JP7625418B2 - 有機無機ハイブリッド材料及び複合材料 - Google Patents

Description

本開示は有機無機ハイブリッド材料及び複合材料に関する。

無機粒子複合化樹脂の製造方法が特許文献１に開示されている。この製造方法では、無機粒子の表面を、表面修飾剤により修飾する。次に、無機粒子を樹脂の中に分散させる。

特開２０１７－２１０３８５号公報

近年、量子ドット（ＱＤ）を利用する技術が注目されている。ＱＤを利用した材料として、マトリックスとなる組成物と、その組成物の中で分散しているＱＤと、を含む複合材料が考えられる。しかしながら、ＱＤは組成物の中で凝集し易い。

本開示の１つの局面では、ＱＤの凝集を抑制できる有機無機ハイブリッド材料及び複合材料を提供することが好ましい。

本開示の１つの局面は、平均組成式である式（１）により表される有機無機ハイブリッド材料である。
式（１） ＳｉＲ^１ _ａＲ^２ _ｂＲ^３ _ｃ（ＯＸ）_ｄ（Ｏ_１／２）_ｅ
（式（１）におけるＲ^１は不飽和炭素結合を含み、芳香環を含まない有機官能基である。式（１）におけるＲ^２は芳香環を含み、芳香環以外では不飽和炭素結合を含まない有機官能基である。式（１）におけるＲ^３は不飽和炭素結合を含まない有機官能基である。式（１）におけるＸは水素又はアルキル基である。式（１）におけるＯ_１／２は架橋酸素である。式（１）におけるａは０．０４以上０．２６以下の数値である。式（１）におけるｂは０．１３以上の数値である。式（１）におけるｃは０．０９以上の数値である。式（１）におけるｄは０以上の数値である。式（１）におけるｅは０以上の数値である。ａ、ｂ、及びｃの和は１．０４以上１．４９以下である。ａ、ｂ、ｃ、ｄ、及びｅの和は４である。）
本開示の１つの局面である有機無機ハイブリッド材料を用いて、例えば、複合材料を製造することができる。複合材料は、有機無機ハイブリッド材料と、その有機無機ハイブリッド材料の中で分散しているＱＤとを含む。複合材料において、ＱＤは凝集し難い。

本開示の例示的な実施形態について説明する。
１．有機無機ハイブリッド材料
本開示の有機無機ハイブリッド材料は、平均組成式である式（１）により表される。

式（１） ＳｉＲ^１ _ａＲ^２ _ｂＲ^３ _ｃ（ＯＸ）_ｄ（Ｏ_１／２）_ｅ
ａ、ｂ、ｃ、ｄ、及びｅの和は４である。式（１）におけるＯ_１／２は架橋酸素である。式（１）におけるｅは０以上の数値である。ｅは、例えば、０より大きい数値である。本開示の有機無機ハイブリッド材料は、例えば、有機シラン化合物が重合して成るポリマーである。ポリマーの主鎖は、ＳｉＯ結合により結合している。

式（１）におけるＲ^１は不飽和炭素結合を含み、芳香環を含まない有機官能基である。芳香環として、例えば、ベンゼン環、ナフタレン環等が挙げられる。Ｒ^１は、付加重合により柔軟な有機結合を増やす機能を有する。Ｒ^１の一部又は全部は、付加重合をした状態であってもよい。本開示の有機無機ハイブリッド材料は、Ｒ^１を含むことにより、クラックが発生し難い。

式（１）におけるａは０．０４以上０．２６以下の数値である。ａが０．０４以上であることにより、有機無機ハイブリッド材料にクラックが一層発生し難い。ａが０．２６以下であることにより、本開示の有機無機ハイブリッド材料を用いて複合材料を製造した場合に、ＱＤの凝集を一層抑制することができる。ＱＤの凝集を一層抑制できる理由は、以下のように推測できる。ａが０．２６以下であると、有機無機ハイブリッド材料において架橋密度が過度に高くならない。その結果、有機無機ハイブリッド材料の中でのＱＤの分散性が向上する。

