JP7397558B2 - 撥水撥油膜組成物及びその利用 - Google Patents

撥水撥油膜組成物及びその利用 Download PDF

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Description

本明細書は、耐熱性に優れる撥水撥油膜組成物及びその利用に関する。
撥水撥油膜を形成する材料として、シリコーン樹脂やテフロン(登録商標)などのフッ素樹脂の樹脂系材料やセラミックス系材料が知られている。樹脂系材料は、コーティング加工が容易であるため、種々の被加工体へのコーティングが可能である。
こうした樹脂系材料による被膜の耐熱温度は、概して300℃未満であるため、用途が限定されている。そこで、より優れた耐熱性が求められるようになってきている。こうした被膜材料として、例えば、シロキサン結合による三次元架橋構造体であって、その終端において、ヒドロキル基をメチル基でキャッピングした材料が開示されている(特許文献1)。この材料によれば、500℃で24時間加熱後も、一定の撥水性及び撥油性を備えていることが記載されている。
また、親水性組成物としてジイソシアネートと、疎水性組成物として両末端アミン変性ポリシロキサンと水酸基変性ポリシロキサンとを、グリシジル基を有する籠型ポリシロキサンで架橋した材料も開示されている(特許文献2)。この材料が撥水性撥油性を備えるほか、分解温度が300℃程度であることが記載されている。
一方、優れた耐熱性材料として、シロキサン結合による三次元架橋構造を有するシルセスキオキサンが知られている(特許文献3、4)。かかるシルセスキオキサンは、5%重量減少率が1000℃以上であることが記載されている。
特開2014-185334号公報 特開2015-44983号公報 国際公開第2005/10077号 国際公開第2009/66608号
上記特許文献1に開示される被膜は、重合可能なアルコキシ基を有しかつメチル基を有するシラン化合物を酸又はアルカリを触媒として含む溶液を一定時間室温で重合させて得られるポリシロキサンの前駆体溶液とし、この前駆体溶液をコーティングして得られている。有機シラン化合物の加水分解反応を調整することは困難であるため、酸又はアルカリなどの触媒は必須であるが、このような触媒を含む溶液を被加工体に適用することは、溶液移送設備やコーティング設備の腐食など設備上の問題のほか、作業環境の安全管理上の問題がある。
また、上記特許文献2に開示される被膜は、300℃以上で分解してしまうため、材料自体の耐熱性が確保されているとは言えず、また、耐熱防汚性があるともいえなかった。
一方、上記特許文献3、4は耐熱性に優れるポリシロキサン材料に関するものであるが、撥水撥油性については、全く開示されていない。また、これらポリシロキサン材料の組成からみて撥水撥油性を当業者といえども予測することはできなかった。
本明細書は、使用性及び耐熱性に優れる撥水撥油被膜材料及びその利用を提供する。
本発明者らは、上記課題を解決するために、耐熱性に優れるポリシロキサンに着目し、ポリシロキサンの組成を種々に検討して被膜特性を評価している中で、ポリシロキサンを得るためのモノマーをある種の組成に規定することで、ポリシロキサンの耐熱性を維持しつつ優れた撥水撥油性を発揮する被膜を形成できるという知見を得た。さらに、本発明者らは、ポリシロキサンを得るための酸などの触媒を用いるが、酸による重合後のシロキサン前駆体が、耐熱性及び撥水撥油性に優れる撥水撥油膜を提供できるという知見を得た。本明細書は、これらの知見に基づき以下の手段を提供する。
[1]下記式(1)で表されるシロキサン化合物を含有する、撥水撥油膜組成物。
Figure 0007397558000001
〔式(1)において、R1は水素原子、ヒドロシリル化反応可能な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基、及び炭素原子数1~10のアルキル基からなる群から選択される少なくとも1種であり、R2は水素原子、ヒドロシリル化反応可能な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基、及び炭素原子数1~10のアルキル基からなる群から選択される少なくとも1種であり(1分子中のR2は同一でも異なっていてもよい。)、R3は水素原子、ヒドロシリル化反応可能な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基、及び炭素原子数1~10のアルキル基からなる群から選択される少なくとも1種であり(1分子中のR3は同一でも異なっていてもよい。)、R4は炭素原子数1~6のアルキル基であり、R2の少なくとも一部又はR3の少なくとも一部が、水素原子とヒドロシリル化反応可能な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基である。w及びxは正の数であり、v、y及びzは、それぞれ0又は正の数であり、x/(v+w+x+y)は0.2以上である。〕
[2](R33SiO1/2の少なくとも一部が、R3の1つが水素原子であり他の2つが炭素原子数1~10のアルキル基であり、少なくとも他の一部が、R3の1つがヒドロシリル化反応な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基であり、他の2つが炭素原子数1~10のアルキル基である、[1]に記載の組成物。
[3]前記少なくとも一部の(R33SiO1/2のモル数をy1とし、前記少なくとも他の一部の(R33SiO1/2のモル数をy2としたとき、(y1+y2)/(v+w+x+y)は0.1以上である、[2]に記載の組成物。
[4](R22SiO2/2の少なくとも一部が、R2の1つが水素原子であり他の1つが炭素原子数1~10のアルキル基であり、少なくとも他の一部が、R2の1つがヒドロシリル化反応な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基であり他の1つが炭素原子数1~10のアルキル基である、[1]~[3]のいずれかに記載の組成物。
[5]前記少なくとも一部の(R22SiO2/2のモル数をx1とし、前記少なくとも他の一部の(R22SiO2/2のモル数をx2としたとき、(x1+x2)/(v+w+x+y)は0.1以上である、[4]に記載の組成物。
[6]R1は、炭素原子数1~10のアルキル基である、[1]~[5]のいずれかに記載の組成物。
[7]x/wは、0.8以上である、[1]~[6]のいずれかに記載の組成物。
[8]前記シロキサン化合物は、水素原子とヒドロシリル化反応可能な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基とのヒドロシリル化反応に基づくSi-C-C-R-Si(Rは炭素原子数1~8の有機基であり、mは0又は1の整数である。)が前記シロキサン化合物のSiの総モル数の0.05以上0.3以下となるように構成されている、[1]~[7]のいずれかに記載の組成物。
[9]前記シロキサン化合物において、前記ヒドロシリル化反応な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基に対して理論的に過剰の水素原子のモル数は、Siの総モル数に対して0.1以下である、[1]~[8]のいずれかに記載の組成物。
[10]前記シロキサン化合物において、少なくとも一部の前記ヒドロシリル化反応な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基と少なくとも一部の前記水素原子とによるSi-C-C-R-Si構造(Rは炭素原子数1~8の有機基であり、mは0又は1の整数である。)を形成している、[1]~[9]のいずれかに記載の組成物。
[11]前記シロキサン化合物の数平均分子量は、500以上2,000以下である、[1]~[10]のいずれかに記載の組成物。
[12]さらに、シリコーンオイルを含有する、[1]~[11]のいずれかに記載の組成物。
[13]実質的に塩酸又はアルカリを含有しない、[1]~[12]のいずれかに記載の組成物。
[14]ヒドロシリル化を促進する触媒を実質的に含まない、[1]~[13]のいずれかに記載の組成物。
[15]膜状体である、[1]~[14]のいずれかに記載の組成物。
[16]下記式(1)で表されるシロキサン化合物を得るための3種以上のシラン化合物を含む、撥水撥油膜を得るための組成物。
Figure 0007397558000002
〔式(1)において、R1は水素原子、ヒドロシリル化反応可能な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基、及び炭素原子数1~10のアルキル基からなる群から選択される少なくとも1種であり、R2は水素原子、ヒドロシリル化反応可能な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基、及び炭素原子数1~10のアルキル基からなる群から選択される少なくとも1種であり(1分子中のR2は同一でも異なっていてもよい。)、R3は水素原子、ヒドロシリル化反応可能な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基、及び炭素原子数1~10のアルキル基からなる群から選択される少なくとも1種であり(1分子中のR3は同一でも異なっていてもよい。)、R4は炭素原子数1~6のアルキル基であり、R2の少なくとも一部又はR3の少なくとも一部が、水素原子とヒドロシリル化反応可能な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基である。w及びxは正の数であり、v、y及びzは、それぞれ0又は正の数であり、x/(v+w+x+y)は0.2以上である。〕
[17]下記式(1)で表されるシロキサン化合物。
Figure 0007397558000003
〔式(1)において、R1は水素原子、ヒドロシリル化反応可能な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基、及び炭素原子数1~10のアルキル基からなる群から選択される少なくとも1種であり、R2は水素原子、ヒドロシリル化反応可能な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基、及び炭素原子数1~10のアルキル基からなる群から選択される少なくとも1種であり(1分子中のR2は同一でも異なっていてもよい。)、R3は水素原子、ヒドロシリル化反応可能な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基、及び炭素原子数1~10のアルキル基からなる群から選択される少なくとも1種であり(1分子中のR3は同一でも異なっていてもよい。)、R4は炭素原子数1~6のアルキル基であり、R2の少なくとも一部又はR3の少なくとも一部が、水素原子とヒドロシリル化反応可能な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基である。w及びxは正の数であり、v、y及びzは、それぞれ0又は正の数であり、x/(v+w+x+y)は0.2以上である。〕
[18]さらに、以下の(1)~(4)のいずれかの特徴を備える、[17]に記載のシロキサン化合物。
(1)(R33SiO1/2の少なくとも一部が、R3の1つが水素原子であり他の2つが炭素原子数1~10のアルキル基であり、少なくとも他の一部が、R3の1つがヒドロシリル化反応な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基であり、他の2つが炭素原子数1~10のアルキル基である
