JP2016147925A - Prepreg and fiber-reinforced composite material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、優れた層間靱性、および成形性を兼ね備えた繊維強化複合材料が得られるプリプレグ、およびそれを用いた繊維強化複合材料に関するものである。 The present invention relates to a prepreg from which a fiber-reinforced composite material having excellent interlayer toughness and moldability is obtained, and a fiber-reinforced composite material using the prepreg.
繊維強化複合材料、中でも炭素繊維強化複合材料は、比強度や比剛性に優れていることから有用であり、航空機構造部材、風車の羽根、自動車外板およびICトレイやノートパソコンの筐体(ハウジング)などのコンピュータ用途等に広く展開され、その需要は年々増加しつつある。 Fiber reinforced composite materials, especially carbon fiber reinforced composite materials, are useful because they are excellent in specific strength and specific rigidity, and are useful for aircraft structural members, windmill blades, automobile outer plates, IC trays, and notebook PC housings (housings). ) And other computer applications, and the demand is increasing year by year.
炭素繊維強化複合材料は、強化繊維である炭素繊維とマトリックス樹脂を必須の構成要素とするプリプレグを成形してなる不均一材料であり、そのため強化繊維の配列方向の物性とそれ以外の方向の物性に大きな差が存在する。例えば、強化繊維層間破壊の進行しにくさを示す層間靱性は、強化繊維の強度を向上させるのみでは、抜本的な改良に結びつかないことが知られている。特に、熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂とする炭素繊維強化複合材料は、マトリックス樹脂の低い靭性を反映し、強化繊維の配列方向以外からの応力に対し、破壊され易い性質を持っている。そのため、航空機構造材で必要となる高温高湿環境下での繊維方向圧縮強度を確保しつつ、層間靭性を始めとする強化繊維の配列方向以外からの応力に対応することができる複合材料物性の改良を目的に、種々の技術が提案されている。 Carbon fiber reinforced composite material is a heterogeneous material formed by molding a prepreg composed of carbon fibers, which are reinforcing fibers, and a matrix resin as essential components. Therefore, the physical properties of the reinforcing fibers in the alignment direction and the physical properties in other directions There is a big difference. For example, it is known that interlayer toughness, which indicates the difficulty of progressing interlaminar fracture of reinforcing fibers, does not lead to drastic improvement only by improving the strength of the reinforcing fibers. In particular, a carbon fiber reinforced composite material using a thermosetting resin as a matrix resin reflects the low toughness of the matrix resin, and has a property of being easily broken by stress from other than the direction in which the reinforcing fibers are arranged. Therefore, while maintaining the compressive strength in the fiber direction under the high-temperature and high-humidity environment required for aircraft structural materials, the composite material properties that can cope with stresses from other than the array direction of reinforcing fibers including interlayer toughness Various techniques have been proposed for the purpose of improvement.
さらに近年、航空機構造材への繊維強化複合材料の適用部位が拡大している他、発電効率やエネルギー変換効率の向上を目指した風車ブレードや各種タービンへの繊維強化複合材料の適用も進んでおり、プリプレグの積層枚数の多い肉厚な部材、また3次元的な曲面形状を有する部材への適用検討が進められている。このような肉厚部材、あるいは曲面部材に引っ張りや圧縮の応力が負荷された場合、繊維層間への面外方向への引き剥がし応力が発生し、層間に開口モードによる亀裂が生じ、その亀裂の進展により部材全体の強度、剛性が低下し、全体破壊に到る場合がある。この応力に対抗するための、開口モード、すなわちモードIでの層間靱性が必要になる。 Furthermore, in recent years, the application site of fiber reinforced composite materials for aircraft structural materials has expanded, and the application of fiber reinforced composite materials to wind turbine blades and various turbines aimed at improving power generation efficiency and energy conversion efficiency is also progressing. Studies are being made on application to thick members having a large number of laminated prepregs and members having a three-dimensional curved shape. When tensile stress or compressive stress is applied to such a thick member or curved member, an out-of-plane tearing stress occurs between the fiber layers, and cracks due to the opening mode occur between the layers. Due to the progress, the strength and rigidity of the entire member may decrease, leading to total destruction. In order to counter this stress, interlaminar toughness in the open mode, i.e. mode I, is required.
層間靭性を高める技術として、繊維層間領域に高靱性なポリアミド等を用いた粒子材料を配置することで、モードII層間靱性を高め、部材表面への落錘衝撃に対する損傷を抑える技術が提案されている(特許文献1参照)。 As a technology to increase interlaminar toughness, a technology has been proposed in which mode II interlaminar toughness is enhanced by disposing particulate materials using high toughness polyamide in the fiber interlaminar region, and damage to the falling weight impact on the member surface is suppressed. (See Patent Document 1).
しかし、この技術を用いた場合、モードI層間靱性試験において、進展していくクラックが層間を外れ、粒子の存在しない繊維層内を進展するようになってしまうことが知られている。このようなクラックの層内遷移を回避するために、強化繊維とマトリックス樹脂との十分な接着性を確保すること、およびマトリックス樹脂の弾性率および靱性のバランスを向上させることが有効と考えられており、エポキシ樹脂の靱性を向上させる方法として、靱性に優れるゴム成分や熱可塑性樹脂を配合する方法などが試されている。その例として、数平均分子量の低いポリスルホンを配合することで靭性を付与した樹脂設計が開発された(特許文献2)。具体的には、数平均分子量が3000〜5100のポリスルホンをエポキシ樹脂組成物の20〜50質量%と大量に配合することで、優れた靭性向上効果があることが開示されている。 However, when this technique is used, it is known that, in the mode I interlayer toughness test, the cracks that progress are separated from the layers and propagate in the fiber layer where particles are not present. In order to avoid such a crack transition in the layer, it is considered effective to ensure sufficient adhesion between the reinforcing fiber and the matrix resin and to improve the balance between the elastic modulus and toughness of the matrix resin. As a method for improving the toughness of the epoxy resin, a method of blending a rubber component or a thermoplastic resin having excellent toughness has been tried. As an example, a resin design that has been provided with toughness by blending a polysulfone having a low number average molecular weight has been developed (Patent Document 2). Specifically, it is disclosed that an excellent toughness improving effect can be obtained by blending polysulfone having a number average molecular weight of 3000 to 5100 in a large amount of 20 to 50% by mass of the epoxy resin composition.
大型構造材を成形する際、今後は大量生産に伴い、生産性の向上も必要となってくる。つまり、プリプレグの積層工程が簡便となることが重要となり、そのために例えば、プリプレグの粘着性を抑え、積層位置の調整、修正を容易にする、あるいは、複数層をまとめて積層できることが求められる。これにより、近年、需要が高まりつつある肉厚の繊維強化複合材料の作製も容易となる。 When molding large structural materials, it will be necessary to improve productivity with mass production. In other words, it is important that the prepreg laminating process is simple. For this purpose, for example, it is required that the adhesiveness of the prepreg is suppressed, the adjustment and correction of the laminating position are facilitated, or a plurality of layers can be laminated together. This also facilitates the production of thick fiber-reinforced composite materials that are in increasing demand in recent years.
特許文献1の方法では、繊維強化複合材料に求められる特性に対して、モードI層間靭性が不十分であり、またプリプレグの粘着性が高く成形性も不十分となる。ここで、粘着性を抑えるため、樹脂組成物の粘度を高めた場合、含浸性が不十分となり、プリプレグの粘着性を抑えつつ含浸性を満たすことは困難であった。 In the method of Patent Document 1, the mode I interlayer toughness is insufficient with respect to the properties required for the fiber reinforced composite material, and the prepreg has high adhesiveness and insufficient moldability. Here, when the viscosity of the resin composition is increased to suppress the tackiness, the impregnation property becomes insufficient, and it is difficult to satisfy the impregnation property while suppressing the tackiness of the prepreg.
また、特許文献2の方法では、繊維強化複合材料に求められる特性に対して、モードII層間靭性が不十分となる場合があり、またプリプレグの粘着性が高く成形作業性も不十分となる。 Further, in the method of Patent Document 2, the mode II interlayer toughness may be insufficient for the characteristics required for the fiber reinforced composite material, and the prepreg has high adhesiveness and the molding workability is insufficient.
このように、モードI層間靭性とモードII層間靭性、および成形性を満足させるプリプレグおよび繊維強化複合材料の開発は困難であった。 As described above, it has been difficult to develop a prepreg and a fiber-reinforced composite material satisfying the mode I interlayer toughness, the mode II interlayer toughness, and the moldability.
そこで、本発明の目的は、モードI層間靭性とモードII層間靭性、および成形作業性を兼ね備えた繊維強化複合材料が得られるプリプレグ、およびそれを用いた繊維強化複合材料を提供することにある。 Then, the objective of this invention is providing the prepreg from which the fiber reinforced composite material which has mode I interlayer toughness, mode II interlayer toughness, and shaping | molding workability | operativity is obtained, and a fiber reinforced composite material using the same.
本発明は、上記目的を達成するために次のいずれかの構成を有するものである。すなわち、少なくとも次の構成要素[A]、[B]、[C]、[D]と強化繊維からなるプリプレグ、である。
[A]エポキシ樹脂
[B]熱可塑性樹脂
[C]アミノ基活性水素当量が70(g/eq.)以上150(g/eq.)以下の固形アミン硬化剤
[D]次の(d1)〜(d3)の条件を満たすエポキシ樹脂に不溶な熱可塑性樹脂粒子
(d1)粒子径分布指数が1.0〜1.8である
(d2)粒子の真球度が85以上である
(d3)粒子のガラス転移温度が40〜300℃である。
In order to achieve the above object, the present invention has any one of the following configurations. That is, at least the following components [A], [B], [C], [D] and a prepreg composed of reinforcing fibers.
[A] Epoxy resin [B] Thermoplastic resin [C] Solid amine curing agent having an amino group active hydrogen equivalent weight of 70 (g / eq.) Or more and 150 (g / eq.) Or less [D] Next (d1) to (D3) Thermoplastic resin particles insoluble in epoxy resin that satisfy the condition (d3) (d1) Particle size distribution index is 1.0 to 1.8 (d2) Particles having a sphericity of 85 or more (d3) particles Has a glass transition temperature of 40 to 300 ° C.
さらに、本発明においては、前記プリプレグを硬化させてなる繊維強化複合材料とすることができる。 Furthermore, in this invention, it can be set as the fiber reinforced composite material formed by hardening | curing the said prepreg.
本発明によれば、モードI層間靭性とモードII層間靭性を安定して発現し、かつ成形性を兼ね備えた繊維強化複合材料、およびこれを得るための繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物およびプリプレグが得られる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fiber reinforced composite material which expressed the mode I interlayer toughness and the mode II interlayer toughness stably, and has moldability, and the epoxy resin composition and prepreg for fiber reinforced composite materials for obtaining this Is obtained.
以下、本発明のプリプレグ、および繊維強化複合材料について詳細に説明する。 Hereinafter, the prepreg and fiber-reinforced composite material of the present invention will be described in detail.
本発明のプリプレグは、エポキシ樹脂[A]、熱可塑性樹脂[B]、アミノ基活性水素当量が70(g/eq.)以上150(g/eq.)以下の固形アミン硬化剤[C]、エポキシ樹脂に不溶な熱可塑性樹脂粒子[D]と強化繊維からなるプリプレグであり、[D]が下記条件(d1)から(d3)を満たすものである。
(d1)粒子径分布指数が1.0〜1.8である
(d2)粒子の真球度が85以上である
(d3)粒子のガラス転移温度が40〜300℃である。
The prepreg of the present invention comprises an epoxy resin [A], a thermoplastic resin [B], a solid amine curing agent [C] having an amino group active hydrogen equivalent weight of 70 (g / eq.) To 150 (g / eq.), This is a prepreg composed of thermoplastic resin particles [D] insoluble in epoxy resin and reinforcing fibers, and [D] satisfies the following conditions (d1) to (d3).
(D1) The particle size distribution index is 1.0 to 1.8 (d2) The sphericity of the particle is 85 or more (d3) The glass transition temperature of the particle is 40 to 300 ° C.
本発明で用いられるエポキシ樹脂[A]は、1分子内に2個以上のエポキシ基を有する化合物を意味する。 The epoxy resin [A] used in the present invention means a compound having two or more epoxy groups in one molecule.
本発明で用いられるエポキシ樹脂[A]の具体例としては、水酸基を複数有するフェノールから得られる芳香族グリシジルエーテル、水酸基を複数有するアルコールから得られる脂肪族グリシジルエーテル、アミンから得られるグリシジルアミン、カルボキシル基を複数有するカルボン酸から得られるグリシジルエステル、オキシラン環を有するエポキシ樹脂などが挙げられる。中でも、低粘度で強化繊維への含浸性に優れ、また繊維強化複合材料とした際の耐熱性と弾性率等の力学物性に優れることから、グリシジルアミン型のエポキシ樹脂を好適に使用できる。かかるグリシジルアミン型のエポキシ樹脂は、多官能アミン型エポキシ樹脂と2官能アミン型エポキシ樹脂に大別できる。 Specific examples of the epoxy resin [A] used in the present invention include aromatic glycidyl ether obtained from phenol having a plurality of hydroxyl groups, aliphatic glycidyl ether obtained from alcohol having a plurality of hydroxyl groups, glycidyl amine obtained from amine, carboxyl Examples thereof include a glycidyl ester obtained from a carboxylic acid having a plurality of groups and an epoxy resin having an oxirane ring. Among them, a glycidylamine type epoxy resin can be suitably used because of its low viscosity, excellent impregnation into reinforcing fibers, and excellent mechanical properties such as heat resistance and elastic modulus when used as a fiber reinforced composite material. Such glycidylamine type epoxy resins can be broadly classified into polyfunctional amine type epoxy resins and bifunctional amine type epoxy resins.
かかる多官能アミン型エポキシ樹脂は、エポキシ樹脂1分子内に3つ以上のエポキシ基を含むアミン型エポキシ樹脂を指す。かかる多官能アミン型エポキシ樹脂としては、例えば、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン、テトラグリシジルジアミノジフェニルスルホン、テトラグリシジルキシリレンジアミン、トリグリシジルアミノフェノール、トリグリシジルアミノクレゾールや、これらのハロゲン置換体、アルキル置換体、アラルキル置換体、アリル置換体、アルコキシ置換体、アラルコキシ置換体、アリロキシ置換体、水添体などを使用することができる。 Such a polyfunctional amine type epoxy resin refers to an amine type epoxy resin containing three or more epoxy groups in one molecule of the epoxy resin. Examples of such polyfunctional amine-type epoxy resins include tetraglycidyldiaminodiphenylmethane, tetraglycidyldiaminodiphenylsulfone, tetraglycidylxylylenediamine, triglycidylaminophenol, triglycidylaminocresol, halogen substituted products thereof, alkyl substituted products, Aralkyl-substituted, allyl-substituted, alkoxy-substituted, aralkoxy-substituted, allyloxy-substituted, hydrogenated and the like can be used.
かかる多官能アミン型エポキシ樹脂は特に限定されるものではないが、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン、テトラグリシジルジアミノジフェニルスルホン、テトラグリシジルキシリレンジアミン、トリグリシジルアミノフェノール、トリグリシジルアミノクレゾールおよびその置換体、水添体などが好適に使用される。 Such polyfunctional amine-type epoxy resin is not particularly limited, but tetraglycidyldiaminodiphenylmethane, tetraglycidyldiaminodiphenylsulfone, tetraglycidylxylylenediamine, triglycidylaminophenol, triglycidylaminocresol and its substitute, hydrogenated The body and the like are preferably used.
テトラグリシジルジアミノジフェニルメタンの市販品としては、“スミエポキシ(登録商標)”ELM434(住友化学工業(株)製)、YH434L(新日鐵住金化学(株)製)、“jER(登録商標)”604(三菱化学(株)製)、“アラルダイド(登録商標)”MY720、“アラルダイド(登録商標)”MY721、“アラルダイド(登録商標)”MY9512、“アラルダイド(登録商標)”MY9663(以上、ハンツマン・アドバンスト・マテリアルズ社製)等を使用することができる。 Commercially available products of tetraglycidyldiaminodiphenylmethane include “Sumiepoxy (registered trademark)” ELM434 (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.), YH434L (manufactured by Nippon Steel & Sumikin Chemical Co., Ltd.), “jER (registered trademark)” 604 ( (Mitsubishi Chemical Corporation), “Araldide (registered trademark)” MY720, “Araldide (registered trademark)” MY721, “Araldide (registered trademark)” MY9512, “Araldide (registered trademark)” MY9663 (above, Huntsman Advanced Materials, Inc.) can be used.
テトラグリシジルジアミノジフェニルスルホンの市販品としては、TG3DAS(三井化学ファイン(株)製)などが挙げられる。 Examples of commercially available tetraglycidyl diaminodiphenyl sulfone include TG3DAS (manufactured by Mitsui Chemicals Fine Co., Ltd.).
テトラグリシジルキシリレンジアミンおよびその水素添加品の市販品としては、“TETRAD(登録商標)”−X、“TETRAD(登録商標)”−C(以上、三菱ガス化学(株)製)などが挙げられる。 Examples of commercially available tetraglycidylxylylenediamine and hydrogenated products thereof include “TETRAD (registered trademark)”-X, “TETRAD (registered trademark)”-C (manufactured by Mitsubishi Gas Chemical Co., Ltd.), and the like. .
トリグリシジルアミノフェノール又はトリグリシジルアミノクレゾールの市販品としては、“スミエポキシ(登録商標)”ELM100、“スミエポキシ(登録商標)”ELM120(以上、住友化学工業(株)製)、“アラルダイド(登録商標)”MY0500、“アラルダイド(登録商標)”MY0510、“アラルダイド(登録商標)”MY0600(以上、ハンツマン・アドバンスド・マテリアルズ社製)、“jER(登録商標)”630(三菱化学(株)製)などが挙げられる。 Commercially available products of triglycidylaminophenol or triglycidylaminocresol include “Sumiepoxy (registered trademark)” ELM100, “Sumiepoxy (registered trademark)” ELM120 (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.), “Araldide (registered trademark)” “MY0500”, “Araldide (registered trademark)” MY0510, “Araldide (registered trademark)” MY0600 (manufactured by Huntsman Advanced Materials), “jER (registered trademark)” 630 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation), etc. Is mentioned.
