JPH0689259B2 - Hybrid fiber reinforced plastic composite material - Google Patents
Hybrid fiber reinforced plastic composite materialInfo
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- JPH0689259B2 JPH0689259B2 JP23693489A JP23693489A JPH0689259B2 JP H0689259 B2 JPH0689259 B2 JP H0689259B2 JP 23693489 A JP23693489 A JP 23693489A JP 23693489 A JP23693489 A JP 23693489A JP H0689259 B2 JPH0689259 B2 JP H0689259B2
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Description
【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、特定の無機繊維と炭素繊維、ガラス繊維、ボ
ロン繊維、アルミナ繊維、窒化珪素繊維、アラミド繊
維、炭化珪素繊維、カーボンを芯線とする炭化珪素繊維
及びSi−M−C−O繊維(MはTi又はZrを示す。)から
なる繊維のうち少なくとも一種の繊維とのハイブリッド
繊維を強化材とし、プラスチックをマトリックスとする
機械的性質の優れたハイブリッド繊維強化プラスチック
複合材料に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Industrial field of application) The present invention relates to specific inorganic fibers and carbon fibers, glass fibers, boron fibers, alumina fibers, silicon nitride fibers, aramid fibers, silicon carbide fibers and carbon as core wires. Of silicon carbide fiber and Si-M-C-O fiber (M represents Ti or Zr), which is a hybrid fiber with at least one fiber, and a plastic matrix. An excellent hybrid fiber reinforced plastic composite material.
(従来の技術及びその問題点) 従来、強化材として、各種素材の有する特性を活用する
ため、2種以上の繊維をマトリックス中に入れたハイブ
リット繊維強化プラスチック複合材料の研究が進められ
ている。(Prior Art and Problems Thereof) Conventionally, as a reinforcing material, in order to utilize the characteristics of various materials, research on a hybrid fiber-reinforced plastic composite material in which two or more kinds of fibers are put in a matrix has been advanced.
例えば、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、ポリエステ
ル樹脂、ポリイミド樹脂等のプラスチック類を強化する
ハイブリッド繊維としては、カーボン/ガラス、カーボ
ン/アラミド繊維(ケブラー)、ボロン/カーボン、ボ
ロン/ケブラー、ボロン/ガラス、セラミック繊維/ケ
ブラー、ケブラー/ガラスなどの研究がなされている
が、カーボン/ガラス、カーボン/ケブラーが圧倒的に
多く、実際の応用もほぼこの2種類に限定されている。For example, as hybrid fibers for reinforcing plastics such as epoxy resin, modified epoxy resin, polyester resin, and polyimide resin, carbon / glass, carbon / aramid fiber (Kevlar), boron / carbon, boron / Kevlar, boron / glass, Research has been conducted on ceramic fibers / Kevlar and Kevlar / Glass, but carbon / glass and carbon / Kevlar are overwhelmingly large, and practical applications are almost limited to these two types.
しかしながら、炭素繊維を用いる場合は、樹脂との濡れ
性が劣るため繊維の表面処理が必要であり、しかも表面
処理した炭素繊維を用いても、その複合材料は層間剪断
強度が低く、繊維に垂直方向の引張強度が低いため樹脂
と繊維が剥がれやすく、疲労強度が低く、曲げ衝撃値が
低いため破壊が起こりやすく実用上問題となっている。
ガラス繊維を用いる場合は引張強度、弾性率が低いため
充分な補強効果が得られない。ボロン繊維及びカーボン
繊維を芯線とする炭化珪素繊維を用いる場合は、径が太
いためこれらの繊維を強化材とするプラスチック複合材
料は、繊維体積率の高いものが得られず、用途によって
は機械的特性が充分とは言えない。However, when carbon fiber is used, the wettability with the resin is inferior, so the surface treatment of the fiber is necessary, and even if the carbon fiber subjected to the surface treatment is used, the composite material has low interlaminar shear strength and is perpendicular to the fiber. Since the tensile strength in the direction is low, the resin and fiber are easily peeled off, the fatigue strength is low, and the bending impact value is low, which easily causes breakage, which is a practical problem.
When glass fiber is used, a sufficient reinforcing effect cannot be obtained due to low tensile strength and elastic modulus. When silicon carbide fibers with boron fibers and carbon fibers as core wires are used, plastic composite materials with these fibers as reinforcements do not have high fiber volume ratios and are mechanical The characteristics are not sufficient.
アラミド繊維を用いる場合は圧縮に対して弱いため疲労
強度が低い。When aramid fiber is used, its fatigue strength is low because it is weak against compression.
これらの問題点を解決するため、特開昭62-7737号公報
には、Si−M−C−O繊維(MはTi又はZrを示す。)と
炭素繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、アラミド繊維及び
カーボンを芯線とする炭化珪素繊維からなる群から選ば
れた少なくとも一種の繊維とのハイブリッド繊維を強化
材としたハイブリッド繊維強化プラスチック複合材料が
開示されている。In order to solve these problems, Japanese Unexamined Patent Publication No. 62-7737 discloses Si-M-C-O fibers (M represents Ti or Zr), carbon fibers, glass fibers, boron fibers, and aramid fibers. And a hybrid fiber-reinforced plastic composite material in which a hybrid fiber with at least one fiber selected from the group consisting of silicon carbide fibers having carbon as a core wire is used as a reinforcing material.
本発明は、上記公報に開示されたハイブリッド繊維強化
プラスチック複合材料に比べ、弾性率がより改善され、
コスト的に大変優位なハイブリッド繊維強化プラスチッ
ク複合材料を提供する。The present invention, compared with the hybrid fiber reinforced plastic composite material disclosed in the above publication, the elastic modulus is further improved,
Provide hybrid fiber reinforced plastic composite material that is very cost effective.
(問題点を解決するための手段) 本発明は、ハイブリッド繊維の各素材に有する上記問題
点を改良し、機械的性質に優れたハイブリッド繊維強化
プラスチック複合材料を提供するものである。(Means for Solving Problems) The present invention provides a hybrid fiber-reinforced plastic composite material having improved mechanical properties and improving the above problems of each material of the hybrid fiber.
本発明における無機繊維はプラスチックとの親和性が高
く、可撓性に富むため容易に紡織が可能であり、上述の
他の繊維特有の欠点を補い補強効果を増強する。このた
め、本発明で特定した無機繊維を用いたハイブリッド繊
維による強化プラスチック複合材料では、層間剪断強
度、曲げ衝撃値が大幅に改善される。The inorganic fibers in the present invention have a high affinity with plastics and are highly flexible, so that they can be easily spun and woven, and supplement the above-mentioned drawbacks peculiar to other fibers to enhance the reinforcing effect. Therefore, the interlaminar shear strength and bending impact value are significantly improved in the reinforced plastic composite material using the hybrid fiber using the inorganic fiber specified in the present invention.
本発明の複合材料は、無機繊維と炭素繊維、ガラス繊
維、ボロン繊維、アルミナ繊維、窒化珪素繊維、アラミ
ド繊維、炭化珪素繊維、カーボンを芯線とする炭化珪素
繊維及びSi−M−C−O繊維(MはTi又はZrを示す。)
からなる群から選ばれた少なくとも一種の繊維とのハイ
ブリッド繊維を強化材とし、プラスチックをマトリック
スとするプラスチック複合材料において、前記無機繊維
がチタン、ジルコニウム及びハフニウムからなる群から
選ばれる少なくとも一種類の元素及び珪素を含有する金
属多環状芳香族重合体から得られる無機繊維であって、
その構成成分が、 a)該重合体を構成するメソフェーズ状態にある多環状
芳香族化合物から導かれるラジアル構造、オニオン構
造、ランダム構造、コアラジアル構造、スキンオニオン
構造及びモザイク構造からなる群から選ばれる少なくと
も一種の結晶配列状態を示す炭素質、 b)該重合体を構成する有機溶媒不溶分を含む光学的等
方性の多環状芳香族化合物から導かれる、無配向状態の
結晶質炭素及び/又は非晶質炭素、及び c)Si、M、C及びOから実質的になる非晶質物質、
及び/又は 実質的にβ−SiC、MC、β−SiCとMCの固溶体及びMC
1-xからなる粒径が500Å以下の結晶超微粒子と、非晶質
のSiOy及びMOzとの集合体であり 構成元素の割合がSi;5〜70重量%、M;0.5〜45重量%、
C;20〜40重量%及びO;0.01〜30重量%である、Si−M−
C−O物質(上記式中、MはTi、Zr及びHfから選択され
る少なくとも一種の元素であり、0<x<1、0<y≦
2、0<z≦2である。) であることを特徴とするハイブリッド繊維強化プラスチ
ック複合材料である。The composite material of the present invention is an inorganic fiber and a carbon fiber, a glass fiber, a boron fiber, an alumina fiber, a silicon nitride fiber, an aramid fiber, a silicon carbide fiber, a silicon carbide fiber having a carbon core wire, and a Si-M-C-O fiber. (M represents Ti or Zr.)
At least one element selected from the group consisting of titanium, zirconium and hafnium, in a plastic composite material in which a hybrid fiber with at least one fiber selected from the group consisting of: And an inorganic fiber obtained from a metal polycyclic aromatic polymer containing silicon,
The constituent component is selected from the group consisting of a) a radial structure, an onion structure, a random structure, a core radial structure, a skin onion structure and a mosaic structure derived from a polycyclic aromatic compound in a mesophase state which constitutes the polymer. At least one type of carbonaceous material having a crystalline alignment state, b) non-oriented crystalline carbon derived from an optically isotropic polycyclic aromatic compound containing an organic solvent insoluble component constituting the polymer, and / or Amorphous carbon, and c) an amorphous material consisting essentially of Si, M, C and O,
And / or substantially β-SiC, MC, a solid solution of β-SiC and MC and MC
It is an aggregate of crystalline ultrafine particles of 1-x with a particle size of 500Å or less and amorphous SiO y and MO z. The proportion of constituent elements is Si; 5 to 70% by weight, M; 0.5 to 45% by weight. %,
C: 20-40% by weight and O: 0.01-30% by weight, Si-M-
C—O substance (wherein M is at least one element selected from Ti, Zr and Hf, and 0 <x <1, 0 <y ≦
2, 0 <z ≦ 2. ) Is a hybrid fiber reinforced plastic composite material.
本発明における無機繊維についてまず説明する。以下の
説明における「部」は全て「重量部」であり、「%」は
「重量%」である。The inorganic fiber in the present invention will be described first. In the following description, all "parts" are "parts by weight" and "%" is "% by weight".
本発明における無機繊維は、前述した構成成分a)、
b)及びc)からなっており、Si;0.01〜30%、M;0.01
〜10%、C;65〜99.9%及びO;0.001〜10%、好ましくはS
i;0.1〜25%、M;0.01〜8%、C;74〜99.8%及びO;0.01
〜8%から実質的に構成されている。The inorganic fiber in the present invention has the above-mentioned constituent component a),
It consists of b) and c), Si: 0.01-30%, M: 0.01
~ 10%, C; 65-99.9% and O; 0.001-10%, preferably S
i; 0.1 to 25%, M; 0.01 to 8%, C; 74 to 99.8% and O; 0.01
Substantially composed of ~ 8%.
この無機繊維の構成成分である結晶質炭素は500Å以下
の結晶子サイズを有し、1.5Åの分解能を有する高分解
能電子顕微鏡において、繊維軸方向に配向した3.2Åの
(002)面に相当する微細なラティスイメージ像が観察
されうる超微粒子のグラファイト結晶である。無機繊維
中の結晶質炭素は、ラジアル構造、オニオン構造、ラン
ダム構造、コアラジアル構造、スキンオニオン構造、モ
ザイク構造及び一部ラジアル構造を含むランダム構造等
をとることができる。これは、原料中にメソフェーーズ
多環状芳香族化合物が存在することに起因する。The crystalline carbon, which is a constituent component of this inorganic fiber, has a crystallite size of 500 Å or less, and corresponds to a 3.2 Å (002) plane oriented in the fiber axis direction in a high resolution electron microscope having a resolution of 1.5 Å. It is an ultrafine graphite crystal that allows the observation of a fine lattice image. The crystalline carbon in the inorganic fiber may have a radial structure, an onion structure, a random structure, a core radial structure, a skin onion structure, a mosaic structure, a random structure including a partial radial structure, or the like. This is due to the presence of the mesophase polycyclic aromatic compound in the raw material.
この無機繊維における構成成分a)及びb)の総和100
部に対する構成成分c)の割合は0.015〜200部であり、
且つ構成成分a)、b)の比率は1:0.02〜4である。The sum of constituents a) and b) of this inorganic fiber is 100
The ratio of component c) to parts is 0.015 to 200 parts,
Moreover, the ratio of the constituents a) and b) is 1: 0.02-4.
構成成分a)及びb)の総和100部に対する構成成分
c)の割合が0.015未満の場合は、ほとんどピッチ繊維
と変わらず、耐酸化性や濡れ性の向上は望めず、上記割
合が200部を越えた場合はグラファイトの微細結晶が効
果的には生成せず、高弾性率の繊維が得られない。When the ratio of the constituent component c) to the total of 100 parts of the constituent components a) and b) is less than 0.015, it is almost the same as that of the pitch fiber, and improvement in oxidation resistance and wettability cannot be expected. If it exceeds, fine crystals of graphite are not effectively formed, and a fiber having a high elastic modulus cannot be obtained.
本発明における無機繊維は、 1)結合単位(Si−CH2)、又は結合単位(Si−CH2)と
結合単位(Si−Si)から主としてなり、珪素原子の側鎖
に水素原子、低級アルキル基、フェニル基及びシリル基
からなる群から選ばれる側鎖基を有し、上記結合単位か
らなる主骨格の珪素原子に、チタン、ジルコニウム及び
ハフニウムからなる群から選ばれる少なくとも一種類の
原子が、直接又は酸素原子を介して、珪素原子の少なく
とも一部と結合している遷移金属含有有機珪素重合体の
珪素原子の少なくとも一部が、石油系又は石炭系のピッ
チあるいはその熱処理物の芳香族環の炭素と結合したラ
ンダム共重合体及び 2)石油系又は石炭系ピッチを熱処理して得られるメソ
フェーズ状態又はメソフェーズと光学的等方相との両相
からなる多環状芳香族化合物(以下両者を総称して「メ
ソフェーズ多環状芳香族化合物」と言う。)を、 200〜500℃の範囲の温度で加熱反応及び/又は加熱溶融
して金属含有多環状芳香族重合体を得る第1工程、 上記金属含有多環状芳香族重合体の紡糸原液を調製して
紡糸する第2工程、 該紡糸原糸を張力下あるいは無張力下で不融化する第3
工程、及び 不融化した前記紡糸繊維を真空中あるいは不活性ガス雰
囲気中で800〜3000℃の範囲の温度で焼成する第4工程 からなる製造方法により提供される。The inorganic fiber in the present invention is mainly composed of 1) a bond unit (Si—CH 2 ), or a bond unit (Si—CH 2 ) and a bond unit (Si—Si), and a hydrogen atom or a lower alkyl group in a side chain of a silicon atom. Group, having a side chain group selected from the group consisting of a phenyl group and a silyl group, the silicon atom of the main skeleton consisting of the above-mentioned binding unit, at least one atom selected from the group consisting of titanium, zirconium and hafnium, At least a part of the silicon atoms of the transition metal-containing organic silicon polymer bonded to at least a part of the silicon atoms directly or via an oxygen atom is a petroleum-based or coal-based pitch or an aromatic ring of its heat-treated product. 2) Random copolymer bound to carbon and 2) Polycyclic aromatization consisting of mesophase state or both mesophase and optically isotropic phase obtained by heat treatment of petroleum-based or coal-based pitch (Hereinafter, both are collectively referred to as "mesophase polycyclic aromatic compound") by heating and / or melting at a temperature in the range of 200 to 500 ° C to obtain a metal-containing polycyclic aromatic polymer. A first step, a second step of preparing and spinning a spinning solution for the metal-containing polycyclic aromatic polymer, and a third step of infusibilizing the spinning raw thread under tension or without tension
And a fourth step of firing the infusibilized spun fiber at a temperature in the range of 800 to 3000 ° C. in a vacuum or an inert gas atmosphere.