(2)前記少なくとも一部の(R33SiO1/2のモル数をy1とし、前記少なくとも他の一部の(R33SiO1/2のモル数をy2としたとき、(y1+y2)/(v+w+x+y)は0.1以上である
(3)(R22SiO2/2の少なくとも一部が、R2の1つが水素原子であり他の1つが炭素原子数1~10のアルキル基であり、少なくとも他の一部が、R2の1つがヒドロシリル化反応な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基であり、他の1つが炭素原子数1~10のアルキル基である
(4)少なくとも一部の(R22SiO2/2のモル数をx1とし、前記少なくとも他の一部の(R22SiO2/2のモル数をx2としたとき、(x1+x2)/(v+w+x+y)は0.1以上である
[19][1]~[14]のいずれかに記載の組成物を基材表面に塗布し、前記組成物を加熱して硬化膜を形成する工程、
を備える、前記基材の耐熱防汚方法。
[20] 加熱室と、
前記加熱室の少なくとも一部であって熱に曝露される要素表面に備えられる膜状の[1]~[14]のいずれかに記載の組成物と
を備える、装置。
[21] 熱に曝露される表面に[1]~[15]のいずれかに記載の組成物を備える、構造体。
本明細書の開示は、撥水撥油膜組成物及びその利用を開示する。より具体的には、撥水撥油膜組成物、撥水撥油膜を得るための組成物、シロキサン化合物及び耐熱防汚方法等を開示する。本開示によれば、使用性に優れ、高温での防汚性に優れる撥水撥油膜を提供することができる。例えば、かかる撥水撥油膜は、貯蔵安定性に優れ、コーティング加工性に優れ、汎用の溶媒に溶解でき、設備の腐食性や作業環境への影響が抑制され、400℃で24時間加熱後でも優れた撥水撥油性を維持できるなどの特性を発揮することができる。
本明細書において、炭素-炭素不飽和結合は、炭素-炭素二重結合又は炭素-炭素三重結合を意味する。以下、本開示に関する実施形態として、シロキサン化合物及びその製造方法について説明し、その後、かかるシロキサン化合物又はその硬化物を含む撥水撥油組成物及びその利用について説明する。
(シロキサン化合物)
本開示のシロキサン化合物(以下、単に、本シロキサン化合物という。)は、主鎖骨格にSi-O-Si結合を備えるポリシロキサンである。また、本シロキサン化合物は、式(1)中、シロキサン結合のためのSi-O1/2を3個備える構成単位(T単位、R-Si-O3/2)を必須単位とするため、シルセスキオキサン誘導体でもある。
本シロキサン化合物は、例えば、構成単位(1-1)、(1-2)、(1-3)、(1-4)及び(1-5)を備える以下の式(1)で表すことができる。式(1)におけるv、w、x、y及びzは、それぞれ(1-1)~(1-5)の構成単位のモル数を表す。なお、式(1)において、v、w、x、yおよびzは、本シロキサン化合物1分子が含有する各構成単位のモル数の割合の平均値を意味する。各構成単位の式には、構成単位のモル数を併せて示す。
式(1)における構成単位(1-2)~(1-5)のそれぞれについては、1種のみであってよいし、2種以上であってもよい。また、実際の本シロキサン化合物内の構成単位の縮合形態は、式(1)で表される配列順序に限定されるものではなく、特に限定されない。
Figure 0007397558000004
Figure 0007397558000005
本シロキサン化合物は、式(1)における5つの構成単位、すなわち、構成単位(1-1)、構成単位(1-2)、構成単位(1-3)、構成単位(1-4)及び構成単位(1-5)から選択される構成単位を、水素原子(換言すれば、ヒドロシリル基(Si-H)である。)及びヒドロシリル化反応可能な炭素-炭素不飽和結合を含む炭素原子数2~10の有機基(以下、単に、不飽和有機基ともいう。)を含むように組み合わせて備えることができる。すなわち、ヒドロシリル基を含む構成単位として構成単位(1-2)、構成単位(1-3)及び構成単位(1-4)からなる群から選択される1種又は2種以上の構成単位を備え、不飽和有機基を含む構成単位として構成単位(1-2)、構成単位(1-3)及び構成単位(1-4)からなる群から選択される1種又は2種以上を備えることができる。
また、本シロキサン化合物は、構成単位(1-2)及び構成単位(1-3)を含むことができる。例えば、式(1)において、w及びxは正の数であり、v、y及びzは0又は正の数である。
<構成単位(1-1)>
本構成単位は、式(1)で表されるままであり、ポリシロキサンの基本構成単位としてのQ単位を規定している。本シロキサン化合物中における本構成単位の個数は特に限定するものではない。
<構成単位(1-2)>
本構成単位は、ポリシロキサンの基本構成単位としてのT単位を規定している。本構成単位のR1は、水素原子、不飽和有機基、及び炭素原子数1~10のアルキル基(以下、単位、C1-10アルキル基ともいう。)からなる群から選択される少なくとも1種とすることができる。R1は、例えば、水素原子や不飽和有機基でなく、炭素原子数1~10のアルキル基とすることができる。本構成単位にヒドロシリル化反応に関与する基を有しない場合、高温耐熱性等に優れる膜を得ることができる場合がある。なお、不飽和有機基については後段で説明する。
1-10アルキル基としては、脂肪族基及び脂環族基のいずれでもよく、また、直鎖状及び分岐状のいずれでもよい。アルキル基の具体例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基等が挙げられる。かかるアルキル基は、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、などの炭素原子数1~6の直鎖アルキル基であり、また例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、などの炭素原子数1~4の直鎖アルキル基である。また例えば、メチル基である。
本シロキサン化合物中における本構成単位のモル数の割合であるwは、正の数である。wは、特に限定するものではないが、例えば、w/(v+w+x+y)は、0.25以上であり、また例えば、0.3以上であり、また例えば、0.35以上であり、また例えば、0.4以上である。同数値は、例えば、0.65以下であり、0.5以下であり、また例えば、0.45以下である。こうすることで、防汚性シロキサン化合物に瀧せつな耐熱性を付与できるためである。また、好適な範囲は、例えば、0.35以上0.65以下であり、また例えば、0.40以上0.5以下である。
本シロキサン化合物の実際の一分子における本構成単位の個数は、特に限定するものではないが、例えば、1以上40以下であり、また例えば好ましくは2以上20以下であり、また例えばより好ましくは3以上10以下である。
<構成単位(1-3)>
本構成単位は、ポリシロキサンの基本構成単位としてのD単位を規定している。本構成単位のR2は、水素原子、不飽和有機基、及びC1-10アルキル基からなる群から選択される少なくとも1種とすることができる。
1-10アルキル基については、既に記載した各種態様を本構成単位についてもそのまま適用できる。
不飽和有機基は、ケイ素原子に結合する水素原子(ヒドロシリル基)とヒドロシリル化反応可能な、炭素-炭素二重結合又は炭素-炭素三重結合を持つ官能基である。特に限定するものではないが、例えば、炭素-炭素二重結合である。かかる不飽和有機基の具体例としては、特に限定するものではないが、例えば、ビニル基、オルトスチリル基、メタスチリル基、パラスチリル基、アクリロイル基、メタクリロイル基、アクリロキシ基、メタクリロキシ基、1-プロペニル基、1-ブテニル基、1-ペンテニル基、3-メチル-1-ブテニル基、フェニルエテニル基、エチニル基、1-プロピニル基、1-ブチニル基、1-ペンチニル基、3-メチル-1-ブチニル基、フェニルブチニル基、アリル(2-プロペニル)基、オクテニル(7-オクテン-1-イル)基等が例示される。かかる不飽和有機基は、例えば、ビニル基、パラスチリル基、アリル(2-プロペニル)基、オクテニル(7-オクテン-1-イル)基であり、また例えば、ビニル基である。
なお、本シロキサン化合物の全体において、不飽和有機基を2個以上含むことができるが、その場合、全ての不飽和有機基は、互いに同一であってよいし、異なってもよい。また、複数の不飽和有機基が同一であり、異なる不飽和有機基を含んでもよい。
本構成単位におけるR2は、同一であってもよいし異なっていてもよい。また、1又は複数の本構成単位について、R2として不飽和有機基を1又は複数用いることができる。1又は複数の本構成単位について、R2としてC1-10アルキル基を1又は複数用いることができる。
本シロキサン化合物は、少なくとも一部の本構成単位が、例えば、2つのR2がいずれも、C1-10アルキル基であり、また例えば、すべての本構成単位が、2つのR2がいずれも、C1-10アルキル基である。本構成単位は、例えば、2つのR2がいずれも炭素数1~4のアルキル基であり、また例えばR2がいずれもメチル基である。こうすることで、後述する直鎖状オルガノポリシロキサン(例えば、ジメチルポリシロキサン構造を有するものなど)との適度な相溶性を得ることができる。
本シロキサン化合物は、一部の本構成単位が2つのR2がいずれも、C1-10アルキル基であり、他の一部の本構成単位が、例えば、R2の一つが水素原子であり他の一つがC1-10アルキル基であり、さらに他の一部の本構成単位が、R2の一つが不飽和有機基であり他の1つがC1-10アルキル基である。また例えば、一部の本構成単位が2つのR2がいずれも、C1-10アルキル基であり、他の一部の本構成単位がR2の一つが水素原子であり他の一つがC1-10アルキル基であり、さらに残余の本構成単位がR2の一つが不飽和有機基であり他の1つがC1-10アルキル基である。こうすることで、ポリシロキサン骨格からヒドロシリル化反応により分岐するSi-C-C-R-Si部分(Rは炭素原子数1~8の有機基であり、mは0又は1の整数である。また、Rは、ヒドロシリル化反応に関与した不飽和有機基のヒドロシリル化反応によって生成された-C-C-結合を除く構造部分に対応している。)を形成することができ、硬化性と硬化物の耐熱性が向上する。例えば、Rの不飽和有機基がビニル基であり、前記分岐構造のmが0であるSi-C-C-Si部分である。
また、R2の1つが水素原子であり他の一つがC1-10アルキル基である本構成単位のモル数をx1とし、R2の一つが不飽和有機基であり他の1つがC1-10アルキル基である本構成単位のモル数をx2としたとき、(x1+x2)/(v+w+x+y)は、例えば、0.1以上であり、また例えば、0.15以上であり、また例えば、0.18以上である。また、同数値は、例えば、0.4以下であり、また例えば、0.3以下であり、また例えば、0.25以下である。また、好適な範囲は、例えば、0.1以上0.4以下であり、また例えば、0.18以上0.25以下である。
本シロキサン化合物中における本構成単位のモル数の割合であるxは、正の数である。xは、特に限定するものではないが、例えば、x/(v+w+x+y)は、0.2以上であり、また例えば、0.3以上であり、また例えば、0.35以上であり、また例えば、0.4以上である。同数値は、例えば、0.5未満であり、また例えば、0.45以下である。当該モル数xが大きいと、防汚性が向上するが、大きすぎると耐熱性が低下するからである。また、好適な範囲は、例えば、0.2以上0.5未満であり、また例えば、0.3以上0.45以下である。
また、xは、既述の構成単位(1-2)のwとの関係に関し、例えば、x/wが0.2以上であり、また例えば、0.5以上であり、また例えば、0.7以上であり、また例えば、0.8以上であり、また例えば、0.9以上であり、また例えば、1.4以下であり、また例えば、1.2以下であり、また例えば、1.1以下である。こうすることで、耐熱性と防汚性が好ましいバランスとなるためである。また、好適な範囲は、例えば、0.2以上1.4以下であり、また例えば、0.7以上1.2以下である。
