含フッ素基修飾ポリシルセスキオキサン液体、ガラス及びこれらの製造方法

技術概要

含フッ素基修飾ポリシルセスキオキサン液体及び低屈折率低分散低密度の含フッ素基修飾ポリシルセスキオキサンガラスを共溶媒として有機溶媒を使用せず簡易に製造する方法が提供される

用途・応用

低屈折率ガラス
反射防止膜
光学材料（光導波路）

背景

　ケイ素系有機－無機ハイブリッド材料の骨格元素であるケイ素（Ｓｉ）は結合の手を４本有しており、ここにどのような原子や官能基が結合するかによって多様な性質を発現する。Ｓｉに結合する主な原子は酸素（Ｏ）と炭素（Ｃ）である。酸素は、Ｓｉ－Ｏ－Ｓｉ結合を形成することによってＳｉ原子同士を架橋し、高分子を形成する。一方、炭素は、代表的には結合の手を１本しかもたないメチル基（－ＣＨ ３ ）やフェニル基（－Ｃ ６ Ｈ ５）であり、Ｓｉ－Ｏ－Ｓｉ結合の形成を抑える働きがある。このようなケイ素系有機－無機ハイブリッドは、良好な透明性とＳｉ－Ｏ結合およびＳｉ－Ｃ結合に由来する高い化学的・熱的安定性、良好な絶縁特性などの優れた性質を有しており、光学材料、電子材料およびそれらを作製するうえでの基本素材として広く利用されている。

　現在最も多用されているケイ素系有機－無機ハイブリッドは、２本のＳｉ－Ｏ結合と２本のＳｉ－Ｃ結合を有するポリシロキサン（慣用名シリコーン、一般式：Ｒ ２ ＳｉＯ ２ ／２ 、Ｒは有機官能基）である。ポリシロキサンは、Ｓｉ原子１個あたり２本のＳｉ－Ｏ結合をもつため直鎖状のＳｉ－Ｏ－Ｓｉ骨格を有しており、Ｓｉ－Ｏ－Ｓｉ鎖の長さによって液体から固体まで性質が変化する。

　Ｓｉ原子１個あたり１本のＳｉ－Ｃ結合と３本のＳｉ－Ｏ結合を有するケイ素系有機－無機ハイブリッドは、ポリシルセスキオキサン（ＰＳＱ、一般式：ＲＳｉＯ ３ ／ ２ ）とよばれる。ＰＳＱは、ポリシロキサンよりＳｉ原子１個あたりのＳｉ－Ｏ結合の数が多く、三次元的な架橋構造を形成する。また、Ｓｉ－Ｏ結合はＳｉ－Ｃ結合よりも安定であるため、ＰＳＱの機械的強度や化学的・熱的安定性はポリシロキサンよりも優れていることが期待できる。

　本発明者らは、これまでの研究で、Ｒが炭化水素基であるＰＳＱ（炭化水素基修飾ＰＳＱともいう）が、３官能アルコキシドを原料として、アルコールや有機溶媒などの共溶媒を用いることなく簡便に合成できること、合成条件によっては液体状のＰＳＱが得られること、Ｒがエチル基の場合、紫外透明性に優れ且つ軽量のＰＳＱガラスが得られることなどを見出している。しかし、屈折率が１．４０以下、アッベ数が８５以上の材料は極めて少なく、この条件を満たす緻密なバルク状ポリシルセスキオキサンガラスの合成はこれまで報告されていない。

　既 存 の 低 屈 折 率 低 分 散 材 料 は 、 フ ツ リ ン 酸 塩 ガ ラ ス （ た と え ば HOYAの FCD100で は 屈 折 率ｎ Ｄ ＝１．４４、アッベ数ν Ｄ ＝９５）、ＣａＦ ２ （蛍石、ｎ Ｄ ＝１．４３、アッベ数νＤ ＝９５）、ＭｇＦ ２ （ ｎ Ｄ ＝１．３８、アッベ数ν Ｄ ＝１０６）、およびアモルファスフッ素樹脂（たとえばテフロンＡＦ（登録商標）ではｎ Ｄ ＝１．３２、アッベ数ν Ｄ ＝ ９５）である。このうち、フツリン酸塩ガラスおよびＣａＦ ２ 、ＭｇＦ ２ は、数百℃以上での熔融状態を経て合成する必要があるうえ、化学的耐久性もあまり高くはない。一方、アモルファスフッ素樹脂は、化学的安定性には優れており、薄膜などへの成型も容易であるが、柔軟であり、また熱可塑性であるため、温度が上がると軟化しやすい。

　このように、現在、電子部品等と複合化が容易な２００℃程度で合成できる、比較的硬い低屈折率材料は存在しない。

課題

　本発明は、紫外透明性、低温成形性、耐熱性に優れ、薄膜形成が可能な低屈折率低分散低密度の含フッ素基修飾ポリシルセスキオキサンガラス、及び当該含フッ素基修飾ポリシルセスキオキサンガラスの前駆体となる含フッ素基修飾ポリシルセスキオキサン液体、及びこれらを簡易に製造する方法を提供することを目的とする。

手段

　本発明によれば、含フッ素基修飾ポリシルセスキオキサン液体及び低屈折率低分散低密度の含フッ素基修飾ポリシルセスキオキサンガラスを共溶媒として有機溶媒を使用せず簡易に製造する方法が提供される。

　具体的には、本発明によれば、共溶媒として有機溶媒を用いずに、含フッ素基修飾３官能ケイ素アルコキシドと水と酸触媒とからなる混合物を加水分解及び重縮合させた後、含フッ素基修飾３官能ケイ素アルコキシドの加水分解によって生じるアルコールを除去することを含む含フッ素基修飾ポリシルセスキオキサン液体の製造方法が提供される。

　前記含フッ素基修飾３官能ケイ素アルコキシドと水と酸触媒とは、含フッ素基修飾３官能ケイ素アルコキシド１モルに対して、水１．５モル以上５モル以下、酸触媒０モルよりも多く０．０１モル以下で混合することが好ましい。

効果

　本発明によれば、簡易な方法で含フッ素基修飾ポリシルセスキオキサン液体及び低屈折率低分散低密度の含フッ素基修飾ポリシルセスキオキサンガラスを製造することができる。

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