かかる2官能アミン型エポキシ樹脂は、ジグリシジルアニリン、ジグリシジルトルイジン、またはこれらのハロゲン置換体、アルキル置換体、水添体などが挙げられる。 Examples of the bifunctional amine type epoxy resin include diglycidyl aniline, diglycidyl toluidine, and halogen-substituted products, alkyl-substituted products, and hydrogenated products thereof.
ジグリシジルアニリンの市販品としては、GAN(日本化薬(株)製)、PxGAN(東レ・ファインケミカル(株)製)などが挙げられる。 Examples of commercially available diglycidyl aniline include GAN (manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.) and PxGAN (manufactured by Toray Fine Chemical Co., Ltd.).
ジグリシジルトルイジンの市販品としては、GOT(日本化薬(株)製)などが挙げられる。 Examples of commercially available diglycidyl toluidine include GOT (manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.).
本発明において、エポキシ樹脂[A]の総量100質量部中にアミン型エポキシ樹脂が20〜100質量部含まれることが好ましく、より好ましくは30〜100質量部の範囲である。アミン型エポキシ樹脂が、配合したエポキシ樹脂総量100質量部に対して20質量部未満であると、繊維強化複合材料としたときの耐熱性と圧縮強度が不足する場合がある。 In this invention, it is preferable that 20-100 mass parts of amine type epoxy resins are contained in 100 mass parts of total amounts of epoxy resin [A], More preferably, it is the range of 30-100 mass parts. When the amine-type epoxy resin is less than 20 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the total amount of the epoxy resin blended, heat resistance and compressive strength when used as a fiber-reinforced composite material may be insufficient.
本発明におけるエポキシ樹脂[A]は、グリシジルアミン型のエポキシ樹脂以外のエポキシ樹脂や、エポキシ樹脂と熱硬化性樹脂の共重合体等を含んでも良い。エポキシ樹脂と共重合させて用いられる上記の熱硬化性樹脂としては、例えば、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ベンゾオキサジン樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂およびポリイミド樹脂等が挙げられる。これらの樹脂組成物や化合物は、単独で用いてもよいし適宜配合して用いてもよい。 The epoxy resin [A] in the present invention may contain an epoxy resin other than a glycidylamine type epoxy resin, a copolymer of an epoxy resin and a thermosetting resin, or the like. Examples of the thermosetting resin used by being copolymerized with an epoxy resin include unsaturated polyester resins, vinyl ester resins, benzoxazine resins, phenol resins, urea resins, melamine resins, and polyimide resins. These resin compositions and compounds may be used alone or in combination as appropriate.
グリシジルアミン型のエポキシ樹脂以外のエポキシ樹脂としては、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、レゾルシノール型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、ウレタンおよびイソシアネート変性エポキシ樹脂、ビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂、フルオレン骨格を有するエポキシ樹脂、及び、ビスフェノール型エポキシ樹脂として、ビスフェノールA型、ビスフェノールF型、ビスフェノールS型、ビスフェノールAD型、もしくはこれらビスフェノールのハロゲン、アルキル置換体、水添体等が用いられる。これらの樹脂組成物や化合物は、単独で用いてもよいし適宜配合して用いてもよい。 Examples of epoxy resins other than glycidylamine type epoxy resins include phenol novolac type epoxy resins, cresol novolac type epoxy resins, resorcinol type epoxy resins, dicyclopentadiene type epoxy resins, urethane and isocyanate modified epoxy resins, and epoxy resins having a biphenyl skeleton. As the epoxy resin having a fluorene skeleton and the bisphenol type epoxy resin, bisphenol A type, bisphenol F type, bisphenol S type, bisphenol AD type, halogens of these bisphenols, alkyl-substituted products, hydrogenated products, and the like are used. These resin compositions and compounds may be used alone or in combination as appropriate.
フェノールノボラック型エポキシ樹脂の市販品としては、“jER(登録商標)”152、“jER(登録商標)”154(以上、三菱化学(株)製)、“エピクロン(登録商標)”N−740、“エピクロン(登録商標)”N−770、“エピクロン(登録商標)”N−775(以上、DIC(株)製)などが挙げられる。 Commercial products of phenol novolac type epoxy resins include “jER (registered trademark)” 152, “jER (registered trademark)” 154 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation), “Epicron (registered trademark)” N-740, "Epiclon (registered trademark)" N-770, "Epiclon (registered trademark)" N-775 (manufactured by DIC Corporation), and the like.
クレゾールノボラック型エポキシ樹脂の市販品としては、“エピクロン(登録商標)”N−660、“エピクロン(登録商標)”N−665、“エピクロン(登録商標)”N−670、“エピクロン(登録商標)”N−673、“エピクロン(登録商標)”N−695(以上、DIC(株)製)、EOCN−1020、EOCN−102S、EOCN−104S(以上、日本化薬(株)製)などが挙げられる。 Examples of commercially available cresol novolac epoxy resins include “Epicron (registered trademark)” N-660, “Epicron (registered trademark)” N-665, “Epicron (registered trademark)” N-670, and “Epicron (registered trademark)”. “N-673”, “Epicron (registered trademark)” N-695 (above, manufactured by DIC Corporation), EOCN-1020, EOCN-102S, EOCN-104S (above, manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.) It is done.
レゾルシノール型エポキシ樹脂の具体例としては、“デナコール(登録商標)”EX−201(ナガセケムテックス(株)製)などが挙げられる。 Specific examples of the resorcinol type epoxy resin include “Denacol (registered trademark)” EX-201 (manufactured by Nagase ChemteX Corporation).
ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂の市販品としては、“エピクロン(登録商標)”HP7200、“エピクロン(登録商標)”HP7200L、“エピクロン(登録商標)”HP7200H(以上、DIC(株)製)、“Tactix(登録商標)”558(ハンツマン・アドバンスト・マテリアル社製)、XD−1000−1L、XD−1000−2L(以上、日本化薬(株)製)などが挙げられる。 Commercially available dicyclopentadiene type epoxy resins include “Epicron (registered trademark)” HP7200, “Epicron (registered trademark)” HP7200L, “Epicron (registered trademark)” HP7200H (above, manufactured by DIC Corporation), “Tactix” (Registered trademark) "558 (manufactured by Huntsman Advanced Material), XD-1000-1L, XD-1000-2L (manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.), and the like.
ウレタンおよびイソシアネート変性エポキシ樹脂の市販品としては、オキサゾリドン環を有するAER4152(旭化成イーマテリアルズ(株)製)やACR1348(旭電化(株)製)などが挙げられる。 Examples of commercially available urethane and isocyanate-modified epoxy resins include AER4152 (produced by Asahi Kasei E-Materials Co., Ltd.) having an oxazolidone ring and ACR1348 (produced by Asahi Denka Co., Ltd.).
ビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂の市販品としては、“jER(登録商標)”YX4000H、“jER(登録商標)”YX4000、“jER(登録商標)”YL6616(以上、三菱化学(株)製)、NC−3000(日本化薬(株)製)などが挙げられる。 Commercially available epoxy resins having a biphenyl skeleton include “jER (registered trademark)” YX4000H, “jER (registered trademark)” YX4000, “jER (registered trademark)” YL6616 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation), NC -3000 (manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.).
フルオレン骨格を有するエポキシ樹脂の市販品としては、ESF300(新日鐵住金化学(株)製)、“オンコート(登録商標)”EX−1010、“オンコート(登録商標)”EX−1011、“オンコート(登録商標)”EX−1012、“オンコート(登録商標)”EX−1020、“オンコート(登録商標)”EX−1030、“オンコート(登録商標)”EX−1040、“オンコート(登録商標)”EX−1050、“オンコート(登録商標)”EX−1051(ナガセケムテックス(株)製)などが挙げられる。 Commercially available epoxy resins having a fluorene skeleton include ESF300 (manufactured by Nippon Steel & Sumikin Chemical Co., Ltd.), “Oncoat (registered trademark)” EX-1010, “Oncoat (registered trademark)” EX-1011, “ "ONCOAT (registered trademark)" EX-1012, "ONCOAT (registered trademark)" EX-1020, "ONCOAT (registered trademark)" EX-1030, "ONCOAT (registered trademark)" EX-1040, "ONCOAT (Registered Trademark) “EX-1050”, “On Coat (Registered Trademark)” EX-1051 (manufactured by Nagase ChemteX Corporation) and the like.
ビスフェノールA型エポキシ樹脂の市販品としては、“エポトート(登録商標)”YD128(新日鐵住金化学(株)製)、“jER(登録商標)”825、“jER(登録商標)”828、“jER(登録商標)”834、“jER(登録商標)”1001、“jER(登録商標)”1004、“jER(登録商標)”1007、“jER(登録商標)”1009、“jER(登録商標)”1010(以上、三菱化学(株)製)などが挙げられる。 Commercially available bisphenol A type epoxy resins include “Epototo (registered trademark)” YD128 (manufactured by Nippon Steel & Sumikin Chemical Co., Ltd.), “jER (registered trademark)” 825, “jER (registered trademark)” 828, “ jER (registered trademark) 834, jER (registered trademark) 1001, jER (registered trademark) 1004, jER (registered trademark) 1007, jER (registered trademark) 1009, jER (registered trademark) "1010 (above, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation)".
ビスフェノールF型エポキシ樹脂の市販品としては、“エピクロン(登録商標)”830、“エピクロン(登録商標)”835(DIC(株)製)、“jER(登録商標)”806、“jER(登録商標)”807、“jER(登録商標)”4004P、“jER(登録商標)”4007P、“jER(登録商標)”4009P、“jER(登録商標)”4010P(以上、三菱化学(株)製)、“エポトート(登録商標)”YDF170、“エポトート(登録商標)”YDF2001(以上、新日鐵住金化学(株)製)などが挙げられる。 Commercially available products of bisphenol F type epoxy resin include “Epiclon (registered trademark)” 830, “Epiclon (registered trademark)” 835 (manufactured by DIC Corporation), “jER (registered trademark)” 806, “jER (registered trademark)” ) “807”, “jER (registered trademark)” 4004P, “jER (registered trademark)” 4007P, “jER (registered trademark)” 4009P, “jER (registered trademark)” 4010P (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation), “Epototo (registered trademark)” YDF170, “Epototo (registered trademark)” YDF2001 (manufactured by Nippon Steel & Sumikin Chemical Co., Ltd.), and the like.
ビスフェノールS型エポキシ樹脂としては、“エピクロン(登録商標)”EXA−1514(DIC(株)製)などが挙げられる。 Examples of the bisphenol S-type epoxy resin include “Epiclon (registered trademark)” EXA-1514 (manufactured by DIC Corporation).
ビスフェノールAD型エポキシ樹脂としては、“EPOMIK(登録商標)”R710、“EPOMIK(登録商標)”R1710(以上、(株)プリンテック製)などが挙げられる。 Examples of the bisphenol AD type epoxy resin include “EPOMIK (registered trademark)” R710, “EPOMIK (registered trademark)” R1710 (manufactured by Printec Co., Ltd.), and the like.
さらに、本発明において、樹脂硬化物の弾性率と伸度のバランスを向上させる意味で、1官能のエポキシ樹脂を用いることもできる。 Furthermore, in this invention, a monofunctional epoxy resin can also be used in the meaning which improves the balance of the elasticity modulus and elongation of a resin cured material.
1官能エポキシ樹脂としては、“デナコール(登録商標)”Ex−731(グリシジルフタルイミド、ナガセケムテックス(株)製)、OPP−G(o−フェニルフェニルグリシジルエーテル、三光(株)製)、Ex−141(フェニルグリシジルエーテル、ナガセケムテックス(株)製)、Ex−146(tert−ブチルフェニルグリシジルエーテル、ナガセケムテックス(株)製)などが挙げられる。 As the monofunctional epoxy resin, “Denacol (registered trademark)” Ex-731 (glycidylphthalimide, manufactured by Nagase ChemteX Corporation), OPP-G (o-phenylphenylglycidyl ether, manufactured by Sanko Co., Ltd.), Ex- 141 (phenylglycidyl ether, manufactured by Nagase ChemteX Corporation), Ex-146 (tert-butylphenylglycidyl ether, manufactured by Nagase ChemteX Corporation), and the like.
本発明のエポキシ樹脂組成物には、熱可塑性樹脂[B]を混合、または、溶解させて用いられる。 The epoxy resin composition of the present invention is used by mixing or dissolving the thermoplastic resin [B].
本発明において、上記のエポキシ樹脂[A]に、熱可塑性樹脂[B]を組み合わせることで、耐熱性の低下を回避しつつ高い靭性が得られ、繊維強化複合材料のモードI層間靱性が大幅に向上する。 In the present invention, by combining the thermoplastic resin [B] with the above epoxy resin [A], high toughness can be obtained while avoiding a decrease in heat resistance, and the mode I interlayer toughness of the fiber reinforced composite material is greatly increased. improves.
本発明の熱可塑性樹脂[B]は、常温で結晶状態もしくはガラス状態にあり、熱可塑性を有するポリマー材料である。 The thermoplastic resin [B] of the present invention is a polymer material that is in a crystalline state or a glass state at room temperature and has thermoplasticity.
かかる熱可塑性樹脂[B]としては、一般に、主鎖に、炭素−炭素結合、アミド結合、イミド結合、エステル結合、エーテル結合、カーボネート結合、ウレタン結合、チオエーテル結合、スルホン結合およびカルボニル結合からなる群から選ばれる結合を有する熱可塑性樹脂であることが好ましい。また、この熱可塑性樹脂[B]は、部分的に架橋構造を有していても差し支えなく、結晶性を有していても非晶性であってもよい。特に、ポリアミド、ポリカーボナート、ポリアセタール、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリエステル、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、フェニルトリメチルインダン構造を有するポリイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアラミド、ポリエーテルニトリルおよびポリベンズイミダゾールからなる群から選ばれる少なくとも1種の樹脂が、上記のエポキシ樹脂組成物に含まれるいずれかのエポキシ樹脂に溶解していることが好適である。 The thermoplastic resin [B] generally has a group consisting of a carbon-carbon bond, an amide bond, an imide bond, an ester bond, an ether bond, a carbonate bond, a urethane bond, a thioether bond, a sulfone bond and a carbonyl bond in the main chain. A thermoplastic resin having a bond selected from: Further, this thermoplastic resin [B] may have a partially crosslinked structure, and may have crystallinity or may be amorphous. In particular, polyamide, polycarbonate, polyacetal, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyarylate, polyester, polyamideimide, polyimide, polyetherimide, polyimide having phenyltrimethylindane structure, polysulfone, polyethersulfone, polyetherketone, polyetherether It is preferable that at least one resin selected from the group consisting of ketones, polyaramids, polyether nitriles, and polybenzimidazoles is dissolved in any of the epoxy resins included in the epoxy resin composition.
本発明の熱可塑性樹脂[B]の重量平均分子量は4000〜50000g/molの範囲にあることが好ましく、より好ましくは10000〜40000g/mol、さらに好ましくは15000〜30000g/molである。かかる重量平均分子量が4000g/molより低いと、繊維強化複合材料のモードI層間靭性が不足する場合がある。また、50000g/molより高いと、エポキシ樹脂組成物に熱可塑性樹脂を溶解した際、エポキシ樹脂の粘度が高くなり混練が難しく、プリプレグ化が困難となる場合がある。 It is preferable that the weight average molecular weight of the thermoplastic resin [B] of this invention exists in the range of 4000-50000 g / mol, More preferably, it is 10000-40000 g / mol, More preferably, it is 15000-30000 g / mol. When the weight average molecular weight is lower than 4000 g / mol, the mode I interlayer toughness of the fiber reinforced composite material may be insufficient. Moreover, when higher than 50000 g / mol, when a thermoplastic resin is melt | dissolved in an epoxy resin composition, the viscosity of an epoxy resin will become high and kneading | mixing will become difficult and prepreg may become difficult.
本発明の熱可塑性樹脂[B]のガラス転移温度は150℃以上であることが好ましく、200℃以上であることがより好ましく、さらに好ましくは220℃以上である。かかる熱可塑性樹脂[B]のガラス転移温度が150℃未満であると、成形体が熱変形を起こしやすくなる場合がある。 The glass transition temperature of the thermoplastic resin [B] of the present invention is preferably 150 ° C. or higher, more preferably 200 ° C. or higher, and further preferably 220 ° C. or higher. When the glass transition temperature of the thermoplastic resin [B] is less than 150 ° C., the molded body may easily undergo thermal deformation.
本発明において、熱可塑性樹脂[B]はエポキシ樹脂組成物中に8〜40質量%含まれ、好ましくは12〜35質量%、さらに好ましくは20〜30質量%含まれる。8質量%未満となると、得られる繊維強化複合材料のモードI層間靭性が不足する。また、40質量%より多くなると、熱硬化性樹脂組成物の粘度が上昇し、熱硬化性樹脂組成物およびプリプレグの製造プロセス性や取り扱い性が不十分となり、また含浸性も悪化する。 In the present invention, the thermoplastic resin [B] is contained in the epoxy resin composition in an amount of 8 to 40% by mass, preferably 12 to 35% by mass, and more preferably 20 to 30% by mass. When it is less than 8% by mass, the mode I interlayer toughness of the obtained fiber-reinforced composite material is insufficient. Moreover, when it exceeds 40 mass%, the viscosity of a thermosetting resin composition will rise, the manufacturing process property and handleability of a thermosetting resin composition and a prepreg will become inadequate, and impregnation property will also deteriorate.
