JP2007126637A - Resin composition, cured product of resin, prepreg and fiber-reinforced composite material - Google Patents

Resin composition, cured product of resin, prepreg and fiber-reinforced composite material Download PDF

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Nobuyuki Tomioka
伸之 富岡
Hiroaki Sakata
宏明 坂田
Shiro Honda
史郎 本田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fiber-reinforced composite material having excellent various mechanical properties and to provide a resin composition and prepreg for obtaining the composite material without deteriorating the productivity. <P>SOLUTION: The resin composition comprises constituent elements of [A] a thermosetting resin, [B] a curing agent and [C] carbon nano-fibers. The aggregated size of the constituent element [C] in a cured product thereof is ≤10 μm. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、各種力学物性に優れた繊維強化複合材料、およびこれを得るための樹脂組成物、プリプレグに関する。   The present invention relates to a fiber-reinforced composite material excellent in various mechanical properties, a resin composition for obtaining the same, and a prepreg.

強化繊維とマトリックス樹脂からなる繊維強化複合材料は、その力学物性が優れているため、スポーツレジャー用途をはじめ、航空宇宙用途、一般産業用途などに広く用いられている。
かかる用途において、強化繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維が主として用いられる。中でも、比強度、比弾性率に優れ、高性能の複合材料が得られる炭素繊維が使用される場合が多い。
Fiber reinforced composite materials composed of reinforced fibers and matrix resins are widely used for sports and leisure applications, aerospace applications, general industrial applications and the like because of their excellent mechanical properties.
In such applications, carbon fibers, glass fibers, and aramid fibers are mainly used as reinforcing fibers. Among them, carbon fibers that are excellent in specific strength and specific elastic modulus and that can provide a high-performance composite material are often used.

この炭素繊維強化複合材料の分野において、近年開発が盛んに行われているのが、カーボンナノファイバーを配合した材料である。カーボンナノファイバーの有する高い引張弾性率とナノサイズ効果により、樹脂弾性率および繊維強化複合材料の繊維方向圧縮強度を向上できることが見出されている(特許文献1,2参照)。しかし、本発明者らが、特定のカーボンナノファイバーを含む繊維強化複合材料について検討したところ、カーボンナノファイバーとマトリックス樹脂との親和性の低さに起因して、特に面内剪断強度を始めとする接着特性に悪影響を及ぼすことが明らかになり、その使用には制限があった。   In the field of carbon fiber reinforced composite materials, materials that have been actively developed in recent years are materials containing carbon nanofibers. It has been found that the high tensile elastic modulus and nanosize effect of carbon nanofibers can improve the resin elastic modulus and the fiber direction compressive strength of the fiber-reinforced composite material (see Patent Documents 1 and 2). However, the present inventors examined a fiber reinforced composite material containing a specific carbon nanofiber, and due to the low affinity between the carbon nanofiber and the matrix resin, especially the in-plane shear strength. It has become apparent that the adhesive properties are adversely affected, and its use has been limited.

一方、カーボンナノファイバーとマトリックス樹脂との親和性を高める試みがなされている。例えば、特許文献3では、外表面の炭素に対する酸含有割合が2%以上であるカーボンナノチユーブをチョップド炭素繊維とともに樹脂に配合することにより、導電性と弾性率が改善されている。この場合、繊維方向圧縮強度の向上は見られたものの、面内剪断強度の向上は認められなかった。   On the other hand, attempts have been made to increase the affinity between the carbon nanofibers and the matrix resin. For example, in Patent Document 3, conductivity and elastic modulus are improved by blending carbon nanotubes having an acid content ratio of 2% or more with respect to carbon on the outer surface into a resin together with chopped carbon fibers. In this case, although the fiber direction compressive strength was improved, the in-plane shear strength was not improved.