Ｒ^１として、例えば、ビニル基、アクリル基、メタクリル基、及びアリル基から成る群から選択される１以上が挙げられる。
式（１）におけるＲ^２は芳香環を含み、芳香環以外では不飽和炭素結合を含まない有機官能基である。芳香環として、例えば、ベンゼン環、ナフタレン環等が挙げられる。式（１）におけるｂは０．１３以上の数値である。ｂが０．１３以上であることにより、本開示の有機無機ハイブリッド材料を用いて複合材料を製造した場合に、ＱＤの凝集を一層抑制することができる。ＱＤの凝集を一層抑制できる理由は、以下のように推測できる。ｂが０．１３以上であると、ＱＤの表面の有機鎖と有機無機ハイブリッド材料との相溶性が良くなる。その結果、ＱＤの分散性が向上する。

Ｒ^２として、例えば、フェニル基、４－メトキシフェニル基、及びベンジル基から成る群から選択される１以上が挙げられる。
式（１）におけるＲ^３は不飽和炭素結合を含まない有機官能基である。Ｒ^３は、例えば、アルキル基のみから成る。Ｒ^３は、例えば、芳香環を含まない。式（１）におけるｃは０．０９以上の数値である。ｃが０．０９以上であることにより、有機無機ハイブリッド材料の反応性が高くなり、有機無機ハイブリッド材料が硬化し易くなる。

Ｒ^３として、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、ヘキシル基、ｎ－オクチル基、イソオクチル基、デシル基、ドデシル基、ヘキサデシル基、ｎ－オクタデシル基、及びオクタデシル基から成る群から選択される１以上が挙げられる。

式（１）におけるＸは水素又はアルキル基である。アルキル基として、例えば、メチル基、エチル基、１－プロピル基、２－プロピル基等から成る群から選択される１以上が挙げられる。式（１）は、（ＯＸ）_ｄを含む。式（１）におけるｄは０以上の数値である。本開示の有機無機ハイブリッド材料は、（ＯＸ）を含む有機シラン化合物等の原料を用い、ゾルーゲル法等により容易に合成することができる。

ａ、ｂ、及びｃの和（以下ではａｂｃの和とする）は１．０４以上１．４９以下である。ａｂｃの和が１．０４以上であることにより、本開示の有機無機ハイブリッド材料を用いて複合材料を製造した場合に、ＱＤの凝集を一層抑制することができる。ＱＤの凝集を一層抑制できる理由は、以下のように推測できる。ａｂｃの和が１．０４以上であると、ＱＤの表面の有機鎖と有機無機ハイブリッド材料との相溶性が良くなる。その結果、ＱＤの分散性が向上する。

ａｂｃの和が１．０４以上であることにより、有機無機ハイブリッド材料にクラックが発生し難い。クラックが発生し難い理由は以下のように推測できる。ａｂｃの和が１．０４以上であると、有機無機ハイブリッド材料においてＳｉＯの骨格が過度に多くならず、有機無機ハイブリッド材料の柔軟性が高い。その結果、有機無機ハイブリッド材料にクラックが発生し難くなる。

ａｂｃの和が１．４９以下であることにより、有機無機ハイブリッド材料においてＳｉＯの骨格が過度に少なくならない。その結果、有機無機ハイブリッド材料が硬化し易くなる。

本開示の有機無機ハイブリッド材料の数平均分子量は、例えば、３００以上３０００以下である。本開示の有機無機ハイブリッド材料の形態は、例えば、液体である。
本開示の有機無機ハイブリッド材料の形態は、例えば、硬化物である。硬化物とは、物体と有機無機ハイブリッド材料とが接触したとき、有機無機ハイブリッド材料の一部である液体が物体の表面に付着することがない形態を意味する。

本開示の有機無機ハイブリッド材料を構成するポリマーの主鎖は、ＳｉＯ結合により結合している。そのため、本開示の有機無機ハイブリッド材料は、透明性、耐熱性、及び耐光性に優れる。耐熱性とは、熱を加えても透明性が低下し難い性質を意味する。耐光性とは、光を照射しても透明性が低下し難い性質を意味する。

本開示の有機無機ハイブリッド材料は、Ｒ^１、Ｒ^２、Ｒ^３のうちの１以上を適宜選択することで、複合材料を硬化させる際の硬化性、ＱＤの分散性、クラック発生率等の特性を制御できる。
本開示の有機無機ハイブリッド材料は、例えば、以下の方法で製造できる。溶媒と、有機シラン化合物とを混合し、第１の温度で加熱してゾル溶液とする。このとき、有機シラン化合物は加水分解脱水縮合により重合する。