かかる熱可塑性樹脂[B]としては、ポリカーボネート(ガラス転移温度:150℃)、ポリスルホン(ガラス転移温度:190℃)、ポリエーテルイミド(ガラス転移温度:215℃)、ポリエーテルスルホン(ガラス転移温度:225℃)などが挙げられる。 Examples of the thermoplastic resin [B] include polycarbonate (glass transition temperature: 150 ° C.), polysulfone (glass transition temperature: 190 ° C.), polyetherimide (glass transition temperature: 215 ° C.), and polyether sulfone (glass transition temperature: 225 ° C.).
さらに、この熱可塑性樹脂[B]の末端官能基としては、水酸基、カルボキシル基、アミノ基、チオール基、酸無水物などのものがカチオン重合性化合物と反応することができ、好ましく用いられる。水酸基を有する熱可塑性樹脂としては、ポリビニルホルマールやポリビニルブチラールなどのポリビニルアセタール樹脂、ポリビニルアルコール、フェノキシ樹脂を挙げることができる。また、スルホニル基を有する熱可塑性樹脂としては、ポリエーテルスルホンを挙げることができる。 Furthermore, as a terminal functional group of this thermoplastic resin [B], things, such as a hydroxyl group, a carboxyl group, an amino group, a thiol group, and an acid anhydride, can react with a cationically polymerizable compound, and are used preferably. Examples of the thermoplastic resin having a hydroxyl group include polyvinyl acetal resins such as polyvinyl formal and polyvinyl butyral, polyvinyl alcohol, and phenoxy resins. Moreover, polyethersulfone can be mentioned as a thermoplastic resin which has a sulfonyl group.
具体的には、ポリカーボネートの市販品としては、“パンライト(登録商標)”K1300Y(帝人化成(株)製)などが挙げられる。 Specifically, as a commercially available product of polycarbonate, “Panlite (registered trademark)” K1300Y (manufactured by Teijin Chemicals Ltd.) and the like can be mentioned.
ポリスルホンの市販品としては、“UDEL(登録商標)”P−1700、“UDEL(登録商標)”P−3500(以上、帝人アモコ社製)、“Virantage(登録商標)”VW−30500RP(Solvay Advanced Polymers社製)などが挙げられる。 Commercially available products of polysulfone include “UDEL (registered trademark)” P-1700, “UDEL (registered trademark)” P-3500 (manufactured by Teijin Amoco), “Virantage (registered trademark)” VW-30500RP (Solvay Advanced). Polymers).
ポリエーテルイミドの市販品としては、“ウルテム(登録商標)”1000、“ウルテム(登録商標)”1010、“ウルテム(登録商標)”1040(以上、Solvay Advanced Polymers社製)などが挙げられる。 Examples of commercially available polyetherimides include “Ultem (registered trademark)” 1000, “Ultem (registered trademark)” 1010, “Ultem (registered trademark)” 1040 (manufactured by Solvay Advanced Polymers), and the like.
ポリエーテルスルホンの市販品としては、“スミカエクセル(登録商標)”PES3600P、“スミカエクセル(登録商標)”PES5003P、“スミカエクセル(登録商標)”PES5200P、“スミカエクセル(登録商標)”PES7600P(以上、住友化学工業(株)製)、“Ultrason(登録商標)”E2020P SR、“Ultrason(登録商標)”E2021SR(以上、BASF社製)、“GAFONE(登録商標)”3600RP、“GAFONE(登録商標)”3000RP、“Virantage(登録商標)”VW−10700RP(以上、Solvay Advanced Polymers社製)などが挙げられる。 Commercially available polyethersulfone products include “Sumika Excel (registered trademark)” PES3600P, “Sumika Excel (registered trademark)” PES5003P, “Sumika Excel (registered trademark)” PES5200P, “Sumika Excel (registered trademark)” PES7600P (and above) , Manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.), "Ultrason (registered trademark)" E2020P SR, "Ultrason (registered trademark)" E2021SR (above, manufactured by BASF), "GAFONE (registered trademark)" 3600RP, "GAFONE (registered trademark) ) “3000RP”, “Virantage (registered trademark)” VW-10700RP (manufactured by Solvay Advanced Polymers) and the like.
本発明において、アミノ基活性水素当量が70(g/eq.)以上150(g/eq.)以下の固形アミン硬化剤[C]は、本発明のエポキシ樹脂組成物に含まれるエポキシ樹脂の硬化剤であり、エポキシ基と反応し得る活性水素を有する化合物である。なお、ここで固形とは、常温(25℃)で流動性を有さず固形状であることを意味する。 In the present invention, the solid amine curing agent [C] having an amino group active hydrogen equivalent weight of 70 (g / eq.) To 150 (g / eq.) Is a curing of the epoxy resin contained in the epoxy resin composition of the present invention. It is a compound having active hydrogen that can react with an epoxy group. In addition, solid means here that it does not have fluidity | liquidity at normal temperature (25 degreeC), and is solid.
本発明において、固形アミン硬化剤[C]のアミノ基活性水素当量は70(g/eq.)以上150(g/eq.)以下である必要があり、好ましくは85(g/eq.)以上110(g/eq.)以下であることが好ましい。かかるアミノ基活性水素当量が70(g/eq.)未満であると、繊維強化複合材料のモードI層間靭性が不十分となる場合があり、またエポキシ樹脂組成物に配合する粉体量が少なくなり粘度が低下するため成形性も低下する。一方、150(g/eq.)を超える場合は、エポキシ樹脂組成物に配合する粉体量が増加して粘度が高くなるため、プリプレグ化が困難となる。 In the present invention, the amino group active hydrogen equivalent of the solid amine curing agent [C] needs to be 70 (g / eq.) Or more and 150 (g / eq.) Or less, preferably 85 (g / eq.) Or more. It is preferably 110 (g / eq.) Or less. When the amino group active hydrogen equivalent is less than 70 (g / eq.), The mode I interlayer toughness of the fiber reinforced composite material may be insufficient, and the amount of powder blended in the epoxy resin composition is small. Therefore, the moldability is also lowered because the viscosity is lowered. On the other hand, when it exceeds 150 (g / eq.), The amount of the powder blended in the epoxy resin composition increases and the viscosity becomes high, so that prepregation becomes difficult.
アミノ基活性水素当量が70(g/eq.)以上150(g/eq.)以下の固形アミン硬化剤の市販品としては、1−N,4−N−ビス(4−アミノフェニル)フェニレン−1,4−ジカルボキシアミド(4−APTP)(アミノ基活性水素当量:87)、4−アミノ−N−[4−[(4−アミノベンゾイル)アミノ]フェニル]ベンズアミド(4−ABPA)(アミノ基活性水素当量:87)(以上、日本純良薬品(株)製)、9,9−ビス(4−アミノフェニル)フルオレン(アミノ基活性水素当量:87)(JFEケミカル(株)製)、“Lonzacure(登録商標)”M−DEA(アミノ基活性水素当量:78)、“Lonzacure(登録商標)”M−MIPA(アミノ基活性水素当量:78)、“Lonzacure(登録商標)”M−DIPA(アミノ基活性水素当量:94)、“Lonzacure(登録商標)”M−CDEA(アミノ基活性水素当量:95)、“Lonzacure(登録商標)”M−CDEA gs(アミノ基活性水素当量:95)(以上、Lonza社製)、4,4’−ビス(p−アミノフェノキシ)ビフェニル(BAPB)(アミノ基活性水素当量:92)、9,9−ビス(4−アミノ−3−クロロフェニル)フルオレン(アミノ基活性水素当量:104)(東京化成工業(株)製)が挙げられる。 Examples of commercially available solid amine curing agents having an amino group active hydrogen equivalent weight of 70 (g / eq.) Or more and 150 (g / eq.) Or less include 1-N, 4-N-bis (4-aminophenyl) phenylene- 1,4-dicarboxamide (4-APTP) (amino group active hydrogen equivalent: 87), 4-amino-N- [4-[(4-aminobenzoyl) amino] phenyl] benzamide (4-ABPA) (amino Group active hydrogen equivalent: 87) (Nippon Pure Chemicals Co., Ltd.), 9,9-bis (4-aminophenyl) fluorene (amino group active hydrogen equivalent: 87) (JFE Chemical Co., Ltd.), “ Lonzacure (registered trademark) “M-DEA (amino group active hydrogen equivalent: 78),“ Lonzacure (registered trademark) ”M-MIPA (amino group active hydrogen equivalent: 78),“ Lonzacure ( "M-DIPA (amino group active hydrogen equivalent: 94)", "Lonzacure (registered trademark)" M-CDEA (amino group active hydrogen equivalent: 95), "Lonzacure (registered trademark)" M-CDEA gs (amino) Group active hydrogen equivalent: 95) (above, manufactured by Lonza), 4,4′-bis (p-aminophenoxy) biphenyl (BAPB) (amino group active hydrogen equivalent: 92), 9,9-bis (4-amino) -3-chlorophenyl) fluorene (amino group active hydrogen equivalent: 104) (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.).
中でも、9,9−ビス(4−アミノフェニル)フルオレン、または9,9−ビス(4−アミノ−3−クロロフェニル)フルオレンが好ましく用いられる。9,9−ビス(4−アミノフェニル)フルオレン、または9,9−ビス(4−アミノ−3−クロロフェニル)フルオレンは、耐熱性とモードII層間靭性の良好な繊維強化複合材料を得られることから好ましく使用される。 Among these, 9,9-bis (4-aminophenyl) fluorene or 9,9-bis (4-amino-3-chlorophenyl) fluorene is preferably used. Since 9,9-bis (4-aminophenyl) fluorene or 9,9-bis (4-amino-3-chlorophenyl) fluorene can obtain a fiber-reinforced composite material having good heat resistance and mode II interlayer toughness. Preferably used.
本発明において、アミノ基活性水素当量が70(g/eq.)以上150(g/eq.)以下の固形アミン硬化剤[C]の融点は80℃以上330℃以下であることが好ましく、より好ましく100℃以上300℃以下であり、さらに好ましくは180℃以上250℃以下である。かかる融点が80℃未満の場合、室温でプリプレグを保管している間に硬化反応が進行する場合があり、プリプレグの保存安定性が悪化する。一方、330℃を超える場合は、硬化剤がプリプレグの硬化温度で融解しにくくなるため、硬化反応が十分に進行せずに硬化不良となる場合がある。 In the present invention, the melting point of the solid amine curing agent [C] having an amino group active hydrogen equivalent weight of 70 (g / eq.) Or more and 150 (g / eq.) Or less is preferably 80 ° C. or more and 330 ° C. or less. Preferably they are 100 degreeC or more and 300 degrees C or less, More preferably, they are 180 degreeC or more and 250 degrees C or less. When the melting point is less than 80 ° C., the curing reaction may proceed while the prepreg is stored at room temperature, and the storage stability of the prepreg deteriorates. On the other hand, when it exceeds 330 ° C., the curing agent becomes difficult to melt at the curing temperature of the prepreg, so that the curing reaction does not proceed sufficiently and may result in poor curing.
アミノ基活性水素当量が70(g/eq.)以上150(g/eq.)以下の固形アミン硬化剤[C]の添加量は、エポキシ樹脂組成物中の全エポキシ基に対する、全硬化剤成分のアミノ基の活性水素の合計の当量比が0.7〜1.3であって、全硬化剤成分のアミノ基の活性水素のうち、30%以上をアミノ基活性水素当量が70(g/eq.)以上150(g/eq.)以下の固形アミン硬化剤[C]のアミノ基の活性水素とすることで、耐熱性および力学特性に優れた繊維強化複合材料が得られ、好ましい態様である。エポキシ樹脂組成物中に、アミノ基活性水素当量が70(g/eq.)以上150(g/eq.)以下の固形アミン硬化剤[C]の配合量が少ないと、エポキシ樹脂硬化物の靭性向上効果が小さく、得られる繊維強化複合材料のモードI層間靭性とモードII層間靭性の向上効果が小さいことがあり、配合量が多すぎると、エポキシ樹脂組成物の粘度が高くなりプリプレグ化が困難になる可能性がある。したがって、アミノ基活性水素当量が70(g/eq.)以上150(g/eq.)以下の固形アミン硬化剤[C]の配合量は、エポキシ樹脂組成物中の全エポキシ基に対する、全硬化剤成分のアミノ基の活性水素の合計量の当量比が0.7〜1.3であることが好ましく、より好ましくは0.8〜1.2であって、全硬化剤成分のアミノ基の活性水素のうち、30%以上をアミノ基活性水素当量が70(g/eq.)以上150(g/eq.)以下の固形アミン硬化剤[C]のアミノ基の活性水素とすることが好ましく、より好ましくは50%以上である。 The addition amount of the solid amine curing agent [C] having an amino group active hydrogen equivalent weight of 70 (g / eq.) Or more and 150 (g / eq.) Or less is the total curing agent component with respect to all the epoxy groups in the epoxy resin composition. The total equivalent ratio of the active hydrogens of the amino groups is 0.7 to 1.3, and 30% or more of the active hydrogens of the amino groups of all the curing agent components has an amino group active hydrogen equivalent of 70 (g / eq.) to 150 (g / eq.) or less of the active amine of the amino group of the solid amine curing agent [C], a fiber-reinforced composite material excellent in heat resistance and mechanical properties can be obtained, and in a preferred embodiment is there. When the amount of the solid amine curing agent [C] having an amino group active hydrogen equivalent weight of 70 (g / eq.) Or more and 150 (g / eq.) Or less is small in the epoxy resin composition, the toughness of the cured epoxy resin product The improvement effect is small and the improvement effect of the mode I interlayer toughness and the mode II interlayer toughness of the obtained fiber reinforced composite material may be small. There is a possibility. Therefore, the compounding amount of the solid amine curing agent [C] having an amino group active hydrogen equivalent weight of 70 (g / eq.) Or more and 150 (g / eq.) Or less is the total curing with respect to all the epoxy groups in the epoxy resin composition. It is preferable that the equivalent ratio of the total amount of active hydrogen of the amino group of the agent component is 0.7 to 1.3, more preferably 0.8 to 1.2, and the amino group of all the curing agent components Of the active hydrogens, 30% or more is preferably used as the active hydrogen of the amino group of the solid amine curing agent [C] having an amino group active hydrogen equivalent of 70 (g / eq.) To 150 (g / eq.). More preferably, it is 50% or more.
本発明においては、アミノ基活性水素当量が70(g/eq.)以上150(g/eq.)以下の固形アミン硬化剤[C]以外の硬化剤を併用しても良い。アミノ基活性水素当量が70(g/eq.)以上150(g/eq.)以下の固形アミン硬化剤[C]以外の硬化剤としては、例えば、ジシアンジアミド、芳香族アミン硬化剤、アミノ安息香酸エステル類、各種酸無水物、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、ポリフェノール化合物、イミダゾール誘導体、脂肪族アミン、テトラメチルグアニジン、チオ尿素付加アミン、メチルヘキサヒドロフタル酸無水物のようなカルボン酸無水物、カルボン酸ヒドラジド、カルボン酸アミド、ポリメルカプタンおよび三フッ化ホウ素エチルアミン錯体のようなルイス酸錯体等が挙げられる。なかでも、耐熱性と力学特性に優れたエポキシ樹脂硬化物が得られることから、芳香族アミン硬化剤が好ましく用いられる。芳香族アミン硬化剤として、特にジアミノジフェニルスルホンをアミノ基活性水素当量が70(g/eq.)以上150(g/eq.)以下の固形アミン硬化剤[C]と併用することは、得られる繊維強化複合材料において高い耐熱性と引張強度、加えて圧縮強度を発現させたりすることができるため、好ましい態様である。 In the present invention, a curing agent other than the solid amine curing agent [C] having an amino group active hydrogen equivalent weight of 70 (g / eq.) To 150 (g / eq.) May be used in combination. Examples of the curing agent other than the solid amine curing agent [C] having an amino group active hydrogen equivalent weight of 70 (g / eq.) Or more and 150 (g / eq.) Or less include, for example, dicyandiamide, aromatic amine curing agent, and aminobenzoic acid. Esters, various acid anhydrides, phenol novolac resins, cresol novolac resins, polyphenol compounds, imidazole derivatives, aliphatic amines, tetramethylguanidine, thiourea addition amines, carboxylic acid anhydrides such as methylhexahydrophthalic anhydride, Examples thereof include Lewis acid complexes such as carboxylic acid hydrazide, carboxylic acid amide, polymercaptan, and boron trifluoride ethylamine complex. Among these, an aromatic amine curing agent is preferably used because an epoxy resin cured product having excellent heat resistance and mechanical properties can be obtained. As an aromatic amine curing agent, it is particularly possible to use diaminodiphenyl sulfone together with a solid amine curing agent [C] having an amino group active hydrogen equivalent weight of 70 (g / eq.) To 150 (g / eq.). The fiber-reinforced composite material is a preferred embodiment because it can exhibit high heat resistance and tensile strength, as well as compressive strength.
芳香族アミン硬化剤の市販品としては、4,4‘−DABAN、3,4’−DABAN(以上、日本純良薬品(株)製)、セイカキュアS(和歌山精化工業(株)製)、MDA−220(三井化学ポリウレタン(株)製)、“jERキュア(登録商標)”W(三菱化学(株)製)、および3,3’−DAS(三井化学ファイン(株)製)等が挙げられる。 Commercially available aromatic amine curing agents include 4,4′-DABAN, 3,4′-DABAN (above, manufactured by Nippon Pure Chemicals Co., Ltd.), Seika Cure S (manufactured by Wakayama Seika Kogyo Co., Ltd.), MDA -220 (Mitsui Chemicals Polyurethanes Co., Ltd.), “jER Cure (registered trademark)” W (Mitsubishi Chemical Co., Ltd.), 3,3′-DAS (Mitsui Chemicals Fine Co., Ltd.), etc. .
