JP7714866B2 - Towpreg - Google Patents
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Description
本発明は、特に、繊維強化複合材料で構成された中空の容器や円筒の製造に好適に用いられるトウプレグに関するものである。より詳しくは、耐熱性と0°引張強度利用率のバランスに優れ、圧力容器の破裂強度を向上可能な繊維強化複合材料が得られるトウプレグに関するものである。 The present invention relates to towpregs that are particularly suitable for use in manufacturing hollow containers and cylinders made of fiber-reinforced composite materials. More specifically, the present invention relates to towpregs that provide fiber-reinforced composite materials that have an excellent balance between heat resistance and 0° tensile strength utilization rate and can improve the burst strength of pressure vessels.
炭素繊維、ガラス繊維などの強化繊維を用いた繊維強化複合材料は、その優れた軽量性から、航空・宇宙、自動車、鉄道車両、船舶、土木建築およびスポーツ用品などの数多くの分野に適用されている。特に、高性能が要求される用途では、連続した強化繊維を用いた繊維強化複合材料が用いられ、強化繊維としては比強度、比弾性率に優れた炭素繊維が、そして熱硬化性樹脂としては、炭素繊維との接着性に優れたエポキシ樹脂が多く用いられている。 Fiber-reinforced composite materials made with reinforcing fibers such as carbon fiber and glass fiber are used in a wide range of fields, including aerospace, automobiles, railway vehicles, ships, civil engineering and construction, and sporting goods, due to their excellent lightness. In particular, fiber-reinforced composite materials made with continuous reinforcing fibers are used in applications requiring high performance. Carbon fiber, which has excellent specific strength and specific modulus, is often used as the reinforcing fiber, and epoxy resin, which has excellent adhesion to carbon fiber, is often used as the thermosetting resin.
近年の炭素繊維の用途拡大を受け、成形法も広がりを見せている。このうち、フィラメントワインディングは、圧力容器などの中空の容器や円筒の製造に好適に用いられる方法である。生産性および品質の観点から、従来のウェット法に加え、強化繊維束に熱硬化性樹脂をあらかじめ含浸したトウプリプレグ、ヤーンプリプレグあるいはストランドプリプレグなどと呼ばれる細幅の中間基材(以下、トウプレグと記載する)を用いる手法が注目されている。 In response to the recent expansion of carbon fiber applications, molding methods are also expanding. Of these, filament winding is a method that is suitable for manufacturing hollow containers and cylinders, such as pressure vessels. From the standpoints of productivity and quality, in addition to the conventional wet method, attention is being paid to methods that use narrow intermediate substrates (hereinafter referred to as towpreg), such as tow prepreg, yarn prepreg, or strand prepreg, in which a bundle of reinforcing fibers is pre-impregnated with a thermosetting resin.
トウプレグは、通常、数百から数千メートルを紙管に巻き取ったボビン形状で供給され、繊維強化複合材料の成形工程において高速で解舒され、フィラメントワインディング成形に用いられる。このため、トウプレグの製造・保管・使用の期間において、含浸させたエポキシ樹脂組成物の粘度の経時的増大が少なく、高速での解舒性が低下しにくいことが求められる。 Towpregs are typically supplied in the form of bobbins, with hundreds to thousands of meters wound around a paper tube. They are unwound at high speed during the fiber-reinforced composite material molding process and used in filament winding molding. For this reason, it is necessary for the viscosity of the impregnated epoxy resin composition to increase little over time and for high-speed unwinding properties to be resistant to deterioration during the manufacturing, storage, and use of towpregs.
トウプレグが好適に用いられる圧力容器用途では、部材のさらなる軽量化の要求が高まっており、破裂強度の向上により強化繊維の使用量を削減する技術が求められている。破裂強度の向上には繊維強化複合材料の繊維軸方向の引張強度(0°引張強度)を高めることが有用であり、これは強化繊維の引張強度を高めるか、0°引張強度利用率を高めることによって達成できる。0°引張強度利用率は、繊維強化複合材料が強化繊維の強度をどれだけ活用しているかの指標であり、同じ種類と量の強化繊維を用いた場合は、0°引張強度利用率が高い方が、高い0°引張強度が得られる。 In pressure vessel applications where towpregs are suitable, there is a growing demand for further weight reduction in components, and technology is needed to reduce the amount of reinforcing fiber used by improving burst strength. Increasing the tensile strength in the fiber axis direction (0° tensile strength) of fiber-reinforced composite materials is effective in improving burst strength, and this can be achieved by either increasing the tensile strength of the reinforcing fibers or by increasing the 0° tensile strength utilization rate. The 0° tensile strength utilization rate is an indicator of how much of the strength of the reinforcing fibers a fiber-reinforced composite material utilizes; when the same type and amount of reinforcing fibers are used, a higher 0° tensile strength will be obtained with a higher 0° tensile strength utilization rate.
また、圧力容器には、高圧ガスの急速充填時に起こる温度上昇に対して十分な耐熱性を有していること、長期間にわたる繰り返しの使用や、高温・高湿環境での使用による性能低下が少ないことなども求められる。これらの要求性能を満足させるためには、マトリックス樹脂の伸度・靱性の向上、耐熱性(ガラス転移温度)の向上、吸湿性の低減が有用である。 Pressure vessels also need to be sufficiently heat-resistant to the temperature rise that occurs when they are rapidly filled with high-pressure gas, and to have minimal performance degradation due to repeated use over long periods of time or use in high-temperature, high-humidity environments. To meet these performance requirements, it is useful to improve the elongation and toughness of the matrix resin, improve its heat resistance (glass transition temperature), and reduce its moisture absorption.
特許文献1は、硬化剤として液状アミンを用いた、耐熱性と0°引張強度利用率のバランスに優れる、ウェットフィラメントワインディング成形用のエポキシ樹脂組成物を開示している。このようなエポキシ樹脂組成物では、繊維強化複合材料は高い0°引張強度利用率を得られるが、トウプレグとして用いるには粘度の経時安定性(ポットライフ)が不十分だった。 Patent Document 1 discloses an epoxy resin composition for wet filament winding molding that uses a liquid amine as a curing agent and has an excellent balance of heat resistance and 0° tensile strength utilization rate. While this type of epoxy resin composition can achieve a high 0° tensile strength utilization rate in fiber-reinforced composite materials, its viscosity stability over time (pot life) is insufficient for use as a towpreg.
特許文献2は、硬化剤としてジシアンジアミドを含み、コアシェルゴム粒子を多量に含有させることで、ドレープ性、タック性、解舒性に優れ、高い破壊圧力を有した圧力容器を製造可能なトウプレグを開示しているが、このようなトウプレグでは、耐熱性と強度利用率の両立という観点では不十分であった。 Patent Document 2 discloses a towpreg that contains dicyandiamide as a curing agent and a large amount of core-shell rubber particles, which allows the production of pressure vessels with excellent drapeability, tackiness, and unwinding properties and high burst pressure. However, this type of towpreg is insufficient in terms of achieving both heat resistance and strength utilization.
本発明は、かかる背景に鑑み、耐熱性と0°引張強度利用率のバランスに優れた繊維強化複合材料が得られるトウプレグを提供することを課題とする。 In light of this background, the present invention aims to provide a towpreg that can produce a fiber-reinforced composite material with an excellent balance between heat resistance and 0° tensile strength utilization rate.
本発明は、かかる課題を解決するために次のような手段を採用するものである。すなわち、本発明のトウプレグは、下記成分[A]~[C]すべてを含み、条件(I)および(II)を満たすエポキシ樹脂組成物を、強化繊維に含浸させてなるトウプレグである。
[A]25℃で液状の2官能エポキシ樹脂
[B]ビフェニル型エポキシ樹脂、ビフェニルアラルキル型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂およびオキサゾリドン型エポキシ樹脂からなる群より選ばれる少なくとも一つであるエポキシ樹脂
[C]ジシアンジアミド
(I)全エポキシ樹脂100質量部のうち、成分[B]を5~40質量部含む
(II)エポキシ樹脂組成物の25℃における粘度が1~150Pa・s
The present invention employs the following means to solve the above problems: The towpreg of the present invention is a towpreg obtained by impregnating reinforcing fibers with an epoxy resin composition that contains all of the following components [A] to [C] and satisfies conditions (I) and (II):
[A] A bifunctional epoxy resin that is liquid at 25°C; [B] At least one epoxy resin selected from the group consisting of biphenyl-type epoxy resins, biphenylaralkyl-type epoxy resins, dicyclopentadiene-type epoxy resins, and oxazolidone-type epoxy resins; [C] Dicyandiamide
(I) Contains 5 to 40 parts by mass of component [B] out of 100 parts by mass of the total epoxy resin
(II) The viscosity of the epoxy resin composition at 25°C is 1 to 150 Pa·s
本発明のトウプレグを成形、硬化して得た繊維強化複合材料は、耐熱性と0°引張強度利用率のバランスに優れるため、優れた耐熱性と破裂強度を有する圧力容器を得ることができる。 The fiber-reinforced composite material obtained by molding and curing the towpreg of the present invention has an excellent balance of heat resistance and 0° tensile strength utilization rate, making it possible to obtain pressure vessels with excellent heat resistance and burst strength.
本発明は、次の構成を有するものである。すなわち、本発明のトウプレグは、下記成分[A]~[C]すべてを含み、条件(I)および(II)を満たすエポキシ樹脂組成物を、強化繊維に含浸させてなるトウプレグである。
[A]25℃で液状の2官能エポキシ樹脂
[B]ビフェニル型エポキシ樹脂、ビフェニルアラルキル型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂およびオキサゾリドン型エポキシ樹脂からなる群より選ばれる少なくとも一つであるエポキシ樹脂
[C]ジシアンジアミド
(I)全エポキシ樹脂100質量部のうち、成分[B]を5~40質量部含む
(II)エポキシ樹脂組成物の25℃における粘度が1~150Pa・s。
The present invention has the following configuration: The towpreg of the present invention is a towpreg obtained by impregnating reinforcing fibers with an epoxy resin composition that contains all of the following components [A] to [C] and satisfies conditions (I) and (II):
[A] A bifunctional epoxy resin that is liquid at 25°C; [B] At least one epoxy resin selected from the group consisting of biphenyl-type epoxy resins, biphenylaralkyl-type epoxy resins, dicyclopentadiene-type epoxy resins, and oxazolidone-type epoxy resins; [C] Dicyandiamide
(I) Contains 5 to 40 parts by mass of component [B] out of 100 parts by mass of the total epoxy resin
(II) The viscosity of the epoxy resin composition at 25°C is 1 to 150 Pa·s.