本シロキサン化合物の実際の一分子における本構成単位の個数は、特に限定するものではないが、例えば、1以上40以下であり、また例えば好ましくは2以上20以下であり、また例えばより好ましくは3以上10以下である。
<構成単位(1-4)>
本構成単位は、ポリシロキサンの基本構成単位としてのM単位を規定している。本構成単位のR3は、水素原子、不飽和有機基、及びC1-10アルキル基からなる群から選択される少なくとも1種とすることができる。
不飽和有機基及びC1-10アルキル基については、それぞれ既に記載した各種態様を本構成単位についてもそのまま適用できる。
本構成単位におけるR3は、同一であってもよいし異なっていてもよい。また、1又は複数の本構成単位について、R3として不飽和有機基を1又は複数用いることができる。1又は複数の本構成単位について、R3としてC1-10アルキル基を1又は複数用いることができる。
なお、本シロキサン化合物においては、本構成単位においてのみ、ヒドロシリル化反応可能な水素原子と不飽和有機基とを備えていてもよいし、既述の構成単位(1-3)にのみヒドロシリル化反応可能な水素原子と不飽和有機基とを備えていてもよいし、本構成単位及び構成単位(1-3)との双方に、ヒドロシリル化反応可能な水素原子と不飽和有機基とを備えていてもよい。
本シロキサン化合物は、少なくとも一部の本構成単位が、例えば、2つのR3がいずれも、C1-10アルキル基であり、他の1つのR3が、水素原子又は不飽和有機基である。
本シロキサン化合物は、一部の本構成単位が1つのR3が水素原子であり、他の2つのR3がいずれもC1-10アルキル基であり、他の一部の本構成単位が1つのR3が不飽和有機基であり、他の2つのR3がいずれもC1-10アルキル基である。また例えば、一部の本構成単位が1つのR3が水素原子であり、他の2つのR3がいずれもC1-10アルキル基であり、他の全ての本構成単位が1つのR3が不飽和有機基であり、他の2つのR3がいずれもC1-10アルキル基である。こうすることで、ポリシロキサン骨格中の直鎖部分にSi-C-C-R-Si部分(Rは炭素原子数1~8の有機基であり、mは0又は1の整数である。)を形成することができ、耐熱性が向上する。例えば、R3の不飽和有機基がビニル基であり、分岐構造のmが0であるSi-C-C-Si部分である。
また、R3の1つが水素原子であり他の2つがC1-10アルキル基である本構成単位のモル数をy1とし、R3の1つが不飽和有機基であり他の2つがC1-10アルキル基である本構成単位のモル数をy2としたとき、(y1+y2)/(v+w+x+y)は、例えば、0.1以上であり、また例えば、0.15以上であり、また例えば0.18以上である。また、同数値は、例えば、0.4以下であり、また例えば、0.3以下であり、また例えば、0.25以下である。また、好適な範囲は、例えば、0.1以上0.4以下であり、また例えば、0.18以上0.25以下である。
本シロキサン化合物中における本構成単位のモル数の割合であるyは0又は正の数である。構成単位(1-2)が水素原子及び/又は不飽和有機基を備えていない場合には、yが正の数となる。yは、特に限定するものではないが、例えば、y/(v+w+x+y)は、0.1以上であり、また例えば、0.15以上であり、また例えば、0.18以上である。同数値は、例えば、0.4以下であり、また例えば、0.3以下であり、また例えば、0.25以下ある。こうすることで、適度な架橋反応性と耐熱性を両立できるためである。また、好適な範囲は、例えば、0.1以上0.4以下であり、また例えば、0.18以上0.25以下である。
本シロキサン化合物の実際の一分子における本構成単位の個数は、特に限定するものではないが、例えば、0以上20以下であり、また例えば好ましくは1以上10以下であり、また例えばより好ましくは1以上5以下である。
<構成単位(1-5)>
本構成単位は、本シロキサン化合物におけるアルコキシ基又は水酸基を含む単位を規定している。すなわち、本構成単位におけるR4は、水素原子、炭素原子数1~10のアルキル基である。当該アルキル基は、脂肪族基及び脂環族基のいずれでもよく、また、直鎖状及び分岐状のいずれでもよい。アルキル基の具体例としては、メチル基、エチル基、n-プロピル基、イソプロピル基、n-ブチル基、sec-ブチル基、tert-ブチル基、イソブチル基、ペンチル基、ヘキシル基等が挙げられる。典型的には、例えば、メチル基、エチル基、n-プロピル基、イソプロピル基、n-ブチル基、sec-ブチル基、tert-ブチル基、イソブチル基、等の炭素数2以上10以下のアルキル基であり、また例えば、炭素数1~6のアルキル基である。
本構成単位におけるアルコキシ基は、後述する原料モノマーに含まれる加水分解性基である「アルコキシ基」、又は、反応溶媒に含まれたアルコールが、原料モノマーの加水分解性基と置換して生成した「アルコキシ基」であって、加水分解・重縮合せずに分子内に残存したものである。また、本構成単位における水酸基は、「アルコキシ基」が加水分解後、重縮合せずに分子内に残存した水酸基等である。
本シロキサン化合物中における本構成単位のモル数の割合であるzは、0又は正の数である。本シロキサン化合物の実際の一分子における本構成単位の個数は、特に限定するものではないが、例えば、0以上5以下であり、また例えば好ましくは0以上3以下であり、また例えばより好ましくは0以上2以下である。
(本シロキサン化合物におけるヒドロシリル基及び不飽和有機基のモル数等)
本シロキサン化合物は、上記した構成単位(1-2)~(1-4)の3つの構成単位から選択される1種又は2種以上の構成単位で、ヒドロシリル基と不飽和有機基とを備えることができる。例えば、これらの基を備える構成単位の組み合わせは、構成単位(1-3)及び構成単位(1-4)から選択される1種又は2種である。
本シロキサン化合物においては、例えば、ヒドロシリル基と不飽和有機基とのヒドロシリル化反応に基づくSi-C-C-R-Si構成部分(Rは炭素原子数1~8の有機基であり、mは0又は1の整数である。)のモル数が、本シロキサン化合物のSiの総モル数、すなわち、(v+w+x+y)の0.05以上0.3以下となるように構成されている。また例えば、同0.05以上0.25以下であり、また例えば、同0.07以上0.25以下であり、また例えば、同0.08以上0.2以下である。こうすることで、硬化性と防汚性とのバランスが良好となるからである。なお、ヒドロシリル基と不飽和有機基とのヒドロシリル化反応に基づくSi-C-C-R-Si構成部分のモル数は、本シロキサン化合物中のヒドロシリル基と不飽和有機基とが完全に1:1で反応したと仮定して得られる理論値である。ヒドロシリル基と不飽和有機基のいずれか一方が過剰な場合には、より少ない基に基づいて算出される。ヒドロシリル化反応に基づく架橋構造は、例えば、不飽和有機基がビニル基であり、前記構造のmが0であるSi-C-C-Si構造である。
本シロキサン化合物において、不飽和有機基に対して理論的に過剰となるヒドロシリル基(水素原子)のモル数は、例えば、Siの総モル数に対して0.3以下であり、また例えば、0.25以下であり、また例えば、0.2以下であり、また例えば、0.15以下であり、また例えば、0.1以下である。過剰のヒドロシリル基が多すぎると、加熱時に酸化されやすくなり、防汚性を低下させるOH基の発生原因となるからである。また、好適な範囲は、例えば、0.05以上0.4以下であり、また例えば、0.07以上0.3以下である。なお、この傾向は過剰なヒドロシリル基がT構造に含まれる場合に顕著になると考えられる。すなわち、過剰なヒドロシリル基がT構造に存在する場合、酸化されたヒドロシリル基はT構造由来の立体障害によりSi-OH基のまま残存し易い。一方で、D構造及びM構造に過剰なヒドロシリル基が存在する場合は、酸化されたヒドロシリル基は脱水縮合してシロキサン結合し易いといえる。したがって、本シロキサン化合物において、構成単位としてT構造のヒドロシリル基は少ない方が好ましく、Siの総モル数に対して0.2以下になるように構成されており、例えば0.1以下であり、また例えば、0.05以下であり、また例えば0である。こうすることで、耐熱性と防汚性のバランスを付与することができる。
<分子量等>
本シロキサン化合物の数平均分子量は、300~10,000の範囲にあることが好ましい。かかる本シロキサン化合物は、それ自体低粘性であり、有機溶剤に溶け易く、その溶液の粘度も扱い易く、保存安定性に優れる。数平均分子量は、塗工性、貯蔵安定性、耐熱性、スプレー塗工性等を考慮すると、好ましくは300~8,000、また好ましくは300~6,000、また好ましくは300~3,000、また好ましくは300~2,000、また好ましくは500~2,000である。また、スピン塗工性と貯蔵安定性を考慮すると、例えば、500~1,500であり、耐熱性とスプレー塗工性とを考慮すると、例えば、1,000~2,000である。数平均分子量はGPC(ゲルパーミエーションクロマトグラフ)により、例えば、後述の〔実施例〕における測定条件であり、標準物質としてポリスチレンを使用して求めることができる。
本シロキサン化合物は、液状であって、25℃における粘度が30,000mPa・s以下であることが好ましく、10,000mPa・s以下であることがより好ましく、5,000mPa・s以下であることが更に好ましく、3,000mPa・s以下であることが特に好ましく、1,000mPa・s以下であることが特に好ましい。さらにまた、100mPa・s以下であることが好ましい。但し、上記粘度の下限は、通常、1mPa・sである。
以上説明した本シロキサン化合物は、それ自体新規なポリシロキサンであり、例えば、以下に示す(1)~(4)の1種又は2種以上によってより具体的に規定されうるものである。
(1)(R33SiO1/2の少なくとも一部が、R3の1つが水素原子であり他の2つが炭素原子数1~10のアルキル基であり、少なくとも他の一部が、R3の1つがヒドロシリル化反応な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基であり、他の2つが炭素原子数1~10のアルキル基である。
(2)前記少なくとも一部の(R33SiO1/2のモル数をy1とし、前記少なくとも他の一部の(R33SiO1/2のモル数をy2としたとき、(y1+y2)/(v+w+x+y)は0.1以上である。
(3)(R22SiO2/2の少なくとも一部が、R2の1つが水素原子であり他の1つが炭素原子数1~10のアルキル基であり、少なくとも他の一部が、R2の1つがヒドロシリル化反応な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基であり、他の1つが炭素原子数1~10のアルキル基である。
(4)少なくとも一部の(R22SiO2/2のモル数をx1とし、前記少なくとも他の一部の(R22SiO2/2のモル数をx2としたとき、(x1+x2)/(v+w+x+y)は0.1以上である。
<本シロキサン化合物の製造方法>
本シロキサン化合物は、公知の方法で製造することができる。本シロキサン化合物の製造方法は、国際公開第2005/010077号パンフレット、同第2009/066608号パンフレット、同第2013/099909号パンフレット、特開2011-052170号公報、特開2013-147659号公報等においてポリシロキサンの製造方法として詳細に開示されている。