上記各工程について具体的に説明する。Each of the above steps will be specifically described.
第1工程: 出発原料の一つである有機珪素重合体は、公知の方法で
合成することができ、例えば、ジメチルジクロロシラン
と金属ナトリウムの反応により得られるポリメチルシラ
ンを不活性ガス中で400℃以上に加熱することにより得
られる。First step: The organosilicon polymer, which is one of the starting materials, can be synthesized by a known method. For example, polymethylsilane obtained by the reaction of dimethyldichlorosilane and sodium metal is added in an inert gas at 400 It is obtained by heating to ℃ or more.
上記有機珪素重合体は、結合単位(Si−CH2)、又は結
合単位(Si−Si)と結合単位(Si−CH2)より主として
なり、結合単位(Si−CH2)の全数対結合単位(Si−S
i)の全数の比率は1:0〜20の範囲内にある。The organosilicon polymer, binding unit (Si-CH 2), or binding units (Si-Si) and mainly consists binding units (Si-CH 2), the total number pairing unit of coupling units (Si-CH 2) (Si-S
The ratio of the total number of i) is in the range of 1: 0 to 20.
有機珪素重合体の重量平均分子量(Mw)は、一般的には
300〜1000で、Mwが400〜800のものが、優れた炭素系無
機繊維を得るための中間原料であるランダム共重合体
(2)を調製するために特に好ましい。The weight average molecular weight (M w ) of the organosilicon polymer is generally
Those having a molecular weight of 300 to 1000 and a Mw of 400 to 800 are particularly preferable for preparing the random copolymer (2) which is an intermediate raw material for obtaining an excellent carbon-based inorganic fiber.
もう一つの出発原料である多環状芳香族化合物は石油類
及び/又は石炭類から得られるピッチで、特に好ましい
ピッチは石油類の流動接触分解により得られる重質油、
その重質油を蒸留して得た留出成分又は残渣油及びそれ
らを熱処理して得られるピッチである。Another starting material, a polycyclic aromatic compound, is a pitch obtained from petroleum and / or coal, and a particularly preferable pitch is a heavy oil obtained by fluid catalytic cracking of petroleum,
It is a distillate component obtained by distilling the heavy oil or residual oil and pitch obtained by heat-treating them.
上記ピッチ中には、ベンゼン、トルエン、キシレン、テ
トラヒドロフランなどの有機溶媒に不溶の成分が5〜98
%、特に10〜80%含まれいていることが好ましい。上記
の不溶成分が5重量%未満のピッチを原料として用いた
場合、強度、弾性率共に優れた無機質繊維は得られず、
また、98重量%より多いピッチを原料として用いた場
合、共重合体の分子量上昇が激しく、一部コーキングの
起こる場合もあり、紡糸困難な状態になる。The pitch contains 5 to 98% of insoluble components in organic solvents such as benzene, toluene, xylene, and tetrahydrofuran.
%, Particularly 10 to 80% is preferable. When a pitch containing less than 5% by weight of the above insoluble component is used as a raw material, an inorganic fiber excellent in both strength and elastic modulus cannot be obtained,
Further, when a pitch of more than 98% by weight is used as a raw material, the molecular weight of the copolymer is drastically increased, and some coking may occur, making spinning difficult.
このピッチの重量平均分子量(Mw)は、100〜3000であ
る。重量平均分子量は以下のようにして求めた値であ
る。即ち、ピッチがベンゼン、トルエン、キシレン、テ
トラヒドロフラン、クロロホルム及びジクロロベンゼン
等のゲルパーミュエーションクロマトグラフ(GPC)測
定用有機溶媒不溶分を含有しない場合はそのままGPC測
定し、ピッチが上記有機溶媒不溶分を含有する場合は、
温和な条件で水添処理し、上記有機溶媒不溶分を上記有
機溶媒可溶な成分に変えて後GPC測定する。上記有機溶
媒不溶分を含有する重合体の重量平均分子量は、上記と
同様の処理を施し求めた値である。The weight average molecular weight (M w ) of this pitch is 100 to 3000. The weight average molecular weight is a value determined as follows. That is, if the pitch does not contain the organic solvent insoluble matter for gel permeation chromatograph (GPC) measurement such as benzene, toluene, xylene, tetrahydrofuran, chloroform and dichlorobenzene, the GPC measurement is performed as it is, and the pitch is the above organic solvent insoluble matter. If it contains
Hydrogenation treatment is carried out under mild conditions, the organic solvent-insoluble matter is changed to the organic solvent-soluble component, and post-GPC measurement is carried out. The weight average molecular weight of the polymer containing the organic solvent insoluble matter is a value obtained by performing the same treatment as above.
ピッチの使用割合は、有機珪素重合体100部当たり83〜4
900部であることが好ましい。ピッチの使用割合が過度
に小さい場合は、得られる無機繊維中の炭化珪素成分が
多くなり、高弾性率を有する無機繊維が得られなくな
り、また、その割合が過度に多い場合は、炭化珪素成分
が少なくなり、マトリックスに対する濡れ性や耐酸化性
に優れた無機繊維が得られなくなる。The ratio of the pitch used is 83 to 4 per 100 parts of the organosilicon polymer.
It is preferably 900 parts. If the proportion of the pitch used is too small, the amount of silicon carbide component in the resulting inorganic fiber will be large, and it will not be possible to obtain an inorganic fiber having a high elastic modulus. If the proportion is too large, the silicon carbide component will be large. Is less, and it becomes impossible to obtain an inorganic fiber having excellent wettability to the matrix and oxidation resistance.
上記反応の反応温度が過度に低いと、珪素原子と芳香族
炭素の結合が生成しにくくなり、反応温度が過度に高い
と、生成した前駆重合体(1)の分解及び高分子量化が
激しく起こり好ましくない。When the reaction temperature of the above reaction is excessively low, the bond between the silicon atom and the aromatic carbon is hard to be generated, and when the reaction temperature is excessively high, decomposition and high molecular weight of the generated precursor polymer (1) occur violently. Not preferable.
ここで言う前駆重合体(1)には、有機珪素重合体とピ
ッチが珪素−炭素連結基を介して結合した共重合体に加
え、有機珪素重合体及びピッチの各々の重縮合物が含ま
れる。The precursor polymer (1) referred to here includes, in addition to the copolymer in which the organosilicon polymer and the pitch are bonded via the silicon-carbon linking group, the polycondensate of each of the organosilicon polymer and the pitch. .
不活性ガスとしては、窒素、アルゴン等が好適に使用さ
れる。Nitrogen, argon and the like are preferably used as the inert gas.
次に、前駆重合体(1)と式MX4で示される遷移金属化
合物とを100〜500℃の温度の範囲で反応させる。前記MX
4において、MはTi、Zr及びHfから選択される少なくと
も一種の元素であり、Xは縮合により、Mが前駆重合体
(1)の珪素と直接あるいは酸素原子を介して結合しう
るものであればよく、特に規定はないが、ハロゲン原
子、アルコキシ基又はβ−ジケトンのような錯体形成基
が好ましい。Next, the precursor polymer (1) and the transition metal compound represented by the formula MX 4 are reacted in the temperature range of 100 to 500 ° C. The MX
In 4 , M is at least one element selected from Ti, Zr and Hf, and X is a compound capable of being bonded to silicon of the precursor polymer (1) directly or through an oxygen atom by condensation. However, a halogen atom, an alkoxy group or a complex-forming group such as β-diketone is preferable.
反応温度が過度に低いと、前駆重合体(1)と式MX4と
の縮合反応が進行せず、反応温度が過度に高いと、Mを
介した前駆重合体(1)の架橋反応が過度に進行しゲル
化が起こったり、前駆重合体(1)自体が縮合し高分子
量化したり、あるいは、場合によっては、MX4が揮散し
て優れた無機繊維を得るための中間原料であるランダム
共重合体(2)が得られない。If the reaction temperature is excessively low, the condensation reaction between the precursor polymer (1) and the formula MX 4 will not proceed, and if the reaction temperature is excessively high, the crosslinking reaction of the precursor polymer (1) via M will be excessive. And gelation occurs, the precursor polymer (1) itself condenses to a high molecular weight, or in some cases MX 4 is volatilized to produce an excellent inorganic fiber. Polymer (2) cannot be obtained.
一例を挙げれば、MがTiで、XがOC4H9の場合、反応温
度は200〜400℃が適している。As an example, when M is Ti and X is OC 4 H 9 , the reaction temperature is suitably 200 to 400 ° C.
この反応によって、前駆重合体(1)の珪素原子の少な
くとも一部をMと直接あるいは酸素原子を介して結合さ
せたランダム共重合体(2)が調製される。金属Mは前
駆重合体(1)の珪素原子に-MX3あるいは−O-MX3のよ
うな結合様式で側鎖状に結合することもできるし、前駆
重合体(1)の珪素原子を直接又は酸素を介して架橋し
た結合様式もとり得る。By this reaction, a random copolymer (2) in which at least a part of silicon atoms of the precursor polymer (1) is bonded to M directly or via an oxygen atom is prepared. The metal M can be bonded to the silicon atom of the precursor polymer (1) in a side chain form by a bonding mode such as -MX 3 or -O-MX 3 , or the silicon atom of the precursor polymer (1) can be directly bonded. Alternatively, a bonding mode of crosslinking via oxygen may be adopted.
ランダム共重合体(2)を調製する方法としては、前述
の方法以外に、有機珪素重合体とMX4を反応させ、得ら
れた生成物にピッチをさらに反応させて調製する方法も
可能である。As the method for preparing the random copolymer (2), in addition to the method described above, a method of reacting an organosilicon polymer with MX 4 and further reacting the obtained product with pitch can be used. .
第1工程においては、最後にランダム共重合体(2)と
メソフェーズ多環状芳香族化合物を加熱反応及び/又は
加熱溶融して、金属含有多環状芳香族重合体を調製す
る。In the first step, finally, the random copolymer (2) and the mesophase polycyclic aromatic compound are heated and / or melted by heating to prepare a metal-containing polycyclic aromatic polymer.
メソフェーズ多環状芳香族化合物は、例えば、石油系又
は石炭系ピッチを不活性ガス中で300〜500℃に加熱し、
生成する軟質留分を除去しながら縮重合することによっ
て調製することができる。Mesophase polycyclic aromatic compound, for example, heating petroleum-based or coal-based pitch in an inert gas to 300 ~ 500 ℃,
It can be prepared by polycondensation while removing the produced soft fraction.
上記縮重合反応温度が過度に低いと縮合環の成長が充分
でなく、またその温度が過度に高いとコーキングにより
不溶、不融の生成物が生じる。If the polycondensation reaction temperature is too low, the condensed ring will not grow sufficiently, and if the temperature is too high, an insoluble and infusible product will be produced by coking.
上記のメソフェーズ多環状芳香族化合物は、融点が200
〜400℃の範囲にあり、また、重量平均分子量が200〜10
000である。The above mesophase polycyclic aromatic compound has a melting point of 200
~ 400 ℃, the weight average molecular weight of 200 ~ 10
It is 000.
メソフェーズ多環状芳香族化合物の中でも、20〜100%
の光学的異方性度を有し、30〜100%のベンゼン、トル
エン、キシレン又はテトラヒドロフランに対する不溶分
を含むものが、機械的性能の優れた無機繊維を得るため
に特に好ましい。Among mesophase polycyclic aromatic compounds, 20-100%
Those having an optical anisotropy of 3 to 100% and containing an insoluble matter in benzene, toluene, xylene or tetrahydrofuran are particularly preferable for obtaining an inorganic fiber having excellent mechanical performance.
メソフェーズ多環状芳香族化合物の使用割合はランダム
共重合体(2)100部当たり好ましくは5〜50000部、よ
り好ましくは5〜10000部であり、5部未満では、生成
物におけるメソフェーズ含有量が不足するため、高弾性
の焼成糸が得られず、また、50000部より多い場合は、
珪素成分の不足のためマトリックスに対する濡れ性、耐
酸化性に優れた無機繊維が得られなくなる。The use ratio of the mesophase polycyclic aromatic compound is preferably 5 to 50,000 parts, more preferably 5 to 10,000 parts, per 100 parts of the random copolymer (2). If it is less than 5 parts, the mesophase content in the product is insufficient. Therefore, it is not possible to obtain a highly elastic fired yarn, and when it is more than 50,000 parts,
Insufficient silicon component makes it impossible to obtain an inorganic fiber having excellent wettability and oxidation resistance with respect to the matrix.
ランダム共重合体(2)とメソフェーズ多環状芳香族化
合物とを200〜500℃で加熱反応及び/又は加熱溶融させ
ることにより、ランダム共重合体(2)の少なくとも一
部がメソフェーズ多環状芳香族化合物と結合した金属含
有多環状芳香族重合体が得られる。ただし、ここで言う
結合とは、ランダム共重合体(2)の珪素と多環状芳香
族化合物の炭素との化学結合とランダム共重合体(2)
中の珪素と化学結合した多環状芳香族環部分とメソフェ
ーズ多環状芳香族化合物との間のファンデルワールス結
合等の物理的結合を意味する。The random copolymer (2) and the mesophase polycyclic aromatic compound are heated and reacted and / or melted at 200 to 500 ° C. so that at least a part of the random copolymer (2) is a mesophase polycyclic aromatic compound. A metal-containing polycyclic aromatic polymer bound with is obtained. However, the bond here means a chemical bond between silicon of the random copolymer (2) and carbon of the polycyclic aromatic compound and the random copolymer (2).
It means a physical bond such as van der Waals bond between the polycyclic aromatic ring portion chemically bonded to silicon and the mesophase polycyclic aromatic compound.
上記溶融混合温度が200℃より低いと不融部分が生じ、
系が不均一となり、無機繊維の強度、弾性率に悪影響を
及ぼし、また、溶融混合温度が500℃より高いと縮合反
応が激しく進行し、生成重合体が高融点となり、重合体
の紡糸が著しく困難となる。When the melt-mixing temperature is lower than 200 ° C, an infusible portion is generated,
The system becomes inhomogeneous, which adversely affects the strength and elastic modulus of the inorganic fiber, and when the melt mixing temperature is higher than 500 ° C, the condensation reaction proceeds violently, the resulting polymer has a high melting point, and the spinning of the polymer is remarkable. It will be difficult.