もう一方で問題となるのが、カーボンナノファイバーがマトリックス樹脂にもたらす流動性低下作用であり、プリプレグ製造においては樹脂組成物の取扱い性不良、強化繊維への含浸不良、成形プロセスにおいては硬化不良、樹脂フロー低下による繊維アラインメント乱れなどが発生しやすくなるという問題があった。これらは、材料の生産ライン速度や成形作業性等、繊維強化複合材料の生産性に大きく関わるとともに、先述の繊維強化複合材料の力学特性にも影響を及ぼす。これに対し、特許文献4では、直径が5〜200nm、長さが50nm〜10μmであるカーボンナノファイバーをゴルフシャフトに配合することで、合成樹脂中への分散性や成形性が向上するとの記載があるが、実際にはカーボンナノファイバーは分散工程でかなり切断されており、十分な力学特性を安定して得ることが困難であった。
特開2003−201388号公報 特開2004−300221号公報 特開2003−238816号公報 特開2003−188191号公報
On the other hand, the problem is the fluidity lowering effect that carbon nanofibers bring to the matrix resin, poor handling of the resin composition in prepreg production, poor impregnation of reinforcing fibers, poor curing in the molding process, There has been a problem that the fiber alignment is apt to be disturbed due to a decrease in the resin flow. These are greatly related to the productivity of the fiber reinforced composite material such as the production line speed of the material and the molding workability, and also affect the mechanical properties of the fiber reinforced composite material described above. On the other hand, in Patent Document 4, it is described that dispersibility and moldability in a synthetic resin are improved by adding carbon nanofibers having a diameter of 5 to 200 nm and a length of 50 nm to 10 μm to a golf shaft. In reality, however, carbon nanofibers are considerably cut in the dispersion process, and it is difficult to stably obtain sufficient mechanical properties.
JP 2003-201388 A JP 2004-3000221 A JP 2003-238816 A JP 2003-188191 A

本発明では、軽量で、かつ良好な繊維強化複合材料の力学特性を示すようなプリプレグを得ることを目的に、高剛性かつ高接着性のマトリックス樹脂を用い、繊維方向圧縮強度と面内剪断強度のバランスに優れた繊維強化複合材料を、生産性を低下させることなく提供することにある。   In the present invention, for the purpose of obtaining a prepreg that is lightweight and exhibits good mechanical properties of a fiber-reinforced composite material, a highly rigid and highly adhesive matrix resin is used, and the fiber direction compressive strength and in-plane shear strength are obtained. An object of the present invention is to provide a fiber-reinforced composite material having an excellent balance without reducing productivity.

本発明は、上記目的を達成するため、次の構成要素を有する。すなわち、次の構成要素[A]、[B]および[C]を含む樹脂組成物であって、その硬化物における構成要素[C]の最大凝集サイズが10μm以下であることを特徴とする樹脂組成物である。
[A]熱硬化性樹脂
[B]硬化剤
[C]カーボンナノファイバー
また、本発明におけるプリプレグは、かかる樹脂組成物と強化繊維とを含んでなることを特徴とするものであり、さらに、本発明における繊維強化複合材料は、かかる樹脂組成物を加熱硬化した樹脂硬化物と強化繊維とを含んでなることを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, the present invention has the following components. That is, a resin composition comprising the following components [A], [B] and [C], wherein the maximum aggregation size of the component [C] in the cured product is 10 μm or less It is a composition.
[A] Thermosetting resin [B] Curing agent [C] Carbon nanofiber Further, the prepreg in the present invention is characterized by comprising such a resin composition and a reinforcing fiber. The fiber-reinforced composite material in the invention is characterized by comprising a cured resin obtained by heat-curing such a resin composition and reinforcing fibers.

本発明によれば、繊維方向圧縮強度と面内剪断強度のバランスに優れた繊維強化複合材料を、生産性を低下させることなく得ることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fiber reinforced composite material excellent in the balance of fiber direction compressive strength and in-plane shear strength can be obtained, without reducing productivity.

本発明者らは、前述した課題について、鋭意検討し、カーボンナノファイバーを含む樹脂硬化物ならびに繊維強化複合材料の特性向上を阻む主要因が、成形時のカーボンナノファイバー再凝集に起因した応力分布ムラの発生と、強化繊維のアラインメント乱れであることを突きとめ、これらを回避すべく、さらに検討を重ねた結果、本発明に到達したのである。   The present inventors have intensively studied the above-mentioned problems, and the main factor that hinders the improvement of the properties of the cured resin containing carbon nanofibers and the fiber-reinforced composite material is the stress distribution caused by carbon nanofiber reaggregation during molding. As a result of further investigation to identify the occurrence of unevenness and disturbance of the alignment of the reinforcing fibers and to avoid them, the present invention has been achieved.

