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JP2024179552A - Surface-modified substrate and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP2024179552A
JP2024179552A JP2023098486A JP2023098486A JP2024179552A JP 2024179552 A JP2024179552 A JP 2024179552A JP 2023098486 A JP2023098486 A JP 2023098486A JP 2023098486 A JP2023098486 A JP 2023098486A JP 2024179552 A JP2024179552 A JP 2024179552A
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JP
Japan
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substrate
polymer
group
methacrylate
modified
Prior art date
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Pending
Application number
JP2023098486A
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Japanese (ja)
Inventor
広賢 佐藤
Hirotaka Sato
陽一 田儀
Yoichi Tagi
美保 谷嶋
Miho Yajima
拓海 荘司
Takumi Shoji
博之 嶋中
Hiroyuki Shimanaka
敬亘 辻井
Takanobu Tsujii
公洋 松川
Koyo Matsukawa
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dainichiseika Color and Chemicals Mfg Co Ltd
Kyoto University NUC
Original Assignee
Dainichiseika Color and Chemicals Mfg Co Ltd
Kyoto University NUC
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Publication date
Application filed by Dainichiseika Color and Chemicals Mfg Co Ltd, Kyoto University NUC filed Critical Dainichiseika Color and Chemicals Mfg Co Ltd
Priority to JP2023098486A priority Critical patent/JP2024179552A/en
Publication of JP2024179552A publication Critical patent/JP2024179552A/en
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Abstract

To provide a surface reformed substrate having a surface reformed film which is a low-friction concentrated polymer brush having excellent durability such as friction resistance.SOLUTION: A surface reformed substrate comprises: a substrate; and a surface reformed film which is provided for a surface of the substrate, and formed of a polymer having a constitutional unit (i) derived from methyl methacrylate and a constitutional unit (ii) derived from fluorinated alkyl methacrylate, where one terminal of the polymer is bonded to the surface of the substrate via a connection structure, fluorinated alkyl methacrylate is 2,2,2-trifluoroethyl methacrylate or the like, the ratio of the constitutional unit (ii) to the total of the constitutional unit (i) and the constitutional unit (ii) is 5 to 60 mol%, the number-average molecular weight of the polymer is 100,000 to 3,000,000, the molecular weight distribution is 1.1 to 2.0, the thickness of the surface reformed film is 0.1 to 5 μm, and the occupancy ratio σ* of the polymer to the surface of the substrate is 0.1 or more.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、表面改質基材及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a surface-modified substrate and a method for producing the same.

基材の改質方法として、その末端に基材と吸着又は反応しうる基を有するポリマーを基材に作用させることで、物理的又は化学的に結合したポリマー層を基材表面に形成する方法が知られている。また、基材表面に付与した重合性基を起点としてモノマーを重合させることで、基材表面からグラフトしたポリマー層を形成する方法も知られている。 A method for modifying a substrate is known in which a polymer having groups at its terminals that can adsorb or react with the substrate is applied to the substrate to form a physically or chemically bonded polymer layer on the substrate surface. Another method is known in which a polymerizable group added to the substrate surface is used as a starting point to polymerize a monomer to form a grafted polymer layer from the substrate surface.

近年、1990年代に発展したリビングラジカル重合の技術を利用し、基板上に高密度にグラフトされる、いわゆる「濃厚ポリマーブラシ」が研究されている。この濃厚ポリマーブラシでは、高分子鎖が1~4nm間隔の高密度で基板上にグラフトされている。このような濃厚ポリマーブラシによって基材の表面を改質し、低摩擦性、タンパク質吸着抑制、サイズ排除特性、親水性、及び撥水性等などの特性を付与しうることが知られている(特許文献1及び2、非特許文献1~3)。 In recent years, research has been conducted on so-called "concentrated polymer brushes" that are densely grafted onto a substrate using the technology of living radical polymerization developed in the 1990s. In these concentrated polymer brushes, polymer chains are grafted onto the substrate at high density with intervals of 1 to 4 nm. It is known that such concentrated polymer brushes can modify the surface of a substrate, imparting properties such as low friction, suppression of protein adsorption, size exclusion properties, hydrophilicity, and water repellency (Patent Documents 1 and 2, Non-Patent Documents 1 to 3).

特開2008-133434号公報JP 2008-133434 A 特開2010-261001号公報JP 2010-261001 A

Adv.Polym.Sci.,2006,197,1-45Adv. Polym. Sci. , 2006, 197, 1-45 J.Am.Chem.Soc.,2005,127,15843-15847J. Am. Chem. Soc. , 2005, 127, 15843-15847 Polym.Chem.,2012,3,148-153Polym. Chem. ,2012,3,148-153

しかし、近年、より低摩擦性の表面改質膜によって種々の基材の表面を容易に改質することが要求されている。また、使用状況によっては、表面改質膜を構成する機械的なエネルギーによってポリマーの分子鎖が切断され、低摩擦性等の性能が低下しやすくなることが指摘されていた。このため、より耐久性に優れた表面改質膜によって基材を表面改質することが望まれていた。 However, in recent years, there has been a demand for the ability to easily modify the surfaces of various substrates with surface modification films that have lower friction. It has also been pointed out that, depending on the conditions of use, the mechanical energy that constitutes the surface modification film can cut the polymer molecular chains, making it easier for performance such as low friction to decrease. For this reason, there has been a demand for surface modification of substrates with a surface modification film that has superior durability.

本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、耐摩擦性等の耐久性に優れた低摩擦性の濃厚ポリマーブラシである表面改質膜を有する表面改質基材を提供することにある。また、本発明の課題とするところは、上記の表面改質基材の製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in consideration of the problems associated with the conventional technology, and its object is to provide a surface-modified substrate having a surface-modified film that is a dense polymer brush with low friction and excellent durability, such as abrasion resistance. Another object of the present invention is to provide a method for producing the above-mentioned surface-modified substrate.

すなわち、本発明によれば、以下に示す表面改質基材が提供される。
[1]基材と、前記基材の表面に設けられる、メチルメタクリレートに由来する構成単位(i)及びフッ化アルキルメタクリレートに由来する構成単位(ii)を有するポリマーで形成された表面改質膜と、を備え、前記ポリマーの片末端が、連結構造を介して前記基材の表面に結合しており、前記フッ化アルキルメタクリレートが、2,2,2-トリフルオロエチルメタクリレート、2,2,3,3,3-ペンタフルオロプロピルメタクリレート、1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロイソプロピルメタクリレート、2,2,3,4,4,4-ヘキサフルオロブチルメタクリレート、2,2,3,3,4,4,4-ヘプタフルオロブチルメタクリレート、及び3,3,4,4,5,5,6,6,6-ノナフルオロヘキシルメタクリレートからなる群より選択される少なくとも一種であり、前記ポリマー中、前記構成単位(i)及び前記構成単位(ii)の合計の割合が、95質量%以上であり、前記構成単位(i)及び前記構成単位(ii)の合計に占める、前記構成単位(ii)の割合が、5~60mol%であり、前記ポリマーの数平均分子量が10万~300万、分子量分布(重量平均分子量/数平均分子量)が1.1~2.0であり、前記表面改質膜の厚さが0.1~5μmであり、前記基材の表面に占める前記ポリマーの占有率σ*が0.1以上である表面改質基材。
[2]前記表面改質膜が、第1のイオン液体を含有して膨潤している前記[1]に記載の表面改質基材。
[3]前記連結構造が、下記一般式(A)で表される前記[1]又は[2]に記載の表面改質基材。
That is, according to the present invention, there is provided a surface-modified substrate as shown below.
[1] A surface-modifying film comprising a substrate and a polymer having a structural unit (i) derived from methyl methacrylate and a structural unit (ii) derived from a fluoroalkyl methacrylate provided on a surface of the substrate, wherein one end of the polymer is bonded to the surface of the substrate via a linking structure, and the fluoroalkyl methacrylate is selected from the group consisting of 2,2,2-trifluoroethyl methacrylate, 2,2,3,3,3-pentafluoropropyl methacrylate, 1,1,1,3,3,3-hexafluoroisopropyl methacrylate, 2,2,3,4,4,4-hexafluorobutyl methacrylate, and 2,2,3,3,4,4,4-heptafluorobutyl The surface-modified substrate is at least one selected from the group consisting of methacrylate, 3,3,4,4,5,5,6,6,6-nonafluorohexyl methacrylate, and 3,3,4,4,5,5,6,6,6-nonafluorohexyl methacrylate, wherein the total proportion of the structural units (i) and (ii) in the polymer is 95 mass% or more, the proportion of the structural units (ii) in the total of the structural units (i) and (ii) is 5 to 60 mol%, the number average molecular weight of the polymer is 100,000 to 3,000,000, the molecular weight distribution (weight average molecular weight/number average molecular weight) is 1.1 to 2.0, the thickness of the surface-modified film is 0.1 to 5 μm, and the occupancy rate σ* of the polymer on the surface of the substrate is 0.1 or more.
[2] The surface-modified substrate according to [1], wherein the surface-modified film is swollen containing a first ionic liquid.
[3] The surface-modified substrate according to [1] or [2], wherein the linking structure is represented by the following general formula (A):

Figure 2024179552000001
(前記一般式(A)中、Rは、水素原子、アルキル基、アシル基、又はアリール基を示し、Rは、アルキル基又はアリール基を示し、「Polymer」は前記ポリマーを示し、Yは、O又はNHを示し、「*」は前記基材側の結合位置を示す)
Figure 2024179552000001
(In the general formula (A), R1 represents a hydrogen atom, an alkyl group, an acyl group, or an aryl group, R2 represents an alkyl group or an aryl group, "Polymer" represents the polymer, Y represents O or NH, and "*" represents a bonding position on the substrate side.)