金属含有多環状芳香族重合体を調製する方法としては、
前述の方法以外に、有機珪素重合体とピッチを反応さ
せ、得られた生成物にメソフェーズピッチとMX4を同時
に又は順次添加し、さらに反応させて調製する方法も可
能である。The method for preparing the metal-containing polycyclic aromatic polymer,
In addition to the method described above, a method of reacting an organosilicon polymer with pitch, adding mesophase pitch and MX 4 simultaneously or sequentially to the obtained product, and further reacting, is also possible.
上記金属含有多環状芳香族重合体の重量平均分子量は20
0〜11000で、融点が200〜400℃である。The weight average molecular weight of the metal-containing polycyclic aromatic polymer is 20
It has a melting point of 200 to 400 ° C. at 0 to 11000.
第2工程: 第1工程で得られる金属含有多環状芳香族重合体である
紡糸ポリマーを加熱溶融させて、場合によってはこれを
濾過してミクロゲル、不純物等の紡糸に際して有害とな
る物質を除去し、これを通常用いられる合成繊維紡糸装
置により紡糸する。紡糸する際の紡糸原液の温度は原料
ポリマーの軟化温度によって異なるが、220〜420℃の範
囲の温度が有利である。Second step: The spinning polymer, which is the metal-containing polycyclic aromatic polymer obtained in the first step, is heated and melted, and in some cases, this is filtered to remove substances such as microgels and impurities that are harmful during spinning. This is spun by a commonly used synthetic fiber spinning device. The temperature of the spinning dope during spinning varies depending on the softening temperature of the raw polymer, but a temperature in the range of 220 to 420 ° C is advantageous.
前記紡糸装置において、必要に応じて紡糸筒を取付け、
該紡糸筒内の雰囲気を空気、不活性ガス、熱空気、熱不
活性ガス、スチーム、及びアンモニアガスからなる群か
ら選ばれる一種以上の雰囲気とした後、巻取り速度を大
きくすることにより細い直径の繊維を得ることができ
る。前記溶融紡糸における紡糸速度は原料の平均分子
量、分子量分布、分子構造によって異なるが、50〜5000
m/分の範囲であることが好ましい。In the spinning device, a spinning tube is attached if necessary,
After making the atmosphere in the spinning cylinder one or more atmospheres selected from the group consisting of air, inert gas, hot air, heat inert gas, steam, and ammonia gas, a small diameter is obtained by increasing the winding speed. Fibers can be obtained. The spinning speed in the melt spinning varies depending on the average molecular weight of the raw material, the molecular weight distribution, and the molecular structure, but is 50 to 5000.
It is preferably in the range of m / min.
第3工程: 第2工程で得られる紡糸繊維を張力又は無張力の作用の
もとで不融化する。Third step: The spun fiber obtained in the second step is infusibilized under the action of tension or no tension.
代表的な不融化方法は、紡糸繊維を酸化性雰囲気中で加
熱する方法である。不融化の温度は好ましくは50〜400
℃の範囲の温度である。不融化温度が過度に低いと紡糸
原糸を構成するポリマーのはしかけが起こらず、また、
この温度が過度に高いとポリマーが燃焼する。A typical infusibilizing method is a method of heating spun fibers in an oxidizing atmosphere. The temperature of infusibilization is preferably 50 to 400
The temperature is in the range of ° C. When the infusibilization temperature is excessively low, the polymer constituting the spinning yarn does not hang up, and
If this temperature is too high, the polymer will burn.
不融化の目的は、紡糸繊維を構成するポリマーを三次元
構造の不融・不溶のはしかけ状態にし、次工程の焼成の
際に溶融せず、且つ隣接した繊維と融着しないようにす
ることである。不融化の際の酸化性雰囲気を構成するガ
スとしては、空気、オゾン、酸素、塩素ガス、臭素ガ
ス、アンモニアガス、及びこれらの混合ガスが挙げられ
る。The purpose of infusibilization is to make the polymer that constitutes the spun fiber into an infusible or insoluble state of a three-dimensional structure so that it will not melt during the firing of the next step and will not fuse with adjacent fibers. Is. Examples of the gas forming the oxidizing atmosphere at the time of infusibilization include air, ozone, oxygen, chlorine gas, bromine gas, ammonia gas, and mixed gas thereof.
上記とは別の不融化方法として、紡糸繊維に酸化性雰囲
気あるいは非酸化性雰囲気で、張力あるいは無張力で必
要に応じて低温加熱しながら、γ線照射、あるいは電子
線照射して不融化する方法も採用することができる。As another infusibilizing method different from the above, the spun fiber is infusibilized by γ-ray irradiation or electron beam irradiation while heating at low temperature in an oxidizing atmosphere or a non-oxidizing atmosphere under tension or no tension as necessary. Methods can also be employed.
このγ線あるいは電子線を照射する目的は、紡糸繊維を
形成するポリマーを、さらに重合させることによって、
紡糸原糸が融解し、繊維形状を失うことを防ぐことにあ
る。The purpose of irradiating this γ ray or electron beam, by further polymerizing the polymer forming the spun fiber,
This is to prevent the spinning raw yarn from melting and losing the fiber shape.
γ線あるいは電子線の照射線量は106〜1010ラッドが適
当である。The appropriate irradiation dose of gamma rays or electron beams is 10 6 to 10 10 rads.
照射は真空、不活性ガス雰囲気下、あるいは空気、オゾ
ン、酸素、塩素ガス、臭素ガス、アンモニアガス及びこ
れらの混合ガスのような酸化性ガス雰囲気で行うことが
できる。Irradiation can be performed in a vacuum, an inert gas atmosphere, or an oxidizing gas atmosphere such as air, ozone, oxygen, chlorine gas, bromine gas, ammonia gas, or a mixed gas thereof.
照射による不融化は室温で行うこともでき、必要であれ
ば50〜200℃の温度範囲で加熱しながら行うことによっ
て不融化をより短時間で達成させることもできる。The infusibilization by irradiation can be performed at room temperature, and if necessary, the infusibilization can be achieved by heating while heating in the temperature range of 50 to 200 ° C.
不融化は、無張力下で行うと、前記紡糸繊維は収縮のた
め波状の形を呈するようになるが、次工程の焼成工程で
矯正できる場合もあり、張力は必ずしも必要ないが、張
力を作用させる場合には、その張力の大きさは不融化時
に紡糸繊維が収縮して波状となることを少なくとも防止
できる以上の張力を作用させると良い結果が得られる。If the infusibilization is carried out under no tension, the spun fiber will have a wavy shape due to shrinkage, but in some cases it can be corrected in the firing step of the next step, tension is not always necessary, but tension acts In such a case, a good result can be obtained by applying a tension higher than the tension that can at least prevent the spun fiber from contracting and becoming wavy during infusibilization.
不融化の際に、作用させる張力としては、1〜500g/mm2
の範囲が好ましく、1g/mm2以下の張力を作用させても繊
維をたるませないような緊張を与えることができず、50
0g/mm2以上の張力を作用させると繊維が切断することが
ある。When infusibilizing, the tension applied is 1 to 500 g / mm 2
The range is preferable, and even if a tension of 1 g / mm 2 or less is applied, it is not possible to give tension that does not cause the fiber to sag, and
The fiber may break when a tension of 0 g / mm 2 or more is applied.
第4工程: 第3工程で得られる不融化糸と、真空あるいは不活性ガ
ス雰囲気中で800〜3000℃の範囲の温度で焼成すること
によって、主として炭素、M、珪素及び酸素からなる無
機繊維が得られる。Fourth step: The infusible yarn obtained in the third step and the inorganic fiber mainly composed of carbon, M, silicon and oxygen are obtained by firing at a temperature in the range of 800 to 3000 ° C. in a vacuum or an inert gas atmosphere. can get.
焼成工程において、張力を作用させることは必ずしも必
要ないが0.001〜100Kg/mm2の範囲で張力を作用させなが
ら高温焼成すると屈曲を少なくした強度の高い無機繊維
を得ることができる。In the firing step, it is not always necessary to apply tension, but high-temperature inorganic fiber with less bending can be obtained by firing at high temperature while applying tension in the range of 0.001 to 100 Kg / mm 2 .
加熱過程において、約700℃から無機化が激しくなり、
約800℃でほぼ無機化が完了するものと推定される。従
って、焼成は、800℃以上の温度で行うことが好まし
い。また、3000℃より高い温度を得るには高価な装置を
必要とするため3000℃より高温での焼成は、コスト面か
らみて実際的でない。In the heating process, mineralization becomes severe from about 700 ℃,
It is estimated that mineralization is almost completed at about 800 ° C. Therefore, the firing is preferably performed at a temperature of 800 ° C. or higher. Moreover, since an expensive apparatus is required to obtain a temperature higher than 3000 ° C., firing at a temperature higher than 3000 ° C. is impractical in terms of cost.
なお、構成成分c)であるSi−M−C−O物質の形態
は、第1工程乃至第4工程で採用される製造条件によっ
て決定される。一般的に言えば、第4工程での焼成温度
が例えば1000℃より低い場合、構成成分c)はSi、M、
C、Oからなる非晶質より実質的に構成される。The form of the Si-M-C-O substance that is the constituent component c) is determined by the manufacturing conditions adopted in the first to fourth steps. Generally speaking, if the firing temperature in the fourth step is lower than, for example, 1000 ° C., the constituent component c) is Si, M,
It is substantially composed of an amorphous material composed of C and O.
一方、第4工程での焼成温度が例えば1700℃以上の場
合、構成成分c)は実質的にβ−SiC、MC、β−SiCとMC
の固溶体及びMC1-x(ただし、0<x<1)からなる粒
径500Å以下の超微粒子及びSiOy(ただし、0<y≦
2)、MOz(ただし、0<z≦2)からなる非晶質から
なる集合体より実質的に構成される。On the other hand, when the firing temperature in the fourth step is, for example, 1700 ° C. or higher, the constituent component c) is substantially β-SiC, MC, β-SiC and MC.
Solid solution and MC 1-x (provided that 0 <x <1) and ultra-fine particles with a particle size of 500Å or less and SiO y (provided that 0 <y ≦
2), MO z (where 0 <z ≦ 2), and is substantially composed of an amorphous aggregate.
上記温度の中間では、構成成分c)は各集合体の混合系
より構成されている。また、無機繊維中の酸素量は、例
えば第1工程におけるMX4の添加比率又は第3工程にお
ける不融化条件により制御することができる。At intermediate temperatures, component c) is composed of a mixed system of aggregates. Further, the amount of oxygen in the inorganic fiber can be controlled by, for example, the addition ratio of MX 4 in the first step or the infusibilizing condition in the third step.
また、構成成分c)の分布状態は、焼成時の雰囲気や原
料中のメソフェーズの大きさ、濃度によっても制御する
ことができる。例えば、メソフェーズを大きく成長させ
た場合、構成成分c)は繊維表面相に押し出されやすく
なる。Further, the distribution state of the constituent component c) can be controlled by the atmosphere during firing and the size and concentration of the mesophase in the raw material. For example, when the mesophase is grown large, the constituent component c) tends to be extruded into the fiber surface phase.
本発明において上記無機繊維と共にハイブリッド繊維を
構成する繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、
アルミナ繊維、窒化珪素繊維、アラミド繊維、炭化珪素
繊維、カーボンを芯線とする炭化珪素繊維及びSi−M−
C−O繊維(MはTi又はZrを示す。)から選択される。Fibers constituting the hybrid fiber together with the inorganic fiber in the present invention, carbon fiber, glass fiber, boron fiber,
Alumina fiber, silicon nitride fiber, aramid fiber, silicon carbide fiber, silicon carbide fiber having carbon core wire and Si-M-
It is selected from C—O fibers (M represents Ti or Zr).
上記のSi−M−C−O繊維は、 (i)Si、M、C、及びOから実質的になる非晶質、又
は (ii)実質的にβ−SiC、MC、β−SiCとMCの固溶体及び
MC1-xの粒径が500Å以下の各結晶質超微粒子、及び非晶
質のSiO2とMO2からなる集合体、又は (iii)上記(i)の非晶質と上記(ii)の結晶質超微
粒子集合体の混合系、 (ただし、上式中のMはTi又はZrを示し、0<x<1を
示す) からなる無機繊維である。この無機繊維は、例えば、特
公昭60-1405号公報、同58-5286号公報、同60-20485号公
報、同59-44403号公報に記載の方法によって調製するこ
とができる。The above Si-M-C-O fibers are (i) amorphous consisting essentially of Si, M, C and O, or (ii) substantially β-SiC, MC, β-SiC and MC. Solid solution of
Each of the crystalline ultrafine particles having a particle diameter of 500 Å or less of MC 1-x and an aggregate composed of amorphous SiO 2 and MO 2 , or (iii) the amorphous material of (i) above and the amorphous material of (ii) above An inorganic fiber composed of a mixed system of crystalline ultrafine particle aggregates (where M represents Ti or Zr and 0 <x <1). This inorganic fiber can be prepared, for example, by the method described in JP-B-60-1405, JP-A-58-5286, JP-A-60-20485 and JP-A-59-44403.
本発明において強化材として用いる繊維は繊維そのもの
を単軸方向、多軸方向に配合させる方法、あるいは平
織、朱子織、模紗織、綾織、からみ織、らせん織、三次
元織物などの各種織物にして使用する方法、あるいはチ
ョップドファイバーとして使用する方法等がある。The fiber used as a reinforcing material in the present invention is a method in which the fiber itself is blended in a uniaxial direction or a multiaxial direction, or various woven fabrics such as plain weave, satin weave, dummy weave, twill weave, leno weave, spiral weave, and three-dimensional woven fabric. There is a method of using it or a method of using it as chopped fiber.
ハイブリッド繊維中の本発明で限定した無機繊維の割合
は10%以上好ましくは20%以上である。10%より低いと
無機繊維によるプラスチックとの間の結合強さの向上、
強化効率の向上、疲労強度低下率の減少という本発明の
目的とする機械的性質の改善効果に乏しく、即ち層間剪
断強度、曲げ衝撃値及び疲労強度の改善効果が減少す
る。The proportion of the inorganic fibers defined in the present invention in the hybrid fibers is 10% or more, preferably 20% or more. When it is lower than 10%, the bond strength between the plastic and the inorganic fiber is improved,
The effect of improving the mechanical properties, which is the object of the present invention, that is, the improvement of the strengthening efficiency and the reduction rate of the fatigue strength are poor, that is, the improving effects of the interlaminar shear strength, the bending impact value and the fatigue strength are decreased.
ハイブリッド繊維のハイブリッド状態を形態別にみると
(1)ある種の繊維の層と別種の繊維の層を積層した層
間ハイブリッド(2)一つの層の中ですでにハイブリッ
ド化されている層内ハイブリッドの2種類が基本で、
(3)それらの組合せがある。組合せの主な型は以下の
6種である。Looking at the hybrid state of hybrid fibers by form, (1) an inter-layer hybrid in which a layer of a certain type of fiber and a layer of another type of fiber are laminated (2) an intra-layer hybrid that has already been hybridized in one layer Two types are basic,
(3) There are combinations of them. The main types of combinations are the following 6 types.
