JP7572207B2 - 光硬化性樹脂組成物およびこれを用いる光造形物の製造方法 - Google Patents
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Description
光硬化性樹脂組成物Aは、重合性化合物と、光重合開始剤とを含む。重合性化合物は、それぞれ窒素を含有する第1化合物および第2化合物を含む。
重合性化合物とは、特に限定されないが、連鎖重合する化合物をいい、連鎖重合には、付加重合、開環重合などが含まれる。負荷重合には、ラジカル重合、カチオン重合、アニオン重合、配位重合などが含まれる。重合反応は、光増感重合であってもよい。重合性化合物には、重合性モノマー、重合性オリゴマーなどが含まれる。
第1化合物は、イソシアヌル環と3つの(メタ)アクリロイル基を有するトリアクリレート化合物(以下、「トリアクリレート化合物A」とも称する。)である。トリアクリレート化合物Aは、重合性モノマーに分類される。トリアクリレート化合物Aを主成分とする硬化物は、例えば230℃以上のTgを有する。ここで、主成分とは、硬化物の50質量%以上(例えば70質量%以上)が第1化合物に由来することをいう。第1化合物は、光造形物の耐熱性および機械強度の向上に大きく寄与する成分である。
第2化合物は、イソシアヌル環と2つの(メタ)アクリロイル基を有するジアクリレート化合物(以下、「ジアクリレート化合物A」とも称する。)および1つの(メタ)アクリロイル基を有するモノアクリルアミド化合物(以下、単に「モノアクリルアミド化合物A」とも称する。)からなる群より選択される少なくとも1種である。窒素を含有する第2化合物は、窒素を含有する第1化合物との親和性が高く、かつ固化しにくいため、固化しやすい第1化合物と併存することで、第1化合物の固化を高度に抑制する作用を有する。
ジアクリレート化合物Aは、トリアクリレート化合物Aの3つの置換基のうちの1つを(メタ)アクリロイル基を有さない置換基もしくは原子(例えば水素、フッ素など)に置換した構造を有する。ジアクリレート化合物Aを主成分とする硬化物は、高い耐熱性と機械強度を有する。ここで、主成分とは、硬化物の50質量%以上(例えば70質量%以上)がジアクリレート化合物Aに由来することをいう。
モノアクリルアミド化合物Aは、常温(25℃)で低粘度の液状を呈し得る。また、モノアクリルアミド化合物Aを主成分とする硬化物は、例えば130℃以上のTgを有し得るため、高い機械強度を有する造形物が得られやすい。ここで、主成分とは、硬化物の50質量%以上(例えば70質量%以上)がモノアクリルアミド化合物Aに由来することをいう。
光硬化性樹脂組成物Aに含まれる重合性化合物は、更に、第1化合物とも第2化合物とも異なる第3化合物を含み得る。第1化合物および第2化合物以外の重合性化合物は、第3化合物に分類される。光硬化性樹脂組成物中の第3化合物の含有量は、第1化合物および第2化合物の合計含有量によって決まる。以下、第3化合物について説明する。
第3化合物として使用し得る重合性モノマーは、単官能でもよく、多官能でもよい。重合性モノマーが有する重合性基は、例えば、ビニル基、アリル基、アクリロイル基、メタクリロイル基などの重合性炭素-炭素不飽和結合を有する基などが挙げられ、(メタ)アクリロイル基が好ましい。この場合、高い硬化速度が得られ、光造形などの造形用途に適している。
(多環式脂肪族のジ(メタ)アクリレート)
多環式脂肪族のジ(メタ)アクリレートを主成分とする硬化物は、例えば170℃以上のTgを有し得るため、高い機械強度を有する造形物が得られやすく、硬化の際の歪みも少ない。また、多環式脂肪族のジ(メタ)アクリレートは、低粘度であり、硬化速度も速い。多環式脂肪族とは、脂環式化合物のうち、炭素環を2つ以上有する脂肪族化合物をいう。多環式脂肪族としては、ビシクロウンデカン、デカヒドロナフタレン、トリシクロデカンジメタノールなどが挙げられる。多環式脂肪族のジ(メタ)アクリレートは、例えば、多環式脂肪族ポリオールの少なくとも2つのヒドロキシ基が(メタ)アクリロイルオキシ基で置き換わった構造を有する。硬化物のTgが高い代表的な多環式脂肪族のジ(メタ)アクリレートの具体例として、トリシクロデカンジメタノールジアクリレートを挙げることができる。トリシクロデカンジメタノールジアクリレートの構造を以下に示す。