第１の温度は、例えば、７０℃程度の温度である。製造に用いる有機シラン化合物は、単量体であってもよいし、オリゴマーであってもよい。
第１の温度は、６０℃より高いことが好ましい。第１の温度が６０℃より高い場合、有機無機ハイブリッド材料の粘度が適度に高くなるため、有機無機ハイブリッド材料を扱い易い。第１の温度が６０℃より高い場合、有機無機ハイブリッド材料の数平均分子量は、例えば、３００以上である。

第１の温度は、８０℃未満であることが好ましい。第１の温度が８０℃未満である場合、有機無機ハイブリッド材料の粘度が適度に低くなるため、有機無機ハイブリッド材料を扱い易い。第１の温度が８０℃未満である場合、有機無機ハイブリッド材料の数平均分子量は、例えば、３０００未満である。

次に、ゾル溶液を第１の温度で真空加熱し、溶媒を気化させることで、粘性液体を得る。粘性液体は、本開示の有機無機ハイブリッド材料に該当する。例えば、粘性液体を第２の温度でさらに加熱し、硬化物とすることができる。硬化物も、本開示の有機無機ハイブリッド材料に該当する。第２の温度は、例えば、１００℃程度の温度である。

２．複合材料
本開示の複合材料は、本開示の有機無機ハイブリッド材料と、その有機無機ハイブリッド材料の中で分散しているＱＤと、を含む。有機無機ハイブリッド材料は、例えば、マトリックスである。

ＱＤとして、例えば、InP/ZnSコア・シェル型量子ドット、CdSe/CdSコアシェル型量子ドット、CdSe/ZnSコア・シェル型量子ドット、CdS/ZnSコア・シェル型量子ドット、ペロブスカイト量子ドット、炭素系量子ドット、WS₂及びMoS₂量子ドット、CdTeコア型量子ドット、PdSコア型量子ドット等が挙げられる。

ＱＤは、例えば、蛍光材料である。本開示の複合材料は、例えば、１００質量部の有機無機ハイブリッド材料に対し、０．１質量部以上１００質量部以下のＱＤを含む。

本開示の複合材料は、例えば、ＬＥＤの封止材、レンズ、シート、ファイバー、インク等の材料とすることができる。
本開示の複合材料は、例えば、以下の方法で製造できる。まず、上述した方法で、粘性液体の形態である有機無機ハイブリッド材料を製造する。次に、粘性液体の形態である有機無機ハイブリッド材料と、ＱＤとを混合することで複合材料を得る。次に、第２の温度で加熱し、硬化させることで、複合材料の硬化物を得る。

３．実施例
（１）複合材料の製造
実施例１～８及び比較例１～６の複合材料を、それぞれ、以下の方法で製造した。実施例１～８の場合は、表１に示す原料を混合し、７０℃で３時間加熱することで、ゾル溶液を得た。比較例１～６の場合は、表２に示す原料を混合し、７０℃で３時間加熱することで、ゾル溶液を得た。

表１及び表２において、VTESは、ビニルトリエトキシシランである。PhTESは、フェニルトリエトキシシランである。DMDPhSは、ジメトキシジフェニルシランである。MTESは、メチルトリエトキシシランである。DMDMSは、ジメトキシジメチルシランである。VTES、PhTES、DMDPhS、MTES、及びDMDMSは、それぞれ、有機シラン化合物に対応する。H₂O、EtOH、及びCH₃COOHは溶媒に対応する。

表１及び表２における「加熱温度（℃）」の行の数値は、原料を混合し、加熱するときの温度と、後述するようにゾル溶液を真空加熱するときの温度を表す。
次に、実施例１～８及び比較例１～６のそれぞれについて、ゾル溶液を７０℃で１０分間真空加熱し、溶媒を気化させることで、粘性液体を得た。粘性液体は、本開示の有機無機ハイブリッド材料に該当する。粘性液体は、有機シラン化合物が重合して成るポリマーである。