(成分[A]について)
本発明における成分[A]は、25℃で液状の2官能エポキシ樹脂である。成分[A]は、耐熱性と0°引張強度利用率の良好なバランスを損なうことなく、エポキシ樹脂組成物の粘度をトウプレグの製造に適した粘度に調整するために必要である。ここで、2官能とは、1分子中に2つのエポキシ基を有することを意味する。かかるエポキシ樹脂としては、例えば、ビスフェノールA型、ビスフェノールF型、などのビスフェノール型エポキシ樹脂、グリシジルアニリン型等のグリシジルアミン型エポキシ樹脂、ポリエチレングリコール型、ポリプロピレングリコール型、ブタンジオール型、ネオペンチルグリコール型、ヘキサンジオール型、シクロヘキサンジメタノール型などの脂肪族エポキシ樹脂などが挙げられる。これらのエポキシ樹脂は、単独で用いてもよいし、適宜混合して用いてもよい。
(Regarding component [A])
Component [A] in the present invention is a difunctional epoxy resin that is liquid at 25°C. Component [A] is necessary to adjust the viscosity of the epoxy resin composition to a level suitable for towpreg production without impairing the good balance between heat resistance and 0° tensile strength utilization. Here, "difunctional" means having two epoxy groups per molecule. Examples of such epoxy resins include bisphenol-type epoxy resins such as bisphenol A and bisphenol F, glycidylamine-type epoxy resins such as glycidylaniline, and aliphatic epoxy resins such as polyethylene glycol, polypropylene glycol, butanediol, neopentyl glycol, hexanediol, and cyclohexanedimethanol. These epoxy resins may be used alone or in appropriate mixtures.
ビスフェノール型エポキシ樹脂の市販品としては、“jER(登録商標)”825、“jER(登録商標)”828(以上、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、三菱ケミカル株式会社製)、“EPICLON(登録商標)”830、“EPICLON(登録商標)”807(以上、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、DIC株式会社製)、“jER(登録商標)”806(ビスフェノールF型エポキシ樹脂、三菱ケミカル株式会社製)などが挙げられる。 Commercially available bisphenol-type epoxy resins include jER (registered trademark) 825 and jER (registered trademark) 828 (bisphenol A-type epoxy resins, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation), EPICLON (registered trademark) 830 and EPICLON (registered trademark) 807 (bisphenol F-type epoxy resins, manufactured by DIC Corporation), and jER (registered trademark) 806 (bisphenol F-type epoxy resin, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation).
グリシジルアミン型エポキシ樹脂の市販品としては、GAN(N,N-ジグリシジルアニリン、日本化薬(株)製)、GOT(N,N-ジグリシジル-o-トルイジン、日本化薬株式会社製)、などが挙げられる。 Commercially available glycidylamine epoxy resins include GAN (N,N-diglycidylaniline, manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.) and GOT (N,N-diglycidyl-o-toluidine, manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.).
脂肪族エポキシ樹脂の市販品としては、“デナコール(登録商標)”EX-821、“デナコール(登録商標)”EX-850(以上、ポリエチレングリコール型エポキシ樹脂、ナガセケムテックス株式会社製)、“デナコール(登録商標)”EX-920、“デナコール(登録商標)”EX-941(以上、ポリプロピレングリコール型エポキシ樹脂、ナガセケムテックス株式会社製)、“デナコール(登録商標)”EX-214(1,4-ブタンジオール型エポキシ樹脂、ナガセケムテックス株式会社製)、“Araldite(登録商標)”DY-026(1,4-ブタンジオール型エポキシ樹脂、ハンツマン・ジャパン株式会社製)、“デナコール(登録商標)”EX-212(1,6-ヘキサンジオール型エポキシ樹脂、ナガセケムテックス株式会社製)、“アデカレジン(登録商標)”ED-503(1,6-ヘキサンジオール型エポキシ樹脂、ADEKA株式会社製)、“デナコール(登録商標)”EX-211(ネオペンチルグリコール型エポキシ樹脂、ナガセケムテックス株式会社製)、“アデカレジン(登録商標)”ED-523(ネオペンチルグリコール型エポキシ樹脂、ADEKA株式会社製)、“デナコール(登録商標)”EX-216(シクロヘキサンジメタノール型エポキシ樹脂、ナガセケムテックス株式会社製)、“リカレジン(登録商標)”DME-100(シクロヘキサンジメタノール型エポキシ樹脂、新日本理化株式会社製)などが挙げられる。 Commercially available aliphatic epoxy resins include "Denacol (registered trademark)" EX-821, "Denacol (registered trademark)" EX-850 (polyethylene glycol type epoxy resins, manufactured by Nagase ChemteX Corporation), "Denacol (registered trademark)" EX-920, "Denacol (registered trademark)" EX-941 (polypropylene glycol type epoxy resins, manufactured by Nagase ChemteX Corporation), "Denacol (registered trademark)" EX-214 (1,4-butanediol type epoxy resin, manufactured by Nagase ChemteX Corporation), "Araldite (registered trademark)" DY-026 (1,4-butanediol type epoxy resin, manufactured by Huntsman Japan Co., Ltd.), and "Denacol (registered trademark)" EX-212 (1,6 1,6-hexanediol type epoxy resin, manufactured by Nagase ChemteX Corporation), ADEKA Resin (registered trademark) ED-503 (1,6-hexanediol type epoxy resin, manufactured by ADEKA Corporation), DENACOL (registered trademark) EX-211 (neopentyl glycol type epoxy resin, manufactured by Nagase ChemteX Corporation), ADEKA Resin (registered trademark) ED-523 (neopentyl glycol type epoxy resin, manufactured by ADEKA Corporation), DENACOL (registered trademark) EX-216 (cyclohexanedimethanol type epoxy resin, manufactured by Nagase ChemteX Corporation), and RIKA Resin (registered trademark) DME-100 (cyclohexanedimethanol type epoxy resin, manufactured by New Japan Chemical Co., Ltd.).
本発明では、成分[A]として、脂肪族エポキシ樹脂[A1]を、全エポキシ樹脂成分100質量部中に3~20質量部含むことが好ましい。かかる範囲の成分[A1]を含むことで、耐熱性と0°引張強度利用率の良好なバランスを損なうことなく、エポキシ樹脂組成物の粘度を効果的に低減し、トウプレグの製造に適した範囲への調整が可能となることに加え、後述する成分[D1]および成分[D2]と併用することで、それぞれの成分を単独で使用する場合、または2成分を併用する場合と比較して、特異的な引張破断伸度と靭性値の向上効果が得られる。このような効果が得られる理由は定かではないが、成分[A1]、成分[D1]、成分[D2]がそれぞれもつ、異なる引張破断伸度と靭性値の向上メカニズムが協奏的に働いたためであると推測している。かかる成分[A1]としては、例えば、ポリエチレングリコール型エポキシ樹脂、ポリプロピレングリコール型エポキシ樹脂、ブタンジオール型エポキシ樹脂、ネオペンチルグリコール型エポキシ樹脂、ヘキサンジオール型エポキシ樹脂、シクロヘキサンジメタノール型エポキシ樹脂などが挙げられる。 In the present invention, component [A] preferably contains 3 to 20 parts by mass of aliphatic epoxy resin [A1] per 100 parts by mass of all epoxy resin components. Including component [A1] in this range effectively reduces the viscosity of the epoxy resin composition without compromising the good balance between heat resistance and 0° tensile strength utilization rate, enabling adjustment to a range suitable for towpreg production. Furthermore, when used in combination with components [D1] and [D2] (described below), it achieves a unique improvement in tensile elongation at break and toughness compared to the use of either component alone or the use of the two components in combination. While the reason for this effect is unclear, it is believed to be due to the cooperative action of the different mechanisms for improving tensile elongation at break and toughness that each of components [A1], [D1], and [D2] possess. Examples of such component [A1] include polyethylene glycol-type epoxy resins, polypropylene glycol-type epoxy resins, butanediol-type epoxy resins, neopentyl glycol-type epoxy resins, hexanediol-type epoxy resins, and cyclohexanedimethanol-type epoxy resins.
さらに、成分[A1]の中でも、硬化後のマトリックス樹脂の吸湿性を抑制できることから、炭素数4~10のアルキレン骨格を有する2官能エポキシ樹脂を含むことがより好ましい。かかる炭素数4~10のアルキレン骨格を有する2官能エポキシ樹脂としては、例えば、ブタンジオール型エポキシ樹脂(アルキレン骨格の炭素数:4)、ネオペンチルグリコール型エポキシ樹脂(アルキレン骨格の炭素数:5)、ヘキサンジオール型エポキシ樹脂(アルキレン骨格の炭素数:6)、シクロヘキサンジメタノール型エポキシ樹脂(アルキレン骨格の炭素数:8)などが挙げられる。 Furthermore, among component [A1], it is more preferable to include a bifunctional epoxy resin having an alkylene skeleton containing 4 to 10 carbon atoms, as this can suppress the moisture absorption of the matrix resin after curing. Examples of such bifunctional epoxy resins having an alkylene skeleton containing 4 to 10 carbon atoms include butanediol-type epoxy resins (alkylene skeleton carbon number: 4), neopentyl glycol-type epoxy resins (alkylene skeleton carbon number: 5), hexanediol-type epoxy resins (alkylene skeleton carbon number: 6), and cyclohexanedimethanol-type epoxy resins (alkylene skeleton carbon number: 8).
(成分[B]について)
本発明における成分[B]は、ビフェニル型エポキシ樹脂、ビフェニルアラルキル型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、オキサゾリドン型エポキシ樹脂からなる群から選ばれる少なくとも一つであるエポキシ樹脂である。
(Regarding component [B])
Component [B] in the present invention is at least one epoxy resin selected from the group consisting of biphenyl-type epoxy resins, biphenylaralkyl-type epoxy resins, dicyclopentadiene-type epoxy resins, and oxazolidone-type epoxy resins.
成分[B]であるビフェニル型エポキシ樹脂の市販品としては“jER(登録商標)”YX4000、“jER(登録商標)”YX4000H、“jER(登録商標)”YL6121H(以上、三菱ケミカル株式会社製)などが挙げられる。 Commercially available biphenyl-type epoxy resins, component [B], include "jER (registered trademark)" YX4000, "jER (registered trademark)" YX4000H, and "jER (registered trademark)" YL6121H (all manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation).
成分[B]の1種であるビフェニルアラルキル型エポキシ樹脂の市販品としては、NC-3000-L、NC-3000、NC-3100(以上、日本化薬株式会社製)などが挙げられる。 Commercially available biphenylaralkyl epoxy resins, which are a type of component [B], include NC-3000-L, NC-3000, and NC-3100 (all manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.).
成分[B]の1種であるジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂の市販品としては、“EPICLON(登録商標)”HP-7200L、“EPICLON(登録商標)”HP-7200、“EPICLON(登録商標)”HP-7200H(以上、DIC株式会社製)、XD-1000-2L、XD-1000、XD-1000H(以上、日本化薬株式会社製)などが挙げられる。 Commercially available dicyclopentadiene epoxy resins, which are a type of component [B], include "EPICLON (registered trademark)" HP-7200L, "EPICLON (registered trademark)" HP-7200, and "EPICLON (registered trademark)" HP-7200H (all manufactured by DIC Corporation), and XD-1000-2L, XD-1000, and XD-1000H (all manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.).