本発明における熱硬化性樹脂は、特に限定されるものではなく、いずれの熱硬化性樹脂も好適に使用することができる。具体的には、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、ポリイミド等や、これらの共重合体、変性体、および2種類以上ブレンドした樹脂などを使用することができる。中でも、耐熱性、力学特性、および接着性のバランスに優れるエポキシ樹脂が好ましく使用できる。   The thermosetting resin in the present invention is not particularly limited, and any thermosetting resin can be suitably used. Specifically, unsaturated polyester resins, vinyl ester resins, epoxy resins, phenol resins, urea resins, melamine resins, polyimides, copolymers thereof, modified products, and resins obtained by blending two or more types are used. be able to. Among these, an epoxy resin having an excellent balance of heat resistance, mechanical properties, and adhesiveness can be preferably used.

エポキシ樹脂としては、特に限定されるものではなく、いずれのエポキシ樹脂も好適に使用することができる。具体的には、ポリオールから得られるグリシジルエーテル、活性水素を複数有するアミンより得られるグリシジルアミン、ポリカルボン酸より得られるグリシジルエステルや、分子内に複数の2重結合を有する化合物を酸化して得られるポリエポキシドなどが用いられる。   The epoxy resin is not particularly limited, and any epoxy resin can be suitably used. Specifically, it is obtained by oxidizing a glycidyl ether obtained from polyol, a glycidyl amine obtained from an amine having a plurality of active hydrogens, a glycidyl ester obtained from a polycarboxylic acid, or a compound having a plurality of double bonds in the molecule. Polyepoxides that can be used are used.

グリシジルエーテルの具体例としては以下のようなものが挙げられる。   Specific examples of glycidyl ether include the following.

まず、ビスフェノールAから得られるビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールFから得られるビスフェノールF型エポキシ樹脂、ビスフェノールSから得られるビスフェノールS型エポキシ樹脂、テトラブロモビスフェノールAから得られるテトラブロモビスフェノールA型エポキシ樹脂などのビスフェノール型エポキシ樹脂である。ビスフェノールA型エポキシ樹脂の市販品としては、“エピコート(登録商標、以下同じ)”825、“エピコート”828、“エピコート”834、“エピコート”1001、“エピコート”1002、“エピコート”1003、“エピコート”1004、“エピコート”1007、“エピコート”1009、“エピコート”1010(以上、ジャパンエポキシレジン(株)製)、“エポトート(登録商標、以下同じ)”YD−128 “エポトート”YD−011、“エポトート”YD−014、“エポトート”YD−017、“エポトート”YD−019、“エポトート”YD−022、(以上、東都化成(株)製)、“エピクロン(登録商標、以下同じ)”840、“エピクロン”850、“エピクロン”830、“エピクロン”1050、“エピクロン”3050、“エピクロン”HM−101(以上、大日本インキ化学工業(株)製)、“スミエポキシ(登録商標、以下同じ)”ELA−128(住友化学(株)製)、DER331(ダウケミカル社製)等を挙げることができる。ビスフェノールF型エポキシ樹脂の市販品としては、“エピコート”806、“エピコート”807、“エピコート”E4002P、“エピコート”E4003P、“エピコート”E4004P、“エピコート”E4007P、“エピコート”E4009P、“エピコート”E4010P(以上、ジャパンエポキシレジン(株)製)、“エピクロン”830(大日本インキ化学工業(株)製)、“エポトート”YDF−2001、“エポトート”YDF−2004(以上、東都化成(株)製)などを挙げることができる。ビスフェノールS型エポキシ樹脂の市販品としては、“デナコール(登録商標、以下同じ)”EX−251(ナガセ化成工業(株)製)、“エピクロン”EXA−1514(大日本インキ化学工業(株)製)を挙げることができる。テトラブロモビスフェノールA型エポキシ樹脂の市販品としては、“エピコート”5050(ジャパンエポキシレジン(株)製)、“エピクロン”152(大日本インキ化学工業(株)製)、“スミエポキシ”ESB−400T(住友化学工業(株)製)、“エポトート”YBD−360(東都化成(株)製)を挙げることができる。   First, bisphenol A type epoxy resin obtained from bisphenol A, bisphenol F type epoxy resin obtained from bisphenol F, bisphenol S type epoxy resin obtained from bisphenol S, tetrabromobisphenol A type epoxy resin obtained from tetrabromobisphenol A, etc. It is a bisphenol type epoxy resin. Commercially available bisphenol A type epoxy resins include “Epicoat (registered trademark)” 825, “Epicoat” 828, “Epicoat” 834, “Epicoat” 1001, “Epicoat” 1002, “Epicoat” 1003, “Epicoat” “1004”, “Epicoat” 1007, “Epicoat” 1009, “Epicoat” 1010 (above, manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd.), “Epototo (registered trademark, the same applies hereinafter)” YD-128 “Epototo” YD-011, “ "Epototo" YD-014, "Epototo" YD-017, "Epototo" YD-019, "Epototo" YD-022, (above, manufactured by Tohto Kasei Co., Ltd.), "Epicron (registered trademark, the same shall apply hereinafter)" 840, “Epicron” 850, “Epicron” 830, “Epicron” 1050, “ “Epicron” 3050, “Epicron” HM-101 (manufactured by Dainippon Ink & Chemicals, Inc.), “Sumiepoxy (registered trademark, the same applies hereinafter)” ELA-128 (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.), DER331 (Dow Chemical) For example). Commercially available bisphenol F type epoxy resins include “Epicoat” 806, “Epicoat” 807, “Epicoat” E4002P, “Epicoat” E4003P, “Epicoat” E4004P, “Epicoat” E4007P, “Epicoat” E4009P, “Epicoat” E4010P (Above, manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd.), “Epiclon” 830 (produced by Dainippon Ink & Chemicals, Inc.), “Epototo” YDF-2001, “Epototo” YDF-2004 (above, manufactured by Toto Kasei Co., Ltd.) ) And the like. Commercially available products of bisphenol S type epoxy resin include “Denacol (registered trademark)” EX-251 (manufactured by Nagase Kasei Kogyo Co., Ltd.), “Epicron” EXA-1514 (manufactured by Dainippon Ink & Chemicals, Inc.) ). Commercially available tetrabromobisphenol A type epoxy resins include “Epicoat” 5050 (manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd.), “Epicron” 152 (manufactured by Dainippon Ink & Chemicals, Inc.), “Sumiepoxy” ESB-400T ( Sumitomo Chemical Co., Ltd.) and “Epototo” YBD-360 (manufactured by Toto Kasei Co., Ltd.).

