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JP2016199682A - Fiber-reinforced composite material - Google Patents

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JP2016199682A
JP2016199682A JP2015080870A JP2015080870A JP2016199682A JP 2016199682 A JP2016199682 A JP 2016199682A JP 2015080870 A JP2015080870 A JP 2015080870A JP 2015080870 A JP2015080870 A JP 2015080870A JP 2016199682 A JP2016199682 A JP 2016199682A
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JP
Japan
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resin
fiber
thermoplastic resin
composite material
reinforced composite
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Pending
Application number
JP2015080870A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
慎太郎 八島
Shintaro Yajima
慎太郎 八島
紘典 河本
Hironori Kawamoto
紘典 河本
赤松 哲也
Tetsuya Akamatsu
哲也 赤松
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Teijin Ltd
Original Assignee
Toho Tenax Co Ltd
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Publication date
Application filed by Toho Tenax Co Ltd filed Critical Toho Tenax Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fiber-reinforced composite material excellent in impact resistance and interlayer fracture toughness.SOLUTION: A fiber-reinforced composite material which is formed of at least two layers of a reinforced fiber layer and a curable resin cured product has a resin layer formed of at least a curable resin cured product and a thermoplastic resin between two layers of the reinforced fiber layers. The thermoplastic resin of the resin layer forms a thermoplastic resin region in which 90% quantile point of a domain length in a direction parallel to the surface of the resin layer is 15 μm or more. A circularity of the thermoplastic resin region is preferably 0.01-0.7, and an average value of the domain length in a thickness direction of the resin layer of the thermoplastic resin region is preferably 25% or more of the average thickness of the resin layer.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、優れた層間靭性を有する繊維強化複合材料に関する。   The present invention relates to a fiber-reinforced composite material having excellent interlayer toughness.

炭素繊維やアラミド繊維などを強化繊維として用いる繊維強化複合材料は、その比強度・比弾性率の高さから、航空機や自動車の構造材料を始めとする航空宇宙・産業用途、テニスラケット、ゴルフシャフト、釣り竿などのスポーツ・レジャー用途に広く利用されている。
繊維強化複合材料の製造方法として、プリプレグを複数枚積層した後、加熱硬化させる方法がある。プリプレグとは、強化繊維に未硬化のマトリクス樹脂が含浸されたシート状中間材料である。
Fiber reinforced composite materials that use carbon fiber, aramid fiber, etc. as reinforcing fibers are aerospace / industrial applications such as structural materials for aircraft and automobiles, tennis rackets, and golf shafts because of their high specific strength and specific modulus. Widely used in sports and leisure applications such as fishing rods.
As a method for producing a fiber-reinforced composite material, there is a method in which a plurality of prepregs are laminated and then heat-cured. A prepreg is a sheet-like intermediate material in which reinforcing fibers are impregnated with an uncured matrix resin.

プリプレグに用いられる代表的なマトリクス樹脂としては、耐熱性や生産性の観点から、硬化性樹脂が挙げられる。一般に、硬化性樹脂、とりわけエポキシ樹脂は耐熱性、強化繊維との接着性、寸法安定性、耐薬品性に優れる一方で、硬くて脆い性質を有する。このため、エポキシ樹脂をマトリクス樹脂として用いる場合、繊維強化複合材料は、寸法安定、強度や剛性といった機械物性に優れるが、その一方で、エポキシ樹脂由来の靱性の低さも反映される。   Typical matrix resins used for the prepreg include curable resins from the viewpoint of heat resistance and productivity. In general, curable resins, especially epoxy resins, are excellent in heat resistance, adhesion to reinforcing fibers, dimensional stability, and chemical resistance, but are hard and brittle. For this reason, when an epoxy resin is used as the matrix resin, the fiber-reinforced composite material is excellent in mechanical properties such as dimensional stability, strength and rigidity, but on the other hand, the low toughness derived from the epoxy resin is also reflected.

マトリクス樹脂として用いられる硬化性樹脂の靱性や耐衝撃性を向上させるため、これまでにも種々の試みがなされている。例えば、硬化性樹脂中にゴム成分や熱可塑性樹脂の微細粒子を分散させ、複合材料の耐衝撃性を向上させる方法が開示されている(例えば、特許文献1)。しかし、この方法では、樹脂中の粒子が小さいため、複合材料が衝撃や負荷を受けた際に生じる損傷の伝播を十分阻害することができない。そのため、この方法によりえられる繊維強化複合材料の耐衝撃性は満足できるものではない。   Various attempts have been made so far in order to improve the toughness and impact resistance of the curable resin used as the matrix resin. For example, a method of improving the impact resistance of a composite material by dispersing fine particles of a rubber component or a thermoplastic resin in a curable resin is disclosed (for example, Patent Document 1). However, in this method, since the particles in the resin are small, propagation of damage that occurs when the composite material is subjected to an impact or load cannot be sufficiently inhibited. Therefore, the impact resistance of the fiber reinforced composite material obtained by this method is not satisfactory.

他の方法として、二成分系または三成分系からなるブロック共重合体を用いて、熱硬化性樹脂中にナノサイズの相分離構造を形成させる方法がある(特許文献2〜4)。例えば、スチレン−ブタジエン共重合体、スチレン−ブタジエン−メタクリル酸共重合体、またはブタジエン−メタクリル酸共重合体を、特定のエポキシ樹脂に添加して用いる方法が提案されている。しかし、これらの方法を用いても、樹脂層に生じる共重合体相の領域が小さいため、複合材料が衝撃や負荷を受けた際に生じる損傷の伝播を十分阻害することができないため、繊維強化複合材料の耐衝撃性は依然として不十分である。また、これらのブロック共重合体は非常に高価であり、コスト競争力が低い。   As another method, there is a method of forming a nano-sized phase separation structure in a thermosetting resin using a block copolymer composed of two or three components (Patent Documents 2 to 4). For example, a method in which a styrene-butadiene copolymer, a styrene-butadiene-methacrylic acid copolymer, or a butadiene-methacrylic acid copolymer is added to a specific epoxy resin has been proposed. However, even if these methods are used, since the region of the copolymer phase generated in the resin layer is small, the propagation of damage caused when the composite material is subjected to an impact or load cannot be sufficiently inhibited. The impact resistance of the composite material is still insufficient. In addition, these block copolymers are very expensive and have low cost competitiveness.

特開平7−41575号公報JP 7-41575 A 国際公開2006/077153号パンフレットInternational Publication No. 2006/075153 Pamphlet 特開2007−154160号公報JP 2007-154160 A 特開2008−7682号公報JP 2008-7682 A

本発明の目的は、耐衝撃性・層間破壊靭性に優れた繊維強化複合材料を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a fiber-reinforced composite material excellent in impact resistance and interlaminar fracture toughness.

上記課題を解決する本発明の繊維強化複合材料は、少なくとも二層以上積層された強化繊維層と硬化性樹脂硬化物とからなる繊維強化複合材料であって、二層の強化繊維層の層間に、少なくとも硬化性樹脂硬化物と熱可塑性樹脂からなる樹脂層を有し、前記樹脂層の熱可塑性樹脂が、樹脂層の面に平行な方向のドメイン長の90%分位点が15μm以上の熱可塑性樹脂領域を形成している繊維強化複合材料である。本発明においては、熱可塑性樹脂領域の円形度が0.01〜0.7であることが好ましく、熱可塑性樹脂領域の、樹脂層の厚み方向のドメイン長の平均値が、樹脂層の平均厚みの25%以上であることも好ましい。また、熱可塑性樹脂は、破断伸度が80%以上の熱可塑性樹脂であることが好ましく、硬化性樹脂はエポキシ樹脂であることが好ましく、強化繊維は、炭素繊維であることが好ましい。   The fiber reinforced composite material of the present invention that solves the above problems is a fiber reinforced composite material comprising a reinforced fiber layer and a curable resin cured product laminated at least two layers, and is provided between two reinforced fiber layers. A resin layer composed of at least a curable resin cured product and a thermoplastic resin, and the thermoplastic resin of the resin layer is a heat having a 90% quantile of a domain length in a direction parallel to the surface of the resin layer of 15 μm or more. It is a fiber reinforced composite material forming a plastic resin region. In the present invention, the circularity of the thermoplastic resin region is preferably 0.01 to 0.7, and the average value of the domain length in the thickness direction of the resin layer in the thermoplastic resin region is the average thickness of the resin layer. It is also preferable that it is 25% or more. The thermoplastic resin is preferably a thermoplastic resin having a breaking elongation of 80% or more, the curable resin is preferably an epoxy resin, and the reinforcing fiber is preferably a carbon fiber.

