性能になっている。特に接着剤の高屈折率化は光学設計の自由度が広がるので要望が高い。高い屈折率を有する接着剤が使用される用途例としては、2枚のレンズの張り合わせで構成される色消しレンズ(アクロマートレンズ)、ガラスと樹脂の複合で構成されるハイブリッド型非球面レンズ、ダイクロイックプリズムなどの複雑形状をしたプリズム等が挙げられる。これらの用途に使用される接着剤には、高い屈折率だけでなく、密着性、光硬化性、無色透明性、作業に適した粘度といった性能も当然要求される。
高い屈折率を有する多官能(メタ)アクリレート化合物としては、9,9−ビス(4−(2−アクリロキシエトキシ)フェニル)フルオレン(以下、A−BPEFと呼ぶ)(硬化物の屈折率1.62)や4,4’−ビス(メタクリロイルチオ)ジフェニルスルフィド(以下、MPSMAと呼ぶ)(硬化物の屈折率1.69)等が知られている。しかしながら、これらの化合物は常温で固体であるため、単独での使用は難しい。
また、一般的に多官能(メタ)アクリレート化合物は硬化に伴う収縮が大きく、接着剤として使用した場合に密着性低下の原因となる。一方、(メタ)アクリレート化合物等のエチレン性不飽和化合物とチオール化合物を組み合わせたエン・チオール組成物は、硬化に伴う収縮が小さいことが知られている。
特許文献1には、A−BPEF、エチレン性不飽和化合物、およびチオール化合物から構成されるエン・チオール組成物が記載されている。実施例によると、硬化物の屈折率は高々1.58〜1.61の範囲である。
特許文献2には、MPSMA、ビニル系モノマー、およびポリチオールから構成されるエン・チオール組成物が記載されている。実施例によると、硬化物の屈折率は最高で1.649である。しかしながら、MPSMAは黄着色しやすく、また固体であるため組成物への溶解量に限界があった。
また、特許文献3には、フルオレン環を有する樹脂成分と、MPSMA等のジフェニルスルフィド骨格を有する硫黄含有化合物とで構成される樹脂組成物が記載されており、屈折率1.724を有する樹脂が例示されている。しかしながら、該発明における樹脂組成物とは、実質的にはフルオレン環を有するポリエステルと硫黄含有化合物を混練した熱可塑性樹脂であって硬化性組成物ではなく、当然ながら光硬化性は付与できない。
特開2010−254732号公報 特開平03−021638号公報 特開2005−187661号公報
従って、本発明の目的は、高い屈折率を有し、且つ、作業に適した粘度、低収縮性、無色透明性といった光学用接着剤として求められる性能も兼ね備えた硬化性組成物を提供することにある。
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、エピスルフィド化合物とチオール化合物を反応させて得られるポリチオールオリゴマー(A成分)と、エチレン性不飽和化合物(B成分)を含有した硬化性組成物が、接着剤として作業性に適した粘度を有し、且つ硬化に伴う収縮が小さいことから、光学用接着剤として好適であることを見出した。以上の知見に基づき、本発明に至った。
本発明によれば、高い屈折率を有し、且つ、作業に適した粘度、低収縮性、無色透明性といった光学用接着剤としての性能も兼ね備えた硬化性組成物を提供することができる。
本発明の硬化性組成物は、エピスルフィド化合物とチオール化合物を反応させて得られるポリチオールオリゴマー(A成分)と、エチレン性不飽和化合物(B成分)を含有して構成される。
まず、ポリチオールオリゴマー(A成分)の製造方法について説明する。
ポリチオールオリゴマーの原料となるエピスルフィド化合物とは、1分子中に1個以上のエピスルフィド基を有する化合物である。特に、硬化性組成物の高屈折率化と架橋性を追求した場合、下記一般式(1)
Figure 0005991315
(式中、mは0から6の整数であり、nは0から4の整数、RおよびRはそれぞれ独立に、水素原子または炭素数1〜10のアルキル基であり、RおよびRはそれぞれ独立に炭素数1〜10のアルキレン基を表す。)