本シロキサン化合物は、例えば、以下の方法で製造することができる。すなわち、本シロキサン化合物の製造方法は、適当な反応溶媒中で、縮合により、上記式(1)中の構成単位を与える原料モノマーの加水分解・重縮合反応を行う縮合工程を備えることができる。この縮合工程においては、構成単位(1-1)を形成する、シロキサン結合生成基を4個有するケイ素化合物(以下、「Qモノマー」という。)と、構成単位(1-2)を形成する、シロキサン結合生成基を3個有するケイ素化合物(以下、「Tモノマー」という。)と、構成単位(1-3)を形成する、シロキサン結合生成基を2個有するケイ素化合物(以下、「Dモノマー」という。)と、シロキサン結合生成基を1個有する構成単位(1-4)を形成する、ケイ素化合物(以下、「Mモノマー」という。)と、を用いることができる。
本明細書において、具体的には、構成単位(1-1)を形成するQモノマーと、構成単位(1-2)を形成するTモノマーと、構成単位(1-3)を形成するDモノマー及び、構成単位(1-4)を形成するMモノマーのうちの、少なくともTモノマーとDモノマーとが用いられる。原料モノマーを、反応溶媒の存在下に、加水分解・重縮合反応させた後に、反応液中の反応溶媒、副生物、残留モノマー、水等を留去させる留去工程を備えることが好ましい。
原料モノマーであるQモノマー、Tモノマー、Dモノマー又はMモノマーに含まれるシロキサン結合生成基は、水酸基又は加水分解性基である。このうち、加水分解性基としては、ハロゲノ基、アルコキシ基等が挙げられる。Qモノマー、Tモノマー、Dモノマー及びMモノマーの少なくとも1つは、加水分解性基を有することが好ましい。縮合工程において、加水分解性が良好であり、酸を副生しないことから、加水分解性基としては、アルコキシ基が好ましく、炭素原子数1~4のアルコキシ基がより好ましい。
縮合工程において、各々の構成単位に対応するQモノマー、Tモノマー又はDモノマーのシロキサン結合生成基はアルコキシ基であり、Mモノマーに含まれるシロキサン結合生成基はアルコキシ基又はシロキシ基であることが好ましい。また、各々の構成単位に対応するモノマーは、単独で用いてよいし、2種以上を組み合わせて用いることができる。
構成単位(1-1)を与えるQモノマーとしては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトラブトキシシラン等が挙げられる。構成単位(1-2)を与えるTモノマーとしては、トリメトキシシラン、トリエトキシシラン、トリプロポキシシラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリプロポキシシラン、メチルトリイソプロポキシシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、プロピルトリメトキシシラン、プロピルトリエトキシシラン、ブチルトリメトキシシラン、シクロヘキシルトリメトキシシラン、シクロヘキシルトリエトキシシラン、トリクロロシラン等が挙げられる。構成単位(1-2)を与えるTモノマーとしては、トリメトキシビニルシラン、トリエトキシビニルシラン、ビニルトリス(2-メトキシエトキシ)シラン、トリメトキシアリルシラン、トリエトキシアリルシラン、トリメトキシ(7-オクテン-1-イル)シラン、(p-スチリル)トリメトキシシラン、(p-スチリル)トリエトキシシラン、(3-メタクリロイルオキシプロピル)トリメトキシシラン、(3-メタクリロイルオキシプロピル)トリエトキシシラン、(3-アクリロイルオキシプロピル)トリメトキシシラン、(3-アクリロイルオキシプロピル)トリエトキシシラン等が挙げられる。構成単位(1-3)を与えるDモノマーとしては、ジメトキシジメチルシラン、ジメトキシジエチルシラン、ジエトキシジメチルシラン、ジエトキシジエチルシラン、ジプロポキシジメチルシラン、ジプロポキシジエチルシラン、ジメトキシベンジルメチルシラン、ジエトキシベンジルメチルシラン、ジクロロジメチルシラン、ジメトキシメチルシラン、ジメトキシメチルビニルシラン、ジエトキシメチルシラン、ジエトキシメチルビニルシラン等が挙げられる。構成単位(1-4)を与えるMモノマーとしては、加水分解により2つの構成単位(1-4)を与えるヘキサメチルジシロキサン、ヘキサエチルジシロキサン、ヘキサプロピルジシロキサン、1,1,3,3-テトラメチルジシロキサン、1,3-ジビニル-1,1,3,3-テトラメチルジシロキサン、メトキシジメチルシラン、エトキシジメチルシラン、メトキシジメチルビニルシラン、エトキシジメチルビニルシランのほか、メトキシトリメチルシラン、エトキシトリメチルシラン、メトキシジメチルフェニルシラン、エトキシジメチルフェニルシラン、クロロジメチルシラン、クロロジメチルビニルシラン、クロロトリメチルシラン、ジメチルシラノール、ジメチルビニルシラノール、トリメチルシラノール、トリエチルシラノール、トリプロピルシラノール、トリブチルシラノール等が挙げられる。構成単位(1-5)を与える有機化合物としては、1-プロパノール、2-プロパノール、1-ブタノール、2-メチル-1-プロパノール、2-ブタノール、2-メチル-2-プロパノール、メタノール、エタノール等のアルコールが挙げられる。以上の説明によれば、本シロキサン化合物を得るためのこうしたモノマーを含む組成物も提供される。かかる組成物は、撥水撥油膜に用いるシロキサン化合物に好適に用いられる。
縮合工程においては、反応溶媒としてアルコールを用いることができる。アルコールは、一般式R-OHで表される、狭義のアルコールであり、アルコール性水酸基の他には官能基を有さない化合物である。特に限定するものではないが、かかる具体例としては、メタノール、エタノール、n-プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、1-ブタノール、2-ブタノール、イソブチルアルコール、2-ペンタノール、3-ペンタノール、2-メチル-2-ブタノール、3-メチル-2-ブタノール、シクロペンタノール、2-ヘキサノール、3-ヘキサノール、2-メチル-2-ペンタノール、3-メチル-2-ペンタノール、2-メチル-3-ペンタノール、3-メチル-3-ペンタノール、2-エチル-2-ブタノール、2,3-ジメチル-2-ブタノール、シクロヘキサノール等が例示できる。これらの中でも、イソプロピルアルコール、2-ブタノール、2-ペンタノール、3-ペンタノール、3-メチル-2-ブタノール、シクロペンタノール、2-ヘキサノール、3-ヘキサノール、3-メチル-2-ペンタノール、シクロヘキサノール等の第2級アルコールが用いられる。縮合工程においては、これらのアルコールを1種又は2種以上組み合わせて用いることができる。より好ましいアルコールは、縮合工程で必要な濃度の水を溶解できる化合物である。このような性質のアルコールは、20℃におけるアルコールの100gあたりの水の溶解度が10g以上の化合物である。
縮合工程で用いるアルコールは、加水分解・重縮合反応の途中における追加投入分も含めて、全ての反応溶媒の合計量に対して0.5質量%以上用いることで、生成する本シロキサン化合物のゲル化を抑制することができる。好ましい使用量は1質量%以上60質量%以下であり、更に好ましくは3質量%以上40質量%以下である。
縮合工程で用いる反応溶媒は、アルコールのみであってよいし、さらに、少なくとも1種類の副溶媒との混合溶媒としても良い。副溶媒は、極性溶剤及び非極性溶剤のいずれでもよいし、両者の組み合わせでもよい。極性溶剤として好ましいものは炭素原子数3若しくは7~10の第2級又は第3級アルコール、炭素原子数2~20のジオール等である。尚、副溶媒として第1級アルコールを用いる場合には、その使用量を、反応溶媒全体の5質量%以下にすることが好ましい。好ましい極性溶剤は、工業的に安価に入手できる2-プロパノールであり、2-プロパノールと、炭素原子数4~6の第2級アルコール及び炭素原子数4~6の第3級アルコールから選ばれたアルコールとを併用することにより、これらのアルコールが加水分解工程で必要な濃度の水を溶解できないものである場合でも、極性溶剤と共に必要量の水を溶解でき、ゲル化を抑制等することができる。好ましい極性溶剤の量は、本発明に係るアルコールの1質量部に対して20質量部以下であり、より好ましくは1~20質量部、特に好ましくは3~10質量部である。
非極性溶剤としては、特に限定するものではないが、脂肪族炭化水素、脂環式炭化水素、芳香族炭化水素、塩素化炭化水素、アルコール、エーテル、アミド、ケトン、エステル、セロソルブ等が挙げられる。これらの中では、脂肪族炭化水素、脂環式炭化水素及び芳香族炭化水素が好ましい。こうした非極性溶媒としては、特に限定するものではないが、例えば、n-ヘキサン、イソヘキサン、シクロヘキサン、ヘプタン、トルエン、キシレン、塩化メチレン等が、水と共沸するので好ましく、これらの化合物を併用すると、縮合工程後、本シロキサン化合物を含む反応混合物から、蒸留によって反応溶媒を除く際に、水分及び水に溶解した酸などの重合触媒を効率よく留去することができる。非極性溶剤としては、比較的沸点が高いことから、芳香族炭化水素であるキシレンが特に好ましい。非極性溶剤の使用量は、本発明に係るアルコールの1質量部に対して50質量部以下であり、より好ましくは1~30質量部、特に好ましくは5~20質量部である。
縮合工程における加水分解・重縮合反応は、水の存在下に進められる。原料モノマーに含まれる加水分解性基を加水分解させるために用いられる水の量は、加水分解性基に対して好ましくは0.5~5倍モル、より好ましくは1~2倍モルである。また、原料モノマーの加水分解・重縮合反応は、無触媒で行ってもよいし、触媒を使用して行ってもよい。加水分解・重縮合反応における触媒は、酸又はアルカリが用いられる。かかる触媒としては、例えば、硫酸、硝酸、塩酸、リン酸等の無機酸;ギ酸、酢酸、シュウ酸、パラトルエンスルホン酸等の有機酸に例示される酸触媒が好ましく用いられる。酸触媒の使用量は、原料モノマーに含まれるケイ素原子の合計量に対して、0.01~20モル%に相当する量であることが好ましく、0.1~10モル%に相当する量であることがより好ましい。
縮合工程における加水分解・重縮合反応の終了は、既述の各種公報等に記載される方法にて適宜検出することができる。なお、本シロキサン化合物の製造の縮合工程においては、反応系に助剤を添加することができる。例えば、反応液の泡立ちを抑える消泡剤、反応罐や撹拌軸へのスケール付着を防ぐスケールコントロール剤、重合防止剤、ヒドロシリル化反応抑制剤等が挙げられる。これらの助剤の使用量は、任意であるが、好ましくは反応混合物中の本シロキサン化合物濃度に対して1~100質量%程度である。
本シロキサン化合物の製造における縮合工程後、縮合工程より得られた反応液に含まれる反応溶媒及び副生物、残留モノマー、水等を留去させる留去工程を備えることにより、生成した本シロキサン化合物の安定性や使用性を向上させることができる。特に、反応溶媒として水と共沸する溶媒を用い、同時に留去することで、重合触媒として用いた酸や塩基を効率的に除去することができる。なお、留去には、用いた溶媒の沸点等にもよるが、100℃以下の温度で、適宜減圧条件を用いることができる。
(撥水撥油膜組成物)
本開示の撥水撥油組成物(以下、本組成物ともいう。)は、本シロキサン化合物又は本シロキサン化合物の硬化物を含むことができる。
本組成物は、各種態様を採ることができる。本組成物は、例えば、本シロキサン化合物を含み、撥水撥油膜の作製に適した成膜前の組成物(典型的には液状体などの不定形状体である。)でありうる。
本組成物は、また例えば、本シロキサン化合物の硬化物を含んで、被加工体の表面に成膜された膜状の組成物でありうる。なお、本組成物の硬化物の詳細及び本組成物の硬化方法については後段で詳述する。
本組成物は、本シロキサン化合物又はその硬化物のみを含むものであるほか、必要に応じて、他の製膜成分及びこれらの成分の硬化物を含むことができる。また、本組成物は、製膜成分以外に、溶剤、本シロキサン化合物の硬化に用いるヒドロシリル化触媒、シリコーンオイル、酸化防止剤等を含むことができる。
