JP7223375B2 - Method for forming polymer brush layer - Google Patents
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Description
本発明は、動摩擦係数の低いポリマーブラシ層を好適に形成できる、ポリマーブラシ層の形成方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for forming a polymer brush layer that can suitably form a polymer brush layer with a low coefficient of dynamic friction.
従来より、ポリマーブラシ層を有する摺動面が低い摩擦係数を示すことが知られている。たとえば、特許文献1では、DLC-Si膜上のポリマーブラシ膜を有するブロックと、および同様のポリマーブラシ膜を有するリングとで構成される摺動機構が開示されている。 Conventionally, it has been known that a sliding surface having a polymer brush layer exhibits a low coefficient of friction. For example, Patent Document 1 discloses a sliding mechanism consisting of a block with a polymer brush film on a DLC-Si film and a ring with a similar polymer brush film.
また、特許文献2では、原子間力顕微鏡を用いてポリマーブラシ層同士の摺動機構について詳細な検討がなされており、原子間力顕微鏡で測定可能なミクロレベルでのブラシ層同士を摺動させる技術が開示されている。 Further, in Patent Document 2, a detailed study is made on a sliding mechanism between polymer brush layers using an atomic force microscope, and the brush layers are slid on a micro level measurable by an atomic force microscope. Techniques are disclosed.
しかしながら、上記特許文献1および特許文献2の技術は、ポリマーブラシ層を形成するための基材となる材質が制限されてしまうという課題や、設置コストが非常に高く、現実的ではなく、摺動機構としての実用レベルの面積を有するポリマーブラシ層の形成が困難であるという課題があった。 However, the techniques of Patent Literature 1 and Patent Literature 2 have the following problems: the material used as the base material for forming the polymer brush layer is limited; the installation cost is extremely high; There is a problem that it is difficult to form a polymer brush layer having a practical area as a mechanism.
本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、動摩擦係数の低いポリマーブラシ層を好適に形成できる、ポリマーブラシ層の形成方法を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a method of forming a polymer brush layer that can suitably form a polymer brush layer with a low coefficient of dynamic friction.
本発明者等は、上記目的を達成するために鋭意研究した結果、モノマーを不揮発性溶媒に混合または分散してなる溶液または分散液を使用し、かつ、基材上にて、溶液または分散液に含まれるモノマーを不揮発性溶媒中で重合させることにより、動摩擦係数の低いポリマーブラシ層を好適に形成できることを見出し、本発明を完成させるに至った。 As a result of intensive research to achieve the above object, the present inventors used a solution or dispersion obtained by mixing or dispersing a monomer in a nonvolatile solvent, and on a substrate, the solution or dispersion have found that a polymer brush layer having a low coefficient of dynamic friction can be suitably formed by polymerizing the monomer contained in in a non-volatile solvent, and have completed the present invention.
すなわち、本発明の第1の観点によれば、基材表面にポリマーブラシ層を形成する方法であって、
モノマーを不揮発性溶媒に混合または分散してなる溶液または分散液からなる層を前記基材上に形成する工程と、
前記溶液または分散液に含まれるモノマーを不揮発性溶媒中で重合させることで、前記基材表面の少なくとも一部に、20μm以下の厚みのポリマーブラシ層を形成する工程とを備えるポリマーブラシ層の形成方法が提供される。That is, according to the first aspect of the present invention, there is provided a method for forming a polymer brush layer on a substrate surface, comprising:
A step of forming on the substrate a layer composed of a solution or dispersion obtained by mixing or dispersing a monomer in a non-volatile solvent;
forming a polymer brush layer having a thickness of 20 μm or less on at least a part of the substrate surface by polymerizing a monomer contained in the solution or dispersion in a nonvolatile solvent. A method is provided.
また、本発明の第2の観点によれば、連続多孔体の多孔内表面または管状体の内表面に、ポリマーブラシ層を形成する方法であって、
前記連続多孔体内部または管状体内部に、モノマーを不揮発性溶媒に混合または分散してなる溶液または分散液を含浸させる工程と、
前記溶液または分散液に含まれるモノマーを不揮発性溶媒中で重合させることで、前記連続多孔体の多孔内表面または管状体の内表面のうち、少なくとも一部にポリマーブラシ層を形成する工程とを備えるポリマーブラシ層の形成方法が提供される。According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for forming a polymer brush layer on the inner porous surface of a continuous porous body or the inner surface of a tubular body, comprising:
a step of impregnating the interior of the continuous porous body or the interior of the tubular body with a solution or dispersion obtained by mixing or dispersing a monomer in a non-volatile solvent;
forming a polymer brush layer on at least a part of the porous inner surface of the continuous porous body or the inner surface of the tubular body by polymerizing the monomer contained in the solution or dispersion liquid in a nonvolatile solvent. A method of forming a polymer brush layer comprising:
本発明の第1の観点によれば、動摩擦係数の低いポリマーブラシ層を好適に形成可能なポリマーブラシ層の形成方法を提供することができる。
また、本発明の第2の観点によれば、連続多孔体内部または管状体内部に、ポリマーブラシ層を好適に形成することができ、これにより、連続多孔体内部または管状体内部に、所望の機能を付与することができる。According to the first aspect of the present invention, it is possible to provide a method for forming a polymer brush layer that can suitably form a polymer brush layer with a low coefficient of dynamic friction.
Further, according to the second aspect of the present invention, a polymer brush layer can be suitably formed inside the continuous porous body or the tubular body, whereby a desired polymer brush layer can be formed inside the continuous porous body or the tubular body. Functions can be given.
<第1実施形態>
以下、図面に基づいて、本発明の第1実施形態について説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る方法により形成される、ポリマーブラシ層を示す模式図である。図1は、本発明の第1実施形態に係るポリマーブラシ層20が、基材10上に形成された状態を示している。<First embodiment>
A first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram showing a polymer brush layer formed by a method according to a first embodiment of the invention. FIG. 1 shows a state in which a
基材10としては、特に限定されず、鋳鉄、鋼、ステンレス鋼などの鉄や鉄合金、アルミニウム、銅などの非鉄および非鉄合金、さらには、シリコンウエハ、ガラス、石英などの非金属などを用いることができる他、雲母の剥離片などの劈開性の鉱物、表面上に水酸基などの反応性置換基が存在するポリマー薄膜が付与された平面基材などが好ましく用いられる。
The
ポリマーブラシ層20は、第1実施形態に係る形成方法により形成される層であり、図1に示すように、基材10上に共有結合で固定された複数の高分子グラフト鎖が、液体物質で膨潤されることにより形成される。
The
第1実施形態に係るポリマーブラシ層の形成方法は、図1に示すような基材10上に、ポリマーブラシ層20を形成する方法であり、モノマーを不揮発性溶媒に混合または分散してなる溶液または分散液からなる層を、基材10上に形成する工程と、
基材10上において、溶液または分散液に含まれるモノマーを不揮発性溶媒中で重合させることで、基材10表面の少なくとも一部に、20μm以下の厚みのポリマーブラシ層20を形成する工程とを備えるものである。The method of forming the polymer brush layer according to the first embodiment is a method of forming the
a step of forming a