また、エポキシ樹脂とアミノ基活性水素当量が70(g/eq.)以上150(g/eq.)以下の固形アミン硬化剤[C]、またはアミノ基活性水素当量が70(g/eq.)以上150(g/eq.)以下の固形アミン硬化剤[C]以外の硬化剤、あるいはそれらの一部を予備反応させたものを組成物中に配合することもできる。この方法は、粘度調節や保存安定性向上に有効な場合がある。 Further, the solid amine curing agent [C] having an epoxy resin and amino group active hydrogen equivalent of 70 (g / eq.) Or more and 150 (g / eq.) Or less, or an amino group active hydrogen equivalent of 70 (g / eq.). Curing agents other than the solid amine curing agent [C] of 150 (g / eq.) Or less, or those obtained by pre-reacting a part thereof can be blended in the composition. This method may be effective for viscosity adjustment and storage stability improvement.
本発明におけるエポキシ樹脂に不溶な熱可塑性樹脂粒子[D]は、次の(d1)〜(d3)の条件を満たす必要がある。
(d1)粒子径分布指数が1.0〜1.8である
(d2)粒子の真球度が85以上である
(d3)粒子のガラス転移温度が40〜300℃である
ここで、エポキシ樹脂に不溶であるとは、かかる樹脂粒子を分散したエポキシ樹脂を加熱硬化した際に、樹脂粒子がエポキシ樹脂中に実質的に溶解しないことを意味しており、例えば透過型電子顕微鏡を用い、エポキシ樹脂硬化物の中で、粒子が元のサイズから実質的に縮小することなく、粒子とマトリックス樹脂の間に明確な界面をもって観察できるものであることを指す。
The thermoplastic resin particles [D] insoluble in the epoxy resin in the present invention must satisfy the following conditions (d1) to (d3).
(D1) The particle size distribution index is 1.0 to 1.8 (d2) The sphericity of the particle is 85 or more (d3) The glass transition temperature of the particle is 40 to 300 ° C. Here, the epoxy resin The term “insoluble in” means that the resin particles are not substantially dissolved in the epoxy resin when the epoxy resin in which the resin particles are dispersed is heated and cured. For example, using a transmission electron microscope, In the cured resin, the particles can be observed with a clear interface between the particles and the matrix resin without substantially reducing the original size.
また、本発明における熱可塑性樹脂粒子[D]は、粒子径分布指数が1.0〜1.8である必要があり、1.1〜1.5であることが好ましい。このような比較的狭い粒子径分布とすることで、かかる樹脂粒子を分散したエポキシ樹脂組成物と強化繊維を組み合わせたプリプレグを積層し、加熱硬化して得られる繊維強化複合材料において、強化繊維層内に樹脂粒子が入り込むことなく、また一部の粗大な粒子の存在により層間厚みの過大な領域が発生することなく、均一な層間厚みを有し、安定したモードI層間靭性とモードII層間靭性を発現する繊維強化複合材料を得ることが出来る。かかる粒子径分布指数が1.8を上回る場合、一部の微細な樹脂粒子が強化繊維層内に入り込み、モードI層間靭性とモードII層間靭性および湿熱時圧縮強度の低下を招くと共に、層間厚みのムラ発生に起因して、これらの特性のばらつきの大きな材料となる。 Moreover, the thermoplastic resin particle [D] in the present invention needs to have a particle size distribution index of 1.0 to 1.8, and preferably 1.1 to 1.5. In such a fiber reinforced composite material obtained by laminating a prepreg in which the epoxy resin composition in which the resin particles are dispersed and the reinforcing fiber are combined and heat-curing by setting such a relatively narrow particle size distribution, the reinforcing fiber layer Without interstitial resin particles, and with the presence of some coarse particles, there is no region with excessive interlayer thickness, and it has a uniform interlayer thickness, stable mode I interlayer toughness and mode II interlayer toughness Can be obtained. When the particle size distribution index exceeds 1.8, some fine resin particles enter the reinforcing fiber layer, resulting in a decrease in mode I interlayer toughness, mode II interlayer toughness and compressive strength during wet heat, and interlayer thickness. Due to the occurrence of unevenness, the material has a large variation in these characteristics.
かかる粒子径分布指数は、後述の方法で得られた粒子直径の値を、下記数値変換式に基づき、決定されるものである。 The particle size distribution index is determined based on the following numerical conversion formula for the value of the particle diameter obtained by the method described later.
尚、Ri:粒子個々の粒子径、n:測定数100、Dn:数平均粒子径、Dv:体積平均粒子径、PDI:粒子径分布指数とする。 Ri: particle diameter of each particle, n: number of measurement 100, Dn: number average particle diameter, Dv: volume average particle diameter, PDI: particle diameter distribution index.
また、本発明における熱可塑性樹脂粒子[D]は、真球度が85以上である必要があり、92以上であることが好ましく、96以上であることがより好ましく、最も好ましくは98以上である。このような高い真球度とすることで、かかる熱可塑性樹脂粒子を分散したエポキシ樹脂組成物の粘度を低く抑えることが出来、その分、熱可塑性樹脂粒子の配合量を増やすことが可能となるため、モードI層間靭性とモードII層間靭性が向上する。かかる真球度が85に満たない場合、エポキシ樹脂組成物の粘度上昇により樹脂粒子の配合量が制限され、さらにモードI層間靭性とモードII層間靭性の不十分な材料となる。 Further, the thermoplastic resin particles [D] in the present invention need to have a sphericity of 85 or more, preferably 92 or more, more preferably 96 or more, and most preferably 98 or more. . By setting such high sphericity, the viscosity of the epoxy resin composition in which the thermoplastic resin particles are dispersed can be kept low, and the amount of the thermoplastic resin particles can be increased accordingly. Therefore, mode I interlayer toughness and mode II interlayer toughness are improved. When the sphericity is less than 85, the amount of resin particles is limited due to the increase in viscosity of the epoxy resin composition, and the material becomes insufficient in mode I interlayer toughness and mode II interlayer toughness.
かかる真球度は、走査型電子顕微鏡にて、粒子を観察し、短径と長径を測定し、任意粒子30個の平均より、下記数値変換式に従い算出されるものである。 The sphericity is calculated by observing particles with a scanning electron microscope, measuring the minor axis and the major axis, and calculating the average of 30 arbitrary particles according to the following numerical conversion formula.
また、本発明における熱可塑性樹脂粒子[D]は、ガラス転移温度が40〜300℃の範囲にある必要があり、80〜220℃の範囲にあることが好ましく、120〜160℃の範囲にあることがより好ましい。このような比較的高いガラス転移温度とすることで、加熱硬化の際に樹脂粒子の変形が起こらず、安定した層間厚みが形成され、モードI層間靭性とモードII層間靭性に優れた繊維強化複合材料を得ることが可能となる。かかるガラス転移温度が40℃に満たない場合、湿熱時圧縮強度の不十分な繊維強化複合材料となるとともに、室温保管時の安定性を確保することが出来ない場合がある。一方、かかるガラス転移温度が300℃を上回る場合、樹脂粒子自体の靱性が不足する傾向があるとともに、樹脂粒子とマトリックス樹脂の界面接着性が不十分となり、層間靭性が不十分な繊維強化複合材料となる。 Moreover, the thermoplastic resin particle [D] in the present invention needs to have a glass transition temperature in the range of 40 to 300 ° C, preferably in the range of 80 to 220 ° C, and in the range of 120 to 160 ° C. It is more preferable. By using such a relatively high glass transition temperature, the resin particles are not deformed during heat curing, a stable interlayer thickness is formed, and a fiber reinforced composite having excellent mode I interlayer toughness and mode II interlayer toughness. It becomes possible to obtain a material. When such a glass transition temperature is less than 40 ° C., a fiber-reinforced composite material having insufficient compressive strength during wet heat may be obtained, and stability at room temperature storage may not be ensured. On the other hand, when the glass transition temperature exceeds 300 ° C., the fiber-reinforced composite material has a tendency that the toughness of the resin particles themselves is insufficient and the interfacial adhesion between the resin particles and the matrix resin is insufficient and the interlayer toughness is insufficient. It becomes.
かかるガラス転移温度は、示差走査熱量測定法(DSC法)を用いて、30℃から、予測されるガラス転移温度よりも30℃高い温度以上まで、昇温速度20℃/分の昇温条件で昇温し、1分間保持した後、20℃/分の降温条件で0℃まで一旦冷却し、1分間保持した後、再度20℃/分の昇温条件で測定した際に観察されるガラス転移温度のことである。 Such a glass transition temperature is measured by using a differential scanning calorimetry (DSC method) from 30 ° C. to a temperature higher than the predicted glass transition temperature by 30 ° C. or higher under a temperature rising condition of 20 ° C./min. Glass transition observed when the temperature is raised and held for 1 minute, then cooled to 0 ° C. under a temperature drop condition of 20 ° C./minute, held for 1 minute, and then measured again under a temperature rise condition of 20 ° C./minute. It is temperature.
本発明における熱可塑性樹脂粒子[D]は、平均粒子径が5〜50μmの範囲にあることが好ましく、10〜30μmの範囲にあることがより好ましい。平均粒子径がこのような範囲にあることで、かかる樹脂粒子を分散したエポキシ樹脂組成物と強化繊維を組み合わせたプリプレグを積層し、加熱硬化して得られる繊維強化複合材料において、強化繊維層内に樹脂粒子が入り込むことなく、また粗大な粒子の存在により層間厚みの過大な領域が発生することなく、均一な層間厚みを有する繊維強化複合材料を得ることが出来、その結果、モードI層間靭性とモードII層間靭性が安定して高いものとなる。 The thermoplastic resin particles [D] in the present invention preferably have an average particle diameter in the range of 5 to 50 μm, and more preferably in the range of 10 to 30 μm. In the fiber reinforced composite material obtained by laminating a prepreg in which the epoxy resin composition in which the resin particles are dispersed and the reinforcing fiber are combined and heat-curing, the average particle diameter is in such a range. The fiber reinforced composite material having a uniform interlayer thickness can be obtained without causing resin particles to enter and without the presence of coarse particles, resulting in a mode I interlayer toughness. And Mode II interlayer toughness is stable and high.
本発明における熱可塑性樹脂粒子[D]としては、具体的には、ビニル系重合体、ポリエステル、ポリアミド、ポリアリーレンエーテル、ポリアリーレンスルフィド、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリウレタン、ポリカーボネート、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアセタール、シリコーンおよびこれらの共重合体などが挙げられる。上述した樹脂は1種以上で用いることができる。 As the thermoplastic resin particle [D] in the present invention, specifically, vinyl polymer, polyester, polyamide, polyarylene ether, polyarylene sulfide, polyethersulfone, polysulfone, polyetherketone, polyetheretherketone, Examples thereof include polyurethane, polycarbonate, polyamideimide, polyimide, polyetherimide, polyacetal, silicone, and copolymers thereof. One or more of the above-described resins can be used.
これらの中で、ポリアミドが伸度、靭性、およびマトリックス樹脂との接着性が高いことから好ましく用いられる。ポリアミドとしては、3員環以上のラクタム、重合可能なアミノカルボン酸、二塩基酸とジアミンまたはそれらの塩、あるいはこれらの混合物の重縮合によって得られるポリアミドが挙げられる。 Among these, polyamide is preferably used because of its high elongation, toughness, and high adhesion to the matrix resin. Examples of the polyamide include polyamides obtained by polycondensation of a lactam having three or more members, a polymerizable aminocarboxylic acid, a dibasic acid and a diamine or a salt thereof, or a mixture thereof.
ガラス転移温度が40℃〜300℃の範囲にあるポリアミドの例としては、ポリカプラミド(ナイロン6)、ポリヘキサメチレンテレフタルアミド(ナイロン6T)、ポリノナンテレフタルアミド(ナイロン9T)、ポリドデカミド(ナイロン12)、ポリヘキサメチレンアジパミド(ナイロン66)、ポリ−m−キシレンアジパミド(ナイロンMXD)、3,3’−ジメチル−4,4’−ジアミノジシクロヘキシルメタンとイソフタル酸と12−アミノドデカン酸の共重合体(例示するならば、“グリルアミド(登録商標)”TR55、エムザベルケ社製)、3,3’−ジメチル−4,4’−ジアミノジシクロヘキシルメタンとドデカ二酸の共重合体(例示するならば、“グリルアミド(登録商標)”TR90、エムザベルケ社製)、3,3’−ジメチル−4,4’−ジアミノジシクロヘキシルメタンとイソフタル酸と12−アミノドデカン酸の共重合体と3,3’−ジメチル−4,4’−ジアミノジシクロヘキシルメタンとドデカ二酸の共重合体との混合物(例示するならば、“グリルアミド(登録商標)”TR70LX、エムザベルケ社製)、4,4’−ジアミノジシクロヘキシルメタンとドデカ二酸の共重合体(例示するならば、“TROGAMID(登録商標)”CX7323、デグサ社製)などが挙げられる。 Examples of polyamides having a glass transition temperature in the range of 40 ° C. to 300 ° C. include polycapramide (nylon 6), polyhexamethylene terephthalamide (nylon 6T), polynonane terephthalamide (nylon 9T), polydodecamide (nylon 12), Polyhexamethylene adipamide (nylon 66), poly-m-xylene adipamide (nylon MXD), 3,3′-dimethyl-4,4′-diaminodicyclohexylmethane, isophthalic acid and 12-aminododecanoic acid Polymer (for example, “Grillamide (registered trademark)” TR55, manufactured by Mzavelke), copolymer of 3,3′-dimethyl-4,4′-diaminodicyclohexylmethane and dodecadioic acid (for example, "Grillamide (registered trademark)" TR90, manufactured by Mzavelke), 3, A copolymer of '-dimethyl-4,4'-diaminodicyclohexylmethane, isophthalic acid and 12-aminododecanoic acid, and a copolymer of 3,3'-dimethyl-4,4'-diaminodicyclohexylmethane and dodecadioic acid; A mixture of 4,4′-diaminodicyclohexylmethane and dodecadioic acid (for example, “TROGAMID® for example”) "CX7323, manufactured by Degussa).
中でも、繊維強化複合材料とした際の耐衝撃性、モードI層間靭性とモードII層間靭性に加えて、耐湿熱性、耐溶剤性にも優れた繊維強化複合材料が得られる点で、一般式(1)の化学構造を含むポリアミドであることが好ましい。 In particular, in addition to impact resistance, mode I interlayer toughness and mode II interlayer toughness when used as a fiber reinforced composite material, a fiber reinforced composite material having excellent wet heat resistance and solvent resistance can be obtained. It is preferable that it is a polyamide containing the chemical structure of 1).
(式中R1、R2は、水素原子、炭素数1〜8のアルキル基、もしくはハロゲン元素を表し、それぞれ同一でも異なっていても良い。式中R3は、炭素数1から20のメチレン基、もしくはフェニレン基を表す)。 (Wherein R 1 and R 2 represent a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms, or a halogen element, and may be the same or different. R 3 is a methylene having 1 to 20 carbon atoms) Group or a phenylene group).
このようなポリアミドとしては、3,3’−ジメチル−4,4’−ジアミノジシクロヘキシルメタンとイソフタル酸と12−アミノドデカン酸の共重合体(例示するならば、“グリルアミド(登録商標)”TR55、エムザベルケ社製)、3,3’−ジメチル−4,4’−ジアミノジシクロヘキシルメタンとドデカ二酸の共重合体(例示するならば、“グリルアミド(登録商標)”TR90、エムザベルケ社製)、3,3’−ジメチル−4,4’−ジアミノジシクロヘキシルメタンとイソフタル酸と12−アミノドデカン酸の共重合体と3,3’−ジメチル−4,4’−ジアミノジシクロヘキシルメタンとドデカ二酸の共重合体との混合物(例示するならば、“グリルアミド(登録商標)”TR70LX、エムザベルケ社製)、4,4’−ジアミノジシクロヘキシルメタンとドデカ二酸の共重合体(例示するならば、“TROGAMID(登録商標)”CX7323、デグサ社製)などが挙げられる。 Examples of such a polyamide include a copolymer of 3,3′-dimethyl-4,4′-diaminodicyclohexylmethane, isophthalic acid and 12-aminododecanoic acid (for example, “Grillamide®” TR55, Mzavelke), 3,3′-dimethyl-4,4′-diaminodicyclohexylmethane and dodecadioic acid copolymer (for example, “Grillamide (registered trademark)” TR90, manufactured by Mzavelke), 3, Copolymer of 3'-dimethyl-4,4'-diaminodicyclohexylmethane, isophthalic acid and 12-aminododecanoic acid, and copolymer of 3,3'-dimethyl-4,4'-diaminodicyclohexylmethane and dodecanedioic acid (For example, “Grillamide (registered trademark)” TR70LX, manufactured by Mzavelke), 4,4′-di (By way of example, "TROGAMID (registered trademark)" CX7323, manufactured by Degussa) amino copolymer of dicyclohexylmethane and dodeca diacid and the like.
本発明のエポキシ樹脂組成物は、本発明の効果を妨げない範囲で、カップリング剤や、熱硬化性樹脂粒子、エポキシ樹脂に溶解可能な熱可塑性樹脂、あるいはシリカゲル、カーボンブラック、クレー、カーボンナノチューブ、金属粉体といった無機フィラー等を配合することができる。 The epoxy resin composition of the present invention is a coupling agent, a thermosetting resin particle, a thermoplastic resin that can be dissolved in an epoxy resin, or silica gel, carbon black, clay, carbon nanotube, as long as the effects of the present invention are not hindered. An inorganic filler such as a metal powder can be blended.
本発明のプリプレグは、上記繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物を強化繊維に含浸させてなるものである。本発明のプリプレグに用いられる強化繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、PBO繊維、高強力ポリエチレン繊維、アルミナ繊維および炭化ケイ素繊維などを用いることができる。これらの繊維を、2種類以上混合して用いても構わない。強化繊維の形態や配列については限定されず、例えば、一方向に引き揃えられた長繊維、単一のトウ、織物、ニット、不織布、マットおよび組紐などの繊維構造物が用いられる。 The prepreg of the present invention is obtained by impregnating reinforcing fibers with the above epoxy resin composition for fiber reinforced composite materials. As the reinforcing fiber used in the prepreg of the present invention, carbon fiber, glass fiber, aramid fiber, boron fiber, PBO fiber, high strength polyethylene fiber, alumina fiber, silicon carbide fiber, and the like can be used. Two or more kinds of these fibers may be mixed and used. The form and arrangement of the reinforcing fibers are not limited, and for example, fiber structures such as long fibers arranged in one direction, a single tow, a woven fabric, a knit, a non-woven fabric, a mat and a braid are used.