また、本発明によれば、以下に示す表面改質基材の製造方法が提供される。
[4]前記[1]~[3]のいずれかに記載の表面改質基材の製造方法であって、前記基材の表面に下記一般式(1)で表される重合開始基が結合した開始基付与基材を用意する工程と、前記開始基付与基材及び第2のイオン液体を含有する重合溶媒の存在下、前記メチルメタクリレート及び前記フッ化アルキルメタクリレートを含むモノマーを10~500MPaの圧力条件下で表面開始リビングラジカル重合して、前記連結構造を介して前記基材の表面にその片末端が結合した前記ポリマーを形成し、前記ポリマーで形成された前記表面改質膜を前記基材の表面に設ける工程と、を有する表面改質基材の製造方法。
The present invention also provides a method for producing a surface-modified substrate, as described below.
[4] A method for producing a surface-modified substrate according to any one of [1] to [3] above, comprising the steps of: preparing an initiator group-imparting substrate having a polymerization initiating group represented by the following general formula (1) bonded to the surface of the substrate; and in the presence of the initiator group-imparting substrate and a polymerization solvent containing a second ionic liquid, surface-initiated living radical polymerization of a monomer containing the methyl methacrylate and the fluoroalkyl methacrylate under a pressure condition of 10 to 500 MPa to form the polymer having one end bonded to the surface of the substrate via the linking structure, and providing the surface-modified film formed of the polymer on the surface of the substrate.

Figure 2024179552000002
(前記一般式(1)中、Rは、水素原子、アルキル基、アシル基、又はアリール基を示し、Rは、アルキル基又はアリール基を示し、Xは、塩素原子、臭素原子、又はヨウ素原子を示し、Yは、O又はNHを示す)
Figure 2024179552000002
(In the general formula (1), R1 represents a hydrogen atom, an alkyl group, an acyl group, or an aryl group; R2 represents an alkyl group or an aryl group; X represents a chlorine atom, a bromine atom, or an iodine atom; and Y represents O or NH.)

[5]前記第2のイオン液体が、N-(2-メトキシエチル)-N-メチルピロリジウムビス(トリフルオロメタンスルホニルイミド)、及びN,N-ジエチル-N-(2-メトキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニルイミド)からなる群より選択される少なくとも一種である前記[4]に記載の表面改質基材の製造方法。 [5] The method for producing a surface-modified substrate according to [4], wherein the second ionic liquid is at least one selected from the group consisting of N-(2-methoxyethyl)-N-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonylimide) and N,N-diethyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium bis(trifluoromethanesulfonylimide).

本発明によれば、耐摩擦性等の耐久性に優れた低摩擦性の濃厚ポリマーブラシである表面改質膜を有する表面改質基材を提供することができる。また、本発明によれば、上記の表面改質基材の製造方法を提供することができる。本発明の表面改質基材は、十分な膜厚を有するとともに、低摩擦性及び耐久性に優れた濃厚ポリマーブラシである表面改質膜を有するため、低摩擦性及び耐久性が必要とされる摺動部材、摺動部品、及びシール材等を構成するための材料として有用である。 According to the present invention, it is possible to provide a surface-modified substrate having a surface-modified film that is a dense polymer brush with low friction and excellent durability such as abrasion resistance. In addition, according to the present invention, it is possible to provide a method for producing the above-mentioned surface-modified substrate. The surface-modified substrate of the present invention has a sufficient film thickness and has a surface-modified film that is a dense polymer brush with low friction and excellent durability, and is therefore useful as a material for constituting sliding members, sliding parts, sealing materials, etc. that require low friction and durability.

<表面改質基材>
以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。本発明の表面改質基材の一実施形態は、基材と、この基材の表面に設けられる、メチルメタクリレートに由来する構成単位(i)及びフッ化アルキルメタクリレートに由来する構成単位(ii)を有するポリマーで形成された表面改質膜と、を備えるものであり、ポリマーの片末端が、連結構造を介して基材の表面に結合している。表面改質膜を形成するポリマー中、構成単位(i)及び構成単位(ii)の合計の割合は、95質量%以上であり、構成単位(i)及び構成単位(ii)の合計に占める、構成単位(ii)の割合は、5~60mol%である。また、表面改質膜を形成するポリマーの数平均分子量は10万~300万、分子量分布(重量平均分子量/数平均分子量)は1.1~2.0である。そして、表面改質膜の厚さは0.1~5μmであり、基材の表面に占めるポリマーの占有率σ*が0.1以上である。以下、本発明の表面改質基材の詳細について説明する。
<Surface-modified substrate>
Hereinafter, the embodiment of the present invention will be described, but the present invention is not limited to the following embodiment. One embodiment of the surface-modified substrate of the present invention comprises a substrate and a surface-modified film formed of a polymer having a structural unit (i) derived from methyl methacrylate and a structural unit (ii) derived from fluoroalkyl methacrylate, which is provided on the surface of the substrate, and one end of the polymer is bonded to the surface of the substrate via a linking structure. In the polymer forming the surface-modified film, the total ratio of the structural unit (i) and the structural unit (ii) is 95 mass% or more, and the ratio of the structural unit (ii) to the total of the structural unit (i) and the structural unit (ii) is 5 to 60 mol%. In addition, the number average molecular weight of the polymer forming the surface-modified film is 100,000 to 3,000,000, and the molecular weight distribution (weight average molecular weight / number average molecular weight) is 1.1 to 2.0. And, the thickness of the surface-modified film is 0.1 to 5 μm, and the occupancy rate σ* of the polymer on the surface of the substrate is 0.1 or more. Hereinafter, the details of the surface-modified substrate of the present invention will be described.

(基材)
基材の種類は特に限定されず、天然物、人工物、無機部材、及び有機部材のいずれであっても用いることができる(但し、ビニルアルコール単位を有するポリマーを含む基材を除く)。基材の形状も特に限定されず、塊状物、粉末、シート、フィルム、ペレット、及び板等のさまざまな形状の基材を用いることができる。本実施形態の表面改質基材は、例えば、重合開始基を付与した基材を重合溶媒に浸漬した状態でモノマーを重合して製造される。このため、重合溶液に溶解等せずに耐えうる基材を用いることが好ましい。基材の具体例としては、金属、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、セラミックス、木材、ケイ素化合物、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、セルロース、及びガラス等の材料で形成されたフィルム、繊維、及びシート等を挙げることができる。
(Substrate)
The type of substrate is not particularly limited, and any of natural products, artificial materials, inorganic materials, and organic materials can be used (excluding substrates containing a polymer having a vinyl alcohol unit). The shape of the substrate is also not particularly limited, and substrates of various shapes such as lumps, powders, sheets, films, pellets, and plates can be used. The surface-modified substrate of this embodiment is produced, for example, by polymerizing a monomer while a substrate to which a polymerization initiator group has been added is immersed in a polymerization solvent. For this reason, it is preferable to use a substrate that can withstand the polymerization solution without dissolving in the polymerization solution. Specific examples of substrates include films, fibers, and sheets formed of materials such as metals, metal oxides, metal nitrides, metal carbides, ceramics, wood, silicon compounds, thermoplastic resins, thermosetting resins, cellulose, and glass.

基材には表面処理が施されていてもよい。表面処理としては、シランカップリング処理、シリカコート処理、及びシリカアルミナ処理等の無機処理;プラズマ処理、紫外線照射処理、オゾン酸化処理、放射線処理、X線処理、電子線処理、及びレーザー処理等の洗浄・活性化処理;等を挙げることができる。 The substrate may be subjected to a surface treatment. Examples of the surface treatment include inorganic treatments such as silane coupling treatment, silica coating treatment, and silica alumina treatment; and cleaning and activation treatments such as plasma treatment, ultraviolet irradiation treatment, ozone oxidation treatment, radiation treatment, X-ray treatment, electron beam treatment, and laser treatment.

(表面改質膜)
表面改質膜を形成するポリマーの片末端は、連結構造を介して基材の表面に結合している。すなわち、本実施形態の表面改質基材は、基材の表面からブラシ状のポリマーが濃密に生成した濃厚ポリマーブラシである表面改質膜を備える。
(Surface modified film)
One end of the polymer forming the surface-modified film is bonded to the surface of the substrate via a linking structure. That is, the surface-modified substrate of this embodiment has a surface-modified film that is a dense polymer brush formed by densely generating brush-like polymers on the surface of the substrate.

濃厚ポリマーブラシである表面改質膜(ポリマー層)を形成するポリマーは、メチルメタクリレートに由来する構成単位(i)及びフッ化アルキルメタクリレートに由来する構成単位(ii)を有する。なお、ポリマーは、メチルメタクリレートに由来する構成単位(i)及びフッ化アルキルメタクリレートに由来する構成単位(ii)のみで実質的に形成されていることが好ましい。フッ化アルキルメタクリレートに由来する構成単位(ii)を有するポリマーを用いることで、表面改質膜の耐熱性の向上が期待される。また、フッ素と炭素の高結合力エネルギーにより、表面改質膜の耐荷重性及び耐摩擦耐久性の向上につながると考えられる。さらに、フッ素の低表面自由エネルギーにより、摺動部品においての相手面との凝着力が小さくなり、摺動部品の起動トルクの低下、及び低摩擦性の向上が期待される。 The polymer forming the surface-modified film (polymer layer) which is a concentrated polymer brush has a structural unit (i) derived from methyl methacrylate and a structural unit (ii) derived from fluoroalkyl methacrylate. It is preferable that the polymer is substantially formed only from the structural unit (i) derived from methyl methacrylate and the structural unit (ii) derived from fluoroalkyl methacrylate. By using a polymer having the structural unit (ii) derived from fluoroalkyl methacrylate, the heat resistance of the surface-modified film is expected to be improved. In addition, the high bond energy between fluorine and carbon is thought to lead to improved load-bearing and friction-resistant durability of the surface-modified film. Furthermore, the low surface free energy of fluorine reduces the adhesive force with the mating surface of the sliding part, and it is expected to reduce the starting torque of the sliding part and improve low friction.