(a)単層テープの積層(層単位で異質繊維を交互に積
層したもの) (b)サンドウィッチ型(層単位で異質繊維をサンドウ
ィッチに積層したもの) (c)リブ補強 (d)混織トウ(単繊維単位で異質の繊維をハイブリッ
ドしたもの) (e)混織テープの積層(糸条単位で異質の繊維を層内
でハイブリッドしたもの) (f)混織表層 本発明におけるプラスチックとしてはエポキシ系樹脂、
ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、
ポリウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート
樹脂、シリコン樹脂、フッ素樹脂、ナイロン樹脂、ポリ
フェニレンサルファイド、ポリブチレンテレフタレー
ト、ポリエチレン、ポロプロピレン、変性ポリフェニレ
ンオキサイド、ポリスチレン、ABS樹脂、塩化ビニル樹
脂、ポリエーテル・エーテルケトン樹脂、ビスマレイミ
ド樹脂等であり、これらの混合物でも良い。(A) Lamination of single-layer tape (one in which heterogeneous fibers are alternately laminated in layers) (b) Sandwich type (one in which heterogeneous fibers are laminated in a sandwich) (c) Rib reinforcement (d) Mixed woven tow (Hybrid of heterogeneous fibers in unit of single fiber) (e) Lamination of mixed woven tape (hybrid of heterogeneous fibers in layers in yarn units) (f) Epoxy as a plastic in the present invention Resin,
Polyester resin, phenol resin, polyimide resin,
Polyurethane resin, polyamide resin, polycarbonate resin, silicone resin, fluorine resin, nylon resin, polyphenylene sulfide, polybutylene terephthalate, polyethylene, polypropylene, modified polyphenylene oxide, polystyrene, ABS resin, vinyl chloride resin, polyether etherketone resin, It is a bismaleimide resin or the like, and a mixture thereof may be used.
ハイブリッド繊維強化プラスチック複合材料はそれ自体
公知の方法で製造することができ、例えば、(1)ハイ
ドレイアップ法、(2)マッチドメタルダイ法、(3)
ブレークアウェイ法、(4)フィラメント・ワインディ
ング法、(5)ホットプレス法、(6)オートクレーブ
法、(7)連続引抜き法等の方法を採用することができ
る。The hybrid fiber-reinforced plastic composite material can be produced by a method known per se, and includes, for example, (1) hydration method, (2) matched metal die method, (3)
The breakaway method, (4) filament winding method, (5) hot pressing method, (6) autoclave method, (7) continuous drawing method, etc. can be adopted.
(1)ハンドレイアップ法によれば、まずハイブリッド
繊維を裁断して型の上に敷き詰め、触媒を加えたプラス
チックをはけやローラでその上に塗り込めた後自然に硬
化させ、脱型して複合材料とすることができる。(1) According to the hand lay-up method, first, the hybrid fiber is cut and spread on a mold, and the catalyst-added plastic is brushed on with a brush or a roller, and then naturally cured to release the mold. Can be a composite material.
(2)マッチドメタルダイ法によれば、あらかじめハイ
ブリッド繊維にプラスチックと硬化剤、充填材、増粘剤
を加えて含浸したものを加熱加圧成形して複合材料とす
ることができる。成形時の材料の形態によりSMC法(She
et Molding Compound)、BMC法(Bulk Molding Compoun
d)のどちらかを選択して用いることができる。(2) According to the matched metal die method, a composite material can be obtained by heating and pressurizing a hybrid fiber, which is impregnated with plastic, a curing agent, a filler, and a thickening agent in advance. SMC method (She
et Molding Compound), BMC method (Bulk Molding Compoun
Either of d) can be selected and used.
(3)ブレークアウェイ法によれば、ハイブリッド繊維
のシートにあらかじめプラスチックを含浸させ、予備硬
化させたプリプレグ(prepreg)を作り、これをテーパ
ー付きの心金に巻付けて、硬化後に抜取り複合材料とす
ることができる。(3) According to the breakaway method, a sheet of hybrid fiber is preliminarily impregnated with plastic to form a pre-cured prepreg, which is wound around a tapered mandrel, and after curing, extracted as a composite material. can do.
(4)フィラメント・ワインディング法によれば、エポ
キシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂のような熱硬化性樹
脂を含浸したハイブリッド繊維をマンドレルに巻付け、
樹脂を硬化させた後、脱型して複合材料とすることがで
きる。この方法には、湿式法、乾式法(プリプレグテー
プを使う方法)などがある。(4) According to the filament winding method, a hybrid fiber impregnated with a thermosetting resin such as an epoxy resin or an unsaturated polyester resin is wound around a mandrel,
After the resin is cured, it can be demolded into a composite material. This method includes a wet method and a dry method (method using a prepreg tape).
(5)ホットプレス法によれば、プリプレグシートを一
方向又は任意の角度に積層後、ホットプレスで加圧、加
熱して板状の複合材料とすることができる。(5) According to the hot pressing method, the prepreg sheets can be laminated in one direction or at an arbitrary angle and then pressed and heated by the hot press to form a plate-shaped composite material.
(6)オートクレーブ法によれば、プリプレグを成形金
型に積層し、特殊ラバーで包み、真空状態にして、加圧
釜に入れ、加熱、加圧して硬化させ複合材料とすること
ができる。複雑な成形に適している。(6) According to the autoclave method, a prepreg is laminated on a molding die, wrapped with a special rubber, put in a vacuum state, placed in a pressurizing pot, and heated and pressed to cure to obtain a composite material. Suitable for complex molding.
(7)連続引抜き法によれば、ハイブリッド繊維とプラ
スチックとを別々に分けて、成形機に供給し、成形金型
の手前で混合させ、途中で加熱炉のなかを通過させて連
続的に長尺な複合材料とすることができる。(7) According to the continuous drawing method, the hybrid fiber and the plastic are separately separated, supplied to the molding machine, mixed in front of the molding die, and passed through a heating furnace on the way to continuously elongate them. It can be a lengthy composite material.
ハイブリット繊維とプラスチックマトリックスとから製
造された複合材料の引張強度(σc)は下記式で表され
る。The tensile strength (σ c ) of the composite material produced from the hybrid fiber and the plastic matrix is represented by the following formula.
σc=σfVf+σMVM σc:複合材料の引張強度 σf:ハイブリッド繊維の引張強度 σM:プラスチックマトリックスの引張強度 Vf:ハイブリッド繊維の体積百分率 VM:プラスチックマトリックスの体積百分率 上記式で示されるように、複合材料の強度は、複合材料
中のハイブリッド繊維の体積割合が、多くなるにしたが
って大きくなる。従って、強度の大きい複合材料を製造
するためには、複合させるハイブリッド繊維の体積割合
を多くする必要がある。しかしながら、ハイブリッド繊
維の体積割合が80%を超えると、プラスチックマトリッ
クスの量が少ないため、ハイブリッド繊維の間隙を充分
にプラスチックマトリックスで充填することができなく
なるため、複合材料を製造しても前記式で示されるよう
な強度が発揮されなくなる。また、繊維の体積割合を低
くしていくと前記式で示されるように複合材料の強度は
低下するから、実用性のある複合材料とするためには10
%以上のハイブリッド繊維を複合させることが必要であ
る。従って、本発明のハイブリッド繊維強化プラスチッ
ク複合材料の製造において、複合させるハイブリッド繊
維の体積割合を10〜80%、さらに好ましくは25〜70%と
すると最も良い効果が得られる。 σ c = σ f V f + σ M V M σ c: tensile strength of the composite sigma f: tensile strength of the hybrid fiber sigma M: the plastic matrix tensile strength V f: volume percentage V M of the hybrid fibers: the volume of the plastic matrix Percentage As shown in the above equation, the strength of the composite material increases as the volume ratio of the hybrid fibers in the composite material increases. Therefore, in order to manufacture a composite material having high strength, it is necessary to increase the volume ratio of the hybrid fiber to be composited. However, when the volume ratio of the hybrid fibers exceeds 80%, the amount of the plastic matrix is small, and it is not possible to sufficiently fill the gaps of the hybrid fibers with the plastic matrix. The strength as shown is not exerted. Further, as the volume ratio of the fibers is lowered, the strength of the composite material is lowered as shown by the above formula, so in order to obtain a practical composite material, 10
% Or more hybrid fibers must be combined. Therefore, in the production of the hybrid fiber-reinforced plastic composite material of the present invention, the best effect is obtained when the volume ratio of the hybrid fiber to be composited is 10 to 80%, more preferably 25 to 70%.
明細書における各種機械的特性は下記の測定法に従って
定めた。Various mechanical properties in the specification were determined according to the following measuring methods.
(a)層間剪断強度 曲率半径6mmφの2コのピン(長さ20mm)の上に10×12
×2mmの複合材料を置き、先端曲率半径3.5mmRの圧子で
圧縮、所謂3点曲げ方式で試験を行い、層間剪断応力を
測定する。剪断応力(kg/mm2)により表示する。(A) Interlaminar shear strength 10 × 12 on 2 pins (length 20mm) with radius of curvature 6mmφ
Place a composite material of × 2 mm, compress with an indenter with a tip radius of curvature of 3.5 mmR, perform a test by a so-called three-point bending method, and measure the interlaminar shear stress. It is indicated by shear stress (kg / mm 2 ).
(b)曲げ衝撃値 3点曲げによるシャルピー試験法(JIS K7111)により
曲げ衝撃値を測定した。曲げ衝撃値(kg・cm/cm2)によ
り表示する。(B) Bending impact value The bending impact value was measured by the Charpy test method (JIS K7111) by 3-point bending. Displayed by bending impact value (kgcm / cm 2 ).
(c)引張強度、引張弾性率 試験片の厚さは2mmで、中央部の板厚方向に125mmRの曲
率をつけ厚さ約1mmに仕上げる。引張強度の測定は1mm/m
inで行った。引張強度(kg/mm2)、弾性率(t/mm2)に
より表示する。(C) Tensile strength and tensile modulus The thickness of the test piece is 2 mm, and the thickness of the test piece is about 1 mm with a curvature of 125 mmR in the plate thickness direction at the center. Measurement of tensile strength is 1 mm / m
I went in. It is indicated by tensile strength (kg / mm 2 ) and elastic modulus (t / mm 2 ).
(d)曲げ強度、曲げ弾性率 試験片の厚さは2mmで、中央部の板厚方向に125mmRの曲
率をつけ厚さ約1mmに仕上げる。3点曲げ方式で試験を
行い、曲げ強度(kg/mm2)、曲げ弾性率(t/mm2)によ
り表示する。(D) Flexural strength and flexural modulus The thickness of the test piece is 2 mm, and a curvature of 125 mmR is applied in the plate thickness direction at the center to finish the thickness to about 1 mm. The test is performed by the three-point bending method, and the bending strength (kg / mm 2 ) and bending elastic modulus (t / mm 2 ) are displayed.
上記する各種機械的特性のうち、特に層間剪断強度及び
曲げ衝撃値は、プラスチックと繊維との間の結合強さを
表示する指標である。層間剪断強度が弱いと、樹脂と繊
維との間の結合強度が弱く、長期間の使用により繊維は
樹脂から剥離し易い。また曲げ衝撃値が低いと瞬間的な
衝撃による破壊という実用上の問題を生じる。Among the various mechanical properties described above, the interlaminar shear strength and the bending impact value are indexes indicating the bond strength between the plastic and the fiber. When the interlaminar shear strength is weak, the bonding strength between the resin and the fiber is weak, and the fiber is easily separated from the resin after long-term use. In addition, when the bending impact value is low, a practical problem of breakage due to momentary impact occurs.
(発明の効果) 本発明のハイブリッド繊維強化プラスチック複合材料
は、層間剪断強度、曲げ衝撃値などの機械的特性に優
れ、プラスチックと繊維との間の結合強度に優れている
ため、長期間の苛酷な環境下での使用に耐えるものであ
る。このため、従来のハイブリッド繊維強化プラスチッ
ク複合材料では満足に使用しえなかった各種分野で使用
することができる。そのような用途として、建築用材
料、航空機、宇宙開発用器材の材料、船舶用材料、陸上
輸送機器材料、耐食機器材料、電気材料、スポーツ用
品、機器要素、医療用機器材料、音響用機器材料などの
各種分野における用途を例示することができる。(Effect of the invention) The hybrid fiber-reinforced plastic composite material of the present invention is excellent in mechanical properties such as interlaminar shear strength and bending impact value, and is excellent in bond strength between the plastic and the fiber. It withstands use in various environments. Therefore, it can be used in various fields which could not be used satisfactorily with conventional hybrid fiber-reinforced plastic composite materials. Such applications include building materials, aircraft, materials for space development equipment, materials for ships, materials for land transportation equipment, materials for corrosion-resistant equipment, electrical materials, sports equipment, equipment elements, medical equipment materials, acoustic equipment materials. Applications in various fields such as can be exemplified.
(実施例) 以下実施例によって本発明を説明する。(Examples) The present invention will be described below with reference to Examples.
参考例1(有機珪素重合体の製造) 5lの三口フラスコに無水キシレン2.5l及びナトリウム40
0gを入れ、窒素ガス気流下でキシレンの沸点まで加熱
し、ジメチルジクロロシラン1を1時間で滴下した。
滴下終了後、10時間加熱還流し沈澱物を生成させた。沈
澱を濾過し、メタノールついで水で洗浄して、白色粉末
のポリジメチルシラン420gを得た。Reference Example 1 (Production of Organosilicon Polymer) 2.5 l of anhydrous xylene and 40 parts of sodium were placed in a 5 l three-necked flask.
0 g was added, the mixture was heated to the boiling point of xylene under a nitrogen gas stream, and dimethyldichlorosilane 1 was added dropwise over 1 hour.
After completion of the dropping, the mixture was heated under reflux for 10 hours to form a precipitate. The precipitate was filtered, washed with methanol and then with water to obtain 420 g of white powdery polydimethylsilane.
このポリジメチルシラン400gを、ガス導入管、攪拌機、
冷却器及び留出管を備えた3lの三口フラスコに仕込み、
攪拌しながら50ml/分の窒素気流下に420℃で加熱処理し
て、留出受器に350gの無色透明な少し粘性のある液体を
得た。This polydimethylsilane 400g, a gas introduction pipe, a stirrer,
Charge a 3 liter three-necked flask equipped with a condenser and a distillation tube,
Heat treatment was carried out at 420 ° C. under a nitrogen stream of 50 ml / min while stirring to obtain 350 g of a colorless transparent slightly viscous liquid in the distilling receiver.
この液体の数平均分子量は蒸気圧浸透法で測定したとこ
ろ470であった。The number average molecular weight of this liquid was 470 as measured by the vapor pressure osmosis method.
この物質の赤外線吸収スペクトルを測定したところ、65
0〜900cm-1と1250cm-1にSi−CH3の吸収、2100cm-1にSi
−Hの吸収、1020cm-1付近と1355cm-1にSi−CH2−Siの
吸収、2900cm-1と2950cm-1にC−Hの吸収が認められ、
またこの物質の遠赤外線吸収スペクトルを測定したとこ
ろ、380cm-1にSi−Siの吸収が認められることから、得
られた液状物質は、主として(Si−CH2)結合単位及び
(Si−Si)結合単位からなり、珪素の側鎖に水素原子及
びメチル基を有する有機珪素重合体であることが判明し
た。The infrared absorption spectrum of this substance was measured and found to be 65
Absorption of Si-CH 3 at 0-900 cm -1 and 1250 cm -1 , Si at 2100 cm -1
Absorption of -H, Si-CH 2 -Si absorption of the of 1020 cm -1 and near 1355 cm -1, absorption of CH was observed at 2900 cm -1 and 2950 cm -1,
Further, when the far-infrared absorption spectrum of this substance was measured, absorption of Si-Si was observed at 380 cm -1 , and thus the obtained liquid substance was mainly composed of (Si-CH 2 ) bond units and (Si-Si). It was found to be an organosilicon polymer having a bonding unit and having a hydrogen atom and a methyl group in the side chain of silicon.