特に、材料の軽量化や高強度化の要求が高い用途においては、その優れた比弾性率と比強度のため、炭素繊維を好適に用いることができる。 In particular, in applications where there is a high demand for weight reduction and high strength of materials, carbon fibers can be suitably used because of their excellent specific modulus and specific strength.
本発明で好ましく用いられる炭素繊維は、用途に応じてあらゆる種類の炭素繊維を用いることが可能であるが、層間靭性や耐衝撃性の点から高くとも400GPaの引張弾性率を有する炭素繊維であることが好ましい。また、強度の観点からは、高い剛性および機械強度を有する複合材料が得られることから、引張強度が好ましくは4.4〜6.5GPaの炭素繊維が用いられる。また、引張伸度も重要な要素であり、1.7〜2.3%の高強度高伸度炭素繊維であることが好ましい。従って、引張弾性率が少なくとも230GPaであり、引張強度が少なくとも4.4GPaであり、引張伸度が少なくとも1.7%であるという特性を兼ね備えた炭素繊維が最も適している。 The carbon fiber preferably used in the present invention may be any type of carbon fiber depending on the application, but is a carbon fiber having a tensile elastic modulus of 400 GPa at the highest in terms of interlayer toughness and impact resistance. It is preferable. From the viewpoint of strength, a carbon fiber having a tensile strength of preferably 4.4 to 6.5 GPa is preferably used because a composite material having high rigidity and mechanical strength can be obtained. Further, the tensile elongation is also an important factor, and it is preferably a high-strength, high-stretch carbon fiber of 1.7 to 2.3%. Accordingly, carbon fibers having the characteristics that the tensile modulus is at least 230 GPa, the tensile strength is at least 4.4 GPa, and the tensile elongation is at least 1.7% are most suitable.
炭素繊維の市販品としては、“トレカ(登録商標)”T800G−24K、“トレカ(登録商標)”T800S−24K、“トレカ(登録商標)”T700G−24K、“トレカ(登録商標)”T300−3K、および“トレカ(登録商標)”T700S−12K(以上東レ(株)製)などが挙げられる。 Commercially available carbon fibers include "Torayca (registered trademark)" T800G-24K, "Torayca (registered trademark)" T800S-24K, "Torayca (registered trademark)" T700G-24K, and "Torayca (registered trademark)" T300- 3K, and “Torayca (registered trademark)” T700S-12K (manufactured by Toray Industries, Inc.).
炭素繊維の形態や配列については、一方向に引き揃えた長繊維や織物等から適宜選択できるが、軽量で耐久性がより高い水準にある炭素繊維強化複合材料を得るためには、炭素繊維が、一方向に引き揃えた長繊維(繊維束)や織物等連続繊維の形態であることが好ましい。 The form and arrangement of the carbon fibers can be appropriately selected from long fibers and woven fabrics arranged in one direction. However, in order to obtain a carbon fiber reinforced composite material that is lighter and more durable, It is preferably in the form of continuous fibers such as long fibers (fiber bundles) or woven fabrics arranged in one direction.
本発明のプリプレグは、繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物を炭素繊維に含浸したものであることが好ましく、そのプリプレグの炭素繊維質量分率は好ましくは40〜90質量%であり、より好ましくは50〜80質量%である。炭素繊維質量分率が低すぎると、得られる複合材料の質量が過大となり、比強度および比弾性率に優れる繊維強化複合材料の利点が損なわれることがあり、また、炭素繊維質量分率が高すぎると、樹脂組成物の含浸不良が生じ、得られる複合材料がボイドの多いものとなり易く、その力学特性が大きく低下することがある。 The prepreg of the present invention is preferably obtained by impregnating carbon fiber with an epoxy resin composition for fiber-reinforced composite material, and the carbon fiber mass fraction of the prepreg is preferably 40 to 90% by mass, more preferably It is 50-80 mass%. If the carbon fiber mass fraction is too low, the mass of the resulting composite material may be excessive, which may impair the advantages of the fiber-reinforced composite material having excellent specific strength and specific elastic modulus, and the carbon fiber mass fraction may be high. If the amount is too high, poor impregnation of the resin composition occurs, and the resulting composite material tends to have a large amount of voids, and its mechanical properties may be greatly deteriorated.
本発明のプリプレグは、熱可塑性樹脂粒子の全量100質量%に対して90〜100質量%が、プリプレグ表面からプリプレグの厚さの20%の深さの範囲内に存在することが好ましい。熱可塑性樹脂粒子の90%以上がプリプレグ表面からプリプレグの厚さの20%の深さの範囲内に存在することで、得られる繊維強化複合材料において、熱可塑性樹脂粒子がプリプレグ層内に入ることなく層間に局在化し、高い層間靭性を発現させることができる。 In the prepreg of the present invention, it is preferable that 90 to 100% by mass is present within a depth range of 20% of the thickness of the prepreg from the prepreg surface with respect to 100% by mass of the thermoplastic resin particles. 90% or more of the thermoplastic resin particles are present within the depth range of 20% of the thickness of the prepreg from the prepreg surface, so that the thermoplastic resin particles enter the prepreg layer in the obtained fiber-reinforced composite material. It can be localized between the layers, and can exhibit high interlayer toughness.
このような構造をとることにより、プリプレグを積層してエポキシ樹脂を硬化させて炭素繊維強化複合材料とした場合、層間が形成され易く、それにより、複合材料層相互の接着性や密着性が高められ、得られる炭素繊維強化複合材料に高度の層間靭性や耐衝撃性が発現されるようになる。 By adopting such a structure, when a prepreg is laminated and an epoxy resin is cured to form a carbon fiber reinforced composite material, an interlayer is easily formed, thereby improving the adhesion and adhesion between the composite material layers. As a result, the resulting carbon fiber reinforced composite material exhibits a high degree of interlayer toughness and impact resistance.
粒子の存在率は、例えば、下記の方法で評価することができる。すなわち、プリプレグを2枚の表面の平滑なポリ四フッ化エチレン樹脂板の間に挟持して密着させ、7日間かけて徐々に硬化温度まで温度を上昇させてゲル化、硬化させて板状のプリプレグ硬化物を作製する。このプリプレグ硬化物の両面に、プリプレグ硬化物の表面から、厚さの20%深さ位置にプリプレグの表面と平行な線を2本引く。次に、プリプレグの表面と上記線との間に存在する粒子の合計面積と、プリプレグの厚みに渡って存在する粒子の合計面積を求め、プリプレグの厚さ100%に対して、プリプレグの表面から20%の深さの範囲に存在する粒子の存在率を計算する。ここで、粒子の合計面積は、断面写真から粒子部分を刳り抜き、その質量から換算して求める。樹脂中に分散する粒子の写真撮影後の判別が困難な場合は、粒子を染色する手段も採用できる。 The abundance of the particles can be evaluated by, for example, the following method. That is, the prepreg is sandwiched between two smooth polytetrafluoroethylene resin plates with a smooth surface, and the temperature is gradually raised to the curing temperature over 7 days to gel and cure to cure the plate-like prepreg. Make a thing. Two lines parallel to the surface of the prepreg are drawn on both surfaces of the prepreg cured product from the surface of the prepreg cured product at a depth of 20% of the thickness. Next, the total area of the particles existing between the surface of the prepreg and the line and the total area of the particles existing over the thickness of the prepreg are obtained, and from the surface of the prepreg with respect to 100% of the thickness of the prepreg. Calculate the abundance of particles present in the 20% depth range. Here, the total area of the particles is obtained by cutting out the particle portion from the cross-sectional photograph and converting it from the mass. If it is difficult to discriminate the particles dispersed in the resin after photography, a means for dyeing the particles can also be employed.
本発明のプリプレグは、特開平1−26651号公報、特開昭63−170427号公報または特開昭63−170428号公報に開示されているような方法を応用して製造することができる。具体的には、本発明のプリプレグは、炭素繊維とマトリックス樹脂であるエポキシ樹脂からなる一次プリプレグの表面に、熱可塑性樹脂粒子を粒子の形態のまま塗布する方法、マトリックス樹脂であるエポキシ樹脂中にこれらの粒子を均一に混合した混合物を調整し、この混合物を炭素繊維に含浸させる過程において強化繊維でこれら粒子の侵入を遮断せしめてプリプレグの表面部分に粒子を局在化させる方法、または予めエポキシ樹脂を炭素繊維に含浸させて一次プリプレグを作製しておき、一次プリプレグ表面に、これらの粒子を高濃度で含有する熱硬化性樹脂のフィルムを貼付する方法等で製造することができる。熱可塑性樹脂粒子が、プリプレグの厚み20%の深さの範囲に均一に存在することで、層間靭性の高い繊維複合材料用のプリプレグが得られる。 The prepreg of the present invention can be produced by applying a method as disclosed in JP-A-1-26651, JP-A-63-170427 or JP-A-63-170428. Specifically, the prepreg of the present invention is a method of applying thermoplastic resin particles in the form of particles on the surface of a primary prepreg composed of carbon fiber and an epoxy resin that is a matrix resin, and in an epoxy resin that is a matrix resin. A method in which a mixture in which these particles are uniformly mixed is prepared, and in the process of impregnating the mixture into carbon fibers, the infiltration of these particles by blocking the reinforcing fibers is used to localize the particles on the surface portion of the prepreg, or in advance epoxy A primary prepreg is produced by impregnating a resin with carbon fiber, and a thermosetting resin film containing these particles at a high concentration is attached to the surface of the primary prepreg. When the thermoplastic resin particles are uniformly present in a depth range of 20% of the thickness of the prepreg, a prepreg for a fiber composite material having high interlayer toughness can be obtained.
本発明のプリプレグは、本発明のエポキシ樹脂組成物を、メチルエチルケトンやメタノール等の溶媒に溶解して低粘度化し、強化繊維に含浸させるウェット法と、エポキシ樹脂組成物を加熱により低粘度化し、強化繊維に含浸させるホットメルト法等によって好適に製造することができる。 The prepreg of the present invention comprises a wet method in which the epoxy resin composition of the present invention is dissolved in a solvent such as methyl ethyl ketone and methanol to lower the viscosity and impregnated into a reinforcing fiber, and the epoxy resin composition is heated to lower the viscosity and strengthened. It can be suitably produced by a hot melt method for impregnating fibers.
ウェット法は、強化繊維をエポキシ樹脂組成物の溶液に浸漬した後、引き上げ、オーブン等を用いて溶媒を蒸発せしめ、プリプレグを得る方法である。 The wet method is a method of obtaining a prepreg by immersing a reinforcing fiber in a solution of an epoxy resin composition, then pulling it up and evaporating the solvent using an oven or the like.
ホットメルト法は、加熱により低粘度化したエポキシ樹脂組成物を直接強化繊維に含浸させる方法、またはエポキシ樹脂組成物を離型紙等の上にコーティングした樹脂フィルムを作製しておき、次に強化繊維の両側または片側からその樹脂フィルムを重ね、加熱加圧することによりエポキシ樹脂組成物を転写含浸せしめ、プリプレグを得る方法である。このホットメルト法では、プリプレグ中に残留する溶媒が実質的に皆無となるため好ましい態様である。 The hot melt method is a method in which a reinforcing fiber is impregnated directly with an epoxy resin composition whose viscosity has been reduced by heating, or a resin film in which an epoxy resin composition is coated on release paper or the like is prepared, and then a reinforcing fiber is prepared. This is a method of obtaining a prepreg by transferring and impregnating the epoxy resin composition by overlapping the resin film from both sides or one side and heating and pressurizing. This hot melt method is a preferred embodiment because substantially no solvent remains in the prepreg.
また、本発明の繊維強化複合材料は、このような方法により製造された複数のプリプレグを積層後、得られた積層体に熱および圧力を付与しながらエポキシ樹脂を加熱硬化させる方法等により製造することができる。 The fiber reinforced composite material of the present invention is manufactured by a method of laminating a plurality of prepregs manufactured by such a method and then heat-curing an epoxy resin while applying heat and pressure to the obtained laminate. be able to.
熱および圧力を付与する方法としては、プレス成形法、オートクレーブ成形法、バッギング成形法、ラッピングテープ法および内圧成形法等が使用される。特にスポーツ用品の成形には、ラッピングテープ法と内圧成形法が好ましく用いられる。 As a method for applying heat and pressure, a press molding method, an autoclave molding method, a bagging molding method, a wrapping tape method, an internal pressure molding method, and the like are used. In particular, a wrapping tape method and an internal pressure molding method are preferably used for molding sports equipment.
ラッピングテープ法は、マンドレル等の芯金にプリプレグを捲回して、繊維強化複合材料製の管状体を成形する方法であり、ゴルフシャフトや釣り竿等の棒状体を作製する際に好適な方法である。より具体的には、マンドレルにプリプレグを捲回し、プリプレグの固定および圧力付与のため、プリプレグの外側に熱可塑性樹脂フィルムからなるラッピングテープを捲回し、オーブン中でエポキシ樹脂を加熱硬化させた後、芯金を抜き去って管状体を得る方法である。 The wrapping tape method is a method in which a prepreg is wound around a mandrel or the like and a tubular body made of a fiber reinforced composite material is formed, and is a suitable method for producing a rod-like body such as a golf shaft or a fishing rod. . More specifically, after winding the prepreg on a mandrel, winding a wrapping tape made of a thermoplastic resin film on the outside of the prepreg for fixing and applying pressure, and heat curing the epoxy resin in an oven, In this method, the core is removed to obtain a tubular body.
また、内圧成形法は、熱可塑性樹脂製のチューブ等の内圧付与体にプリプレグを捲回したプリフォームを金型中にセットし、次いでその内圧付与体に高圧の気体を導入して圧力を付与すると同時に金型を加熱せしめ、管状体を成形する方法である。この内圧成形法は、ゴルフシャフト、バット、およびテニスやバトミントン等のラケットのような複雑な形状物を成形する際に、特に好ましく用いられる。 In addition, the internal pressure molding method is to set a preform in which a prepreg is wound on an internal pressure applying body such as a tube made of a thermoplastic resin in a mold, and then apply high pressure gas to the internal pressure applying body to apply pressure. At the same time, the mold is heated to form a tubular body. This internal pressure molding method is particularly preferably used when molding a complicated shape such as a golf shaft, a bat, and a racket such as tennis or badminton.
本発明の炭素繊維強化複合材料は、上述した本発明のプリプレグを所定の形態で積層し、加圧・加熱してエポキシ樹脂を硬化させる方法を一例として製造することができる。 The carbon fiber reinforced composite material of the present invention can be manufactured by, for example, a method of laminating the above-described prepreg of the present invention in a predetermined form and pressurizing and heating to cure the epoxy resin.
本発明の繊維強化複合材料は、前記したエポキシ樹脂組成物を用いて、プリプレグを経由しない方法によっても製造することができる。 The fiber-reinforced composite material of the present invention can also be produced by a method not using a prepreg, using the above-described epoxy resin composition.
このような方法としては、例えば、本発明のエポキシ樹脂組成物を直接強化繊維に含浸させた後加熱硬化する方法、即ち、ハンド・レイアップ法、フィラメント・ワインディング法、プルトルージョン法、レジン・フィルム・インフュージョン法、レジン・インジェクション・モールディング法およびレジン・トランスファー・モールディング法等が用いられる。 As such a method, for example, a method of directly impregnating the epoxy resin composition of the present invention into a reinforcing fiber and then heat-curing, that is, a hand layup method, a filament winding method, a pultrusion method, a resin film -Infusion method, resin injection molding method, resin transfer molding method, etc. are used.
本発明の繊維強化複合材料は、その断面において観察される熱可塑性樹脂粒子[D]の真球度が85〜100の範囲にあることが好ましく、96〜100の範囲にあることがより好ましい。熱可塑性樹脂粒子[D]の真球度が維持されることにより、成形条件によらず安定した層間厚みが得られ、モードI層間靭性とモードII層間靭性を始めとする力学特性が安定して発現するものとなる。かかる真球度は、例えば以下の手順で測定することができる。繊維強化複合材料を炭素繊維に直交する方向から切断し、その断面を研磨後、光学顕微鏡で200倍以上に拡大し写真撮影する。この写真から[D]粒子の短径と長径を測定し、任意の30個の平均より、下記数値変換式に従い算出されるものである。 In the fiber reinforced composite material of the present invention, the sphericity of the thermoplastic resin particles [D] observed in the cross section is preferably in the range of 85 to 100, and more preferably in the range of 96 to 100. By maintaining the sphericity of the thermoplastic resin particles [D], a stable interlayer thickness can be obtained regardless of the molding conditions, and the mechanical properties including mode I interlayer toughness and mode II interlayer toughness can be stabilized. It will be expressed. Such sphericity can be measured, for example, by the following procedure. The fiber reinforced composite material is cut from a direction orthogonal to the carbon fiber, and the cross section is polished, and then magnified 200 times or more with an optical microscope and photographed. The short diameter and long diameter of [D] particles are measured from this photograph, and are calculated from the average of arbitrary 30 particles according to the following numerical conversion formula.
以下、実施例によって、本発明のプリプレグと繊維強化複合材料について、より具体的に説明する。実施例で用いた樹脂原料、プリプレグおよび繊維強化複合材料の作製方法および評価法を、次に示す。実施例のプリプレグの作製環境および評価は、特に断りのない限り、温度25℃±2℃、相対湿度50%の雰囲気で行ったものである。 Hereinafter, the prepreg and the fiber-reinforced composite material of the present invention will be described more specifically with reference to examples. The production methods and evaluation methods of the resin raw materials, prepregs and fiber reinforced composite materials used in the examples are shown below. The production environment and evaluation of the prepregs of the examples are performed in an atmosphere at a temperature of 25 ° C. ± 2 ° C. and a relative humidity of 50% unless otherwise specified.
