JP7587683B2 - Epoxy resin composition, prepreg, and fiber-reinforced plastic using the same - Google Patents
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Description
本発明は、エポキシ樹脂組成物、強化繊維含有エポキシ樹脂組成物、プリプレグ、及びこれらを用いた繊維強化プラスチックに関する。The present invention relates to an epoxy resin composition, a fiber-reinforced epoxy resin composition, a prepreg, and a fiber-reinforced plastic using these.
繊維強化プラスチック(FRP)は軽量、高強度などの優れた物性を示し、多くの分野で利用されている。その中でも、炭素繊維を強化繊維として用いたもの(CFRP)は、特に機械的強度に優れることで知られている。Fiber-reinforced plastics (FRP) exhibit excellent physical properties such as light weight and high strength, and are used in many fields. Among them, those that use carbon fiber as the reinforcing fiber (CFRP) are known to have particularly excellent mechanical strength.
FRPの母材樹脂として、価格、物性のバランスに優れるため、エポキシ樹脂が主に使用されている。またエポキシ樹脂は、その有する2級水酸基により、強化繊維とも良好な接着面を形成するため、CFRPの母材樹脂としても良好な機械物性を発現することが知られている。Epoxy resin is mainly used as the base resin for FRP because it has an excellent balance between price and physical properties. Epoxy resin also forms a good adhesive surface with reinforcing fibers due to its secondary hydroxyl groups, so it is known to exhibit good mechanical properties as a base resin for CFRP.
一方、母材樹脂として熱可塑性樹脂を用いたものはFRTPと呼ばれ、量産性、成型性、リサイクル性に優れるため、開発が進められている。FRTPの母材樹脂としては、ナイロン、ポリプロピレン、ポリカーボネートなどが主に使用されている。On the other hand, those that use thermoplastic resin as the base resin are called FRTP, and their development is underway due to their superior mass production, moldability, and recyclability. Nylon, polypropylene, polycarbonate, etc. are mainly used as the base resin for FRTP.
FRTPの課題として、強化繊維と樹脂の接着性が低いため、一方向材(UD材)における90度方向の曲げ強度が低い事が挙げられる。強化繊維と樹脂の接着性を改善するために、繊維に付着しているサイジング剤を洗浄する、繊維表面をオゾンや酸などで酸化するなど、強化繊維表面への改質が様々な方法が検討されているが、いずれも追加の工程を必要とし、簡便ではない(非特許文献1)。One of the issues with FRTP is that the adhesion between the reinforcing fibers and the resin is low, resulting in low bending strength in the 90-degree direction in unidirectional materials (UD materials). In order to improve the adhesion between the reinforcing fibers and the resin, various methods have been considered for modifying the reinforcing fiber surface, such as cleaning the sizing agent attached to the fibers and oxidizing the fiber surface with ozone or acid, but all of these require additional steps and are not simple (Non-Patent Document 1).
強化繊維への接着性を改善し、熱可塑性樹脂として、現場重合型熱可塑性エポキシ樹脂が提案されている。現場重合型熱可塑性エポキシ樹脂は、重合前の低粘度状態で繊維へ含浸させるため含浸性が良く、強化繊維の割合を高めることができる。また、エポキシ樹脂の2級水酸基の存在により強化繊維と良好に接着することが期待される。 In-situ polymerization thermoplastic epoxy resins have been proposed as thermoplastic resins with improved adhesion to reinforcing fibers. In-situ polymerization thermoplastic epoxy resins have good impregnation properties because they are impregnated into fibers in a low viscosity state before polymerization, making it possible to increase the proportion of reinforcing fibers. In addition, the presence of secondary hydroxyl groups in the epoxy resins is expected to result in good adhesion to reinforcing fibers.
熱可塑性エポキシ樹脂と炭素繊維の接着性に関する既報の中では、熱可塑性エポキシの分子量が増加すると、炭素繊維/母材間の界面せん断強度が向上することが報告されている(非特許文献2)。Previous reports on the adhesion between thermoplastic epoxy resins and carbon fibers have shown that increasing the molecular weight of the thermoplastic epoxy improves the interfacial shear strength between the carbon fiber and the matrix (Non-Patent Document 2).
しかしながら、本発明者らの検討によると、熱可塑性エポキシ樹脂の強化繊維内で分子量を十分に増大させるためには、重合のために充分な時間をかける必要がある。また、高耐熱化のために熱可塑性エポキシ樹脂の骨格を嵩高いものとすると、反応の立体障害が大きくなるため、重合のための硬化時間がさらに長くなり、生産性が悪い。このため、生産性に優れる簡易な手法により、熱可塑性エポキシ樹脂の強化繊維への接着性を改善し、90度方向の曲げ強度を向上させる方法が求められていた。However, according to the inventors' research, in order to sufficiently increase the molecular weight of the thermoplastic epoxy resin within the reinforcing fibers, it is necessary to allow sufficient time for polymerization. Furthermore, if the skeleton of the thermoplastic epoxy resin is made bulky in order to increase heat resistance, the steric hindrance of the reaction becomes large, so the curing time for polymerization becomes even longer and productivity is poor. For this reason, a method has been sought that improves the adhesion of thermoplastic epoxy resin to reinforcing fibers and improves bending strength in the 90-degree direction using a simple method with excellent productivity.
熱可塑性エポキシ樹脂の強化繊維への接着性発現を目的とし、本発明者らが鋭意検討した結果、特定のエポキシ樹脂組成物を用いることにより、強化繊維への接着性を改善し、90度方向の曲げ強度を向上できることを見出した。As a result of extensive research conducted by the inventors with the aim of developing adhesive properties for thermoplastic epoxy resins to reinforcing fibers, they have discovered that the use of a specific epoxy resin composition can improve adhesion to reinforcing fibers and increase bending strength in the 90 degree direction.
すなわち、本発明は、2官能フェノール化合物、2官能エポキシ樹脂及び重合触媒を必須成分として含むエポキシ樹脂組成物であって、
2官能エポキシ樹脂として、下記式(1)で表される2官能のエポキシ樹脂(a)を50重量%以上含み、
2官能フェノール化合物1モルに対して、2官能エポキシ樹脂は1.01~1.05モルであり、
上記エポキシ樹脂組成物より得られる重合物が、熱可塑性エポキシ樹脂であり、そのエポキシ当量が5000g/eq.以上20000g/eq.以下であり、曲げ強度が70MPa以上であり、これをテトラヒドロフランに溶解させた際に不溶となる成分が重合物中の10重量%以下であることを特徴とするエポキシ樹脂組成物である。
That is, the present invention provides an epoxy resin composition comprising, as essential components, a bifunctional phenol compound, a bifunctional epoxy resin, and a polymerization catalyst,
The difunctional epoxy resin contains 50% by weight or more of a difunctional epoxy resin (a) represented by the following formula (1):
The amount of the difunctional epoxy resin is 1.01 to 1.05 moles per mole of the difunctional phenol compound,
The epoxy resin composition is characterized in that the polymer obtained from the epoxy resin composition is a thermoplastic epoxy resin, has an epoxy equivalent of 5,000 g/eq. or more and 20,000 g/eq. or less, has a bending strength of 70 MPa or more, and contains 10% by weight or less of a component that becomes insoluble when the polymer is dissolved in tetrahydrofuran.
また本発明は、上記エポキシ樹脂組成物と強化繊維を混合させることで得られる強化繊維含有エポキシ樹脂組成物、又はプリプレグである。The present invention also relates to a reinforcing fiber-containing epoxy resin composition or prepreg obtained by mixing the above-mentioned epoxy resin composition with reinforcing fibers.
上記強化繊維はPAN系の炭素繊維が好ましく、樹脂組成物、又はプリプレグ中に50重量%以上80重量%以下の割合で含むことが好ましい。The above-mentioned reinforcing fibers are preferably PAN-based carbon fibers, and are preferably contained in the resin composition or prepreg in a proportion of 50% by weight or more and 80% by weight or less.
また本発明は、上記強化繊維含有エポキシ樹脂組成物又は上記プリプレグを用いた繊維強化プラスチックである。The present invention also relates to a fiber-reinforced plastic using the above-mentioned reinforcing fiber-containing epoxy resin composition or the above-mentioned prepreg.
本発明により、強化繊維への接着性に優れた熱可塑性エポキシ樹脂組成物を提供することができる。The present invention makes it possible to provide a thermoplastic epoxy resin composition having excellent adhesion to reinforcing fibers.