4つ以上の(メタ)アクリロイル基を有するポリ(メタ)アクリレートを主成分とする硬化物は、例えば230℃以上のTgを有し得るため、高い機械強度を有する造形物が得られやすい。4つ以上の(メタ)アクリロイル基を有するポリ(メタ)アクリレートの(メタ)アクリロイル基の数は、硬化時の収縮率を考慮すると、6以下が望ましく、5以下がより望ましい。
第3化合物は、例えば、イソシアヌル環と1つの(メタ)アクリロイル基を有するモノアクリレート化合物(以下、「モノアクリレート化合物A」とも称する。)を含んでもよい。モノアクリレート化合物Aは、トリアクリレート化合物Aの3つの置換基のうちの2つを(メタ)アクリロイル基を有さない置換基もしくは原子(例えば水素、フッ素など)に置換した構造を有する。(メタ)アクリロイル基を有さない置換基については、ジアクリレート化合物Aの場合と同様である。モノアクリレート化合物Aの具体例としては、トリスヒドロキシアルキルルイソシアヌレートモノアクリレートもしくはトリス2-ヒドロキシエチルイソシアヌレートモノアクリレートが挙げられる。
(第1実施形態)
重合性化合物と、光重合開始剤と、を含み、
前記重合性化合物は、それぞれ窒素を含有する第1化合物および第2化合物を含み、
前記第1化合物は、イソシアヌル環と3つの(メタ)アクリロイル基を有するトリアクリレート化合物Aであり、
前記第2化合物は、イソシアヌル環と2つの(メタ)アクリロイル基を有するジアクリレート化合物Aおよび1つの(メタ)アクリロイル基を有するモノアクリルアミド化合物Aからなる群より選択される少なくとも1種であり、
前記第1化合物と前記第2化合物との合計質量に占める前記第1化合物の割合が、50質量%以上、90質量%以下であり、
前記重合性化合物に占める前記第1化合物と前記第2化合物との合計質量の割合が、20質量%以上、80質量%以下である、光硬化性樹脂組成物。
第1実施形態において、前記第2化合物の50質量%以上、更には70質量%以上、更には90質量%以上が前記ジアクリレート化合物Aであり、
前記重合性化合物の質量に占める前記第1化合物と前記第2化合物との合計の割合が、35質量%以上、60質量%以下、もしくは35質量%以上、55質量%以下、もしくは40質量%以上、50質量%以下である、光硬化性樹脂組成物。
第1実施形態において、前記第2重合性化合物の50質量%以上、更には70質量%以上、更には90質量%以上が前記モノアクリルアミド化合物Aであり、
前記重合性化合物の質量に占める前記第1化合物と前記第2化合物との合計の割合が、50質量%以上、80質量%以下、もしくは55質量%以上、75質量%以下、もしくは60質量%以上、70質量%以下である、光硬化性樹脂組成物。
第1実施形態において、前記重合性化合物が、更に、多環式脂肪族のジ(メタ)アクリレートを含み、前記重合性化合物の質量に占める前記多環式脂肪族のジ(メタ)アクリレートの割合が、15質量%以上、60質量%以下である、光硬化性樹脂組成物。
第2実施形態において、前記重合性化合物が、更に、多環式脂肪族のジ(メタ)アクリレートを含み、前記重合性化合物の質量に占める前記多環式脂肪族のジ(メタ)アクリレートの割合が、30質量%以上、60質量%以下、もしくは35質量%以上、55質量%以下である、光硬化性樹脂組成物。
第3実施形態において、前記重合性化合物が、更に、多環式脂肪族のジ(メタ)アクリレートを含み、前記重合性化合物の質量に占める前記多環式脂肪族のジ(メタ)アクリレートの割合が、15質量%以上、40質量%以下もしくは20質量%以上、35質量%以下である、光硬化性樹脂組成物。
第4実施形態において、前記重合性化合物が、更に、4つ以上の(メタ)アクリロイル基を有するポリ(メタ)アクリレートを含み、前記重合性化合物の質量に占める前記4つ以上の(メタ)アクリロイル基を有するポリ(メタ)アクリレートの割合が、5質量%以上、20質量%以下である、光硬化性樹脂組成物。
