(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本発明について具体的に説明する。
本発明に係る光造形用紫外線硬化型シリコーン組成物は、(A)下記式(1)で示される基を1分子中に2個有するオルガノポリシロキサン:100質量部、
(B)(a)下記式(2)で示される単位、(b)R
43SiO
1/2単位(式中、R
4は、互いに独立して炭素原子数1〜10の一価炭化水素基を表す。)と(c)SiO
4/2単位からなり、(a)単位と(b)単位の合計と、(c)単位とのモル比が0.6〜1.2:1の範囲にあるオルガノポリシロキサンレジン:5〜200質量部、
(C)光重合開始剤:0.01〜20質量部
を含有してなることを特徴とする。
【0010】
(A)オルガノポリシロキサン
本発明に使用される(A)成分は、本組成物の架橋成分の一つであり、下記式(1)で示される基を1分子中に2個有し、主鎖が実質的にジオルガノシロキサン単位の繰返しからなるオルガノポリシロキサンである。
【0012】
式(1)において、R
1は、互いに独立して炭素原子数1〜20の一価炭化水素基、好ましくは、脂肪族不飽和基を除く、炭素原子数1〜10、より好ましくは1〜8の一価炭化水素基を表し、R
2は、酸素原子または炭素原子数1〜20、好ましくは1〜10、より好ましくは1〜5のアルキレン基を表し、R
3は、互いに独立して、アクリロイルオキシアルキル基、メタクリロイルオキシアルキル基、アクリロイルオキシアルキルオキシ基、またはメタクリロイルオキシアルキルオキシ基を表し、pは、0≦p≦10を満たす数を表し、aは、1≦a≦3を満たす数を表す。
【0013】
式(1)において、R
1の炭素原子数1〜20の一価炭化水素基は、直鎖、分岐、環状のいずれでもよく、その具体例としては、メチル、エチル、n−プロピル、イソプロピル、n−ブチル、イソブチル、tert−ブチル、n−ヘキシル、シクロヘキシル、n−オクチル、2−エチルヘキシル、n−デシル基等のアルキル基;ビニル、アリル(2−プロペニル)、1−プロペニル、イソプロペニル、ブテニル基等のアルケニル基;フェニル、トリル、キシリル、ナフチル基等のアリール基;ベンジル、フェニルエチル、フェニルプロピル基等のアラルキル基などが挙げられる。
また、これら一価炭化水素基の炭素原子に結合した水素原子の一部または全部は、その他の置換基で置換されていてもよく、その具体例としては、クロロメチル、ブロモエチル、トリフルオロプロピル、シアノエチル基等のハロゲン置換炭化水素基や、シアノ置換炭化水素基などが挙げられる。
これらの中でも、R
1としては、炭素原子数1〜5のアルキル基、フェニル基が好ましく、メチル基、エチル基、フェニル基がより好ましい。
【0014】
また、R
2の炭素原子数1〜20のアルキレン基は、直鎖、分岐、環状のいずれでもよく、その具体例としては、メチレン、エチレン、プロピレン、トリメチレン、テトラメチレン、イソブチレン、ペンタメチレン、ヘキサメチレン、ヘプタメチレン、オクタメチレン、ノナメチレン、デシレン基等が挙げられる。
これらの中でも、R
2としては、酸素原子、メチレン、エチレン、トリメチレン基が好ましく、酸素原子またはエチレン基がより好ましい。
【0015】
さらに、R
3のアクリロイルオキシアルキル基、メタクリロイルオキシアルキル基、アクリロイルオキシアルキルオキシ基、またはメタクリロイルオキシアルキルオキシ基におけるアルキル(アルキレン)基の炭素数としては、特に限定されるものではないが、1〜10が好ましく、1〜5がより好ましい。これらアルキル基の具体例としては、上記R
1で例示した基のうち、炭素原子数1〜10のものが挙げられる。
R
3の具体例としては、下記式で示されるものが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【0016】
【化4】
(式中、bは、1≦b≦4を満たす数を表し、R
5は、炭素原子数1〜10のアルキレン基を表す。)
【0017】
上記pは、0≦p≦10を満たす数を表すが、0または1が好ましく、aは、1≦a≦3を満たす数を表すが、1または2が好ましい。