第1実施形態においては、ポリマーブラシ層20を形成する際に、ポリマーブラシ層20を構成する高分子グラフト鎖を形成するためのモノマーを、不揮発性溶媒に混合または分散した状態にて、不揮発性溶媒中で重合させるものであり、これにより、モノマーの重合をより安定に形成することができ、結果として、ポリマーブラシ層20中における、高分子グラフト鎖のポリマーブラシ長(すなわち、高分子グラフト鎖の平均絶対分子量)を大きくすることできるものである。そして、高分子グラフト鎖のポリマーブラシ長を大きくすることできることにより、このような高分子グラフト鎖により形成されるポリマーブラシ層20を動摩擦係数の低いものとすることができるものである。特に、高分子グラフト鎖のポリマーブラシ長が大きいことにより、ポリマーブラシ層20を摺動面として使用した場合に、その大きなポリマーブラシ長により、相手材に対する緩衝作用が高くなり、これにより低摩擦性並びに高い摩擦耐久性を実現できるものであり、このような効果は、相手材の表面平滑性が低い場合に特に有効である。
In the first embodiment, when the
また、第1実施形態によれば、モノマーの重合を不揮発性溶媒中で行うものであるため、用いる重合前の溶液または分散液中に含まれるモノマーの割合や、基材10上に形成する、重合前の溶液または分散液からなる層の厚み、さらには重合条件を調整することにより、得られるポリマーブラシ層20の厚みを制御することができ、特に、これらを調整することで、薄膜化されたポリマーブラシ層20を好適に形成することができるものである。具体的には、ポリマーブラシ層20を、20μm以下の厚みにて形成することができ、好ましくは15μm以下、より好ましくは10μm以下、さらに好ましくは1μm以下の厚みで形成することができ、その下限は、通常10nm以上である。
Further, according to the first embodiment, since the polymerization of the monomer is performed in a nonvolatile solvent, the ratio of the monomer contained in the solution or dispersion liquid before polymerization to be used, and the amount formed on the
特に、モノマーの重合を不揮発性溶媒ではなく、揮発性溶媒中で行う場合には、モノマーを揮発性溶媒中に溶解した溶液として、多量の溶液を使用し、このような溶液中に、基材10を浸漬させた状態にて重合反応を進行させる必要があり、そのため、このような方法では重合反応の制御が困難であり、得られるポリマーブラシ層20の厚みを高い精度で制御することが困難であった。また、揮発性溶媒中でモノマーの重合を行う場合には、多量の溶液中で重合を行うため、重合反応中に対流が発生してしまい、これにより、形成される高分子グラフト鎖のポリマーブラシ長さ(分子量)を大きくした場合に、形成される高分子グラフト鎖間におけるポリマーブラシ長の分布が広くなってしまい(分子量分布が大きくなってしまい)、所望の摩擦特性が得られないという問題もあった。
これに対し、第1実施形態に係る形成方法によれば、このような問題を有効に解決できるものであり、結果として、分子量を高くしながら、分子量分布の狭い高分子グラフト鎖を形成できるものである。そして、分子量が高く、かつ、分子量分布の狭い高分子グラフト鎖を形成できることから、得られるポリマーブラシ層20を、摺動時の動摩擦係数がより低減されたものとすることができるものである。特に、高分子グラフト鎖の分子量分布が狭い場合には、高分子グラフト鎖のポリマーブラシ長さがほぼ揃ったものとなるため、これにより、動摩擦係数の低減効果が大きくなる。加えて、揮発性溶媒中でモノマーの重合を行う場合には、多量の溶液中で重合を行うため、形成されるポリマーブラシ層20の厚み制御が困難であったため、薄膜化されたポリマーブラシ層20を好適に形成することができないという問題もあったが、第1実施形態に係る形成方法によれば、このような問題も適切に解決することができ、20μm以下と薄膜化されたポリマーブラシ層20を好適に、しかも高い精度で形成することができるものである。In particular, when the monomer is polymerized in a volatile solvent rather than a non-volatile solvent, a large amount of solution is used as a solution in which the monomer is dissolved in the volatile solvent. Therefore, it is difficult to control the polymerization reaction by such a method, and it is difficult to control the thickness of the obtained
On the other hand, according to the forming method according to the first embodiment, such problems can be effectively solved, and as a result, polymer graft chains with a narrow molecular weight distribution can be formed while increasing the molecular weight. is. Since polymer graft chains having a high molecular weight and a narrow molecular weight distribution can be formed, the obtained
ポリマーブラシ層20を構成する高分子グラフト鎖の数平均分子量(Mn)は、摺動時の動摩擦係数をより低減できるという点より、好ましくは500~10,000,000、より好ましくは200,000~10,000,000である。また、ポリマーブラシ層20を構成する高分子グラフト鎖の重量平均分子量(Mw)は、摺動時の動摩擦係数をより低減できるという点より、好ましくは500~10,000,000、より好ましくは200,000~10,000,000である。さらに、ポリマーブラシ層20を構成する高分子グラフト鎖の分子量分布(Mw/Mn)は、摺動時の動摩擦係数をより低減できるという点より、1に近いことが好ましく、好適には、1.5以下であり、より好ましくは1.3以下、さらに好ましくは1.2以下、特に好ましくは1.01~1.15である。
The number-average molecular weight (Mn) of the polymer graft chains constituting the
なお、ポリマーブラシ層20を構成する高分子グラフト鎖の数平均分子量(Mn)、重量平均分子量(Mw)および分子量分布(Mw/Mn)は、たとえば、フッ化水素酸処理により基材10から高分子グラフト鎖を切り出し、切り出した高分子グラフト鎖を用いてゲルパーミエーションクロマトグラフ法により測定を行い、ポリエチレンオキシド換算の検量線を用いて算出する方法が挙げられる。あるいは、重合時に生成するフリーポリマーが基材10に導入された高分子グラフト鎖と等しい分子量を有すると仮定し、該フリーポリマーについてゲルパーミエーションクロマトグラフ法により測定を行い、ポリエチレンオキシド換算の検量線を用いて数平均分子量(Mn)、重量平均分子量(Mw)および分子量分布(Mw/Mn)を算出し、これをそのまま用いる方法を採用してもよい。
The number average molecular weight (Mn), weight average molecular weight (Mw) and molecular weight distribution (Mw/Mn) of the polymer graft chains constituting the
また、基材10表面の面積に対する占有面積率(ポリマー断面積当たりの占有率)、すなわち、高分子グラフト鎖のグラフト密度は、好ましくは10%以上であり、より好ましくは15%以上、さらに好ましくは20%以上である。なお、グラフト密度は、グラフト鎖の重量平均分子量(Mwの絶対値、グラフトされたポリマー量、基材10の表面積より算出することができる。また、ポリマーブラシ層20中の占有面積率は、ポリマーの伸びきり形態における繰り返し単位長さとポリマーのバルク密度より断面積を求め、グラフト密度を掛けて算出することができる。なお、占有面積率は、基材10表面をグラフト点(1つ目のモノマー)が占める割合という意味になる(最密充填で100%、これ以上にはグラフトできない)。
In addition, the occupied area ratio (occupancy ratio per polymer cross-sectional area) with respect to the area of the surface of the
ポリマーブラシ層20を構成する、高分子グラフト鎖を形成するためのモノマーとしては、特に限定されないが、ポリマーブラシ層20表面における摩擦係数をより低減できるという点、さらには揮発性が低く、作製時における組成変動を抑制でき、これにより、所望の設計組成にてポリマーブラシ層20を形成できるという点より、イオン性の解離基を有するモノマー(特に、イオン性の解離基と反応性二重結合基とを有するモノマー)を少なくとも用いることが好ましい。イオン性の解離基を有するモノマーを用いることにより、重合により得られる高分子グラフト鎖をイオン性の解離基を有するものとすることができる。なお、高分子グラフト鎖を形成するためのモノマーとしては、イオン性の解離基を有するモノマーに加えて、これと共重合可能なモノマーを用いてもよい。このようなイオン性の解離基を有するモノマーとしては、特に限定されないが、たとえば、下記一般式(1)に示す化合物などが挙げられる。
上記一般式(1)における一価のアニオンYとしては、特に限定されるものではなく、BF4 -、PF6 -、AsF6 -、SbF6 -、AlCl4 -、NbF6 -、HSO4 -、ClO4 -、CH3SO3 -、CF3SO3 -、CF3CO2 -、(CF3SO2)2N-、Cl-、Br-、I-等のアニオンを用いることができるが、液体物質に膨潤させた場合における液体物質中での解離度、安定性および移動度等を考慮すると、特に、BF4 -、PF6 -、(CF3SO2)2N-、CF3SO3 -、またはCF3CO2 -であることが好適である。The monovalent anion Y in the general formula (1) is not particularly limited, and is BF 4 − , PF 6 − , AsF 6 − , SbF 6 − , AlCl 4 − , NbF 6 − , HSO 4 − , ClO 4 − , CH 3 SO 3 − , CF 3 SO 3 − , CF 3 CO 2 − , (CF 3 SO 2 ) 2 N − , Cl − , Br − , I − and other anions can be used. , considering the degree of dissociation, stability and mobility in the liquid substance when swollen in the liquid substance, especially BF 4 − , PF 6 − , (CF 3 SO 2 ) 2 N − , CF 3 SO 3 − , or CF 3 CO 2 − are preferred.
上記一般式(1)で表される化合物のなかでも、摺動面の摩擦係数の低減効果がより大きいという点より、下記一般式(2)~(9)で表される化合物が特に好適に用いることができる。なお、これらは一種単独で、あるいは二種以上を併用して用いることができる。
また、不揮発性溶媒としては、25℃の温度下における蒸気圧が10Pa未満である溶媒であればよいが、25℃の温度下における蒸気圧が1Pa未満である溶媒が好ましく、不揮発性に優れ、かつ、種々のモノマーに対して高い溶解性を有するという点より、イオン液体が好ましい。 Further, the non-volatile solvent may be a solvent having a vapor pressure of less than 10 Pa at a temperature of 25 ° C., but a solvent having a vapor pressure of less than 1 Pa at a temperature of 25 ° C. is preferable and has excellent non-volatility. In addition, ionic liquids are preferred because they have high solubility in various monomers.