成分[B]の1種であるオキサゾリドン型エポキシ樹脂の市販品としては、“D.E.R.(登録商標)”858(Olin Corporation社製)などが挙げられる。 Commercially available oxazolidone epoxy resins, which are a type of component [B], include "D.E.R. (registered trademark)" 858 (manufactured by Olin Corporation).
成分[B]の中でも、耐熱性と0°引張強度利用率のバランスが最も優れることから、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂[B1]を含むことがより好ましく、成分[B1]は1分子中に2つのエポキシ基を有する2官能型であることがさらに好ましい。かかる2官能型である成分[B1]の市販品としては、“EPICLON(登録商標)”HP-7200L(DIC株式会社製)などが挙げられる。 Among the components [B], dicyclopentadiene-type epoxy resin [B1] is more preferred because it provides the best balance between heat resistance and 0° tensile strength utilization, and it is even more preferred that component [B1] be a bifunctional type having two epoxy groups per molecule. Examples of commercially available products of such bifunctional component [B1] include "EPICLON (registered trademark)" HP-7200L (manufactured by DIC Corporation).
本発明において、全エポキシ樹脂100質量部のうち、成分[B]を5~40質量部含むことが必要であり、5~30質量部含むことが好ましい。成分[B]の含有量をかかる範囲とすることで、耐熱性と0°引張強度利用率のバランスを良好に保ち、かつエポキシ樹脂組成物をトウプレグの製造に適した粘度に調整することができる。 In the present invention, it is necessary to include 5 to 40 parts by mass of component [B], and preferably 5 to 30 parts by mass, out of 100 parts by mass of the total epoxy resin. By keeping the content of component [B] within this range, a good balance between heat resistance and 0° tensile strength utilization rate can be maintained, and the viscosity of the epoxy resin composition can be adjusted to a level suitable for towpreg production.
(その他のエポキシ樹脂について)
本発明の効果を損なわない範囲において、成分[A]および[B]以外のエポキシ樹脂を含有することができる。かかるエポキシ樹脂としては、特に制限はなく、例えば、固形ビスフェノールA型、固形ビスフェノールF型、固形ビスフェノールS型などの固形ビスフェノール型エポキシ樹脂、ジアミノジフェニルメタン型、ジアミノジフェニルスルホン型、アミノフェノール型、メタキシレンジアミン型、1,3-ビスアミノメチルシクロヘキサン型等のグリシジルアミン型エポキシ樹脂、イソシアヌレート型、ヒダントイン型、フェノールノボラック型、オルソクレゾールノボラック型、ビスナフタレン型、トリスヒドロキシフェニルメタン型およびテトラフェニロールエタン型のエポキシ樹脂などが挙げられる。これらのエポキシ樹脂は、単独で用いてもよいし、適宜混合して用いてもよい。
(Other epoxy resins)
Epoxy resins other than components [A] and [B] may be contained within the scope of the present invention, provided that the effects of the present invention are not impaired. Examples of such epoxy resins include, but are not limited to, solid bisphenol-type epoxy resins such as solid bisphenol A, solid bisphenol F, and solid bisphenol S; glycidyl amine-type epoxy resins such as diaminodiphenylmethane, diaminodiphenylsulfone, aminophenol, metaxylenediamine, and 1,3-bisaminomethylcyclohexane; and isocyanurate, hydantoin, phenol novolac, orthocresol novolac, bisnaphthalene, trishydroxyphenylmethane, and tetraphenylolethane epoxy resins. These epoxy resins may be used alone or in appropriate mixtures.
(成分[C]について)
本発明の成分[C]は、ジシアンジアミドである。ジシアンジアミドは、熱活性型の潜在性硬化剤である。すなわち、所定温度以下では活性の低い状態であるが、一定の熱履歴を受けることにより相変化や化学変化などを起こして活性の高い状態に変わる性質をもつ。成分[C]は、エポキシ樹脂組成物に安定性を付与し、エポキシ樹脂組成物の調製工程、トウプレグの製造工程、トウプレグの保存期間でのエポキシ樹脂組成物の増粘を防ぐ効果と、加熱条件において速やかに硬化反応を進行させる効果を両立するために必要な成分である。
(Regarding component [C])
Component [C] of the present invention is dicyandiamide. Dicyandiamide is a heat-activated latent curing agent. That is, it is in a low-activity state below a certain temperature, but has the property of undergoing a phase change, chemical change, or the like to become highly active when subjected to a certain thermal history. Component [C] is a necessary component for imparting stability to the epoxy resin composition and for simultaneously preventing the epoxy resin composition from thickening during the epoxy resin composition preparation process, the towpreg production process, and the towpreg storage period, as well as for rapidly progressing the curing reaction under heated conditions.
かかるジシアンジアミドの市販品としては、“jERキュア(登録商標)”DICY7、“jERキュア(登録商標)”DICY15(以上、三菱ケミカル株式会社製)などが挙げられる。 Commercially available dicyandiamide products include "jER Cure (registered trademark)" DICY7 and "jER Cure (registered trademark)" DICY15 (both manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation).
ジシアンジアミドの含有量は、エポキシ樹脂組成物に含まれる全エポキシ樹脂成分のエポキシ基のモル数に対し、ジシアンジアミドの活性水素のモル数が0.3~1.2当量となる量であることが好ましく、0.4~0.9当量の範囲となる量であることがより好ましい。すなわち、本発明のトウプレグに用いられるエポキシ樹脂組成物において、成分[C]の含有量は、成分[A]を含む全エポキシ樹脂成分100質量部に対して、2.5~20質量部とすることが好ましく、3.5~15質量部とすることがより好ましい。成分[C]の含有量をかかる範囲とすることで、硬化不良や反応発熱過多による、耐熱性や力学特性の低下を防ぎ、良好な硬化物を得ることができる。ここで、本発明では、ジシアンジアミド1分子は4つのエポキシ基と反応すると解釈して、活性水素当量を21g/eq.として扱う。 The content of dicyandiamide is preferably an amount such that the number of moles of active hydrogen in dicyandiamide is 0.3 to 1.2 equivalents, more preferably 0.4 to 0.9 equivalents, relative to the number of moles of epoxy groups in all epoxy resin components contained in the epoxy resin composition. That is, in the epoxy resin composition used in the towpreg of the present invention, the content of component [C] is preferably 2.5 to 20 parts by mass, more preferably 3.5 to 15 parts by mass, relative to 100 parts by mass of all epoxy resin components including component [A]. By keeping the content of component [C] within this range, deterioration in heat resistance and mechanical properties due to insufficient curing or excessive reaction heat generation can be prevented, and a good cured product can be obtained. Here, in the present invention, one molecule of dicyandiamide is interpreted as reacting with four epoxy groups, and the active hydrogen equivalent is treated as 21 g/eq.
(成分[D]について)
本発明のトウプレグに用いるエポキシ樹脂組成物は、成分[D]としてゴム成分を含むことが好ましい。ここで、ゴム成分とは、エポキシ樹脂硬化物の靱性を高めるために一般的に用いられる液状または固形のゴム成分のことを指す。成分[D]を含むことで、樹脂硬化物の靱性を高めることができ、繰り返しの使用による性能低下が少ない圧力容器を得ることができる。かかる成分[D]としては、例えば、アクリルゴム微粒子、ブタジエンゴム微粒子、ブタジエン-スチレンゴム微粒子、シリコーンゴム微粒子などのゴム微粒子、ゴム微粒子を異種ポリマーで被覆したコアシェル構造をもつコアシェルゴム微粒子、液状ブタジエンニトリルゴム、CTBN(カルボキシル基末端ブタジエンニトリルゴム)、ATBN(アミノ基末端ブタジエンニトリルゴム)、主鎖内カルボキシ基変性ブタジエンニトリルゴムなどの液状ゴムなどが挙げられる。これらのゴム成分は、単独で用いてもよいし、適宜混合して用いてもよい。
(Regarding component [D])
The epoxy resin composition used in the towpreg of the present invention preferably contains a rubber component as component [D]. Here, the rubber component refers to a liquid or solid rubber component commonly used to enhance the toughness of cured epoxy resins. By including component [D], the toughness of the cured resin can be enhanced, resulting in a pressure vessel with minimal performance degradation with repeated use. Examples of such component [D] include rubber particulates such as acrylic rubber particulates, butadiene rubber particulates, butadiene-styrene rubber particulates, and silicone rubber particulates; core-shell rubber particulates having a core-shell structure in which rubber particulates are coated with a different polymer; liquid butadiene nitrile rubber; CTBN (carboxyl-terminated butadiene nitrile rubber); ATBN (amino-terminated butadiene nitrile rubber); and liquid rubbers such as butadiene nitrile rubber modified with carboxyl groups in the main chain. These rubber components may be used alone or in appropriate mixtures.
かかるゴム成分の市販品としては、“カネエース(登録商標)”MX-125、“カネエース(登録商標)”MX-150、“カネエース(登録商標)”MX-154、“カネエース(登録商標)”MX-257、“カネエース(登録商標)”MX-267、“カネエース(登録商標)”MX-416、“カネエース(登録商標)”MX-451、“カネエース(登録商標)”MX-EXP(HM5)(以上、株式会社カネカ製)、“PARALOID(登録商標)”EXL-2655、“PARALOID(登録商標)”EXL-2668(以上、Dow Chemical社製)、“Hypro(登録商標)”1300X31、“Hypro(登録商標)”1300X13、“Hypro(登録商標)”1300X13NA、“Hypro(登録商標)”1300X8(以上、CVC Thermoset Specialties社製)などが挙げられる。 Commercially available products of such rubber components include "Kane Ace (registered trademark)" MX-125, "Kane Ace (registered trademark)" MX-150, "Kane Ace (registered trademark)" MX-154, "Kane Ace (registered trademark)" MX-257, "Kane Ace (registered trademark)" MX-267, "Kane Ace (registered trademark)" MX-416, "Kane Ace (registered trademark)" MX-451, "Kane Ace (registered trademark)" MX-EXP (HM5) (all manufactured by Kaneka Corporation), "PARALOID (registered trademark)" EXL-2655, "PARALOID (registered trademark)" EXL-2668 (all manufactured by Dow Examples include "Hypro (registered trademark)" 1300X31, "Hypro (registered trademark)" 1300X13, "Hypro (registered trademark)" 1300X13NA, and "Hypro (registered trademark)" 1300X8 (all manufactured by CVC Thermoset Specialties).
本発明において、成分[D]のそれぞれを単独で用いる場合と比較して、特に優れた靱性向上効果が得られることから、コアシェルゴム粒子[D1]、カルボキシル基末端ブタジエンニトリルゴム[D2]をともに含むことがより好ましい。 In the present invention, it is more preferable to include both the core-shell rubber particles [D1] and the carboxyl-terminated butadiene nitrile rubber [D2], as this provides a particularly excellent toughness improvement effect compared to when either component [D] is used alone.