【0018】
本発明で用いる(A)成分のオルガノポリシロキサン分子中における上記一般式(1)で示される基の結合位置は、分子鎖末端であっても、分子鎖非末端(すなわち、分子鎖途中または分子鎖側鎖)であっても、あるいはこれらの両方であってもよいが、柔軟性の面では末端のみに存在することが望ましい。
【0019】
(A)成分のオルガノポリシロキサン分子中において、上記一般式(1)で示される基以外のケイ素原子に結合した有機基は、例えば、上記R
1と同様の基が挙げられ、特に、脂肪族不飽和基を除く炭素数1〜12、好ましくは1〜10の一価炭化水素基が好ましい。
これらの具体例としては、上記R
1で例示した基と同様のものが挙げられるが、合成の簡便さから、アルキル基、アリール基、ハロゲン化アルキル基が好ましく、メチル基、フェニル基、トリフロロプロピル基がより好ましい。
【0020】
また、(A)成分の分子構造は、基本的に、主鎖がジオルガノシロキサン単位の繰り返しからなる直鎖状または分岐鎖状(主鎖の一部に分岐を有する直鎖状を含む)であり、特に、分子鎖両末端が上記一般式(1)で示される基で封鎖された直鎖状のジオルガノポリシロキサンが好ましい。
(A)成分は、これらの分子構造を有する単一の重合体、これらの分子構造からなる共重合体、またはこれらの重合体の2種以上の混合物であってもよい。
【0021】
(A)成分のオルガノポリシロキサンの25℃における粘度は、組成物の粘度や硬化物の力学特性をより向上させることを考慮すると、10〜10,000mPa・sが好ましく、50〜5,000mPa・sがより好ましい。この粘度範囲は、通常、直鎖状オルガノポリシロキサンの場合、数平均重合度で約10〜550、好ましくは約50〜450程度に相当するものである。なお、本発明において、粘度は回転粘度計(例えば、BL型、BH型、BS型、コーンプレート型、レオメーター等)により測定できる(以下、同様)。
本発明において、重合度(または分子量)は、例えば、トルエン等を展開溶媒として、ゲルパーミエーションクロマトグラフィ(GPC)分析におけるポリスチレン換算の数平均重合度(または数平均分子量)として求めることができる(以下、同様)。
【0022】
(A)成分のオルガノポリシロキサンの具体例としては、下記(3)〜(5)で示されるものが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【0023】
【化5】
(式中、R
1、R
5、およびbは、上記と同じ意味を表し、nは、上記オルガノポリシロキサンの粘度を上記値とする数であるが、1〜800が好ましく、50〜600がより好ましい。)
【0024】
このようなオルガノポリシロキサンは、公知の方法で製造することができる。例えば、上記式(3)で表されるポリシロキサンは、両末端ジメチルビニルシロキシ基封鎖ジメチルシロキサン・ジフェニルシロキサン共重合体とクロロジメチルシランとのヒドロシリル化反応物に2−ヒドロキシエチルアクリレートを反応させて得ることができる。
上記式(4)で表されるオルガノポリシロキサンは、両末端ジメチルビニルシロキシ基封鎖ジメチルシロキサン・ジフェニルシロキサン共重合体と3−(1,1,3,3− テトラメチルジシロキサニル)プロピルメタクリラート(CAS No.96474−12−3)とのヒドロシリル化反応物として得られる。
上記式(5)で表されるオルガノポリシロキサンは、両末端ジメチルビニルシロキシ基封鎖ジメチルシロキサン・ジフェニルシロキサン共重合体とジクロロメチルシランとのヒドロシリル化反応物に2−ヒドロキシエチルアクリレートを反応させて得ることができる。
【0025】
(B)オルガノポリシロキサンレジン
(B)成分は、本組成物の架橋成分の一つであり、(a)下記式(2)で示される単位(A単位)、(b)R
43SiO
1/2単位(M単位)と(c)SiO
4/2単位(Q単位)からなる(メタ)アクリロイルオキシ含有基を有するオルガノポリシロキサンレジンである。
R
4における炭素原子数1〜10の一価炭化水素基の具体例としては、上記R