すなわち、第1実施形態においては、ポリマーブラシ層20を形成するためのモノマーとして、イオン性の解離基を有するモノマーを使用し、かつ、不揮発性溶媒として、イオン液体を用いることが特に好ましい(すなわち、イオン性の解離基を有するモノマーと、イオン液体との組み合わせが特に好ましい)。なお、重合系にイオン液体を使用した場合には、重合時において重合初期の溶液の粘性が比較的高くなる場合があり、そのため、所望の高分子グラフト鎖を形成し難いという課題がある一方で、イオン性の解離基を有するモノマーと、イオン液体とを組み合わせて用いることにより、これらの高い相溶性によって、イオン性の解離基を有するモノマーの重合反応を良好に進行させることができ、これにより、比較的簡便に所望の高分子グラフト鎖を形成することができ、結果として、高い生産性にて、動摩擦係数の低いポリマーブラシ層を好適に形成できるものである。
That is, in the first embodiment, it is particularly preferable to use a monomer having an ionic dissociation group as the monomer for forming the
なお、第1実施形態においては、高分子グラフト鎖を形成するためのモノマーを、不揮発性溶媒に混合または分散した状態にて、不揮発性溶媒中で重合させるものであるが、重合に用いる不揮発性溶媒をそのまま残存させることが好ましく、これにより、最終的に得られるポリマーブラシ層20を、高分子グラフト鎖が、重合に用いた不揮発性溶媒で膨潤されたものとすることができる。特に、このような方法によれば、不揮発性溶媒として、高分子グラフト鎖を形成するためのモノマー、および重合後の高分子グラフト鎖と親和性の高いものを選択することで、不揮発性溶媒を、ポリマーブラシ層20を形成するために必要となる量のみ使用すれば十分となるため、溶媒除去のための工程を不要とすることができ、結果として、生産効率を高めることができるものである。このような観点からも、高分子グラフト鎖を形成するためのモノマーとして、イオン性の解離基を有するモノマーを使用する場合には、互いの親和性を考慮し、不揮発性溶媒として、イオン液体を使用することが好ましい。
In the first embodiment, the monomers for forming the polymer graft chains are mixed or dispersed in the nonvolatile solvent and polymerized in the nonvolatile solvent. It is preferable to leave the solvent as it is, so that the finally obtained
イオン液体としては、たとえば、下記一般式(10)で示され、融点が50℃以下、好ましくは25℃以下であるものを用いることができる。
炭素数1~5のアルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、2-プロピル基、ブチル基、ペンチル基等が挙げられる。R’-O-(CH2)n-で表されるアルコキシアルキル基としては、メトキシまたはエトキシメチル基、メトキシまたはエトキシエチル基、メトキシまたはエトキシプロピル基、メトキシまたはエトキシブチル基等が挙げられる。Examples of alkyl groups having 1 to 5 carbon atoms include methyl group, ethyl group, propyl group, 2-propyl group, butyl group and pentyl group. The alkoxyalkyl group represented by R'-O-(CH 2 ) n - includes methoxy or ethoxymethyl group, methoxy or ethoxyethyl group, methoxy or ethoxypropyl group, methoxy or ethoxybutyl group and the like.
また、R3、R4、R5およびR6のいずれか2個の基が環を形成している化合物としては、Xに窒素原子を採用した場合には、アジリジン環、アゼチジン環、ピロリジン環、ピペリジン環等を有する4級アンモニウム塩、一方、Xにリン原子を採用した場合には、ペンタメチレンホスフィン(ホスホリナン)環等を有する4級ホスホニウム塩等が挙げられる。Further, as compounds in which any two groups of R 3 , R 4 , R 5 and R 6 form a ring, when a nitrogen atom is adopted for X, aziridine ring, azetidine ring, pyrrolidine ring , a quaternary ammonium salt having a piperidine ring, etc. On the other hand, when a phosphorus atom is employed for X, a quaternary phosphonium salt having a pentamethylenephosphine (phosphorinane) ring, etc. can be mentioned.
特に、置換基として、上記R′がメチル基であり、nが2のメトキシエチル基を少なくとも1つ有する4級アンモニウム塩が好適である。
また、置換基として、メチル基、2つのエチル基、およびアルコキシエチル基を有する下記一般式(11)で示される4級塩も好適に用いることができる。
A quaternary salt represented by the following general formula (11) having a methyl group, two ethyl groups and an alkoxyethyl group as substituents can also be preferably used.
上記一般式(10)、(11)における一価のアニオンYとしては、特に限定されるものではなく、BF4 -、PF6 -、AsF6 -、SbF6 -、AlCl4 -、NbF6 -、HSO4 -、ClO4 -、CH3SO3 -、CF3SO3 -、CF3CO2 -、(CF3SO2)2N-、Cl-、Br-、I-等のアニオンを用いることができるが、非水系有機溶媒中での解離度、安定性および移動度等を考慮すると、特に、BF4 -、PF6 -、(CF3SO2)2N-、CF3SO3 -、またはCF3CO2 -であることが好適である。The monovalent anions Y in the general formulas (10) and (11) are not particularly limited, and are BF 4 − , PF 6 − , AsF 6 − , SbF 6 − , AlCl 4 − , NbF 6 − , HSO 4 − , ClO 4 − , CH 3 SO 3 − , CF 3 SO 3 − , CF 3 CO 2 − , (CF 3 SO 2 ) 2 N − , Cl − , Br − , I − , etc. BF 4 − , PF 6 − , (CF 3 SO 2 ) 2 N − , CF 3 SO 3 − in particular, considering the degree of dissociation, stability and mobility in non-aqueous organic solvents. , or CF 3 CO 2 — .
上記一般式(10),(11)で示される4級塩のうち、好適に用いられる4級アンモニウム塩および4級ホスホニウム塩の具体例としては、以下の化合物(12)~(20)が挙げられ(Meはメチル基、Etはエチル基を示す。)、特に、低温特性等に優れた蓄電デバイスを得ることを考慮すると、下記式(12)または(17)で示される4級アンモニウム塩を用いることがより好ましく、粘度が低く、そのため、摺動時の動摩擦係数をより低減できるという点より、下記式(17)で示される4級アンモニウム塩が特に好ましい。
また、上記一般式(10)で表される化合物以外のイオン液体を用いてもよく、たとえば、このようなイオン液体としては、下記一般式(21)に示すイミダゾリウムイオンを含むイオン液体や、下記式(22)~(27)に示すその他の芳香族系カチオンを含むイオン液体などが挙げられる。なお、これらイミダゾリウムイオンを含むイオン液体およびその他の芳香族系カチオンを含むイオン液体を形成するカウンターアニオンとしては、上記一般式(10)、(11)に示す化合物と同様の一価のアニオンを挙げることができる。
第1実施形態において、モノマーを不揮発性溶媒に混合または分散してなる溶液または分散液からなる層を、基材10上に形成する方法としては、特に限定されないが、このような溶液または分散液を基材10上に、ドクターブレード法やスピンコート法により塗布する方法や、基材10上に滴下する方法、さらには、基材10を、モノマーを不揮発性溶媒に混合または分散してなる溶液または分散液中に浸漬させる方法などが挙げられる。
In the first embodiment, the method of forming a layer composed of a solution or dispersion obtained by mixing or dispersing a monomer in a non-volatile solvent on the
また、基材10上において、溶液または分散液に含まれるモノマーを不揮発性溶媒中で重合させる方法としては、特に限定されないが、表面開始リビングラジカル重合法などが挙げられる。
Moreover, the method of polymerizing the monomer contained in the solution or dispersion in the non-volatile solvent on the
表面開始リビングラジカル重合法は、モノマーを不揮発性溶媒に混合または分散してなる溶液または分散液からなる層を形成する前の基材10表面に、予め重合開始基を導入し、該重合開始基を始点として、リビングラジカル重合を行うことで、高分子グラフト鎖を形成する手法であり、たとえば、特開2009-59659号公報や特開2010-218984号公報に記載された方法などを適用することができる。
In the surface-initiated living radical polymerization method, a polymerization initiating group is introduced in advance to the surface of the
また、表面開始リビングラジカル重合法により重合を行うに際し、基材10表面に重合開始基を導入する方法としては、特に限定されないが、重合開始剤を溶剤に溶解あるいは分散することで、重合開始剤溶液を調製し、調製した重合開始剤溶液中に基材10を浸漬する方法などが挙げられる。
Further, when the polymerization is performed by the surface-initiated living radical polymerization method, the method for introducing the polymerization initiation group onto the surface of the
重合開始剤としては、特に限定されないが、基材10に結合可能な基と、ラジカル発生基とを有する化合物が好ましく、たとえば、特開2010-218984号公報に開示されている重合開始剤、すなわち、TEMPO系、ATRP系、RAFT系、RTCP系の重合開始剤を用いることができる。これらのなかでも、TEMPO系、RAFT系、RTCP系の重合開始剤がより好ましい。また、TEMPO系の重合開始剤の中では、特にDEPN系の重合開始剤が好ましい。なお、基材10に結合可能な基としては、たとえば、-SiCl3、-Si(CH3)Cl2、-Si(CH3) 2Cl、-Si(OR)3(これらの式中、Rはメチル、エチル、プロピルまたはブチルを示す。)などが挙げられる。The polymerization initiator is not particularly limited, but is preferably a compound having a group capable of bonding to the
そして、表面開始リビングラジカル重合法により重合を行う場合には、上述した重合開始剤を用いて、重合開始剤を基材10表面に固定することで、基材10表面に重合開始基を導入し、次いで、重合開始基を導入した基材10上に、モノマーを不揮発性溶媒に混合または分散してなる溶液または分散液からなる層を形成し、非酸化性ガス雰囲気下、加熱あるいは紫外線や電子線、γ線を照射することにより、不揮発性溶媒中にて、モノマーの重合を進行させることで、基材10表面に、高分子グラフト鎖を形成することができ、これにより基材10上に、重合に用いた不揮発性溶媒により膨潤された高分子グラフト鎖からなるポリマーブラシ層20を形成することができる。なお、重合反応は、加圧条件下(たとえば、50~500MPaの加圧条件下)で行ってもよく、これにより、高分子グラフト鎖の分子量(すなわち、ポリマーブラシ長)をより高めることができる。
Then, when the polymerization is performed by the surface-initiated living radical polymerization method, the polymerization initiator is fixed to the surface of the
第1実施形態により形成されるポリマーブラシ層20の厚みは、通常20μm以下、好ましくは5μm以下、より好ましくは1μm以下であり、その下限は、通常10nm以上である。
The thickness of the
なお、重合に供する、モノマーを不揮発性溶媒に混合または分散してなる溶液には、各種ラジカル開始剤など重合反応に必要な成分を含有させることができる。 The solution obtained by mixing or dispersing the monomers in the non-volatile solvent to be used for the polymerization may contain components necessary for the polymerization reaction, such as various radical initiators.