本発明の繊維強化複合材料は、耐衝撃性・層間破壊靭性に優れているため、航空宇宙用途、産業用途、スポーツ・レジャー用途など多くの用途に好適に使用することができる。   Since the fiber-reinforced composite material of the present invention is excellent in impact resistance and interlaminar fracture toughness, it can be suitably used in many applications such as aerospace applications, industrial applications, sports and leisure applications.

本発明の繊維強化複合材料は、少なくとも二層以上積層された強化繊維層と硬化性樹脂硬化物とからなる繊維強化複合材料であって、二層の強化繊維層の層間に、少なくとも硬化性樹脂硬化物と熱可塑性樹脂からなる樹脂層を有し、前記樹脂層の熱可塑性樹脂が、後述の方法によって求められる樹脂層の面に平行な方向のドメイン長の90%分位点が15μm以上の熱可塑性樹脂領域を形成している繊維強化複合材料である。
本発明の繊維強化複合材料は、衝撃や負荷を受けた際に、樹脂層の熱可塑性樹脂領域が損傷の伝播を阻害する。その結果、本発明の繊維強化複合材料は、高い耐衝撃性を有し、層間破壊靭性に優れた繊維強化複合材料となる。
The fiber reinforced composite material of the present invention is a fiber reinforced composite material comprising a reinforced fiber layer laminated with at least two layers and a curable resin cured product, and at least a curable resin between the two reinforced fiber layers. A resin layer comprising a cured product and a thermoplastic resin, wherein the thermoplastic resin of the resin layer has a 90% quantile of 15 μm or more in the domain length in a direction parallel to the surface of the resin layer, which is determined by the method described later; It is a fiber reinforced composite material forming a thermoplastic resin region.
In the fiber-reinforced composite material of the present invention, when subjected to an impact or load, the thermoplastic resin region of the resin layer inhibits the propagation of damage. As a result, the fiber-reinforced composite material of the present invention is a fiber-reinforced composite material having high impact resistance and excellent interlaminar fracture toughness.

樹脂層の面に平行な方向のドメイン長の90%分位点は、20μm以上であることが好ましく、40μm以上であることがより好ましい。また、樹脂層の面に平行な方向のドメイン長の平均値は10μm以上であることが好ましく、20μm以上であることがより好ましい。樹脂層の面に平行な方向のドメイン長の90%分位点の上限は、特に制限されるものではないが、400μmであれば十分であり、300μm以下でも良い。樹脂層の面に平行な方向のドメイン長の平均値の上限も、特に制限されるものではないが、300μmであれば十分であり、200μm以下でも良い。   The 90% quantile of the domain length in the direction parallel to the surface of the resin layer is preferably 20 μm or more, and more preferably 40 μm or more. Moreover, the average value of the domain length in the direction parallel to the surface of the resin layer is preferably 10 μm or more, and more preferably 20 μm or more. The upper limit of the 90% quantile of the domain length in the direction parallel to the surface of the resin layer is not particularly limited, but is 400 μm and may be 300 μm or less. The upper limit of the average value of the domain length in the direction parallel to the surface of the resin layer is not particularly limited, but 300 μm is sufficient and may be 200 μm or less.

さらに、熱可塑性樹脂領域の、樹脂層の厚み方向のドメイン長の平均値が、樹脂層の平均厚みの25%以上であることが好ましく、40〜80%であることがより好ましい。樹脂層の厚み方向のドメイン長がこの範囲にあると、繊維強化複合材料が衝撃や負荷を受けた際に、樹脂層に進展する亀裂が熱可塑性樹脂領域に接触する確率が高くなり、より効果的に損傷の伝播を阻害することができる。   Furthermore, the average value of the domain length in the thickness direction of the resin layer in the thermoplastic resin region is preferably 25% or more of the average thickness of the resin layer, and more preferably 40 to 80%. When the domain length in the thickness direction of the resin layer is within this range, when the fiber reinforced composite material is subjected to an impact or load, the probability that the crack that propagates to the resin layer will contact the thermoplastic resin region is increased, which is more effective. Damage propagation can be hindered.

また、本発明において、熱可塑性樹脂領域の円形度が0.01〜0.7であることが好ましく、0.03〜0.4であることがよりに好ましく、0.05〜0.2であることがさらに好ましい。なお、本発明で言う熱可塑性樹脂領域の円形度とは、熱可塑性樹脂領域の周囲長と面積から、次式に基づき算出される値である。
(円形度)=Σ(4πS/L)/S
S:熱可塑性樹脂領域の面積 [μm
L:熱可塑性樹脂領域の周囲長 [μm]
:熱可塑性樹脂領域の面積の総和 [μm
In the present invention, the circularity of the thermoplastic resin region is preferably 0.01 to 0.7, more preferably 0.03 to 0.4, and 0.05 to 0.2. More preferably it is. The circularity of the thermoplastic resin region referred to in the present invention is a value calculated based on the following equation from the circumference and area of the thermoplastic resin region.
(Circularity) = Σ (4πS 2 / L 2 ) / S T
S: Area of thermoplastic resin region [μm 2 ]
L: Perimeter length of thermoplastic resin region [μm]
S T : Total area of the thermoplastic resin region [μm 2 ]

本発明において、樹脂層の熱可塑性樹脂領域を形成する熱可塑性樹脂は、熱可塑性樹脂であれば特に制限なく、用いることができる。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリアミド、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、ポリエステル、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルニトリル、ポリベンズイミダゾール、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリエーテルイミド、ポリカーボネートが例示される。これらは、単独で用いてもよいし、2種以上を併用しても良い。また、これらの共重合体を用いることもできる。   In the present invention, the thermoplastic resin forming the thermoplastic resin region of the resin layer can be used without particular limitation as long as it is a thermoplastic resin. Examples of the thermoplastic resin include polyamide, polyacetal, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyester, polyamideimide, polyimide, polyetherketone, polyetheretherketone, polyethylene naphthalate, polyethernitrile, polybenzimidazole, polyethersulfone, Examples include polysulfone, polyetherimide, and polycarbonate. These may be used alone or in combination of two or more. Moreover, these copolymers can also be used.

本発明において、熱可塑性樹脂領域を形成する熱可塑性樹脂としては、破断伸度が80%以上の熱可塑性樹脂であることが好ましく、破断伸度が90〜700%の熱可塑性樹脂であることがより好ましい。このような熱可塑性樹脂は、繊維強化複合材料で、衝撃や負荷により発生する亀裂の進展エネルギーを吸収しやすいため、より効果的に損傷の伝播を阻害することができる。このような熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリアミド、ポリイミド、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。中でも、ポリアミド、ポリイミドが耐熱性に優れるためより好ましい。特に、ポリアミド6(カプロラクタムの開環重縮合反応により得られるポリアミド)、ポリアミド12(ラウリルラクタムの開環重縮合反応により得られるポリアミド)などの結晶性ポリアミド、非晶性ポリアミド、及び/または非晶性ポリイミドが好ましい。これらの熱可塑性樹脂は単独で用いても良いし、2以上を組み合わせて用いても良い。また、これらの共重合体を用いても良い。   In the present invention, the thermoplastic resin forming the thermoplastic resin region is preferably a thermoplastic resin having a breaking elongation of 80% or more, and a thermoplastic resin having a breaking elongation of 90 to 700%. More preferred. Such a thermoplastic resin is a fiber-reinforced composite material, and can easily absorb the propagation energy of cracks generated by an impact or load, and thus can more effectively inhibit the propagation of damage. Examples of such thermoplastic resins include polyamide, polyimide, polyurethane, polypropylene, and polyethylene. Among these, polyamide and polyimide are more preferable because of excellent heat resistance. In particular, crystalline polyamides such as polyamide 6 (polyamide obtained by ring-opening polycondensation reaction of caprolactam), polyamide 12 (polyamide obtained by ring-opening polycondensation reaction of lauryl lactam), amorphous polyamide, and / or amorphous Is preferred. These thermoplastic resins may be used alone or in combination of two or more. Further, these copolymers may be used.