第5または第6実施形態において、前記重合性化合物が、更に、4つ以上の(メタ)アクリロイル基を有するポリ(メタ)アクリレートを含み、前記重合性化合物の質量に占める前記4つ以上の(メタ)アクリロイル基を有するポリ(メタ)アクリレートの割合が、5質量%以上、15質量%以下である、光硬化性樹脂組成物。
光硬化性樹脂組成物Aに含まれる光重合開始剤は、光の作用により活性化して、重合性化合物の重合を開始させる。光重合開始剤としては、例えば、光の作用によりラジカルを発生するラジカル重合開始剤のほか、光の作用により酸(またはカチオン)を生成するもの(具体的には、カチオン発生剤)が挙げられる。光重合開始剤は、一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。光重合開始剤は、重合性化合物のタイプ、例えば、ラジカル重合性であるか、カチオン重合性であるかなどに応じて選択される。ラジカル重合開始剤(ラジカル光重合開始剤)としては、例えば、アルキルフェノン系光重合開始剤、アシルホスフィンオキサイド系光重合開始剤などが挙げられる。以下に光重合開始剤を例示するが、これらに限定されるものではない。
(その他)
光硬化性樹脂組成物Aは、さらに、その他の公知の添加剤を含んでもよい。添加剤としては、チオール化合物、アミン化合物、着色剤、UV吸収剤、酸化防止剤、重合禁止剤、消泡材、充填剤、安定剤などを含むことができる。
光硬化性樹脂組成物Aは、以下の<条件1~3>のうちの少なくとも条件1を満足するものであることが望ましく、条件1、2を満足することがより望ましく、条件1~3を全て満足することが最も望ましい。
光硬化性樹脂組成物Aを-30℃で72時間冷却後、23℃まで昇温し、その後、23℃で48時間静置したときに光硬化性樹脂組成物Aの全体が液状を呈する。-30℃で72時間冷却後の光硬化性樹脂組成物Aは固化した状態でもよい。
全体が液状を呈する光硬化性樹脂組成物Aを5℃で1月静置したとき、その後も光硬化性樹脂組成物Aの全体が液状を呈する。
全体が液状を呈する光硬化性樹脂組成物Aに、トリス(2-アクリロイルオキシエチル)イソシアヌレート(トリアクリレート化合物A)の結晶を全体の0.1質量%分添加した後、5℃で72時間静置したとき、その後も光硬化性樹脂組成物Aの全体(ただし添加した結晶を除く)が液状を呈する。
光造形物は、例えば、電子機器、電気機器、医療機器、電化製品、ロボット関連製品、車両関連製品など、高い耐熱性と機械強度が要求される様々な用途に用いられる。
光硬化性樹脂組成物Aの硬化物の荷重たわみ温度(HDT)は、ASTM D648に準拠して、荷重0.45MPaでエッジワイズ法により測定される。HDTは、例えば200℃以上であり、光硬化性樹脂組成物Aの組成によっては、240℃以上もしくは280℃以上のHDTを達成し得る。このような硬化物は極めて高い耐熱性を有するといえる。
光硬化性樹脂組成物Aの硬化物の引張強度は、ASTM D638に準拠して測定される。引張強度は、例えば50MPa以上であり、光硬化性樹脂組成物Aの組成によっては、60MPa以上もしくは70MPa以上を達成し得る。このような硬化物は極めて高い機械強度を有するといえる。
光造形物の製造方法は、光硬化性樹脂組成物Aを用いて光造形物を形成する工程を含む。光造形物を形成する工程は、光硬化性樹脂組成物Aの液膜を形成し、液膜を光硬化させてパターンを形成する工程(i)と、当該パターンに接するように別の液膜を形成する工程(ii)と、当該パターン上の別の液膜を光硬化させて別のパターンを積層する工程(iii)とを含む。
図1は、樹脂槽(バット)を備える光造形装置(パターニング装置)を用いて三次元造形物を形成する場合の一例である。図示例では、吊り下げ方式の造形について示すが、光硬化性樹脂組成物を用いて三次元光造形することができる方法であれば特に制限されない。また、光照射(露光)の方式についても特に制限されず、点露光でも、面露光でもよい。