第1実施形態に係る形成方法により得られるポリマーブラシ層20は、低い動摩擦係数を備えるものであり、そのため、たとえば、ポリマーブラシ層を摺動面とする、摺動部材や摺動機構として好適に用いることができる。
The
<第2実施形態>
次いで、本発明の第2実施形態について説明する。
図2は、本発明の第2実施形態に係る方法により形成される、ポリマーブラシ層を示す模式図である。図2は、本発明の第2実施形態に係るポリマーブラシ層20aが、第1基材10aと第2基材10bとの間隙に形成された状態を示している。<Second embodiment>
Next, a second embodiment of the invention will be described.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a polymer brush layer formed by a method according to a second embodiment of the invention. FIG. 2 shows a state in which the
第1基材10aおよび第2基材10bとしては、特に限定されず、第1実施形態と同様のものを用いることができる。
The
ポリマーブラシ層20aは、第2実施形態に係る形成方法により形成される層であり、第1実施形態に係るポリマーブラシ層20と同様に、第1基材10a上に共有結合で固定された複数の高分子グラフト鎖が、液体物質で膨潤されることにより形成される。
The
なお、第2実施形態に係るポリマーブラシ層の形成方法は、図2に示すように、第1基材10aと第2基材10bとの距離dが、500μm以下である狭小の間隙に、ポリマーブラシ層20aを形成する方法であり、第2実施形態によれば、このような狭小の間隙に、動摩擦係数の低いポリマーブラシ層20aを好適に形成できるものである。
In the method of forming the polymer brush layer according to the second embodiment, as shown in FIG. This is a method of forming the
すなわち、第2実施形態に係るポリマーブラシ層の形成方法は、第1基材10aと、第2基材10bとの距離dが、500μm以下である狭小の間隙に、モノマーを不揮発性溶媒に混合または分散してなる溶液または分散液を含浸させる工程と、
含浸させた溶液または分散液に含まれるモノマーを不揮発性溶媒中で重合させることで、間隙を形成する第1基材10aおよび第2基材10bの表面の少なくとも一部にポリマーブラシ層20aを形成する工程とを備えるものである。That is, in the method of forming the polymer brush layer according to the second embodiment, the distance d between the
A
なお、第2実施形態に係るポリマーブラシ層の形成方法によれば、第1基材10aと、第2基材10bとの距離dが、好ましくは500μm以下、より好ましくは100μm以下とより微小な間隙であっても、動摩擦係数の低いポリマーブラシ層20aを好適に形成できるものである。
According to the method of forming the polymer brush layer according to the second embodiment, the distance d between the
第2実施形態においては、ポリマーブラシ層20aを形成する際に、ポリマーブラシ層20aを構成する高分子グラフト鎖を形成するためのモノマーを、不揮発性溶媒に混合または分散した状態してなる溶液または分散液を、第1基材10aと、第2基材10bとの間隙に、含浸させ、次いで、このような間隙において、高分子グラフト鎖を形成するためのモノマーを不揮発性溶媒中で重合させるものであり、これにより、微小な間隙であっても、ポリマーブラシ層20aを好適に形成できるものである。
In the second embodiment, when forming the
特に、第2実施形態によれば、このような狭小の間隙に、モノマーを不揮発性溶媒に混合または分散してなる溶液または分散液を含浸させ、狭小の間隙において重合を行うものであるため、狭小化された反応空間の効果により、重合反応中における対流の発生を高度に抑制することができるものである。そして、結果として、対流の発生により、得られるポリマーブラシ長の分布が広くなってしまうこと(分子量分布が大きくなってしまうこと)を効果的に抑制することができ、結果として、分子量を高くしながら、分子量分布の狭い高分子グラフト鎖を形成できるものである。そして、分子量が高く、かつ、分子量分布の狭い高分子グラフト鎖を形成できることから、得られるポリマーブラシ層20aを、摺動時の動摩擦係数がより低減されたものとすることができるものである。特に、高分子グラフト鎖の分子量分布が狭い場合には、高分子グラフト鎖のポリマーブラシ長さがほぼ揃ったものとなるため、これにより、動摩擦係数の低減効果が大きくなる。
In particular, according to the second embodiment, such a narrow gap is impregnated with a solution or dispersion obtained by mixing or dispersing a monomer in a nonvolatile solvent, and polymerization is performed in the narrow gap. Due to the effect of the narrowed reaction space, it is possible to highly suppress the occurrence of convection during the polymerization reaction. As a result, it is possible to effectively suppress the broadening of the polymer brush length distribution (increasing the molecular weight distribution) due to the occurrence of convection, and as a result, the molecular weight can be increased. However, it can form polymer graft chains with a narrow molecular weight distribution. Further, since polymer graft chains having a high molecular weight and a narrow molecular weight distribution can be formed, the obtained
ポリマーブラシ層20aを構成する高分子グラフト鎖の数平均分子量(Mn)は、摺動時の動摩擦係数をより低減できるという点より、好ましくは500~10,000,000、より好ましくは200,000~10,000,000である。また、ポリマーブラシ層20を構成する高分子グラフト鎖の重量平均分子量(Mw)は、摺動時の動摩擦係数をより低減できるという点より、好ましくは500~10,000,000、より好ましくは200,000~10,000,000である。さらに、ポリマーブラシ層20を構成する高分子グラフト鎖の分子量分布(Mw/Mn)は、摺動時の動摩擦係数をより低減できるという点より、1に近いことが好ましく、好適には、1.5以下であり、より好ましくは1.3以下、さらに好ましくは1.2以下、特に好ましくは1.01~1.15である。また、ポリマーブラシ層20aの厚みとしては、特に限定されず、第1基材10aと、第2基材10bとの距離dに応じた厚み、すなわち、距離dと実質的に同じ厚みであることが好ましく、好ましくは500μm以下、より好ましくは100μm以下である。
The number-average molecular weight (Mn) of the polymer graft chains constituting the
加えて、第2実施形態においては、第1基材10aと、第2基材10bとの間隙において、高分子グラフト鎖を形成するためのモノマーを、不揮発性溶媒に混合または分散した状態にて、不揮発性溶媒中で重合させるものであるが、重合に用いる不揮発性溶媒をそのまま残存させることで、最終的に得られるポリマーブラシ層20aを、高分子グラフト鎖が、重合に用いた不揮発性溶媒で膨潤されたものとすることができるものである。
In addition, in the second embodiment, in the gap between the
特に、第2実施形態によれば、モノマーの重合を不揮発性溶媒中で行うものであるため、第1基材10aと、第2基材10bとの狭小の間隙に、ポリマーブラシ層20aを形成する際には、重合前の溶液または分散液としては、ポリマーブラシ層20aの形成に必要な量のみを含浸させればよく、また、これに加えて、形成されるポリマーブラシ層20aも、含浸された重合前の溶液または分散液の量に対応したものとなる(すなわち、含浸された重合前の溶液または分散液に応じた箇所に、これに応じた形成面積にて形成される)こととなるため、このような狭小の間隙に、好適にポリマーブラシ層20aを形成できるものである。
In particular, according to the second embodiment, the
そのため、第2実施形態によれば、第1基材10aと、第2基材10bとにより形成される狭小の間隙に、ポリマーブラシ層20aを形成する際には、このような第1基材10aと、第2基材10bとの対峙構造を一度解体し、それぞれの表面にポリマーブラシ層を形成し、再度、ポリマーブラシ層を形成した第1基材10a、および第2基材10bを対峙させるという手順を踏む必要がなくなり、これにより、生産効率を飛躍的に向上させることができるものである。また、このように、第1基材10aと、第2基材10bとの表面にそれぞれ別々にポリマーブラシ層を形成し、再度、対峙させるという方法を採用した場合には、これらに形成されるポリマーブラシ層は、第1基材10aと、第2基材10bとの間隙の大きさに必ずしも適合したものとならないため(たとえば、第1基材10aと、第2基材10bとの間隙に対して、ポリマーブラシ層が厚すぎたり、薄すぎたりするため)、十分な摺動特性を発揮できないという不具合も想定される。特に、図2に示す態様においては、第1基材10aと、第2基材10bとから形成される二平面の間隙に形成される例を例示しているが、曲面形状の間隙にポリマーブラシ層を形成する場合や、ならし面により形成される間隙にポリマーブラシ層を形成する場合、さらには、より複雑な形状の間隙にポリマーブラシ層を形成する場合には、このような不具合はより顕著となる。
Therefore, according to the second embodiment, when forming the
これに対し、第2実施形態によれば、このような不具合を有効に解決できるものである。 In contrast, according to the second embodiment, such problems can be effectively resolved.