該磁気共鳴分析及び赤外線吸収分析の測定結果から、こ
の有機珪素重合体は(Si−CH2)結合単位の全数対(Si
−Si)結合単位の全数の比率がほぼ1:3である重合体で
あることが確認された。From the measurement results of the magnetic resonance analysis and the infrared absorption analysis, the organosilicon polymer showed that the total number of (Si—CH 2 ) bond units versus (Si
It was confirmed that the polymer had a ratio of the total number of -Si) bond units of approximately 1: 3.
上記有機珪素重合体300gをエタノールで処理して低分子
量物を除去して、数平均分子量が1200の重合体40gを得
た。300 g of the above organosilicon polymer was treated with ethanol to remove low molecular weight substances, and 40 g of a polymer having a number average molecular weight of 1200 was obtained.
この物質の赤外線吸収スペクトルを測定したところ、上
記と同様の吸収ピークが認められ、この物質は主として
(Si−CH2)結合単位及び(Si−Si)結合単位からな
り、珪素の側鎖に水素原子及びメチル基を有する有機珪
素重合体であることが判明した。Measurement of the infrared absorption spectrum of this material, the absorption peak similar to that described above was observed, the material consists predominantly (Si-CH 2) coupling units and (Si-Si) bond unit, hydrogen on the side chain of the silicon It was found to be an organosilicon polymer having atoms and methyl groups.
該磁気共鳴分析及び赤外線吸収分析の測定結果から、こ
の有機珪素重合体は(Si−CH2)結合単位の全数対(Si
−Si)結合単位の全数の比率がほぼ7:1である重合体で
あることが確認された。From the measurement results of the magnetic resonance analysis and the infrared absorption analysis, the organosilicon polymer showed that the total number of (Si—CH 2 ) bond units versus (Si
It was confirmed that the polymer had a ratio of the total number of -Si) bond units of about 7: 1.
参考例2(無機繊維Iの製造) 石油留分のうち、軽油以上の高沸点物をシリカ・アルミ
ナ系分解触媒の存在下、500℃の温度で流動接触分解・
精留を行い、その塔底より残渣を得た。以下、この残渣
をFCCスラリーオイルと呼ぶ。Reference Example 2 (Production of Inorganic Fiber I) Of the petroleum fraction, a high boiling point substance such as light oil or higher is subjected to fluid catalytic cracking at a temperature of 500 ° C. in the presence of a silica / alumina type cracking catalyst.
Fractionation was performed to obtain a residue from the bottom of the column. Hereinafter, this residue is referred to as FCC slurry oil.
このFCCスラリーオイルは、元素分析の結果、酸素原子
対水素原子の原子比(C/H)が0.75で、該磁気共鳴分析
による芳香炭素率が0.55であった。As a result of elemental analysis, the FCC slurry oil had an atomic ratio of oxygen atoms to hydrogen atoms (C / H) of 0.75, and an aromatic carbon ratio by magnetic resonance analysis of 0.55.
上記FCCスラリーオイル500gを1/分の窒素ガス気流
下450℃で1時間加熱し、同温度における留出分を留去
後、残渣を200℃にて熱時濾過を行い、同温度における
不融部を除去し、軽質分除去ピッチ225gを得た。500 g of the above FCC slurry oil was heated for 1 hour at 450 ° C under a nitrogen gas flow of 1 / min, the distillate at the same temperature was distilled off, and the residue was hot filtered at 200 ° C to make it infusible at the same temperature. The portion was removed to obtain 225 g of a light material removal pitch.
この軽質分除去ピッチは75%のキシレン不溶分を含む光
学的に等方性のピッチであった。The light content removal pitch was an optically isotropic pitch containing 75% xylene insoluble matter.
これと並行して、上記FCCスラリーオイル400gを、窒素
ガス気流下450℃に加熱し、同温度における留出分を留
去後、残渣を200℃にて熱時濾過を行い、同温度におけ
る不融部を除去し、軽質分除去ピッチ180gを得た。得ら
れた軽質分除去ピッチ180gを窒素気流下、反応により生
成する軽質分を除去しながら400℃で7時間縮重合を行
い、熱処理ピッチ85gを得た。In parallel with this, 400 g of the above FCC slurry oil was heated to 450 ° C. under a nitrogen gas stream, the distillate at the same temperature was distilled off, and the residue was filtered while hot at 200 ° C. The fused portion was removed to obtain 180 g of a light material removal pitch. 180 g of the obtained light component removal pitch was subjected to polycondensation at 400 ° C. for 7 hours under a nitrogen stream while removing the light component produced by the reaction, to obtain a heat treated pitch of 85 g.
この熱処理ピッチは融点268℃、キシレン不溶分92%、
キノリン不溶分12%を含有しており、研磨面の偏光顕微
鏡観察による光学的異方性が89%のメソフェーズ多環状
芳香族化合物であった。This heat treatment pitch has a melting point of 268 ° C, xylene insoluble content of 92%,
It was a mesophase polycyclic aromatic compound containing 12% quinoline-insoluble matter and having an optical anisotropy of 89% by observation of the polished surface with a polarizing microscope.
前記軽質分除去ピッチ49gに参考例1で得た有機珪素重
合体21g及びキシレン20mlを加え、攪拌しながら昇温
し、キシレンを留去後、400℃で6時間反応させ39gの前
駆重合体(1)を得た。21 g of the organosilicon polymer obtained in Reference Example 1 and 20 ml of xylene were added to 49 g of the light content removal pitch, the temperature was raised with stirring, and xylene was distilled off, followed by reaction at 400 ° C. for 6 hours to give 39 g of the precursor polymer ( 1) was obtained.
この前駆重合体(1)は赤外線吸収スペクトル測定の結
果、有機珪素重合体中に存在するSi−H結合(IR:2100c
m-1)の減少、及び新たなSi−C(ベンゼン環の炭素)
結合(IR:1135cm-1)の生成が認められることより有機
珪素重合体の珪素原子の一部が多環状芳香族環と直接結
合した部分を有する共重合体であることがわかった。As a result of infrared absorption spectrum measurement, this precursor polymer (1) was found to have Si-H bonds (IR: 2100c) present in the organosilicon polymer.
m -1 ) decrease and new Si-C (carbon of benzene ring)
The formation of a bond (IR: 1135 cm -1 ) was confirmed to indicate that the organosilicon polymer is a copolymer having a part of silicon atoms directly bonded to a polycyclic aromatic ring.
前駆重合体(1)39gにテトラオクトキシチタン〔Ti(OC
8H17)4〕2.75gのキシレン溶液(25%キシレン溶液11g)
を加え、キシレン留去後、340℃で2時間反応させ、ラ
ンダム共重合体(2)38gを得た。To 39 g of the precursor polymer (1), tetraoctoxytitanium [Ti (OC
8 H 17 ) 4 ] 2.75 g xylene solution (25% xylene solution 11 g)
After xylene was distilled off, the mixture was reacted at 340 ° C. for 2 hours to obtain 38 g of a random copolymer (2).
この共重合体は、キシレン不溶部を含まず重量平均分子
量は1650、融点は272℃であった。This copolymer did not contain a xylene-insoluble portion, had a weight average molecular weight of 1650 and a melting point of 272 ° C.
上記ランダム共重合体(2)35gとメソフェーズ多環状
芳香族化合物90gを混合し、窒素雰囲気下、310℃で一時
間溶融加熱し、均一な状態にある金属含有多環状芳香族
重合体を得た。35 g of the random copolymer (2) and 90 g of the mesophase polycyclic aromatic compound were mixed and melt-heated at 310 ° C. for 1 hour under a nitrogen atmosphere to obtain a metal-containing polycyclic aromatic polymer in a uniform state. .
この重合体は、融点が272℃で、59%のキシレン不溶分
を含んでいた。This polymer had a melting point of 272 ° C. and contained 59% xylene-insoluble matter.
上記高分子量物を紡糸用原料とし、ノズル径0.15mmの金
属製ノズルを用い、340℃で溶融紡糸を行い、得られた
紡糸原糸を空気中、300℃で不融化し、更にアルゴン雰
囲気中、1300℃で焼成を行い、直径10μmの無機繊維を
得た。Using the above high molecular weight material as a raw material for spinning, using a metal nozzle having a nozzle diameter of 0.15 mm, melt spinning is performed at 340 ° C., the obtained spinning raw yarn is infusible at 300 ° C. in air, and further in an argon atmosphere. Firing was performed at 1300 ° C. to obtain an inorganic fiber having a diameter of 10 μm.
この繊維は引張強度が320Kg/mm2、引張弾性率32t/mm2で
あり、破壊面の走査型電子顕微鏡を用いた観察より、結
晶層が幾重にも重なった珊瑚様のタンダム、ラジアル混
在構造であった。This fiber has a tensile strength of 320 Kg / mm 2 and a tensile elastic modulus of 32 t / mm 2 , and the fracture surface was observed using a scanning electron microscope.As a result, a coral-like tandam and radial mixed structure with multiple layers of crystal layers were observed. Met.
参考例3(無機繊維IIの製造) 参考例2で得られた前駆重合体(1)39gにテトラキス
アセチルアセトナトジルコニウム5.4gのエタノール−キ
シレン溶液(1.5%)を加え、キシレン及びエタノール
を留去後250℃で1時間重合し39.5gのランダム共重合体
(2)を得た。Reference Example 3 (Production of Inorganic Fiber II) 39 g of the precursor polymer (1) obtained in Reference Example 2 was added with an ethanol-xylene solution (1.5%) of 5.4 g of tetrakisacetylacetonatozirconium, and xylene and ethanol were distilled off. Then, the mixture was polymerized at 250 ° C. for 1 hour to obtain 39.5 g of a random copolymer (2).
この重合体20gと参考例2で得られたメソフェーズ多環
状芳香族化合物50gを微粉砕混合し、紡糸筒内で350℃で
溶融し、ノズル径0.2mmのノズルを用い、340℃で紡糸
し、得られた紡糸原糸を空気中250℃で不融化し、更に
アルゴン雰囲気中1400℃で焼成、直径11μの無機繊維II
を得た。20 g of this polymer and 50 g of the mesophase polycyclic aromatic compound obtained in Reference Example 2 were finely pulverized and mixed, melted at 350 ° C. in a spinning cylinder, and spun at 340 ° C. using a nozzle having a nozzle diameter of 0.2 mm, The obtained spun yarn is infusibilized in air at 250 ° C, and further fired at 1400 ° C in an argon atmosphere, and an inorganic fiber with a diameter of 11μ II
Got
この繊維は引張強度は325Kg/mm2、引張弾性率35t/mm2で
あった。This fiber had a tensile strength of 325 kg / mm 2 and a tensile elastic modulus of 35 t / mm 2 .
参考例4(無機繊維IIIの構造) 軽質分除去ピッチ及び有機珪素重合体の使用量をそれぞ
れ60g及び40gに変えた以外は参考例2と同様にして、57
gの前駆重合体(1)を得た。Reference Example 4 (Structure of Inorganic Fiber III) The procedure of Reference Example 2 was repeated except that the amounts of the light content removal pitch and the organosilicon polymer were changed to 60 g and 40 g, respectively.
g of precursor polymer (1) was obtained.
この前駆共重合体(1)40gにハフニウムクロライド7.2
gのエタノール−キシレン溶液(1.5%)を加え、キシレ
ン及びエタノールを留去後250℃で1時間重合し43.5gの
ランダム共重合体(2)を得た。Hafnium chloride 7.2 is added to 40 g of this precursor copolymer (1).
g of ethanol-xylene solution (1.5%) was added, and xylene and ethanol were distilled off, followed by polymerization at 250 ° C. for 1 hour to obtain 43.5 g of a random copolymer (2).
この重合体20gと参考例2で得られたメソフェーズ多環
状芳香族化合物80gを微粉砕混合した後に、紡糸筒内で3
50℃で溶融脱泡を行い、350℃で溶融紡糸し、270℃で不
融化し、アルゴン中で1200℃で焼成することによって1
2.5μの無機繊維IIIを得た。After 20 g of this polymer and 80 g of the mesophase polycyclic aromatic compound obtained in Reference Example 2 were finely pulverized and mixed, 3
Melt degassing at 50 ° C, melt spinning at 350 ° C, infusibilizing at 270 ° C and firing at 1200 ° C in argon 1
2.5 μm of inorganic fiber III was obtained.
この繊維の引張強度は315kg/mm2、引張弾性率35t/mm2で
あった。The tensile strength of this fiber was 315 kg / mm 2 , and the tensile elastic modulus was 35 t / mm 2 .
参考例5(無機繊維IVの製造) 参考例2で得られたFCCスラリーオイル700gを2l/分の窒
素ガス気流下450℃で0.5時間加熱し、同温度における留
出分を留去後、残渣を200℃にて熱時濾過を行い、同温
度における不融部を除去し、軽質分除去ピッチ200gを得
た。Reference Example 5 (Production of Inorganic Fiber IV) 700 g of the FCC slurry oil obtained in Reference Example 2 was heated at 450 ° C. for 0.5 hours under a nitrogen gas stream of 2 l / min to distill off the distillate at the same temperature, and then to leave the residue. Was hot filtered at 200 ° C. to remove the infusible portion at the same temperature to obtain 200 g of a light material removal pitch.
この軽質分除去ピッチは25%のキシレン不溶分を含む光
学的に等方性のピッチであった。The light content removal pitch was an optically isotropic pitch containing 25% of xylene-insoluble matter.
一方、上記軽質分除去ピッチ180gを窒素気流下、反応に
より生成する軽質分を除去しながら400℃で8時間縮重
合を行い、熱処理ピッチ97.2gを得た。On the other hand, 180 g of the above-mentioned light content removing pitch was subjected to polycondensation at 400 ° C. for 8 hours under a nitrogen stream while removing the light content produced by the reaction to obtain a heat-treated pitch of 97.2 g.
この熱処理ピッチは融点263℃、軟化点308℃、キシレン
不溶分77%、キノリン不溶分31%を含有しており、研磨
面の偏光顕微鏡観察による光学的異方性が75%のメソフ
ェーズ多環状芳香族化合物であった。This heat-treated pitch contains a melting point of 263 ° C, a softening point of 308 ° C, xylene insoluble content of 77%, and quinoline insoluble content of 31%. It was a family compound.
前記軽質分除去ピッチ57gに参考例1で得た有機珪素重
合体25g及びキシレン20mlを加え、攪拌しながら昇温
し、キシレンを留去後、400℃で4時間反応させ57.4gの
前駆重合体(1)を得た。25 g of the organosilicon polymer obtained in Reference Example 1 and 20 ml of xylene were added to 57 g of the light content removal pitch, the temperature was raised with stirring, xylene was distilled off, and the mixture was reacted at 400 ° C. for 4 hours to give 57.4 g of a precursor polymer. (1) was obtained.