強化繊維と樹脂の接着性が発揮された理由は、原料組成比を制御することで、エポキシ当量が低くエポキシ基濃度が高いエポキシ樹脂を得ることができ、強化繊維表面の官能基及びサイジング剤と良好な接着を形成するためと考えられる。
また、重合が十分に進んでいないなどの理由で、重合物の曲げ強度が70MPa以上であることにより、複合材料として十分な強度を発現することができる。従来、エポキシ樹脂の接着性は2級水酸基に起因されるとされており、重合物のエポキシ基濃度の影響に言及した報告はない。本発明によれば、原料の仕込み比を調整する簡便な手法により、強化繊維への接着性を発揮できる。
The reason why the adhesion between the reinforcing fibers and the resin was demonstrated is thought to be that by controlling the raw material composition ratio, an epoxy resin with a low epoxy equivalent and a high epoxy group concentration can be obtained, which forms good adhesion with the functional groups on the surface of the reinforcing fibers and the sizing agent.
In addition, when the polymerization is not sufficiently advanced, the bending strength of the polymer is 70 MPa or more, so that the composite material can exhibit sufficient strength. Conventionally, the adhesiveness of epoxy resins is believed to be due to secondary hydroxyl groups, and there have been no reports that mention the effect of the epoxy group concentration of the polymer. According to the present invention, the adhesiveness to reinforcing fibers can be exhibited by a simple method of adjusting the feed ratio of the raw materials.
以下、本発明をその好適な実施形態に即して詳細に説明する。
本発明のエポキシ樹脂組成物は、2官能フェノール化合物と2官能エポキシ樹脂及び重合触媒を必須成分として含み、加熱により重合することができる組成物である。これには有機溶剤や、充填剤、難燃剤などの添加剤が含まれていてもよい。
The present invention will be described in detail below based on preferred embodiments thereof.
The epoxy resin composition of the present invention is a composition that contains a bifunctional phenol compound, a bifunctional epoxy resin, and a polymerization catalyst as essential components and can be polymerized by heating. This composition may also contain additives such as an organic solvent, a filler, and a flame retardant.
上記2官能エポキシ樹脂は、上記式(1)で表される上記エポキシ樹脂(a)を、50重量%以上必須成分として含む。好ましくは66重量%以上であり、より好ましくは75重量%以上であり、さらに好ましくは80重量%以上である。エポキシ樹脂(a)は2官能エポキシ樹脂の一部を構成する。
また、2官能エポキシ樹脂のエポキシ当量は、150~350g/eq.が好ましい。
The bifunctional epoxy resin contains the epoxy resin (a) represented by the formula (1) as an essential component in an amount of 50% by weight or more, preferably 66% by weight or more, more preferably 75% by weight or more, and even more preferably 80% by weight or more. The epoxy resin (a) constitutes a part of the bifunctional epoxy resin.
The epoxy equivalent of the difunctional epoxy resin is preferably 150 to 350 g/eq.
式(1)において、Aは上記式(2)で表される2価の基である。nは繰り返し数でその平均値は0~5であり、好ましくは0~1である。In formula (1), A is a divalent group represented by the above formula (2). n is the number of repetitions, the average value of which is 0 to 5, preferably 0 to 1.
式(2)において、Xは単結合、炭素数1~13の炭化水素基、-O-、-CO-、-COO-、-S-、-SO2-のいずれかである。
炭素数1~13の炭化水素基としては、炭素数1~9のアルキレン基又は炭素数6~13のアリーレン基が好ましく、例えば、-CH2-、-CH(CH3)-、-C(CH3)2-、-C(CF3)2-、-CHPh-、-C(CH3)Ph-、1,1-シクロプロピレン基、1,1-シクロブチレン基、1,1-シクロペンチレン基、1,1-シクロヘキシレン基、4-メチル-1,1-シクロヘキシレン基、3,3,5-トリメチル-1,1-シクロヘキシレン基、1,1-シクロオクチレン基、1,1-シクロノニレン基、1,2-エチレン基、1,2-シクロプロピレン基、1,2-シクロブチレン基、1,2-シクロペンチレン基、1,2-シクロヘキシレン基、1,2-フェニレン基、1,3-プロピレン基、1,3-シクロブチレン基、1,3-シクロペンチレン基、1,3-シクロヘキシレン基、1,3-フェニレン基、1,4-ブチレン基、1,4-シクロヘキシレン基、1,4-フェニレン基、1,1-フルオレン基、1,2-キシリレン基、1,4-キシリレン基、テトラヒドロジシクロペンタジエニレン基、テトラヒドロトリシクロペンタジエニレン基などが挙げられる。
これらの内、単結合、-O-、-CO-、-COO-、-S-、-SO2-、-CH2-、-CH(CH3)-、-C(CH3)2-、-CHPh-、-C(CH3)Ph-、1,1-シクロヘキシレン基、4-メチル-1,1-シクロヘキシレン基、3,3,5-トリメチル-1,1-シクロヘキシレン基、1,4-シクロヘキシレン基、1,4-フェニレン基、1,1-フルオレン基が好ましく、単結合、-O-、-CO-、-COO-、-S-、-SO2-、-CH2-、-CH(CH3)-、-C(CH3)2-、-C(CH3)Ph-、1,1-シクロヘキシレン基、3,3,5-トリメチル-1,1-シクロヘキシレン基、1,1-フルオレン基がより好ましい。
なお、Phはフェニル基を表す。アルキレン基はアルキリデン基を含む意味である。
In formula (2), X is any one of a single bond, a hydrocarbon group having 1 to 13 carbon atoms, -O-, -CO-, -COO-, -S- and -SO 2 -.
The hydrocarbon group having 1 to 13 carbon atoms is preferably an alkylene group having 1 to 9 carbon atoms or an arylene group having 6 to 13 carbon atoms, for example, -CH 2 -, -CH(CH 3 )-, -C(CH 3 ) 2 -, -C(CF 3 ) 2 -, -CHPh-, -C(CH 3 )Ph-, 1,1-cyclopropylene group, 1,1-cyclobutylene group, 1,1-cyclopentylene group, 1,1-cyclohexylene group, 4-methyl-1,1-cyclohexylene group, 3,3,5-trimethyl-1,1-cyclohexylene group, 1,1-cyclooctylene group, 1,1-cyclononylene group, 1,2-ethylene group, 1,2-cyclopropylene group, 1,2-cyclobutylene group, 1,2-cyclopentylene group, 1,2-cyclohexyl group, Examples of such alkylene groups include a 1,2-phenylene group, a 1,3-propylene group, a 1,3-cyclobutylene group, a 1,3-cyclopentylene group, a 1,3-cyclohexylene group, a 1,3-phenylene group, a 1,4-butylene group, a 1,4-cyclohexylene group, a 1,4-phenylene group, a 1,1-fluorene group, a 1,2-xylylene group, a 1,4-xylylene group, a tetrahydrodicyclopentadienylene group, and a tetrahydrotricyclopentadienylene group.
Among these, a single bond, -O-, -CO-, -COO-, -S-, -SO 2 -, -CH 2 -, -CH(CH 3 )-, -C(CH 3 ) 2 -, -CHPh-, -C(CH 3 )Ph-, 1,1-cyclohexylene group, 4-methyl-1,1-cyclohexylene group, 3,3,5-trimethyl-1,1-cyclohexylene group, 1,4-cyclohexylene group, 1,4-phenylene group, and 1,1-fluorene group are preferred, and a single bond, -O-, -CO-, -COO-, -S-, -SO 2 -, -CH 2 -, -CH(CH 3 )-, -C(CH 3 ) 2 -, and -C(CH 3 ) Ph-, a 1,1-cyclohexylene group, a 3,3,5-trimethyl-1,1-cyclohexylene group, and a 1,1-fluorene group are more preferred.
In addition, Ph represents a phenyl group, and the alkylene group includes an alkylidene group.
Y1は独立に、炭素数1~4のアルキル基、炭素数6~10のアリール基のいずれかである。
炭素数1~4のアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、n-プロピル基、iso-プロピル基、n-ブチル基、sec-ブチル基、iso-ブチル基、t-ブチル基などが挙げられる。
炭素数6~10のアリール基としては、例えば、フェニル基、トリル基、エチルフェニル基、キシリル基、n-プロピルフェニル基、イソプロピルフェニル基、メシチル基、ナフチル基などが挙げられる。
これらの内、メチル基、エチル基、n-プロピル基、n-ブチル基、t-ブチル基、フェニル基、トリル基、キシリル基、又はナフチル基が好ましく、メチル基、エチル基、n-プロピル基、n-ブチル基、t-ブチル基、フェニル基、又はトリル基がより好ましい。
Y1 is independently any one of an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms and an aryl group having 6 to 10 carbon atoms.