原料としてVTESを含む場合、有機無機ハイブリッド材料は、Ｒ^１として、VTESに由来するビニル基を含む。また、有機無機ハイブリッド材料は、式（１）におけるＯＸとして、VTESに由来するエトキシ基を含む。有機無機ハイブリッド材料における、VTESに由来するビニル基及びエトキシ基の量は、原料に含まれるVTESの量に比例する。

原料としてPhTESを含む場合、有機無機ハイブリッド材料は、Ｒ^２として、PhTESに由来するフェニル基を含む。また、有機無機ハイブリッド材料は、式（１）におけるＯＸとして、PhTESに由来するエトキシ基を含む。有機無機ハイブリッド材料における、PhTESに由来するフェニル基及びエトキシ基の量は、原料に含まれるPhTESの量に比例する。

原料としてDMDPhSを含む場合、有機無機ハイブリッド材料は、Ｒ^２として、DMDPhSに由来するフェニル基を含む。また、有機無機ハイブリッド材料は、式（１）におけるＯＸとして、DMDPhSに由来するメトキシ基を含む。有機無機ハイブリッド材料における、DMDPhSに由来するフェニル基及びメトキシ基の量は、原料に含まれるDMDPhSの量に比例する。

原料としてMTESを含む場合、有機無機ハイブリッド材料は、Ｒ^３として、MTESに由来するメチル基を含む。また、有機無機ハイブリッド材料は、式（１）におけるＯＸとして、MTESに由来するエトキシ基を含む。有機無機ハイブリッド材料における、MTESに由来するメチル基及びエトキシ基の量は、原料に含まれるMTESの量に比例する。

原料としてDMDMSを含む場合、有機無機ハイブリッド材料は、Ｒ^３として、DMDMSに由来するメチル基を含む。また、有機無機ハイブリッド材料は、式（１）におけるＯＸとして、DMDMSに由来するメトキシ基を含む。有機無機ハイブリッド材料における、DMDMSに由来するメチル基及びメトキシ基の量は、原料に含まれるDMDMSの量に比例する。

次に、実施例１～８及び比較例１～６のそれぞれについて、粘性液体の粘度及び数平均分子量を測定した。粘度の測定方法は以下のとおりであった。測定装置は、東機産業社製の「VISCOMETER TVE-25H」であった。ローターは、「1°34'×R24」であった。測定時の温度は２５℃であった。測定時におけるローターの回転数は５ｒｐｍであった。ローターの回転開始時点から２分間が経過したときの粘度を測定した。

数平均分子量の測定方法は以下のとおりであった。測定装置は、島津製作所社製の「Prominence-i LC-2030C LT」であった。カラムは、昭和電工社の「Shodex KF-804L」であった。溶媒は、テトラヒドロフランであった。測定時のサンプルの流速は１ｍｌ／ｍｉｎであった。測定時の温度は４０℃であった。粘度及び数平均分子量の測定結果を表１及び表２に示す。

次に、実施例１～８及び比較例１～６のそれぞれについて、０．０１ｇの粘性液体に６６６μｌのＱＤ溶液を添加し、混合することで、複合材料を製造した。複合材料において、ＱＤは均一に分散していた。ＱＤ溶液は、ペロブスカイト型（シグマアルドリッチ社、品番：905062）であった。

次に、実施例１～８及び比較例１～６のそれぞれについて、４０μｌの複合材料を、ガラス板の表面のうち、１ｃｍ角の部分に塗布した。次に、１００℃で１時間加熱することで、複合材料を硬化させる処理（以下では硬化処理とする）を行った。硬化処理において、有機無機ハイブリッド材料の架橋がさらに進行した。架橋が進行すると、式（１）におけるｄが減少し、ｅが増加する。

以上の工程により、硬化処理後の複合材料が得られた。硬化処理後の複合材料におけるａ、ｂ、ｃ、及びａ+ｂ+ｃを表１及び表２に示す。ａ+ｂ+ｃは、ａｂｃの和を意味する。
（２）複合材料の評価
実施例１～８及び比較例１～６のそれぞれについて、硬化処理後の複合材料に対し、以下の評価を行った。