本発明で用いる強化繊維としては、特に制限はなく、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、炭化ケイ素繊維、ポリエステル繊維、セラミック繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、金属繊維、鉱物繊維、岩石繊維及びスラッグ繊維などが挙げられる。
これらの強化繊維の中でも、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維が好ましい。比強度、比弾性率が良好で、軽量かつ高強度の繊維強化複合材料が得られる点で、炭素繊維がより好ましい。引張強度に優れる点でポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維が特に好ましい。
The reinforcing fiber used in the present invention is not particularly limited, and examples thereof include carbon fiber, glass fiber, aramid fiber, silicon carbide fiber, polyester fiber, ceramic fiber, alumina fiber, boron fiber, metal fiber, mineral fiber, rock fiber, and Examples include slug fibers.
Among these reinforcing fibers, carbon fibers, glass fibers, and aramid fibers are preferable. Carbon fiber is more preferable in that it has a good specific strength and specific elastic modulus, and a lightweight and high-strength fiber-reinforced composite material can be obtained. Polyacrylonitrile (PAN) -based carbon fibers are particularly preferable in terms of excellent tensile strength.

強化繊維にPAN系炭素繊維を用いる場合、その引張弾性率は、100〜600GPaであることが好ましく、より好ましくは200〜500GPaであり、230〜450GPaであることが特に好ましい。また、引張強度は2000MPa〜10000MPa、好ましくは3000〜8000MPaである。炭素繊維の直径は4〜20μmが好ましく、5〜10μmがより好ましい。このような炭素繊維を用いることにより、得られる複合材料の機械的性質を向上できる。   When PAN-based carbon fiber is used as the reinforcing fiber, the tensile elastic modulus is preferably 100 to 600 GPa, more preferably 200 to 500 GPa, and particularly preferably 230 to 450 GPa. The tensile strength is 2000 MPa to 10000 MPa, preferably 3000 to 8000 MPa. The diameter of the carbon fiber is preferably 4 to 20 μm, and more preferably 5 to 10 μm. By using such a carbon fiber, the mechanical properties of the resulting composite material can be improved.

強化繊維はシート状に形成して用いることが好ましい。強化繊維シートとしては、例えば、多数本の強化繊維を一方向に引き揃えたシートや、平織や綾織などの二方向織物、多軸織物、不織布、マット、ニット、組紐、強化繊維を抄紙した紙などを挙げることができる。シート状の強化繊維基材の厚さは、0.01〜3mmが好ましく、0.1〜1.5mmがより好ましい。   The reinforcing fiber is preferably used in the form of a sheet. As the reinforcing fiber sheet, for example, a sheet in which a large number of reinforcing fibers are aligned in one direction, bi-directional woven fabrics such as plain weave and twill weave, multiaxial woven fabric, non-woven fabric, mat, knit, braid, paper made of reinforcing fibers And so on. The thickness of the sheet-like reinforcing fiber base is preferably 0.01 to 3 mm, and more preferably 0.1 to 1.5 mm.

強化繊維の目付は30〜700g/mの範囲が好ましい。強化繊維の目付がこの範囲内であると、繊維強化複合材料の軽量性と強度を両立することがより容易となる。強化繊維の目付のより好ましい範囲は50〜300g/mである。
本発明の繊維強化複合材料において、強化繊維の含有率(Vf)は、55〜75質量%が好ましく、60〜70質量%がより好ましい。
The basis weight of the reinforcing fiber is preferably in the range of 30 to 700 g / m 2 . When the basis weight of the reinforcing fiber is within this range, it becomes easier to achieve both the lightness and strength of the fiber-reinforced composite material. A more preferable range of the basis weight of the reinforcing fiber is 50 to 300 g / m 2 .
In the fiber-reinforced composite material of the present invention, the reinforcing fiber content (Vf) is preferably 55 to 75% by mass, and more preferably 60 to 70% by mass.

本発明の繊維強化複合材料は、上記のような強化繊維と硬化性樹脂の硬化物とからなる。本発明で用いる硬化性樹脂としては、熱または光や電子線などの外部からのエネルギーにより硬化して、少なくとも部分的に三次元硬化物を形成する硬化性樹脂であれば特に制限なく用いることができる。中でも取り扱い性の容易さから熱で硬化する熱硬化性樹脂が好ましい。   The fiber-reinforced composite material of the present invention comprises the above-described reinforcing fibers and a cured product of a curable resin. The curable resin used in the present invention is not particularly limited as long as it is a curable resin that is cured by heat or external energy such as light or electron beam and at least partially forms a three-dimensional cured product. it can. Among these, a thermosetting resin that is cured by heat is preferable because of easy handling.

以下に好ましい硬化性樹脂を挙げる。これらの硬化性樹脂は、適宜選択して1種あるいは2種以上を混合して用いることができる。
好ましい硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、ベンゾオキサジン樹脂などを挙げることができる。特に好ましくは、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂を挙げることができる。
エポキシ樹脂は、公知のエポキシ樹脂をいずれも用いることができ、特に限定されるものではない。例えば、ビスフェノール型エポキシ樹脂、アルコール型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ヒドロフタル酸型エポキシ樹脂、ダイマー酸型エポキシ樹脂、脂環型エポキシ樹脂などの2官能エポキシ樹脂を挙げることができる。
Preferred curable resins are listed below. These curable resins can be appropriately selected and used alone or in combination of two or more.
Preferred curable resins include epoxy resins, modified epoxy resins, vinyl ester resins, benzoxazine resins, and the like. Particularly preferred are epoxy resins and modified epoxy resins.
As the epoxy resin, any known epoxy resin can be used and is not particularly limited. Examples thereof include bifunctional epoxy resins such as bisphenol-type epoxy resins, alcohol-type epoxy resins, biphenyl-type epoxy resins, hydrophthalic acid-type epoxy resins, dimer acid-type epoxy resins, and alicyclic epoxy resins.

ビスフェノール型に代表される2官能エポキシ樹脂は、分子量の違いにより液状から固形まで種々のグレードがあり、適宜混合して粘度調整を行う目的の成分とされる。ビスフェノール型エポキシ樹脂としては、ビスフェノールA型樹脂、ビスフェノールF型樹脂、ビスフェノールAD型樹脂、ビスフェノールS型樹脂等を挙げることができる。その具体的な商品名としては、三菱化学株式会社製jER815(商品名)、jER828(商品名)、jER834(商品名)、jER1001(商品名)、jER807(商品名)、三井化学株式会社製エポミックR−710(商品名)、DIC株式会社製EXA1514(商品名)等を例示することができる。脂環型エポキシ樹脂の具体的な商品名としては、ハンツマン社製アラルダイトCY−179(商品名)、CY−178(商品名)、CY−182(商品名)、CY−183(商品名)等を例示することができる。他のエポキシ樹脂の例として、テトラキス(グリシジルオキシフェニル)エタン、トリス(グリシジルオキシフェニル)メタンのようなグリシジルエーテル型エポキシ樹脂や、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタンのようなグリシジルアミン型エポキシ樹脂やナフタレン型エポキシ樹脂や、ノボラック型エポキシ樹脂であるフェノールノボラック型エポキシ樹脂や、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂や、フェノール型エポキシ樹脂などの多官能エポキシ樹脂等を挙げることができる。   Bifunctional epoxy resins represented by the bisphenol type have various grades ranging from liquid to solid depending on the difference in molecular weight, and are intended components for adjusting viscosity by mixing as appropriate. Examples of the bisphenol type epoxy resin include bisphenol A type resin, bisphenol F type resin, bisphenol AD type resin, bisphenol S type resin, and the like. Specific product names include jER815 (product name), jER828 (product name), jER834 (product name), jER1001 (product name), jER807 (product name) manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation, and EPOMIC made by Mitsui Chemicals, Inc. Examples thereof include R-710 (trade name), EXA1514 (trade name) manufactured by DIC Corporation. Specific product names of alicyclic epoxy resins include Araldite CY-179 (product name), CY-178 (product name), CY-182 (product name), CY-183 (product name), etc. manufactured by Huntsman. Can be illustrated. Examples of other epoxy resins include glycidyl ether type epoxy resins such as tetrakis (glycidyloxyphenyl) ethane and tris (glycidyloxyphenyl) methane, glycidylamine type epoxy resins such as tetraglycidyldiaminodiphenylmethane, and naphthalene type epoxy resins. And a phenol novolac epoxy resin which is a novolac epoxy resin, a polyfunctional epoxy resin such as a cresol novolac epoxy resin, a phenol epoxy resin, and the like.