で表わされる化合物が好ましい。一般式(1)で表わされる化合物の例としては、ビス(2,3−エピチオプロピル)スルフィド等が挙げられる。
ポリチオールオリゴマーの原料となるチオール化合物とは、1分子中に1個以上のチオール基を有する化合物であり、直鎖状、分岐鎖状、環状のいずれであってもよく、1分子中に2個以上のチオール基を有するポリチオール化合物であることが好ましい。
特に、硬化性組成物の高屈折率化と作業性に適した粘度を追求した場合、下記一般式(2)から(4)で表わされるポリチオール化合物が好ましい。
Figure 0005991315
(式中、p1およびp2はそれぞれ独立に0〜1の整数を表し、X〜Xはそれぞれ独立に水素原子またはメチルチオール基を表す。)
Figure 0005991315
(式中、qは0〜3の整数を表し、Rは単なる結合または炭素数1〜3のアルキレン基を表す。)
Figure 0005991315
(式中、rは0〜3の整数を表し、Rは炭素数1〜3のアルキレン基を表す。)
一般式(2)で表わされる化合物の例としては、1,5−ジメルカプト−3−チアペンタン、2−メルカプトメチル−1,5−ジメルカプト−3−チアペンタン、2,4−ビス(メルカプトメチル)−1,5−ジメルカプト−3−チアペンタン、4−メルカプトメチル−1,8−ジメルカプト−3,6−ジチアオクタン、4,8−ビス(メルカプトメチル)−1,11−ジメルカプト−3,6,9−トリチアウンデカン、4,7−ビス(メルカプトメチル)−1,11−ジメルカプト−3,6,9−トリチアウンデカン、5,7−ビス(メルカプトメチル)−1,11−ジメルカプト−3,6,9−トリチアウンデカン等が挙げられ、一般式(3)で表わされる化合物の例としては、2,5−ジメルカプト−1,4−ジチアン、2,5−ジメルカプトメチル−1,4−ジチアン、2,5−ジメルカプトエチル−1,4−ジチアン等が挙げられ、一般式(4)で表わされる化合物の例としては、キシリレンジチオール等が挙げられる。一般式(2)から(4)で表わされる化合物以外のポリチオール化合物としては、エチレングリコールビス(3−メルカプトプロピオネート)、トリメチオールプロパントリス(3−メルカプトプロピオネート)、ペンタエリスリトールテトラキス(3−メルカプトプロピオネート)、ベンゼンジチオール、トリレンジチオール等が挙げられる。
エピスルフィド化合物とチオール化合物の反応は、例えば生成物が2量体の場合、下記の反応式
Figure 0005991315
(式中、RおよびR’は有機基を表し、aおよびbは0以上の整数を表す。)
に従って進行する。エピスルフィド基とチオール基が反応して2級のチオール基が生成する。エピスルフィド化合物とチオール化合物の混合比は、エピスルフィド基1モルに対してチオール基が1.0〜2.0モルの範囲が好ましい。1.0モル未満では、未反応のエピスルフィド基が残存して好ましくないし、2.0モルを超えると得られるポリチオールオリゴマーの粘度が低下して好ましくない。
エピスルフィド化合物とチオール化合物の反応は、触媒の存在下あるいは非存在下で加熱することで進行するが、触媒を使用する方法が好ましい。触媒としては塩基性化合物が好ましく、アミン、アンモニウム塩、ホスフィン、ホスホニウム塩等が挙げられる。触媒の使用量は、エピスルフィド化合物とチオール化合物の合計量100重量部に対して、0.005〜5重量部の範囲が好ましく、0.05〜0.5重量部の範囲がより好ましい。
エピスルフィド化合物とチオール化合物の反応は、エチレン性不飽和化合物(B成分)の存在下で行っても構わない。また、必要に応じて溶媒を使用してもよい。溶媒を使用する場合には溶媒を留去する後工程が必要となる。反応温度は特に限定されないが、0〜100℃の範囲が好ましく、反応の進行具合を見ながら徐々に温度を上げていってもよい。反応時間は、原料の種類、エピスルフィド化合物とチオール化合物の混合比、反応温度などの様々な条件に依るので一概には規定できないが、30分間〜24時間の範囲が好ましい。