（２－１）硬化性の評価
硬化処理後の複合材料に対し、スパーテルを接触させた。液体がスパーテルに付着しなかった場合は、硬化性が良好であると判断した。液体がスパーテルに付着した場合は、硬化性が不良であると判断した。評価結果を表１及び表２における「ＱＤ添加硬化」の行に示す。「○」は硬化性が良好であることを意味する。「×」は硬化性が不良であることを意味する。硬化性が良好である場合、硬化処理後の複合材料は硬化物に該当する。

（２－２）分散性の評価
キーエンス社の蛍光顕微鏡BZ-X800と、フィルター「TRITC」とを用いて、複合材料を観察した。５７０～６４０ｎｍの波長の蛍光が見られなかった場合は、分散性が良好であったと評価した。５７０～６４０ｎｍの波長の蛍光が見られた場合は、分散性が不良であったと評価した。評価結果を表１及び表２における「分散性」の行に示す。「○」は分散性が良好であることを意味する。「×」は分散性が不良であることを意味する。

なお、複合材料に含まれるＱＤは、４９５～５６５ｎｍの波長で蛍光を示す。ＱＤが凝集すると蛍光の波長が長波長側にシフトする。そのため、５７０～６４０ｎｍの波長で蛍光が見られた場合は、ＱＤが凝集し、分散性が不良である。

（２－３）クラックの評価
顕微鏡を用いて複合材料を観察し、２００μｍ角の中にあるクラックの本数を数えた。クラックの本数が０～４本の場合は、クラックが少ないと判断した。クラックの本数が５本以上である場合は、クラックが多いと判断した。判断結果を表１及び表２における「クラック発生」の行に示す。「○」はクラックが少ないことを意味する。「×」はクラックが多いことを意味する。

（２－４）その他の特性
実施例１～８の有機無機ハイブリッド材料は、透明性、耐熱性、及び耐光性に優れる。実施例１～８の有機無機ハイブリッド材料は、熱硬化性の有機無機ハイブリッド材料である。そのため、実施例１～８の有機無機ハイブリッド材料は、扱い易く、成形性を有する。
４．他の実施形態
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。

（１）有機無機ハイブリッド材料は、ＵＶ硬化するものであってもよい。
（２）有機無機ハイブリッド材料を、ＱＤと混合することなく硬化させてもよい。
（３）複合材料は、有機無機ハイブリッド材料、ＱＤに加えて、他の成分をさらに含んでいてもよい。

（４）上記各実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分担させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に発揮させたりしてもよい。また、上記各実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記各実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。

（５）上述した有機無機ハイブリッド材料の他、当該有機無機ハイブリッド材料を構成要素とする製品、有機無機ハイブリッド材料の製造方法、複合材料の製造方法等、種々の形態で本開示を実現することもできる。

Claims (2)

1. 平均組成式である式（１）により表される材料の硬化物である有機無機ハイブリッド材料。
   式（１） ＳｉＲ^１ _ａＲ^２ _ｂＲ^３ _ｃ（ＯＸ）_ｄ（Ｏ_１／２）_ｅ
   （式（１）におけるＲ^１は、ビニル基、アクリル基、メタクリル基、及びアリル基から成る群から選択される１以上である。式（１）におけるＲ^２は、フェニル基、４－メトキシフェニル基、及びベンジル基から成る群から選択される１以上である。式（１）におけるＲ^３は、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、ヘキシル基、ｎ－オクチル基、イソオクチル基、デシル基、ドデシル基、ヘキサデシル基、ｎ－オクタデシル基、及びオクタデシル基から成る群から選択される１以上である。式（１）におけるＸは水素又はアルキル基である。式（１）におけるＯ_１／２は架橋酸素である。式（１）におけるａは０．０４以上０．２６以下の数値である。式（１）におけるｂは０．１３以上の数値である。式（１）におけるｃは０．０９以上の数値である。式（１）におけるｄは０以上の数値である。式（１）におけるｅは０以上の数値である。ａ、ｂ、及びｃの和は１．０４以上１．４９以下である。ａ、ｂ、ｃ、ｄ、及びｅの和は４である。）
2. 請求項１に記載の有機無機ハイブリッド材料と、
   前記有機無機ハイブリッド材料の中で分散している量子ドットと、
   を含む複合材料。