また、フェノールやアルキルフェノール、ハロゲン化フェノールなどのフェノール誘導体から得られるノボラックのグリシジルエーテルであるノボラック型エポキシ樹脂の市販品としては、“エピコート”152、“エピコート”154、“エピコート”157(以上、ジャパンエポキシレジン(株)製)、DER438(ダウケミカル社製)、“アラルダイト(登録商標、以下同じ)”EPN1138(チバ社製)、“アラルダイト”EPN1139(チバ社製)、“エポトート”YCPN−702(東都化成(株)製)、BREN−105(日本化薬(株)製)を挙げることができる。   In addition, commercially available products of novolak type epoxy resins, which are glycidyl ethers of novolac obtained from phenol derivatives such as phenol, alkylphenol and halogenated phenol, are “Epicoat” 152, “Epicoat” 154, “Epicoat” 157 (above, Japan). Epoxy Resin Co., Ltd.), DER 438 (Dow Chemical Co., Ltd.), “Araldite (registered trademark, the same shall apply hereinafter)” EPN1138 (Ciba), “Araldite” EPN1139 (Ciba), “Epototo” YCPN-702 ( Toto Kasei Co., Ltd.) and BREN-105 (Nippon Kayaku Co., Ltd.).

その他にも、レゾルシンジグリシジルエーテルである“デナコール”EX−201(ナガセ化成工業(株)製)、ヒドロキノンジグリシジルエーテルである“デナコール”EX−203(ナガセ化成工業(株)製)、トリス(p−ヒドロキシフェニル)メタンのトリグリシジルエーテルであるTACTIX742(ダウケミカル社製)、テトラキス(p−ヒドロキシフェニル)エタンのテトラグリシジルエーテルである“エピコート”1031S(ジャパンエポキシレジン(株)製)、グリセリンのトリグリシジルエーテルである“デナコール”EX−314(ナガセ化成工業(株)製)、ペンタエリスリトールのテトラグリシジルエーテルである“デナコール”EX−411(ナガセ化成工業(株)製)などを挙げることができる。   In addition, “Denacol” EX-201 (manufactured by Nagase Kasei Kogyo Co., Ltd.), which is resorcin diglycidyl ether, “Denacol” EX-203 (manufactured by Nagase Kasei Kogyo Co., Ltd.), hydroquinone diglycidyl ether, Tris ( TACTIX 742 which is triglycidyl ether of p-hydroxyphenyl) methane (manufactured by Dow Chemical Co.), “Epicoat” 1031S which is tetraglycidyl ether of tetrakis (p-hydroxyphenyl) ethane (Japan Epoxy Resin Co., Ltd.), Examples thereof include “denacol” EX-314 (manufactured by Nagase Kasei Kogyo Co., Ltd.) which is triglycidyl ether, “denacol” EX-411 (manufactured by Nagase Kasei Kogyo Co., Ltd.) which is a tetraglycidyl ether of pentaerythritol. .