ポリマーブラシ層20を構成する、高分子グラフト鎖を形成するためのモノマーとしては、特に限定されず、上述した第1実施形態と同様のものを用いることができるが、イオン性の解離基を有するモノマー(特に、イオン性の解離基と反応性二重結合基とを有するモノマー)を少なくとも用いることが好ましく、イオン性の解離基を有するモノマーに加えて、これと共重合可能なモノマーを用いてもよい。また、イオン性の解離基を有するモノマーとしては、上述した第1実施形態と同様のものを用いることができる。特に、イオン性の解離基を有するモノマーは、狭小の間隙への浸透性に優れるため、このような観点からも、イオン性の解離基を有するモノマーを用いることが好ましい。
The monomer for forming the polymer graft chain, which constitutes the
また、不揮発性溶媒としては、特に限定されず、上述した第1実施形態と同様のものを用いることができるが、不揮発性に優れ、かつ、種々のモノマーに対して高い溶解性を有するという点、さらには、狭小の間隙への浸透性に優れるという点より、イオン液体が好ましい。また、イオン液体としては、上述した第1実施形態と同様のものを用いることができる。 In addition, the non-volatile solvent is not particularly limited, and the same one as in the above-described first embodiment can be used, but it is excellent in non-volatility and has high solubility in various monomers. Furthermore, ionic liquids are preferred from the viewpoint of excellent permeability into narrow gaps. Moreover, as the ionic liquid, the same liquid as in the above-described first embodiment can be used.
すなわち、第2実施形態においては、ポリマーブラシ層20aを形成するためのモノマーとして、イオン性の解離基を有するモノマーを使用し、かつ、不揮発性溶媒として、イオン液体を用いることが特に好ましい(すなわち、イオン性の解離基を有するモノマーと、イオン液体との組み合わせが特に好ましい)。なお、重合系にイオン液体を使用した場合には、重合時において重合初期の溶液の粘性が比較的高くなる場合があり、そのため、所望の高分子グラフト鎖を形成し難いという課題がある一方で、イオン性の解離基を有するモノマーと、イオン液体とを組み合わせて用いることにより、これらの高い相溶性、および狭小の間隙という重合環境により、イオン性の解離基を有するモノマーの重合反応を良好に進行させることができ、これにより、比較的簡便に所望の高分子グラフト鎖を形成することができ、結果として、高い生産性にて、動摩擦係数の低いポリマーブラシ層を好適に形成できるものである。
That is, in the second embodiment, it is particularly preferable to use a monomer having an ionic dissociation group as the monomer for forming the
第2実施形態において、ポリマーブラシ層20aを構成する高分子グラフト鎖を形成するためのモノマーを、不揮発性溶媒に混合または分散した状態してなる溶液または分散液を、第1基材10aと、第2基材10bとの間隙に含浸させる方法としては、特に限定されないが、間隙の入り口付近に、このような溶液または分散液を滴下し、毛細管現象を利用して、含浸させる方法などが挙げられる。
In the second embodiment, a solution or dispersion obtained by mixing or dispersing a monomer for forming a polymer graft chain constituting the
また、第2実施形態において、このような間隙に含浸させた溶液または分散液に含まれるモノマーを不揮発性溶媒中で重合させる方法としては、特に限定されないが、上述した第1実施形態と同様に、表面開始リビングラジカル重合法などが挙げられる。 In addition, in the second embodiment, the method of polymerizing the monomer contained in the solution or dispersion impregnated into such gaps in a non-volatile solvent is not particularly limited, but is the same as in the above-described first embodiment. , surface-initiated living radical polymerization, and the like.
具体的には、第2実施形態においては、モノマーを不揮発性溶媒に混合または分散してなる溶液または分散液を含浸させる前の第1基材10a表面、および第2基材10b表面に、予め重合開始基を導入し、該重合開始基を始点として、リビングラジカル重合を行うことで、第1基材10a上に共有結合で固定された複数の高分子グラフト鎖、および、第2基材10b上に共有結合で固定された複数の高分子グラフト鎖を形成することができる。
Specifically, in the second embodiment, the surface of the
また、表面開始リビングラジカル重合法により重合を行うに際し、第1基材10a表面および第2基材10b表面に重合開始基を導入する方法としては、特に限定されないが、重合開始剤を溶剤に溶解あるいは分散することで、重合開始剤溶液を調製し、調製した重合開始剤溶液を、第1基材10aと第2基材10bとの間隙に含浸させた後、溶剤を除去する方法などが挙げられる。
Further, when the polymerization is performed by the surface-initiated living radical polymerization method, the method of introducing the polymerization initiating group to the surface of the
重合開始剤としては、特に限定されないが、たとえば、第1実施形態と同様のものを用いることができる。 Although the polymerization initiator is not particularly limited, for example, the same initiator as in the first embodiment can be used.
そして、表面開始リビングラジカル重合法により重合を行う場合には、上述した重合開始剤を用いて、第1基材10a表面および第2基材10b表面に重合開始基を導入し、次いで、第1基材10aと、第2基材10bとの間隙に、モノマーを不揮発性溶媒に混合または分散してなる溶液または分散液を含浸させ、非酸化性ガス雰囲気下、加熱あるいは紫外線や電子線、γ線を照射することにより、不揮発性溶媒中にて、モノマーの重合を進行させることで、第1基材10a表面および第2基材10b表面、それぞれに、複数の高分子グラフト鎖を形成することができ、第1基材10aと第2基材10bとの間の微小の間隙に、重合に用いた不揮発性溶媒により膨潤された複数の高分子グラフト鎖からなるポリマーブラシ層20aを形成することができる。
Then, when the polymerization is performed by the surface-initiated living radical polymerization method, the above-described polymerization initiator is used to introduce the polymerization initiation group to the surface of the
なお、このようにして形成されるポリマーブラシ層20aにおいては、第1基材10a上に共有結合で固定された複数の高分子グラフト鎖と、第2基材10b上に共有結合で固定された複数の高分子グラフト鎖とが、不揮発性溶媒により膨潤された状態で、互いに対峙した構成となる。そのため、第2実施形態によれば、動摩擦係数の低いポリマーブラシ層20aを、微小な間隙に好適に形成できるものである。
In the
なお、重合に供する、モノマーを不揮発性溶媒に混合または分散してなる溶液には、各種ラジカル開始剤など重合反応に必要な成分を含有させることができる。 The solution obtained by mixing or dispersing the monomers in the non-volatile solvent to be used for the polymerization may contain components necessary for the polymerization reaction, such as various radical initiators.