次に、本発明の硬化性組成物について説明する。
本発明の硬化性組成物とは、前述したポリチオールオリゴマー(A成分)と、エチレン性不飽和化合物(B成分)を含有して構成される。
エチレン性不飽和化合物(B成分)とは、1分子中に2個以上のエチレン性不飽和結合を有する化合物であり、エチレン性不飽和結合基としてはアクリロイル基、メタクリロイル基、ビニル基、アリル基等が挙げられる。特に、硬化性組成物の高屈折率化を追求した場合、分子内に芳香環や複素環を有する化合物が好ましく、このような化合物の例としては、イソシアヌル酸トリアリル、シアヌル酸トリアリル、フタル酸ジアリル、イソフタル酸ジアリル、テレフタル酸ジアリル、トリメリット酸トリアリル、ピロメリット酸テトラアリル、一般式(5)で表わされる化合物、一般式(6)で表わされる化合物等が挙げられる。
Figure 0005991315
(式中、Xは硫黄原子またはスルホニル基を表し、Zは(メタ)アクリロイル基、ビニル基、またはアリル基を表わす。)
Figure 0005991315
(式中、sおよびtは、sとtの合計が0〜4を満たす整数を表し、Rは炭素数1〜5のアルキレン基を表し、Rは水素原子またはメチル基を表し、Rは水素原子またはメチル基を表す。)
一般式(5)で表わされる化合物の例としては、4,4’−ビス(メタクリロイルチオ)ジフェニルスルフィド、4,4’−ビス(メタクリロイルチオ)ジフェニルスルホン等が挙げられ、一般式(6)で表わされる化合物としては、9,9−ビス(4−(2−アクリロキシエトキシ)フェニル)フルオレン等が挙げられる。
A成分とB成分の配合比は、B成分中のエチレン性不飽和結合基1モルに対して、A成分中のチオール基が0.5〜1.5モルの範囲が好ましく、0.8〜1.2モルの範囲が好ましい。0.5モル未満ではA成分の効果が少なくて実用的でなく、1.5モルを超えると硬化時に未反応のチオール基が残存しやすくて好ましくない。尚、前記したエピスルフィド化合物とチオール化合物の反応式から分かるように、A成分中のチオール基の総量は、ポリチオールオリゴマーの原料として用いたチオール化合物に含まれるチオール基の総量と同じになる。
本発明の硬化性組成物は、硬化触媒の存在下あるいは非存在下で、加熱重合させることで硬化される。好ましい方法は硬化触媒を使用する方法で、硬化触媒としては有機過酸化物やアゾ化合物などの遊離ラジカルを発生させる化合物や、アミンやホスフィンなどの塩基性化合物が挙げられる。硬化触媒の添加量は、硬化性組成物100重量部に対して、0.001〜5重量部の範囲が好ましく、0.01〜1重量部の範囲がより好ましい。重合温度は0〜150℃の範囲が好ましく、20〜120℃の範囲がより好ましく、徐々に温度を上げていっても構わない。重合時間は、ポリチオール化合物とエン化合物の配合比、硬化触媒の種類や添加量、硬化性組成物の重量、重合温度などの様々な条件に依るので一概には規定できないが、10分間〜50時間の範囲が好ましく、30分間〜24時間の範囲がより好ましい。
また、本発明の硬化性組成物は、ラジカル系光重合開始剤の存在下で、紫外光や可視光などの活性光線を照射することで硬化させることも可能である。ラジカル系光重合開始剤とは、光分解によって活性な遊離ラジカルを生成させるものであれば特に限定されない。このような化合物の具体例としては、2,2−メトキシ−1,2−ジフェニルエタン−1−オン、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−フェニルプロパン−1−オン、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、2−ベンジル−2−ジメチルアミノ−1−(4−モルフォリノフェニル)−ブタノン−1、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、2,4,6−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等が挙げられる。ラジカル系光重合開始剤は単独でも2種類以上を混合して使用しても構わない。その含有量は特に限定されないが、硬化性組成物100重量部に対して、0.1〜10重量部の範囲が好ましく、0.5〜5重量部の範囲がより好ましい。