Examples of the alkyl group having 1 to 4 carbon atoms include a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an isopropyl group, an n-butyl group, a sec-butyl group, an isobutyl group, and a t-butyl group.
Examples of the aryl group having 6 to 10 carbon atoms include a phenyl group, a tolyl group, an ethylphenyl group, a xylyl group, an n-propylphenyl group, an isopropylphenyl group, a mesityl group, and a naphthyl group.
Of these, a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an n-butyl group, a t-butyl group, a phenyl group, a tolyl group, a xylyl group, or a naphthyl group is preferred, and a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an n-butyl group, a t-butyl group, a phenyl group, or a tolyl group is more preferred.
Y2は独立に、水素原子、炭素数1~4のアルキル基、炭素数6~10のアリール基のいずれかであり、水素原子以外の基が好ましい。アルキル基、アリール基の例としては、前記Y1で例示した基と同様である。好ましいY2はY1と同様である。
Y3は独立に、水素原子、炭素数1~4のアルキル基、炭素数6~10のアリール基のいずれかである。アルキル基、アリール基の例としては、Y1で例示した基と同様である。好ましいY3は水素原子又はY1で例示した基と同様である。
Y2 is independently any one of a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and an aryl group having 6 to 10 carbon atoms, and is preferably a group other than a hydrogen atom. Examples of the alkyl group and the aryl group are the same as those exemplified for Y1 . Preferred Y2 is the same as Y1 .
Y3 is independently any one of a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and an aryl group having 6 to 10 carbon atoms. Examples of the alkyl group and the aryl group are the same as those exemplified for Y1 . Preferred Y3 is a hydrogen atom or the same as those exemplified for Y1 .
2官能エポキシ樹脂(a)としては、例えば、テトラメチルビスフェノールF型エポキシ樹脂(例えば、YSLV-80XY(日鉄ケミカル&マテリアル株式会社製)など)、テトラメチルビフェノール型エポキシ樹脂(例えば、YX-4000(三菱ケミカル株式会社製)など)、ビスクレゾールフルオレン型エポキシ樹脂(例えば、OGSOL CG-500(大阪ガスケミカル株式会社製)など)などが挙げられる。Examples of bifunctional epoxy resins (a) include tetramethylbisphenol F type epoxy resins (e.g., YSLV-80XY (manufactured by Nippon Steel Chemical & Material Co., Ltd.)), tetramethylbiphenol type epoxy resins (e.g., YX-4000 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation)), and biscresolfluorene type epoxy resins (e.g., OGSOL CG-500 (manufactured by Osaka Gas Chemicals Co., Ltd.)).
また、エポキシ樹脂(a)以外のエポキシ樹脂でも2官能エポキシ樹脂であれば併用でき、その純度は95%以上であることが好ましい。そして、2官能エポキシ樹脂としての純度が高ければ、位置異性体やオリゴマーが含まれてもよい。エポキシ樹脂(a)と併用できるエポキシ樹脂として、例えば、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ビスフェノールS型エポキシ樹脂、ビスフェノールアセトフェノン型エポキシ樹脂、ジフェニルスルフィド型エポキシ樹脂、ジフェニルエーテル型エポキシ樹脂、ビスフェノールフルオレン型エポキシ樹脂、などのビスフェノール型エポキシ樹脂や、ビフェノール型エポキシ樹脂、ジフェニルジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、アルキレングリコール型エポキシ樹脂、ジヒドロキシナフタレン型エポキシ樹脂、ジヒドロキシベンゼン型エポキシ樹脂などが挙げられるが、これらに限らない。
エポキシ樹脂(a)と併用できる2官能エポキシ樹脂は、全エポキシ樹脂中の50重量%未満であることが好ましく、30重量%未満であることが望ましい。50重量%を超えるとゲル化して溶剤に溶けにくい成分が発生するため、再賦形性が悪化する恐れがある。
In addition, epoxy resins other than the epoxy resin (a) can be used in combination as long as they are bifunctional epoxy resins, and the purity is preferably 95% or more. If the purity as a bifunctional epoxy resin is high, positional isomers and oligomers may be included. Examples of epoxy resins that can be used in combination with the epoxy resin (a) include, but are not limited to, bisphenol type epoxy resins such as bisphenol A type epoxy resins, bisphenol F type epoxy resins, bisphenol S type epoxy resins, bisphenol acetophenone type epoxy resins, diphenyl sulfide type epoxy resins, diphenyl ether type epoxy resins, and bisphenol fluorene type epoxy resins, biphenol type epoxy resins, diphenyl dicyclopentadiene type epoxy resins, alkylene glycol type epoxy resins, dihydroxy naphthalene type epoxy resins, and dihydroxy benzene type epoxy resins.
The bifunctional epoxy resin that can be used in combination with the epoxy resin (a) is preferably less than 50% by weight, and more preferably less than 30% by weight, of the total epoxy resin. If it exceeds 50% by weight, gelation occurs and components that are difficult to dissolve in solvents are generated, which may deteriorate the reshapeability.
2官能エポキシ樹脂中に1官能の不純物が含まれている場合には重合後の分子量が上がらなくなるため得られた熱可塑性樹脂製品の機械物性が悪くなる恐れがある。そのため、1官能の不純物は2官能エポキシ樹脂に対して2重量%以下であることが好ましい。
3官能以上の不純物が含まれている場合には、その不純物を起点に架橋構造を形成しやすくなるため、重合物の分散が大きくなるほか、ゲル化して熱可塑性を損なう恐れがある。そのため、3官能以上の不純物については2官能エポキシ樹脂に対して1重量%以下であることが好ましい。
なお、エポキシ樹脂、フェノール性水酸基のいずれとも反応する活性基を持たず、また、単体では重合反応を阻害しない不純物成分についても、量が多くなると重合後の分子量が小さくなる恐れがある。そのため、2官能エポキシ樹脂に対して2重量%以下であることが好ましい。
When monofunctional impurities are contained in a bifunctional epoxy resin, the molecular weight after polymerization does not increase, and the mechanical properties of the obtained thermoplastic resin product may deteriorate. Therefore, it is preferable that the monofunctional impurities are 2% by weight or less relative to the bifunctional epoxy resin.
When trifunctional or higher impurities are contained, the impurities tend to form crosslinked structures starting from the impurities, which may lead to increased dispersion of the polymer and gelation, resulting in loss of thermoplasticity. Therefore, it is preferable that the trifunctional or higher impurities are 1% by weight or less relative to the bifunctional epoxy resin.
In addition, impurity components that do not have active groups that react with either the epoxy resin or the phenolic hydroxyl group and that do not inhibit the polymerization reaction by themselves may cause the molecular weight after polymerization to decrease if their amount is large. Therefore, it is preferable that the amount of such impurity components is 2% by weight or less relative to the bifunctional epoxy resin.
本発明のエポキシ樹脂組成物に使用する2官能フェノール化合物は、1分子中に2つのフェノール性水酸基を有する化合物であり、その純度は95重量%以上であることが好ましい。そして、2官能フェノール化合物としての純度が高ければ、位置異性体については含まれていてもよい。
1官能の不純物が含まれている場合には重合後の分子量が上がらなくなるために製造された熱可塑性樹脂の機械物性が悪くなる恐れがある。そのため、1官能の不純物は、2官能フェノール化合物に対して2重量%以下であることが好ましい。
3官能以上の不純物が含まれている場合には、その不純物を起点に架橋構造を形成しやすくなるため、重合物の分散が大きくなるほか、ゲル化して熱可塑性を損なう恐れがある。そのため、3官能以上の不純物は、2官能フェノール化合物に対して1重量%以下であることが好ましい。
なお、エポキシ樹脂、フェノール性水酸基のいずれとも反応する活性基を持たず、また、単体では重合反応を阻害しない不純物成分についても、量が多くなると重合後の分子量が小さくなる恐れがある。そのため、2官能フェノール化合物に対して2重量%以下であることが好ましい。
The bifunctional phenol compound used in the epoxy resin composition of the present invention is a compound having two phenolic hydroxyl groups in one molecule, and its purity is preferably 95% by weight or more. If the purity of the bifunctional phenol compound is high, positional isomers may be contained.