成分[D1]の市販品としては、“カネエース(登録商標)”MX-125、“カネエース(登録商標)”MX-150、“カネエース(登録商標)”MX-154、“カネエース(登録商標)”MX-257、“カネエース(登録商標)”MX-267、“カネエース(登録商標)”MX-416、“カネエース(登録商標)”MX-451、“カネエース(登録商標)”MX-EXP(HM5)(以上、株式会社カネカ製)、“PARALOID(登録商標)”EXL-2655、“PARALOID(登録商標)”EXL-2668(以上、Dow Chemical社製)などが挙げられる。 Commercially available products of component [D1] include Kane Ace (registered trademark) MX-125, Kane Ace (registered trademark) MX-150, Kane Ace (registered trademark) MX-154, Kane Ace (registered trademark) MX-257, Kane Ace (registered trademark) MX-267, Kane Ace (registered trademark) MX-416, Kane Ace (registered trademark) MX-451, Kane Ace (registered trademark) MX-EXP (HM5) (all manufactured by Kaneka Corporation), PARALOID (registered trademark) EXL-2655, and PARALOID (registered trademark) EXL-2668 (all manufactured by The Dow Chemical Company).
成分[D2]の市販品としては、“Hypro(登録商標)”1300X31、“Hypro(登録商標)”1300X13、“Hypro(登録商標)”1300X13NA、“Hypro(登録商標)”1300X8(以上、CVC Thermoset Specialties社製)などが挙げられる。 Commercially available products of component [D2] include "Hypro(R)" 1300X31, "Hypro(R)" 1300X13, "Hypro(R)" 1300X13NA, and "Hypro(R)" 1300X8 (all manufactured by CVC Thermoset Specialties).
本発明では、特に優れた靱性向上効果と耐熱性を両立することができることから、コアシェルゴム粒子[D1]、カルボキシル基末端ブタジエンニトリルゴム[D2]をともに含む場合において、成分[D1]の含有量と成分[D2]の含有量の和は、全エポキシ樹脂成分100質量部に対して、5~45質量部とすることが好ましく、9~35質量部とすることがより好ましく、9~20質量部とすることがさらに好ましくい。また、成分[D2]の含有量は、全エポキシ樹脂成分100質量部に対して、0.5~15質量部とすることが好ましく、0.5~10質量部とすることがより好ましい。 In the present invention, since it is possible to achieve both particularly excellent toughness improvement effects and heat resistance, when both core-shell rubber particles [D1] and carboxyl-terminated butadiene nitrile rubber [D2] are contained, the sum of the contents of component [D1] and component [D2] is preferably 5 to 45 parts by mass, more preferably 9 to 35 parts by mass, and even more preferably 9 to 20 parts by mass, per 100 parts by mass of all epoxy resin components. Furthermore, the content of component [D2] is preferably 0.5 to 15 parts by mass, more preferably 0.5 to 10 parts by mass, per 100 parts by mass of all epoxy resin components.
さらに、本発明において、成分[D2]の質量を成分[D1]の質量で除して得られる質量比(成分[D2]の質量/成分[D1]の質量)は、0.1~0.8であることが好ましい。成分[D1]に対する成分[D2]の含有量をかかる範囲とすることで、特異的に優れた靱性を効果的に得ることができ、かつ耐熱性を両立することができる。 Furthermore, in the present invention, the mass ratio obtained by dividing the mass of component [D2] by the mass of component [D1] (mass of component [D2]/mass of component [D1]) is preferably 0.1 to 0.8. By setting the content of component [D2] relative to component [D1] within this range, it is possible to effectively obtain exceptionally excellent toughness while also achieving good heat resistance.
(成分[E]について)
本発明のトウプレグに用いるエポキシ樹脂組成物は、成分[E]として芳香族ウレアを含むことが好ましい。成分[E]を成分[C]と併用することで、エポキシ樹脂組成物の粘度の経時安定性と、硬化速度のバランスを良好にできる。ここで、芳香族ウレアとは、芳香環にウレア基が結合した構造を有する化合物を指し、具体的には、3-(3,4-ジクロロフェニル)-1,1-ジメチルウレア(DCMU)、3-(4-クロロフェニル)-1,1-ジメチルウレア、フェニルジメチルウレア(PDMU)、2,4-トルエンビス(3,3-ジメチルウレア)(TBDMU)などが挙げられる。これらは、単独で用いてもよいし、適宜混合して用いてもよい。
(Regarding component [E])
The epoxy resin composition used in the towpreg of the present invention preferably contains an aromatic urea as component [E]. By using component [E] in combination with component [C], a good balance between the viscosity stability over time and the curing rate of the epoxy resin composition can be achieved. Here, aromatic urea refers to a compound having a structure in which a urea group is bonded to an aromatic ring, and specific examples include 3-(3,4-dichlorophenyl)-1,1-dimethylurea (DCMU), 3-(4-chlorophenyl)-1,1-dimethylurea, phenyldimethylurea (PDMU), and 2,4-toluenebis(3,3-dimethylurea) (TBDMU). These may be used alone or in appropriate mixtures.
かかる成分[E]の市販品としては、DCMU99(DCMU、保土ヶ谷化学工業株式会社製)、“Omicure(登録商標)”24(TBDMU、蝶理GLEX株式会社製)、“Dyhard(登録商標)”UR505(4,4’-メチレンビス(フェニルジメチルウレア)、AlzChem社製)などが挙げられる。 Commercially available products of component [E] include DCMU99 (DCMU, manufactured by Hodogaya Chemical Co., Ltd.), "Omicure (registered trademark)" 24 (TBDMU, manufactured by Chori GLEX Co., Ltd.), and "Dyhard (registered trademark)" UR505 (4,4'-methylenebis(phenyldimethylurea), manufactured by AlzChem).
成分[E]の中でも、耐熱性に優れた樹脂硬化物を得られることから、TBDMUを用いることが好ましい。 Among the components [E], it is preferable to use TBDMU, as this produces a cured resin with excellent heat resistance.
成分[E]の含有量は、成分[A]を含む全エポキシ樹脂成分100質量部に対して、1.0~10質量部とすることが好ましく、1.1~5.0質量部とすることがより好ましい。 The content of component [E] is preferably 1.0 to 10 parts by mass, and more preferably 1.1 to 5.0 parts by mass, per 100 parts by mass of all epoxy resin components including component [A].
さらに、本発明において、全エポキシ基のモル数をウレア基のモル数で除して得られるモル比(全エポキシ基のモル数/ウレア基のモル数)は、15~55であることがより好ましい。全エポキシ基とウレア基のモル比をかかる範囲とすることで、速硬化性と耐熱性のバランスを良好にすることができる。 Furthermore, in the present invention, the molar ratio obtained by dividing the total number of moles of epoxy groups by the number of moles of urea groups (total number of moles of epoxy groups/number of moles of urea groups) is more preferably 15 to 55. By keeping the molar ratio of total epoxy groups to urea groups within this range, a good balance between rapid curing properties and heat resistance can be achieved.
(その他添加剤について)
本発明のトウプレグに用いるエポキシ樹脂組成物は、本発明の効果を失わない範囲において、熱可塑性樹脂や揺変剤などの粘度調整剤、消泡剤、安定剤、難燃剤、顔料などの各種添加剤を含有することができる。熱可塑性樹脂としては、エポキシ樹脂に可溶な熱可塑性樹脂であることが好ましい。エポキシ樹脂に可溶な熱可塑性樹脂としては、例えばポリビニルホルマールやポリビニルブチラールなどのポリビニルアセタール樹脂、ポリビニルアルコール、フェノキシ樹脂、ポリアミド、ポリイミド、ポリビニルピロリドン、ポリスルホンなどを挙げることができる。揺変性付与剤としては、アマイドワックス、水添ひまし油などの有機系のものや、シリカ、アルミナ、アルミニウムとケイ素の混合酸化物、酸化チタン、軽質炭酸カルシウム、スメクタイト系粘土鉱物(モンモリロナイト、バイデライト、ベントナイト、ヘクトライト、サポナイトなど)、セピオライト、カーボンブラックなどの無機系のものが挙げられる。消泡剤としては、非シリコンポリマー系消泡剤、シリコン系消泡剤などが挙げられる。
(Other additives)
The epoxy resin composition used in the towpreg of the present invention can contain various additives, such as thermoplastic resins, viscosity modifiers such as thixotropic agents, antifoaming agents, stabilizers, flame retardants, and pigments, as long as the effects of the present invention are not impaired. The thermoplastic resin is preferably a thermoplastic resin soluble in epoxy resins. Examples of thermoplastic resins soluble in epoxy resins include polyvinyl acetal resins such as polyvinyl formal and polyvinyl butyral, polyvinyl alcohol, phenoxy resins, polyamides, polyimides, polyvinylpyrrolidone, and polysulfones. Examples of thixotropic agents include organic agents such as amide wax and hydrogenated castor oil, and inorganic agents such as silica, alumina, mixed oxides of aluminum and silicon, titanium oxide, precipitated calcium carbonate, smectite clay minerals (montmorillonite, beidellite, bentonite, hectorite, saponite, etc.), sepiolite, and carbon black. Examples of antifoaming agents include non-silicone polymer antifoaming agents and silicone antifoaming agents.
本発明のトウプレグに含浸させるエポキシ樹脂組成物は、25℃における粘度が1~150Pa・sであることが必要であり、1~110Pa・sであることが好ましく、1~50Pa・sであることがより好ましい。かかる粘度範囲とすることで、トウプレグ製造時のエポキシ樹脂組成物の送液性、強化繊維への含浸性、トウプレグの解舒性を良好とすることができる。 The epoxy resin composition to be impregnated into the towpreg of the present invention must have a viscosity at 25°C of 1 to 150 Pa·s, preferably 1 to 110 Pa·s, and more preferably 1 to 50 Pa·s. By achieving a viscosity within this range, the epoxy resin composition can be easily delivered during towpreg production, the reinforcing fibers can be impregnated, and the towpreg can be easily unwound.
本発明において、樹脂硬化物のガラス転移温度は110~160℃であることが好ましく、120~150℃であることがより好ましい。樹脂硬化物のガラス転移温度をかかる範囲とすることで、樹脂硬化物の耐熱性と靱性を良好なバランスとすることができる。ここで、樹脂硬化物とは、本発明のエポキシ樹脂組成物を加熱条件下で硬化させたものをいう。エポキシ樹脂組成物の硬化条件は特に制限がなく、例えば、1~20℃/minの速さで昇温させたのち、110~160℃にて0.5~8時間熱処理することで硬化反応を完了させることができる。 In the present invention, the glass transition temperature of the cured resin is preferably 110 to 160°C, and more preferably 120 to 150°C. By setting the glass transition temperature of the cured resin in this range, a good balance between the heat resistance and toughness of the cured resin can be achieved. Here, the term "cured resin" refers to the product obtained by curing the epoxy resin composition of the present invention under heating conditions. There are no particular restrictions on the curing conditions for the epoxy resin composition; for example, the curing reaction can be completed by raising the temperature at a rate of 1 to 20°C/min, followed by heat treatment at 110 to 160°C for 0.5 to 8 hours.