<炭素繊維(強化繊維)>
・“トレカ(登録商標)”T800G−24K−31E(フィラメント数24,000本、引張強度5.9GPa、引張弾性率294GPa、引張伸度2.0%の炭素繊維、東レ(株)製)。
<Carbon fiber (reinforced fiber)>
"Torayca (registered trademark)" T800G-24K-31E (carbon fiber with 24,000 filaments, tensile strength 5.9 GPa, tensile elastic modulus 294 GPa, tensile elongation 2.0%, manufactured by Toray Industries, Inc.).
<エポキシ樹脂[A]>
・“スミエポキシ(登録商標)”ELM434(テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン、住友化学(株)製)
・“アラルダイド(登録商標)”MY0510(トリグリシジル−p−アミノフェノール、ハンツマン・ジャパン(株)製)
・“アラルダイド(登録商標)”MY0600(トリグリシジル−m−アミノフェノール、ハンツマン・ジャパン(株)製)
・GAN(N,N−ジグリシジルアニリン、日本化薬(株)製)
・“EPON(登録商標)”825(ビスフェノールA型エポキシ樹脂、Momentive Specialty Chemicals(株)製)
・“EPICLON(登録商標)”830(ビスフェノールF型エポキシ樹脂、DIC(株)製)。
<Epoxy resin [A]>
"Sumiepoxy (registered trademark)" ELM434 (tetraglycidyldiaminodiphenylmethane, manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.)
"Araldide (registered trademark)" MY0510 (triglycidyl-p-aminophenol, manufactured by Huntsman Japan K.K.)
"Araldide (registered trademark)" MY0600 (triglycidyl-m-aminophenol, manufactured by Huntsman Japan K.K.)
・ GAN (N, N-diglycidylaniline, manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.)
"EPON (registered trademark)" 825 (bisphenol A type epoxy resin, manufactured by Momentary Specialty Chemicals)
"EPICLON (registered trademark)" 830 (bisphenol F type epoxy resin, manufactured by DIC Corporation).
<熱可塑性樹脂[B]>
・“スミカエクセル(登録商標)”PES5003P(ポリエーテルスルホン、住友化学工業(株)製、重量平均分子量:47000)
・“Virantage(登録商標)”VW−10700RP(ポリエーテルスルホン、Solvay Advanced Polymers(株)製、重量平均分子量:21000)。
<Thermoplastic resin [B]>
"Sumika Excel (registered trademark)" PES5003P (polyethersulfone, manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd., weight average molecular weight: 47000)
"Virantage (registered trademark)" VW-10700RP (polyethersulfone, manufactured by Solvay Advanced Polymers, Inc., weight average molecular weight: 21000).
<アミノ基活性水素当量が70(g/eq.)以上150(g/eq.)以下の固形アミン硬化剤[C]>
・“Lonzacure(登録商標)”M−MIPA(4,4’−メチレン−ビス(2−イソプロピル−6−メチルアニリン、ロンザジャパン(株)製)アミノ基活性水素当量:78
・4−APTP(1−N,4−N−ビス(4−アミノフェニル)フェニレン−1,4−ジカルボキシアミド、日本純良薬品(株)製)アミノ基活性水素当量:87(g/eq.)
・4−ABPA(4−アミノ−N−[4−[(4−アミノベンゾイル)アミノ]フェニル]ベンズアミド、日本純良薬品(株)製)アミノ基活性水素当量:87(g/eq.)
・9,9−ビス(4−アミノフェニル)フルオレン(JFEケミカル(株)製)アミノ基活性水素当量:87(g/eq.)
・4,4’−ビス(p−アミノフェノキシ)ビフェニル(東京化成工業(株)製)アミノ基活性水素当量:92
・“Lonzacure(登録商標)”M−CDEA(4,4’‐メチレンビス(3‐クロロ‐2,6‐ジエチルアニリン)、ロンザジャパン(株)製)アミノ基活性水素当量:95(g/eq.)
・9,9−ビス(4−アミノ−3−クロロフェニル)フルオレン(東京化成工業(株)製)アミノ基活性水素当量:104(g/eq.)。
<Amino group active hydrogen equivalent of 70 (g / eq.) To 150 (g / eq.) Solid amine curing agent [C]>
"Lonzacure (registered trademark)" M-MIPA (4,4'-methylene-bis (2-isopropyl-6-methylaniline, manufactured by Lonza Japan)) amino group active hydrogen equivalent: 78
4-APTP (1-N, 4-N-bis (4-aminophenyl) phenylene-1,4-dicarboxamide, manufactured by Nippon Pure Chemicals Co., Ltd.) Amino group active hydrogen equivalent: 87 (g / eq. )
4-ABPA (4-amino-N- [4-[(4-aminobenzoyl) amino] phenyl] benzamide, manufactured by Nippon Pure Chemicals Co., Ltd.) Amino group active hydrogen equivalent: 87 (g / eq.)
9,9-bis (4-aminophenyl) fluorene (manufactured by JFE Chemical Co., Ltd.) amino group active hydrogen equivalent: 87 (g / eq.)
・ 4,4′-bis (p-aminophenoxy) biphenyl (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) amino group active hydrogen equivalent: 92
"Lonzacure (registered trademark)" M-CDEA (4,4'-methylenebis (3-chloro-2,6-diethylaniline), Lonza Japan K.K.) amino group active hydrogen equivalent: 95 (g / eq. )
9,9-bis (4-amino-3-chlorophenyl) fluorene (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) amino group active hydrogen equivalent: 104 (g / eq.).
<アミノ基活性水素当量が70(g/eq.)以上150(g/eq.)以下の固形アミン硬化剤[C]以外の硬化剤>
・3,3’−DAS(3,3’−ジアミノジフェニルスルホン、三井化学ファイン(株)製)アミノ基活性水素当量:62(g/eq.)
・セイカキュアS(4,4’−ジアミノジフェニルスルホン、和歌山精化工業(株)製)アミノ基活性水素当量:62(g/eq.)
・DICY7(ジシアンジアミド、三菱化学(株))。
<Curing agents other than solid amine curing agent [C] having an amino group active hydrogen equivalent weight of 70 (g / eq.) To 150 (g / eq.)>
3,3′-DAS (3,3′-diaminodiphenyl sulfone, manufactured by Mitsui Chemicals Fine Co., Ltd.) Amino group active hydrogen equivalent: 62 (g / eq.)
Seikacure S (4,4′-diaminodiphenylsulfone, manufactured by Wakayama Seika Kogyo Co., Ltd.) Amino group active hydrogen equivalent: 62 (g / eq.)
-DICY7 (dicyandiamide, Mitsubishi Chemical Corporation).
<熱可塑性樹脂粒子[D]>
・粒子1(SP−10、東レ(株)製、平均粒子径10μm、粒子径分布指数1.5、真球度96、ガラス転移温度55℃)。
<Thermoplastic resin particles [D]>
-Particle 1 (SP-10, manufactured by Toray Industries, Inc., average particle size 10 μm, particle size distribution index 1.5, sphericity 96, glass transition temperature 55 ° C.).
・粒子2(“トロガミド(登録商標)”CX7323を原料として作製した、平均粒子径25μm、粒子径分布指数1.3、真球度96、ガラス転移温度137℃の粒子)
(粒子2の製造方法:国際公開2009/142231号パンフレットを参考とした。)
1000mlの耐圧ガラスオートクレーブ(耐圧硝子工業(株)ハイパーグラスターTEM−V1000N)の中に、ポリマーAとしてポリアミド(重量平均分子量 17,000、デグザ社製 “トロガミド(登録商標)”CX7323)を39g、有機溶媒としてN−メチル−2−ピロリドン 283g、ポリマーBとしてポリビニルアルコール 28g(日本合成化学工業株式会社製 “ゴーセノール(登録商標)”GM−14 重量平均分子量 29,000、酢酸ナトリウム含量0.23質量%、SP値32.8(J/cm3)1/2)を加え、99体積%以上の窒素置換を行った後、180℃に加熱し、ポリマーが溶解するまで2時間攪拌を行った。その後、貧溶媒として350gのイオン交換水を、送液ポンプを経由して、2.92g/分のスピードで滴下した。約200gのイオン交換水を加えた時点で、系が白色に変化した。全量の水を入れ終わった後、攪拌したまま降温させ、得られた懸濁液を、ろ過し、イオン交換水700gを加えてリスラリー洗浄し、濾別したものを、80℃ 10時間真空乾燥を行い、灰色に着色した固体を37g得た。得られた粉体を走査型電子顕微鏡にて観察したところ、真球状の微粒子形状であり、平均粒子径25μm、粒子径分布指数1.3のポリアミド微粒子であった。
-Particles 2 (particles having an average particle size of 25 μm, a particle size distribution index of 1.3, a sphericity of 96, and a glass transition temperature of 137 ° C. prepared from “Trogamide (registered trademark)” CX7233 as raw materials)
(Manufacturing method of particle 2: Reference was made to pamphlet of International Publication No. 2009/142231)
In a 1000 ml pressure-resistant glass autoclave (pressure-resistant glass industry, Hyper Glaster TEM-V1000N), 39 g of polyamide (weight average molecular weight 17,000, “Trogamide (registered trademark)” CX7323) manufactured by Degussa as an organic material, organic 283 g of N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent, 28 g of polyvinyl alcohol as polymer B (“GOHSENOL (registered trademark)” GM-14 manufactured by Nippon Synthetic Chemical Industry Co., Ltd.), weight average molecular weight 29,000, sodium acetate content 0.23 mass% , SP value 32.8 (J / cm 3 ) 1/2 ) was added, and nitrogen substitution of 99% by volume or more was performed, followed by heating to 180 ° C. and stirring for 2 hours until the polymer was dissolved. Thereafter, 350 g of ion-exchanged water as a poor solvent was dropped at a speed of 2.92 g / min via a liquid feed pump. When about 200 g of ion exchange water was added, the system turned white. After the entire amount of water has been added, the temperature is lowered with stirring, and the resulting suspension is filtered, washed with 700 g of ion-exchanged water, reslurried, and filtered, and vacuum-dried at 80 ° C. for 10 hours. This gave 37 g of a gray colored solid. When the obtained powder was observed with a scanning electron microscope, it was a spherical fine particle shape, and was a polyamide fine particle having an average particle size of 25 μm and a particle size distribution index of 1.3.
・粒子3(“トロガミド(登録商標)”CX7323を原料として作製した、平均粒子径18μm、粒子径分布指数1.2、真球度98、ガラス転移温度137℃の粒子)
(粒子3の製造方法:国際公開2009/142231号パンフレットを参考とした。)
1000mlの耐圧ガラスオートクレーブ(耐圧硝子工業(株)ハイパーグラスターTEM−V1000N)の中に、ポリマーAとしてポリアミド(重量平均分子量 17,000、デグザ社製 “トロガミド(登録商標)”CX7323)を37g、有機溶媒としてN−メチル−2−ピロリドン 285g、ポリマーBとしてポリビニルアルコール 28g(日本合成化学工業株式会社製 “ゴーセノール(登録商標)”GM−14 重量平均分子量 29,000、酢酸ナトリウム含量0.23質量%、SP値32.8(J/cm3)1/2)を加え、99体積%以上の窒素置換を行った後、180℃に加熱し、ポリマーが溶解するまで2時間攪拌を行った。その後、貧溶媒として350gのイオン交換水を、送液ポンプを経由して、2.92g/分のスピードで滴下した。約200gのイオン交換水を加えた時点で、系が白色に変化した。全量の水を入れ終わった後、攪拌したまま降温させ、得られた懸濁液を、ろ過し、イオン交換水700gを加えてリスラリー洗浄し、濾別したものを、80℃ 10時間真空乾燥を行い、灰色に着色した固体を36g得た。得られた粉体を走査型電子顕微鏡にて観察したところ、真球状の微粒子形状であり、平均粒子径18μm、粒子径分布指数1.2のポリアミド微粒子であった。
-Particles 3 (particles having an average particle size of 18 μm, a particle size distribution index of 1.2, a sphericity of 98, and a glass transition temperature of 137 ° C. prepared from “Trogamide (registered trademark)” CX7233 as raw materials)
(Manufacturing method of the particle 3: Reference was made to the pamphlet of International Publication No. 2009/142231)
In a 1000 ml pressure-resistant glass autoclave (pressure-resistant glass industry, HyperGlaster TEM-V1000N), 37 g of polyamide (weight average molecular weight 17,000, “Trogamide (registered trademark)” CX7323) manufactured by Degussa Co., as an organic material, organic 285 g of N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent, 28 g of polyvinyl alcohol as polymer B (“GOHSENOL (registered trademark)” GM-14, manufactured by Nippon Synthetic Chemical Industry Co., Ltd.), weight average molecular weight 29,000, sodium acetate content 0.23 mass% , SP value 32.8 (J / cm 3 ) 1/2 ) was added, and nitrogen substitution of 99% by volume or more was performed, followed by heating to 180 ° C. and stirring for 2 hours until the polymer was dissolved. Thereafter, 350 g of ion-exchanged water as a poor solvent was dropped at a speed of 2.92 g / min via a liquid feed pump. When about 200 g of ion exchange water was added, the system turned white. After the entire amount of water has been added, the temperature is lowered with stirring, and the resulting suspension is filtered, washed with 700 g of ion-exchanged water, reslurried, and filtered, and vacuum-dried at 80 ° C. for 10 hours. This gave 36 g of a gray colored solid. When the obtained powder was observed with a scanning electron microscope, it was a spherical fine particle shape, and was a polyamide fine particle having an average particle diameter of 18 μm and a particle diameter distribution index of 1.2.
・粒子4(“トロガミド(登録商標)”CX7323を原料として作製した、平均粒子径8μm、粒子径分布指数1.1、真球度98、ガラス転移温度137℃の粒子)
(粒子4の製造方法:国際公開2009/142231号パンフレットを参考とした。)
1000mlの耐圧ガラスオートクレーブ(耐圧硝子工業(株)ハイパーグラスターTEM−V1000N)の中に、ポリマーAとしてポリアミド(重量平均分子量 17,000、デグザ社製 “トロガミド(登録商標)”CX7323)を35g、有機溶媒としてN−メチル−2−ピロリドン 280g、ポリマーBとしてポリビニルアルコール 35g(日本合成化学工業株式会社製 “ゴーセノール(登録商標)”GM−14 重量平均分子量 29,000、酢酸ナトリウム含量0.23質量%、SP値32.8(J/cm3)1/2)を加え、99体積%以上の窒素置換を行った後、180℃に加熱し、ポリマーが溶解するまで2時間攪拌を行った。その後、貧溶媒として350gのイオン交換水を、送液ポンプを経由して、2.92g/分のスピードで滴下した。約200gのイオン交換水を加えた時点で、系が白色に変化した。全量の水を入れ終わった後、攪拌したまま降温させ、得られた懸濁液を、ろ過し、イオン交換水700gを加えてリスラリー洗浄し、濾別したものを、80℃ 10時間真空乾燥を行い、灰色に着色した固体を34g得た。得られた粉体を走査型電子顕微鏡にて観察したところ、真球状の微粒子形状であり、平均粒子径8μm、粒子径分布指数1.1のポリアミド微粒子であった。
Particle 4 (particles having an average particle diameter of 8 μm, a particle diameter distribution index of 1.1, a sphericity of 98, and a glass transition temperature of 137 ° C., produced from “Trogamide (registered trademark)” CX7233 as a raw material)
(Manufacturing method of the particles 4: Reference was made to the pamphlet of International Publication No. 2009/142231)
In a 1000 ml pressure-resistant glass autoclave (Pressure Glass Industry Co., Ltd., Hyperglaster TEM-V1000N), 35 g of polyamide (weight average molecular weight 17,000, “Trogamide (registered trademark)” CX7323) manufactured by Degussa as an organic polymer, organic 280 g of N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent, 35 g of polyvinyl alcohol as polymer B (“GOHSENOL (registered trademark)” GM-14, manufactured by Nippon Synthetic Chemical Industry Co., Ltd.), weight average molecular weight 29,000, sodium acetate content 0.23 mass% , SP value 32.8 (J / cm 3 ) 1/2 ) was added, and nitrogen substitution of 99% by volume or more was performed, followed by heating to 180 ° C. and stirring for 2 hours until the polymer was dissolved. Thereafter, 350 g of ion-exchanged water as a poor solvent was dropped at a speed of 2.92 g / min via a liquid feed pump. When about 200 g of ion exchange water was added, the system turned white. After the entire amount of water has been added, the temperature is lowered with stirring, and the resulting suspension is filtered, washed with 700 g of ion-exchanged water, reslurried, and filtered, and vacuum-dried at 80 ° C. for 10 hours. And 34 g of a gray colored solid were obtained. When the obtained powder was observed with a scanning electron microscope, it was a spherical fine particle shape, and was a polyamide fine particle having an average particle size of 8 μm and a particle size distribution index of 1.1.
・粒子5(“グリルアミド(登録商標)”−TR90を原料として作製した、平均粒子径10μm、粒子径分布指数1.5、真球度96、ガラス転移温度152℃の粒子)
(粒子5の製造方法)
4,4’−ジアミノ−3,3’−ジメチルジシクロヘキシルメタンと1,12−ドデカンジカルボン酸を必須構成成分とするポリアミド(エムザベルケ社製“グリルアミド(登録商標)”−TR90)22gをクロロホルム225gとメタノール75gの混合溶媒中に添加して均一溶液を得た。次に該溶液を450rpmで攪拌しながらポリビニルアルコール(関東化学(株)製)を6質量%溶解させた水溶液185gを徐々に滴下し、該溶液を分散媒中に粒子分散させ、溶媒を除去したのちに白色固体を21g得た。得られた粉体を走査型電子顕微鏡にて観察したところ、真球状の微粒子形状であり、平均粒子径10μm、粒子径分布指数1.5のポリアミド微粒子であった。
Particle 5 (“Grillamide (registered trademark)” — made from TR90 as a raw material and having an average particle size of 10 μm, a particle size distribution index of 1.5, a sphericity of 96, and a glass transition temperature of 152 ° C.)