また、第2実施形態においては、第1基材10a表面および第2基材10b表面、それぞれに、複数の高分子グラフト鎖を形成する態様を例示したが、第1基材10a表面のみ、あるいは、第2基材10b表面のみのいずれか一方に、複数の高分子グラフト鎖を形成するような態様とすることもできる。
In addition, in the second embodiment, a mode in which a plurality of polymer graft chains are formed on the surface of the
第2実施形態に係る形成方法により得られるポリマーブラシ層は、低い動摩擦係数を備えるものであり、そのため、たとえば、ポリマーブラシ層20aを摺動面とし、第1基材10aと、第2基材10bとを互いに摺動させることにより摺動機構を発現する、摺動部材や摺動機構として好適に用いることができる。
The polymer brush layer obtained by the forming method according to the second embodiment has a low coefficient of dynamic friction. It can be suitably used as a sliding member or a sliding mechanism that develops a sliding mechanism by sliding the
<他の実施形態>
上述した第2実施形態では、第1基材10aおよび第2基材10bとの間隙に、ポリマーブラシ層20aを形成する態様を例示したが、このような態様に特に限定されず、本発明のポリマーブラシ層の形成方法は、種々の間隙に対して適用することができる。<Other embodiments>
In the second embodiment described above, an aspect of forming the
たとえば、上述した第2実施形態では、図2に示すような第1基材10aおよび第2基材10bとから形成される二平面の間隙に、ポリマーブラシ層20aを形成する態様を例示したが、上述した第2実施形態によれば、平面により形成される間隙に限らず、曲面形状の間隙や、ならし面により形成される間隙、さらには、複雑な形状を有する間隙にも、動摩擦係数の低いポリマーブラシ層20aを好適に形成することができる。
For example, in the above-described second embodiment, an embodiment is illustrated in which the
また、本発明によれば、連続多孔体の多孔内表面に、ポリマーブラシ層を形成する方法を提供することもでき、このような方法によれば、
連続多孔体内部に、モノマーを不揮発性溶媒に混合または分散してなる溶液または分散液を含浸させ、次いで、溶液または分散液に含まれるモノマーを不揮発性溶媒中で重合させることで、連続多孔体の多孔内表面のうち、少なくとも一部にポリマーブラシ層を形成することができる。Moreover, according to the present invention, it is also possible to provide a method for forming a polymer brush layer on the inner porous surface of a continuous porous body.
The interior of the continuous porous body is impregnated with a solution or dispersion obtained by mixing or dispersing a monomer in a non-volatile solvent, and then the monomer contained in the solution or dispersion is polymerized in the non-volatile solvent to obtain a continuous porous body. A polymer brush layer can be formed on at least a portion of the porous inner surface of the.
連続多孔体としては特に限定されないが、たとえば、三次元網目構造の連続した骨格と空隙とを有する多孔質体、すなわち、モノリス型多孔体などが挙げられる。本発明の方法によれば、このような連続多孔体を構成する多孔内表面に、ポリマーブラシ層を形成することができ、これにより、連続多孔体を構成する多孔内の孔径を調整することができる(形成するポリマーブラシ層の厚みにより、孔径を調整することができる。)。また、連続多孔体を構成する多孔内表面に、ポリマーブラシ層を形成することにより、多孔内表面に各種機能を付与することができ、特に、ポリマーブラシ層を形成するためのモノマーに、所望の機能に対応した官能基を導入することで、多孔内表面に所望の機能を付与することができ、これにより広範な用途に適用することが可能となる。 The continuous porous body is not particularly limited, but includes, for example, a porous body having a continuous skeleton of a three-dimensional network structure and voids, that is, a monolithic porous body. According to the method of the present invention, a polymer brush layer can be formed on the inner surface of the pores constituting such a continuous porous body, thereby adjusting the pore diameter in the pores constituting the continuous porous body. (The pore diameter can be adjusted by the thickness of the polymer brush layer to be formed.). Further, by forming a polymer brush layer on the inner surface of the pores constituting the continuous porous body, various functions can be imparted to the inner surface of the pores. By introducing a functional group corresponding to the function, it is possible to impart a desired function to the inner surface of the porous structure, thereby making it possible to apply it to a wide range of applications.
加えて、本発明によれば、管状体の内表面に、ポリマーブラシ層を形成する方法を提供することもでき、このような方法によれば、
管状体内部に、モノマーを不揮発性溶媒に混合または分散してなる溶液または分散液を含浸させ、次いで、溶液または分散液に含まれるモノマーを不揮発性溶媒中で重合させることで、管状体の内表面のうち、少なくとも一部にポリマーブラシ層を形成することができる。In addition, the present invention can also provide a method for forming a polymer brush layer on the inner surface of a tubular body, such method comprising:
The inside of the tubular body is impregnated with a solution or dispersion obtained by mixing or dispersing a monomer in a non-volatile solvent, and then the monomer contained in the solution or dispersion is polymerized in the non-volatile solvent. A polymer brush layer can be formed on at least part of the surface.
管状体としては、特に限定されず、たとえば、キャピラリー管、マイクロ流路などが挙げられる。本発明の方法によれば、このような管状体の内表面に、ポリマーブラシ層を形成することができ、これにより、管状体の内表面に、各種機能を付与することができ、特に、ポリマーブラシ層を形成するためのモノマーに、所望の機能に対応した官能基を導入することで、管状体の内表面に所望の機能を付与することができ、これにより広範な用途に適用することが可能となる。 The tubular body is not particularly limited, and examples thereof include capillary tubes and microchannels. According to the method of the present invention, a polymer brush layer can be formed on the inner surface of such a tubular body, whereby various functions can be imparted to the inner surface of the tubular body. By introducing a functional group corresponding to a desired function into the monomer for forming the brush layer, it is possible to impart the desired function to the inner surface of the tubular body, thereby making it possible to apply it to a wide range of applications. It becomes possible.
なお、連続多孔体の多孔内表面に、ポリマーブラシ層を形成する方法、および、管状体の内表面に、ポリマーブラシ層を形成する方法のいずれの方法においても、上述した第1実施形態および第2実施形態と同様の構成を制限なく用いることができる(たとえば、モノマーおよび不揮発性溶媒としては同様のものを用いることができ、また、重合方法、重合条件等も同様とすることができる)。 In either of the method of forming the polymer brush layer on the inner porous surface of the continuous porous body and the method of forming the polymer brush layer on the inner surface of the tubular body, The same configuration as in the second embodiment can be used without limitation (for example, the same monomers and non-volatile solvents can be used, and the polymerization method, polymerization conditions, etc. can also be the same).
以下に、実施例を挙げて、本発明についてより具体的に説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。 EXAMPLES The present invention will be described in more detail below with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.
<実施例1>
固定化開始剤としての3-((3-(トリエトキシシリル)プロピル)チオ)プロピル-2-ブロモ-2-メチルプロパネート(BPTPE)0.4g、およびエタノール20mlを混合し、次いで、これに、アンモニア水1.8gを含むエタノール20 mlを混合することにより、固定化開始剤含有溶液を調製した。次いで、上記にて調製した固定化開始剤含有溶液に、シリコン基板を、18時間浸漬させることにより、表面に重合開始基を導入したシリコン基板を調製した。<Example 1>
0.4 g of 3-((3-(triethoxysilyl)propyl)thio)propyl-2-bromo-2-methylpropanoate (BPTPE) as an immobilized initiator and 20 ml of ethanol were mixed and then , 20 ml of ethanol containing 1.8 g of aqueous ammonia was mixed to prepare an immobilized initiator-containing solution. Then, the silicon substrate was immersed in the immobilized initiator-containing solution prepared above for 18 hours to prepare a silicon substrate having a polymerization initiation group introduced on its surface.
また、上記とは別に、イオン性の解離基を有するモノマー(イオン液体モノマー)として、N,N-ジエチル-N-(2-メタクリロイルエチル)-N-メチルアンモニウム・ビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミド(DEMM-TFSI)16g、ラジカル開始剤として、エチル-2-ブロモ-2-メチルプロピオネート(EBIB)0.013g、配位子として、2,2-ビピリジル0.033g、銅触媒として、CuCl 0.132g、CuCl2 0.0448gを、不揮発性溶媒(イオン液体)としてのN,N-ジエチル-N-メチル-N-(2-メトキシエチル)アンモニウム・ビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミド(DEME-TFSI)3.95gに混合することで、モノマー溶液を得た。In addition to the above, as a monomer having an ionic dissociation group (ionic liquid monomer), N,N-diethyl-N-(2-methacryloylethyl)-N-methylammonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (DEMM-TFSI) 16 g, ethyl-2-bromo-2-methylpropionate (EBIB) 0.013 g as a radical initiator, 2,2-bipyridyl 0.033 g as a ligand, CuCl as a copper catalyst 0.132 g, 0.0448 g of CuCl 2 in N,N-diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (DEME -TFSI) to obtain a monomer solution.