1で例示した基のうち、炭素原子数1〜10のものが挙げられるが、中でもメチル、エチル、n−プロピル、n−ブチル基等の炭素原子数2〜6のアルキル基;フェニル、トリル基等の炭素原子数6〜10のアリール基、ベンジル基等の炭素原子数7〜10のアラルキル基;ビニル基、アリル基、ブテニル基等の炭素原子数2〜6のアルケニル基等が好ましい。
なお、上記R
4の一価炭化水素基も、R
1と同様に、炭素原子に結合した水素原子の一部または全部が、上述したその他の置換基で置換されていてもよい。
【0026】
【化6】
(式中、R
1、R
2、R
3、aおよびpは、上記と同じ意味を表す。)
【0027】
本発明の(B)成分では、(a)上記式(2)で示される単位(A単位)、(b)R
43SiO
1/2単位(M単位)と(c)SiO
4/2単位(Q単位)のモル比が、A単位+M単位:Q単位=0.6〜1.2:1であるが、A単位+M単位のモル比が0.6未満になると、組成物の粘度が非常に高くなり、1.2を超えると硬化物のゴム物性が低下することがある。
組成物の粘度、および硬化物のゴム物性をより適切な範囲とすることを考慮すると、A単位+M単位とQ単位のモル比は、A単位+M単位:Q単位=0.7〜1.2:1が好ましい。
【0028】
また、A単位とM単位のモル比により、硬化物のゴム物性を調節できる。A単位が多すぎると材料の柔軟性がなくなる場合があり、A単位が少なすぎると材料の強度が低下する場合がある。従って、これらを考慮すると、A単位:M単位=0.25〜0.025:1が好ましい。
【0029】
本発明の組成物において、オルガノポリシロキサンレジンの添加量は、(A)100質量部に対して、5〜200質量部の範囲であるが、好ましくは10〜100質量部である。5質量部未満であると硬化物の力学的物性が低くなり、200質量部を超えると粘度が非常に高くなる。
【0030】
(C)光重合開始剤
本発明で使用可能な光重合開始剤の具体例としては、2,2−ジエトキシアセトフェノン、2,2−ジメトキシ−1,2−ジフェニルエタン−1−オン(BASF製Irgacure 651)、1−ヒドロキシ−シクロヘキシル−フェニル−ケトン(BASF製Irgacure 184)、2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニル−プロパン−1−オン(BASF製Irgacure 1173)、2−ヒドロキシ−1−{4−[4−(2−ヒドロキシ−2−メチループロピオニル)−ベンジル]−フェニル}−2−メチループロパン−1−オン(BASF製Irgacure 127)、フェニルグリオキシリックアシッドメチルエステル(BASF製Irgacure MBF)、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(BASF製Irgacure 907)、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)−1−ブタノン(BASF製Irgacure 369)、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(BASF製Irgacure 819)、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(BASF製Irgacure TPO)等が挙げられ、これらは単独で用いても、2種以上組み合わせて用いてもよい。
これらの中でも、(A)成分および(B)成分との相溶性の観点から、2,2−ジエトキシアセトフェノン、2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニル−プロパン−1−オン(BASF製Irgacure 1173)、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(BASF製Irgacure 819)、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(BASF製Irgacure TPO)が好ましい。
【0031】