この前駆重合体(1)は赤外線吸収スペクトル測定の結
果、有機珪素重合体中に存在するSi−H結合(IR:2100c
m-1)の減少、及び新たなSi−C(ベンゼン環の炭素)
結合(IR:1135cm-1)の生成が認められることより有機
珪素重合体の珪素原子の一部が多環状芳香族環と直接結
合した部分を有する共重合体であることがわかった。As a result of infrared absorption spectrum measurement, this precursor polymer (1) was found to have Si-H bonds (IR: 2100c) present in the organosilicon polymer.
m -1 ) decrease and new Si-C (carbon of benzene ring)
The formation of a bond (IR: 1135 cm -1 ) was confirmed to indicate that the organosilicon polymer is a copolymer having a part of silicon atoms directly bonded to a polycyclic aromatic ring.
前駆重合体(1)57.4gにテトラオクトキシチタン〔Ti
(OC8H17)4〕3.87gのキシレン溶液(25%キシレン溶液1
5.5g)を加え、キシレン留去後、340℃で一時間反応さ
せ、ランダム共重合体(2)56gを得た。To 57.4 g of the precursor polymer (1), tetraoctoxytitanium [Ti
(OC 8 H 17 ) 4 ] 3.87 g xylene solution (25% xylene solution 1
5.5 g) was added, xylene was distilled off, and the mixture was reacted at 340 ° C. for 1 hour to obtain 56 g of a random copolymer (2).
この共重合体は、キシレン不溶部を含まず重量平均分子
量は1580、融点は258℃で、軟化点292℃であった。This copolymer did not contain a xylene-insoluble portion, had a weight average molecular weight of 1580, a melting point of 258 ° C and a softening point of 292 ° C.
上記ランダム共重合体(2)6.4gと前記メソフェーズ多
環状芳香族化合物90gを混合し、窒素雰囲気下、380℃で
一時間溶融加熱し、均一な状態にある金属含有多環状芳
香族重合体を得た。6.4 g of the random copolymer (2) and 90 g of the mesophase polycyclic aromatic compound are mixed and melt-heated at 380 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere to obtain a metal-containing polycyclic aromatic polymer in a uniform state. Obtained.
この重合体は、融点が264℃で、軟化点307℃、68%のキ
シレン不溶分を含んでいた。This polymer had a melting point of 264 ° C., a softening point of 307 ° C., and contained a 68% xylene-insoluble matter.
上記高分子量物を紡糸用原料とし、ノズル径0.15mmの金
属製ノズルを用い、360℃で溶融紡糸を行い、得られた
紡糸原糸を、空気中、300℃で不融化し、更にアルゴン
雰囲気中、1300℃で焼成を行い、直径7.5μmの無機繊
維を得た。Using the above-mentioned high molecular weight material as a raw material for spinning, using a metal nozzle having a nozzle diameter of 0.15 mm, melt spinning is performed at 360 ° C., the obtained spinning raw yarn is infusible at 300 ° C. in air, and further an argon atmosphere Firing was performed at 1300 ° C. in the middle to obtain an inorganic fiber having a diameter of 7.5 μm.
この繊維は引張強度が358Kg/mm2、引張弾性率32t/mm2で
あり、破断面の走査型電子顕微鏡を用いた観察より、結
晶層が幾重にも重なった珊瑚様のランダム、ラジアル混
在構造であった。This fiber has a tensile strength of 358 Kg / mm 2 and a tensile modulus of 32 t / mm 2 , and the fracture surface was observed using a scanning electron microscope, and as a result, a coral-like random and radial mixed structure with multiple layers of crystalline layers was observed. Met.
この無機繊維を粉砕後、アルカリ溶融、塩酸処理を施
し、水溶液とした後高周波プラズマ発光分光分析(IC
P)を行った結果、珪素含有率は0.95%、チタン含有率
は0.06%であった。After crushing this inorganic fiber, alkali melting and hydrochloric acid treatment are applied to form an aqueous solution, and then high-frequency plasma emission spectroscopy (IC
As a result of performing P), the silicon content was 0.95% and the titanium content was 0.06%.
参考例6(無機繊維Vの製造) 参考例5で得られた前駆重合体(1)39gにテトラキス
アセチルアセトナトジルコニウム5.4gのエタノール−キ
シレン溶液(1.5%)を加え、キシレン及びエタノール
を留去後250℃で1時間重合し39.5gのランダム共重合体
(2)を得た。Reference Example 6 (Production of Inorganic Fiber V) 39 g of the precursor polymer (1) obtained in Reference Example 5 was added with an ethanol-xylene solution (1.5%) of 5.4 g of tetrakisacetylacetonatozirconium, and xylene and ethanol were distilled off. Then, the mixture was polymerized at 250 ° C. for 1 hour to obtain 39.5 g of a random copolymer (2).
この重合体20gと参考例5で得られたメソフェーズ多環
状芳香族化合物50gを微粉砕混合し、360℃で一時間溶融
混合し、ノズル径0.2mmのノズルを用い、350℃で紡糸
し、得られた紡糸原糸を空気中250℃で不融化し、更に
アルゴン雰囲気中1400℃で焼成、直径11μの無機繊維V
を得た。20 g of this polymer and 50 g of the mesophase polycyclic aromatic compound obtained in Reference Example 5 were finely pulverized and mixed, melt-mixed at 360 ° C. for 1 hour, and spun at 350 ° C. using a nozzle having a nozzle diameter of 0.2 mm to obtain The resulting spun raw yarn is made infusible at 250 ° C in air, and further fired at 1400 ° C in an argon atmosphere, and an inorganic fiber V with a diameter of 11μ
Got
この繊維の引張強度は345kg/mm2、引張弾性率35t/mm2で
あった。The tensile strength of this fiber was 345 kg / mm 2 , and the tensile elastic modulus was 35 t / mm 2 .
参考例7(無機繊維VIの製造) 軽質分除去ピッチ及び有機珪素重合体の使用量をそれぞ
れ60g及び40gに変えた以外は参考例5と同様にして、57
gの前駆重合体(1)を得た。Reference Example 7 (Production of Inorganic Fiber VI) The procedure of Reference Example 5 was repeated except that the amounts of the light content removal pitch and the organosilicon polymer were changed to 60 g and 40 g, respectively.
g of precursor polymer (1) was obtained.
この前駆共重合体(1)40gにハフニウムクロライド7.2
gのエタノール−キシレン溶液(1.5%)を加え、キシレ
ン及びエタノールを留去後250℃で1時間重合し43.5gの
ランダム共重合体(2)を得た。Hafnium chloride 7.2 is added to 40 g of this precursor copolymer (1).
g of ethanol-xylene solution (1.5%) was added, and xylene and ethanol were distilled off, followed by polymerization at 250 ° C. for 1 hour to obtain 43.5 g of a random copolymer (2).
この重合体20gと参考例5で得られたメソフェーズ多環
状芳香族化合物80gを微粉砕混合した後に、360℃で1時
間溶融混合を行い、360℃で溶融紡糸し、270℃で不融化
し、アルゴン中で1200℃で焼成することによって12.5μ
の無機繊維VIを得た。20 g of this polymer and 80 g of the mesophase polycyclic aromatic compound obtained in Reference Example 5 were finely pulverized and mixed, and then melt-mixed at 360 ° C. for 1 hour, melt-spun at 360 ° C. and infusible at 270 ° C., 12.5μ by firing at 1200 ° C in argon
Inorganic fiber VI was obtained.
この繊維の引張強度は335kg/mm2、引張弾性率35t/mm2で
あった。The tensile strength of this fiber was 335 kg / mm 2 , and the tensile elastic modulus was 35 t / mm 2 .
参考例8(無機繊維VIIの製造) 参考例5と同様にして得たランダム共重合体(2)1.8g
と参考例5と同様にして得たメソフェーズ多環状芳香族
化合物90gを、窒素気流下400℃で1.5時間溶融混合し、
融点265℃、キシレン不溶分55%の紡糸ドープを得た。
このドープをノズル径0.15mmのノズルを用い、350℃で
溶融紡糸後、300℃で不融化後1700℃で焼成し、直径8
μの無機繊維を得た。Reference Example 8 (Production of Inorganic Fiber VII) 1.8 g of a random copolymer (2) obtained in the same manner as in Reference Example 5
And 90 g of the mesophase polycyclic aromatic compound obtained in the same manner as in Reference Example 5 were melt mixed at 400 ° C. for 1.5 hours under a nitrogen stream,
A spinning dope having a melting point of 265 ° C. and a xylene insoluble content of 55% was obtained.
Using a nozzle with a nozzle diameter of 0.15 mm, this dope was melt-spun at 350 ° C., infusibilized at 300 ° C., and then fired at 1700 ° C. to give a diameter of 8
μ of inorganic fiber was obtained.
この無機繊維を粉砕後、アルカリ溶融、塩酸処理を施
し、水溶液とした後高周波プラズマ発光分光分析(IC
P)を行った結果、珪素含有率は0.3%、チタン含有率は
0.015%であった。After crushing this inorganic fiber, alkali melting and hydrochloric acid treatment are applied to form an aqueous solution, and then high-frequency plasma emission spectroscopy (IC
As a result of performing P), the silicon content is 0.3% and the titanium content is
It was 0.015%.
この繊維の引張強度は335kg/mm2、引張弾性率40t/mm2で
あった。The tensile strength of this fiber was 335 kg / mm 2 , and the tensile elastic modulus was 40 t / mm 2 .
参考例9(Si−Ti−C−O繊維の製法) ジメチルジクロロシランを金属ナトリウムで脱塩素縮合
して合成されるポリジメチルシラン100部に対しポリボ
ロシロキサンを3部の割合で添加し、窒素中、350℃で
熱縮合し、式(Si−CH2)のカルボシラン単位から主と
してなる主鎖骨格を有し、該カルボシラン単位の珪素原
子に水素原子及びメチル基を有しているポリカルボシラ
ンを調製した。このポリカルボシランに、チタンアルコ
キシドを加えて、窒素中、340℃で架橋重合することに
より、カルボシラン単位100部と式(Ti−O)のチタノ
キサン10部とからなるポリチタノカルボシランを得た。
このポリマーを溶融紡糸し、空気中190℃で不融化処理
し、さらに引き続いて窒素中1300℃で焼成て、繊維径13
μ、引張強度が310kg/mm2、弾性率16t/mm2(モノフィラ
メント法)の主として珪素、チタン、炭素及び酸素から
なるチタン元素3%含有の無機繊維を得た。得られた無
機繊維はSi、Ti、C及びOからなる非晶質と、β−Si
C、TiC、β−SiCとTiCの固溶体及びTiC1-x(ただし、0
<x<1)の粒径が約50Åの各結晶質超微粒子及び非晶
質のSiO2とTiO2からなる集合体との混合系からなるSi−
Ti−C−O繊維であった。Reference Example 9 (Production Method of Si-Ti-C-O Fiber) Polyborosiloxane was added at a ratio of 3 parts to 100 parts of polydimethylsilane synthesized by dechlorinating and condensing dimethyldichlorosilane with sodium metal, and nitrogen was added. A polycarbosilane having a main chain skeleton mainly composed of carbosilane units of the formula (Si—CH 2 ) and having a hydrogen atom and a methyl group at the silicon atom of the carbosilane units. Prepared. Titanium alkoxide was added to this polycarbosilane and crosslinked in nitrogen at 340 ° C. to obtain a polytitanocarbosilane composed of 100 parts of carbosilane units and 10 parts of titanoxane of the formula (Ti—O). .
This polymer was melt-spun, infusibilized at 190 ° C in air, and then fired at 1300 ° C in nitrogen to give a fiber diameter of 13
An inorganic fiber mainly containing silicon, titanium, carbon and oxygen and having a titanium element content of 3% and having a tensile strength of 310 kg / mm 2 and an elastic modulus of 16 t / mm 2 (monofilament method) was obtained. The obtained inorganic fibers are amorphous composed of Si, Ti, C and O, and β-Si.
C, TiC, solid solution of β-SiC and TiC and TiC 1-x (however, 0
Si-comprising a mixed system of crystalline ultrafine particles with a particle size of <x <1) of about 50Å and an aggregate of amorphous SiO 2 and TiO 2.
It was a Ti-CO fiber.
実施例1 ビスフェノールA型エポキシ樹脂(チバガイギー社製XB
2879A)100部及びジシアンジアミド硬化剤(チバガイギ
ー社製XB2879B)20部を均一に混合した後に、混合物を
重量比で1:1のメチルセロソルブとアセトンとの混合溶
媒に溶解して、上記混合物の28%溶液を調製した。Example 1 Bisphenol A type epoxy resin (XB manufactured by Ciba Geigy)
2879A) and 100 parts of dicyandiamide curing agent (XB2879B manufactured by Ciba-Geigy Co.) were uniformly mixed, and then the mixture was dissolved in a mixed solvent of methyl cellosolve and acetone at a weight ratio of 1: 1 to obtain 28% of the above mixture. A solution was prepared.
参考例2で得られた無機繊維Iに上記溶液を含浸した後
に、ドラムワインダーを用いて一方向に引き取り、熱循
環オーブン中100℃で14分間加熱することによって、半
硬化状態の一方向に引き揃えられた無機繊維プリプレグ
シートを調製した。After impregnating the inorganic fiber I obtained in Reference Example 2 with the above solution, it was drawn in one direction using a drum winder and heated in a heat circulating oven at 100 ° C. for 14 minutes to draw in one direction in a semi-cured state. An aligned inorganic fiber prepreg sheet was prepared.
同様にして、表面処理をした炭素繊維(ポリアクリロニ
トリル系、繊維径7μ、引張強度300Kg/mm2、引張弾性
率24t/mm2)を用い半硬化状態の一方向に引き揃えられ
た炭素繊維プリプレグシートを調製した。In the same way, carbon fiber prepregs that were unidirectionally aligned in a semi-cured state using surface-treated carbon fibers (polyacrylonitrile-based, fiber diameter 7μ, tensile strength 300Kg / mm 2 , tensile elastic modulus 24t / mm 2 ). Sheets were prepared.
このようにして得た無機繊維Iと炭素繊維のプリプレグ
シートを軸方向を同じにして交互に積層した後ホットプ
レスして、ハイブリッド繊維(無機繊維/炭素繊維)強
化エポキシ複合材料を製造した。The thus-prepared inorganic fiber I and carbon fiber prepreg sheets were alternately laminated in the same axial direction and then hot pressed to produce a hybrid fiber (inorganic fiber / carbon fiber) reinforced epoxy composite material.
この複合材料の繊維含有率は無機繊維30体積%、炭素繊
維30体積%、計60体積%であった。The fiber content of this composite material was 30% by volume of inorganic fibers and 30% by volume of carbon fibers, for a total of 60% by volume.
得られた複合材料の0度方向の引張強度及び引張弾性率
はそれぞれ191Kg/mm2、16.8t/mm2であり、0度方向の曲
げ強度は195Kg/mm2であり、90度方向の曲げ強度は7.8Kg
/mm2、層間剪断強度は8.8Kg/mm2、曲げ衝撃値は230Kg・
cm/cm2であった。The tensile strength and the tensile elastic modulus of the obtained composite material in the 0 degree direction are 191 Kg / mm 2 and 16.8 t / mm 2 , respectively, and the bending strength in the 0 degree direction is 195 Kg / mm 2 , and the bending strength in the 90 degree direction is 90 °. Strength is 7.8Kg
/ mm 2 , interlayer shear strength 8.8Kg / mm 2 , bending impact value 230Kg ・
It was cm / cm 2 .