When monofunctional impurities are contained, the molecular weight after polymerization does not increase, and the mechanical properties of the produced thermoplastic resin may deteriorate. Therefore, it is preferable that the monofunctional impurities are 2% by weight or less based on the bifunctional phenol compound.
When trifunctional or higher impurities are contained, the impurities tend to form crosslinked structures starting from the impurities, which may lead to increased dispersion of the polymer and gelation, resulting in loss of thermoplasticity. Therefore, it is preferable that the trifunctional or higher impurities are 1% by weight or less relative to the bifunctional phenol compound.
In addition, impurity components that do not have active groups that react with either the epoxy resin or the phenolic hydroxyl group and that do not inhibit the polymerization reaction by themselves may cause the molecular weight after polymerization to decrease if their amount is large. Therefore, it is preferable that the amount of such impurity components is 2% by weight or less relative to the bifunctional phenol compound.
2官能フェノール化合物は、ビスフェノール化合物又はビフェノール化合物が好ましい。ビスフェノール化合物としては、例えば、ビスフェノールA、ビスフェノールF(以上、日鉄ケミカル&マテリアル株式会社製)、ビスフェノールフルオレン(大阪ガスケミカル株式会社製)、Bis-E、Bis-Z、BisOC-FL、BisP-AP、BisP-CDE、BisP-HTG、BisP-MIBK、BisP-3MZ、S-BOC(以上、本州化学工業株式会社製)、ビスフェノールSなどが挙げられる。ビフェノール化合物としては、例えば、ビフェノール、ジメチルビフェノール、テトラメチルビフェノールなどが挙げられる。この他の2官能フェノール化合物としては、例えば、ハイドロキノン、メチルハイドロキノン、ジブチルハイドロキノン、レゾルシン、メチルレゾルシン、カテコール、メチルカテコールなどのベンゼンジオール類や、ナフタレンジオールなどのナフタレンジオール類などが挙げられる。これらの内、ビスフェノール化合物類又はビフェノール化合物類が好ましい。The bifunctional phenol compound is preferably a bisphenol compound or a biphenol compound. Examples of the bisphenol compound include bisphenol A, bisphenol F (all manufactured by Nippon Steel Chemical & Material Co., Ltd.), bisphenol fluorene (manufactured by Osaka Gas Chemical Co., Ltd.), Bis-E, Bis-Z, BisOC-FL, BisP-AP, BisP-CDE, BisP-HTG, BisP-MIBK, BisP-3MZ, S-BOC (all manufactured by Honshu Chemical Industry Co., Ltd.), and bisphenol S. Examples of the biphenol compound include biphenol, dimethylbiphenol, and tetramethylbiphenol. Other bifunctional phenol compounds include benzenediols such as hydroquinone, methylhydroquinone, dibutylhydroquinone, resorcin, methylresorcin, catechol, and methylcatechol, and naphthalenediols such as naphthalenediol. Of these, bisphenol compounds or biphenol compounds are preferred.
本発明のエポキシ樹脂組成物に含まれる2官能エポキシ樹脂の割合は、2官能フェノール化合物の1モルに対して、1.01~1.05モル、好ましくは1.02~1.03モルである。熱可塑性エポキシ樹脂ではエポキシ樹脂とフェノール化合物が逐次的に反応し、直鎖構造をとることで熱可塑性を発現する。エポキシ樹脂が過剰であるとエポキシ基末端となり、フェノール化合物が過剰であるとフェノール基末端となり反応が終了する。
エポキシ樹脂の割合が1.01モル未満の場合、重合物がフェノール基末端となりやすく、強化繊維への接着性が発現しない恐れがある。
エポキシ樹脂の割合が1.05モル超の場合、重合反応終了後も未反応のエポキシ樹脂成分が樹脂中に存在することになり樹脂の強度に悪影響を及ぼす恐れがある。
The ratio of the bifunctional epoxy resin contained in the epoxy resin composition of the present invention is 1.01 to 1.05 mol, preferably 1.02 to 1.03 mol, per mol of the bifunctional phenolic compound. In a thermoplastic epoxy resin, the epoxy resin and the phenolic compound react successively to form a linear structure, thereby exhibiting thermoplasticity. If there is an excess of the epoxy resin, the epoxy group ends, and if there is an excess of the phenolic compound, the phenolic group ends, and the reaction ends.
If the ratio of the epoxy resin is less than 1.01 mol, the polymer is likely to have a phenol group terminal, and there is a risk that adhesion to the reinforcing fibers will not be exhibited.
If the ratio of the epoxy resin exceeds 1.05 mol, unreacted epoxy resin components will remain in the resin even after the polymerization reaction is completed, which may adversely affect the strength of the resin.
エポキシ樹脂組成物において、フェノール化合物がエポキシ樹脂中に結晶状態で存在すると、ミクロで見た時にモル比が設計から外れる。この状態で反応を開始すると、重合が十分に進行しないことがある。重合を十分に進行させるためには、フェノール化合物とエポキシ樹脂が相互に均一に溶解(相溶)しているエポキシ樹脂組成物が好ましい。
また、強化繊維等を配合する前のエポキシ樹脂組成物は完全に溶解又は均一な液状となっていることが望ましいが、例えば、気泡を含まない状態でガラス製シャーレに厚さ2mmになるように溶融混合物を入れて厚み方向のヘイズ値を測定した場合において、その厚み方向のヘイズ値が30%未満であれば、重合反応に影響しない水準まで溶解又は均一な液状となったものと判断する。ヘイズ値についてより好ましくは20%未満、さらに好ましくは10%未満である。
In an epoxy resin composition, if a phenolic compound is present in a crystalline state in an epoxy resin, the molar ratio will deviate from the design when viewed microscopically. If the reaction is started in this state, the polymerization may not proceed sufficiently. In order to proceed sufficiently with the polymerization, an epoxy resin composition in which the phenolic compound and the epoxy resin are uniformly dissolved (compatible) with each other is preferred.
In addition, it is desirable that the epoxy resin composition before blending with reinforcing fibers, etc., is completely dissolved or in a uniform liquid state, but for example, when the molten mixture is poured into a glass petri dish to a thickness of 2 mm without any air bubbles and the haze value in the thickness direction is measured, if the haze value in the thickness direction is less than 30%, it is judged that the composition has dissolved to a level that does not affect the polymerization reaction or has become a uniform liquid state. The haze value is more preferably less than 20%, and even more preferably less than 10%.
エポキシ樹脂組成物に使用する重合触媒には制限はないが、公知のものを使用することができる。具体的には、トリフェニルホスフィン、トリス(パラトルイル)ホスフィン、トリス(オルソトルイル)ホスフィン、トリス(パラメトキシフェニル)ホスフィンなどのリン系重合触媒が挙げられる。それ以外の重合触媒としては、1B2MZ、1B2PZ、TBZ(四国化成工業製)などのイミダゾール化合物が挙げられる。There are no limitations on the polymerization catalyst used in the epoxy resin composition, but any known catalyst can be used. Specific examples include phosphorus-based polymerization catalysts such as triphenylphosphine, tris(paratoluyl)phosphine, tris(orthotoluyl)phosphine, and tris(paramethoxyphenyl)phosphine. Other polymerization catalysts include imidazole compounds such as 1B2MZ, 1B2PZ, and TBZ (manufactured by Shikoku Chemical Industry Co., Ltd.).
上記重合触媒は2官能エポキシ樹脂と2官能フェノール化合物からなる樹脂組成物の総量に対して、0.05重量%以上5重量%以下であることが望ましい。0.05重量%未満である場合は、現場重合において時間がかかってしまうために生産性が低下する恐れがあるほか、目標の分子量に到達するまでに何らかの理由で失活する恐れがある。5重量%を超える場合は、重合反応が速やかに進行する一方で貯蔵安定性を損なってプロセス適合性に問題が発生する恐れがあり、反応に関与するが骨格には取り込まれない成分であるため、重合後の物性を損なう恐れがあるほか、単純に高価であるため、経済的にも不利益である。The polymerization catalyst is preferably 0.05% by weight or more and 5% by weight or less based on the total amount of the resin composition consisting of a bifunctional epoxy resin and a bifunctional phenolic compound. If it is less than 0.05% by weight, the on-site polymerization takes too long, which may reduce productivity, and it may be deactivated for some reason before the target molecular weight is reached. If it exceeds 5% by weight, the polymerization reaction proceeds quickly, but storage stability may be impaired, which may cause problems with process compatibility, and since it is a component that participates in the reaction but is not incorporated into the skeleton, it may impair the physical properties after polymerization, and it is simply expensive, which is economically disadvantageous.