工程(i)では、(a)に示すように、まず、樹脂槽3に収容された光硬化性樹脂組成物5に、プラットフォーム2のパターン形成面2aを、プロジェクタ4(つまり、樹脂槽3の底面)に向けた状態で浸漬させる。このときに、パターン形成面2aとプロジェクタ4(または樹脂槽3の底面)との間に液膜7a(液膜a)が形成されるように、パターン形成面2a(またはプラットフォーム2)の高さを調整する。次いで、(b)に示すように、プロジェクタ4から液膜7aに向けて、光Lを照射(面露光)することで、液膜7aを光硬化させてパターン8a(パターンa)を形成する。
工程(ii)では、工程(i)で得られたパターンaと、光源との間に、光硬化性樹脂組成物を供給して、液膜(液膜b)を形成する。つまり、パターン形成面に形成されたパターンa上に液膜bを形成する。光硬化性樹脂組成物の供給は、工程(i)についての説明が参照できる。
工程(iii)では、工程(ii)で形成した液膜bに対して、光源から露光して、液膜bを光硬化させ、パターンaに別のパターン(液膜bの光硬化により得られるパターンb)を積層する。このようにパターンが厚み方向に積層されることで、三次元造形パターンを形成することができる。
光源や露光波長などは、工程(i)についての記載を参照できる。
第1工程は、工程(ii)と工程(iii)とを複数回繰り返す工程(iv)を含むことができる。この工程(iv)により、複数のパターンbが厚み方向に積層されることになり、さらに立体的な造形パターンが得られる。繰り返し回数は、所望する三次元造形物(三次元造形パターン)の形状やサイズなどに応じて適宜決定できる。
以下、本発明を実施例および比較例に基づいて具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
表1に示す成分を表2~表3に示す質量比で混合し、攪拌しながら80℃のオーブンで3時間以上加熱して、固形成分を溶解させることにより均一な液状の光硬化性樹脂組成物Aを調製した。
上記(1)で得られた光硬化性樹脂組成物について以下の評価を行った。
E型粘度計(TVE-20H、東機産業(株))を用いて、25℃にて、20rpmの回転速度で光硬化性樹脂組成物の粘度を測定した。
3Dプリンタ(Phrozen社製のSonic mini)を用いて、1層当たりの照射時間5秒およびz軸(高さ方向)のピッチ50μmの条件で、既述の試験片を作製した。この試験片を用いて、既述の条件下、ASTM D648に準拠してHDT(℃)を測定した。
3Dプリンタ(Phrozen社製のSonic mini)を用いて、1層当たりの照射時間5秒およびz軸(高さ方向)のピッチ50μmの条件で、既述の試験片を作製した。この試験片を用いて、既述の条件下、ASTM D638に準拠して引張強度(MPa)を測定した。
既述の条件1~3を満たすか否かを調べ、
条件1~3の全てを満たす場合を◎、
条件1および条件2を満たす場合を〇、
条件1のみを満たす場合を△、
条件1~条件3を全て満たさない場合を×と評価した。
「ACMO」:アクリロイルモルフォリン(第2化合物)
「SR833NS」:トリシクロデカンジメタノールジアクリレート(多環式脂肪族のジアクリレート)
「M370」:トリス2-ヒドロキシエチルイソシアヌレートトリアクリレート(トリアクリレート化合物A(第1化合物))
「M-313」:以下のトリアクリレート化合物A(第1化合物)とジアクリレート化合物A(第2化合物)との混合物
トリス2-ヒドロキシエチルイソシアヌレートトリアクリレート65質量%(第1化合物)
トリス2-ヒドロキシエチルイソシアヌレートジアクリレート35質量%(第2化合物)
「M-923」:以下のトリアクリレート化合物A(第1化合物)とジアクリレート化合物A(第2化合物)とモノアクリレート化合物A(第3化合物)との混合物
トリス2-ヒドロキシエチルイソシアヌレートトリアクリレート40質量%
トリス2-ヒドロキシエチルイソシアヌレートジアクリレート50質量%
トリス2-ヒドロキシエチルイソシアヌレートモノアクリレート10質量%
「AD-TMP」:ジトリメチロールプロパンテトラアクリレート(4つのアクリロイル基を有するポリアクリレート)