フッ化アルキルメタクリレートは、2,2,2-トリフルオロエチルメタクリレート、2,2,3,3,3-ペンタフルオロプロピルメタクリレート、1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロイソプロピルメタクリレート、2,2,3,4,4,4-ヘキサフルオロブチルメタクリレート、2,2,3,3,4,4,4-ヘプタフルオロブチルメタクリレート、及び3,3,4,4,5,5,6,6,6-ノナフルオロヘキシルメタクリレートからなる群より選択される少なくとも一種である。フッ化アルキルメタクリレートのフッ化アルキル基が長すぎると、形成される表面改質膜が軟質になる場合がある。なお、パーフルオロアルキル化合物については、近年、蓄積性及び難分解性等の観点から規制が高まる傾向にあるが、上記のフッ化アルキルメタクリレートは性能のみならず、環境の観点からも好適である。 The fluorinated alkyl methacrylate is at least one selected from the group consisting of 2,2,2-trifluoroethyl methacrylate, 2,2,3,3,3-pentafluoropropyl methacrylate, 1,1,1,3,3,3-hexafluoroisopropyl methacrylate, 2,2,3,4,4,4-hexafluorobutyl methacrylate, 2,2,3,3,4,4,4-heptafluorobutyl methacrylate, and 3,3,4,4,5,5,6,6,6-nonafluorohexyl methacrylate. If the fluorinated alkyl group of the fluorinated alkyl methacrylate is too long, the surface modified film formed may be soft. In recent years, there has been a trend toward increased regulation of perfluoroalkyl compounds due to their accumulation and difficulty in decomposing, but the above-mentioned fluorinated alkyl methacrylates are suitable not only from the viewpoint of performance but also from the viewpoint of the environment.

表面改質膜を形成するポリマーが、フッ化アルキルメタクリレートに由来する構成単位(ii)のみで構成されていると、一般的に用いられる有機溶剤やイオン液体にポリマーが溶解及び膨潤しにくくなる。このため、ポリマーは、メチルメタクリレートに由来する構成単位(i)を有する。フッ化アルキルメタクリレートと共重合させるモノマーが、メチルメタクリレート以外のメタクリレートであると、立体障害等によって十分な分子量のポリマーを合成することが困難になる場合があるとともに、得られるポリマーのガラス転移温度が低下することがあり、耐久性が低下しやすくなる。 If the polymer forming the surface-modified film is composed only of structural units (ii) derived from fluoroalkyl methacrylate, the polymer will be less likely to dissolve and swell in commonly used organic solvents or ionic liquids. For this reason, the polymer has structural units (i) derived from methyl methacrylate. If the monomer copolymerized with fluoroalkyl methacrylate is a methacrylate other than methyl methacrylate, it may be difficult to synthesize a polymer with sufficient molecular weight due to steric hindrance, etc., and the glass transition temperature of the resulting polymer may decrease, making it more likely to have reduced durability.

ポリマー中、構成単位(i)及び構成単位(ii)の合計に占める、構成単位(ii)の割合は5~60mol%であり、好ましくは10~50mol%である。構成単位(ii)の割合が5mol%未満であると、フッ素原子の効果が十分に発揮されない。一方、構成単位(ii)の割合が60mol%超であると、一般的に用いられる有機溶剤やイオン液体にポリマーが溶解及び膨潤しにくくなる。 In the polymer, the proportion of structural unit (ii) in the total of structural unit (i) and structural unit (ii) is 5 to 60 mol%, and preferably 10 to 50 mol%. If the proportion of structural unit (ii) is less than 5 mol%, the effect of the fluorine atoms is not fully exerted. On the other hand, if the proportion of structural unit (ii) is more than 60 mol%, the polymer becomes difficult to dissolve and swell in commonly used organic solvents and ionic liquids.

表面改質膜を形成するポリマー中、構成単位(i)及び構成単位(ii)の合計の割合は、95質量%以上であり、好ましくは98質量%以上、さらに好ましくは100質量%である。ポリマーは、5質量%未満であれば、構成単位(i)及び構成単位(ii)以外のその他の構成単位をさらに有してもよい。その他の構成単位を構成するモノマーとしては、メチルメタクリレート以外のメタクリレート(その他のメタクリレート)を挙げることができる。その他のメタクリレートとしては、エチル、プロピル、ブチル、イソブチル、t-ブチル、ヘキシル、オクチル、2-エチルヘキシル、デシル、イソデシル、ドデシル、ステアリル、ベヘニル、シクロヘキシル、t-ブチルシクロヘキシル、トリメチルシクロヘキシル、トリシクロデシル、イソボルニル、アダマンチル、フェニル、及びベンジル等の脂肪族アルキル、脂環族アルキル、芳香族のメタクリレート;テトラヒドロフルフリル、ジメチルアミノエチル、ジエチルアミノエチル、t-ブチルアミノエチル、トリフルオロメチル、パーフルオロオクチル、及びトリメチルシリル等の酸素、窒素、フッ素、ケイ素等を有するアルコールのエステル化物であるメタクリレート;等を挙げることができる。なかでも、ポリマーを架橋させたり、他の化合物を反応させたりして、機能性及び耐久性を付与することが可能であることから、官能基を有するメタクリレートを用いることが好ましい。官能基を有するメタクリレートとしては、ヒドロキシアルキルメタクリレート、3-クロロ-2-ヒドロキシプロピルメタクリレート、グリシジルメタクリレート、エポキシシクロヘキシルメチルメタアクリレート、メタクリロイルオキシエチルイソシアネート、及びブロック化されたメタクリロイルオキシエチルイソシアネート等を挙げることができる。 In the polymer forming the surface-modified film, the total proportion of the structural unit (i) and the structural unit (ii) is 95% by mass or more, preferably 98% by mass or more, and more preferably 100% by mass. The polymer may further have other structural units other than the structural unit (i) and the structural unit (ii) as long as the other structural units are less than 5% by mass. Examples of monomers constituting the other structural units include methacrylates other than methyl methacrylate (other methacrylates). Other methacrylates include aliphatic alkyl, alicyclic alkyl, and aromatic methacrylates such as ethyl, propyl, butyl, isobutyl, t-butyl, hexyl, octyl, 2-ethylhexyl, decyl, isodecyl, dodecyl, stearyl, behenyl, cyclohexyl, t-butylcyclohexyl, trimethylcyclohexyl, tricyclodecyl, isobornyl, adamantyl, phenyl, and benzyl; methacrylates which are esters of alcohols having oxygen, nitrogen, fluorine, silicon, and the like, such as tetrahydrofurfuryl, dimethylaminoethyl, diethylaminoethyl, t-butylaminoethyl, trifluoromethyl, perfluorooctyl, and trimethylsilyl; and the like. Among these, it is preferable to use a methacrylate having a functional group, since it is possible to impart functionality and durability by crosslinking the polymer or reacting it with other compounds. Examples of methacrylates having functional groups include hydroxyalkyl methacrylate, 3-chloro-2-hydroxypropyl methacrylate, glycidyl methacrylate, epoxycyclohexylmethyl methacrylate, methacryloyloxyethyl isocyanate, and blocked methacryloyloxyethyl isocyanate.

表面改質膜を形成するポリマーの片末端は、連結構造を介して基材の表面に結合している。連結構造としては、例えば、下記一般式(A)で表される構造を挙げることができる。 One end of the polymer that forms the surface-modified film is bonded to the surface of the substrate via a linking structure. An example of the linking structure is the structure represented by the following general formula (A).

Figure 2024179552000003
(前記一般式(A)中、Rは、水素原子、アルキル基、アシル基、又はアリール基を示し、Rは、アルキル基又はアリール基を示し、「Polymer」は前記ポリマーを示し、Yは、O又はNHを示し、「*」は前記基材側の結合位置を示す)
Figure 2024179552000003
(In the general formula (A), R 1 represents a hydrogen atom, an alkyl group, an acyl group, or an aryl group, R 2 represents an alkyl group or an aryl group, "Polymer" represents the polymer, Y represents O or NH, and "*" represents a bonding position on the substrate side.)

ポリマーの数平均分子量(Mn)は10万~300万であり、好ましくは50万~200万である。ポリマーのMnが10万未満であると、表面改質膜の厚さが不足する。一方、Mnが300万超のポリマーを重合することは困難であるとともに、副反応での停止反応が多く進行し、分子量分布(PDI)が過度に大きくなる場合がある。なお、本明細書におけるポリマーのMn及びMwは、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GC)により測定されるポリメチルメタクリレート換算の値である。 The number average molecular weight (Mn) of the polymer is 100,000 to 3,000,000, preferably 500,000 to 2,000,000. If the Mn of the polymer is less than 100,000, the thickness of the surface modification film is insufficient. On the other hand, it is difficult to polymerize a polymer with an Mn of more than 3,000,000, and many termination reactions occur as side reactions, which may result in an excessively large molecular weight distribution (PDI). Note that the Mn and Mw of the polymer in this specification are values calculated as polymethyl methacrylate measured by gel permeation chromatography (GC).

ポリマーの分子量分布(PDI=重量平均分子量(Mw)/数平均分子量(Mn))は1.1~2.0であり、好ましくは1.15~1.8、さらに好ましくは1.2~1.6である。PDIは、ポリマーの分子量のバラツキを表す指標となる物性値である。PDIが2.0超であると、分子量のバラツキが大きいため、形成される表面改質膜の表面に分子量の大きい(長い)分子鎖が突出しやすくなり、濃厚ポリマーブラシの特徴が損なわれる場合がある。 The molecular weight distribution of the polymer (PDI = weight average molecular weight (Mw) / number average molecular weight (Mn)) is 1.1 to 2.0, preferably 1.15 to 1.8, and more preferably 1.2 to 1.6. PDI is a physical property that serves as an index of the variation in the molecular weight of a polymer. If the PDI exceeds 2.0, the variation in molecular weight is large, so that molecular chains with large molecular weight (long) tend to protrude from the surface of the surface-modified film formed, which may impair the characteristics of the dense polymer brush.