(他の製膜成分:直鎖状オルガノポリシロキサン)
本組成物は、本シロキサン化合物以外に、直鎖状オルガノポリシロキサンを含むこともできる。直鎖状オルガノポリシロキサンとしては、例えば、いわゆるシリコーンオイルと称される場合もあるオイル状を呈する直鎖状オルガノポリシロキサンを用いることができる。
直鎖状オルガノポリシロキサンを本シロキサン化合物に対して配合することにより、より優れた撥水撥油性を発揮することができる。推測であって本開示を理論的に拘束するものではないが、直鎖状オルガノポリシロキサンの「配合」により、本組成物の成膜物の表面自由エネルギーを低下させ、その結果、撥水撥油性が向上すると考えられる。
このような効果は、本シロキサン化合物中に直鎖状オルガノポリシロキサンを予め導入するのではなく、本シロキサン化合物と直鎖状オルガノポリシロキサンとを「配合」して硬化させることの効果であると考えられる。すなわち、本シロキサン化合物と直鎖状オルガノポリシロキサンとを含む本組成物を硬化させた際に、直鎖状オルガノポリシロキサンが硬化膜の最表面付近に存在しやすくなるからであると考えられる。これは、本シロキサン化合物と直鎖状オルガノポリシロキサンとの構造が類似するものの一致はしないために両者が不完全な相溶性を有すること及び硬化時において直鎖状オルガノポリシロキサンの少なくとも一部が本シロキサン化合物に結合することなどによって連結していることによるものと考えられる。これに対して、本シロキサン化合物中の合成時に直鎖状オルガノポリシロキサンを予め導入すると、直鎖状オルガノポリシロキサン構造は、硬化膜の全体に均一に分布して最表面に分布しづらくなるほか、別途直鎖状オルガノポリシロキサンを配合して硬化膜を形成しても、もはや本シロキサン化合物と直鎖状オルガノポリシロキサンとの相溶性が向上しているために、直鎖状オルガノポリシロキサンの最表面への分布が生じにくくなってしまうからである。
直鎖状オルガノポリシロキサンは、以下の式(2)で表される直鎖状ジオルガノポリシロキサン残基を有することができる。R5は、それぞれ独立して、メチル基、エチル基、プロピル基、シクロヘキシル基、フェニル基を表す。R5は、好ましくは、メチル基、エチル基であり、より好ましくはメチル基である。なお、メチル基の一部をフェニル基とすることもできる。フェニル基は、耐熱性向上に貢献する。mは、例えば、10以上の整数であり、また例えば、30以上の整数である。また、mは、500以下の整数であり、また例えば、120以下の整数である。
また、直鎖状オルガノポリシロキサンのゲルパーミエーションクロマトグラフィーグラフィーによるポリスチレン換算重量平均分子量は、例えば、1000~50000であり、また例えば、2000~30000である。直鎖状オルガノポリシロキサンの分子量が小さいと、シロキサン化合物と相溶し易く、膜の透明度が比較的高くなる。逆に、直鎖状オルガノポリシロキサンの分子量が大きいと、シロキサン化合物と分離し、膜は不透明になる傾向があるが、直鎖状オルガノポリシロキサンが表面に配向するためか、撥水性や撥油性は向上する傾向がある。
Figure 0007397558000006
直鎖状オルガノポリシロキサンは、上記式(2)中のD単位のほか、当該D単位に該当しないD単位、M単位を含んでいてもよいが、上記式(2)中に表されるD単位が、全シロキサン構成単位の80%以上であることが好ましく、より好ましくは90%以上であり、さらに好ましくは95%以上であり、一層好ましくは99%以上であり、最も好ましくは100%である。
直鎖状オルガノポリシロキサンの末端構造は特に限定するものではないが、水素原子、ヒドロキシ基、炭素原子数1~3程度のアルキル基、炭素原子数1~3のアルコキシ基、不飽和有機基などとすることができる。好ましくは、本シロキサン化合物と架橋反応可能な水素原子、ヒドロキシ基、アルコキシ基、不飽和有機基である。本シロキサン化合物と架橋しないアルキル基でも有効に機能するが、水素原子と不飽和有機基はヒドロシリル化(付加)反応で、ヒドロキシ基、アルコキシ基は脱水、脱アルコール(縮合)反応により架橋し、長期の耐熱防汚性が期待できる。すなわち、直鎖状オルガノポリシロキサンのいずれかの末端又は両末端に、本シロキサン化合物のヒドロシリル基やアルコキシシリル基等と反応する反応性基を有することが好ましい。不飽和有機基は、既に説明した各種態様が適用されうる。なお、少なくともいずれかの末端又は両末端にこれらの反応性基を有していれば足りるが、側鎖にこれらの反応性基を備えることを排除するものではない。
こうした直鎖状オルガノポリシロキサンは、説明した構造となるように選択したアルコキシあるいはハロゲニルシラン化合物を用いることにより公知の方法により合成することができる。
直鎖状オルガノポリシロキサンとしては、例えば、重量平均分子量が1,000~50,000の両末端シラノール変性ジメチルポリシロキサン、重量平均分子量が1,000~50,000の両末端ビニル基変性ジメチルポリシロキサン等が挙げられる。かかる直鎖状オルガノポリシロキサンとしては、例えば、XC96-723、YF3800、XF3905、XF40-A1987(以上、モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン株式会社製)、KF-9701、X-21-5841(以上、信越化学工業株式会社製)等やDMS-S14、DMS-S15、DMS-S21、DMS-S27、DMS-S31、DMS-S32、DMS-S33、DMS-V21、DMS-V22、DMS-V25、DMS-V31、DMS-V33、DMS-V35(以上、Gelest株式会社製)等が挙げられる。
本組成物は、直鎖状オルガノポリシロキサンを、例えば、本シロキサン化合物100質量部に対して、5質量部以上30質量部以下程度で配合して用いることができる。また例えば、同5質量部以上25質量部以下、また例えば、同10質量部以上25質量部以下で用いることができる。
なお、本組成物は、本シロキサン化合物の合成時に用いた重合触媒を含有する場合があるが、重合触媒を実質的に含有しないことが好ましい。重合触媒が含有されていると、その液性(酸性又はアルカリ性)によって、コーティングのためなどの各種設備や機器の腐食のおそれが生じるほか、作業環境の安全性の低下が懸念されるからである。重合触媒は、本シロキサン化合物を得るための加水分解・重縮合後に、水及び揮発性溶媒の留去によって実質的に含有しないといえる程度に低減されうる。例えば、本組成物中に、重合触媒の量として、例えば、0.1質量%以下、また例えば、0.05質量%以下、また例えば、0.01質量%以下、また例えば、0.005質量%以下である。なお、重合触媒の定量は、例えば、Cl-のイオンクロマトグラフィーによって実施することができる。
(溶剤)
本組成物は、必要に応じて溶剤で希釈して成膜のために供することもできる。溶剤は、本シロキサン化合物を溶解する溶剤が好ましく、直鎖状オルガノポリシロキサンを含むときには、こうした追加成分を溶解する溶剤が好ましくその例としては、脂肪族系炭化水素溶剤、芳香族系炭化水素溶剤、塩素化炭化水素溶剤、アルコール溶剤、エーテル溶剤、アミド溶剤、ケトン溶剤、エステル溶剤、セロソルブ溶剤等の各種有機溶剤を挙げることができる。なお、Ptなどのヒドロシリル化触媒存在下では、Si-H基の分解を避けるため、アルコール以外の溶剤が好ましい。
(ヒドロシリル化触媒)
本組成物は、ヒドロシリル化触媒を含むこともできる。ヒドロシリル化触媒は、本シロキサン化合物のヒドロシリル化反応を促進することができる。ヒドロシリル化触媒としては、例えば、コバルト、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、イリジウム、白金等の第8属から第10属金属の単体、有機金属錯体、金属塩、金属酸化物等が挙げられる。通常、白金系触媒が使用される。白金系触媒としては、cis-PtCl2(PhCN)2、白金カーボン、1,3-ジビニルテトラメチルジシロキサンが配位した白金錯体(Pt(dvs))、白金ビニルメチル環状シロキサン錯体、白金カルボニル・ビニルメチル環状シロキサン錯体、トリス(ジベンジリデンアセトン)二白金、塩化白金酸、ビス(エチレン)テトラクロロ二白金、シクロオクタジエンジクロロ白金、ビス(シクロオクタジエン)白金、ビス(ジメチルフェニルホスフィン)ジクロロ白金、テトラキス(トリフェニルホスフィン)白金等が例示される。これらのうち、特に好ましくは1,3-ジビニルテトラメチルジシロキサンが配位した白金錯体(Pt(dvs))、白金ビニルメチル環状シロキサン錯体、白金カルボニル・ビニルメチル環状シロキサン錯体である。なお、Phはフェニル基を表す。触媒の使用量は、本シロキサン化合物の量に対して、0.1質量ppm以上1000質量ppm以下であることが好ましく、0.5~100質量ppmであることがより好ましく、1~50質量ppmであることが更に好ましい。
本組成物がヒドロシリル化反応用の触媒を含有する場合、構成単位(1-5)中の残存アルコキシ基又は水酸基の脱水重縮合よりも、ヒドロシリル化反応が優先する場合があり、ヒドロシリル化構造部分を有しつつ、上記アルコキシ基又は水酸基をさらなる架橋反応可能に備える場合がある。
本組成物がヒドロシリル化触媒を含有する場合、本シロキサン化合物のゲル化抑制および保存安定性向上のため、ヒドロシリル化反応抑制剤が添加されてもよい。ヒドロシリル化反応抑制剤の例としては、メチルビニルシクロテトラシロキサン、アセチレンアルコール類、シロキサン変性アセチレンアルコール類、ハイドロパーオキサイド、窒素原子、イオウ原子またはリン原子を含有するヒドロシリル化反応抑制剤などが挙げられる。
本組成物は、成膜に供するための組成物であってもヒドロシリル化触媒を実質的に含有しないものであってもよい。後述するように、本シロキサン化合物は、ヒドロシリル化触媒の不存在下でも加熱処理によりヒドロシリル化反応を促進して硬化させることができる。また、ヒドロシリル化触媒を含まないで成膜した場合、当該膜の撥水撥油性が向上する場合があるからである。本組成物において、ヒドロシリル化触媒を実質的に含有しないとは、意図的にヒドロシリル化触媒を添加しない場合のほか、本シロキサン化合物の量に対して、ヒドロシリル化触媒の含有量が、例えば、0.1質量ppm未満、また例えば、0.05質量ppm以下である。
(その他の成分)
本組成物は、硬化に供されるにあたり、さらに各種添加剤が添加されてもよい。添加剤としては、例えば、テトラアルコキシシラン、トリアルコキシシラン類(トリアルコキシシラン、トリアルコキシビニルシランなど)などの反応性希釈剤などが挙げられる。これら添加剤は、得られる本シロキサン化合物の硬化物が耐熱性を損なわない範囲で使用される。
<本組成物を用いた膜の製造方法>
本組成物を任意の形状を有する被加工体の表面に供給して硬化させることにより成膜して、撥水撥油性に優れた膜を形成することができる。例えば、本組成物を、撥水撥油性が要請される部位の表面に供給し、その後、この組成物を硬化させることができる。本組成物は、本シロキサン化合物が25℃における粘度が、30000mPa・s以下の液状物質であるので、本組成物も同程度の液状を維持することたでき、硬化にあたって被加工体の表面に対してそのまま塗布することができる。
本組成物の被加工体表面への供給は、特に限定するものではないが、例えば、スプレーコート法、キャスト法、スピンコート法、バーコート法等の通常の塗工方法を用いることができる。