そして、得られたモノマー溶液を、上記にて得られた重合開始基を導入したシリコン基板の表面に塗布し、次いで、これを、インキュベータにて、アルゴン雰囲気下、70℃、32時間の条件で加熱することにより、原子移動ラジカル重合(ATRP)を進行させ、シリコン基板の表面に、高分子グラフト鎖を形成することにより、シリコン基板の表面に、厚み0.5μmのポリマーブラシ層(poly(DEMM-TFSI)が、DEME-TFSIにより膨潤されてなるポリマーブラシ層)を形成した。また、この際に合成系内において共同的に得られた遊離ポリマーの数平均分子量(Mn)、重量平均分子量(Mw)および分子量分布(Mw/Mn)を測定したところ、Mn=6.68×105、Mw=7.93×105、Mw/Mn=1.18であった。よって、シリコン基板表面に導入された高分子グラフト鎖も同様の数平均分子量および分子量分布を持つものであるといえる。Then, the resulting monomer solution was applied to the surface of the silicon substrate having the polymerization initiation group introduced above, and then this was placed in an incubator under an argon atmosphere at 70°C for 32 hours. By heating, atom transfer radical polymerization (ATRP) proceeds to form polymer graft chains on the surface of the silicon substrate, thereby forming a polymer brush layer (poly(DEMM)) having a thickness of 0.5 μm on the surface of the silicon substrate. -TFSI) formed a polymer brush layer) swollen with DEME-TFSI. In addition, when the number average molecular weight (Mn), weight average molecular weight (Mw) and molecular weight distribution (Mw/Mn) of the free polymer jointly obtained in the synthesis system were measured at this time, Mn = 6.68 × 10 5 , Mw=7.93×10 5 , Mw/Mn=1.18. Therefore, it can be said that the polymer graft chains introduced on the surface of the silicon substrate also have the same number average molecular weight and molecular weight distribution.
なお、遊離ポリマーの数平均分子量(Mn)および分子量分布(Mw/Mn)は、ゲルパーミエイションクロマトグラフィー(GPC)により求めた。測定に際しては、測定装置として、昭和電工(株)社製「Shodex GPC-101」(カラム(「Shodex OHpak SB-806M HQ」、昭和電工(株)社製)を2本直列に接続)を用い、また、溶離液として、0.2M硝酸ナトリウム水溶液と0.5M酢酸アセトニトリル溶液とを1:1(体積比)で混合したものを用いた。また、測定は40℃で行い、流量は、1.0 ml/minとした。そして、得られた測定結果より、Shodex480IIにより作製したポリエチレンオキシド換算の検量線を用いて、遊離ポリマーの数平均分子量(Mn)および分子量分布(Mw/Mn)をそれぞれ求めた。 The number average molecular weight (Mn) and molecular weight distribution (Mw/Mn) of the free polymer were determined by gel permeation chromatography (GPC). For the measurement, Showa Denko Co., Ltd. "Shodex GPC-101" (columns ("Shodex OHpak SB-806M HQ", Showa Denko Co., Ltd.) are connected in series) as a measuring device. A 1:1 (volume ratio) mixture of 0.2 M sodium nitrate aqueous solution and 0.5 M acetonitrile acetate solution was used as an eluent. Moreover, the measurement was performed at 40° C. and the flow rate was 1.0 ml/min. Then, from the obtained measurement results, the number average molecular weight (Mn) and the molecular weight distribution (Mw/Mn) of the free polymer were determined using a polyethylene oxide-equivalent calibration curve prepared by Shodex480II.
そして、上記にて得られた、ポリマーブラシ層が形成されたシリコン基板のポリマーブラシ層が形成された面に対し、シリカ薄膜形成シリカ球(未処理のシリカ球の表面に、接着剤にて厚さ3μmのシリカ薄膜を接着させたシリカ球)を下記の荷重にて押し付けつつ、ポリマーブラシ層が形成されたシリコン基板をスライドさせ、ロードセルの感知した摩擦力から動摩擦係数を測定した。なお、測定条件は下記のとおりとした。その結果、本実施例における動摩擦係数は、0.004であり、動摩擦係数が低減されたものであることが確認できた。
・測定装置:表面性測定機「TRIBOGEAR、TYPE38」(新東化学社製)
・荷重 :500g(面圧:301MPa)
・移動速度:600mm/分(10mm/秒)
・試験温度:24.0℃
・試験湿度:25%Then, silica thin film-formed silica spheres (untreated silica spheres are coated with an adhesive to form a thick film on the surface of the polymer brush layer-formed silicon substrate obtained above, on which the polymer brush layer is formed). A silicon substrate having a polymer brush layer formed thereon was slid while pressing a silica sphere to which a silica thin film of 3 μm was adhered) with the following load, and the dynamic friction coefficient was measured from the frictional force sensed by the load cell. The measurement conditions were as follows. As a result, the coefficient of dynamic friction in this example was 0.004, and it was confirmed that the coefficient of dynamic friction was reduced.
・ Measuring device: Surface property measuring machine “TRIBOGEAR, TYPE38” (manufactured by Shinto Kagaku Co., Ltd.)
・Load: 500 g (surface pressure: 301 MPa)
・Movement speed: 600mm/min (10mm/sec)
・Test temperature: 24.0°C
・Test humidity: 25%
<実施例2>
スライドガラスを2枚準備し、2枚のスライスガラス間に、厚さ0.1mmのシリコーンゴムスペーサーを挟み込むことにより、狭小隙間を形成した。次いで、実施例1と同様にして、固定化開始剤含有溶液を調製し、次いで、2枚のスライスガラスを、狭小隙間を形成した状態にて、実施例1と同様にして調製した固定化開始剤含有溶液に、18時間浸漬させることにより、2枚のスライスガラス表面に、重合開始基を導入した。<Example 2>
Two slide glasses were prepared, and a narrow gap was formed by inserting a silicone rubber spacer having a thickness of 0.1 mm between the two slice glasses. Next, in the same manner as in Example 1, a solution containing an immobilization initiator was prepared, and then, two slices of glass were placed in a state in which a narrow gap was formed, and the immobilization initiator prepared in the same manner as in Example 1 Polymerization initiation groups were introduced onto the surfaces of the two sliced glass sheets by immersing them in the agent-containing solution for 18 hours.
次いで、実施例1と同様にして、モノマー溶液を調製し、得られたモノマー溶液を、上記にて得られた重合開始基を導入した2枚のスライスガラス間の間隙の入り口近傍に滴下し、毛細管現象を利用して、間隙内に含浸させた。次いで、これを、インキュベータにて、アルゴン雰囲気下、70℃、32時間の条件で加熱することにより、原子移動ラジカル重合(ATRP)を進行させ、2枚のスライスガラスのそれぞれの表面に、高分子グラフト鎖を形成することにより、2枚のスライスガラスにより形成される狭小隙間に、ポリマーブラシ層(poly(DEMM-TFSI)が、DEME-TFSIにより膨潤されてなるポリマーブラシ層)を形成した。 Next, in the same manner as in Example 1, a monomer solution was prepared, and the obtained monomer solution was dropped near the entrance of the gap between the two sliced glasses into which the polymerization initiating group was introduced, Impregnation was carried out in the gap using capillary action. Next, this is heated in an incubator under an argon atmosphere at 70° C. for 32 hours to allow atom transfer radical polymerization (ATRP) to proceed, and polymer By forming graft chains, a polymer brush layer (a polymer brush layer formed by swelling poly(DEMM-TFSI) with DEME-TFSI) was formed in a narrow gap formed by two pieces of sliced glass.
上記にて得られたポリマーブラシ層(poly(DEMM-TFSI)について、実施例1と同様にして、数平均分子量(Mn)、重量平均分子量(Mw)および分子量分布(Mw/Mn)を測定したところ、実施例1とほぼ同様の結果であった。また、上記にて得られたポリマーブラシ層について、動摩擦係数の測定を行ったところ、実施例1とほぼ同様の水準であり、動摩擦係数が低減されたものであることが確認できた。 Regarding the polymer brush layer (poly(DEMM-TFSI) obtained above, the number average molecular weight (Mn), weight average molecular weight (Mw) and molecular weight distribution (Mw/Mn) were measured in the same manner as in Example 1. The results were almost the same as in Example 1. Further, when the dynamic friction coefficient of the polymer brush layer obtained above was measured, the level was almost the same as in Example 1, and the dynamic friction coefficient was approximately the same as in Example 1. It was confirmed that it was reduced.