本発明のトウプレグに用いるエポキシ樹脂組成物の調製には、様々な公知の方法を用いることができる。例えばニーダー、プラネタリーミキサー、メカニカルスターラー、ディゾルバー、三本ロールといった機械を用いて混練しても良いし、ビーカーとスパチュラなどを用い、手で混ぜても良い。 A variety of known methods can be used to prepare the epoxy resin composition used in the towpreg of the present invention. For example, mixing can be performed using machines such as a kneader, planetary mixer, mechanical stirrer, dissolver, or three-roll mill, or by hand using a beaker and spatula.
本発明のトウプレグは、本発明のトウプレグに用いるエポキシ樹脂組成物を、強化繊維束に含浸したものである。ここで、強化繊維束としては、直径が3~100μmのフィラメントが1,000~70,000本束ねられて構成される強化繊維束が通常用いられる。 The towpreg of the present invention is obtained by impregnating a reinforcing fiber bundle with the epoxy resin composition used in the towpreg of the present invention. The reinforcing fiber bundle typically used here is a bundle of 1,000 to 70,000 filaments with a diameter of 3 to 100 μm.
本発明のトウプレグに用いる強化繊維束としては、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維、炭化ケイ素繊維などからなる繊維束が挙げられる。これらの繊維束を2種以上混合して用いても構わない。この中で、軽量かつ高剛性な繊維強化複合材料が得られる炭素繊維束を用いることが好ましい。かかる炭素繊維束としては、具体的にはアクリル系、ピッチ系およびレーヨン系等の炭素繊維束が挙げられ、特に引張強度の高いアクリル系の炭素繊維束が好ましく用いられる。 The reinforcing fiber bundles used in the towpreg of the present invention include fiber bundles made of glass fiber, carbon fiber, aramid fiber, boron fiber, alumina fiber, silicon carbide fiber, etc. Two or more of these fiber bundles may be mixed and used. Of these, it is preferable to use carbon fiber bundles, which can produce a lightweight, highly rigid fiber-reinforced composite material. Specific examples of such carbon fiber bundles include acrylic, pitch, and rayon carbon fiber bundles, with acrylic carbon fiber bundles, which have particularly high tensile strength, being preferred.
本発明のトウプレグにおける、エポキシ樹脂組成物の質量含有率(Rc)は、目的に応じて特に制限なく設定することができるが、好ましくは20~40%であり、20~30%がさらに好ましく、22~28%が最も好ましい。エポキシ樹脂組成物と強化繊維束との質量含有率が20%以上であれば、得られる繊維強化複合材料の内部の未含浸部分やボイドのような欠陥が発生することを抑制できる。また、40%以下であれば強化繊維束の体積含有率を高めることができるため、繊維強化複合材料の力学特性を効果的に発現でき、軽量化に寄与できる。 The mass content (Rc) of the epoxy resin composition in the towpreg of the present invention can be set without particular restrictions depending on the purpose, but is preferably 20 to 40%, more preferably 20 to 30%, and most preferably 22 to 28%. A mass content of 20% or more of the epoxy resin composition and the reinforcing fiber bundles can prevent defects such as unimpregnated areas and voids from occurring inside the resulting fiber-reinforced composite material. Furthermore, a mass content of 40% or less can increase the volume content of the reinforcing fiber bundles, thereby effectively developing the mechanical properties of the fiber-reinforced composite material and contributing to weight reduction.
本発明のトウプレグは、様々な公知の方法で製造することができる。すなわち、本発明のトウプレグに用いるエポキシ樹脂組成物を、有機溶媒を用いずに加熱により低粘度化し、強化繊維束を浸漬させながら含浸させる方法、加熱して低粘度化した該エポキシ樹脂組成物を回転ロールや離型紙上に塗膜化し、次いで強化繊維束の片面、あるいは両面に転写したあと、屈曲ロールあるいは圧力ロールを通すことで加圧して含浸させる方法などで製造できる。高品位なトウプレグが製造できることから、本発明のトウプレグの製造方法は、エポキシ樹脂組成物で被覆された回転ロールを、強化繊維束の少なくとも片面に接触させる工程を含むことが好ましい。トウプレグは、通常、数百から数千メートルを紙管に巻き取ったボビン形状で供給される。 The towpreg of the present invention can be produced by various known methods. Specifically, the epoxy resin composition used in the towpreg of the present invention can be heated without using an organic solvent to reduce its viscosity, and then the reinforcing fiber bundles are immersed in the composition to impregnate them. Alternatively, the epoxy resin composition, which has been heated to reduce its viscosity, can be coated onto a rotating roll or release paper, and then transferred to one or both sides of the reinforcing fiber bundles. The composition can then be passed through a bending roll or pressure roll to apply pressure and impregnate the bundles. Because this method produces high-quality towpregs, it is preferable that the towpreg production method of the present invention includes a step of contacting a rotating roll coated with the epoxy resin composition with at least one side of the reinforcing fiber bundles. Towpregs are typically supplied in the form of bobbins, with hundreds to thousands of meters wound around a paper tube.
本発明の繊維強化複合材料は、本発明のトウプレグを、加熱硬化することにより得ることができる。本発明のトウプレグは航空・宇宙、自動車、鉄道車両、船舶、土木建築およびスポーツ用品などの数多くの分野に使用することができ、特に、圧力容器などの中空の容器や、円筒の製造に好適に使用することができる。 The fiber-reinforced composite material of the present invention can be obtained by heat-curing the towpreg of the present invention. The towpreg of the present invention can be used in many fields, including aerospace, automobiles, railway vehicles, ships, civil engineering and construction, and sporting goods, and is particularly suitable for use in the manufacture of hollow containers such as pressure vessels and cylinders.
以下、本発明を実施例により詳細に説明する。ただし、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。なお、組成比の単位「部」は、特に注釈のない限り質量部を意味する。また、各種特性(物性)の測定は、特に注釈のない限り温度23℃、相対湿度50%の環境下で行った。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples. However, the scope of the present invention is not limited to these examples. The unit "parts" used in compositional ratios refers to parts by mass unless otherwise noted. Furthermore, measurements of various characteristics (physical properties) were carried out in an environment with a temperature of 23°C and a relative humidity of 50%, unless otherwise noted.
<実施例および比較例で用いた材料>
(1)強化繊維束
・“トレカ(登録商標)”T720SC-36K(引張強度5,880MPa、フィラメント数36,000本、総繊度1,650tex、密度1.8g/cm3、東レ株式会社製)。
<Materials used in Examples and Comparative Examples>
(1) Reinforced fiber bundle: "TORAYCA (registered trademark)" T720SC-36K (tensile strength 5,880 MPa, number of filaments 36,000, total fineness 1,650 tex, density 1.8 g/cm 3 , manufactured by Toray Industries, Inc.).
(2)成分[A](成分[A1]以外):25℃で液状の2官能エポキシ樹脂
・“jER(登録商標)”828(液状ビスフェノールA型エポキシ樹脂、三菱ケミカル株式会社製)
・“jER(登録商標)”806(液状ビスフェノールF型エポキシ樹脂、三菱ケミカル株式会社製)
・GAN(N,N-ジグリシジルアニリン、日本化薬株式会社製)。
(2) Component [A] (other than component [A1]): a bifunctional epoxy resin that is liquid at 25°C, "jER (registered trademark)" 828 (liquid bisphenol A epoxy resin, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation)
"jER (registered trademark)" 806 (liquid bisphenol F epoxy resin, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation)
GAN (N,N-diglycidylaniline, manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.).
(3)成分[A1]:脂肪族エポキシ樹脂
・“デナコール(登録商標)”EX-821(ポリエチレングリコール型エポキシ樹脂、ナガセケムテックス株式会社製)
・“デナコール(登録商標)”EX-211(ネオペンチルグリコール型エポキシ樹脂、アルキレン骨格の炭素数:5、ナガセケムテックス株式会社製)
・“デナコール(登録商標)”EX-212(1,6-ヘキサンジオール型エポキシ樹脂、アルキレン骨格の炭素数:6、ナガセケムテックス株式会社製)
・“デナコール(登録商標)”EX-216(シクロヘキサンジメタノール型エポキシ樹脂、アルキレン骨格の炭素数:8、ナガセケムテックス株式会社製)。
(3) Component [A1]: Aliphatic epoxy resin, "Denacol (registered trademark)" EX-821 (polyethylene glycol-type epoxy resin, manufactured by Nagase ChemteX Corporation)
"Denacol (registered trademark)" EX-211 (neopentyl glycol type epoxy resin, alkylene skeleton carbon number: 5, manufactured by Nagase ChemteX Corporation)
"Denacol (registered trademark)" EX-212 (1,6-hexanediol type epoxy resin, alkylene skeleton carbon number: 6, manufactured by Nagase ChemteX Corporation)
"Denacol (registered trademark)" EX-216 (cyclohexanedimethanol type epoxy resin, number of carbon atoms in alkylene skeleton: 8, manufactured by Nagase ChemteX Corporation).
(4)成分[B]:ビフェニル型エポキシ樹脂、ビフェニルアラルキル型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、オキサゾリドン型エポキシ樹脂からなる群から選ばれる少なくとも一つであるエポキシ樹脂
・“jER(登録商標)”YX4000(ビフェニル型エポキシ樹脂、三菱ケミカル株式会社製)
・NC-3000-L(ビフェニルアラルキル型エポキシ樹脂、日本化薬株式会社製)
・“EPICLON(登録商標)”HP-7200L(ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、DIC株式会社製)
・“D.E.R.(登録商標)”858(オキサゾリドン型エポキシ樹脂、Olin Corporation社製)。
(4) Component [B]: At least one epoxy resin selected from the group consisting of biphenyl-type epoxy resins, biphenylaralkyl-type epoxy resins, dicyclopentadiene-type epoxy resins, and oxazolidone-type epoxy resins. jER (registered trademark) YX4000 (biphenyl-type epoxy resin, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation)
NC-3000-L (biphenyl aralkyl epoxy resin, manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.)
"EPICLON (registered trademark)" HP-7200L (dicyclopentadiene-type epoxy resin, manufactured by DIC Corporation)
"D.E.R. (registered trademark)" 858 (oxazolidone type epoxy resin, manufactured by Olin Corporation).
(5)その他のエポキシ樹脂
・“スミエポキシ(登録商標)”ELM-434(テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン、住友化学株式会社製)。
(5) Other epoxy resins: "Sumiepoxy (registered trademark)" ELM-434 (tetraglycidyldiaminodiphenylmethane, manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.).