光重合開始剤の添加量は、(A)100質量部に対して、0.01〜20質量部の範囲である。0.01質量部未満であると硬化性が不足し、20質量部を超える量で添加した場合は深部硬化性が悪化する。
【0032】
(D)360nm〜410nmに光吸収を持つ紫外線吸収剤
本発明の組成物には、3Dプリンターによる光造形時の硬化性を調整するために、波長360nm〜410nmに光吸収を持つ紫外線吸収剤を添加することができる。
本発明で使用可能な紫外線吸収剤の具体例としては、ベンゼンプロパン酸3−(2H−ベンゾトリアゾール−2−イル)−5−(1,1−ジメチルエチル)−4−ヒドロキシC7−9側鎖および直鎖アルキルエステル(BASF製Tinuvin 384−2)、2−(5−クロロ−2−ベンゾトリアゾリル)−6−tert−ブチル−p−クレゾール(BASF製Tinuvin 326)、2−(4,6−ビス(2,4−ジメチルフェニル)−1,3,5−トリアジン−2−イル)−5−ヒドロキシフェニルと[(C10−C16 主としてC12−C13アルキルオキシ)メチル]オキシランとの反応生成物(BASF製Tinuvin 400)、チオキサントン、2−イソプロピルチオキサントン、2,4−ジエチルチオキサントン、ベンゾフェノン、カンファーキノン、1−フェニル−1,2−プロパンジオン、ジエチルアミノヒドロキシベンゾイル安息香酸ヘキシル(BASF製Uvinul A Plus)、1−(4−tert−ブチルフェニル)−3−(4−メトキシフェニル)−1,3−プロパンジオン、4−メトキシけい皮酸2−エチルヘキシル等が挙げられ、これらは単独で用いても、2種以上組み合わせて用いてもよい。
【0033】
紫外線吸収剤を用いる場合、その添加量は、(A)100質量部に対して、0.01〜20質量部の範囲が好ましい。0.01質量部未満であると紫外線吸収剤の効果が十分に現れない場合があり、20質量部を超える量で添加した場合は深部硬化性が悪化する場合がある。
【0034】
(E)色材
また、本発明の組成物には、組成物の硬化性の調整や着色化を目的とし、各種色材を添加することができる。
色材としては一般的な顔料(酸化鉄、酸化チタン、酸化亜鉛等)や染料、カーボンブラック等を使用することができる。これらは単独で用いても、2種以上組み合わせて用いてもよい。
色材を用いる場合、その添加量は、(A)100質量部に対して、0.01〜20質量部の範囲が好ましい。0.01質量部未満であると色材の効果が十分に現れない場合があり、20質量部を超える量で添加した場合は深部硬化性が悪化する場合がある。
【0035】
なお、本発明の組成物には、本発明の効果を損なわない範囲で、シランカップリング剤、接着助剤、重合禁止剤、酸化防止剤、耐光性安定剤である紫外線吸収剤、光安定化剤等の添加剤を配合することができる。
また、本発明の組成物はその他の樹脂組成物と適宜混合して使用することもできる。
【0036】
本発明の光造形用紫外線硬化型シリコーン組成物は、上記(A)〜(C)成分、並びに必要に応じてその他の成分を、任意の順序で混合し、撹拌等して得ることができる。撹拌等の操作に用いる装置は特に限定されないが、擂潰機、3本ロール、ボールミル、プラネタリーミキサー等を用いることができる。また、これら装置を適宜組み合わせてもよい。
【0037】
本発明の光造形用紫外線硬化型シリコーン組成物の粘度は、吊り上げ方式等による光造形性の観点から、10,000mPa・s以下であることが好ましく、5,000mPa・s以下であることがより好ましい。10,000mPa・sを超えると造形性が悪くなり、所望の造形物を正確に得ることができない場合がある。
【0038】
本発明の光造形用紫外線硬化型シリコーン組成物は、紫外線を照射することにより速やかに硬化する。
この場合、照射する紫外線の光源としては、例えば、UVLEDランプ、高圧水銀灯、超高圧水銀灯、メタルハライドランプ、カーボンアークランプ、キセノンランプ等が挙げられる。
紫外線の照射量(積算光量)は、例えば、本発明の組成物を2.0mm程度の厚みに成形したシートに対して、好ましくは1〜10,000mJ/cm
2であり、より好ましくは10〜6,000mJ/cm