本組成物は、本シロキサン化合物中の残存アルコキシ基及び/又は水酸基の重縮合反応による架橋構造の形成(一次硬化)及びヒドロシリル基と不飽和有機基とのヒドロシリル化反応による架橋構造の形成(二次硬化)のいずれか又は双方によって、追加の架橋構造を有する本シロキサン化合物の硬化物を得ることができる。本シロキサン化合物を含む本組成物の硬化物は、概して、一次硬化のみからなる硬化物や一次硬化と二次硬化の双方を含む硬化物となるが、典型的な硬化物は、二次硬化による架橋構造の有無によって特徴付けられる。
本組成物が、直鎖状オルガノポリシロキサンを含む場合であって、当該オルガノポリシロキサンが末端水酸基を有する場合には、本シロキサン化合物の硬化に伴い、このオルガノポリシロキサンの重縮合及び/又はこのオルガノポリシロキサンと本シロキサン化合物の重縮合が伴い、本組成物の硬化物に寄与する。本組成物が分岐状オルガノポリシロキサンを含む場合には、本シロキサン化合物の硬化に伴い、当該オルガノポリシロキサンの残存アルコキシ基及び/又は水酸基の重縮合反応及びこのオルガノポリシロキサンと本シロキサン化合物との間の重縮合反応による架橋構造の形成(一次硬化)が伴い、本組成物の硬化物に寄与する。
<本組成物の硬化方法、一次硬化を主とする硬化方法>
本組成物において、本シロキサン化合物、場合によっては、直鎖状オルガノポリシロキサンの未反応アルコキシ基やシラノール基の重縮合を促進して一次硬化物を得るには、例えば、本シロキサン化合物をヒドロシリル化触媒の非存在下において50℃以上200℃以下の温度で加熱することができる。また例えば、ヒドロシリル化触媒非存在下で100℃以上150℃以下の温度で加熱してもよい。50℃以上200℃以下の温度範囲においては、硬化温度を一定としてもよいし、昇温及び/又は降温を組み合わせてもよい。50℃以上200℃以下の温度においては、主にアルコキシシリル基の反応(加水分解・重縮合反応)による架橋構造を形成することができる。この加熱条件では、ヒドロシリル化反応触媒の不存在下でも、ヒドロシリル化反応による架橋構造が一部形成される場合もある。
50℃以上200℃以下の温度で一次硬化させる場合の前段の硬化時間は、通常、0.1~10時間であり、0.5~5時間が好ましい。
<本組成物の硬化方法、二次硬化を主とする硬化方法>
本本組成物の二次硬化物は、例えば、本組成物を、ヒドロシリル化触媒の存在下、比較的低い温度(例えば、室温~200℃以下、好ましくは50℃以上150℃以下)で反応させることにより得ることができる。この場合、本シロキサン化合物等の重縮合反応よりもヒドロシリル化反応が促進されるため、一次硬化も進行するが、アルコキシ基等が残存しやすくなる傾向がある。ヒドロシリル化触媒を使用する場合の硬化時間は、通常、0.05~24時間であり、0.1~5時間が好ましい。
本組成物の二次硬化物は、また例えば、本組成物を、ヒドロシリル化触媒の非存在下で、200℃以下での一次硬化後あるいは当該一次硬化を経ることなく、例えば、200℃超400℃以下の温度で加熱することにより得ることができる。かかる条件での二次硬化によると、例えば、硬化後の膜厚が0.1μm以上1μm以下でも、高温で優れた撥水撥油性を得ることができる。また、400℃以下であると、未反応のヒドロシリル基が残存しやすくなる傾向があるが、高温での撥水撥液性が優れる場合がある。加熱温度は、また例えば、350℃以下であり、また例えば、300℃以下である。なお、二次硬化を400℃超の温度で実施することを排除するものではなく、例えば、600℃以下、また例えば、500℃以下で二次硬化させることもできる。
ヒドロシリル化触媒非存在下に熱によって二次硬化を促進する場合、加熱温度を複数段階で徐々に高くしてしてもよい。また、各温度での加熱時間は、例えば、0.1~2時間であり、また例えば、0.1~1時間であり、また例えば、0.2~0.5時間である。典型的には、200℃で10分後、昇温して350℃で10分などとすることができる。なお、加熱温度を昇温するには、例えば、5~10℃/分程度で昇温することができる。
なお、本シロキサン化合物等の一次硬化及び二次硬化を含む本組成物の硬化は、触媒の有無に関わらず、空気中で行われてもよいし、窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気中で行ってもよく、また、減圧下で行ってもよい。但し、本シロキサン化合物等中に存在するアルコキシシリル基の反応を促進するためには、アルコキシシリル基が加水分解反応できる程度に水分を含む雰囲気であることが好ましい。空気中であれば、空気に含まれる水分により、アルコキシシリル基の加水分解反応が進行し、また、ヒドロシリル基が酸素により酸化されてヒドロキシシリル基を生成するため、十分な硬化を進めることができる。一方、不活性ガス雰囲気下や減圧下では、酸化による体積変化などの影響を受けにくくなるため、クラックの少ない硬化物を得ることができる。本組成物の硬化物の他の製造方法として、一次硬化は空気中で行い、二次硬化を空気中または窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気中または減圧下で行う方法が好ましい。
なお、本組成物は、上記したように溶剤を含みうる。溶剤を含む場合には、硬化に先立って溶剤を除去することが好ましい。溶剤の除去は空気中でなされてもよく、不活性ガス雰囲気中でなされてもよく、また、減圧下でなされてもよい。溶剤の除去のため加熱してもよいが、その場合の加熱温度は、200℃未満が好ましく、50℃以上150℃以下がより好ましい。溶剤の留去に必要な時間も特に限定するものではないが、例えば、0.1~0.5時間程度とすることができる。なお、こうした溶剤の留去は、一次硬化や二次硬化を伴いうる。
本組成物は、以上説明した膜の製造方法によって、被加工体の表面に成膜された膜状体となる。本組成物の硬化物としては、例えば、本シロキサン化合物の硬化物を含有する。本シロキサン化合物の硬化物としては、本シロキサン化合物において未反応のアルコキシ基、すなわち、構成単位(1-5)におけるR4のアルコキシ基や水酸基を脱水・重縮合によりシロキサン結合を十分に形成させてより架橋を促進することで硬化(かかる残存アルコキシ基等の重縮合による硬化を一次硬化ともいう。)させた硬化物が挙げられる。かかる硬化物(以下、一次硬化物ともいう。)は、組成式(1)で表される本シロキサン化合物に包含されうる。
また、本シロキサン化合物の他の硬化物は、構成単位(1-2)~(1-3)に備える水素原子と不飽和有機基との間でのヒドロシリル化反応を生じさせてより架橋を促進することで硬化(かかる硬化を二次硬化ともいう。)させた硬化物が挙げられる。かかる硬化物(以下、二次硬化物ともいう。)は、本シロキサン化合物におけるこれらの構成単位におけるヒドロシリル化反応する官能基(ヒドロシリル基及び不飽和有機基)の少なくとも一部がヒドロシリル化反応して形成された不飽和有機基に由来する炭素-炭素結合(一重結合又は二重結合)を含む構造部分(-Si-C-C-R-Si-、-Si-C=C-R-Si-)(ヒドロシリル化構造部分ともいう。Rは炭素原子数1~8の有機基であり、mは0又は1の整数である。)を有する本シロキサン化合物の誘導体を含むことができる。例えば、-Si-C-C-Si-、-Si-C=C-Si-部分が挙げられる。
また例えば、本組成物が、本シロキサン化合物のほか、直鎖状オルガノポリシロキサンを含む場合には、本シロキサン化合物の上記の硬化物のほか、直鎖状オルガノポリシロキサンの重縮合による硬化物や、本シロキサン化合物と直鎖状オルガノポリシロキサンとの重縮合による硬化物を含む場合がある。
本組成物が成膜された態様を採る場合、本組成物は、概して、本シロキサン化合物の二次硬化物である。ヒドロシリル化構造部分が、実用的な膜強度や膜性能に貢献することができる。
本組成物が膜状体の場合、その膜厚は特に限定するものではないが、例えば、0.05μm~10μmとすることができる。また例えば、0.1μm以上3μm以下であり、また例えば、0.2μm以上2μm以下であり、また例えば、0.2μm以上1.5μm以下である。
本シロキサン化合物の一次硬化は二次硬化を伴うことがあり、また、二次硬化は一次硬化を伴うことがあり、二次硬化は、多くの場合、一次硬化を伴う。したがって、本シロキサン化合物の硬化物は、概して、二次硬化物であり、多くの場合一次硬化を伴うことになる。典型的な硬化物は、二次硬化による架橋構造の有無によって特徴付けられる。硬化物は、例えば、H NMR、29Si NMRを用いた、Q単位、T単位、D単位及びM単位、アルコキシ基などの構成単位や構造の規則性(不規則性)による検出、及びIRスペクトルによる特性基の検出により、その組成や構造を特定することができる。
例えば、本シロキサン化合物の二次硬化物を含む本組成物の耐熱性は、示差熱熱重量同時測定装置(TG/DTA)などにより評価することができる。本組成物をヒドロシリル化反応用の触媒を使用しないで硬化させて得られる本組成物の硬化物は、1000℃での重量減少率を5%程度とすることができ、高耐熱性を示す。また、ヒドロシリル化反応用の触媒を使用しても、触媒量等の調節によって、硬化物の1000℃での重量減少率が10%程度とすることができ、高耐熱性を示す。
また例えば、本シロキサン化合物の二次硬化物を含む本組成物の撥水撥油性は、接触角計を用いて評価することができる。例えば、動画撮影機能を備える接触角計を用いて、4μmの水又はオレイン酸を本組成物の塗膜表面に滴下し、滴下10秒後の接触角に基づいて、撥水性又は撥油性を評価できる。なお、塗膜は、5cm×5cm~15cm×15cmの面積(典型的には、1cm×5cm)の平面を有する琺瑯、ステンレス及びガラス製のいずれかの試験片とし、前記平面に対して膜厚1μmで形成する。当該塗膜上において概ね均等に分散配置した異なる5個所で接触角を測定し、最大値及び最小値を除いた3点の平均値を評価対象とする。本組成物は、例えば、400℃で24時間経過後におけるオレイン酸滴下時の接触角が40°以上であり、また例えば、45°以上であり、また例えば50°以上である。
(耐熱防汚方法)
本明細書に開示される耐熱防汚方法は、本組成物を基材表面に塗布し、前記組成物を加熱して硬化物を形成する工程、を備えることができる。本方法によれば、基材表面に耐熱性を付与するとともに、高温での撥水撥油性に優れた被膜を形成することができる。本方法は、後述する加熱室を有する装置の製造方法としてのほか、こうした装置等における耐防汚性を維持又は向上させるための補修方法としても実施できる。
基材の材質は、特に限定するものではないが、例えば、ステンレスなどの金属系材料、セラミックス材料、琺瑯などのガラス材料等が挙げられる。被加工体である基材は特に限定するものではないが、例えば、後述する調理装置などの加熱室を有する装置の要素及び工場設備において熱に曝露される構造体が挙げられる。本組成物の基材表面への適用方法は、既に説明したスプレーコート等が挙げられる。また、本組成物中の本シロキサン化合物の硬化は、用途に合わせて既に説明した種々の条件を用いることができるが、好ましくは二次硬化を意図した方法を採用することができる。
<加熱室を備える装置及びその製造方法>
本明細書に開示される装置(以下、単に、本装置ともいう。)は、加熱室と、前記加熱室の少なくとも一部であって熱に曝露される要素表面に備えられる膜状の本組成物と、を備えることができる。本装置によれば、加熱室の上記要素に膜状体として本組成物を備えることができるため、当該要素に撥水撥油性を付与して防汚性を付与することができる。本組成物は、高温での撥水撥油性に優れるため、加熱室内が300℃程度の高温に加熱された場合であっても、内壁などの要素の防汚性が確保され、被加熱物に由来する、例えば、油分などの汚れなどが付きにくくまた例えば汚れを除去しやすくなっている。