(6)成分[C]:ジシアンジアミド
・“jERキュア(登録商標)”DICY7(エポキシ樹脂硬化剤、ジシアンジアミド、三菱ケミカル株式会社製)。
(6) Component [C]: Dicyandiamide "jER Cure (registered trademark)" DICY7 (epoxy resin curing agent, dicyandiamide, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation).
(7)その他の硬化剤
・“セイカキュア(登録商標)”S(エポキシ樹脂硬化剤、4,4’-ジアミノジフェニルスルホン、セイカ株式会社製)。
(7) Other curing agents: "Seikacure (registered trademark)" S (epoxy resin curing agent, 4,4'-diaminodiphenyl sulfone, manufactured by Seika Corporation).
(8)成分[D1]:コアシェルゴム粒子
・“カネエース(登録商標)”MX-150(ポリブタジエンゴム型コアシェルゴム粒子40%の液状ビスフェノールA型エポキシ樹脂マスターバッチ、株式会社カネカ製)
・“カネエース(登録商標)”MX-257(ポリブタジエンゴム型コアシェルゴム粒子37%の液状ビスフェノールA型エポキシ樹脂マスターバッチ、株式会社カネカ製)。
(8) Component [D1]: Core-shell rubber particles, Kane Ace (registered trademark) MX-150 (liquid bisphenol A type epoxy resin masterbatch containing 40% polybutadiene rubber type core-shell rubber particles, manufactured by Kaneka Corporation)
"Kane Ace (registered trademark)" MX-257 (liquid bisphenol A type epoxy resin masterbatch containing 37% polybutadiene rubber type core-shell rubber particles, manufactured by Kaneka Corporation).
(9)成分[D2]:カルボキシル基末端ブタジエンニトリルゴム
・“Hypro(登録商標)”1300X13NA(末端カルボキシル基変性ブタジエンニトリルゴム、CVC Thermoset Specialties社製)。
(9) Component [D2]: Carboxyl group-terminated butadiene nitrile rubber "Hypro (registered trademark)" 1300X13NA (carboxyl group-terminated butadiene nitrile rubber, manufactured by CVC Thermoset Specialties).
(10)成分[E]:芳香族ウレア
“Omicure”(登録商標)24(TBDMU、蝶理GLEX株式会社製)。
(10) Component [E]: aromatic urea “Omicure” (registered trademark) 24 (TBDMU, manufactured by Chori GLEX Co., Ltd.).
(11)その他添加剤
・“BYK(登録商標)”1790(消泡剤、ビックケミ-・ジャパン株式会社製)。
(11) Other additives: BYK (registered trademark) 1790 (defoaming agent, manufactured by BYK Japan Co., Ltd.).
<エポキシ樹脂組成物の調製方法>
ビーカー中に、成分[C]、成分[E]以外の成分を投入後、100℃に加熱して均一となるまで撹拌した。続いて、樹脂の温度を25~60℃まで下げた後、成分[C]、および、成分[E]を投入して均一となるまで撹拌しエポキシ樹脂組成物を得た。成分[B]が成分[A]に相溶して均一となったことは、目視で判定した。実施例および比較例の成分含有比について表1~3に示した。
<Method for preparing epoxy resin composition>
All components except for component [C] and component [E] were placed in a beaker, which was then heated to 100°C and stirred until homogeneous. The resin temperature was then lowered to 25-60°C, after which component [C] and component [E] were added and stirred until homogeneous, yielding an epoxy resin composition. Whether component [B] was compatible with component [A] and homogeneous was determined visually. The component content ratios for the Examples and Comparative Examples are shown in Tables 1 to 3.
<エポキシ樹脂組成物の25℃における粘度の測定方法>
JIS Z8803(2011)における「円すい-平板形回転粘度計による粘度測定方法」に従い、標準コーンローター(1°34’×R24)を装着したE型粘度計(東機産業(株)製、TVE-30H)を使用して、回転速度を5~20回転/分として測定した。サンプルカップ内を測定温度(25℃)に調整し、エポキシ樹脂組成物を投入後、1分以上経過し表示値が安定したところで値を読み取った。
<Method for measuring viscosity of epoxy resin composition at 25°C>
In accordance with JIS Z8803 (2011), "Viscosity measurement method using a cone-plate rotational viscometer," measurements were performed using an E-type viscometer (TVE-30H, manufactured by Toki Sangyo Co., Ltd.) equipped with a standard cone rotor (1°34' x R24) at a rotation speed of 5 to 20 rpm. The temperature inside the sample cup was adjusted to the measurement temperature (25°C), and the epoxy resin composition was poured into the sample cup. The value was read when the displayed value stabilized after at least one minute had passed.
<エポキシ樹脂組成物のゲル化開始時間の評価方法>
キュアモニターLT-451(Lambient Technologies社製)を用いて、150℃におけるエポキシ樹脂組成物のイオン粘度の経時変化を測定した。エポキシ樹脂組成物のイオン粘度は硬化開始時に最低値をとり、硬化反応の進行に伴い増加後、完了とともに飽和する。本発明においては、硬化反応完了時のイオン粘度(測定で得られた最高値)に対する、ある時点でのイオン粘度の値の百分率をキュアインデックス(Cd)として算出し、Cdが20%に到達するまでの時間をゲル化開始時間とした。
<Method for evaluating gelation onset time of epoxy resin composition>
Using a Cure Monitor LT-451 (manufactured by Lambient Technologies), the change in ionic viscosity of the epoxy resin composition over time at 150°C was measured. The ionic viscosity of the epoxy resin composition reaches a minimum value at the start of curing, increases as the curing reaction progresses, and then saturates upon completion. In the present invention, the percentage of the ionic viscosity value at a certain point in time relative to the ionic viscosity at the completion of the curing reaction (the highest value obtained by measurement) was calculated as the cure index (Cd), and the time required for Cd to reach 20% was defined as the gelation initiation time.
<樹脂硬化板の作製方法>
エポキシ樹脂組成物を、真空中で脱泡した後、“テフロン(登録商標)”製スペーサーにより厚み2mm、または6mmになるように設定したモールドに注入した。次に、熱風オーブン中で室温から150℃まで1分間に2.5℃ずつ昇温した後、該温度で1時間保持して該エポキシ樹脂組成物を硬化した。続いて、室温まで降温し、モールドから脱型することで、樹脂硬化板を作製した。
<Method for producing cured resin plate>
The epoxy resin composition was degassed in a vacuum and then poured into a mold set to a thickness of 2 mm or 6 mm using a Teflon (registered trademark) spacer. The temperature was then raised from room temperature to 150°C at a rate of 2.5°C per minute in a hot air oven, and the epoxy resin composition was cured by holding at that temperature for 1 hour. The temperature was then lowered to room temperature and the composition was demolded to produce a cured resin plate.
<ガラス転移温度の測定方法>
2mm厚の樹脂硬化板から、幅12.7mm、長さ45mmの試験片を切り出し、粘弾性測定装置(ARES、ティー・エイ・インスツルメント社製)を用いて、ねじり振動周波数1.0Hz、昇温速度5.0℃/分の条件下で、30~250℃の温度範囲でDMA測定を行った。ガラス転移温度(Tg)は、貯蔵弾性率G’曲線において、ガラス状態での接線と転移状態での接線との交点における温度とした。
<Method for measuring glass transition temperature>
A test piece 12.7 mm wide and 45 mm long was cut out from a 2 mm thick cured resin plate, and DMA measurement was performed using a viscoelasticity measuring device (ARES, manufactured by TA Instruments) under conditions of a torsional vibration frequency of 1.0 Hz and a heating rate of 5.0°C/min in the temperature range of 30 to 250°C. The glass transition temperature (Tg) was defined as the temperature at the intersection of the tangent in the glassy state and the tangent in the transition state on the storage modulus G' curve.
<エポキシ樹脂硬化物の引張破断伸度の測定方法>
2mm厚の樹脂硬化板から、JIS K7161(1994)に準拠した、1BA型のダンベル状に切り出したのち、インストロン万能試験機(インストロン社製)を用いて、チャック間距離を58mmに設定し、試験速度1mm/分にて引張試験を実施し、引張破断伸度を測定した。
<Method for measuring tensile elongation at break of cured epoxy resin>
A 1BA type dumbbell shape conforming to JIS K7161 (1994) was cut out from a 2 mm thick resin cured plate, and then a tensile test was carried out using an Instron universal testing machine (manufactured by Instron Corporation) with the chuck distance set to 58 mm and a test speed of 1 mm/min to measure the tensile elongation at break.
<樹脂硬化物の破壊靱性測定方法>
ASTM D5045に準拠したSENB(Single Edge Noched Bend)試験法に準拠して実施した。6mm厚の樹脂硬化板から、長さ60mm、幅12.7mmの試験片を切り出した後、予亀裂を導入した。その後、インストロン万能試験機(インストロン社製)を用いて、スパン間を50.8mm、クロスヘッドスピードを10mm/分、サンプル数n=6とし、破壊靱性値(KIC)を測定した。
<Method for measuring fracture toughness of cured resin>
The test was performed according to the SENB (Single Edge Notched Bend) test method in accordance with ASTM D5045. A test piece 60 mm long and 12.7 mm wide was cut from a 6 mm thick resin-cured plate, and a pre-crack was introduced. Then, using an Instron universal testing machine (manufactured by Instron Corporation), the fracture toughness (K IC ) was measured at a span of 50.8 mm, a crosshead speed of 10 mm/min, and six samples.
<樹脂硬化物の吸水率の測定方法>
厚さ2mm、長さ60mm、幅10mmの大きさに加工した樹脂硬化板を、60℃で24時間真空乾燥させた後、温度85℃、湿度95%RHの湿熱条件下にて7日間静置した。試験片の乾燥質量に対する、湿熱条件曝露後の質量変化の百分率を吸水率とした。
<Method for measuring water absorption of cured resin>
A cured resin plate processed to a thickness of 2 mm, length of 60 mm, and width of 10 mm was vacuum dried at 60°C for 24 hours, and then left to stand for 7 days under humid heat conditions at a temperature of 85°C and a humidity of 95% RH. The percentage of the mass change after exposure to the humid heat conditions relative to the dry mass of the test piece was taken as the water absorption rate.
<トウプレグの作製方法>
クリール、キスロール、ニップロール、ワインダーを備えたトウプレグ製造装置を用いて、炭素繊維“トレカ(登録商標)”T720SC-36Kの片面に、20~60℃の温度に調整したエポキシ樹脂組成物を塗工した後、ニップロールを通過させることで該エポキシ樹脂組成物を強化繊維束内部まで含浸して、樹脂含有率が25%のトウプレグを得た。トウプレグのボビンは、初期張力を600~1000gf、ワインド比を6~10として、巻き幅が230~260mmの円筒型となるよう、2300mを紙管に巻き取った。
<Method of manufacturing towpregs>
Using a towpreg manufacturing device equipped with a creel, kiss rolls, nip rolls, and a winder, an epoxy resin composition adjusted to a temperature of 20 to 60°C was applied to one side of Torayca (registered trademark) T720SC-36K carbon fiber, and the fiber bundle was then passed through nip rolls to impregnate the epoxy resin composition into the interior of the reinforcing fiber bundle, producing a towpreg with a resin content of 25%. The towpreg bobbin was wound up to 2,300 m onto a cardboard tube with an initial tension of 600 to 1,000 gf and a winding ratio of 6 to 10, to form a cylindrical shape with a winding width of 230 to 260 mm.