フェノールノボラック型エポキシ樹脂の具体的な商品名としては、三菱化学株式会社製jER152(商品名)、jER154(商品名)、ダウケミカル社製DEN431(商品名)、DEN485(商品名)、DEN438(商品名)、DIC社製エピクロンN740(商品名)等を例示することができる。
クレゾールノボラック型エポキシ樹脂の具体的な商品名としては、ハンツマン社製アラルダイトECN1235(商品名)、ECN1273(商品名)、ECN1280(商品名)、日本化薬製EOCN102(商品名)、EOCN103(商品名)、EOCN104(商品名)等を例示することができる。
ウレタン変性エポキシ樹脂、ゴム変性エポキシ樹脂などの各種変性エポキシ樹脂を使用することもできる。ウレタン変性ビスフェノールAエポキシ樹脂の具体的な商品名としては、株式会社アデカ製アデカレジンEPU−6(商品名)、EPU−4(商品名)等を例示することができる。
Specific product names of the phenol novolac type epoxy resin include jER152 (product name), jER154 (product name) manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation, DEN431 (product name), DEN485 (product name), DEN438 (product) manufactured by Dow Chemical Co., Ltd. Name), Epicron N740 (trade name) manufactured by DIC, and the like.
Specific product names of the cresol novolak type epoxy resin include Araldite ECN1235 (product name), ECN1273 (product name), ECN1280 (product name), Nippon Kayaku EOCN102 (product name), and EOCN103 (product name) manufactured by Huntsman. ), EOCN104 (trade name), and the like.
Various modified epoxy resins such as urethane-modified epoxy resin and rubber-modified epoxy resin can also be used. Specific examples of the trade name of the urethane-modified bisphenol A epoxy resin include Adeka Resin EPU-6 (trade name) and EPU-4 (trade name) manufactured by Adeka Corporation.

硬化性樹脂を硬化させる硬化剤としては、公知の硬化剤を使用できる。硬化剤の具体的な例としては、硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を用いる場合、4,4’−ジアミノジフェニルスルホン、3,3’−ジアミノジフェニルスルホン、4,4’−ジアミノ−3,3’−ジエチル−5,5’−ジメチルジフェニルメタンなどが挙げられる。
硬化性樹脂組成物中には、本発明の効果を損なわない範囲で、必要に応じて、適宜、3級アミン、イミダゾール等のアミン化合物、ホスフィン類、ホスホニウム等のリン化合物、N,N−ジメチル尿素誘導体などの硬化促進剤、反応性希釈剤、充填剤、酸化防止剤、難燃剤、顔料等の各種添加剤を含有してもよい。
A known curing agent can be used as the curing agent for curing the curable resin. As specific examples of the curing agent, when an epoxy resin is used as the curable resin, 4,4′-diaminodiphenylsulfone, 3,3′-diaminodiphenylsulfone, 4,4′-diamino-3,3′- Examples include diethyl-5,5′-dimethyldiphenylmethane.
In the curable resin composition, an amine compound such as tertiary amine or imidazole, a phosphine or a phosphorus compound such as phosphonium, N, N-dimethyl, or the like, as necessary, within a range not impairing the effects of the present invention. You may contain various additives, such as hardening accelerators, such as a urea derivative, a reactive diluent, a filler, antioxidant, a flame retardant, and a pigment.

上記のような本発明の繊維強化複合材料は、衝撃や負荷を受けた際に、樹脂層の熱可塑性樹脂領域が損傷の伝播を阻害すため、高い耐衝撃性を有し、層間破壊靭性に優れている。本発明の繊維強化複合材料は、耐衝撃性・層間破壊靭性に優れているため、航空宇宙用途、産業用途、スポーツ・レジャー用途など多くの用途に好適に使用することができる。   The fiber-reinforced composite material of the present invention as described above has high impact resistance and high interlaminar fracture toughness because the thermoplastic resin region of the resin layer inhibits the propagation of damage when subjected to impact or load. Are better. Since the fiber-reinforced composite material of the present invention is excellent in impact resistance and interlaminar fracture toughness, it can be suitably used in many applications such as aerospace applications, industrial applications, sports and leisure applications.

このような優れた特性を有する本発明の繊維強化複合材料は、特に制限されないが、少なくとも硬化前の硬化性樹脂と、熱可塑性樹脂粒子を含む硬化性樹脂組成物を強化繊維に含浸させた後、前記熱可塑性樹脂粒子の融点以上の温度で硬化反応させる繊維強化複合材料の製造方法で製造することができる。熱可塑性樹脂粒子を含む硬化性樹脂組成物を、熱可塑性樹脂粒子の融点以上の温度で硬化反応させることで、硬化反応中に熱可塑性樹脂粒子が溶解し、隣接する他の熱可塑性樹脂粒子と融合する。その結果、硬化反応後の樹脂硬化物中に熱可塑性樹脂の大きな領域(ドメイン)を形成することができる。   The fiber-reinforced composite material of the present invention having such excellent characteristics is not particularly limited, but after impregnating the reinforcing fibers with at least a curable resin before curing and a curable resin composition containing thermoplastic resin particles. The fiber-reinforced composite material can be produced by a curing reaction at a temperature equal to or higher than the melting point of the thermoplastic resin particles. By causing the curable resin composition containing the thermoplastic resin particles to undergo a curing reaction at a temperature equal to or higher than the melting point of the thermoplastic resin particles, the thermoplastic resin particles are dissolved during the curing reaction, and other adjacent thermoplastic resin particles To merge. As a result, a large region (domain) of the thermoplastic resin can be formed in the cured resin after the curing reaction.

熱可塑性樹脂粒子を含む硬化性樹脂組成物を強化繊維に含浸させた後、前記熱可塑性樹脂粒子の融点以上の温度で硬化反応させる繊維強化複合材料の製造方法において、熱硬化性樹脂組成物に含まれる熱可塑性樹脂粒子は、本発明の繊維強化複合材料において、熱可塑性樹脂領域を形成する熱可塑性樹脂である。熱可塑性樹脂粒子は、レーザー回折法による平均粒子径が1〜50μmの熱可塑性樹脂粒子であることが好ましく、2〜10μmの熱可塑性樹脂粒子であることがより好ましい。また、硬化性樹脂組成物中に占める熱可塑性樹脂粒子の含有量は30体積%以上であることが好ましい。後述のプリプレグを用いて繊維強化複合材料を製造する場合や、平均粒子径が1μmを超える熱可塑性樹脂粒子を用いる場合には、硬化性樹脂組成物を強化繊維に含浸させる際に、熱可塑性樹脂粒子が強化繊維層の表面に留まり易く、強化繊維層表面に濃縮されるため、強化繊維基材の片側表面の面積辺りの熱可塑性樹脂粒子の目付け(M:g/m)が下式(1)を満たすよう硬化性樹脂に添加することが好ましい。
≧0.4rd ・・・(1)
:強化繊維基材の片側表面の面積辺りの熱可塑性樹脂粒子の目付け(g/m
r:熱可塑性樹脂粒子の平均粒子径(μm)
d:熱可塑性樹脂粒子の密度(比重)(g/cm
In a method for producing a fiber-reinforced composite material, a curable resin composition containing thermoplastic resin particles is impregnated into a reinforced fiber, and then cured at a temperature equal to or higher than the melting point of the thermoplastic resin particles. The thermoplastic resin particles contained in the fiber reinforced composite material of the present invention are thermoplastic resins that form a thermoplastic resin region. The thermoplastic resin particles are preferably thermoplastic resin particles having an average particle diameter by laser diffraction of 1 to 50 μm, and more preferably 2 to 10 μm. Moreover, it is preferable that content of the thermoplastic resin particle which occupies in a curable resin composition is 30 volume% or more. When a fiber reinforced composite material is produced using a prepreg described later, or when thermoplastic resin particles having an average particle diameter exceeding 1 μm are used, the thermoplastic resin is impregnated with the curable resin composition when impregnated into the reinforced fiber. Since the particles tend to stay on the surface of the reinforcing fiber layer and are concentrated on the surface of the reinforcing fiber layer, the basis weight (M T : g / m 2 ) of the thermoplastic resin particles around the area of one side surface of the reinforcing fiber base is It is preferable to add to the curable resin so as to satisfy (1).
M T ≧ 0.4 rd (1)
M T : basis weight (g / m 2 ) of thermoplastic resin particles around the area of one side surface of the reinforcing fiber base
r: Average particle diameter of thermoplastic resin particles (μm)
d: Density (specific gravity) of thermoplastic resin particles (g / cm 3 )

硬化反応に際し、熱可塑性樹脂粒子の融点到達時の硬化性樹脂組成物の粘度は0.1〜1000Pa・sであることが好ましい。樹脂粘度がこの範囲にあることで、硬化性樹脂組成物中で溶解した熱可塑性樹脂粒子が、拡散することなく流動することができる。そして、溶解した熱可塑性樹脂粒子が流動し、隣接する他の熱可塑性樹脂粒子と接触することにより大きな熱可塑性樹脂領域が形成される。   In the curing reaction, the viscosity of the curable resin composition when the melting point of the thermoplastic resin particles is reached is preferably 0.1 to 1000 Pa · s. When the resin viscosity is in this range, the thermoplastic resin particles dissolved in the curable resin composition can flow without diffusing. And the melt | dissolved thermoplastic resin particle flows, A large thermoplastic resin area | region is formed when it contacts with other adjacent thermoplastic resin particles.