エポキシ樹脂組成物は、重合触媒の溶媒又は粘度調整のために、有機溶剤を含有してもよい。用いる有機溶剤はエポキシ樹脂とフェノール化合物との反応を阻害しないものであれば特に限定されるものではないが、入手のしやすさから、炭化水素系、ケトン系、エーテル系が好ましい。具体的には、トルエン、キシレン、アセトン、メチルエチルケトン、イソブチルケトン、シクロペンタノン、シクロヘキサノン、ジエチレングリコールジメチルエーテルなどが挙げられる。しかしながら、反応中に有機溶剤が多量に存在すると重合反応を阻害する。また、重合物中に有機溶剤が残存すると機械物性や耐熱性を悪化させる。このため、有機溶剤の割合はエポキシ樹脂組成物の全重量に対して5重量%以下であることが望ましい。The epoxy resin composition may contain an organic solvent to adjust the viscosity or as a solvent for the polymerization catalyst. The organic solvent used is not particularly limited as long as it does not inhibit the reaction between the epoxy resin and the phenolic compound, but hydrocarbons, ketones, and ethers are preferred because of their ease of availability. Specific examples include toluene, xylene, acetone, methyl ethyl ketone, isobutyl ketone, cyclopentanone, cyclohexanone, and diethylene glycol dimethyl ether. However, if a large amount of organic solvent is present during the reaction, it inhibits the polymerization reaction. In addition, if organic solvent remains in the polymer, it deteriorates the mechanical properties and heat resistance. For this reason, it is desirable that the proportion of organic solvent is 5% by weight or less based on the total weight of the epoxy resin composition.
エポキシ樹脂組成物の重合の進行状況は重合物のエポキシ当量の推移で判断することがよい。1時間未満の加熱だとエポキシ当量は増加傾向にあり、十分に重合が進行していない可能性がある。1時間以上の加熱では、エポキシ当量は1時間時点の値からほぼ増加せず十分に重合が進行していると判断できる。これにより、エポキシ樹脂組成物から重合物を得るための重合条件は160℃で1時間の加熱とした。本発明で、テトラヒドロフラン(THF)不溶分を測定するための重合物は、この条件で重合したものをいう。The progress of polymerization of an epoxy resin composition can be judged from the change in the epoxy equivalent of the polymer. If the heating is for less than one hour, the epoxy equivalent tends to increase, and it is possible that polymerization has not progressed sufficiently. If the heating is for more than one hour, the epoxy equivalent hardly increases from the value at one hour, and it can be determined that polymerization has progressed sufficiently. Therefore, the polymerization conditions for obtaining a polymer from the epoxy resin composition were set to heating at 160°C for one hour. In this invention, the polymer used to measure the tetrahydrofuran (THF) insoluble content is the one polymerized under these conditions.
強化繊維含有エポキシ樹脂組成物及びプリプレグの重合の進行状況も重合物の進捗状況の確認と同様にエポキシ当量の推移で判断した。4時間未満の加熱だとエポキシ当量は増加傾向にあり、十分に重合が進行していない可能性がある。4時間以上の加熱では、エポキシ当量は4時間時点の値からほぼ増加せず十分に重合が進行していると判断した。なお、繊維を複合させたエポキシ樹脂組成物では、加熱時間をエポキシ樹脂組成物単体の4倍とすることで、ほぼ同等のエポキシ当量となる。これは繊維中で反応が抑制されるためと考えられる。これにより、強化繊維含有エポキシ樹脂組成物又はプリプレグから繊維強化プラスチックを得るための硬化条件は、160℃で4時間の加熱とした。The progress of polymerization of the reinforcing fiber-containing epoxy resin composition and prepreg was judged by the change in epoxy equivalent, in the same way as checking the progress of the polymerization product. When heated for less than four hours, the epoxy equivalent tends to increase, and it is possible that polymerization has not progressed sufficiently. When heated for more than four hours, the epoxy equivalent hardly increases from the value at the four-hour mark, and it was judged that polymerization has progressed sufficiently. In the case of an epoxy resin composition containing fibers, the epoxy equivalent is almost the same when the heating time is four times that of the epoxy resin composition alone. This is thought to be because the reaction is suppressed in the fibers. For this reason, the curing conditions for obtaining fiber-reinforced plastic from the reinforcing fiber-containing epoxy resin composition or prepreg were set to heating at 160°C for four hours.
本発明のエポキシ樹脂組成物を、強化繊維のような充填剤や添加剤を含まない状態において重合することで得られる重合物の曲げ強度は70MPa以上であることが重要である。重合物の曲げ強度が範囲下限以下であると、繊維強化プラスチックとして機械的強度を十分に発揮することができない。この強度は高いほど繊維強化プラスチックとして機械的強度がよくなるため、特に上限値を規定する必要はない。It is important that the flexural strength of the polymer obtained by polymerizing the epoxy resin composition of the present invention without containing fillers or additives such as reinforcing fibers is 70 MPa or more. If the flexural strength of the polymer is below the lower limit of the range, it will not be able to fully exhibit mechanical strength as a fiber-reinforced plastic. The higher this strength, the better the mechanical strength of the fiber-reinforced plastic will be, so there is no need to specify an upper limit.
本発明のエポキシ樹脂組成物を重合することで得られる重合物のエポキシ当量は5000g/eq.以上20000g/eq.以下である。重合物のエポキシ当量が範囲下限未満の場合、十分に重合が進行していないエポキシ樹脂を多く含むこととなり、機械的強度が悪化する恐れがある。重合物のエポキシ当量が範囲上限超の場合、末端基がフェノール基となるため、強化繊維の接着性が悪くなる恐れがある。The epoxy equivalent of the polymer obtained by polymerizing the epoxy resin composition of the present invention is 5000 g/eq. or more and 20000 g/eq. or less. If the epoxy equivalent of the polymer is less than the lower limit of the range, the polymer contains a large amount of epoxy resin that has not been sufficiently polymerized, and there is a risk of the mechanical strength being deteriorated. If the epoxy equivalent of the polymer exceeds the upper limit of the range, the terminal groups become phenol groups, and there is a risk of the adhesion of the reinforcing fibers being deteriorated.
本発明のエポキシ樹脂組成物は添加剤を含むことができる。添加剤としては、例えば、ヒュームドシリカなどの充填剤、水酸化アルミニウムや赤燐などの難燃剤、コアシェルゴムなどの改質剤などが挙げられる。重合反応を安定させる観点から、添加剤は樹脂相とは異なるものが配合されることが望ましいが、反応に影響しない範囲において、可塑剤、相溶型の難燃剤が含まれていてもよい。The epoxy resin composition of the present invention may contain additives. Examples of additives include fillers such as fumed silica, flame retardants such as aluminum hydroxide and red phosphorus, and modifiers such as core-shell rubber. From the viewpoint of stabilizing the polymerization reaction, it is desirable to use additives that are different from the resin phase, but plasticizers and compatible flame retardants may be included to the extent that they do not affect the reaction.
本発明のエポキシ樹脂組成物は、重合させることにより、熱可塑性エポキシ樹脂とすることができる。この熱可塑性エポキシ樹脂は繊維強化プラスチックの樹脂成分として優れる。
本発明の強化繊維含有エポキシ樹脂組成物は、上記エポキシ樹脂組成物と強化繊維を混合又は含侵することにより得られる。また、プリプレグは下記のようにして得ることができる。
The epoxy resin composition of the present invention can be polymerized to form a thermoplastic epoxy resin, which is excellent as a resin component for fiber-reinforced plastics.
The reinforcing fiber-containing epoxy resin composition of the present invention can be obtained by mixing or impregnating the above-mentioned epoxy resin composition with reinforcing fibers. The prepreg can be obtained as follows.