ポリマーの分子量は、例えば、表面改質基材をアルカリ等で処理し、基材との結合部分を切断して得た表面改質膜を試料とし、GPCによって測定することができる。なお、リビングラジカル重合でポリマーを合成する場合、重合開始基から均一に重合が進行する。このため、エチルイソ酪酸ブロマイド等の単官能の重合開始化合物をポリマーの重合系に配合しておけば、単官能の重合開始化合物から伸長したポリマーの分子量を、基材の表面から伸長したポリマーの分子量と同一であると見積もることができる。 The molecular weight of the polymer can be measured by GPC using a surface-modified film obtained by treating the surface-modified substrate with an alkali or the like and cleaving the bond with the substrate as a sample. When synthesizing a polymer by living radical polymerization, polymerization proceeds uniformly from the polymerization initiator group. Therefore, if a monofunctional polymerization initiator compound such as ethyl isobutyric acid bromide is added to the polymer polymerization system, the molecular weight of the polymer extended from the monofunctional polymerization initiator compound can be estimated to be the same as the molecular weight of the polymer extended from the surface of the substrate.

表面改質膜の厚さ(乾燥膜厚)は0.1~5μmであり、好ましくは0.2~3μm、さらに好ましくは0.4~1.5μmである。表面改質膜の厚さが0.1μm未満であると、薄過ぎるため、摺動部材として使用した場合に、相手面の表面粗さが表面改質膜の厚さよりも粗くなることがあり、表面改質膜が削られやすくなる場合がある。一方、表面改質膜の厚さが5μm超であると、ポリマーの重合時間が過度に長くなるとともに、ポリマーの分子量分布が過度に広くなることがある。 The thickness of the surface modification film (dry film thickness) is 0.1 to 5 μm, preferably 0.2 to 3 μm, and more preferably 0.4 to 1.5 μm. If the thickness of the surface modification film is less than 0.1 μm, it is too thin, and when used as a sliding member, the surface roughness of the mating surface may be rougher than the thickness of the surface modification film, and the surface modification film may be easily scraped off. On the other hand, if the thickness of the surface modification film is more than 5 μm, the polymerization time of the polymer may become excessively long and the molecular weight distribution of the polymer may become excessively broad.

表面改質膜の厚さのバラツキは、表面改質膜の平均厚さを基準として、±20%以内であることが好ましく、±10%以内であることがさらに好ましい。表面改質膜の平均厚さは、任意の10箇所で測定した表面改質膜の厚さの平均値である。表面改質膜の厚さのバラツキが±20%超であると、表面改質膜の表面の平滑性がやや低下し、ブラシ効果が不十分になる場合がある。 The variation in thickness of the surface-modified film is preferably within ±20%, and more preferably within ±10%, based on the average thickness of the surface-modified film. The average thickness of the surface-modified film is the average value of the thicknesses of the surface-modified film measured at any 10 points. If the variation in thickness of the surface-modified film exceeds ±20%, the surface smoothness of the surface-modified film may decrease slightly, and the brush effect may become insufficient.

基材の表面に占めるポリマーの占有率(表面占有率σ*)は0.1以上であり、好ましくは0.1~1.0、さらに好ましくは0.15~0.8である。ポリマーの表面占有率σ*を上記範囲内とすることで、濃厚ポリマーブラシとしての特性を発揮させることができる。すなわち、濃厚ポリマーブラシであるポリマーによって表面改質膜を形成したことで有効なブラシ効果が発揮され、様々な用途での使用が可能となる。そして、極低摩擦性による摩擦エネルギーロス低減や摩耗を防止することで、高寿命化、サイズ排除特性による抗菌・抗ウィルス性、耐汚染性、タンパク質付着防止性等の効果、液保持性による高潤滑性、高すべり性等の効果を基材に付与することができる。 The occupancy rate of the polymer on the surface of the substrate (surface occupancy rate σ*) is 0.1 or more, preferably 0.1 to 1.0, and more preferably 0.15 to 0.8. By setting the surface occupancy rate σ* of the polymer within the above range, the characteristics of a dense polymer brush can be exhibited. In other words, by forming a surface modified film with a polymer that is a dense polymer brush, an effective brush effect is exhibited, making it possible to use it in a variety of applications. Furthermore, by reducing frictional energy loss and preventing wear due to the extremely low friction, the substrate can be given effects such as a long life, antibacterial and antiviral properties due to size exclusion properties, contamination resistance, and protein adhesion prevention, as well as high lubricity and high slipperiness due to liquid retention.

表面占有率σ*は、下記式(X)により算出される「グラフト密度σ(本/nm)」を用いて、下記式(Y)にしたがって算出することができる。
σ=dLNAMn ・・・(X)
d:ポリマーの密度
L:表面改質膜(ポリマー層)の厚さ
NA:アボガドロ数
Mn:ポリマーの数平均分子量
σ*=aσ ・・・(Y)
:モノマー断面積
The surface occupancy σ* can be calculated according to the following formula (Y) using the "graft density σ (pieces/nm 2 )" calculated by the following formula (X).
σ=dLNAMn...(X)
d: density of polymer L: thickness of surface modification film (polymer layer) NA: Avogadro's number Mn: number average molecular weight of polymer σ*=a 2 σ...(Y)
a2 : Monomer cross-sectional area

表面改質膜の厚さは、例えば、エリプソメータ、電子顕微鏡、原子間力顕微鏡等を使用し、従来公知の方法にしたがって測定することができる。ポリマーの密度は、従来公知の文献に記載された値や、JIS K 7112:1999等に記載された方法にしたがって測定した値を用いることができる。 The thickness of the surface modification film can be measured by a conventional method using, for example, an ellipsometer, an electron microscope, or an atomic force microscope. The density of the polymer can be measured by values described in conventional literature or by a method described in JIS K 7112:1999, etc.

表面改質膜は、溶媒を含有して膨潤していることが、より有効なブラシ効果が発揮されるために好ましい。表面改質膜を膨潤させる溶媒としては、ポリマーを溶解しうる親和性のある液媒体を用いることが好ましい。このような液媒体でポリマー層を膨潤させることで、表面改質膜の厚さを1.1~4倍にまで増大させることもできる。 It is preferable that the surface-modified film contains a solvent and swells in order to achieve a more effective brush effect. As a solvent for swelling the surface-modified film, it is preferable to use a liquid medium that has an affinity for dissolving the polymer. By swelling the polymer layer with such a liquid medium, the thickness of the surface-modified film can be increased by up to 1.1 to 4 times.

表面改質膜を膨潤させる溶媒(液媒体)としては、水系潤滑材や潤滑油等を挙げることができる。水系潤滑材としては、水、グリセリン、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール等を挙げることができる。潤滑油としては、炭化水素系潤滑油、エステル系潤滑油、シリコーンオイル、及びイオン液体等を挙げることができる。これらの液媒体で表面改質膜を膨潤させることで、極低摩擦性、サイズ排除特性、及び高液保持性等のブラシ効果を有効に発揮させることができる。これにより、省エネルギー、高寿命、及び高性能化等の特性が付与された各種の物品を提供することができる。 Examples of solvents (liquid media) that swell the surface-modified film include water-based lubricants and lubricating oils. Examples of water-based lubricants include water, glycerin, polyethylene glycol, and polypropylene glycol. Examples of lubricating oils include hydrocarbon-based lubricating oils, ester-based lubricating oils, silicone oils, and ionic liquids. By swelling the surface-modified film with these liquid media, the brush effect, which includes extremely low friction, size exclusion properties, and high liquid retention, can be effectively exerted. This makes it possible to provide various articles that are endowed with properties such as energy saving, long life, and high performance.

なかでも、表面改質膜は、イオン液体(第1のイオン液体)を含有して膨潤していることが好ましい。イオン液体は、不揮発性であるとともに不燃性である。このため、表面改質膜を膨潤させる液媒体としてイオン液体を用いることで、表面改質膜の表面を部材等で摺動した場合であっても揮発や発火しにくく、安全性及び長期耐久性を保持することができる。イオン液体は、有機塩構造を有する、室温付近で液状の化合物である。イオン液体を構成するカチオンとしては、ホスホニウムカチオン、アンモニウムカチオン、イミダゾリウムカチオン、及びピリジニウムカチオン等を挙げることができる。イオン液体を構成するアニオンとしては、塩素アニオン、臭素アニオン、ヨウ素アニオン、スルホネートアニオン、スルホンイミドアニオン、テトラフロロホウ素アニオン、及びヘキサフルオロリンアニオン等を挙げることができる。表面改質膜を膨潤する第1のイオン液体は、ポリマーの溶解性、低摩擦性、高極性、及び重合の進行性等の観点から、N-(2-メトキシエチル)-N-メチルピロリジウムビス(トリフルオロメタンスルホニルイミド)、及びN,N-ジエチル-N-(2-メトキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニルイミド)からなる群より選択される少なくとも一種が好ましい。 In particular, the surface-modified film is preferably swollen with an ionic liquid (first ionic liquid). The ionic liquid is nonvolatile and nonflammable. Therefore, by using the ionic liquid as a liquid medium for swelling the surface-modified film, the film is less likely to volatilize or ignite even when the surface of the surface-modified film is rubbed with a member or the like, and safety and long-term durability can be maintained. The ionic liquid is a compound having an organic salt structure and is liquid at around room temperature. Examples of the cations constituting the ionic liquid include phosphonium cations, ammonium cations, imidazolium cations, and pyridinium cations. Examples of the anions constituting the ionic liquid include chlorine anions, bromine anions, iodine anions, sulfonate anions, sulfonimide anions, tetrafluoroboron anions, and hexafluorophosphate anions. From the viewpoints of polymer solubility, low friction, high polarity, and polymerization progress, the first ionic liquid that swells the surface-modified film is preferably at least one selected from the group consisting of N-(2-methoxyethyl)-N-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonylimide) and N,N-diethyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium bis(trifluoromethanesulfonylimide).

表面改質膜は、基材の表面全体に設けてもよく、基材の表面の一部に設けてもよい。表面改質膜を設けていない基材の表面には、他の表面処理やコーティング等を施してもよい。例えば、フィルム状の基材の一方の面に表面改質膜を設けるとともに、他方の面に粘着層や粘着層を設けることで、種々の物品等に貼り付けて用いることが可能な表面改質基材とすることができる。 The surface-modifying film may be provided on the entire surface of the substrate, or on a portion of the surface of the substrate. The surface of the substrate on which the surface-modifying film is not provided may be subjected to other surface treatments, coatings, etc. For example, by providing a surface-modifying film on one side of a film-like substrate and providing an adhesive layer or a pressure-sensitive adhesive layer on the other side, a surface-modified substrate that can be attached to various articles, etc. can be produced.