実施例2 炭素繊維の代わりに、参考例9に示したSi−Ti−C−O
繊維を用いて実施例1と同様にしてハイブリッド繊維強
化エポキシ複合材料を製造した。この複合材料の繊維含
有率は無機繊維30体積%、Si−Ti−C−O繊維30体積
%、計60体積%である。得られた複合材料の0度方向の
引張強度及び引張弾性率はそれぞれ200Kg/mm2、15.9t/m
m2であり、0度方向の曲げ強度は、215Kg/mm2、90°方
向の曲げ強度は12.8Kg/mm2、層間剪断強度は12.1Kg/m
m2、曲げ衝撃値は282Kg・cm/cm2であった。Example 2 Instead of carbon fiber, Si-Ti-CO shown in Reference Example 9 was used.
A hybrid fiber-reinforced epoxy composite material was produced in the same manner as in Example 1 using the fibers. The fiber content of this composite material is 30% by volume of inorganic fibers, 30% by volume of Si-Ti-CO fibers, and 60% by volume in total. The tensile strength and elastic modulus in the 0 degree direction of the obtained composite material are 200 kg / mm 2 and 15.9 t / m, respectively.
m 2, and the bending strength of the 0-degree direction, 215Kg / mm 2, 90 ° direction bending strength is 12.8 kg / mm 2, the interlayer shear strength is 12.1 kg / m
The m 2 and bending impact value were 282 Kg · cm / cm 2 .
比較例1 引張強度300Kg/mm2、引張弾性率21t/mm2、繊維径7.5μ
のポリアクリロニトリル系炭素繊維のみを用い、実施例
1と同様にして、半硬化状態の一方向に引き揃えられた
炭素繊維プリプレグシートを調製した。Comparative Example 1 Tensile strength 300Kg / mm 2 , Tensile modulus 21t / mm 2 , Fiber diameter 7.5μ
In the same manner as in Example 1 except that the polyacrylonitrile-based carbon fiber of Example 1 was used, a unidirectionally aligned semi-cured carbon fiber prepreg sheet was prepared.
このプリプレグシートを、繊維軸を同じにして、積層し
た後、ホットプレスして、炭素繊維強化エポキシ複合材
料を製造した。この複合材料の繊維含有率は60体積%で
ある。得られた複合材料の0度方向の引張強度及び引張
弾性率はそれぞれ150Kg/mm2及び14t/mm2であり、0度方
向の曲げ強度は、172Kg/mm2、90度方向の曲げ強度は6.2
Kg/mm2、層間剪断強度は8.1Kg/mm2、曲げ衝撃値は150Kg
・cm/cm2であった。The prepreg sheets were laminated with the fiber axes being the same, and then hot pressed to produce a carbon fiber reinforced epoxy composite material. The fiber content of this composite material is 60% by volume. The resulting 0-degree direction tensile strength and tensile modulus of the composite material are each 150 Kg / mm 2 and 14t / mm 2, bending strength of the 0 degree direction, 172Kg / mm 2, 90 ° direction of the flexural strength 6.2
Kg / mm 2, the interlayer shear strength is 8.1 kg / mm 2, bending impact value 150Kg
・ It was cm / cm 2 .
比較例2 参考例9で得られたSi−Ti−C−O繊維のみを用い、実
施例1と同様にして、Si−Ti−C−O繊維プリプレグシ
ートを調製し、比較例1と同様にして、Si−Ti−C−O
繊維強化エポキシ複合材料を製造した。この複合材料の
繊維含有率は60体積%である。得られた複合材料の0度
方向の引張弾性率11.3t/mm2であった。他の機械的強度
は実施例2とほぼ同程度の値であった。Comparative Example 2 A Si-Ti-C-O fiber prepreg sheet was prepared in the same manner as in Example 1 using only the Si-Ti-C-O fiber obtained in Reference Example 9 and in the same manner as in Comparative Example 1. , Si-Ti-C-O
A fiber reinforced epoxy composite was produced. The fiber content of this composite material is 60% by volume. The tensile elastic modulus in the 0 ° direction of the obtained composite material was 11.3 t / mm 2 . The other mechanical strengths were almost the same values as in Example 2.
実施例3〜5 炭素繊維の代わりに第1表に示す特性を有するアルミナ
繊維、炭化珪素繊維またはガラス繊維(これらの繊維を
強化用第2繊維と呼ぶ。)を用いて、実施例1と同様に
してハイブリッド繊維強化エポキシ樹脂複合材料を製造
した。これらの複合材料の繊維含有率は、無機繊維30体
積%、強化用第2繊維30体積%、計60体積%であった。Examples 3 to 5 Alumina fibers, silicon carbide fibers or glass fibers having the properties shown in Table 1 (these fibers are referred to as second reinforcing fibers) are used in place of the carbon fibers, and the same as in Example 1. Then, a hybrid fiber reinforced epoxy resin composite material was manufactured. The fiber content of these composite materials was 30% by volume of inorganic fibers and 30% by volume of the second reinforcing fibers, for a total of 60% by volume.
得られたハイブリッド繊維強化エポキシ樹脂複合材料の
性能を第2表に示した。The performance of the obtained hybrid fiber reinforced epoxy resin composite material is shown in Table 2.
比較例3〜5 アルミナ繊維、炭化珪素繊維またはガラス繊維を用い、
実施例1と同様にして、アルミナ繊維プリプレグシー
ト、炭化珪素繊維プリプレグシート及びガラス繊維プリ
プレグシートを調製し、比較例1と同様にして、アルミ
ナ繊維強化エポキシ複合材料、炭化珪素繊維強化エポキ
シ複合材料及びガラス繊維強化エポキシ複合材料を製造
した。これらの複合材料の繊維含有率は、60体積%であ
った。 Comparative Examples 3 to 5 Using alumina fiber, silicon carbide fiber or glass fiber,
An alumina fiber prepreg sheet, a silicon carbide fiber prepreg sheet and a glass fiber prepreg sheet were prepared in the same manner as in Example 1, and similarly to Comparative Example 1, an alumina fiber reinforced epoxy composite material, a silicon carbide fiber reinforced epoxy composite material and A glass fiber reinforced epoxy composite material was produced. The fiber content of these composite materials was 60% by volume.
得られた複合材料の機械的特性を第3表に示した。The mechanical properties of the obtained composite material are shown in Table 3.
実施例6 無機繊維として、参考例3で得られた無機繊維IIを用
い、炭素繊維の代わりに、繊維直径140μ、引張強度350
Kg/mm2、引張弾性率43t/mm2のカーボンを芯線とした炭
化珪素繊維を用い、実施例1と同様にしてハイブリッド
繊維強化エポキシ樹脂複合材料を製造した。この複合材
料の繊維含有率は、無機繊維が30体積%、カーボンを芯
線とした炭化珪素繊維が16体積%で、計46体積%であっ
た。得られた複合材料の0度方向の引張強度が168Kg/mm
2、0度方向の引張弾性率22t/mm2、0度方向の曲げ強度
が213Kg/mm2及び90度方向の曲げ強度が6.7Kg/mm2であっ
た。 Example 6 As the inorganic fiber, the inorganic fiber II obtained in Reference Example 3 was used, and instead of the carbon fiber, the fiber diameter was 140 μ, and the tensile strength was 350.
A hybrid fiber-reinforced epoxy resin composite material was produced in the same manner as in Example 1 using silicon carbide fibers having a carbon core wire of Kg / mm 2 and a tensile elastic modulus of 43 t / mm 2 . The fiber content of this composite material was 30% by volume of inorganic fibers and 16% by volume of silicon carbide fibers having carbon as a core wire, for a total of 46% by volume. The obtained composite material has a tensile strength in the 0 degree direction of 168 kg / mm.
2 , the tensile elastic modulus in the 0 ° direction was 22 t / mm 2 , the bending strength in the 0 ° direction was 213 Kg / mm 2, and the bending strength in the 90 ° direction was 6.7 Kg / mm 2 .
比較例6 実施例6で用いたカーボンを芯線とした炭化珪素繊維を
用い、実施例1と同様にして、カーボンを芯線とした炭
化珪素繊維プリプレグシートを調製し、比較例1と同様
にしてカーボンを芯線とした炭化珪素繊維強化エポキシ
樹脂複合材料を得た。カーボンを芯線とした炭化珪素繊
維は、繊維直径が大きいため繊維含有量は33体積%に過
ぎなかった。Comparative Example 6 A silicon carbide fiber prepreg sheet having carbon as a core wire was prepared in the same manner as in Example 1 using the silicon carbide fiber having carbon as a core wire used in Example 6, and carbon was prepared as in Comparative Example 1. A silicon carbide fiber reinforced epoxy resin composite material having a core wire of was obtained. The silicon carbide fiber having carbon as a core wire has a large fiber diameter, and thus the fiber content was only 33% by volume.
得られた複合材料の0度方向の引張強度が140Kg/mm2、
0度方向の引張弾性率23t/mm2、0度方向の曲げ強度が1
95Kg/mm2及び90度方向の曲げ強度が3.1Kg/mm2であっ
た。The obtained composite material has a tensile strength in the 0 ° direction of 140 kg / mm 2 ,
Tensile elastic modulus in the 0 degree direction is 23t / mm 2 , bending strength in the 0 degree direction is 1
The bending strength was 95 kg / mm 2 and the bending strength in the 90 ° direction was 3.1 kg / mm 2 .
実施例7 無機繊維として、参考例4で得られた無機繊維IIIを用
い、炭素繊維の代わりに、繊維直径140μ、引張強度357
Kg/mm2、引張弾性率41t/mm2のボロン繊維を用い、実施
例1と同様にしてハイブリッド繊維強化エポキシ樹脂複
合材料を製造した。この複合材料の繊維含有率は、無機
繊維が30体積%、ボロン繊維が20体積%で、計50体積%
であった。Example 7 As the inorganic fiber, the inorganic fiber III obtained in Reference Example 4 was used, and instead of the carbon fiber, the fiber diameter was 140 μ, and the tensile strength was 357.
A hybrid fiber-reinforced epoxy resin composite material was produced in the same manner as in Example 1 using boron fibers having a Kg / mm 2 and a tensile modulus of 41 t / mm 2 . The fiber content of this composite material is 30% by volume of inorganic fibers and 20% by volume of boron fibers, for a total of 50% by volume.
Met.
得られた複合材料の0度方向の引張強度が178Kg/mm2、
0度方向の引張弾性率が21t/mm2、0度方向の曲げ強度
が215Kg/mm2及び90度方向の曲げ強度が7.0Kg/mm2であっ
た。The obtained composite material has a tensile strength in the 0 degree direction of 178 kg / mm 2 ,
The tensile elastic modulus in the 0 ° direction was 21 t / mm 2 , the bending strength in the 0 ° direction was 215 kg / mm 2, and the bending strength in the 90 ° direction was 7.0 kg / mm 2 .
比較例7 実施例7で用いたボロン繊維を単独で用い、実施例1と
同様にして、ボロン繊維プリプレグシートを調製し、比
較例1と同様にしてボロン繊維強化エポキシ樹脂複合材
料を得た。ボロン繊維は、繊維直径が大きいため繊維含
有率は31体積%に過ぎなかった。得られた複合材料の0
度方向の引張強度が154Kg/mm2、0度方向の引張弾性率
が22t/mm2、0度方向の曲げ強度が193Kg/mm2及び90度方
向の曲げ強度が3.8Kg/mm2であった。Comparative Example 7 A boron fiber prepreg sheet was prepared in the same manner as in Example 1, except that the boron fiber used in Example 7 was used alone, and a boron fiber-reinforced epoxy resin composite material was obtained in the same manner as in Comparative Example 1. The boron fiber had a large fiber diameter, and thus had a fiber content of only 31% by volume. 0 of the obtained composite material
The tensile strength in the 0 ° direction is 154 kg / mm 2 , the tensile elastic modulus in the 0 ° direction is 22 t / mm 2 , the bending strength in the 0 ° direction is 193 kg / mm 2, and the bending strength in the 90 ° direction is 3.8 kg / mm 2. It was
実施例8 炭素繊維の代わりに、引張強度270Kg/mm2、引張弾性率1
3t/mm2のアラミド繊維を用いて実施例1と同様にしてハ
イブリッド繊維強化エポキシ複合材料を製造した。この
複合材料の繊維含有率は無機繊維が30体積%で、アラミ
ド繊維が30体積%、計60体積%であった。得られた複合
材料の0度方向の引張強度、引張弾性率及び曲げ強度は
それぞれ158Kg/mm2、12t/mm2及び161Kg/mm2であり、ア
ラミド繊維強化エポキシ樹脂と比べ大幅に強度、弾性率
が向上した(繊維含有率が60体積%のアラミド繊維強化
エポキシ樹脂の0度方向の引張強度、引張弾性率及び曲
げ強度はそれぞれ95Kg/mm2、5.3t/mm2及び93Kg/mm2であ
った。)。また、得られた複合材料の曲げ衝撃値は272K
g・cm/cm2で、アラミド繊維の特徴である耐衝撃性を大
幅に減じるものではなかった(繊維含有率が60体積%の
アラミド繊維強化エポキシ樹脂の曲げ衝撃値は302Kg・c
m/cm2であった。)。Example 8 Instead of carbon fiber, tensile strength 270 kg / mm 2 , tensile modulus 1
A hybrid fiber reinforced epoxy composite material was produced in the same manner as in Example 1 using 3 t / mm 2 of aramid fiber. The fiber content of this composite material was 30% by volume of inorganic fibers and 30% by volume of aramid fibers, for a total of 60% by volume. The tensile strength, tensile elastic modulus and bending strength of the obtained composite material in the 0 degree direction are respectively 158 Kg / mm 2 , 12 t / mm 2 and 161 Kg / mm 2, which are significantly stronger and more elastic than the aramid fiber reinforced epoxy resin. The aramid fiber reinforced epoxy resin with a fiber content of 60% by volume has a tensile strength in the 0 degree direction, a tensile elastic modulus and a bending strength of 95 Kg / mm 2 , 5.3 t / mm 2 and 93 Kg / mm 2 , respectively. there were.). The bending impact value of the obtained composite material is 272K.
g · cm / cm 2 did not significantly reduce the impact resistance characteristic of aramid fibers (the bending impact value of aramid fiber-reinforced epoxy resin with a fiber content of 60% by volume was 302 Kg · c
It was m / cm 2 . ).
実施例9 ビスフェノールA型エポキシ樹脂(チバガイギー社製XB
2879A)100部及びジシアンジアミド硬化剤(チバガイギ
ー社製XB2879B)20部を均一に混合した後に、混合物を
重量比で1:1のメチルセロソルブとアセトンとの混合溶
媒に溶解して、上記混合物の28%溶液を調製した。Example 9 Bisphenol A type epoxy resin (XB manufactured by Ciba Geigy)
2879A) and 100 parts of dicyandiamide curing agent (XB2879B manufactured by Ciba-Geigy Co.) were uniformly mixed, and then the mixture was dissolved in a mixed solvent of methyl cellosolve and acetone at a weight ratio of 1: 1 to obtain 28% of the above mixture. A solution was prepared.