2である。すなわち、照度100mW/cm
2の紫外線を用いた場合、0.01〜100秒程度紫外線を照射すればよい。
【0039】
本発明の光造形用紫外線硬化型シリコーン組成物からなる硬化物が優れたゴム物性を示すためには、引っ張り強度は0.5MPa以上が好ましく、0.8MPa以上がより好ましい。また、切断時伸びは30%以上が好ましく、50%以上がより好ましい。なお、これらの値は、JIS−K6249に準じた測定値である。
【実施例】
【0040】
以下、実施例および比較例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
なお、実施例で使用した各成分の化合物は以下のとおりである。
(A)成分
【0041】
【化7】
(式中、括弧が付されたシロキサン単位の配列順は任意である。)
【0042】
(B)成分
(B−1)下記のメタクリロイルオキシ基含有単位、ViMe
2SiO
1/2単位、Me
3SiO
1/2単位およびSiO
2単位を含有し、メタクリロイルオキシ基含有単位/(ViMe
2SiO
1/2単位)/(Me
3SiO
1/2単位)/(SiO
2単位)のモル比が0.07/0.10/0.67/1.00であるオルガノポリシロキサンレジン(数平均分子量5,700)の50質量%キシレン溶液
(B−2)下記のメタクリロイルオキシ基含有単位、ViMe
2SiO
1/2単位、Me
3SiO
1/2単位およびSiO
2単位を含有し、メタクリロイルオキシ基含有単位/(ViMe
2SiO
1/2単位)/(Me
3SiO
1/2単位)/(SiO
2単位)のモル比が0.14/0.03/0.67/1.00であるオルガノポリシロキサンレジン(数平均分子量6,200)の50質量%キシレン溶液
【0043】
【化8】
【0044】
(比較成分)
(B−3)ViMe
2SiO
1/2単位、Me
3SiO
1/2単位およびSiO
2単位を含有し、(ViMe
2SiO
1/2単位)/(Me
3SiO
1/2単位)/(SiO
2単位)のモル比が0.17/0.67/1であるオルガノポリシロキサンレジン(数平均分子量5,300)の50質量%キシレン溶液
【0045】
(C)成分
(C−1)2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニル−プロパン−1−オン(BASFジャパン(株)製Irgacure 1173)
(C−2)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 (BASFジャパン(株)製Irgacure TPO)
【0046】
(D)成分
(D−1)2−イソプロピルチオキサントン(東京化成工業(株)製)
(E)成分
(E−1)酸化チタン(石原産業(株)製、タイペークR−820)
(E−2)カーボンブラック(デンカ(株)製、デンカブラック)
【0047】
[実施例1〜7および比較例1〜3]
上記(A)〜(E)成分を表1の組成で混合し、減圧下にて100℃でキシレンを留去し、表1記載の各シリコーン組成物を調製した。なお、表1における組成物の粘度は回転粘度計を用いて23℃で測定した値である。
調製したシリコーン組成物を、アイグラフィック(株)製アイUV電子制御装置(型式UBX0601−01)を用い、窒素雰囲気下、室温(25℃)で、波長365nmの紫外光での照射量が10,000mJ/cm
2となるように紫外線を照射し、硬化させた。なお、シートの厚みは2.0mmとした。硬化物の硬度、切断時伸び、引張強さはJIS−K6249に準じて測定した。
【0048】
【表1】
【0049】
表1に示されるように、実施例1〜7で調製した紫外線硬化型シリコーン組成物は、吊り上げ方式等の光造形方式に適用可能な粘度を有しており、さらにその硬化物は良好な力学的物性を有していることがわかる。
一方、メタクリロイルオキシ基を有するオルガノポリシロキサンレジンを含まない比較例1および2の組成物では、硬化物の引張強度が低く、脆い材料であることがわかる。また、B成分が過剰な比較例3の組成物は、粘度が顕著に高く、光造形に適用できないことがわかる。