本実施形態の表面改質基材は、十分な厚さを有するとともに、基材から脱離しにくく、耐摩耗性等の耐久性に優れた濃厚ポリマーブラシである表面改質膜を備える。このため、本実施形態の表面改質基材は、例えば、機械・装置、ロボット、家電、乗り物、航空機、及び宇宙関係等の摺動部品として好適である。さらに、表面改質膜を溶媒(液媒体)によって膨潤させることで、省エネルギー、高寿命、及び高性能化等の特性が付与された各種の物品を提供することができる。 The surface-modified substrate of this embodiment has a surface-modified film that is a dense polymer brush that has sufficient thickness, is not easily detached from the substrate, and has excellent durability such as abrasion resistance. Therefore, the surface-modified substrate of this embodiment is suitable for use as sliding parts for, for example, machines and devices, robots, home appliances, vehicles, aircraft, and space-related items. Furthermore, by swelling the surface-modified film with a solvent (liquid medium), it is possible to provide various articles that are endowed with properties such as energy saving, long life, and high performance.

<表面改質基材の製造方法>
本実施形態の表面改質基材は、例えば、以下に示す方法によって製造することができる。すなわち、本発明の表面改質基材の製造方法の一実施形態は、前述の表面改質基材を製造する方法であり、基材の表面に下記一般式(1)で表される重合開始基が結合した開始基付与基材を用意する工程と、開始基付与基材及び第2のイオン液体を含有する重合溶媒の存在下、メチルメタクリレート及びフッ化アルキルメタクリレートを含むモノマーを10~500MPaの圧力条件下で表面開始リビングラジカル重合して、連結構造を介して基材の表面にその片末端が結合したポリマーを形成し、ポリマーで形成された表面改質膜を基材の表面に設ける工程と、を有する。
<Method for producing surface-modified substrate>
The surface-modified substrate of this embodiment can be produced, for example, by the method shown below. That is, one embodiment of the method for producing a surface-modified substrate of the present invention is a method for producing the above-mentioned surface-modified substrate, which includes a step of preparing an initiator-imparted substrate having a polymerization initiation group represented by the following general formula (1) bonded to the surface of the substrate, and a step of surface-initiated living radical polymerization of a monomer containing methyl methacrylate and a fluoroalkyl methacrylate under a pressure condition of 10 to 500 MPa in the presence of a polymerization solvent containing an initiator-imparted substrate and a second ionic liquid to form a polymer having one end bonded to the surface of the substrate via a linking structure, and a step of providing a surface-modified film formed of the polymer on the surface of the substrate.

Figure 2024179552000004
(前記一般式(1)中、Rは、水素原子、アルキル基、アシル基、又はアリール基を示し、Rは、アルキル基又はアリール基を示し、Xは、塩素原子、臭素原子、又はヨウ素原子を示し、Yは、O又はNHを示す)
Figure 2024179552000004
(In the general formula (1), R1 represents a hydrogen atom, an alkyl group, an acyl group, or an aryl group; R2 represents an alkyl group or an aryl group; X represents a chlorine atom, a bromine atom, or an iodine atom; and Y represents O or NH.)

従来、基材の表面からビニル系ポリマーをグラフトさせることで、基材の表面を改質する方法が知られている。基材の表面からポリマーをグラフトさせる方法としては、例えば、基材の表面からポリマーを重合させる、いわゆる表面開始重合方法等がある。表面開始重合方法としては、基材表面に放射線等を照射して発生させたラジカルから重合を開始する方法;基材表面に導入したアゾ基や過酸化物基を有する化合物から重合を開始する方法;などがある。これに対して、本実施形態の表面改質基材の製造方法では、まず、ラジカルを発生させる特定の重合開始基がその表面に結合した基材(開始基付与基材)を用意する。次いで、用意した開始基付与基材の重合開始基から表面開始リビングラジカル重合してポリマーをグラフトさせ、基材の表面に表面改質膜を設ける。 Conventionally, a method for modifying the surface of a substrate by grafting a vinyl polymer from the substrate surface has been known. Examples of methods for grafting a polymer from the substrate surface include a so-called surface-initiated polymerization method in which a polymer is polymerized from the substrate surface. Examples of surface-initiated polymerization methods include a method in which polymerization is initiated from radicals generated by irradiating the substrate surface with radiation or the like; a method in which polymerization is initiated from a compound having an azo group or a peroxide group introduced to the substrate surface; and the like. In contrast, in the method for producing a surface-modified substrate of this embodiment, a substrate (substrate with initiator group) having a specific polymerization initiator group that generates radicals bonded to its surface is first prepared. Next, a polymer is grafted by surface-initiated living radical polymerization from the polymerization initiator group of the prepared substrate with initiator group, and a surface-modified film is provided on the substrate surface.

重合開始基は、下記一般式(1)で表される構造を有する。一般式(1)中、Xで表される基がラジカルとして脱離するとともに、炭素ラジカルが生成する。その後、生成した炭素ラジカルにしてモノマーが挿入されて重合が進行する。これにより、重合開始基を片末端とするポリマーが形成される。 The polymerization initiating group has a structure represented by the following general formula (1). In general formula (1), the group represented by X is eliminated as a radical, and a carbon radical is generated. Then, a monomer is inserted into the generated carbon radical, and polymerization proceeds. This results in the formation of a polymer with the polymerization initiating group at one end.

Figure 2024179552000005
(前記一般式(1)中、Rは、水素原子、アルキル基、アシル基、又はアリール基を示し、Rは、アルキル基又はアリール基を示し、Xは、塩素原子、臭素原子、又はヨウ素原子を示し、Yは、O又はNHを示す)
Figure 2024179552000005
(In the general formula (1), R1 represents a hydrogen atom, an alkyl group, an acyl group, or an aryl group; R2 represents an alkyl group or an aryl group; X represents a chlorine atom, a bromine atom, or an iodine atom; and Y represents O or NH.)

一般式(1)中、Xが結合する炭素原子は、第3級炭素原子又は第4級炭素原子である。R及びRの少なくともいずれかは、アルキル基以外の基であることが好ましい。すなわち、R及びRの少なくともいずれかがアルキル基以外の電子供与性基であると、Xが脱離しやすくなる。なかでも、Xが結合する炭素原子が第4級炭素原子であると、ラジカルを発生させるのにより好ましい。 In the general formula (1), the carbon atom to which X is bonded is a tertiary carbon atom or a quaternary carbon atom. At least one of R1 and R2 is preferably a group other than an alkyl group. That is, when at least one of R1 and R2 is an electron-donating group other than an alkyl group, X is easily eliminated. In particular, it is more preferable for the carbon atom to which X is bonded to be a quaternary carbon atom in order to generate a radical.

特定の重合開始基が結合した開始基付与基材を用意する方法、すなわち、特定の重合開始基を基材の表面に導入する(結合させる)方法としては、例えば、重合開始基を有する化合物を、塗布、蒸着、転写、電着、ラミネート、及び単層膜形成等の方法で基材に付与する方法を挙げることができる。なかでも、基材表面と反応する基及び重合開始基を有する化合物や、重合開始基を有するポリマーを基材に付与する方法が好ましい。このような方法によって、特定の重合開始基が結合した開始基付与基材を用意することができる。したがって、本実施形態の表面開始基材の製造方法によれば、その表面に水酸基やアミノ基等の反応性基を実質的に有しない基材の表面にも、濃厚ポリマーブラシである表面改質膜(ポリマー層)を設けることができる。 As a method for preparing an initiator group-imparted substrate to which a specific polymerization initiator group is bonded, that is, a method for introducing (bonding) a specific polymerization initiator group to the surface of a substrate, for example, a method for imparting a compound having a polymerization initiator group to a substrate by coating, vapor deposition, transfer, electrodeposition, lamination, monolayer film formation, or the like can be mentioned. Among them, a method for imparting a compound having a group that reacts with the substrate surface and a polymerization initiator group, or a polymer having a polymerization initiator group to a substrate is preferable. By such a method, an initiator group-imparted substrate to which a specific polymerization initiator group is bonded can be prepared. Therefore, according to the manufacturing method of the surface-initiating substrate of this embodiment, a surface-modified film (polymer layer) that is a dense polymer brush can be provided on the surface of a substrate that does not substantially have reactive groups such as hydroxyl groups or amino groups on its surface.

重合開始基を有するポリマーとしては、三次元架橋構造を有するポリマーや、基材表面と反応する基をさらに有するポリマーが好ましい。基材表面と反応する基及び重合開始基を有する化合物や、重合開始基を有するポリマーを基材に付与することで、強固に結合した重合開始基を基材の表面に導入することができる。 As the polymer having a polymerization initiating group, a polymer having a three-dimensional crosslinked structure or a polymer further having a group that reacts with the substrate surface is preferred. By applying a compound having a group that reacts with the substrate surface and a polymerization initiating group or a polymer having a polymerization initiating group to the substrate, it is possible to introduce a tightly bound polymerization initiating group to the substrate surface.

基材表面と反応する基(反応性基)は、基材の種類にあわせて適宜選択すればよい。例えば、シリコン基板、金属、金属酸化物、及び水酸基を有する無機化合物等を基材として用いる場合には、アルコキシシリル基及びエポキシ基等が反応性基として好ましい。また、セルロース等の水酸基を有する有機化合物を基材として用いる場合には、酸ハライド基、酸無水物基、及びイソシアネート基等が反応性基として好ましい。アルコキシシリル基(シランカップリング基)及び重合開始基を有する化合物としては、下記式(2)で表される化合物を用いることが好ましい。 The group (reactive group) that reacts with the substrate surface may be appropriately selected according to the type of substrate. For example, when a silicon substrate, a metal, a metal oxide, or an inorganic compound having a hydroxyl group is used as the substrate, an alkoxysilyl group and an epoxy group are preferred as reactive groups. When an organic compound having a hydroxyl group such as cellulose is used as the substrate, an acid halide group, an acid anhydride group, an isocyanate group, and the like are preferred as reactive groups. As a compound having an alkoxysilyl group (silane coupling group) and a polymerization initiator group, it is preferred to use a compound represented by the following formula (2).