参考例5で得られた無機繊維IVに上記溶液を含浸した後
に、ドラムワインダーを用いて一方向に引き取り、熱循
環オーブン中100℃で14分間加熱することによって、半
硬化状態の一方向に引き揃えられた無機繊維プリプレグ
シートを調製した。After impregnating the inorganic fiber IV obtained in Reference Example 5 with the above solution, it was drawn in one direction using a drum winder, and heated in a heat circulation oven at 100 ° C. for 14 minutes to draw in one direction in a semi-cured state. An aligned inorganic fiber prepreg sheet was prepared.
同様にして、表面処理をした炭素繊維(ポリアクリロニ
トリル系、繊維径7μ、引張強度300Kg/mm2、引張弾性
率24t/mm2)を用い半硬化状態の一方向に引き揃えられ
た炭素繊維プリプレグシートを調製した。In the same way, carbon fiber prepregs that were unidirectionally aligned in a semi-cured state using surface-treated carbon fibers (polyacrylonitrile-based, fiber diameter 7μ, tensile strength 300Kg / mm 2 , tensile elastic modulus 24t / mm 2 ). Sheets were prepared.
このようにして得た無機繊維IVと炭素繊維のプリプレグ
シートを軸方向を同じにして交互に積層した後ホットプ
レスして、ハイブリッド繊維(無機繊維/炭素繊維)強
化エポキシ複合材料を製造した。The thus obtained inorganic fiber IV and carbon fiber prepreg sheets were alternately laminated in the same axial direction and then hot pressed to produce a hybrid fiber (inorganic fiber / carbon fiber) reinforced epoxy composite material.
この複合材料の繊維含有率は無機繊維30体積%、炭素繊
維30体積%、計60体積%であった。The fiber content of this composite material was 30% by volume of inorganic fibers and 30% by volume of carbon fibers, for a total of 60% by volume.
得られた複合材料の0度方向の引張強度及び引張弾性率
はそれぞれ197Kg/mm2、16.8t/mm2であり、0度方向の曲
げ強度は199Kg/mm2であり、90度方向の曲げ強度は8.0Kg
/mm2、層間剪断強度は9.1Kg/mm2、曲げ衝撃値は235Kg・
cm/cm2であった。The tensile strength and tensile elastic modulus of the obtained composite material in the 0 degree direction are 197 Kg / mm 2 and 16.8 t / mm 2 , respectively, and the bending strength in the 0 degree direction is 199 Kg / mm 2 , and the bending strength in the 90 degree direction is 90 °. Strength is 8.0Kg
/ mm 2 , interlaminar shear strength is 9.1 kg / mm 2 , bending impact value is 235 kg
It was cm / cm 2 .
実施例10 炭素繊維の代わりに、参考例9に示したSi−Ti−C−O
繊維を用いて実施例9と同様にしてハイブリッド繊維強
化エポキシ複合材料を製造した。この複合材料の繊維含
有率は無機繊維30体積%、Si−Ti−C−O繊維30体積
%、計60体積%である。得られた複合材料の0度方向の
引張強度及び引張弾性率はそれぞれ207Kg/mm2、15.9t/m
m2であり、0度方向の曲げ強度は221Kg/mm2、90°方向
の曲げ強度は13.1Kg/mm2、層間剪断強度は12.9Kg/mm2、
曲げ衝撃値は290Kg・cm/cm2であった。Example 10 Instead of carbon fiber, Si-Ti-CO shown in Reference Example 9 was used.
A hybrid fiber-reinforced epoxy composite material was produced in the same manner as in Example 9 using the fibers. The fiber content of this composite material is 30% by volume of inorganic fibers, 30% by volume of Si-Ti-CO fibers, and 60% by volume in total. The tensile strength and elastic modulus in the 0 degree direction of the obtained composite material are 207 kg / mm 2 and 15.9 t / m, respectively.
m 2 , the bending strength in the 0 ° direction is 221 kg / mm 2 , the bending strength in the 90 ° direction is 13.1 kg / mm 2 , the interlaminar shear strength is 12.9 kg / mm 2 ,
The bending impact value was 290 kg · cm / cm 2 .
実施例11〜13 炭素繊維の代わりに第1表に示す特性を有するアルミナ
繊維、炭化珪素繊維またはガラス繊維(これらの繊維を
強化用第2繊維と呼ぶ。)を用いて、実施例9と同様に
してハイブリッド繊維強化エポキシ樹脂複合材料を製造
した。これらの複合材料の繊維含有率は、無機繊維30体
積%、強化用第2繊維30体積%、計60体積%であった。Examples 11 to 13 Similar to Example 9, except that alumina fibers, silicon carbide fibers or glass fibers having the properties shown in Table 1 (these fibers are referred to as second reinforcing fibers) were used instead of the carbon fibers. Then, a hybrid fiber reinforced epoxy resin composite material was manufactured. The fiber content of these composite materials was 30% by volume of inorganic fibers and 30% by volume of the second reinforcing fibers, for a total of 60% by volume.
得られたハイブリッド繊維強化エポキシ樹脂複合材料の
性能を第4表に示した。The performance of the obtained hybrid fiber reinforced epoxy resin composite material is shown in Table 4.
実施例14 無機繊維として、参考例6で得られた無機繊維Vを用
い、炭素繊維の代わりに、繊維直径140μ、引張強度350
Kg/mm2、引張弾性率43t/mm2のカーボンを芯線とした炭
化珪素繊維を用い、実施例1と同様にしてハイブリッド
繊維強化エポキシ樹脂複合材料を製造した。この複合材
料の繊維含有率は、無機繊維が30体積%、カーボンを芯
線とした炭化珪素繊維が16体積%で、計46体積%であっ
た。 Example 14 As the inorganic fiber, the inorganic fiber V obtained in Reference Example 6 was used, and instead of the carbon fiber, the fiber diameter was 140 μ, and the tensile strength was 350.
A hybrid fiber-reinforced epoxy resin composite material was produced in the same manner as in Example 1 using silicon carbide fibers having a carbon core wire of Kg / mm 2 and a tensile elastic modulus of 43 t / mm 2 . The fiber content of this composite material was 30% by volume of inorganic fibers and 16% by volume of silicon carbide fibers having carbon as a core wire, for a total of 46% by volume.
得られた複合材料の0度方向の引張強度が171Kg/mm2、
0度方向の引張弾性率が22t/mm2、0度方向の曲げ強度
が218Kg/mm2及び90度方向の曲げ強度が6.9Kg/mm2であっ
た。The obtained composite material has a tensile strength in the 0 ° direction of 171 kg / mm 2 ,
The tensile elastic modulus in the 0 ° direction was 22 t / mm 2 , the bending strength in the 0 ° direction was 218 kg / mm 2, and the bending strength in the 90 ° direction was 6.9 kg / mm 2 .
実施例15 無機繊維として、参考例7で得られたとして無機繊維VI
を用い、炭素繊維の代わりに、繊維直径140μ、引張強
度357Kg/mm2、引張弾性率41t/mm2のボロン繊維を用い、
実施例9と同様にしてハイブイッド繊維強化エポキシ樹
脂複合材料を製造した。この複合材料の繊維含有率は、
無機繊維が30体積%、ボロン繊維が20体積%で、計50体
積%であった。Example 15 Inorganic fiber VI as obtained in Reference Example 7 as inorganic fiber
Instead of carbon fiber, using a boron fiber having a fiber diameter of 140μ, a tensile strength of 357 Kg / mm 2 , and a tensile elastic modulus of 41 t / mm 2 .
A hybrid fiber reinforced epoxy resin composite material was produced in the same manner as in Example 9. The fiber content of this composite material is
The inorganic fibers were 30% by volume, the boron fibers were 20% by volume, and the total was 50% by volume.
得られた複合材料の0度方向の引張強度が185Kg/mm2、
0度方向の引張弾性率が21t/mm2、0度方向の曲げ強度
が219Kg/mm2及び90度方向の曲げ強度が7.8Kg/mm2であっ
た。The obtained composite material has a tensile strength in the 0 degree direction of 185 kg / mm 2 ,
The tensile elastic modulus in the 0 ° direction was 21 t / mm 2 , the bending strength in the 0 ° direction was 219 kg / mm 2, and the bending strength in the 90 ° direction was 7.8 kg / mm 2 .
実施例16 無機繊維として、参考例8で得られた無機繊維VIIを用
い、炭素繊維の代わりに、引張強度270Kg/mm2、引張弾
性率13t/mm2のアラミド繊維を用いて実施例9と同様に
してハイブリッド繊維強化エポキシ複合材料を製造し
た。この複合材料の繊維含有率は無機繊維が30体積%
で、アラミド繊維が30体積%、計60体積%であった。Example 16 The inorganic fiber VII obtained in Reference Example 8 was used as the inorganic fiber, and aramid fiber having a tensile strength of 270 kg / mm 2 and a tensile elastic modulus of 13 t / mm 2 was used in place of the carbon fiber. A hybrid fiber reinforced epoxy composite material was manufactured in the same manner. The fiber content of this composite material is 30% by volume of inorganic fibers.
Then, the aramid fiber was 30% by volume, and the total amount was 60% by volume.
得られた複合材料の0度方向の引張強度、引張弾性率及
び曲げ強度はそれぞれ162Kg/mm2、16t/mm2、及び166Kg/
mm2であり、アラミド繊維強化エポキシ樹脂と比べ大幅
に強度、弾性率が向上した(繊維含有率が60体積%のア
ラミド繊維強化エポキシ樹脂の0度方向の引張強度、引
張弾性率及び曲げ強度はそれぞれ95Kg/mm2、5.3t/mm2及
び93Kg/mm2であった。)。また、得られた複合材料の曲
げ衝撃値は276Kg・cm/cm2で、アラミド繊維の特徴であ
る耐衝撃性を大幅に減じるものではなかった(繊維含有
率が60体積%のアラミド繊維強化エポキシ樹脂の曲げ衝
撃値は302Kg・cm/cm2であった。)。The tensile strength, tensile modulus and bending strength of the obtained composite material in the direction of 0 degree are 162 kg / mm 2 , 16 t / mm 2 and 166 kg /, respectively.
mm 2, which is significantly higher in strength and elastic modulus than the aramid fiber reinforced epoxy resin (tensile strength, tensile elastic modulus and bending strength in the 0 degree direction of the aramid fiber reinforced epoxy resin having a fiber content of 60% by volume are They were 95 kg / mm 2 , 5.3 t / mm 2 and 93 kg / mm 2 , respectively.) Further, the bending impact value of the obtained composite material was 276 kg · cm / cm 2 , which did not significantly reduce the impact resistance characteristic of aramid fibers (the aramid fiber reinforced epoxy resin having a fiber content of 60% by volume). The bending impact value of the resin was 302 Kg · cm / cm 2. )
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渋谷 昌樹 山口県宇部市大字小串1978番地の5 宇部 興産株式会社宇部研究所内 審査官 谷口 浩行 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Masaki Shibuya 5 1978, Kozugushi, Ube City, Yamaguchi Prefecture 5 Ube Kosan Co., Ltd. Ube Research Institute Examiner Hiroyuki Taniguchi
Claims (1)
繊維、アルミナ繊維、窒化珪素繊維、アラミド繊維、炭
化珪素繊維、カーボンを芯線とする炭化珪素繊維及びSi
−M−C−O繊維(MはTi又はZrを示す。)からなる群
から選ばれた少なくとも一種の繊維とのハイブリッド繊
維を強化材とし、プラスチックをマトリックスとするプ
ラスチック複合材料において、前記無機繊維がチタン、
ジルコニウム及びハフニウムからなる群から選ばれる少
なくとも一種類の元素及び珪素を含有する金属含有多環
状芳香族重合体から得られる無機繊維であって、その構
成成分が、 a)該重合体を構成するメソフェーズ状態にある多環状
芳香族化合物から導かれるラジアル構造、オニオン構
造、ランダム構造、コアラジアル構造、スキンオニオン
構造及びモザイク構造からなる群から選ばれる少なくと
も一種の結晶配列状態を示す炭素質、 b)該重合体を構成する有機溶媒不溶分を含む光学的等
方性の多環状芳香族化合物から導かれる、無配向状態の
結晶質炭素及び/又は非晶質炭素、及び c)Si、M、C及びOから実質的になる非晶質物質、
及び/又は 実質的にβ−SiC、MC、β−SiCとMCの固溶体及びMC
1-xからなる粒径が500Å以下の結晶超微粒子と、非晶質
のSiOy及びMOzとの集合体であり 構成元素の割合がSi;5〜70重量%、M;0.5〜45重量%、
C;20〜40重量%及びO;0.01〜30重量%である、Si−M−
C−O物質(上記式中、MはTi、Zr及びHfから選択され
る少なくとも一種の元素であり、0<x<1、0<y≦
2、0<z≦2である。) であることを特徴とするハイブリッド繊維強化プラスチ
ック複合材料。1. Inorganic fibers and carbon fibers, glass fibers, boron fibers, alumina fibers, silicon nitride fibers, aramid fibers, silicon carbide fibers, carbon-based silicon carbide fibers and Si.
-M-C-O fibers (M represents Ti or Zr), which is a hybrid material with at least one fiber selected from the group consisting of fibers, is used as a reinforcing material, and a plastic composite material having a plastic matrix is used as the inorganic fiber. Is titanium,
An inorganic fiber obtained from a metal-containing polycyclic aromatic polymer containing silicon and at least one element selected from the group consisting of zirconium and hafnium, the constituent components of which are: a) a mesophase constituting the polymer. A carbonaceous material having at least one crystal arrangement state selected from the group consisting of a radial structure derived from a polycyclic aromatic compound in a state, an onion structure, a random structure, a core radial structure, a skin onion structure and a mosaic structure, b) Non-oriented crystalline carbon and / or amorphous carbon derived from an optically isotropic polycyclic aromatic compound containing an organic solvent insoluble component constituting a polymer, and c) Si, M, C and An amorphous substance consisting essentially of O,
And / or substantially β-SiC, MC, a solid solution of β-SiC and MC and MC
It is an aggregate of crystalline ultrafine particles of 1-x with a particle size of 500Å or less and amorphous SiO y and MO z. The proportion of constituent elements is Si; 5 to 70% by weight, M; 0.5 to 45% by weight. %,
C: 20-40% by weight and O: 0.01-30% by weight, Si-M-
C—O substance (wherein M is at least one element selected from Ti, Zr and Hf, and 0 <x <1, 0 <y ≦
2, 0 <z ≦ 2. ) Is a hybrid fiber-reinforced plastic composite material.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23693489A JPH0689259B2 (en) | 1989-02-14 | 1989-09-14 | Hybrid fiber reinforced plastic composite material |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1-32802 | 1989-02-14 | ||
| JP3280289 | 1989-02-14 | ||
| JP23693489A JPH0689259B2 (en) | 1989-02-14 | 1989-09-14 | Hybrid fiber reinforced plastic composite material |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02289651A JPH02289651A (en) | 1990-11-29 |
| JPH0689259B2 true JPH0689259B2 (en) | 1994-11-09 |
Family
ID=26371385
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23693489A Expired - Lifetime JPH0689259B2 (en) | 1989-02-14 | 1989-09-14 | Hybrid fiber reinforced plastic composite material |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0689259B2 (en) |
-
1989
- 1989-09-14 JP JP23693489A patent/JPH0689259B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02289651A (en) | 1990-11-29 |
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