本発明のエポキシ樹脂組成物を、離型処理された紙又はプラスチックフィルムに塗工し、必要に応じて離型処理されたカバーフィルムを付与することで、エポキシ樹脂組成物フィルムを得ることができる。離型紙や離形プラスチックフィルム、カバーフィルムに関しては公知のものを用いることができ、特に限定されるものではない。エポキシ樹脂組成物フィルムの厚さはプリプレグの設計厚さと樹脂比率によって定められるが、通常の厚さは1μm以上300μm以下である。1μm未満の場合、強化繊維をきれいに解繊しなければ繊維の目開きが目立ってしまう問題があり、300μmを超える場合は強化繊維に均一に含浸しにくくなる。好ましくは5μm以上150μm以下であり、より好ましくは10μm以上100μm以下である。The epoxy resin composition of the present invention can be applied to a release-treated paper or plastic film, and a release-treated cover film can be applied as necessary to obtain an epoxy resin composition film. Any known release paper, release plastic film, or cover film can be used, and is not particularly limited. The thickness of the epoxy resin composition film is determined by the design thickness and resin ratio of the prepreg, but is usually 1 μm or more and 300 μm or less. If the thickness is less than 1 μm, there is a problem that the openings of the fibers become noticeable unless the reinforcing fibers are defibrated cleanly, and if the thickness exceeds 300 μm, it becomes difficult to uniformly impregnate the reinforcing fibers. It is preferably 5 μm or more and 150 μm or less, and more preferably 10 μm or more and 100 μm or less.
本発明で使用する強化繊維は、炭素繊維、アラミド繊維、セルロース繊維などのプラスチックを強化するためのものであり、特に限定されるものではない。また、繊維の形態についても繊維を引きそろえたUDシート、織物、トウ、チョップドファイバー、不織布、抄紙などが挙げられ、特に限定されるものではない。ただし、含浸性の観点から、それぞれの繊維束の厚みは1mm以下、好ましくは0.5mm以下、より好ましくは0.2mm以下である。The reinforcing fibers used in the present invention are intended to reinforce plastics, such as carbon fibers, aramid fibers, and cellulose fibers, and are not particularly limited. The form of the fibers is also not particularly limited, and examples include UD sheets with aligned fibers, woven fabrics, tows, chopped fibers, nonwoven fabrics, and paper. However, from the viewpoint of impregnation, the thickness of each fiber bundle is 1 mm or less, preferably 0.5 mm or less, and more preferably 0.2 mm or less.
本発明の強化繊維含有エポキシ樹脂組成物、又はプリプレグは、上記エポキシ樹脂組成物及び/又はエポキシ樹脂組成物フィルムと強化繊維から得られる。
強化繊維とエポキシ樹脂組成物の比率は重量比で、好ましくは5:5~8:2である。強化繊維の比率が、強化繊維が少なすぎると繊維強化材料に求められる強度を十分に満足できない恐れがあり、強化繊維が多すぎるとボイドなどの欠陥が生じる恐れがある。
The reinforcing fiber-containing epoxy resin composition or prepreg of the present invention is obtained from the above-mentioned epoxy resin composition and/or epoxy resin composition film and reinforcing fibers.
The ratio by weight of the reinforcing fibers to the epoxy resin composition is preferably 5:5 to 8:2. If the ratio of the reinforcing fibers is too small, the strength required for the fiber-reinforced material may not be fully satisfied, whereas if the ratio of the reinforcing fibers is too large, defects such as voids may occur.
以下、本発明を実施例に基づいてより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。特に断りがない限り「部」は重量部を表し、「%」は重量%を表す。The present invention will be described in more detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples. Unless otherwise specified, "parts" means parts by weight, and "%" means % by weight.
実施例において用いた原料、触媒、溶媒、強化繊維は以下のとおりである。 The raw materials, catalysts, solvents, and reinforcing fibers used in the examples are as follows:
[エポキシ樹脂]
A1:テトラメチルビフェノール型エポキシ樹脂(三菱ケミカル株式会社製、YX-4000、エポキシ当量188)
A2:ビスフェノールA型エポキシ樹脂(日鉄ケミカル&マテリアル株式会社製、YD-8125、エポキシ当量173)
[Epoxy resin]
A1: Tetramethylbiphenol type epoxy resin (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation, YX-4000, epoxy equivalent 188)
A2: Bisphenol A type epoxy resin (manufactured by Nippon Steel Chemical & Material Co., Ltd., YD-8125, epoxy equivalent 173)
[フェノール化合物]
B1:ビスフェノールA(日鉄ケミカル&マテリアル株式会社製、水酸基当量114)
B2:4,4’-ビス(3,3,5-トリメチルシクロヘキシリデン)ビスフェノール(本州化学工業株式会社製、BisP-HTG、水酸基当量155)
[Phenol compounds]
B1: Bisphenol A (manufactured by Nippon Steel Chemical & Material Co., Ltd., hydroxyl equivalent: 114)
B2: 4,4'-bis(3,3,5-trimethylcyclohexylidene)bisphenol (Honshu Chemical Industry Co., Ltd., BisP-HTG, hydroxyl equivalent: 155)
[重合触媒]
C1:トリス(パラメトキシフェニル)ホスフィン(北興化学工業株式会社製、TPAP)
C2:2,3-ジヒドロ-1H-ピロロ-[1,2-a]ベンズイミダゾール(四国化成工業株式会社製、TBZ)
[Polymerization catalyst]
C1: Tris(paramethoxyphenyl)phosphine (TPAP, manufactured by Hokko Chemical Industry Co., Ltd.)
C2: 2,3-dihydro-1H-pyrrolo-[1,2-a]benzimidazole (manufactured by Shikoku Chemical Industry Co., Ltd., TBZ)
[溶媒]
D1:シクロヘキサノン
[solvent]
D1: Cyclohexanone
[強化繊維]
E:PAN系炭素繊維(東レ株式会社製、T700-12K-50C)
[Reinforced fiber]
E: PAN-based carbon fiber (Toray Industries, Inc., T700-12K-50C)
実施例における評価方法は以下のとおりである。 The evaluation methods used in the examples are as follows:
エポキシ当量:
日本工業規格JIS K7236規格に準拠して測定を行い、単位は「g/eq.」で表した。
重合物はそのまま測定を行い、強化繊維プラスチックは下記手順で樹脂成分を抽出後、得られた樹脂成分を用いて測定を行った。
110mLのバイアル瓶に試料約4gを秤量し、100mLのテトラヒドロフラン(THF)を加え、室温で超音波拡散を1時間行った後、23時間以上室温で静置して溶解した。得られたTHF溶液を5μmのろ紙で減圧濾過し、ろ液を回収した。回収したろ液をシリコンバット中で、20℃で24時間以上乾燥後、110℃に設定したオーブンで5時間以上乾燥することでフィルム化した樹脂成分を得た。
Epoxy equivalent:
The measurement was carried out in accordance with Japanese Industrial Standard JIS K7236, and the unit was expressed in "g/eq.".
The polymer was measured as it was, and the resin component of the fiber-reinforced plastic was extracted by the following procedure, and the obtained resin component was used for the measurement.
Approximately 4 g of the sample was weighed into a 110 mL vial, 100 mL of tetrahydrofuran (THF) was added, ultrasonic diffusion was performed at room temperature for 1 hour, and then the mixture was left to stand at room temperature for 23 hours or more to dissolve. The obtained THF solution was filtered under reduced pressure with a 5 μm filter paper, and the filtrate was collected. The collected filtrate was dried in a silicon bat at 20 ° C for 24 hours or more, and then dried in an oven set at 110 ° C for 5 hours or more to obtain a film-formed resin component.
水酸基当量:
JIS K0070規格に準拠して測定を行い、単位は「g/eq.」で表した。なお、特に断りがない限り、フェノール樹脂の水酸基当量はフェノール性水酸基当量を意味する。
Hydroxyl equivalent:
The measurement was carried out in accordance with JIS K0070 standard, and the unit was "g/eq." Unless otherwise specified, the hydroxyl equivalent of the phenol resin means the phenolic hydroxyl equivalent.
均一性;
フェノール化合物がエポキシ樹脂中に均一に溶融しているかどうかヘイズ値により判断した。エポキシ樹脂組成物を無色透明のガラス製シャーレに厚み2mmになるように入れ、村上色彩技術研究所製のヘイズ標準板を参考に、ヘイズ値を「5%未満(<5)」「10%未満(<10)」「20%未満(<20)」「30%未満(<30)」「30%以上(30≦)」の5段階で評価した。イズ値が30%未満であれば、フェノール化合物がエポキシ樹脂中に均一に溶解していると判断し、〇とし、30%以上であれば、均一に溶解していないと判断し×とした。
Uniformity;
Whether the phenol compound was uniformly dissolved in the epoxy resin was judged by the haze value. The epoxy resin composition was placed in a colorless and transparent glass petri dish to a thickness of 2 mm, and the haze value was evaluated in five stages, "less than 5% (<5)", "less than 10% (<10)", "less than 20% (<20)", "less than 30% (<30)", and "30% or more (30≦)", with reference to a haze standard plate manufactured by Murakami Color Research Laboratory. If the haze value was less than 30%, it was judged that the phenol compound was uniformly dissolved in the epoxy resin and was marked with ◯, and if it was 30% or more, it was judged that the phenol compound was not uniformly dissolved and was marked with ×.