Figure 2024179552000006
Figure 2024179552000006

また、下記式(3)で表されるモノマーと、(メタ)アクリロシロキシプロピルトリメチルシリルや(メタ)アクリロイロキシプロピルトリエトキシシリル等のアルコキシシリル基を有するモノマーと、を含むモノマー成分を重合して得られるポリマー(ポリマータイプの処理剤)を基材表面に付与し、基材表面を付与したポリマーでコーティングすることによっても、重合開始基が結合した開始基付与を用意することができる。 In addition, the initiator group having the polymerization initiator group bonded thereto can also be prepared by applying a polymer (polymer-type treatment agent) obtained by polymerizing a monomer component containing a monomer represented by the following formula (3) and a monomer having an alkoxysilyl group such as (meth)acryloyloxypropyltrimethylsilyl or (meth)acryloyloxypropyltriethoxysilyl to the surface of a substrate, and coating the surface of the substrate with the applied polymer.

Figure 2024179552000007
Figure 2024179552000007

開始基付与基材及び重合溶媒の存在下、メチルメタクリレート及びフッ化アルキルメタクリレートを含むモノマーを10~500MPaの圧力条件下で表面開始リビングラジカル重合する。これにより、所定の連結構造を介して基材の表面にその片末端が結合したポリマーが形成され、このポリマーで形成された表面改質膜を基材の表面に設けることができる。 In the presence of an initiator group-imparting substrate and a polymerization solvent, a monomer containing methyl methacrylate and a fluoroalkyl methacrylate is subjected to surface-initiated living radical polymerization under pressure conditions of 10 to 500 MPa. This results in the formation of a polymer with one end bonded to the surface of the substrate via a specific linking structure, and a surface-modified film formed from this polymer can be provided on the surface of the substrate.

表面開始リビングラジカル重合としては、例えば、原子移動ラジカル重合(ATRP法)が採用される。ATRP法では、重合開始基から引き抜いたハロゲン化物のラジカルを、金属イオンの価数を変化させてハロゲン化物塩とし、安定化させる。そして、ハロゲン化物が脱離した残基である有機ラジカルにモノマーが付加する。但し、有機ラジカルは不安定であるため、金属ハロゲン化物からハロゲンをラジカルとして引き抜いて安定化し、カップリング等の停止反応を防止する。そして、ハロゲンが抜かれた金属イオンは元の価数に戻る。このような酸化還元反応の繰り返しにより、有機ハロゲン化物を重合開始基としてモノマーが重合して成長し、ポリマーが形成される。重合反応はラジカル濃度が低い状態で進むので、ポリマーは均一に成長し、均一な分子量になりやすい。このATRP法を表面開始リビングラジカル重合に適用することで、濃厚なブラシ状のポリマーを形成することができる。 For example, atom transfer radical polymerization (ATRP) is used as the surface-initiated living radical polymerization. In the ATRP method, the halide radical extracted from the polymerization initiator group is stabilized by changing the valence of the metal ion to form a halide salt. Then, a monomer is added to the organic radical, which is the residue from which the halide is removed. However, since the organic radical is unstable, the halogen is extracted as a radical from the metal halide to stabilize it and prevent termination reactions such as coupling. Then, the metal ion from which the halogen has been removed returns to its original valence. By repeating such oxidation-reduction reactions, the monomer is polymerized and grows with the organic halide as the polymerization initiator group, and a polymer is formed. Since the polymerization reaction proceeds in a state of low radical concentration, the polymer grows uniformly and tends to have a uniform molecular weight. By applying this ATRP method to surface-initiated living radical polymerization, a dense brush-like polymer can be formed.

原子移動ラジカル重合では、金属錯体を用いる。金属錯体としては、塩化銅や臭化銅と、ジノニルビピリジン、トリジメチルアミノエチルアミン、及びペンタメチルジエチレントリアミン等のポリアミンとの錯体や;ジクロロトリス(トリフェニルホスフィン)ルテニウム;などを挙げることができる。 In atom transfer radical polymerization, metal complexes are used. Examples of metal complexes include complexes of copper chloride or copper bromide with polyamines such as dinonylbipyridine, tridimethylaminoethylamine, and pentamethyldiethylenetriamine; dichlorotris(triphenylphosphine)ruthenium; etc.

原子移動ラジカル重合は、重合溶媒の存在下で実施する。重合溶媒としては、イオン液体(第2のイオン液体)を含有する重合溶媒を用いる。高極性のイオン液体の存在下で重合することで、重合速度が増大し、高分子量のポリマーを得ることができる。イオン液体(第2のイオン液体)としては、表面改質膜を膨潤させる際に用いることができる前述の第1のイオン液体と同様のものを用いることができる。すなわち、第2のイオン液体は、N-(2-メトキシエチル)-N-メチルピロリジウムビス(トリフルオロメタンスルホニルイミド)、及びN,N-ジエチル-N-(2-メトキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニルイミド)からなる群より選択される少なくとも一種であることが好ましい。第1のイオン液体と第2のイオン液体は、同一の種類であっても異なる種類であってもよい。 Atom transfer radical polymerization is carried out in the presence of a polymerization solvent. As the polymerization solvent, a polymerization solvent containing an ionic liquid (second ionic liquid) is used. By carrying out polymerization in the presence of a highly polar ionic liquid, the polymerization rate increases, and a polymer with a high molecular weight can be obtained. As the ionic liquid (second ionic liquid), the same ionic liquid as the first ionic liquid described above that can be used when swelling the surface-modified film can be used. That is, the second ionic liquid is preferably at least one selected from the group consisting of N-(2-methoxyethyl)-N-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonylimide) and N,N-diethyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium bis(trifluoromethanesulfonylimide). The first ionic liquid and the second ionic liquid may be the same or different.

重合溶媒は、イオン液体以外の溶剤(その他の有機溶剤)をさらに含有してもよい。その他の有機溶剤としては、炭化水素系溶剤、エステル系溶剤、グリコール系溶剤、エーテル系溶剤、アミド系溶剤、アルコール系溶剤、スルホキシド系溶剤、及び尿素系溶剤等を挙げることができる。 The polymerization solvent may further contain a solvent other than the ionic liquid (another organic solvent). Examples of the other organic solvent include hydrocarbon-based solvents, ester-based solvents, glycol-based solvents, ether-based solvents, amide-based solvents, alcohol-based solvents, sulfoxide-based solvents, and urea-based solvents.

本実施形態の製造方法では、10~500MPaの圧力条件下、好ましくは100~400MPaの圧力条件下でモノマーを重合する。このような高圧条件下で重合することで、停止反応を防止するとともに、ポリマーの伸長反応速度を向上させることができる。これにより、高分子量のポリマーが生成し、単ポリマーブラシ鎖で高膜厚(~5μm)の表面改質膜を形成することができる。 In the manufacturing method of this embodiment, the monomer is polymerized under a pressure condition of 10 to 500 MPa, preferably under a pressure condition of 100 to 400 MPa. By polymerizing under such high pressure conditions, it is possible to prevent a termination reaction and improve the elongation reaction rate of the polymer. This produces a high molecular weight polymer, and a surface-modified film with a high thickness (up to 5 μm) can be formed with a single polymer brush chain.

重合容器としては、密閉可能であるとともに、高圧に耐えうる容器を用いることが好ましい。また、容器の内部に圧力が伝達される必要があるため、プラスチック製の軟質部分や伸縮部分などの、圧力で変形する部分を有する容器を用いることが好ましい。具体的には、ポリエチレン製の瓶、ペットボトル、レトルトパウチ、ブリスター容器など様々な容器を用いることができる。また、重合時の温度で変形しにくい、耐熱性を有する素材からなる容器が好ましい。さらに、重合用の溶剤等で侵されにくい、耐薬品性や耐溶剤性などの特性を有する素材からなる容器が好ましい。重合容器を構成する素材としては、例えば、ポリオレフィン系樹脂、フッ素系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、エンジニアプラスチック等を挙げることができる。また、重合時には、可能な限り、重合容器内に気体が入りこまないようにすることが好ましい。例えば、重合容器の容量の90%以上に重合溶液を仕込むことが好ましい。 As the polymerization vessel, it is preferable to use a vessel that can be sealed and can withstand high pressure. In addition, since pressure needs to be transmitted to the inside of the vessel, it is preferable to use a vessel that has a part that deforms under pressure, such as a soft part or an expandable part made of plastic. Specifically, various vessels such as polyethylene bottles, PET bottles, retort pouches, and blister containers can be used. In addition, a vessel made of a material that is resistant to deformation at the temperature during polymerization and has heat resistance is preferable. Furthermore, a vessel made of a material that is resistant to corrosion by the polymerization solvent and has properties such as chemical resistance and solvent resistance is preferable. Examples of materials that constitute the polymerization vessel include polyolefin resins, fluorine resins, polyester resins, polyamide resins, and engineering plastics. In addition, it is preferable to prevent gas from entering the polymerization vessel as much as possible during polymerization. For example, it is preferable to charge the polymerization solution to more than 90% of the volume of the polymerization vessel.