(Method for producing particle 5)
225 g of chloroform and 22 g of polyamide (“Grillamide (registered trademark)”-TR90, manufactured by Mzavelke) having 4,4′-diamino-3,3′-dimethyldicyclohexylmethane and 1,12-dodecanedicarboxylic acid as essential components It added in the mixed solvent of 75g, and obtained the uniform solution. Next, while stirring the solution at 450 rpm, 185 g of an aqueous solution in which 6% by mass of polyvinyl alcohol (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) was dissolved was gradually added dropwise, the solution was dispersed in particles in a dispersion medium, and the solvent was removed. Later, 21 g of a white solid was obtained. When the obtained powder was observed with a scanning electron microscope, it was a spherical fine particle shape, and was a polyamide fine particle having an average particle size of 10 μm and a particle size distribution index of 1.5.
・粒子6(“スミカエクセル(登録商標)”5003Pを原料として作製した、平均粒子径19μm、粒子径分布指数1.1、真球度98、ガラス転移温度210℃の粒子)
(粒子6の製造方法)
100mlの4口フラスコの中に、ポリマーAとしてポリエーテルスルホン2.5g(重量平均分子量67,000 住友化学工業(株)製“スミカエクセル(登録商標)”5003P)、有機溶媒としてN−メチル−2−ピロリドン 45g、ポリマーBとしてポリビニルアルコール 2.5g(日本合成化学工業株式会社製“ゴーセノール(登録商標)”GL−05、重量平均分子量 10,600、SP値32.8(J/cm3)1/2)を加え、80℃に加熱し、ポリマーが溶解するまで攪拌を行った。系の温度を室温に戻した後に、450rpmで攪拌しながら、貧溶媒として50gのイオン交換水を、送液ポンプを経由して、0.41g/分のスピードで滴下した。約12gのイオン交換水を加えた時点で、系が白色に変化した。全量の水を入れ終わった後に、30分間攪拌し、得られた懸濁液を、ろ過し、イオン交換水100gで洗浄し、濾別したものを、80℃ 10時間真空乾燥を行い、白色固体を2.0g得た。得られた粉体を走査型電子顕微鏡にて観察したところ、真球状の微粒子形状であり、平均粒子径19μm、粒子径分布指数1.1のポリエーテルスルホン微粒子であった。
-Particles 6 (particles having an average particle size of 19 μm, a particle size distribution index of 1.1, a sphericity of 98, and a glass transition temperature of 210 ° C., produced using “Sumika Excel (registered trademark)” 5003P as a raw material)
(Method for producing particle 6)
In a 100 ml four-necked flask, 2.5 g of polyethersulfone as polymer A (weight average molecular weight 67,000 “Sumika Excel (registered trademark)” 5003P manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.) and N-methyl- 45 g of 2-pyrrolidone, 2.5 g of polyvinyl alcohol as polymer B (“GOHSENOL (registered trademark)” GL-05 manufactured by Nippon Synthetic Chemical Industry Co., Ltd., weight average molecular weight 10,600, SP value 32.8 (J / cm 3 ) 1/2 ) was added, heated to 80 ° C., and stirred until the polymer was dissolved. After returning the temperature of the system to room temperature, 50 g of ion-exchanged water as a poor solvent was dropped at a speed of 0.41 g / min via a liquid feed pump while stirring at 450 rpm. When about 12 g of ion-exchanged water was added, the system turned white. After the entire amount of water has been added, the mixture is stirred for 30 minutes, and the resulting suspension is filtered, washed with 100 g of ion-exchanged water, and separated by filtration, followed by vacuum drying at 80 ° C. for 10 hours to obtain a white solid. 2.0 g was obtained. When the obtained powder was observed with a scanning electron microscope, it was a polyethersulfone fine particle having a true spherical fine particle shape, an average particle diameter of 19 μm, and a particle diameter distribution index of 1.1.
<その他の粒子>
・粒子7(“トロガミド(登録商標)”CX7323を原料として作製した、平均粒子径12μm、粒子径分布指数2.6、真球度72、ガラス転移温度137℃の粒子)
(粒子7の製造方法)
ポリアミド(重量平均分子量17,000、デグザ社製“トロガミド(登録商標)”CX7323)を凍結粉砕した。得られた粉体を走査型電子顕微鏡にて観察したところ、異方性の微粒子形状であり、平均粒子径12μm、粒子径分布指数2.6のポリアミド微粒子であった。
<Other particles>
-Particles 7 (particles having an average particle size of 12 μm, a particle size distribution index of 2.6, a sphericity of 72, and a glass transition temperature of 137 ° C., produced from “Trogamide (registered trademark)” CX7233 as a raw material)
(Method for producing particle 7)
Polyamide (weight average molecular weight 17,000, “Trogamide (registered trademark)” CX7323 manufactured by Degussa) was freeze-ground. When the obtained powder was observed with a scanning electron microscope, it was a polyamide fine particle having an anisotropic fine particle shape, an average particle size of 12 μm, and a particle size distribution index of 2.6.
・粒子8(“グリルアミド(登録商標)”−TR55を原料として作製した、平均粒子径13μm、粒子径分布指数2.1、真球度96、ガラス転移温度167℃)。 Particle 8 (produced using “Grillamide (registered trademark)”-TR55 as a raw material, average particle diameter 13 μm, particle diameter distribution index 2.1, sphericity 96, glass transition temperature 167 ° C.)
(粒子8の製造方法)
透明ポリアミド(商品名“グリルアミド(登録商標)”−TR55、エムザベルケ社製)30g、エポキシ樹脂(商品名“エピコート(登録商標)”828、油化シェル(株)社製)2.5g、および硬化剤(商品名“トーマイド(登録商標)”#296、富士化成工業(株)社製)0.8gを、クロロホルム100gとメタノール35gの混合溶媒中に添加して均一溶液を得た。次に、得られた均一溶液を塗装用のスプレーガンを用いて霧状にして、良く撹拌して1000gのn−ヘキサンの液面に向かって吹き付けて溶質を析出させた。析出した固体を濾別し、n−ヘキサンで良く洗浄した後に、100℃の温度で24時間の真空乾燥を行い、白色固体を28g得た。得られた粉体を走査型電子顕微鏡にて観察したところ、真球状の微粒子形状であり、平均粒子径13μm、粒子径分布指数2.1のエポキシ変性ポリアミド微粒子であった。
(Method for producing particle 8)
30 g of transparent polyamide (trade name “Grillamide (registered trademark)”-TR55, manufactured by Mzavelke), 2.5 g of epoxy resin (product name “Epicoat (registered trademark)” 828, manufactured by Yuka Shell Co., Ltd.), and curing 0.8 g of an agent (trade name “Tomide (registered trademark)” # 296, manufactured by Fuji Kasei Kogyo Co., Ltd.) was added to a mixed solvent of 100 g of chloroform and 35 g of methanol to obtain a uniform solution. Next, the obtained uniform solution was atomized using a spray gun for coating, stirred well, and sprayed toward the liquid surface of 1000 g of n-hexane to precipitate a solute. The precipitated solid was separated by filtration and washed well with n-hexane, and then vacuum dried at 100 ° C. for 24 hours to obtain 28 g of a white solid. When the obtained powder was observed with a scanning electron microscope, it was a true spherical fine particle shape, and was an epoxy-modified polyamide fine particle having an average particle size of 13 μm and a particle size distribution index of 2.1.
・粒子9(“Orgasol(登録商標)”2002 D Nat 1、アルケマ(株)社製、平均粒子径20μm、粒子径分布指数1.3、真球度80、ガラス転移温度40℃)。 Particle 9 (“Orgasol (registered trademark)” 2002 D Nat 1, manufactured by Arkema Co., Ltd., average particle size 20 μm, particle size distribution index 1.3, sphericity 80, glass transition temperature 40 ° C.)
・粒子10(“ダイミックビーズ(登録商標)”UCN−5150D、大日精化工業(株)製、平均粒子径15μm、粒子径分布指数1.3、真球度96、ガラス転移温度:−27℃)。 Particle 10 (“Dymic Beads (registered trademark)” UCN-5150D, manufactured by Dainichi Seika Kogyo Co., Ltd., average particle size 15 μm, particle size distribution index 1.3, sphericity 96, glass transition temperature: −27 ° C).
<その他の成分>
・DCMU99(3−(3,4−ジクロロフェニル)−1,1−ジメチルウレア、硬化促進剤、保土ヶ谷化学工業(株)製)。
<Other ingredients>
DCMU99 (3- (3,4-dichlorophenyl) -1,1-dimethylurea, curing accelerator, manufactured by Hodogaya Chemical Co., Ltd.)
(1)エポキシ樹脂組成物の調製
ニーダー中にエポキシ樹脂と熱可塑性樹脂を所定量加え、混練しつつ、160℃まで昇温し、160℃、1時間混練することで、透明な粘調液を得た。混練しつつ80℃まで降温させた後、硬化剤と熱可塑性樹脂粒子を所定量加え、さらに混練し、エポキシ樹脂組成物を得た。
(1) Preparation of epoxy resin composition A predetermined amount of an epoxy resin and a thermoplastic resin are added to a kneader, and the mixture is kneaded, heated to 160 ° C, and kneaded at 160 ° C for 1 hour to obtain a transparent viscous liquid. Obtained. After the temperature was lowered to 80 ° C. while kneading, a predetermined amount of a curing agent and thermoplastic resin particles were added and further kneaded to obtain an epoxy resin composition.
(2)プリプレグの作製
エポキシ樹脂組成物を、ナイフコーターを用いて離型紙上に塗布して樹脂フィルムを作製した。次に、シート状に一方向に配列させた東レ(株)製、炭素繊維“トレカ(登録商標)”T800G−24K−31Eに、樹脂フィルム2枚を炭素繊維の両面から重ね、加熱加圧により樹脂を炭素繊維に含浸させ、炭素繊維の目付が190g/m2、マトリックス樹脂の質量分率が35.5%の一方向プリプレグを得た。その際、熱可塑性樹脂粒子を配合したエポキシ樹脂組成物を使用する場合は以下の2段含浸法を適用し、熱可塑性樹脂粒子が表層に高度に局在化したプリプレグを作製した。
(2) Preparation of prepreg The epoxy resin composition was applied onto release paper using a knife coater to prepare a resin film. Next, two resin films are stacked on both sides of the carbon fiber on a carbon fiber “Treca (registered trademark)” T800G-24K-31E manufactured by Toray Industries, Ltd., which is arranged in one direction in a sheet shape, and heated and pressurized. The resin was impregnated with carbon fiber to obtain a unidirectional prepreg having a carbon fiber basis weight of 190 g / m 2 and a matrix resin mass fraction of 35.5%. In that case, when using the epoxy resin composition which mix | blended the thermoplastic resin particle, the following two-stage impregnation methods were applied, and the prepreg which the thermoplastic resin particle highly localized in the surface layer was produced.
まず、熱可塑性樹脂粒子を含まない1次プリプレグを作製した。表1および2に記載の原料成分の内、エポキシ樹脂に不溶な熱可塑性樹脂粒子を含まないエポキシ樹脂組成物を上記(1)の手順で調製した。この1次プリプレグ用エポキシ樹脂組成物を、ナイフコーターを用いて離型紙上に塗布して、通常の60質量%の目付となる30g/m2の1次プリプレグ用樹脂フィルムを作製した。次に、シート状に一方向に配列させた東レ(株)製、炭素繊維“トレカ(登録商標)”T800G−24K−31Eに、この1次プリプレグ用樹脂フィルム2枚を炭素繊維の両面から重ね合せてヒートロールを用い、温度100℃、気圧1気圧で加熱加圧しながら、樹脂を炭素繊維に含浸させ、1次プリプレグを得た。 First, a primary prepreg containing no thermoplastic resin particles was produced. Among the raw material components described in Tables 1 and 2, an epoxy resin composition containing no thermoplastic resin particles insoluble in the epoxy resin was prepared by the procedure (1). This epoxy resin composition for primary prepreg was applied onto release paper using a knife coater to prepare a resin film for primary prepreg of 30 g / m 2 having a normal basis weight of 60% by mass. Next, two primary prepreg resin films are stacked on both sides of the carbon fiber on a carbon fiber “Treka (registered trademark)” T800G-24K-31E manufactured by Toray Industries, Inc. arranged in one direction in a sheet shape. In addition, using a heat roll, the resin was impregnated into carbon fiber while heating and pressurizing at a temperature of 100 ° C. and an atmospheric pressure of 1 atm to obtain a primary prepreg.
さらに、2段含浸用樹脂フィルムを作製するために、ニーダーを用いて、表1および2に記載の原料成分の内、エポキシ樹脂に不溶な熱可塑性樹脂粒子を記載量の2.5倍としたエポキシ樹脂組成物を上記(1)の手順で調製した。この2段含浸用エポキシ樹脂組成物を、ナイフコーターを用いて離型紙上に塗布して、通常の40質量%の目付となる20g/m2の2段含浸用樹脂フィルムを作製した。これを1次プリプレグの両面から重ね合せてヒートロールを用い、温度80℃、気圧1気圧で加熱加圧することで、熱可塑性樹脂粒子が表層に高度に局在化したプリプレグを得た。 Furthermore, in order to produce a resin film for two-stage impregnation, among the raw material components listed in Tables 1 and 2, the thermoplastic resin particles insoluble in the epoxy resin were made 2.5 times the stated amount using a kneader. An epoxy resin composition was prepared by the procedure (1) above. This two-stage impregnation epoxy resin composition was applied onto release paper using a knife coater to prepare a 20-gram / m 2 two-stage impregnation resin film having a normal basis weight of 40% by mass. This was superposed on both sides of the primary prepreg and heated and pressed at a temperature of 80 ° C. and an atmospheric pressure of 1 atm using a heat roll to obtain a prepreg in which thermoplastic resin particles were highly localized on the surface layer.
(3)モードI層間靭性(GIC)試験用複合材料製平板の作製とGIC測定
JIS K7086(1993)に従い、次の(a)〜(e)の操作によりGIC試験用複合材料製平板を作製した。
(a)(2)で作製した一方向プリプレグを、繊維方向を揃えて20ply積層した。ただし、積層中央面(10ply目と11ply目の間)に、繊維配列方向と直角に、幅40mm、厚み12.5μmのフッ素樹脂製フィルムをはさんだ。
(b)積層したプリプレグをナイロンフィルムで隙間のないように覆い、オートクレーブにて、180℃の温度で2時間、0.59MPaの圧力下、昇温速度1.5℃/分で成形し、一方向繊維強化複合材料を成形した。
(c)(b)で得た一方向繊維強化複合材料を、幅20mm、長さ195mmにカットした。繊維方向は、サンプルの長さ側と平行になるようにカットした。
(d)JIS K7086(1993)に従い、ピン負荷用ブロック(長さ25mm、アルミ製)を試験片端(フィルムをはさんだ側)に接着した。
(e)亀裂進展を観察しやすくするため、試験片の両側面に白色塗料を塗った。
(3) Mode I Interlaminar toughness (G IC) in accordance with Preparation of the test composite made flat and G IC measurement JIS K7086 (1993), the following (a) ~ (e) the composite material made flat for G IC test by operating the Was made.
(A) The unidirectional prepreg produced in (2) was laminated in 20 ply with the fiber direction aligned. However, a fluororesin film having a width of 40 mm and a thickness of 12.5 μm was sandwiched between the laminated central planes (between the 10th and 11th plys) perpendicular to the fiber arrangement direction.
(B) The laminated prepreg is covered with a nylon film so that there is no gap, and is molded in an autoclave at a temperature of 180 ° C. for 2 hours under a pressure of 0.59 MPa at a heating rate of 1.5 ° C./min. Directional fiber reinforced composite material was molded.
(C) The unidirectional fiber reinforced composite material obtained in (b) was cut into a width of 20 mm and a length of 195 mm. The fiber direction was cut so as to be parallel to the length side of the sample.
(D) According to JIS K7086 (1993), a pin load block (length: 25 mm, made of aluminum) was bonded to the end of the test piece (the side where the film was sandwiched).
(E) A white paint was applied to both sides of the test piece in order to make it easier to observe the crack growth.
作製した複合材料製平板を用いて、JIS K7086(1993)附属書1に従い、インストロン万能試験機(インストロン社製)を用いて試験を行った。クロスヘッドスピードは、亀裂進展が20mmに到達するまでは0.5mm/分、20mm到達後は1mm/分とした。JIS K7086(1993)にしたがって、荷重、変位、および、亀裂長さから、亀裂進展初期の限界荷重のモードI層間破壊靭性値(亀裂進展初期のGIC)および亀裂進展過程のモードI層間破壊靭性値を算出した。亀裂進展初期のGICと亀裂進展量10mmから60mmにおける5点以上の測定値、計6点以上の測定値の平均をGICとして比較した。 Using the produced composite material flat plate, a test was performed using an Instron universal testing machine (Instron) according to JIS K7086 (1993) Annex 1. The crosshead speed was 0.5 mm / min until the crack growth reached 20 mm, and 1 mm / min after reaching 20 mm. According to JIS K7086 (1993), the mode I interlaminar fracture toughness value (G IC ) at the initial stage of crack propagation and the mode I interlaminar fracture toughness of the crack propagation process from the load, displacement, and crack length. The value was calculated. Crack growth early G IC and crack propagation than 10mm measured value of 5 or more in 60mm from an average of six or more points of measurements were compared as G IC.