<実施例3>
実施例1と同様にして、固定化開始剤含有溶液を調製し、次いで、調製した固定化開始剤含有溶液中に、多孔質基材としてのシリカモノリス(細孔径約2μm)を浸漬することで、シリカモノリスの細孔の内表面に、重合開始基を導入した。<Example 3>
A solution containing an immobilized initiator was prepared in the same manner as in Example 1, and then a silica monolith (having a pore diameter of about 2 μm) as a porous substrate was immersed in the prepared solution containing an immobilized initiator. introduced polymerization initiation groups to the inner surface of the pores of the silica monolith.
次いで、実施例1と同様にして、モノマー溶液を調製し、モノマー溶液中に、上記にて得られた重合開始基を導入したシリカモノリスを浸漬させ、モノマー溶液中から回収することで、シリカモノリスの細孔内に、モノマー溶液を含浸させた。次いで、これを、インキュベータにて、アルゴン雰囲気下、70℃、32時間の条件で加熱することにより、原子移動ラジカル重合(ATRP)を進行させ、シリカモノリスの細孔内表面に、高分子グラフト鎖を形成することにより、シリカモノリスの細孔内に、ポリマーブラシ層(poly(DEMM-TFSI)が、DEME-TFSIにより膨潤されてなるポリマーブラシ層)を形成した。 Next, in the same manner as in Example 1, a monomer solution was prepared, the silica monolith into which the polymerization initiation group obtained above had been introduced was immersed in the monomer solution, and the silica monolith was recovered from the monomer solution. was impregnated with the monomer solution. Next, this is heated in an incubator under an argon atmosphere at 70° C. for 32 hours to allow atom transfer radical polymerization (ATRP) to proceed, and polymer graft chains are formed on the inner surface of the pores of the silica monolith. A polymer brush layer (poly(DEMM-TFSI) swollen with DEME-TFSI) was formed in the pores of the silica monolith.
上記にて得られたポリマーブラシ層(poly(DEMM-TFSI)について、実施例1と同様にして、数平均分子量(Mn)、重量平均分子量(Mw)および分子量分布(Mw/Mn)を測定したところ、実施例1とほぼ同様の結果であった。 Regarding the polymer brush layer (poly(DEMM-TFSI) obtained above, the number average molecular weight (Mn), weight average molecular weight (Mw) and molecular weight distribution (Mw/Mn) were measured in the same manner as in Example 1. By the way, the results were almost the same as in Example 1.
<実施例4>
実施例1と同様にして、モノマー溶液の調製を行い、得られたモノマー溶液を、実施例1と同様にして得られた重合開始基を導入したシリコン基板の表面に塗布し、次いで、これを、アルゴン雰囲気下においてテフロン(登録商標)容器内に密封し、これを、100MPaの中圧重合容器にて70℃、5時間の条件(中圧重合条件)で加熱することにより、原子移動ラジカル重合(ATRP)を進行させ、シリコン基板の表面に、高分子グラフト鎖を形成することにより、シリコン基板の表面に、厚み0.2μm(厚みは分子量から推定)ポリマーブラシ層(poly(DEMM-TFSI)が、DEME-TFSIにより膨潤されてなるポリマーブラシ層)を形成した。また、この際に合成系内において共同的に得られた遊離ポリマーの数平均分子量(Mn)、重量平均分子量(Mw)および分子量分布(Mw/Mn)を測定したところ、中圧重合条件の場合には、重合度2215、Mn=3.01×105、Mw=3.88×105、Mw/Mn=1.29であった。一方、同一の条件で常圧のインキュベータ中で行った場合は、重合度805、Mn=9.65×104、Mw=1.12×105、Mw/Mn=1.16であり、常圧時に比べ、中圧重合を組み合わせることで約2.8倍の重合度が得られた。<Example 4>
A monomer solution was prepared in the same manner as in Example 1, and the obtained monomer solution was applied to the surface of a silicon substrate having a polymerization initiating group introduced in the same manner as in Example 1. , Sealed in a Teflon (registered trademark) container under an argon atmosphere, and heated at 70 ° C. for 5 hours in a medium pressure polymerization container of 100 MPa (medium pressure polymerization conditions) to perform atom transfer radical polymerization. (ATRP) to form a polymer graft chain on the surface of the silicon substrate, a 0.2 μm thick polymer brush layer (poly (DEMM-TFSI) formed a polymer brush layer) swollen with DEME-TFSI. In addition, when the number average molecular weight (Mn), weight average molecular weight (Mw) and molecular weight distribution (Mw/Mn) of the free polymer jointly obtained in the synthesis system were measured at this time, it was found that under medium pressure polymerization conditions, had a degree of polymerization of 2215, Mn=3.01×10 5 , Mw=3.88×10 5 and Mw/Mn=1.29. On the other hand, when carried out in a normal pressure incubator under the same conditions, the degree of polymerization was 805, Mn = 9.65 × 10 4 , Mw = 1.12 × 10 5 , Mw/Mn = 1.16. A degree of polymerization about 2.8 times higher than that obtained under pressure was obtained by combining medium pressure polymerization.
上記にて得られたポリマーブラシ層(poly(DEMM-TFSI)について、動摩擦係数の測定を行ったところ、実施例1とほぼ同様の水準であり、動摩擦係数が低減されたものであることが確認できた。 When the dynamic friction coefficient of the polymer brush layer (poly (DEMM-TFSI) obtained above was measured, the level was almost the same as in Example 1, confirming that the dynamic friction coefficient was reduced. did it.
Claims (8)
モノマーを不揮発性溶媒に混合または分散してなる溶液または分散液からなる層を、前記基材上に形成する工程と、
前記溶液または分散液に含まれるモノマーを不揮発性溶媒中で重合させることで、前記基材表面の少なくとも一部に、20μm以下の厚みのポリマーブラシ層を形成する工程とを備え、
前記不揮発性溶媒がイオン液体であるポリマーブラシ層の形成方法。 A method for forming a polymer brush layer on a substrate surface, comprising:
A step of forming on the substrate a layer composed of a solution or dispersion obtained by mixing or dispersing a monomer in a non-volatile solvent;
forming a polymer brush layer having a thickness of 20 μm or less on at least a part of the substrate surface by polymerizing the monomer contained in the solution or dispersion in a nonvolatile solvent;
A method for forming a polymer brush layer, wherein the non-volatile solvent is an ionic liquid.
含浸させた前記溶液または分散液に含まれるモノマーを不揮発性溶媒中で重合させることで、前記間隙を形成する第1基材および第2基材の少なくとも一方の基材表面の少なくとも一部にポリマーブラシ層を形成する工程と、を備え、
前記不揮発性溶媒がイオン液体であるポリマーブラシ層の形成方法。 a step of impregnating a gap formed by the first substrate and the second substrate facing each other at a distance of 500 μm or less with a solution or dispersion obtained by mixing or dispersing a monomer in a nonvolatile solvent; ,
By polymerizing the monomer contained in the impregnated solution or dispersion in a non-volatile solvent, at least part of the substrate surface of at least one of the first substrate and the second substrate forming the gap is polymerized. a step of forming a brush layer;
A method for forming a polymer brush layer , wherein the non-volatile solvent is an ionic liquid .
前記連続多孔体内部または管状体内部に、モノマーを不揮発性溶媒に混合または分散してなる溶液または分散液を含浸させる工程と、
前記溶液または分散液に含まれるモノマーを不揮発性溶媒中で重合させることで、前記連続多孔体の多孔内表面または管状体の内表面のうち、少なくとも一部にポリマーブラシ層を形成する工程とを備え、
前記不揮発性溶媒がイオン液体であるポリマーブラシ層の形成方法。 A method for forming a polymer brush layer on the inner porous surface of a continuous porous body or the inner surface of a tubular body, comprising:
a step of impregnating the interior of the continuous porous body or the interior of the tubular body with a solution or dispersion obtained by mixing or dispersing a monomer in a non-volatile solvent;
forming a polymer brush layer on at least a part of the porous inner surface of the continuous porous body or the inner surface of the tubular body by polymerizing the monomer contained in the solution or dispersion liquid in a nonvolatile solvent. prepared ,
A method for forming a polymer brush layer , wherein the non-volatile solvent is an ionic liquid .
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