熱可塑性樹脂粒子の融点到達時の硬化性樹脂組成物の粘度は0.5〜500Pa・sであることが好ましく、1〜100Pa・sであることがより好ましい。樹脂粘度が低い方が、熱硬化性樹脂組成物中で溶解した熱可塑性樹脂粒子が流動しやすくなるため、複数の熱可塑性樹脂粒子が融合しより大きな熱可塑性樹脂領域を形成しやすくなるが、樹脂粘度が低すぎると、流動性が高くなりすぎ溶融した熱可塑性樹脂が拡散し小さな熱可塑性樹脂領域に分散してしまいやすくなる傾向がある。
また、熱可塑性樹脂の融点到達時の硬化性樹脂組成物の粘度(η:Pa・s)と熱可塑性樹脂粒子の平均粒子径(r:μm)が下式(2)を満たすことが好ましい。
ηr<10000 ・・・(2)
The viscosity of the curable resin composition when the melting point of the thermoplastic resin particles is reached is preferably 0.5 to 500 Pa · s, and more preferably 1 to 100 Pa · s. The lower the resin viscosity, the easier it is for the thermoplastic resin particles dissolved in the thermosetting resin composition to flow, so it becomes easier to fuse a plurality of thermoplastic resin particles to form a larger thermoplastic resin region, If the resin viscosity is too low, the fluidity tends to be too high and the molten thermoplastic resin tends to diffuse and disperse into small thermoplastic resin regions.
Moreover, it is preferable that the viscosity (η: Pa · s) of the curable resin composition at the time of reaching the melting point of the thermoplastic resin and the average particle diameter (r: μm) of the thermoplastic resin particles satisfy the following formula (2).
ηr 2 <10000 (2)

硬化性樹脂組成物の粘度は、例えば、硬化反応時の加熱条件を調整することや、粘度調整用の熱可塑性樹脂を添加することなどで制御することができる。特定温度での硬化性樹脂組成物の粘度は、レオメータを用いて温度―粘度曲線を取得することで測定することができる。
硬化反応時の硬化性樹脂組成物の粘度は、加熱や反応熱による樹脂組成物の温度上昇による樹脂粘度減少と、硬化反応の進行に伴い硬化性樹脂が架橋(高分子量化)することによる樹脂粘度増加の影響を受ける。
The viscosity of the curable resin composition can be controlled, for example, by adjusting the heating conditions during the curing reaction or by adding a thermoplastic resin for viscosity adjustment. The viscosity of the curable resin composition at a specific temperature can be measured by obtaining a temperature-viscosity curve using a rheometer.
The viscosity of the curable resin composition during the curing reaction is a resin viscosity decrease due to the temperature rise of the resin composition due to heating or heat of reaction, and the curable resin is crosslinked (high molecular weight) as the curing reaction proceeds. Influenced by viscosity increase.

加熱や反応熱による樹脂組成物の温度上昇による樹脂粘度の変化は、例えば、粘度の異なる複数の硬化性樹脂を混合する、あるいは、粘度調整用の熱可塑性樹脂や無機充填材などの増粘剤、反応希釈材などの添加剤を添加することにより、樹脂組成物の粘度を調整することにより制御できる。
硬化性樹脂組成物の粘度を調整するために配合する熱可塑性樹脂としては、例えば、マトリクス樹脂としてエポキシ樹脂を用いる場合、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリエーテルイミド、ポリカーボネート等が好ましく用いられる。
Changes in resin viscosity due to temperature rise of the resin composition due to heating or reaction heat include, for example, mixing a plurality of curable resins having different viscosities, or thickening agents such as thermoplastic resins for adjusting viscosity and inorganic fillers. It can be controlled by adjusting the viscosity of the resin composition by adding an additive such as a reaction diluent.
As the thermoplastic resin to be blended for adjusting the viscosity of the curable resin composition, for example, when an epoxy resin is used as the matrix resin, polyethersulfone, polysulfone, polyetherimide, polycarbonate and the like are preferably used.

粘度調整用の熱可塑性樹脂の含有量は、硬化性樹脂の粘度に応じて適宜調整される。加工性の観点から、硬化性樹脂100質量部に対して、5〜100質量部が好ましく、5〜50質量部がより好ましく、10〜40質量部がさらに好ましい。粘度調整用の熱可塑性樹脂は、取扱性や溶解性の観点から固体粒子として硬化性樹脂に添加することが好ましい。固体粒子として添加する場合、その平均粒子径は、1〜100μmの範囲であることが好ましく、1〜50μmであることがより好ましい。   The content of the thermoplastic resin for adjusting the viscosity is appropriately adjusted according to the viscosity of the curable resin. From a workability viewpoint, 5-100 mass parts is preferable with respect to 100 mass parts of curable resin, 5-50 mass parts is more preferable, and 10-40 mass parts is further more preferable. The thermoplastic resin for adjusting the viscosity is preferably added to the curable resin as solid particles from the viewpoint of handleability and solubility. When added as solid particles, the average particle diameter is preferably in the range of 1 to 100 μm, more preferably 1 to 50 μm.

一方、硬化反応の進行に伴う樹脂粘度の変化は、硬化反応時の加熱条件を変更することで調整できる。また、硬化性樹脂の種類と、熱可塑性樹脂粒子の融点に応じて、適宜硬化剤の種類を変更し、硬化反応の進行に伴う樹脂粘度の変化の起点となる硬化反応の開始温度を調節することも好ましい。所定の温度まで昇温させた樹脂組成物に硬化剤を添加する方法、所定の温度で反応を開始する潜在硬化剤を使用する方法、硬化性樹脂組成物が光や電子線などの外部からのエネルギーにより硬化を開始する樹脂組成物である場合には、所定の温度に達した樹脂組成物に対して光や電子線などの反応を開始させる外部エネルギーを付与する方法などの方法で、反応開始温度を調整し樹脂粘度を調整しても良い。   On the other hand, the change in the resin viscosity accompanying the progress of the curing reaction can be adjusted by changing the heating conditions during the curing reaction. Also, depending on the type of curable resin and the melting point of the thermoplastic resin particles, the type of the curing agent is changed as appropriate, and the starting temperature of the curing reaction that is the starting point of the change in the resin viscosity accompanying the progress of the curing reaction is adjusted. It is also preferable. A method of adding a curing agent to a resin composition heated to a predetermined temperature, a method of using a latent curing agent that starts a reaction at a predetermined temperature, and a curable resin composition from the outside such as light or an electron beam In the case of a resin composition that begins to cure by energy, the reaction is started by a method such as applying external energy that initiates a reaction such as light or electron beam to the resin composition that has reached a predetermined temperature. The resin viscosity may be adjusted by adjusting the temperature.

硬化反応時の加熱条件により硬化反応の進行に伴う樹脂粘度の変化を調整する場合、特に昇温速度を調整することで、粘度変化を調整することができる。昇温速度を緩やかにすると、より低い温度で硬化反応が進行し、粘度が高くなる。一方、昇温速度を急にすると、粘度を低く保ったまま樹脂組成物の温度を高くすることができる。昇温速度は、0.5〜20℃/分の間で調整することが好ましい。   When adjusting the change of the resin viscosity accompanying the progress of the curing reaction according to the heating conditions at the time of the curing reaction, the viscosity change can be adjusted by adjusting the rate of temperature rise. When the rate of temperature rise is moderated, the curing reaction proceeds at a lower temperature and the viscosity becomes higher. On the other hand, when the rate of temperature increase is abrupt, the temperature of the resin composition can be increased while keeping the viscosity low. It is preferable to adjust the heating rate between 0.5 to 20 ° C./min.

また、熱可塑性樹脂粒子の融点に達した後、硬化性樹脂組成物の粘度が10000Pa・sに達するまでの時間を1〜600秒となるよう調整することが好ましい。
硬化反応時の加熱条件は、硬化性樹脂組成物を強化繊維に含浸させる前に、あらかじめ硬化性樹脂組成物の温度−粘度カーブを測定し、熱可塑性樹脂粒子の融点で所定の粘度となるように設定することが好ましい。
Further, it is preferable to adjust the time until the viscosity of the curable resin composition reaches 10,000 Pa · s after reaching the melting point of the thermoplastic resin particles to be 1 to 600 seconds.
The heating conditions during the curing reaction are such that the temperature-viscosity curve of the curable resin composition is measured in advance before impregnating the curable resin composition into the reinforcing fibers, and the melting point of the thermoplastic resin particles reaches a predetermined viscosity. It is preferable to set to.