なお、前述の通り、重合開始基を有する単官能の重合開始化合物をポリマーの重合系に配合した状態で重合することで、単官能の重合開始化合物から伸長したポリマーの分子量を、基材の表面から伸長したポリマーの分子量と同一であると見積もることができる。重合系に配合する単官能の重合開始基化合物の量は、重合系全体を基準として、0.01質量%以下とすることが好ましく、0.001質量%以下とすることがさらに好ましい。単官能の重合開始化合物の量が多すぎると、重合系が高粘度化してしまい、得られる表面改質基材を取り出しにくくなることがある。また、得られる表面改質基材の表面に付着した遊離ポリマーを洗浄して除去するのに時間がかかる場合がある。 As described above, by polymerizing the polymer in a state where a monofunctional polymerization initiator compound having a polymerization initiator group is blended into the polymerization system, the molecular weight of the polymer extended from the monofunctional polymerization initiator compound can be estimated to be the same as the molecular weight of the polymer extended from the surface of the substrate. The amount of the monofunctional polymerization initiator compound blended into the polymerization system is preferably 0.01 mass% or less, more preferably 0.001 mass% or less, based on the entire polymerization system. If the amount of the monofunctional polymerization initiator compound is too large, the polymerization system becomes highly viscous, and it may be difficult to remove the resulting surface-modified substrate. In addition, it may take a long time to wash and remove the free polymer attached to the surface of the resulting surface-modified substrate.

以下、本発明を実施例に基づいて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、比較例中の「部」及び「%」は、特に断らない限り質量基準である。 The present invention will be described in detail below based on examples, but the present invention is not limited to these examples. Note that "parts" and "%" in the examples and comparative examples are based on mass unless otherwise specified.

<表面改質基材の製造>
(実施例1)
3cm×3cmサイズのシリコン基板を用意し、メチルエチルケトン(MEK)、テトラヒドロフラン(THF)、2-プロパノール(IPA)の順に用いて超音波洗浄した。次いで、UVオゾンクリーナー(日本レーザー&エレクトロニクスラボ社製)を使用して基材をUVオゾン照射した。その後、エタノール89部、28%アンモニア水溶液10部、及び2-ブロモ-2-メチルプロピオニルオキシプロピルトリメトキシシラン(BPM)1部を入れた容器に基材を18時間浸漬させた。エタノールを用いて容器から取り出した基材を超音波洗浄した後、ブロワー乾燥させて、開始基付与基材-1を得た。
<Production of Surface-Modified Substrate>
Example 1
A silicon substrate of 3 cm x 3 cm size was prepared and ultrasonically cleaned using methyl ethyl ketone (MEK), tetrahydrofuran (THF), and 2-propanol (IPA) in that order. Next, the substrate was irradiated with UV ozone using a UV ozone cleaner (manufactured by Japan Laser & Electronics Lab). Thereafter, the substrate was immersed for 18 hours in a container containing 89 parts of ethanol, 10 parts of 28% aqueous ammonia solution, and 1 part of 2-bromo-2-methylpropionyloxypropyltrimethoxysilane (BPM). The substrate was removed from the container and ultrasonically cleaned using ethanol, and then dried with a blower to obtain an initiator-imparted substrate-1.

窒素雰囲気下、2-ブロモ-2-メチルプロピオン酸エチル(EBiB)0.0001部、臭化銅(II)0.0096部、臭化銅(I)0.0558部、4,4’-ジノニル-2,2’-ビピリジル(dNbpy)0.3884部、メタクリル酸メチル(MMA)10.81部、2,2,2-トリフルオロエチルメタクリレート(TFEMA)2.02部、アニソール11.96部、及びN-(2-メトキシエチル)-N-メチルピロリジウムビス(トリフルオロメタンスルホニルイミド)(以下、MEMP-TFSI)1.33部をバイアルに入れて撹拌し、重合溶液を調製した。 Under a nitrogen atmosphere, 0.0001 parts of ethyl 2-bromo-2-methylpropionate (EBiB), 0.0096 parts of copper (II) bromide, 0.0558 parts of copper (I) bromide, 0.3884 parts of 4,4'-dinonyl-2,2'-bipyridyl (dNbpy), 10.81 parts of methyl methacrylate (MMA), 2.02 parts of 2,2,2-trifluoroethyl methacrylate (TFEMA), 11.96 parts of anisole, and 1.33 parts of N-(2-methoxyethyl)-N-methylpyrrolidium bis(trifluoromethanesulfonylimide) (hereinafter, MEMP-TFSI) were placed in a vial and stirred to prepare a polymerization solution.

開始基付与基材-1を入れたアルミラミネート袋に重合溶液を充填し、気体を抜きながらヒートシールした。加圧媒体として水を入れた高圧装置(商品名「PV-400」、シンコーポレーション社製)内にアルミラミネート袋を入れた。60℃、400MPaの条件で4時間重合した。 The polymerization solution was filled into an aluminum laminate bag containing the initiator group-imparting substrate-1, and the bag was heat-sealed while removing the gas. The aluminum laminate bag was placed in a high-pressure device (product name "PV-400", manufactured by Shin Corporation) containing water as a pressure medium. Polymerization was carried out for 4 hours under conditions of 60°C and 400 MPa.

反応系中には、フリーの重合開始剤であるEBiBから重合が開始したポリマーを含有する高粘性の溶液が生成していた。溶液の一部をサンプリングし、N,N-ジメチルホルムアミド(DMF)を展開溶媒とするゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により、ポリマーのポリメタクリル酸メチル換算の数平均分子量(Mn)を測定した。その結果、ポリマーのMnは244万であり、分子量分布(PDI=重量平均分子量(Mw)/数平均分子量(Mn))は1.45であった。リビングラジカル重合では、重合開始基から均一に重合が開始する。そして、基材に結合した重合開始基と、フリーの重合開始剤であるEBiBから同時にポリマーがそれぞれ生成し、生成する2つのポリマーの分子量は同一であることが知られている。以下、同様にして、基材表面の重合開始基から生成したポリマーの分子量は、フリーの重合開始剤(EBiB)から生成したポリマーの分子量と同一であるとして、基材表面の重合開始基から生成したポリマーの分子量を測定した。 In the reaction system, a highly viscous solution containing a polymer that had been polymerized from the free polymerization initiator EBiB was produced. A portion of the solution was sampled, and the number average molecular weight (Mn) of the polymer was measured in terms of polymethyl methacrylate by gel permeation chromatography (GPC) using N,N-dimethylformamide (DMF) as the developing solvent. As a result, the Mn of the polymer was 2.44 million, and the molecular weight distribution (PDI = weight average molecular weight (Mw) / number average molecular weight (Mn)) was 1.45. In living radical polymerization, polymerization is uniformly initiated from the polymerization initiator group. It is known that polymers are simultaneously produced from the polymerization initiator group bonded to the substrate and from the free polymerization initiator EBiB, and the molecular weights of the two polymers produced are the same. In the following, the molecular weight of the polymer produced from the polymerization initiator group on the substrate surface was measured in the same manner, assuming that the molecular weight of the polymer produced from the polymerization initiator group on the substrate surface was the same as the molecular weight of the polymer produced from the free polymerization initiator (EBiB).

アルミラミネート袋から取り出した内容物をTHFで十分に洗浄して、表面改質基材1を得た。形成された表面改質膜の任意の10箇所を選択し、分光膜厚計を使用して測定した表面改質膜の厚さ(乾燥膜厚)は940nmであった。また、前述の方法により算出した表面占有率(σ*)は0.13であった。 The contents removed from the aluminum laminated bag were thoroughly washed with THF to obtain surface-modified substrate 1. Ten randomly selected locations on the formed surface-modified film were used to measure the thickness (dry film thickness) of the surface-modified film using a spectroscopic film thickness meter, and the thickness was 940 nm. The surface occupancy rate (σ*) calculated using the method described above was 0.13.

得られた表面改質基材1をMEMP-TFSIに浸漬し、ホットプレートを用いて80℃で10分間加熱し、表面改質膜を膨潤させた。スピンコーターを使用して余分なMEMP-TFSIを振り切った後、膨潤した表面改質膜の任意の10箇所を選択し、分光膜厚計を使用して測定した表面改質膜の厚さ(膨潤膜厚)は2,610nmであった。また、膨潤度(膨潤膜厚/乾燥膜厚)は3.22であった。 The obtained surface-modified substrate 1 was immersed in MEMP-TFSI and heated at 80°C for 10 minutes using a hot plate to swell the surface-modified film. After shaking off excess MEMP-TFSI using a spin coater, 10 random locations on the swollen surface-modified film were selected, and the thickness of the surface-modified film (swollen film thickness) measured using a spectroscopic film thickness meter was 2,610 nm. The degree of swelling (swollen film thickness/dry film thickness) was 3.22.

(実施例2~9)
表1-1及び1-2に示す条件等としたこと以外は、前述の実施例1と同様にして、表面改質基材2~9を得た。得られた表面改質基材2~9の物性等を表1-1及び1-2に示す。
なお、表1-1~1-3中の略称は以下の通りである。
・DEME-TFSI:N,N-ジエチル-N-(2-メトキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニルイミド)
・HFBMA:2,2,3,3,4,4,4-ヘプタフルオロブチルメタクリレート
・NFHMA:3,3,4,4,5,5,6,6,6-ノナフルオロヘキシルメタクリレート
(Examples 2 to 9)
Surface-modified substrates 2 to 9 were obtained in the same manner as in Example 1 described above, except that the conditions and the like shown in Tables 1-1 and 1-2 were used. The physical properties and the like of the obtained Surface-modified Substrates 2 to 9 are shown in Tables 1-1 and 1-2.
The abbreviations in Tables 1-1 to 1-3 are as follows.
DEME-TFSI: N,N-diethyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium bis(trifluoromethanesulfonylimide)
HFBMA: 2,2,3,3,4,4,4-heptafluorobutyl methacrylate NFHMA: 3,3,4,4,5,5,6,6,6-nonafluorohexyl methacrylate

(比較例1)
フッ化アルキルメタクリレートであるTFEMAを用いずに、MMAのみをモノマーとして用いたこと以外は、前述の実施例1と同様にして表面改質基材1Hを得た。得られた表面改質基材1Hの物性等を表1-3に示す。
(Comparative Example 1)
Except for using only MMA as a monomer without using TFEMA, which is a fluoroalkyl methacrylate, a surface-modified substrate 1H was obtained in the same manner as in Example 1. The physical properties of the obtained surface-modified substrate 1H are shown in Table 1-3.