ゲル分率;
100mLのバイアル瓶に試料を約1g精秤し、50mLのテトラヒドロフランを加え、室温で超音波拡散を1時間行った後、23時間以上室温で静置して溶解した。また、325メッシュの金網を100℃のオーブンで1時間乾燥し、その重量を測定した。この金網を漏斗形状に折り、試料溶液を全量漏斗の上に流し込んだ。バイアル瓶に試料の不溶解物が残らなくなるまでテトラヒドロフランで洗浄して漏斗に流し込んだ後、さらに金網上の不溶解物をテトラヒドロフランで洗浄してから100℃のオーブンで4時間以上乾燥させた。乾燥した試料と金網の重量から金網の乾燥重量を引き、これを試料重量で除してゲル分率を重量%で求めて評価した。ゲル分率はTHF不溶分の重量%に等しい。
Gel fraction;
Approximately 1 g of the sample was weighed out in a 100 mL vial, 50 mL of tetrahydrofuran was added, ultrasonic diffusion was performed at room temperature for 1 hour, and the sample was dissolved by leaving it at room temperature for 23 hours or more. A 325 mesh wire net was dried in an oven at 100 ° C for 1 hour, and its weight was measured. The wire net was folded into a funnel shape, and the entire sample solution was poured onto the funnel. The vial was washed with tetrahydrofuran until no insoluble matter of the sample remained, and then poured into the funnel. The insoluble matter on the wire net was further washed with tetrahydrofuran and then dried in an oven at 100 ° C for 4 hours or more. The dry weight of the wire net was subtracted from the weight of the dried sample and the weight of the wire net, and this was divided by the weight of the sample to determine the gel fraction in weight % and evaluated. The gel fraction is equal to the weight % of the THF insoluble matter.
曲げ試験;
重合物の曲げ強度については、JIS K7171に従って測定した。試験機は(島津サイエンス製オートグラフAGS-X)を使用し、サンプルの寸法は厚さ4mm、長さ100mm、幅15mmとし、曲げスパンは70mmとし、試験速度1mm/minにて試験を実施した。
一方向強化繊維プラスチックの90度方向曲げ強度については、JIS K7074に従って測定した。試験機は(島津サイエンス製オートグラフAGS-X)を使用し、サンプルの寸法は厚さ2mm、長さ100mm、幅15mmとし、曲げスパンは70mmとし、試験速度1mm/minにて試験を実施した。
Bend test;
The bending strength of the polymer was measured in accordance with JIS K 7171. The test machine used was an Autograph AGS-X manufactured by Shimadzu Science Co., Ltd. The sample dimensions were 4 mm in thickness, 100 mm in length, and 15 mm in width, the bending span was 70 mm, and the test was performed at a test speed of 1 mm/min.
The 90 degree bending strength of the unidirectional fiber reinforced plastic was measured in accordance with JIS K 7074. The test was performed using a test machine (Shimadzu Science Autograph AGS-X) with sample dimensions of 2 mm thickness, 100 mm length, and 15 mm width, a bending span of 70 mm, and a test speed of 1 mm/min.
樹脂付着量:
SEM(日本電子社製、JSM-7900F)で、繊維強化プラスチックの曲げ試験後の断面を観察し、繊維への樹脂の付着量を確認した。繊維と樹脂の接着性がよければ、破断面の繊維表面に樹脂がよく付着していることが確認できる。SEMにより繊維10本を観察して、繊維表面の80%以上に樹脂が付着している繊維の本数で評価した。
9本以上:〇 、 8本以下:×
Resin adhesion amount:
The cross section of the fiber reinforced plastic after bending test was observed with a SEM (JSM-7900F, manufactured by JEOL Ltd.) to confirm the amount of resin attached to the fiber. If the adhesion between the fiber and the resin is good, it can be confirmed that the resin is well attached to the fiber surface at the fracture surface. Ten fibers were observed with the SEM, and the evaluation was made based on the number of fibers with resin attached to 80% or more of the fiber surface.
9 or more: ○, 8 or less: ×
実施例1
A1 2913部、B1 1000部、B2 1000部をそれぞれはかりとり、ヘンシェルミキサーを用いて粉砕混合した。続いてバレル温度を170℃に予熱したS1KRCニーダー(株式会社栗本鐵工所製)を用いて溶融混合を行い、金属缶に全量回収し、撹拌しながら冷却して、エポキシ樹脂組成物の前駆体混合物(F1)を得た。
Example 1
2913 parts of A1, 1000 parts of B1, and 1000 parts of B2 were weighed out and pulverized and mixed using a Henschel mixer. Then, melt mixing was carried out using an S1KRC kneader (manufactured by Kurimoto Iron Works, Ltd.) whose barrel temperature was preheated to 170°C, and the entire amount was collected in a metal can and cooled with stirring to obtain a precursor mixture (F1) of an epoxy resin composition.
予めC1(重合触媒)5部をD1(有機溶剤)5部に溶解した。60℃に設定したプラネタリーミキサーに前駆体混合物(F1)を入れ、先の重合触媒溶液を加えて混合した。混合後は速やかに抜き出して、直ちに40℃以下に冷却して、エポキシ樹脂組成物(G1)を得た。 Five parts of C1 (polymerization catalyst) were dissolved in five parts of D1 (organic solvent) in advance. The precursor mixture (F1) was placed in a planetary mixer set at 60°C, and the polymerization catalyst solution was added and mixed. After mixing, the mixture was quickly removed and immediately cooled to below 40°C to obtain an epoxy resin composition (G1).
得られたエポキシ樹脂組成物(G1)を70℃程度に加温撹拌して、あらかじめクリアランスを4mmにセットした鉄製クロムメッキ金型容器に流し込み、熱風循環式オーブン内で160℃、60分間熱重合を行い、重合物を得た。The obtained epoxy resin composition (G1) was heated to about 70°C and stirred, then poured into a chrome-plated iron mold container with a clearance of 4 mm set in advance, and thermally polymerized at 160°C for 60 minutes in a hot air circulating oven to obtain a polymerized product.
得られた重合物のエポキシ当量を測定した結果、9900g/eq.であった。
得られた重合物の曲げ強度を測定した結果、87MPaであった。
得られた重合物のゲル分率を測定したところ、1%であった。
The epoxy equivalent of the resulting polymer was measured and found to be 9,900 g/eq.
The bending strength of the resulting polymer was measured and found to be 87 MPa.
The gel fraction of the resulting polymer was measured and found to be 1%.
実施例2~3、比較例1~4
表1に記載の条件で実施例1と同様の操作でエポキシ樹脂組成物及び重合物を得た。得られた重合物のエポキシ当量、曲げ強度及びゲル分率を実施例1と同様の測定を行い、その評価結果を表1に示した。
Examples 2 to 3, Comparative Examples 1 to 4
Epoxy resin compositions and polymers were obtained in the same manner as in Example 1 under the conditions shown in Table 1. The epoxy equivalent, bending strength and gel fraction of the obtained polymers were measured in the same manner as in Example 1, and the evaluation results are shown in Table 1.
但し、比較例3、4に関しては、ヘンシェルミキサーを用いた粉砕混合に代えて、60℃に設定したプラネタリーミキサー内で攪拌混合を行った。
比較例3については、溶融混合の際のバレル温度を80℃に設定した。この時、得られたエポキシ樹脂組成物のヘイズ値は30%以上であり、フェノール化合物の溶融状態は×と判断した。
また、比較例4は重量物のゲル分率が95%であり、重合物を溶剤中に溶解させられないため、エポキシ当量の測定は行わなかった。
However, in Comparative Examples 3 and 4, instead of pulverization and mixing using a Henschel mixer, stirring and mixing were performed in a planetary mixer set at 60°C.
In Comparative Example 3, the barrel temperature during melt mixing was set to 80° C. At this time, the haze value of the obtained epoxy resin composition was 30% or more, and the molten state of the phenol compound was judged to be ×.