硬化性樹脂組成物は、硬化性樹脂に熱可塑性樹脂粒子や、必要に応じて硬化剤、粘度調整用の熱可塑性樹脂などの各種添加剤を、添加・混練することで製造される。各成分の混練は、一段で行っても、各成分を逐次添加して多段的に行っても良い。各成分を逐次添加する場合は、任意の順序で添加することができる。例えば、硬化性樹脂に硬化剤と粘度調整用の熱可塑性樹脂を添加する場合、予め、硬化性樹脂に、粘度調整用の熱可塑性樹脂の一部又は全量を混練、溶融せしめて粘度調整した後に、逐次的に熱可塑性樹脂粒子、硬化剤を添加しながら混練する。混練・添加順序は特に限定されないが、樹脂組成物の保存安定性の観点から、硬化剤を最後に添加することが好ましい。   The curable resin composition is produced by adding and kneading thermoplastic resin particles and, if necessary, various additives such as a curing agent and a thermoplastic resin for viscosity adjustment to the curable resin. The kneading of each component may be performed in a single stage, or may be performed in multiple stages by sequentially adding each component. When adding each component sequentially, it can add in arbitrary orders. For example, when adding a curing agent and a viscosity adjusting thermoplastic resin to the curable resin, after kneading and melting a part or all of the viscosity adjusting thermoplastic resin in advance in the curable resin, the viscosity is adjusted. Then, kneading is performed while sequentially adding thermoplastic resin particles and a curing agent. The order of kneading and addition is not particularly limited, but it is preferable to add the curing agent last from the viewpoint of the storage stability of the resin composition.

硬化性樹脂組成物製造時の混練温度は、硬化性樹脂や熱可塑性樹脂粒子、硬化剤の種類、反応開始温度などに応じて適宜調整すればよいが、10〜150℃の範囲が好ましい。150℃を超えると部分的な硬化反応が開始し、得られる樹脂組成物の保存安定性が低下する場合がある。10℃より低いと樹脂組成物の粘度が高く、実質的に混練が困難となる場合がある。好ましくは20〜120℃であり、更に好ましくは30〜100℃の範囲である。   The kneading temperature during the production of the curable resin composition may be appropriately adjusted according to the type of the curable resin, the thermoplastic resin particles, the curing agent, the reaction start temperature, etc., but is preferably in the range of 10 to 150 ° C. When it exceeds 150 degreeC, a partial hardening reaction will start and the storage stability of the resin composition obtained may fall. If it is lower than 10 ° C., the viscosity of the resin composition is high, and it may be difficult to knead substantially. Preferably it is 20-120 degreeC, More preferably, it is the range of 30-100 degreeC.

硬化性樹脂組成物製造時に用いる混練機械装置としては、従来公知のものを用いることができる。具体的には、ロールミル、プラネタリーミキサー、ニーダー、エクストルーダー、バンバリーミキサー、攪拌翼を供えた混合容器、横型混合槽などを挙げることができる。
上記のような繊維強化複合材料の製造方法は、強化繊維に、硬化性樹脂組成物を含浸させ硬化させる繊維強化複合材料の製造方法であれば、特に制限なく適応することができ、例えば、オートクレーブ成形、プレス成形、樹脂トランスファー成形、フィラメントワインディング成形など、公知の手段・方法に適応することができる。
A conventionally well-known thing can be used as a kneading machine apparatus used at the time of curable resin composition manufacture. Specific examples include a roll mill, a planetary mixer, a kneader, an extruder, a Banbury mixer, a mixing vessel provided with a stirring blade, and a horizontal mixing vessel.
The method for producing a fiber reinforced composite material as described above can be applied without particular limitation as long as it is a method for producing a fiber reinforced composite material in which reinforced fibers are impregnated with a curable resin composition and cured. It can be applied to known means and methods such as molding, press molding, resin transfer molding, and filament winding molding.

本発明の繊維強化複合材料は、シート状の繊維強化基材に樹脂組成物を含浸した中間基材であるプリプレグを用いる方法により製造することが好ましい。プリプレグを用いて繊維強化複合材料を製造する場合、プリプレグの積層方法としては、例えば、マニュアルレイアップ、自動テープレイアップ(ATL)、自動繊維配置法などがあげられる。
プリプレグの製造方法は、特に制限が無く、従来公知のいかなる方法も採用できる。具体的には、ホットメルト法や、溶剤法が好適に採用できる。
ホットメルト法は、離型紙の上に、上記硬化性樹脂組成物を薄いフィルム状に塗布して樹脂組成物フィルムを形成し、次いで形成したフィルムを離型紙から剥離して樹脂組成物フィルムを得、その後強化繊維基材に樹脂組成物フィルムを積層して加圧下に加熱することにより樹脂組成物を強化繊維基材に含浸させる方法である。
The fiber-reinforced composite material of the present invention is preferably produced by a method using a prepreg which is an intermediate substrate obtained by impregnating a resin composition into a sheet-like fiber-reinforced substrate. When manufacturing a fiber reinforced composite material using a prepreg, examples of the prepreg lamination method include manual layup, automatic tape layup (ATL), and automatic fiber placement method.
The method for producing the prepreg is not particularly limited, and any conventionally known method can be adopted. Specifically, a hot melt method or a solvent method can be suitably employed.
In the hot melt method, the curable resin composition is coated on a release paper in the form of a thin film to form a resin composition film, and then the formed film is peeled from the release paper to obtain a resin composition film. Then, the resin composition film is laminated on the reinforcing fiber substrate and heated under pressure to impregnate the reinforcing fiber substrate with the resin composition.

樹脂組成物を樹脂組成物フィルムにする方法としては、特に限定されるものではなく、従来公知のいずれの方法を用いることもできる。具体的には、ダイ押し出し、アプリケーター、リバースロールコーター、コンマコーターなどを利用し、離型紙、フィルムなどの支持体上に樹脂組成物を流延、キャストをすることにより得ることが出来る。フィルムを製造する際の樹脂温度としては、フィルムを製造する樹脂の組成、粘度に応じて適宜決定する。具体的には、前述のエポキシ樹脂組成物製造方法における混練温度と同じ温度条件が好適に用いられる。含浸は1回ではなく、複数回に分けて任意の圧力と温度にて、多段的に行うこともできる。   The method for forming the resin composition into a resin composition film is not particularly limited, and any conventionally known method can be used. Specifically, it can be obtained by casting and casting a resin composition on a support such as a release paper or a film using a die extrusion, an applicator, a reverse roll coater, a comma coater or the like. The resin temperature for producing the film is appropriately determined according to the composition and viscosity of the resin for producing the film. Specifically, the same temperature conditions as the kneading temperature in the above-described method for producing an epoxy resin composition are preferably used. The impregnation can be performed in multiple stages at an arbitrary pressure and temperature in a plurality of times instead of once.

溶剤法は、樹脂組成物を適当な溶媒を用いてワニス状にし、このワニスを強化繊維基材に含浸させる方法である。これらの従来法の中でも、ホットメルト法が好ましい。
樹脂組成物フィルムを用いて強化繊維基材へ硬化性樹脂組成物を含浸させる際の含浸圧力は、その樹脂組成物の粘度・樹脂フローなどを勘案し、適宜決定する。
硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を用い、エポキシ樹脂組成物フィルムをホットメルト法で強化繊維基材に含浸させる場合の含浸温度は、50〜150℃の範囲が好ましい。含浸温度は60〜145℃がより好ましく、70〜140℃が特に好ましい。
The solvent method is a method in which the resin composition is made into a varnish using an appropriate solvent, and this reinforcing varnish is impregnated with the varnish. Among these conventional methods, the hot melt method is preferable.
The impregnation pressure at the time of impregnating the curable resin composition into the reinforcing fiber base using the resin composition film is appropriately determined in consideration of the viscosity, resin flow, and the like of the resin composition.
The impregnation temperature when an epoxy resin is used as the curable resin and the reinforcing fiber base material is impregnated with the epoxy resin composition film by a hot melt method is preferably in the range of 50 to 150 ° C. The impregnation temperature is more preferably 60 to 145 ° C, and particularly preferably 70 to 140 ° C.