本発明の硬化性組成物には必要に応じて、重合禁止剤、酸化防止剤、光安定剤(HALS)、紫外線吸収剤、シランカップリング剤、離型剤、顔料、染料等を添加することが可能である。
硬化性組成物の粘度に関して、接着剤としての使用を想定した場合、粘度が低すぎると、接着剤が垂れたり流れたり、張り合わせの際に被着体がずれたりして好ましくない。また、粘度が高すぎると、接着剤の吐出や塗布が困難になったり、張り合わせの際に気泡を噛んだりして好ましくない。本発明で言う作業性に適した粘度とは、塗布方法や張り合わせ方法といった接着剤の使用形態にも依るので一概には規定できないが、好ましくは500〜10,000mPa・sの範囲である。
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、実施例中における硬化収縮率は、下記の計算式に従い、硬化前後における屈折率から計算した。
X=(1−d1/d2)×100[%]
R=(n−1)/(n+2)×M/d
硬化前後でR/Mは一定なので、上の2式より、
X=[1−{(n1−1)/(n1+2)}/{(n2−1)/(n2+2)}]×100[%]
(式中、Xは硬化収縮率、dは比重、d1は硬化前の比重、d2は硬化後の比重、Rは分子屈折、nは屈折率、n1は硬化前の屈折率、n2は硬化後の屈折率、Mは分子量を表す。)
また、硬化性組成物の粘度は、コーン/プレート型粘度計DV−II+(ブルックフィールド社製)を用いて、温度25℃にて測定した。硬化性組成物および硬化膜の屈折率は、アッベ屈折計NAR−3T(アタゴ社製)を用いて測定した。硬化膜の透過率は、分光光度計U−3500(日立ハイテク社製)を用いて、硬化膜の厚み0.25mm、測定波長400nmにて測定した。
実施例1
300mlフラスコに、ビス(2,3−エピチオプロピル)スルフィド28g、1,5−ジメルカプト−3−チアペンタン35g、およびジシクロヘキシルメチルアミン0.5gをとり、60℃にて24時間撹拌を続けた。以上の手順でポリチオールオリゴマーを作製した。
これにイソシアヌル酸トリアリル37gを加えて、均一になるまで撹拌した。以上の手順で硬化性組成物を作製した。
硬化性組成物100重量部に対して、1−ヒドロキシ−シクロヘキシルフェニルケトン3重量部を加えて、均一になるまで撹拌して、減圧脱泡した。これを離型処理された2枚のガラス板で挟み、メタルハライドランプ(120W/cm)からの光を30cmの距離から3分間照射した後、硬化した膜をガラス板から剥がした。以上の手順で厚み0.25mmの硬化膜を作製した。
硬化性組成物および硬化膜の物性は表1に示す通りであった。
実施例2
300mlフラスコに、ビス(2,3−エピチオプロピル)スルフィド33g、1,5−ジメルカプト−3−チアペンタン33g、イソシアヌル酸トリアリル34g、およびジシクロヘキシルメチルアミン0.5gをとり、60℃にて24時間撹拌を続けた。以上の手順で硬化性組成物を作製した。
硬化膜の作製を実施例1と同様にして行った。硬化性組成物および硬化膜の物性は表1に示す通りであった。
実施例3〜8
エピスルフィド化合物、ポリチオール化合物、およびエチレン性不飽和化合物の種類と仕込み量を表1に示す内容に変える以外は実施例2と同様にして硬化性組成物および硬化膜の作製を行った。硬化性組成物および硬化膜の物性は表1に示す通りであった。
比較例1
300mlフラスコに、2,5−ジメルカプトメチル−1,4−ジチアン55g、およびイソシアヌル酸トリアリル45gをとり、均一になるまで撹拌した。以上の手順で硬化性組成物を作製した。