In Comparative Example 4, the gel fraction of the product by weight was 95%, and the polymer could not be dissolved in a solvent, so that the epoxy equivalent was not measured.
実施例4
70℃に予熱したホットプレートの上に離型処理された離型紙を、離型面が上になるように固定し、実施例1で得られたエポキシ樹脂組成物(G1)を離型紙上に乗せてから、70℃に予熱したバーコーターを用いて樹脂の面積重量が79g/m2になるように塗工した。塗工後直ちにホットプレート上から取り外し空冷して、エポキシ樹脂組成物シートを得た。
続いて、得られたエポキシ樹脂組成物シート上に、繊維の面積重量が153g/m2となるように炭素繊維(E)を貼り合わせ、90℃に予熱したホットプレスを用いて面圧が0.5MPaになるように圧力を加え、1分後に取り出して空冷して、Rc=34%のプリプレグを得た。
さらに、得られたプリプレグを繊維の配向方向を同一にして13枚積層した後、離型フィルムで挟み込み、真空プレスにより一方向繊維強化プラスチックを得た。なお、真空プレスの条件は160℃、0.1MPa、240分である。
Example 4
A release-treated release paper was fixed onto a hot plate preheated to 70° C. with the release side facing up, and the epoxy resin composition (G1) obtained in Example 1 was placed on the release paper, and then coated using a bar coater preheated to 70° C. so that the resin area weight became 79 g/ m2 . Immediately after coating, the sheet was removed from the hot plate and air-cooled to obtain an epoxy resin composition sheet.
Subsequently, carbon fiber (E) was laminated onto the obtained epoxy resin composition sheet so that the area weight of the fiber was 153 g/ m2 , and pressure was applied to the sheet using a hot press preheated to 90°C so that the surface pressure became 0.5 MPa. After 1 minute, the sheet was removed and air-cooled to obtain a prepreg having an Rc of 34%.
Thirteen of the prepregs thus obtained were laminated together with the fibers oriented in the same direction, and then sandwiched between release films and vacuum pressed to obtain a unidirectional fiber-reinforced plastic. The vacuum pressing conditions were 160° C., 0.1 MPa, and 240 minutes.
得られた一方向強化繊維プラスチックの90度曲げ強度を測定した結果、86MPaであった。得られた一方向強化繊維プラスチックの樹脂成分について、エポキシ当量を測定した結果、9800g/eq.であった。The 90 degree bending strength of the obtained unidirectional reinforced fiber plastic was measured and found to be 86 MPa. The epoxy equivalent of the resin component of the obtained unidirectional reinforced fiber plastic was measured and found to be 9,800 g/eq.
実施例5~6、比較例5~8について、実施例4と同様の操作にて、一方向強化繊維プラスチックを得た。なお、比較例8は、エポキシ当量測定時に不溶物が多く発生したため、エポキシ当量の測定は行わなかった。For Examples 5 to 6 and Comparative Examples 5 to 8, unidirectional fiber-reinforced plastics were obtained using the same procedure as in Example 4. Note that for Comparative Example 8, the epoxy equivalent was not measured because a large amount of insoluble matter was generated during the epoxy equivalent measurement.
表1、2より、重合物のエポキシ当量が5000g/eq.以上20000g/eq.以下かつ樹脂強度が70MPa以上であれば、強化繊維プラスチックの90度曲げ強度が80MPa以上となることが確認できる。
比較例5(比較例1)より、重合物のエポキシ当量が高いと繊維-樹脂の接着が弱く、90度曲げ強度が十分に発現しないことが確認できる。
比較例6,7(比較例2,3)より、重合物の樹脂強度が十分に強くないと90度曲げ強度が十分に発現しないことが確認できる。
比較例8(比較例4)より、重合物中に不溶成分が多いと、90度曲げ強度が十分に発現しないことが確認できる。ゲル成分を多く含む樹脂は重合反応中の最低溶融粘度が高くなる傾向にあり、CFRP成型物としてボイドが残留しやすくなり、90度曲げ強度に悪影響を与えたと考えられる。
From Tables 1 and 2, it can be seen that if the epoxy equivalent of the polymer is 5,000 g/eq. or more and 20,000 g/eq. or less and the resin strength is 70 MPa or more, the 90 degree bending strength of the fiber-reinforced plastic is 80 MPa or more.
From Comparative Example 5 (Comparative Example 1), it can be confirmed that when the epoxy equivalent of the polymer is high, the adhesion between the fiber and the resin is weak, and the 90 degree bending strength is not sufficiently exhibited.
From Comparative Examples 6 and 7 (Comparative Examples 2 and 3), it can be confirmed that if the resin strength of the polymer is not sufficiently high, the 90 degree bending strength is not sufficiently exhibited.
It can be seen from Comparative Example 8 (Comparative Example 4) that if the polymer contains a large amount of insoluble components, the 90 degree bending strength is not sufficiently achieved. Resins containing a large amount of gel components tend to have a high minimum melt viscosity during the polymerization reaction, which is thought to lead to voids remaining in the CFRP molding, adversely affecting the 90 degree bending strength.
Claims (6)
2官能エポキシ樹脂は、下記式(1)で表される2官能のエポキシ樹脂(a)を50重量%以上含み、
2官能フェノール化合物と2官能エポキシ樹脂の配合比は、2官能フェノール化合物1モルに対して、2官能エポキシ樹脂は1.01~1.05モルであり、
前記エポキシ樹脂組成物より160℃で1時間の加熱にて得られる重合物が熱可塑性エポキシ樹脂であり、エポキシ当量が5000g/eq.以上20000g/eq.以下であり、曲げ強度が70MPa以上であり、テトラヒドロフランに溶解させた際に不溶となる成分が10重量%以下であることを特徴とする強化繊維含有エポキシ樹脂組成物。
ここで、重合物の曲げ強度、テトラヒドロフランに溶解させた際に不溶となる成分(ゲル分率)は、各々、明細書の段落0056、0055に記載した方法で測定した値である。
The difunctional epoxy resin contains 50% by weight or more of a difunctional epoxy resin (a) represented by the following formula (1):
The compounding ratio of the bifunctional phenol compound to the bifunctional epoxy resin is 1.01 to 1.05 moles of the bifunctional epoxy resin per mole of the bifunctional phenol compound,
A polymer obtained by heating the epoxy resin composition at 160°C for 1 hour is a thermoplastic epoxy resin, the polymer having an epoxy equivalent of 5000 g/eq. or more and 20000 g/eq. or less, a bending strength of 70 MPa or more, and a content of a component that is insoluble when dissolved in tetrahydrofuran of 10% by weight or less.
Here, the bending strength of the polymer and the component that becomes insoluble when dissolved in tetrahydrofuran (gel fraction) are values measured by the methods described in paragraphs 0056 and 0055 of the specification, respectively.
2官能エポキシ樹脂は、下記式(1)で表される2官能のエポキシ樹脂(a)を50重量%以上含み、
2官能フェノール化合物と2官能エポキシ樹脂の配合比は、2官能フェノール化合物1モルに対して、2官能エポキシ樹脂は1.01~1.05モルであり、
前記エポキシ樹脂組成物より160℃で1時間の加熱にて得られる重合物が熱可塑性エポキシ樹脂であり、エポキシ当量が5000g/eq.以上20000g/eq.以下であり、曲げ強度が70MPa以上であり、テトラヒドロフランに溶解させた際に不溶となる成分が10重量%以下であることを特徴とするプリプレグ。
ここで、重合物の曲げ強度、テトラヒドロフランに溶解させた際に不溶となる成分(ゲル分率)は、各々、明細書の段落0056、0055に記載した方法で測定した値である。
The difunctional epoxy resin contains 50% by weight or more of a difunctional epoxy resin (a) represented by the following formula (1):
The compounding ratio of the bifunctional phenol compound to the bifunctional epoxy resin is 1.01 to 1.05 moles of the bifunctional epoxy resin per mole of the bifunctional phenol compound,
A prepreg characterized in that a polymer obtained by heating the epoxy resin composition at 160°C for 1 hour is a thermoplastic epoxy resin, the polymer having an epoxy equivalent of 5000 g/eq. or more and 20000 g/eq. or less, a bending strength of 70 MPa or more, and a content of a component that becomes insoluble when dissolved in tetrahydrofuran of 10% by weight or less.
Here, the bending strength of the polymer and the component that becomes insoluble when dissolved in tetrahydrofuran (gel fraction) are values measured by the methods described in paragraphs 0056 and 0055 of the specification, respectively.
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