上記のような繊維強化複合材料の製造方法によれば、硬化反応後の樹脂硬化物中に熱可塑性樹脂の大きな領域(ドメイン)を形成することができるため、耐衝撃性・層間破壊靭性に優れた繊維強化複合材料を得ることができる。
このようにして得られる本発明の繊維強化複合材料は、耐衝撃性・層間破壊靭性に優れているため、航空宇宙用途、産業用途、スポーツ・レジャー用途など多くの用途に好適に使用することができる。
According to the method for producing a fiber reinforced composite material as described above, since a large region (domain) of a thermoplastic resin can be formed in the cured resin after the curing reaction, it is excellent in impact resistance and interlaminar fracture toughness. Fiber reinforced composite material can be obtained.
The fiber-reinforced composite material of the present invention thus obtained is excellent in impact resistance and interlaminar fracture toughness, and therefore can be suitably used for many applications such as aerospace applications, industrial applications, sports and leisure applications. it can.

以下、実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。なお、操作条件の評価、各物性の測定は以下の方法で実施した。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples. In addition, evaluation of operating conditions and measurement of each physical property were performed by the following methods.

(強化繊維基材)
・使用した東邦テナックス株式会社製の炭素繊維ストランド(「テナックス IMS65」)の引張強度と弾性率は下記の通りである。
・引張強度:5800MPa
・弾性率:290GPa
(Reinforced fiber substrate)
-The tensile strength and elastic modulus of the carbon fiber strand ("Tenax IMS65") manufactured by Toho Tenax Co., Ltd. used are as follows.
・ Tensile strength: 5800 MPa
-Elastic modulus: 290 GPa

[エポキシ樹脂組成物]
(エポキシ樹脂)
・グリシジルアミン型エポキシ樹脂 (3官能基)
ハンツマン・ジャパン株式会社製「アラルダイト MY600」(以下、MY600)
・グリシジルアミン型エポキシ樹脂 (4官能基)
ハンツマン・ジャパン株式会社製「アラルダイト MY721」(以下、MY721)
(エポキシ樹脂硬化剤)
・芳香族アミン系硬化剤
3,3’−ジアミノジフェニルスルホン(小西化学工業株式会社製)(以下、3,3’−DDS)
[Epoxy resin composition]
(Epoxy resin)
・ Glycidylamine type epoxy resin (trifunctional group)
“Araldite MY600” (hereinafter, MY600) manufactured by Huntsman Japan
・ Glycidylamine type epoxy resin (4 functional groups)
"Araldite MY721" manufactured by Huntsman Japan Co., Ltd. (hereinafter MY721)
(Epoxy resin curing agent)
Aromatic amine curing agent 3,3′-diaminodiphenyl sulfone (manufactured by Konishi Chemical Co., Ltd.) (hereinafter 3,3′-DDS)

[熱可塑性樹脂]
・熱可塑性樹脂領域形成用熱可塑性樹脂粒子
ポリアミド12(エポキシ樹脂に不溶な熱可塑性樹脂)
ダイセルエボニック株式会社製「MSP−100」
平均粒子径:5μm 破断伸度:300%
・粘度調整用熱可塑性樹脂
ポリエーテルスルホン(エポキシ樹脂に可溶な熱可塑性樹脂)
住友化学工業株式会社製「PES−5003P」
平均粒子径:20μm
[Thermoplastic resin]
・ Thermoplastic resin particles for forming thermoplastic resin regions Polyamide 12 (thermoplastic resin insoluble in epoxy resin)
"MSP-100" manufactured by Daicel Evonik Co., Ltd.
Average particle diameter: 5 μm Break elongation: 300%
・ Viscosity-adjusting thermoplastic resin Polyethersulfone (a thermoplastic resin soluble in epoxy resin)
"PES-5003P" manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.
Average particle size: 20 μm

[測定方法]
(1)平均粒子径
平均粒子径は、日機装株式会社製 レーザー回折・散乱式の粒度分析計(マイクロトラック法)「MT3300」を用いて、粒度分布の測定を実施し、その50%粒子径(D50)を平均粒子径とした。
[Measuring method]
(1) Average particle diameter The average particle diameter was measured by measuring the particle size distribution using a laser diffraction / scattering particle size analyzer (Microtrack method) “MT3300” manufactured by Nikkiso Co., Ltd. D 50 ) was defined as the average particle size.

(2)繊維強化複合材料の層間靭性(モードI層間靱性(GIc))
繊維強化複合材料の層間靭性はJIS K7086に従い層間破壊靭性モードI(GIc)測定を行い評価した。得られたプリプレグを一辺が360mmの正方形にカットした後、積層し、0°方向に10層積層した積層体を2つ作製した。初期クラックを発生させるために、離型シートを2つの積層体の間に挟み、両者を組み合わせ、積層構成[0]20のプリプレグ積層体を得た。通常の真空オートクレーブ成形法を用い、0.59MPaの圧力下、実施例・比較例毎に別途設定した温度条件でそれぞれ成形した。得られた成形物を幅20mm×長さ195mmの寸法に切断し、層間破壊靭性モードI(GIc)の試験片を得た。
GIcの試験方法として、双片持ちはり層間破壊靱性試験法(DCB法)を用い、離型シートの先端から2〜5mmの予亀裂(初期クラック)を発生させた後に、さらに亀裂を進展させる試験を行った。試験片引張試験機のクロスヘッドスピードは、亀裂進展が20mmに達するまでは0.5mm/分、20mm到達後は1mm/分とし、n=5で測定を行った。荷重、変位、および、亀裂長さから、GICを算出した。
(2) Interlaminar toughness of fiber reinforced composite materials (Mode I interlaminar toughness (GIc))
Interlaminar toughness of the fiber reinforced composite material was evaluated by measuring interlaminar fracture toughness mode I (GIc) according to JIS K7086. The obtained prepreg was cut into a square having a side of 360 mm, then laminated, and two laminates were produced in which 10 layers were laminated in the 0 ° direction. In order to generate an initial crack, the release sheet was sandwiched between two laminates, and both were combined to obtain a prepreg laminate having a laminate configuration [0] 20 . Using a normal vacuum autoclave molding method, molding was performed under a pressure condition of 0.59 MPa and at temperature conditions set separately for each of the examples and comparative examples. The obtained molded product was cut into a size of 20 mm wide × 195 mm long to obtain a specimen having an interlaminar fracture toughness mode I (GIc).
A test that uses a double cantilever interlaminar fracture toughness test method (DCB method) as a test method for GIc, generates a 2-5 mm pre-crack (initial crack) from the tip of the release sheet, and further propagates the crack Went. The crosshead speed of the test piece tensile tester was 0.5 mm / min until the crack growth reached 20 mm, 1 mm / min after reaching 20 mm, and measurement was performed at n = 5. GIC was calculated from the load, displacement, and crack length.

(3)熱可塑性樹脂領域の形態評価
株式会社キーエンス製カラー3Dレーザー顕微鏡VK−8710を用いて、繊維強化複合材料を繊維軸の断面方向にカットした試験片を500倍(視野の大きさ:幅(樹脂層の面に平行な方向)600μm×高さ(厚み方向)100μm)に拡大し、樹脂層が視野の中心となるように試料断面の画像を取得した。旭化成エンジニアリング株式会社の提供する画像解析ソフト(A像くん(商品名))を用いて熱可塑性樹脂の領域を特定し、樹脂層の面に平行な方向のドメイン長、樹脂層の厚み方向のドメイン長、円形度を以下の定義に基づき算出した。
(3) Morphological evaluation of the thermoplastic resin region Using a KEYENCE color 3D laser microscope VK-8710, a test piece obtained by cutting the fiber reinforced composite material in the cross-sectional direction of the fiber axis is 500 times (size of field of view: width) (The direction parallel to the surface of the resin layer) 600 μm × height (thickness direction) 100 μm), and an image of the sample cross section was acquired so that the resin layer was the center of the visual field. Using the image analysis software (A image-kun (trade name)) provided by Asahi Kasei Engineering Co., Ltd., specify the region of the thermoplastic resin, the domain length in the direction parallel to the surface of the resin layer, the domain in the thickness direction of the resin layer The length and circularity were calculated based on the following definitions.

・樹脂層の面に平行な方向のドメイン長
炭素繊維複合材料の樹脂層の面に平行方向に400μmの長さの線分を引き、その線分に重なる熱可塑性樹脂領域の長さを測定した。線分は1サンプルにつき樹脂層厚みの1/4、1/2、3/4の3箇所設定した。4サンプル測定し、その平均値と90%分位点を求めた。
-Domain length in the direction parallel to the surface of the resin layer A line segment of 400 μm in length was drawn in the direction parallel to the surface of the resin layer of the carbon fiber composite material, and the length of the thermoplastic resin region overlapping the line segment was measured. . The line segments were set at three locations of 1/4, 1/2, and 3/4 of the resin layer thickness per sample. Four samples were measured, and the average value and 90% quantile were determined.