<繊維強化複合材料の0°引張強度利用率の測定方法>
離型フィルムを貼り付けた金属板でトウプレグを挟み込み、トウに一定の張力をかけながら、熱風オーブン中で室温から150℃まで1分間に2.5℃ずつ昇温した後、150℃で1時間保持してトウプレグを硬化させた。硬化したトウプレグの両端に、タブ間の距離が150mmとなるように幅14mm、長さ50mmのガラス繊維強化プラスチック製タブを接着して、試験片を作製した。この試験片に対して、インストロン万能試験機(インストロン社製)を用いて、クロスヘッドスピード3.0mm/分にて引張試験を行い、繊維長手方向(0°方向)の断面積あたりの破断荷重をもとめた。試験片の断面積は強化繊維の単位長さあたりの質量を密度で除して求めた。また、10個の試験片の引張強度の平均値を用いて0°引張強度利用率を算出した。0°引張強度利用率(%)は、トウプレグ硬化物の0°引張強度/強化繊維のストランド強度×100により算出した。
<Method for measuring the 0° tensile strength utilization rate of fiber-reinforced composite material>
The towpreg was sandwiched between metal plates with release films attached, and while applying a constant tension to the tow, the temperature was raised from room temperature to 150°C at a rate of 2.5°C per minute in a hot air oven, and then held at 150°C for 1 hour to cure the towpreg. Test specimens were prepared by bonding 14 mm wide, 50 mm long glass fiber reinforced plastic tabs to both ends of the cured towpreg so that the distance between the tabs was 150 mm. A tensile test was performed on this test specimen using an Instron universal testing machine (manufactured by Instron) at a crosshead speed of 3.0 mm/min to determine the breaking load per cross-sectional area in the fiber longitudinal direction (0° direction). The cross-sectional area of the test specimen was determined by dividing the mass per unit length of the reinforcing fiber by the density. The 0° tensile strength utilization factor was calculated using the average tensile strength of 10 test specimens. The 0° tensile strength utilization rate (%) was calculated by dividing the 0° tensile strength of the cured towpreg by the strand strength of the reinforcing fiber × 100.
<強化繊維のストランド強度の測定方法>
強化繊維のストランド強度は、JIS R7608:2007「樹脂含浸ストランド試験法」に準拠し、次の手順に従って求めた。測定する炭素繊維束の樹脂含浸ストランドは、3,4-エポキシシクロヘキシルメチル-3,4-エポキシシクロヘキシルカルボキシレート(100質量部)、3フッ化ホウ素モノエチルアミン(3質量部)およびアセトン(4質量部)からなる組成物を、炭素繊維または黒鉛化繊維に含浸し、125℃の温度で30分硬化させて作製した。炭素繊維の樹脂含浸ストランドの測定本数は6本とし、各測定結果の平均値をストランド強度とした。引張弾性率の測定伸度域は伸度0.3~0.7%の範囲とした。本実施例では、3,4-エポキシシクロヘキシルメチル-3,4-エポキシシクロヘキシルカルボキシレートとして、ダイセル化学工業社製“セロキサイド(登録商標)”2021Pを用いた。
<Method for measuring strand strength of reinforcing fiber>
The strand strength of the reinforcing fiber was determined according to the following procedure in accordance with JIS R7608:2007 "Test Method for Resin-Impregnated Strands." The resin-impregnated strands of the carbon fiber bundles to be measured were prepared by impregnating carbon fiber or graphitized fiber with a composition consisting of 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexylcarboxylate (100 parts by mass), boron trifluoride monoethylamine (3 parts by mass), and acetone (4 parts by mass), followed by curing at a temperature of 125°C for 30 minutes. Six resin-impregnated carbon fiber strands were measured, and the average of the measurement results was used as the strand strength. The elongation range for measuring the tensile modulus was 0.3 to 0.7%. In this example, "Celloxide (registered trademark)" 2021P manufactured by Daicel Chemical Industries, Ltd. was used as the 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexylcarboxylate.
(実施例1)
成分[A]として“jER(登録商標)”828を80質量部、成分[B]として“jER(登録商標)”YX-4000を20質量部、成分[C]として“jERキュア(登録商標)”DICY7を6.3質量部、成分[E]として“Omicure(登録商標)”24を1.7質量部、その他添加剤として“BYK(登録商標)”1790を0.5質量部用いて、上記<エポキシ樹脂組成物の調製方法>に従ってエポキシ樹脂組成物を調製した。このエポキシ樹脂組成物の、25℃における粘度は22Pa・s、150℃におけるゲル化時間は3.5分であった。また、樹脂硬化物のガラス転移温度は140℃、引張破断伸度は5.5%、破壊靱性値(KIC)は0.8MPa・m0.5、吸水率は5.4%であった。
Example 1
An epoxy resin composition was prepared according to the above <Method for preparing epoxy resin composition> using 80 parts by mass of jER (registered trademark) 828 as component [A], 20 parts by mass of jER (registered trademark) YX-4000 as component [B], 6.3 parts by mass of jER Cure (registered trademark) DICY7 as component [C], 1.7 parts by mass of Omicure (registered trademark) 24 as component [E], and 0.5 parts by mass of BYK (registered trademark) 1790 as other additives. The viscosity of this epoxy resin composition at 25°C was 22 Pa·s, and the gel time at 150°C was 3.5 minutes. The cured resin had a glass transition temperature of 140°C, a tensile elongation at break of 5.5%, a fracture toughness (K IC ) of 0.8 MPa·m 0.5 , and a water absorption of 5.4%.
次に、このエポキシ樹脂組成物を用いて、上記<トウプレグの作製方法>に従ってトウプレグを得た。このトウプレグを用いて得られた0°引張強度利用率は91%であった。 Next, this epoxy resin composition was used to produce a towpreg according to the above-mentioned <Towpreg Production Method>. The 0° tensile strength utilization rate obtained using this towpreg was 91%.
以上のように全ての試験において良好な結果が得られた。 As mentioned above, good results were obtained in all tests.
(実施例2)
表1に示したように、成分[B]としてNC-3000-Lを20質量部含む以外は、実施例1と同じ方法で、エポキシ樹脂組成物、トウプレグを作製、評価した。評価結果は、樹脂組成物の25℃における粘度、150℃におけるゲル化時間、樹脂硬化物のガラス転移温度、引張破断伸度、破壊靱性値(KIC)、吸水率、繊維強化複合材料の0°引張強度利用率の全てで良好な結果が得られた。
Example 2
An epoxy resin composition and a towpreg were prepared and evaluated in the same manner as in Example 1, except that 20 parts by mass of NC-3000-L was used as component [B], as shown in Table 1. The evaluation results showed good results in all of the viscosity of the resin composition at 25°C, the gel time at 150°C, the glass transition temperature of the cured resin, the tensile elongation at break, the fracture toughness (K IC ), the water absorption, and the 0° tensile strength utilization rate of the fiber-reinforced composite material.
(実施例3)
表1に示したように、成分[B]として“EPICLON(登録商標)”7200-Lを20質量部含む以外は、実施例1と同じ方法で、エポキシ樹脂組成物、トウプレグを作製、評価した。評価結果は、樹脂組成物の25℃における粘度、150℃におけるゲル化時間、樹脂硬化物のガラス転移温度、引張破断伸度、破壊靱性値(KIC)、吸水率、繊維強化複合材料の0°引張強度利用率の全てで良好な結果が得られた。
Example 3
An epoxy resin composition and towpreg were prepared and evaluated in the same manner as in Example 1, except that 20 parts by mass of EPICLON (registered trademark) 7200-L was used as component [B], as shown in Table 1. The evaluation results showed good results in all of the viscosity of the resin composition at 25°C, the gel time at 150°C, the glass transition temperature of the cured resin, the tensile elongation at break, the fracture toughness (K IC ), the water absorption, and the 0° tensile strength utilization rate of the fiber-reinforced composite material.
(実施例4)
表1に示したように、成分[B]として“D.E.R.(登録商標)”858を20質量部含む以外は、実施例1と同じ方法で、エポキシ樹脂組成物、トウプレグを作製、評価した。評価結果は、樹脂組成物の25℃における粘度、150℃におけるゲル化時間、樹脂硬化物のガラス転移温度、引張破断伸度、破壊靱性値(KIC)、吸水率、繊維強化複合材料の0°引張強度利用率の全てで良好な結果が得られた。
Example 4
As shown in Table 1, an epoxy resin composition and a towpreg were prepared and evaluated in the same manner as in Example 1, except that 20 parts by mass of "D.E.R. (registered trademark)" 858 was used as component [B]. The evaluation results showed that good results were obtained for all of the viscosity of the resin composition at 25°C, the gel time at 150°C, the glass transition temperature of the cured resin, the tensile elongation at break, the fracture toughness (K IC ), the water absorption, and the 0° tensile strength utilization rate of the fiber-reinforced composite material.
(実施例5、6)
表1に示したように、樹脂組成を変更し、成分[D]として“hypro(登録商標)”CTBN1300X13NAを用いた。実施例1と同じ方法で、エポキシ樹脂組成物、トウプレグを作製、評価した結果、樹脂組成物の25℃における粘度、150℃におけるゲル化時間、樹脂硬化物のガラス転移温度、引張破断伸度、破壊靱性値(KIC)、吸水率、繊維強化複合材料の0°引張強度利用率の全てで良好な結果が得られた。特にKICは、成分[D]によって優れた値を示した。
(Examples 5 and 6)
As shown in Table 1, the resin composition was changed, and "hypro (registered trademark)" CTBN1300X13NA was used as component [D]. An epoxy resin composition and a towpreg were prepared and evaluated in the same manner as in Example 1. The results showed that the viscosity of the resin composition at 25°C, the gel time at 150°C, the glass transition temperature of the cured resin, the tensile elongation at break, the fracture toughness (K IC ), the water absorption, and the 0° tensile strength utilization rate of the fiber-reinforced composite material all showed good results. In particular, component [D] showed an excellent value for K IC .