硬化膜の作製を実施例1と同様にして行った。硬化性組成物および硬化膜の物性は表2に示す通りであった。なお、実施例と比較して性能が劣る値には下線を引いた。
比較例2〜4
チオール化合物、エチレン性不飽和化合物の種類と仕込み量を表2に示す内容に変える以外は比較例1と同様にして硬化性組成物および硬化膜の作製を行った。硬化性組成物および硬化膜の物性は表2に示す通りであった。なお、実施例と比較して性能が劣る値には下線を引いた。
Figure 0005991315
Figure 0005991315
表中略語の説明
(a−1)ビス(2,3−エピチオプロピル)スルフィド
(b−1)1,5−ジメルカプト−3−チアペンタン
(b−2)2,5−ジメルカプトメチル−1,4−ジチアン
(b−3)m−キシリレンジチオール
(c−1)イソシアヌル酸トリアリル
(c−2)トリメリット酸トリアリル
(c−3)フタル酸ジアリル
(c−4)4,4’−ビス(メタクリロイルチオ)ジフェニルスルフィド
(c−5)2,2−ビス(4−(アクリロキシジエトキシ)フェニル)プロパン

Claims (6)

  1. エピスルフィド化合物とチオール化合物を反応させて得られるポリチオールオリゴマー(A成分)と、エチレン性不飽和化合物(B成分)を含有する硬化性組成物であって、
    前記エピスルフィド化合物が下記一般式(1)
    Figure 0005991315
    (式中、mは0から6の整数であり、nは0から4の整数、R およびR はそれぞれ独立に、水素原子または炭素数1〜10のアルキル基であり、R およびR はそれぞれ独立に炭素数1〜10のアルキレン基を表す。)
    で表わされる化合物である、前記硬化性組成物
  2. 一般式(1)で表わされる化合物がビス(2,3−エピチオプロピル)スルフィドである請求項に記載の硬化性組成物。
  3. チオール化合物が、下記の一般式(2)、一般式(3)、一般式(4)で表わされる化合物から成る群から選択される請求項1または2に記載の硬化性組成物。
    Figure 0005991315
    (式中、p1およびp2はそれぞれ独立に0〜1の整数を表し、X〜Xはそれぞれ独立に水素原子またはメチルチオール基を表す。)
    Figure 0005991315
    (式中、qは0〜3の整数を表し、Rは単なる結合または炭素数1〜3のアルキレン基を表す。)
    Figure 0005991315
    (式中、rは0〜3の整数を表し、Rは炭素数1〜3のアルキレン基を表す。)
  4. エチレン性不飽和化合物(B成分)が、イソシアヌル酸トリアリル、シアヌル酸トリアリル、フタル酸ジアリル、イソフタル酸ジアリル、テレフタル酸ジアリル、トリメリット酸トリアリル、ピロメリット酸テトラアリル、一般式(5)で表わされる化合物および一般式(6)で表わされる化合物、から成る群から選択される一種以上である、請求項1からのいずれかに記載の硬化性組成物。
    Figure 0005991315
    (式中、Xは硫黄原子またはスルホニル基を表し、Zは(メタ)アクリロイル基、ビニル基、またはアリル基を表わす。)
    Figure 0005991315
    (式中、sおよびtは、sとtの合計が0〜4を満たす整数を表し、Rは炭素数1〜5のアルキレン基を表し、Rは水素原子またはメチル基を表し、Rは水素原子またはメチル基を表す。)
  5. ポリチオールオリゴマー(A成分)とエチレン性不飽和化合物(B成分)の配合比が、B成分中のエチレン性不飽和結合基1モルに対して、A成分中のチオール基が0.5〜1.5モルの範囲である、請求項1からのいずれかに記載の硬化性組成物。
  6. 請求項1からのいずれかに記載の硬化性組成物を含有する光学用接着剤。
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