(4)モードII層間靭性(GIIC)試験用複合材料製平板の作製とGIIC測定
JIS K7086(1993)に従い、次の(a)〜(d)の操作によりGIIC試験用複合材料製平板を作製した。
(a)(2)で作製した一方向プリプレグを、繊維方向を揃えて20ply積層した。ただし、積層中央面(10ply目と11ply目の間)に、繊維配列方向と直角に、幅40mm、厚み12.5μmのフッ素樹脂製フィルムをはさんだ。
(b)積層したプリプレグをナイロンフィルムで隙間のないように覆い、オートクレーブにて、180℃の温度で2時間、0.59MPaの圧力下、昇温速度1.5℃/分で成形し、一方向繊維強化複合材料を成形した。
(c)(b)で得た一方向繊維強化複合材料を、幅20mm、長さ195mmにカットした。繊維方向は、サンプルの長さ側と平行になるようにカットした。
(d)亀裂進展を観察しやすくするため、試験片の両側面に白色塗料を塗った。
(4) Fabrication of plate made of composite material for mode II interlaminar toughness (G IIC ) test and G IIC measurement According to JIS K7086 (1993), a plate made of composite material for G IIC test by the following operations (a) to (d) Was made.
(A) The unidirectional prepreg produced in (2) was laminated in 20 ply with the fiber direction aligned. However, a fluororesin film having a width of 40 mm and a thickness of 12.5 μm was sandwiched between the laminated central planes (between the 10th and 11th plys) perpendicular to the fiber arrangement direction.
(B) The laminated prepreg is covered with a nylon film so that there is no gap, and is molded in an autoclave at a temperature of 180 ° C. for 2 hours under a pressure of 0.59 MPa at a heating rate of 1.5 ° C./min. Directional fiber reinforced composite material was molded.
(C) The unidirectional fiber reinforced composite material obtained in (b) was cut into a width of 20 mm and a length of 195 mm. The fiber direction was cut so as to be parallel to the length side of the sample.
(D) A white paint was applied to both sides of the test piece to facilitate the observation of crack growth.
作製した複合材料製平板を用いて、JIS K7086(1993)附属書2に従い、インストロン万能試験機(インストロン社製)を用いて試験を行った。クロスヘッドスピードは、0.5mm/分とした。JIS K7086(1993)にしたがって、荷重、変位、および、初期亀裂長さから、亀裂進展初期のモードII層間破壊靭性値を算出した。 Using the produced composite material flat plate, a test was performed using an Instron universal testing machine (Instron) according to JIS K7086 (1993) Annex 2. The crosshead speed was 0.5 mm / min. According to JIS K7086 (1993), the mode II interlaminar fracture toughness value at the initial stage of crack growth was calculated from the load, displacement, and initial crack length.
(5)プリプレグのタック性測定
プリプレグを幅100mm、長さ200mmにカットし、平らなアルミ板に両面テープで貼り付けた。このプリプレグを温度23℃、相対湿度50%の雰囲気下で24時間放置したもののプリプレグ表面に18mm×18mmのガラスを0.4kgの荷重で5秒間押しつけた後、30mm/分の速度で引き上げるときの剥離力(kgf)を測定し、プリプレグのタック性の指標とした。
(5) Measurement of tackiness of prepreg The prepreg was cut into a width of 100 mm and a length of 200 mm, and attached to a flat aluminum plate with a double-sided tape. When this prepreg was allowed to stand for 24 hours in an atmosphere at a temperature of 23 ° C. and a relative humidity of 50%, 18 mm × 18 mm glass was pressed against the surface of the prepreg with a load of 0.4 kg for 5 seconds and then pulled up at a speed of 30 mm / min. The peel force (kgf) was measured and used as an index of tackiness of the prepreg.
(実施例1)
混練装置で、70質量部の“アラルダイド(登録商標)”MY0510(エポキシ樹脂[A])、30質量部の“EPICLON(登録商標)”830(エポキシ樹脂[A])を混練した後、56質量部の“Virantage(登録商標)”VW−10700RP(熱可塑性樹脂[B])を160℃で溶解混練した後、エポキシ樹脂組成物を80℃に降温して68質量部の“Lonzacure(登録商標)”M−MIPA(アミノ基活性水素当量が70(g/eq.)以上150(g/eq.)以下の固形アミン硬化剤[C])、33質量部の粒子3(熱可塑性樹脂粒子[D])を混練し、エポキシ樹脂組成物を作製した。表1に、組成と割合を示す(表1中、数字は質量部を表す)。得られたエポキシ樹脂組成物を用い、上記(2)の手順でプリプレグを作製した。得られたプリプレグを用い、(3)モードI層間靭性(GIC)試験用複合材料製平板の作製とGIC測定、(4)モードII層間靭性(GIIC)試験用複合材料製平板の作製とGIIC測定、(5)プリプレグのタック性測定を実施した。結果を表1に示す。
Example 1
After kneading 70 parts by mass of “Araldide (registered trademark)” MY0510 (epoxy resin [A]) and 30 parts by mass of “EPICLON (registered trademark)” 830 (epoxy resin [A]) in a kneader, 56 parts by mass Part of “Virantage (registered trademark)” VW-10700RP (thermoplastic resin [B]) was melt-kneaded at 160 ° C., and then the epoxy resin composition was cooled to 80 ° C. and 68 parts by mass of “Lonacure (registered trademark)”. "M-MIPA (solid amine curing agent [C] having an amino group active hydrogen equivalent weight of 70 (g / eq.) To 150 (g / eq.)", 33 parts by mass of particles 3 (thermoplastic resin particles [D ]) Was kneaded to prepare an epoxy resin composition. Table 1 shows the composition and ratio (in Table 1, the numbers represent parts by mass). Using the obtained epoxy resin composition, a prepreg was produced by the procedure (2). Using the obtained prepreg, (3) Mode I Interlaminar toughness (G IC) Preparation and G IC measurement of the test composite made flat, making the (4) Mode II interlayer toughness (G IIC) test composite made flat And GIIC measurement, and (5) prepreg tack measurement. The results are shown in Table 1.
(実施例2〜14、比較例1〜8)
エポキシ樹脂、熱可塑性樹脂、硬化剤、熱可塑性樹脂粒子およびその他の成分、その他の粒子の配合量を、表1〜3に示すように変更したこと以外は、実施例1と同様にしてエポキシ樹脂組成物とプリプレグを作製した。得られたプリプレグを用い、(3)モードI層間靭性(GIC)試験用複合材料製平板の作製とGIC測定、(4)モードII層間靭性(GIIC)試験用複合材料製平板の作製とGIIC測定、(5)プリプレグのタック性測定を実施した。結果を、実施例2〜7については表1に、実施例8〜14については表2に、比較例1〜8については表3に示す。
(Examples 2-14, Comparative Examples 1-8)
Epoxy resin, thermoplastic resin, curing agent, thermoplastic resin particles and other components, epoxy resin in the same manner as in Example 1 except that the blending amounts of other particles were changed as shown in Tables 1 to 3 A composition and a prepreg were prepared. Using the obtained prepreg, (3) Mode I Interlaminar toughness (G IC) Preparation and G IC measurement of the test composite made flat, making the (4) Mode II interlayer toughness (G IIC) test composite made flat And GIIC measurement, and (5) prepreg tack measurement. The results are shown in Table 1 for Examples 2-7, Table 2 for Examples 8-14, and Table 3 for Comparative Examples 1-8.
(比較例9)
エポキシ樹脂、熱可塑性樹脂、硬化剤を、表3に示すように変更したこと以外は、実施例1と同様にしてエポキシ樹脂組成物とプリプレグを作製した。得られたプリプレグを用い、(3)モードI層間靭性(GIC)試験用複合材料製平板の作製とGIC測定、(4)モードII層間靭性(GIIC)試験用複合材料製平板の作製とGIIC測定、(5)プリプレグのタック性測定を実施した。結果を、表3に示す。
(Comparative Example 9)
An epoxy resin composition and a prepreg were produced in the same manner as in Example 1 except that the epoxy resin, the thermoplastic resin, and the curing agent were changed as shown in Table 3. Using the obtained prepreg, (3) Mode I Interlaminar toughness (G IC) Preparation and G IC measurement of the test composite made flat, making the (4) Mode II interlayer toughness (G IIC) test composite made flat And GIIC measurement, and (5) prepreg tack measurement. The results are shown in Table 3.
実施例1〜14と、比較例1〜9の比較から、本発明にかかる繊維強化複合材料は層間靭性GICとGIICに優れ、さらにタック性も低く成形性に優れていることが判る。 From the comparison between Examples 1 to 14 and Comparative Examples 1 to 9, it can be seen that the fiber-reinforced composite material according to the present invention is excellent in interlayer toughness G IC and G IIC , and has low tackiness and excellent moldability.
実施例1〜14と、比較例1と2の比較から、エポキシ樹脂[A]、熱可塑性樹脂[B]、アミノ基活性水素当量が70(g/eq.)以上150(g/eq.)以下の固形アミン硬化剤[C]が配合されているが、熱可塑性樹脂粒子の粒子径分布指数が(d1)を満たさない場合、繊維強化複合材料の層間厚みが不均一となり、繊維強化複合材料の層間靭性GIICが低下し、さらにタック性も大きくなり成形性が劣ることが判る。 From the comparison between Examples 1 to 14 and Comparative Examples 1 and 2, the epoxy resin [A], the thermoplastic resin [B], and the amino group active hydrogen equivalent is 70 (g / eq.) Or more and 150 (g / eq.). The following solid amine curing agent [C] is blended, but when the particle size distribution index of the thermoplastic resin particles does not satisfy (d1), the interlayer thickness of the fiber reinforced composite material becomes uneven, and the fiber reinforced composite material It can be seen that the interlaminar toughness G IIC decreases, the tackiness increases, and the moldability is inferior.
実施例1〜14と、比較例3の比較から、エポキシ樹脂[A]、熱可塑性樹脂[B]、アミノ基活性水素当量が70(g/eq.)以上150(g/eq.)以下の固形アミン硬化剤[C]が配合されているが、熱可塑性樹脂粒子の真球度が(d2)を満たさない場合、繊維強化複合材料の層間厚みが狭いものとなり、繊維強化複合材料の層間靭性GIICが低下する。 From the comparison between Examples 1 to 14 and Comparative Example 3, the epoxy resin [A], the thermoplastic resin [B], and the amino group active hydrogen equivalent are 70 (g / eq.) Or more and 150 (g / eq.) Or less. When the solid amine curing agent [C] is blended but the sphericity of the thermoplastic resin particles does not satisfy (d2), the interlayer thickness of the fiber reinforced composite material becomes narrow, and the interlayer toughness of the fiber reinforced composite material G IIC decreases.
実施例1〜14と、比較例4の比較から、エポキシ樹脂[A]、熱可塑性樹脂[B]、アミノ基活性水素当量が70(g/eq.)以上150(g/eq.)以下の固形アミン硬化剤[C]が配合されているが、熱可塑性樹脂粒子のガラス転移温度が(d3)を満たさない場合、繊維強化複合材料の層間靭性GICが低下することが判る。 From the comparison between Examples 1 to 14 and Comparative Example 4, the epoxy resin [A], the thermoplastic resin [B], and the amino group active hydrogen equivalent are 70 (g / eq.) Or more and 150 (g / eq.) Or less. Although solid amine curing agent [C] is blended, if the glass transition temperature of the thermoplastic resin particles does not satisfy (d3), it is understood that the interlayer toughness G IC of a fiber-reinforced composite material is reduced.
実施例1〜14と、比較例5の比較から、エポキシ樹脂[A]、熱可塑性樹脂[B]、アミノ基活性水素当量が70(g/eq.)以上150(g/eq.)以下の固形アミン硬化剤[C]が配合されているが、熱可塑性樹脂粒子の粒子径分布指数と真球度が(d1)と(d2)を満たさない場合、繊維強化複合材料の層間厚みが不均一となり、繊維強化複合材料の層間靭性GICが低下することが判る。 From the comparison between Examples 1 to 14 and Comparative Example 5, the epoxy resin [A], the thermoplastic resin [B], and the amino group active hydrogen equivalent is 70 (g / eq.) Or more and 150 (g / eq.) Or less. When the solid amine curing agent [C] is blended, but the particle size distribution index and sphericity of the thermoplastic resin particles do not satisfy (d1) and (d2), the interlayer thickness of the fiber reinforced composite material is not uniform. Thus, it can be seen that the interlaminar toughness G IC of the fiber reinforced composite material is lowered.
実施例1〜14と、比較例6の比較から、エポキシ樹脂[A]、アミノ基活性水素当量が70(g/eq.)以上150(g/eq.)以下の固形アミン硬化剤[C]、熱可塑性樹脂粒子[D]が配合されているが、熱可塑性樹脂[B]が配合されていない場合、繊維強化複合材料の層間靭性GICが低下し、さらにタック性も大きくなり成形性が劣ることが判る。 From a comparison between Examples 1 to 14 and Comparative Example 6, the epoxy resin [A] and the solid amine curing agent [C] having an amino group active hydrogen equivalent weight of 70 (g / eq.) Or more and 150 (g / eq.) Or less. When the thermoplastic resin particles [D] are blended, but when the thermoplastic resin [B] is not blended, the interlaminar toughness G IC of the fiber-reinforced composite material is lowered, and the tack property is increased and the moldability is increased. It turns out that it is inferior.
実施例1〜14と、比較例7と8の比較から、エポキシ樹脂[A]、熱可塑性樹脂[B]、熱可塑性樹脂粒子[D]が配合されているが、アミノ基活性水素当量が70(g/eq.)以上150(g/eq.)以下の固形アミン硬化剤[C]が配合されていない場合、繊維強化複合材料の層間靭性GICが低下し、さらにタック性も大きくなり成形性が劣ることが判る。 From the comparison between Examples 1 to 14 and Comparative Examples 7 and 8, the epoxy resin [A], the thermoplastic resin [B], and the thermoplastic resin particles [D] are blended, but the amino group active hydrogen equivalent is 70. When the solid amine curing agent [C] of (g / eq.) Or more and 150 (g / eq.) Or less is not blended, the interlaminar toughness G IC of the fiber reinforced composite material is lowered, and the tack property is also increased. It turns out that the nature is inferior.
実施例1〜14と、比較例9の比較から、エポキシ樹脂[A]、熱可塑性樹脂[B]、アミノ基活性水素当量が70(g/eq.)以上150(g/eq.)以下の固形アミン硬化剤[C]が配合されているが、熱可塑性樹脂粒子[D]が配合されていない場合、繊維強化複合材料に層間が出来ず、繊維強化複合材料の層間靭性GICとGIICが低下し、さらにタック性も大きくなり成形性が低下することが判る。 From the comparison between Examples 1 to 14 and Comparative Example 9, the epoxy resin [A], the thermoplastic resin [B], and the amino group active hydrogen equivalent is 70 (g / eq.) Or more and 150 (g / eq.) Or less. When the solid amine curing agent [C] is blended but the thermoplastic resin particles [D] are not blended, the fiber-reinforced composite material cannot have an interlayer, and the fiber-reinforced composite material has an interlayer toughness G IC and G IIC. As a result, the tackiness increases and the moldability decreases.
本発明によれば、モードI層間靭性とモードII層間靭性、および成形性を兼ね備えたエポキシ樹脂組成物が得られる。さらには、かかるエポキシ樹脂組成物により得られる繊維強化複合材料は、圧縮強度と層間靱性などの機械強度に優れるため特に構造材料に好適に用いられる。例えば、航空宇宙用途では主翼、尾翼およびフロアビーム等の航空機一次構造材用途、フラップ、エルロン、カウル、フェアリングおよび内装材等の二次構造材用途、ロケットモーターケースおよび人工衛星構造材用途等に好適に用いられる。また、一般産業用途では、自動車、船舶および鉄道車両等の移動体の構造材、ドライブシャフト、板バネ、風車ブレード、各種タービン、圧力容器、フライホイール、製紙用ローラ、屋根材、ケーブル、補強筋、および補修補強材料等の土木・建築材料用途等に好適に用いられる。さらにスポーツ用途では、ゴルフシャフト、釣り竿、テニス、バトミントンおよびスカッシュ等のラケット用途、ホッケー等のスティック用途、およびスキーポール用途等に好適に用いられる。 According to the present invention, an epoxy resin composition having mode I interlayer toughness, mode II interlayer toughness, and moldability is obtained. Furthermore, since the fiber reinforced composite material obtained by such an epoxy resin composition is excellent in mechanical strength such as compressive strength and interlayer toughness, it is particularly suitable for structural materials. For example, for aerospace applications, primary aircraft structural materials such as main wings, tail wings and floor beams, secondary structural materials such as flaps, ailerons, cowls, fairings and interior materials, rocket motor cases and satellite structural materials Preferably used. In general industrial applications, structural materials for moving bodies such as automobiles, ships, and railway vehicles, drive shafts, leaf springs, windmill blades, various turbines, pressure vessels, flywheels, paper rollers, roofing materials, cables, reinforcement bars And suitable for civil engineering and building material applications such as repair and reinforcement materials. Furthermore, in sports applications, it is suitably used for golf shafts, fishing rods, tennis, badminton and squash rackets, hockey sticks, and ski pole applications.
Claims (12)
[A]エポキシ樹脂
[B]熱可塑性樹脂
[C]アミノ基活性水素当量が70(g/eq.)以上150(g/eq.)以下の固形アミン硬化剤
[D]次の(d1)〜(d3)の条件を満たすエポキシ樹脂に不溶な熱可塑性樹脂粒子
(d1)粒子径分布指数が1.0〜1.8である
(d2)粒子の真球度が85以上である
(d3)粒子のガラス転移温度が40〜300℃である A prepreg comprising at least the following components [A], [B], [C], [D] and reinforcing fibers.
[A] Epoxy resin [B] Thermoplastic resin [C] Solid amine curing agent having an amino group active hydrogen equivalent weight of 70 (g / eq.) Or more and 150 (g / eq.) Or less [D] Next (d1) to (D3) Thermoplastic resin particles insoluble in epoxy resin that satisfy the condition (d3) (d1) Particle size distribution index is 1.0 to 1.8 (d2) Particles having a sphericity of 85 or more (d3) particles Has a glass transition temperature of 40 to 300 ° C.
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