(実施例7~9)
表1に示したように、樹脂組成を変更し、成分[D]として“カネエース(登録商標)”MX-257を用いた。実施例1と同じ方法で、エポキシ樹脂組成物、トウプレグを作製、評価した結果、樹脂組成物の25℃における粘度、150℃におけるゲル化時間、樹脂硬化物のガラス転移温度、引張破断伸度、破壊靱性値(KIC)、吸水率、繊維強化複合材料の0°引張強度利用率の全てで良好な結果が得られた。特にKICは、成分[D]によって優れた値を示した。
(Examples 7 to 9)
As shown in Table 1, the resin composition was changed, and Kane Ace (registered trademark) MX-257 was used as component [D]. An epoxy resin composition and a towpreg were prepared and evaluated in the same manner as in Example 1. The results showed that the viscosity of the resin composition at 25°C, the gel time at 150°C, the glass transition temperature of the cured resin, the tensile elongation at break, the fracture toughness (K IC ), the water absorption, and the 0° tensile strength utilization rate of the fiber-reinforced composite material all showed good results. In particular, component [D] showed an excellent value for K IC .
(実施例10~13)
表1および表2に示したように、樹脂組成を変更し、成分[D1]として“カネエース(登録商標)”MX-150を、成分[D2]として“hypro(登録商標)”CTBN1300X13NAを用いた。実施例1と同じ方法で、エポキシ樹脂組成物、トウプレグを作製、評価した結果、樹脂組成物の25℃における粘度、150℃におけるゲル化時間、樹脂硬化物のガラス転移温度、引張破断伸度、破壊靱性値(KIC)、吸水率、繊維強化複合材料の0°引張強度利用率の全てで良好な結果が得られた。特にKICは、成分[D1]と成分[D2]の併用によって特に優れた値を示した。中でも、成分[D2]の質量/成分[D1]の質量が0.1~0.8である実施例10~12は、特に優れたKIC向上効果と耐熱性を両立した。
Examples 10 to 13
As shown in Tables 1 and 2, the resin composition was changed, and Kane Ace (registered trademark) MX-150 was used as component [D1] and Hypro (registered trademark) CTBN1300X13NA was used as component [D2]. An epoxy resin composition and a towpreg were prepared and evaluated in the same manner as in Example 1. The resin composition's viscosity at 25°C, gel time at 150°C, glass transition temperature of the cured resin, tensile elongation at break, fracture toughness (K IC ), water absorption, and 0° tensile strength utilization rate of the fiber-reinforced composite material all showed favorable results. In particular, the combined use of component [D1] and component [D2] showed particularly excellent K IC values. Among these, Examples 10 to 12, in which the mass ratio of component [D2] to component [D1] was 0.1 to 0.8, achieved both excellent K IC improvement and heat resistance.
(実施例14~19)
表2に示したように、樹脂組成を変更し、成分[A1]を用いた。実施例1と同じ方法で、エポキシ樹脂組成物、トウプレグを作製、評価した結果、樹脂組成物の25℃における粘度、150℃におけるゲル化時間、樹脂硬化物のガラス転移温度、引張破断伸度、破壊靱性値(KIC)、吸水率、繊維強化複合材料の0°引張強度利用率の全てで良好な結果が得られた。成分[A1]によって、耐熱性と0°引張強度利用率の良好なバランスを損なうことなく、エポキシ樹脂組成物の粘度を効果的に低減でき、なおかつ、成分[D1]および成分[D2]と併用することで、それぞれの成分を単独で使用する場合、または2成分を併用する場合と比較して、特異的な引張破断伸度と靭性値の向上効果が得られた。また、成分[A1]として炭素数4~10のアルキレン骨格を有する2官能エポキシ樹脂を用いた実施例15~19は、実施例14と比較して樹脂硬化物の吸湿性を抑制できた。
(Examples 14 to 19)
As shown in Table 2, the resin composition was changed and component [A1] was used. Epoxy resin compositions and towpregs were prepared and evaluated using the same method as in Example 1. The resin compositions exhibited favorable results in terms of viscosity at 25°C, gelation time at 150°C, glass transition temperature, tensile elongation at break, fracture toughness (K IC ), water absorption, and 0° tensile strength utilization rate of the fiber-reinforced composite material. Component [A1] effectively reduced the viscosity of the epoxy resin composition without compromising the favorable balance between heat resistance and 0° tensile strength utilization rate. Furthermore, its use in combination with components [D1] and [D2] significantly improved tensile elongation at break and toughness compared to the use of either component alone or the use of the two components in combination. Furthermore, Examples 15 to 19, which used a bifunctional epoxy resin having an alkylene skeleton containing 4 to 10 carbon atoms as component [A1], exhibited reduced moisture absorption of the cured resin compared to Example 14.
(比較例1)
表3に示したように、樹脂組成を変更し、成分[B]を用いない代わりに、その他のエポキシ樹脂として“スミエポキシ(登録商標)”ELM-434を20質量部用いた。実施例1と同じ方法で、エポキシ樹脂組成物、トウプレグを作製、評価した結果、樹脂硬化物のガラス転移温度は144℃と良好だが、繊維強化複合材料の0°引張強度利用率は84%と不十分であった。
(Comparative Example 1)
As shown in Table 3, the resin composition was changed and component [B] was not used, but 20 parts by mass of Sumiepoxy (registered trademark) ELM-434 was used as another epoxy resin. An epoxy resin composition and towpreg were prepared and evaluated in the same manner as in Example 1. The glass transition temperature of the cured resin was a good 144°C, but the 0° tensile strength utilization rate of the fiber-reinforced composite material was an insufficient 84%.
(比較例2)
表3に示したように、樹脂組成を変更し、成分[B]を用いず、成分[A]として、“jER(登録商標)”806を80質量部、GANを20質量部用いた。実施例1と同じ方法で、エポキシ樹脂組成物、トウプレグを作製、評価した結果、繊維強化複合材料の0°引張強度利用率は93%と良好だが、樹脂硬化物のガラス転移温度は95℃と不十分であった。
(Comparative Example 2)
As shown in Table 3, the resin composition was changed; component [B] was not used, and 80 parts by mass of jER (registered trademark) 806 and 20 parts by mass of GAN were used as component [A]. An epoxy resin composition and towpreg were prepared and evaluated in the same manner as in Example 1. The 0° tensile strength utilization rate of the fiber-reinforced composite material was a good 93%, but the glass transition temperature of the cured resin was an insufficient 95°C.
(比較例3、4)
表3に示したように、樹脂組成を変更し、成分[B]を3質量部と、含有量を5質量部より少なくした。実施例1と同じ方法で、エポキシ樹脂組成物、トウプレグを作製、評価した結果、樹脂硬化物のガラス転移温度は良好だが、繊維強化複合材料の0°引張強度利用率は不十分であり、成分[B]の効果が十分得られなかった。
(Comparative Examples 3 and 4)
As shown in Table 3, the resin composition was changed and the content of component [B] was reduced to 3 parts by mass, less than 5 parts by mass. An epoxy resin composition and a towpreg were prepared and evaluated in the same manner as in Example 1. As a result, the glass transition temperature of the cured resin was good, but the 0° tensile strength utilization rate of the fiber-reinforced composite material was insufficient, and the effect of component [B] was not fully obtained.
(比較例5)
表3に示したように、樹脂組成を変更し、実施例1と同じ方法で、エポキシ樹脂組成物、トウプレグを作製、評価した。その結果、樹脂組成物の25℃における粘度が171Pa・sと高いため、使用した製造装置においてエポキシ樹脂組成物の送液のために高い加温条件とする設備が必要であり、トウプレグの製造効率としては不十分だった。
(Comparative Example 5)
As shown in Table 3, the resin composition was changed, and epoxy resin compositions and towpregs were produced and evaluated in the same manner as in Example 1. As a result, because the viscosity of the resin composition at 25°C was as high as 171 Pa s, the production equipment used required equipment for high heating conditions to transfer the epoxy resin composition, and the production efficiency of the towpreg was insufficient.
(比較例6)
表3に示したように、樹脂組成を変更し、成分[A]を用いない代わりに、その他のエポキシ樹脂として“スミエポキシ(登録商標)”ELM-434を80質量部用いた。実施例1と同じ方法で、エポキシ樹脂組成物、トウプレグを作製、評価した結果、樹脂硬化物のガラス転移温度は196℃と良好だが、繊維強化複合材料の0°引張強度利用率は77%と不十分であった。
(Comparative Example 6)
As shown in Table 3, the resin composition was changed and component [A] was not used, but instead 80 parts by mass of Sumiepoxy (registered trademark) ELM-434 was used as another epoxy resin. An epoxy resin composition and towpreg were prepared and evaluated in the same manner as in Example 1. The glass transition temperature of the cured resin was a good 196°C, but the 0° tensile strength utilization rate of the fiber-reinforced composite material was an insufficient 77%.
(比較例7)
表3に示したように、樹脂組成を変更し、成分[C]を用いない代わりに、その他の硬化剤として“セイカキュア(登録商標)”Sを用いた。実施例1と同じ方法で、エポキシ樹脂組成物を作製、評価した結果、上記<樹脂硬化板の作製方法>の条件では硬化せず、硬化速度が不十分であった。
(Comparative Example 7)
As shown in Table 3, the resin composition was changed and component [C] was not used, but instead "Seikacure (registered trademark)" S was used as another curing agent. An epoxy resin composition was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1. As a result, it did not cure under the conditions of the above <Method for preparing cured resin board>, and the curing speed was insufficient.
Claims (6)
[A]25℃で液状の2官能エポキシ樹脂
[B1]ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂
[C]ジシアンジアミド
[D1]コアシェルゴム粒子
[D2]カルボキシル基末端ブタジエンニトリルゴム
(I)全エポキシ樹脂100質量部のうち、成分[B1]を5~40質量部含む
(II)エポキシ樹脂組成物の25℃における粘度が1~150Pa・s A towpreg obtained by impregnating reinforcing fibers with an epoxy resin composition that contains all of the following components [A], [B1], [C], [D1], and [D2] and satisfies conditions (I) and (II):
[A] A bifunctional epoxy resin that is liquid at 25°C. [B1] A dicyclopentadiene-type epoxy resin. [C] Dicyandiamide. [D1] Core-shell rubber particles. [D2] A carboxyl-terminated butadiene nitrile rubber. (I) A epoxy resin composition containing 5 to 40 parts by mass of component [B1] out of 100 parts by mass of the total epoxy resin. (II) A epoxy resin composition having a viscosity of 1 to 150 Pa·s at 25°C.
(III) 成分[D2]の質量/成分[D1]の質量 = 0.1~0.8 2. The towpreg according to claim 1, wherein the epoxy resin composition satisfies condition (III).
(III) Mass of component [D2]/mass of component [D1] = 0.1 to 0.8
(IV)ガラス転移温度が110~160℃ 3. The towpreg according to claim 1 or 2, wherein the epoxy resin composition satisfies the following condition (IV):
(IV) Glass transition temperature of 110 to 160°C
[A1]脂肪族エポキシ樹脂 The towpreg according to any one of claims 1 to 3, wherein the epoxy resin composition contains, as component [A], 3 to 20 parts by mass of the following component [A1] per 100 parts by mass of all epoxy resin components:
[A1] Aliphatic epoxy resin
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