(比較例2)
窒素雰囲気下、EBiB0.0039部、臭化銅(II)0.0134部、臭化銅(I)0.0861部、dNbpy0.5934部、MMA10.81部、TFEMA2.02部、アニソール9.96部、及びMEMP-TFSI1.11部をバイアルに入れて撹拌し、重合溶液を調製した。以降、60℃、0.1MPaの条件で12時間重合したこと以外は、前述の実施例1と同様にして表面改質基材2Hを得た。得られた表面改質基材2Hの物性等を表1-3に示す。
(Comparative Example 2)
Under a nitrogen atmosphere, 0.0039 parts of EBiB, 0.0134 parts of copper (II) bromide, 0.0861 parts of copper (I) bromide, 0.5934 parts of dNbpy, 10.81 parts of MMA, 2.02 parts of TFEMA, 9.96 parts of anisole, and 1.11 parts of MEMP-TFSI were put into a vial and stirred to prepare a polymerization solution. Thereafter, the surface-modified substrate 2H was obtained in the same manner as in Example 1 described above, except that the polymerization was carried out for 12 hours under conditions of 60 ° C. and 0.1 MPa. The physical properties of the obtained surface-modified substrate 2H are shown in Table 1-3.

(比較例3)
開始基付与基材-1を送風式乾燥機に入れ、200℃で2時間加熱して、開始基付与基材-2を製造した。この開始基付与基材-2は、開始基付与基材-1を加熱することで重合開始基の一部を分解し、重合開始基の密度を低下させたものである。そして、製造した開始基付与基材-2を用いたこと以外は、前述の実施例1と同様にして表面改質基材3Hを得た。得られた表面改質基材3Hの物性等を表1-3に示す。
(Comparative Example 3)
Initiator group-imparting substrate-1 was placed in a blower dryer and heated at 200°C for 2 hours to produce initiator group-imparting substrate-2. This initiator group-imparting substrate-2 was prepared by heating initiator group-imparting substrate-1 to decompose some of the polymerization initiating groups and reduce the density of the polymerization initiating groups. Then, a surface-modified substrate 3H was obtained in the same manner as in Example 1, except that the initiator group-imparting substrate-2 produced was used. The physical properties of the obtained surface-modified substrate 3H are shown in Table 1-3.

Figure 2024179552000008
Figure 2024179552000008

Figure 2024179552000009
Figure 2024179552000009

Figure 2024179552000010
Figure 2024179552000010

<評価>
摩擦摺動試験機(商品名「TRB3」、アントンパール社製)を使用し、製造した表面改質基材の表面改質膜について摩擦摺動試験を行い、摩擦係数を測定及び算出した。結果を表2に記載する。具体的には、潤滑溶媒としてMEMP-TFSI、相手材として直径10mmのSUJ2球を使用し、室温(25℃)条件下、線速度0.5cm/sで表面改質膜の表面を摩擦する摩擦試験を行った。なお、荷重は1~30Nの範囲で変化させた。
<Evaluation>
A friction sliding tester (trade name "TRB3", manufactured by Anton Paar) was used to carry out a friction sliding test on the surface modified film of the manufactured surface modified substrate, and the friction coefficient was measured and calculated. The results are shown in Table 2. Specifically, a friction test was carried out by rubbing the surface of the surface modified film at a linear velocity of 0.5 cm/s under room temperature (25°C) conditions, using MEMP-TFSI as the lubricating solvent and a 10 mm diameter SUJ2 ball as the mating material. The load was changed in the range of 1 to 30 N.

Figure 2024179552000011
Figure 2024179552000011

本発明の表面改質基材は、耐摩耗性等の耐久性に優れた低摩擦性の表面改質膜を有するので、各種の機械、装置、及びシステム等の摺動部分を構成する部品等として有用である。 The surface-modified substrate of the present invention has a surface-modified film with excellent durability such as abrasion resistance and low friction, and is therefore useful as a component that constitutes the sliding parts of various machines, devices, systems, etc.

Claims (5)

基材と、
前記基材の表面に設けられる、メチルメタクリレートに由来する構成単位(i)及びフッ化アルキルメタクリレートに由来する構成単位(ii)を有するポリマーで形成された表面改質膜と、を備え、
前記ポリマーの片末端が、連結構造を介して前記基材の表面に結合しており、
前記フッ化アルキルメタクリレートが、2,2,2-トリフルオロエチルメタクリレート、2,2,3,3,3-ペンタフルオロプロピルメタクリレート、1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロイソプロピルメタクリレート、2,2,3,4,4,4-ヘキサフルオロブチルメタクリレート、2,2,3,3,4,4,4-ヘプタフルオロブチルメタクリレート、及び3,3,4,4,5,5,6,6,6-ノナフルオロヘキシルメタクリレートからなる群より選択される少なくとも一種であり、
前記ポリマー中、前記構成単位(i)及び前記構成単位(ii)の合計の割合が、95質量%以上であり、
前記構成単位(i)及び前記構成単位(ii)の合計に占める、前記構成単位(ii)の割合が、5~60mol%であり、
前記ポリマーの数平均分子量が10万~300万、分子量分布(重量平均分子量/数平均分子量)が1.1~2.0であり、
前記表面改質膜の厚さが0.1~5μmであり、
前記基材の表面に占める前記ポリマーの占有率σ*が0.1以上である表面改質基材。
A substrate;
A surface-modified film formed of a polymer having a structural unit (i) derived from methyl methacrylate and a structural unit (ii) derived from a fluoroalkyl methacrylate, the surface-modified film being provided on the surface of the substrate;
one end of the polymer is bound to the surface of the base material via a linking structure;
the fluorinated alkyl methacrylate is at least one selected from the group consisting of 2,2,2-trifluoroethyl methacrylate, 2,2,3,3,3-pentafluoropropyl methacrylate, 1,1,1,3,3,3-hexafluoroisopropyl methacrylate, 2,2,3,4,4,4-hexafluorobutyl methacrylate, 2,2,3,3,4,4,4-heptafluorobutyl methacrylate, and 3,3,4,4,5,5,6,6,6-nonafluorohexyl methacrylate;
In the polymer, the total proportion of the structural unit (i) and the structural unit (ii) is 95 mass% or more,
The proportion of the structural unit (ii) in the total of the structural unit (i) and the structural unit (ii) is 5 to 60 mol %,
The number average molecular weight of the polymer is 100,000 to 3,000,000 and the molecular weight distribution (weight average molecular weight/number average molecular weight) is 1.1 to 2.0;
The thickness of the surface modified film is 0.1 to 5 μm;
A surface-modified substrate, in which the occupancy rate σ* of the polymer on the surface of the substrate is 0.1 or more.
前記表面改質膜が、第1のイオン液体を含有して膨潤している請求項1に記載の表面改質基材。 The surface-modified substrate according to claim 1, wherein the surface-modified film contains a first ionic liquid and is swollen. 前記連結構造が、下記一般式(A)で表される請求項1に記載の表面改質基材。
Figure 2024179552000012
(前記一般式(A)中、Rは、水素原子、アルキル基、アシル基、又はアリール基を示し、Rは、アルキル基又はアリール基を示し、「Polymer」は前記ポリマーを示し、Yは、O又はNHを示し、「*」は前記基材側の結合位置を示す)
The surface-modified substrate according to claim 1 , wherein the linking structure is represented by the following general formula (A):
Figure 2024179552000012
(In the general formula (A), R 1 represents a hydrogen atom, an alkyl group, an acyl group, or an aryl group, R 2 represents an alkyl group or an aryl group, "Polymer" represents the polymer, Y represents O or NH, and "*" represents a bonding position on the substrate side.)
請求項1~3のいずれか一項に記載の表面改質基材の製造方法であって、
前記基材の表面に下記一般式(1)で表される重合開始基が結合した開始基付与基材を用意する工程と、
前記開始基付与基材及び第2のイオン液体を含有する重合溶媒の存在下、前記メチルメタクリレート及び前記フッ化アルキルメタクリレートを含むモノマーを10~500MPaの圧力条件下で表面開始リビングラジカル重合して、前記連結構造を介して前記基材の表面にその片末端が結合した前記ポリマーを形成し、前記ポリマーで形成された前記表面改質膜を前記基材の表面に設ける工程と、
を有する表面改質基材の製造方法。
Figure 2024179552000013
(前記一般式(1)中、Rは、水素原子、アルキル基、アシル基、又はアリール基を示し、Rは、アルキル基又はアリール基を示し、Xは、塩素原子、臭素原子、又はヨウ素原子を示し、Yは、O又はNHを示す)
A method for producing a surface-modified substrate according to any one of claims 1 to 3,
A step of preparing an initiator group-imparting substrate having a polymerization initiating group represented by the following general formula (1) bonded to the surface of the substrate;
a step of performing surface-initiated living radical polymerization of a monomer including the methyl methacrylate and the fluoroalkyl methacrylate under a pressure condition of 10 to 500 MPa in the presence of the initiator group-imparting substrate and a polymerization solvent including a second ionic liquid, thereby forming the polymer having one end bonded to the surface of the substrate via the linking structure, and providing the surface-modified film formed of the polymer on the surface of the substrate;
A method for producing a surface-modified substrate having the above structure.
Figure 2024179552000013
(In the general formula (1), R1 represents a hydrogen atom, an alkyl group, an acyl group, or an aryl group; R2 represents an alkyl group or an aryl group; X represents a chlorine atom, a bromine atom, or an iodine atom; and Y represents O or NH.)
前記第2のイオン液体が、N-(2-メトキシエチル)-N-メチルピロリジウムビス(トリフルオロメタンスルホニルイミド)、及びN,N-ジエチル-N-(2-メトキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニルイミド)からなる群より選択される少なくとも一種である請求項4に記載の表面改質基材の製造方法。 The method for producing a surface-modified substrate according to claim 4, wherein the second ionic liquid is at least one selected from the group consisting of N-(2-methoxyethyl)-N-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonylimide) and N,N-diethyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium bis(trifluoromethanesulfonylimide).
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