・樹脂層厚み方向のドメイン長
樹脂層の厚み方向(樹脂層の面に垂直な方向)に線分を、樹脂層の上部に接触する炭素繊維の表面から樹脂層の下部に接触する炭素繊維の表面まで引いた。1サンプルにつき幅方向に30−50μm間隔で任意に10箇所測定した。線分の長さを樹脂層厚みとし、線分に重なる熱可塑性樹脂領域の長さを樹脂層厚み方向のドメイン長として、樹脂層厚みに対する熱可塑性樹脂領域のドメイン長の割合を100分率で求めた。4サンプル測定し、その平均値と90%分位点を求めた。
-Domain length in the resin layer thickness direction Line segments in the resin layer thickness direction (perpendicular to the surface of the resin layer) from the surface of the carbon fiber in contact with the top of the resin layer to the bottom of the resin layer Pulled to the surface. Ten samples were arbitrarily measured at intervals of 30-50 μm in the width direction per sample. The length of the line segment is the resin layer thickness, the length of the thermoplastic resin region overlapping the line segment is the domain length in the resin layer thickness direction, and the ratio of the domain length of the thermoplastic resin region to the resin layer thickness is 100 minutes Asked. Four samples were measured, and the average value and 90% quantile were determined.

・円形度
画像解析ソフトにより特定した熱可塑性樹脂領域の周囲長と面積を測定し、次式に基づき円形度を算出した。この時、上記画像の視野範囲から、縦方向(厚み方向)は樹脂層の厚みとし、横方向(樹脂層の面方向)は400μmとして解析範囲を切り出し、解析を行った。1サンプルにつき任意の4箇所で測定し、4サンプルの平均値を求めた。
(円形度)=Σ(4πS/L)/S
S:熱可塑性樹脂領域の面積 [μm
L:熱可塑性樹脂領域の周囲長 [μm]
:熱可塑性樹脂領域の面積の総和 [μm
-Circularity The circumference and area of the thermoplastic resin region specified by the image analysis software were measured, and the circularity was calculated based on the following equation. At this time, from the visual field range of the image, the analysis range was cut out by analyzing the vertical direction (thickness direction) as the thickness of the resin layer and the horizontal direction (surface direction of the resin layer) as 400 μm. Measurement was performed at arbitrary four locations per sample, and the average value of the four samples was determined.
(Circularity) = Σ (4πS 2 / L 2 ) / S T
S: Area of thermoplastic resin region [μm 2 ]
L: Perimeter length of thermoplastic resin region [μm]
S T : Total area of the thermoplastic resin region [μm 2 ]

(実施例1、2、比較例1)
混練装置で、40質量部のMY600と60質量部のMY721に、30質量部のポリエーテルスルホンを添加し、100℃で30分間攪拌機を用いて撹拌した後、樹脂温度を70℃以下に冷ました。その後、ポリアミド12樹脂粒子45質量部と60質量部の3,3’−DDSを混練して、エポキシ樹脂組成物を調製した。調製したエポキシ樹脂組成物を、フィルムコーターを用いて離型紙上に塗布して50g/mの樹脂フィルムを、2枚作製した。
炭素繊維束を一方向に引き揃え、炭素繊維基材(目付:190g/m)を作製した。作成した炭素繊維基材の両面に、エポキシ樹脂フィルムを貼り合わせ、ホットメルト法により、樹脂組成物を炭素繊維基材に含浸させ、プリプレグ(樹脂含有率:35%)を作製した。
作製したプリプレグを用いて、表1に記載の温度条件で繊維強化複合材料を成形した。得られた繊維強化複合材料の熱可塑性樹脂領域の形態および層間破壊靱性を測定した。得られた結果を表1に示した。
(Examples 1 and 2 and Comparative Example 1)
In a kneader, 30 parts by weight of polyethersulfone was added to 40 parts by weight of MY600 and 60 parts by weight of MY721, and the mixture was stirred at 100 ° C for 30 minutes using a stirrer, and then the resin temperature was cooled to 70 ° C or lower . Thereafter, 45 parts by mass of polyamide 12 resin particles and 60 parts by mass of 3,3′-DDS were kneaded to prepare an epoxy resin composition. The prepared epoxy resin composition was applied onto release paper using a film coater to prepare two 50 g / m 2 resin films.
The carbon fiber bundle was aligned in one direction to prepare a carbon fiber base material (weight per unit: 190 g / m 2 ). An epoxy resin film was bonded to both surfaces of the produced carbon fiber base material, and the carbon fiber base material was impregnated with a hot melt method to prepare a prepreg (resin content: 35%).
Using the prepared prepreg, a fiber-reinforced composite material was molded under the temperature conditions shown in Table 1. The morphology and interlaminar fracture toughness of the thermoplastic resin region of the obtained fiber reinforced composite material were measured. The obtained results are shown in Table 1.

Figure 2016199682
Figure 2016199682

実施例1、2で得られた繊維強化複合材料は、熱可塑性樹脂領域の、樹脂層の面に平行な方向のドメイン長の90%分位点がそれぞれ33.7μm、91.5μmと大きな熱可塑性樹脂ドメインを形成したため、層間破壊靱性はそれぞれ736J/m、929J/mと高く、優れた層間破壊靭性を有する繊維強化複合材料であった。
一方、比較例1では、同じプリプレグを用いたにもかかわらず、樹脂層の面に平行な方向のドメイン長の90%分位点が4.4μmと小さな熱可塑性樹脂領域を形成させたため、層間破壊靱性は368J/mと実施例1、2と比べてとても低いものであった。
In the fiber-reinforced composite materials obtained in Examples 1 and 2, the 90% quantile of the domain length in the direction parallel to the surface of the resin layer in the thermoplastic resin region is 33.7 μm and 91.5 μm, respectively, which are large heats. Since the plastic resin domain was formed, the interlaminar fracture toughness was as high as 736 J / m 2 and 929 J / m 2 , respectively, and it was a fiber-reinforced composite material having excellent interlaminar fracture toughness.
On the other hand, in Comparative Example 1, although the same prepreg was used, the 90% quantile of the domain length in the direction parallel to the surface of the resin layer was formed as a small thermoplastic resin region of 4.4 μm. The fracture toughness was 368 J / m 2 which was very low compared to Examples 1 and 2.

Claims (6)

少なくとも二層以上積層された強化繊維層と硬化性樹脂硬化物とからなる繊維強化複合材料であって、二層の強化繊維層の層間に、少なくとも硬化性樹脂硬化物と熱可塑性樹脂からなる樹脂層を有し、前記樹脂層の熱可塑性樹脂が、樹脂層の面に平行な方向のドメイン長の90%分位点が15μm以上の熱可塑性樹脂領域を形成していることを特徴とする繊維強化複合材料。   A fiber reinforced composite material comprising a reinforced fiber layer and a curable resin cured product laminated at least two layers, and a resin comprising at least a curable resin cured product and a thermoplastic resin between the two reinforced fiber layers. And a thermoplastic resin region in which the 90% quantile of the domain length in the direction parallel to the surface of the resin layer is 15 μm or more. Reinforced composite material. 前記熱可塑性樹脂領域の円形度が0.01〜0.7である請求項1に記載の繊維強化複合材料。   The fiber reinforced composite material according to claim 1, wherein the thermoplastic resin region has a circularity of 0.01 to 0.7. 前記熱可塑性樹脂領域の、樹脂層の厚み方向のドメイン長の平均値が、樹脂層の平均厚みの25%以上である請求項1または2に記載の繊維強化複合材料。   The fiber-reinforced composite material according to claim 1 or 2, wherein an average value of domain lengths in the thickness direction of the resin layer in the thermoplastic resin region is 25% or more of an average thickness of the resin layer. 前記熱可塑性樹脂が、破断伸度が80%以上の熱可塑性樹脂である請求項1〜3のいずれか1項に記載の繊維強化複合材料。   The fiber-reinforced composite material according to any one of claims 1 to 3, wherein the thermoplastic resin is a thermoplastic resin having a breaking elongation of 80% or more. 前記硬化性樹脂が、エポキシ樹脂である請求項1〜4のいずれか1項に記載の繊維強化複合材料。   The fiber reinforced composite material according to claim 1, wherein the curable resin is an epoxy resin. 強化繊維が、炭素繊維である請求項1〜5のいずれか1項に記載の繊維強化複合材料。   The fiber-reinforced composite material according to any one of claims 1 to 5, wherein the reinforcing fiber is a carbon fiber.
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