本装置としては、電気又はガスによる加熱室を備える、例えば、厨房等において用いられるオーブン装置、ガス調理器になどに付属するグリル装置などの各種調理装置が挙げられる。また、工場設備などの主として産業用用途の加熱装置が挙げられる。なお、特に、産業用用途においては、加熱室は、トンネル式オーブンなどであってもよい。こうした装置において、本組成物は、例えば、内壁などの熱に曝露される要素に膜状体として備えられる。内壁は、加熱に伴い、被加熱物から発生するガス、液体及び固体が付着する可能性が高い。熱に曝露される要素としては、加熱室の内壁のほか、例えば、加熱に伴い被加熱物からの発生物が付着しうる他の要素であってもよい。例えば、加熱室の底部、加熱室の開閉部の内壁、加熱室に載置される天板、網などの被加熱物の載置又は保持部材等が挙げられる。こうした要素は、特に限定するものではないが、例えば、ステンレスなどの金属系材料、セラミックス材料、琺瑯などのガラス材料等で構成されている。
こうした加熱室の要素表面において、本組成物は、例えば、既に記載したような膜厚で膜状体として備えられている。本組成物は、好ましくは、ヒドロシリル化構造部分を有する二次硬化を伴う硬化物を含んでいる。また、好ましくは、ヒドロシリル化触媒の非存在下で二次硬化による硬化物である。さらに、好ましくは、直鎖状のオルガノポリシロキサンを含有している。
本装置は、例えば、本装置の製造工程において、あるいは本装置の製造とは分離した製造工程において、内壁等の要素の表面に本組成物を供給し、硬化させて、前記要素表面に本組成物の撥水撥油膜を形成することを含む方法で製造されうる。本組成物は、特に限定するものではないが、例えば、スプレーコート法、キャスト法、スピンコート法、バーコート法等の通常の塗工方法で要素に供給することができる。また、本組成物中の本シロキサン化合物の硬化は、既に説明した種々の条件を用いることができるが、好ましくは二次硬化を意図した方法を採用することができる。
<構造体及びその製造方法>
本明細書は、また、熱に曝露される要素の表面に本組成物を備える構造体も提供する。こうした構造体は、工場などにおける種々の設備又はその一部や工場を構成する建築要素でありうる。かかる構造体によれば、加熱室と同様、撥水撥油性を付与して優れた防汚性を付与することができる。かかる構造体としては、例えば、産業機械、工作機械、排気等のためのダクト、スクラバー等が挙げられ、その材料も加熱室の要素と同様種々挙げられる。
かかる構造体表面における本組成物の膜厚、硬化形態及び本組成物の膜形成方法を始めとする種々の実施態様としては、既述の加熱室における熱に曝露される要素表面への本組成物の種々の実施態様を採用することができる。
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。但し、本発明は、この実施例に何ら限定されるものではない。なお、「Mn」及び「Mw」は、それぞれ、数平均分子量及び重量平均分子量を意味し、ゲルパーミエーションクロマトグラフ法(以下、「GPC」と略す)により、トルエン溶媒中、40℃において、連結したGPCカラム「TSK gel G4000HX」及び「TSK gel G2000HX」(型式名、東ソー社製)を用いて分離し、リテンションタイムから標準ポリスチレンを用いて分子量を算出したものである。また、得られた本シロキサン化合物の1H-NMR分析では、試料を、重クロロホルムに溶解し、測定及び解析を行った。さらに、得られた本シロキサン化合物の粘度を、E型粘度計を用いて25℃で測定した。
(ポリシロキサン(シロキサン化合物)P1の合成)
四つ口フラスコに、磁気攪拌機、滴下ロート、還流冷却器及び温度計を装着し、フラスコ内を窒素ガス雰囲気にした。次いで、このフラスコに、磁気撹拌子、メチルトリエトキシシラン142.64g(0.8mol)、ジメトキシジメチルシラン96.18g(0.8mol)、1,1,3,3-テトラメチルジシロキサン13.43g(0.1mol)、1,3-ジビニル-1,1,3,3-テトラメチルジシロキサン18.64g(0.1mol)、2-ブタノール138.11g及びキシレン414.33gを収容し、そして、25℃として内容物を撹拌しながら、3.74質量%濃度の塩酸水溶液74.86g、2-ブタノール69.06gの混合液を、滴下ロートから1時間かけて滴下し、加水分解・重縮合反応を行った。滴下終了後、反応液を25℃で18時間放置した。次いで、反応液から、水を含む揮発性成分を減圧留去(温度:11℃~60℃、圧力:52~1mmHg)し、無色の液体(以下、「ポリシロキサン(P1)」という。)142.2gを得た。このポリシロキサン(P1)について、GPCにより、数平均分子量(Mn)を測定したところ、580であり、重量平均分子量(Mw)は、830であった。また、E型粘度計により、25℃における粘度を測定したところ、11mPa・sであった。1H-NMR分析の結果、ほとんどの原料は定量的に反応したが、1,1,3,3-テトラメチルジシロキサン(以下、TMDSOと略記する)に由来するM単位の構成比については、その仕込み量に対応する理論値に対して84%であり、アルコキシ基(R1/2)の含有率は8.0wt%であり、アルコキシ基の全Siに対するモル比は0.064あった。
表1には、ポリシロキサンP1の合成に用いた原料のモル比と、用いた原料が備えるSi、ヒドロシリル性のH及び不飽和有機基のビニル基のモル比と、を併せて示す。また、表2には、合成したポリシロキサンP1における、原料に由来するSi、Si-H基、トリエトキシシラン由来のSi-H基、Si-H基/Si(ただし、モル比)、トリエトキシシラン由来のSi-H基/Si(ただし、モル比)、ビニル基、D構造/Si、すなわち、x/(v+w+x+y)(ただし、モル比)、D構造/T構造、すなわち、x/w(ただし、モル比)、Si-C-C-Si/Si(ただし、モル比)、(X1+X2)/(v+w+x+y)、(y1+y2)/(v+w+x+y)、w/(v+w+x+y)及びy/(v+w+x+y)等について、仕込み量に基づく各モル量と1H-NMR分析の結果に基づく各モル量とを示す。
(シロキサン化合物P2~P4の合成)
以下の表1に示す組成に準じて、表1に示す原料について示したモル比の10分の1のモル量の原料を用い、溶媒としてイソプロピルアルコールを用いる以外は、ポリシロキサンP1と同様にしてポリシロキサン(P2~P4)を得た。これらのポリシロキサンについての各モル量等を表2に示す。また、GPCにより、数平均分子量(Mn)を測定したところ、それぞれ、1250、1110及び1440であり、重量平均分子量(Mw)は、2960、1290及び1990であった。また、E型粘度計により、25℃における粘度を測定したところ、それぞれ、37、14及び43mPa・sであった。
1H-NMR分析の結果、ほとんどの原料は定量的に反応したが、TMDSOに由来するM単位の構成比については、その仕込み量に対応する理論値に対して、それぞれ82、87及び84%であり、アルコキシ基の含有率は、それぞれ、0.03、0.9及び0.9wt%であり、アルコキシ基の全Siに対するモル比は、それぞれ、0.018、0.010及び0.010であった。表2に、P1と同様に、P2~P4の各Si-H基等の各構成比を示す。
また、以下の表1に示す組成に準じて、表1に示す原料について示したモル量の10分の1のモル量の原料を用い、又、P6~P8については溶媒としてイソプロピルアルコールを用いる以外は、ポリシロキサンP1と同様にして比較例のポリシロキサンP5~P8(比較例1~4)を得た。表1には、予め重合されたD単位である直鎖状オルガノポリシロキサンをポリシロキサンの構成成分として導入するために、用いた直鎖状オルガノポリシロキサン(シリコーンオイル)の仕込み比を示すとともに、概要を合わせて示す。得られたこれらのポリシロキサンP5~P8について、GPCにより、数平均分子量(Mn)を測定したところ、1600、1600、1400、800であり、重量平均分子量(Mw)は、3200、3700、3970、1530であった。また、E型粘度計により、25℃における粘度を測定したところ、これらのポリシロキサンについて、280、120、45、58mPa・sであった。
1H-NMR分析の結果、ほとんどの原料は定量的に反応したが、TMDSOに由来するM単位の構成比については、その仕込み量に対応する理論値に対して、それぞれ47、59、80及び82%であり、アルコキシ基の含有率は、それぞれ、2.8、3.2、0.2及び6.2wt%であり、アルコキシ基の全Siに対するモル比は、それぞれ、0.036、0.035、0.050及び0.071であった。表2に、P1と同様に、P5~P8の各Si-H基等の各構成比を示す。
Figure 0007397558000007
(1)シリコーンオイルA:
両末端シラノール変性シリコーンオイル、Mn1800、Mw4000
(2)シリコーンオイルE:
両末端シラノール変性シリコーンオイル、Mn630、Mw1460

Figure 0007397558000008
実施例1で合成したポリシロキサンP1~P4及び比較例1~4のポリシロキサンP5~P8を、それぞれ0.5gをとり、溶剤として最終的に表3及び表4に規定する樹脂(ポリシロキサン及びシリコーンオイル)分率(NV:樹脂と溶剤との全質量に対する樹脂の質量比率(%))となるような量を加えた上、以下の表3及び表4に示す質量比(P:Si(ポリシロキサン:シリコーンオイル)=5:1などと示す。)で種々のシリコーンオイルを添加して混合して各種の実施例の成膜用組成物とした。また、比較例5~7は、いずれも、シリコーンオイルのみからなる成膜用組成物とした。成膜用組成物に用いたシリコーンオイルの概要を以下に示す。
Figure 0007397558000009
Figure 0007397558000010
(1)シリコーンオイルA:
両末端シラノール変性シリコーンオイル、Mn1800、Mw4000
(2)シリコーンオイルB:
両末端シラノール変性シリコーンオイル、Mn8600、Mw22000
(3)シリコーンオイルC:
両末端ビニル変性ポリジメチルシロキサン、Mn7100、Mw13000
(4)シリコーンオイルD:
両末端メチルシリコーンオイル、Mn4400、Mw6000
こうして調製した各種の成膜用組成物を、基材としておよそ10cm×10cmの琺瑯、ステンレス(SUS304)及びガラスの試験片の表面にスピンコート(600rpmで5秒間、さらに1500rpmで8秒間)にて塗布し、50℃で5分間乾燥して溶剤を留去後、200℃で10分加熱した後、15分間昇温して350℃で10分加熱して、各組成物を硬化させて、表3及び表4に示す膜厚の膜を得た。なお、ポリシロキサンP1については、表5に基づいて成膜用組成物を調製し、基板としてのアルミホイル及びポリイミドフィルムを試験片として、およそ3cm×10cmの試験片の表面にバーコート(バーコーター#2を使用)で塗布し、それ以外は琺瑯等と同様にして表5に示す膜を得た。
これらの試験片上の膜につき、硬化後室温に戻った後及び400℃で24時間加熱後に接触角を測定した。接触角は、動画撮影機能を備える接触角計(英弘精機株式会社製)を用いて、4μlの水及び/又は同量のオレイン酸を滴下し、その10秒後の液滴について測定した。試験片毎に、均等に配置された5個所の測定点につき、接触角の測定を行い、最大値及び最小値を除いた3点の平均値を測定値とした。結果を表3及び表4に併せて示す。
また、試験片としてアルミホイルを用いたときには、熱処理を300℃で24時間及び400℃で24時間として、それぞれ熱処理前後の接触角を測定した。また、試験片としてポリイミドフィルムを用いたときには、熱処理を350℃で15時間及び350℃で30時間として、熱処理前後の接触角を測定した。表5にこれらの結果を併せて示す。
Figure 0007397558000011