「Omnirad TPO-H」:ジフェニル(2,4,6-トリメチルベンゾイル)ホスフィンオキシド(光重合開始剤)
「Omnirad 819」:フェニルビス(2,4,6-トリメチルベンゾイル)ホスフィンオキシド(光重合開始剤)
Claims (12)
- 重合性化合物(ただし、珪素を有するα,β-不飽和二重結合基含有化合物を除く)と、光重合開始剤と、を含み、
前記重合性化合物は、それぞれ窒素を含有する第1化合物および第2化合物を含み、
前記第1化合物は、イソシアヌル環と3つの(メタ)アクリロイル基を有するトリアクリレート化合物であり、
前記第2化合物は、イソシアヌル環と2つの(メタ)アクリロイル基を有するジアクリレート化合物および1つの(メタ)アクリロイル基を有するモノアクリルアミド化合物からなる群より選択される少なくとも1種であり、
前記第1化合物と前記第2化合物との合計質量に占める前記第1化合物の割合が、50質量%以上、90質量%以下であり、
前記重合性化合物に占める前記第1化合物と前記第2化合物との合計質量の割合が、20質量%以上、80質量%以下であり、
前記重合性化合物が、更に、4つ以上の(メタ)アクリロイル基を有するポリ(メタ)アクリレートを含み、
前記重合性化合物の質量に占める前記4つ以上の(メタ)アクリロイル基を有するポリ(メタ)アクリレートの割合が、5質量%以上、25質量%以下である、光硬化により形成される層状の硬化パターンが複数層積層された積層構造を有する三次元光造形物を形成するために用いられる光硬化性樹脂組成物。 - 前記第2化合物の50質量%以上が前記ジアクリレート化合物であり、
前記重合性化合物の質量に占める前記第1化合物と前記第2化合物との合計の割合が、30質量%以上、60質量%以下である、請求項1に記載の光硬化性樹脂組成物。 - 前記第2化合物の50質量%以上が前記モノアクリルアミド化合物であり、
前記重合性化合物の質量に占める前記第1化合物と前記第2化合物との合計の割合が、50質量%以上、80質量%以下である、請求項1に記載の光硬化性樹脂組成物。 - 前記トリアクリレート化合物が、トリス(アクリロイルオキシアルキル)イソシアヌレートを含む、請求項1~3のいずれか1項に記載の光硬化性樹脂組成物。
- 前記モノアクリルアミド化合物が、窒素原子を含むヘテロ環を有する複素環式アクリルアミドを含む、請求項1~4のいずれか1項に記載の光硬化性樹脂組成物。
- 前記重合性化合物が、更に、多環式脂肪族のジ(メタ)アクリレートを含む、請求項1~5のいずれか1項に記載の光硬化性樹脂組成物。
- 前記重合性化合物の質量に占める前記多環式脂肪族のジ(メタ)アクリレートの割合が、15質量%以上、70質量%以下である、請求項6に記載の光硬化性樹脂組成物。
- 前記光硬化性樹脂組成物を-30℃で72時間冷却後、23℃まで昇温し、その後、23℃で48時間静置したときに全体が液状を呈する、請求項1~7のいずれか1項に記載の光硬化性樹脂組成物。
- 全体が液状を呈する前記光硬化性樹脂組成物を5℃で1月静置したときに、その後も全体が液状を呈する、請求項1~8のいずれか1項に記載の光硬化性樹脂組成物。
- 前記光硬化性樹脂組成物の硬化物について、ASTM D648に準拠して荷重0.45MPaでエッジワイズ法により測定される荷重たわみ温度が、280℃以上である、請求項1~9のいずれか1項に記載の光硬化性樹脂組成物。
- 3Dプリンタ用である、請求項1~10のいずれか1項に記載の光硬化性樹脂組成物。
- 請求項1に記載の光硬化性樹脂組成物を用いて光造形物を形成する工程を含み、
前記光造形物を形成する工程は、
前記光硬化性樹脂組成物の液膜を形成し、液膜を光硬化させてパターンを形成する工程(i)と、
前記パターンに接するように別の液膜を形成する工程(ii)と、
前記パターン上の前記別の液膜を光硬化させて別のパターンを積層する工程(iii)と、を含む、光造形物の製造方法。
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