表3及び表4に示すように、ポリシロキサンP1~P4によれば、琺瑯、ステンレス、ガラスにおいて、400℃で24時間加熱後も優れた撥水性及び撥油性を呈することができた。すなわち、本シロキサン化合物によれば、シロキサンの原料組成の設定、すなわち、ヒドロシリル基及び不飽和有機基をD構成単位及び/又はM構成単位に導入したり、原料に由来するD構造/Siを0.3以上とするほか、D構造量をD構造/T構造(例えば、1近傍)とし、Si-H量をSi-H/Si(例えば、0.1以下)とし、Si-C-C-Si量を、Si-C-C-Si/Si(例えば、0.05~0.2程度)とするなどの設定及びシリコーンオイルの配合などによって、基材の種類に応じて優れた撥水撥油性を呈することができることがわかった。
なお、膜厚については、2μmを超えない程度の膜厚が膜の基材への密着性の観点からは有効であることがわかった。
また、表5に示すように、ポリシロキサンP1によれば、アルミやポリイミドにおいて加熱後も優れた撥水性及び撥油性を呈することができた。
これに対して、比較例のポリシロキサンは、いずれの基材に対して形成した膜も加熱後も不十分な撥水撥油性しか呈することができなかった。また、比較例3及び4においては、ポリシロキサンの合成時にシリコーンオイルを用いて、ポリシロキサン内にシリコーンオイルを導入しているために、硬化膜においてシリコーンオイルによる良好な対防汚性を発揮することができなかったものと考えられた。
以上のことから、本シロキサン化合物によれば、シルセスキオキサン組成を利用して、シルセスキオキサンの耐熱性に加えて撥水撥油性を発揮することができることがわかった。

Claims (20)

  1. 下記式(1)で表されるシロキサン化合物であって、式(1)中、(R33SiO1/2の少なくとも一部が、R3の1つが水素原子であり他の2つが炭素原子数1~10のアルキル基であり、少なくとも他の一部が、R3の1つがヒドロシリル化反応可能な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基であり、他の2つが炭素原子数1~10のアルキル基である、硬化性のシロキサン化合物を含む撥水撥油膜用硬化性組成物。
    Figure 0007397558000012
    〔式(1)において、R1は水素原子、ヒドロシリル化反応可能な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基、及び炭素原子数1~10のアルキル基からなる群から選択される少なくとも1種であり、R2は水素原子、ヒドロシリル化反応可能な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基、及び炭素原子数1~10のアルキル基からなる群から選択される少なくとも1種であり(1分子中のR2は同一でも異なっていてもよい。)、R3は水素原子、ヒドロシリル化反応可能な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基、及び炭素原子数1~10のアルキル基からなる群から選択される少なくとも1種であり(1分子中のR3は同一でも異なっていてもよい。)、R4は炭素原子数1~6のアルキル基であり、R2の少なくとも一部又はR3の少なくとも一部が、水素原子とヒドロシリル化反応可能な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基である。w、x及びyは正の数であり、v及びzは、それぞれ0又は正の数であり、x/(v+w+x+y)は0.2以上である。〕
  2. 前記少なくとも一部の(R33SiO1/2のモル数をy1とし、前記少なくとも他の一部の(R33SiO1/2のモル数をy2としたとき、(y1+y2)/(v+w+x+y)は0.1以上である、請求項1に記載の組成物。
  3. (R22SiO2/2の少なくとも一部が、R2の1つが水素原子であり他の1つが炭素原子数1~10のアルキル基であり、少なくとも他の一部が、R2の1つがヒドロシリル化反応可能な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基であり他の1つが炭素原子数1~10のアルキル基である、請求項1又は2に記載の組成物。
  4. 前記少なくとも一部の(R22SiO2/2のモル数をx1とし、前記少なくとも他の一部の(R22SiO2/2のモル数をx2としたとき、(x1+x2)/(v+w+x+y)は0.1以上である、請求項3に記載の組成物。
  5. 1は、炭素原子数1~10のアルキル基である、請求項1~4のいずれかに記載の組成物。
  6. x/wは、0.8以上である、請求項1~5のいずれかに記載の組成物。
  7. 前記シロキサン化合物は、水素原子とヒドロシリル化反応可能な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基とのヒドロシリル化反応に基づくSi-C-C-R-Si(Rは炭素原子数1~8の有機基であり、mは0又は1の整数である。)が前記シロキサン化合物のSiの総モル数の0.05以上0.3以下となるように構成されている、請求項1~6のいずれかに記載の組成物。
  8. 前記シロキサン化合物において、前記ヒドロシリル化反応可能な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基に対して理論的に過剰の水素原子のモル数は、Siの総モル数に対して0.1以下である、請求項1~7のいずれかに記載の組成物。
  9. 前記シロキサン化合物において、少なくとも一部の前記ヒドロシリル化反応可能な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基と少なくとも一部の前記水素原子とによるSi-C-C-R-Si構造(Rは炭素原子数1~8の有機基であり、mは0又は1の整数である。)を形成している、請求項1~8のいずれかに記載の組成物。
  10. 前記シロキサン化合物の数平均分子量は、500以上2,000以下である、請求項1~9のいずれかに記載の組成物。
  11. さらに、シリコーンオイルを含有する、請求項1~10のいずれかに記載の組成物。
  12. 実質的に塩酸又はアルカリを含有しない、請求項1~11のいずれかに記載の組成物。
  13. ヒドロシリル化を促進する触媒を実質的に含まない、請求項1~12のいずれかに記載の組成物。
  14. 請求項1~13のいずれかに記載の硬化性組成物の硬化物を含む膜状体である、撥水撥油膜組成物。
  15. 下記式(1)で表されるシロキサン化合物であって、式(1)中、(R33SiO1/2の少なくとも一部が、R3の1つが水素原子であり他の2つが炭素原子数1~10のアルキル基であり、少なくとも他の一部が、R3の1つがヒドロシリル化反応可能な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基であり、他の2つが炭素原子数1~10のアルキル基であるシロキサン化合物を得るための3種以上のシラン化合物を含む、
    む、撥水撥油膜用シロキサン化合物を得るためのシラン化合物モノマー組成物。
    Figure 0007397558000013
    〔式(1)において、R1は水素原子、ヒドロシリル化反応可能な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基、及び炭素原子数1~10のアルキル基からなる群から選択される少なくとも1種であり、R2は水素原子、ヒドロシリル化反応可能な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基、及び炭素原子数1~10のアルキル基からなる群から選択される少なくとも1種であり(1分子中のR2は同一でも異なっていてもよい。)、R3は水素原子、ヒドロシリル化反応可能な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基、及び炭素原子数1~10のアルキル基からなる群から選択される少なくとも1種であり(1分子中のR3は同一でも異なっていてもよい。)、R4は炭素原子数1~6のアルキル基であり、R2の少なくとも一部又はR3の少なくとも一部が、水素原子とヒドロシリル化反応可能な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基である。w、x及びyは正の数であり、v及びzは、それぞれ0又は正の数であり、x/(v+w+x+y)は0.2以上である。〕
  16. 下記式(1)で表されるシロキサン化合物であって、式(1)中、(R33SiO1/2の少なくとも一部が、R3の1つが水素原子であり他の2つが炭素原子数1~10のアルキル基であり、少なくとも他の一部が、R3の1つがヒドロシリル化反応可能な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基であり、他の2つが炭素原子数1~10のアルキル基である、シロキサン化合物。
    Figure 0007397558000014
    〔式(1)において、R1は水素原子、ヒドロシリル化反応可能な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基、及び炭素原子数1~10のアルキル基からなる群から選択される少なくとも1種であり、R2は水素原子、ヒドロシリル化反応可能な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基、及び炭素原子数1~10のアルキル基からなる群から選択される少なくとも1種であり(1分子中のR2は同一でも異なっていてもよい。)、R3は水素原子、ヒドロシリル化反応可能な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基、及び炭素原子数1~10のアルキル基からなる群から選択される少なくとも1種であり(1分子中のR3は同一でも異なっていてもよい。)、R4は炭素原子数1~6のアルキル基であり、R2の少なくとも一部又はR3の少なくとも一部が、水素原子とヒドロシリル化反応可能な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基である。w、x及びyは正の数であり、v及びzは、それぞれ0又は正の数であり、x/(v+w+x+y)は0.2以上である。〕
  17. さらに、以下の(1)~(3)のいずれかの特徴を備える、請求項16に記載のシロキサン化合物。
    (1)前記少なくとも一部の(R33SiO1/2のモル数をy1とし、前記少なくとも他の一部の(R33SiO1/2のモル数をy2としたとき、(y1+y2)/(v+w+x+y)は0.1以上である
    (2)(R22SiO2/2の少なくとも一部が、R2の1つが水素原子であり他の1つが炭素原子数1~10のアルキル基であり、少なくとも他の一部が、R2の1つがヒドロシリル化反応可能な炭素-炭素不飽和結合を有する炭素原子数2~10の有機基であり、他の1つが炭素原子数1~10のアルキル基である
    (3)少なくとも一部の(R22SiO2/2のモル数をx1とし、前記少なくとも他の一部の(R22SiO2/2のモル数をx2としたとき、(x1+x2)/(v+w+x+y)は0.1以上である
  18. 請求項1~13のいずれかに記載の組成物を基材表面に塗布し、前記組成物を加熱して硬化膜を形成する工程、
    を備える、前記基材の耐熱防汚方法。
  19. 加熱室と、
    前記加熱室の少なくとも一部であって熱に曝露される要素表面に備えられる請求項14に記載の撥水撥油膜組成物と
    を備える、装置。
  20. 熱に曝露される表面に請求項14に記載の撥水撥油膜組成物を備える、構造体。
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