グリシジルアミンの具体例としては、ジグリシジルアニリン、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタンである“スミエポキシ”ELM434(住友化学工業(株)製)、テトラグリシジル−m−キシリレンジアミンであるTETRAD(登録商標、以下同じ)−X(三菱ガス化学(株)製)などを挙げることができ、樹脂伸度を著しく損なわない範囲で使用できる。   Specific examples of glycidylamine include diglycidylaniline, “Sumiepoxy” ELM434 (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.) which is tetraglycidyldiaminodiphenylmethane, and TETRAD (registered trademark, hereinafter the same) which is tetraglycidyl-m-xylylenediamine. -X (Mitsubishi Gas Chemical Co., Ltd.) etc. can be mentioned, It can use in the range which does not impair resin elongation remarkably.

さらに、グリシジルエーテルとグリシジルアミンの両構造を併せ持つエポキシ樹脂として、トリグリシジル−m−アミノフェノールである“スミエポキシ”ELM120(住友化学工業(株)製)、およびトリグリシジル−p−アミノフェノールである“アラルダイト”MY0510(チバガイギー社製)を挙げることができ、樹脂伸度を著しく損なわない範囲で使用できる。   Furthermore, as an epoxy resin having both structures of glycidyl ether and glycidyl amine, “Sumiepoxy” ELM120 (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.) that is triglycidyl-m-aminophenol and “triglycidyl-p-aminophenol” Araldite “MY0510 (manufactured by Ciba Geigy Co., Ltd.) can be mentioned, and it can be used as long as the resin elongation is not significantly impaired.

グリシジルエステルの具体例としては、フタル酸ジグリシジルエステル、テレフタル酸ジグリシジルエステル、ダイマー酸ジグリシジルエステルなどを挙げることができる。   Specific examples of the glycidyl ester include phthalic acid diglycidyl ester, terephthalic acid diglycidyl ester, and dimer acid diglycidyl ester.

さらに、これら以外のグリシジル基を有するエポキシ樹脂として、トリグリシジルイソシアヌレートを挙げることができる。   Furthermore, triglycidyl isocyanurate can be mentioned as an epoxy resin having a glycidyl group other than these.

分子内に複数の2重結合を有する化合物を酸化して得られるエポキシ樹脂としては、エポキシシクロヘキサン環を有するエポキシ樹脂が挙げられ、具体例としては、ユニオンカーバイド社のERL−4206、ERL−4221、ERL−4234などを挙げることができる。さらにエポキシ化大豆油なども挙げることができる。   Examples of the epoxy resin obtained by oxidizing a compound having a plurality of double bonds in the molecule include an epoxy resin having an epoxycyclohexane ring. Specific examples thereof include ERL-4206, ERL-4221 of Union Carbide Corporation, And ERL-4234. Furthermore, epoxidized soybean oil can also be mentioned.

これらエポキシ樹脂の中でも、ビフェニル、ナフタレン、フルオレン、ジシクロペンタジエン、およびオキサゾリドン環から選ばれる少なくとも1つの骨格を有する1種以上のエポキシ樹脂を含むことが好ましい。かかるエポキシ樹脂を1種以上含むことにより、カーボンナノファイバーとの相乗効果により力学特性が著しく向上し、樹脂硬化物の耐熱性も向上できる。   Among these epoxy resins, it is preferable to include one or more epoxy resins having at least one skeleton selected from biphenyl, naphthalene, fluorene, dicyclopentadiene, and an oxazolidone ring. By including one or more of such epoxy resins, the mechanical properties are remarkably improved by the synergistic effect with the carbon nanofibers, and the heat resistance of the cured resin can also be improved.

ビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂の市販品としては、例えば“エピコート”YX4000、YX4000H、YL6121(以上、ジャパンエポキシレジン(株)製)、NC3000、NC3000H(以上、日本化薬(株)製)などを挙げることができる。   Examples of commercially available epoxy resins having a biphenyl skeleton include “Epicoat” YX4000, YX4000H, YL6121 (above, Japan Epoxy Resin Co., Ltd.), NC3000, NC3000H (above, Nippon Kayaku Co., Ltd.). be able to.

ナフタレン骨格を有するエポキシ樹脂の市販品としては、“エピクロン”HP4032、HP4032D、H4032H、EXA4750、EXA4700、EXA4701(以上、大日本インキ工業(株)製)、NC7000L、NC7300L(以上、日本化薬)などが挙げられる。   Commercially available epoxy resins having a naphthalene skeleton include “Epiclon” HP4032, HP4032D, H4032H, EXA4750, EXA4700, EXA4701, (manufactured by Dainippon Ink Industries, Ltd.), NC7000L, NC7300L (Nippon Kayaku) Is mentioned.

フルオレン骨格を有するエポキシ樹脂の市販品としては、“エポン(登録商標、以下同じ)”HPTレジン1079(シェル社製、)、“オグソール(登録商標、以下同じ)”PG、EG(以上、ナガセケムテックス(株)製)などを挙げることができる。   Commercially available epoxy resins having a fluorene skeleton include “Epon (registered trademark)”, HPT Resin 1079 (manufactured by Shell), “Ogsol (registered trademark, same hereinafter)” PG, EG (above, Nagase Chem) Tex Co., Ltd.).

ジシクロペンタジエン骨格を有するエポキシ樹脂の市販品としては、“エピクロン”HP7200L、HP7200、HP7200H、HP7200HH(以上、大日本インキ化学工業(株)製)、XD−1000−L、XD−1000−2L(以上、日本化薬(株)製)、“Tactix(登録商標、以下同じ)”556(Huntsman Inc社製)などを挙げることができる。   Commercially available epoxy resins having a dicyclopentadiene skeleton include “Epiclon” HP7200L, HP7200, HP7200H, HP7200HH (above, manufactured by Dainippon Ink & Chemicals, Inc.), XD-1000-L, XD-1000-2L ( As described above, Nippon Kayaku Co., Ltd.), “Tactix (registered trademark, the same shall apply hereinafter)” 556 (manufactured by Huntsman Inc.) and the like can be mentioned.

オキサゾリドン環骨格を有するエポキシ樹脂の市販品としては、“アラルダイト”AER4152、XAC4151(以上、旭化成エポキシ(株)製)などを挙げることができる。   Examples of commercially available epoxy resins having an oxazolidone ring skeleton include “Araldite” AER4152, XAC4151, and the like, manufactured by Asahi Kasei Epoxy Corporation.

かかるエポキシ樹脂の中でもビフェニル、ジシクロペンタジエン型、およびオキサゾリドン環から選ばれる骨格を有するエポキシ樹脂は、構成要素[C]であるカーボンナノファイバーと組み合わせた場合に面内剪断強度の向上効果が大きい点で好ましい。特にビフェニル型、ジシクロペンタジエン型骨格を有するエポキシ樹脂では面内剪断強度の向上効果が大きいため好ましい。   Among such epoxy resins, an epoxy resin having a skeleton selected from biphenyl, dicyclopentadiene type, and oxazolidone ring has a large effect of improving the in-plane shear strength when combined with the carbon nanofiber as the constituent element [C]. Is preferable. In particular, an epoxy resin having a biphenyl type or dicyclopentadiene type skeleton is preferable because the effect of improving the in-plane shear strength is great.

本発明における構成要素[A]には、ビフェニル、ナフタレン、フルオレン、ジシクロペンタジエン、およびオキサゾリドン環から選ばれる少なくとも1つの骨格を有するエポキシ樹脂が、5〜50重量%、好ましくは7〜45重量%、より好ましくは10〜40重量%含まれるのが良い。これらエポキシ樹脂の含有量が少なすぎると、ねじり強さと耐熱性の向上効果が小さく、逆に多すぎると、プリプレグ製造時の樹脂の強化繊維への含浸性が低下することがある。   In the component [A] in the present invention, an epoxy resin having at least one skeleton selected from biphenyl, naphthalene, fluorene, dicyclopentadiene, and an oxazolidone ring is 5 to 50% by weight, preferably 7 to 45% by weight. More preferably, it is 10 to 40% by weight. If the content of these epoxy resins is too small, the effect of improving the torsional strength and heat resistance is small. Conversely, if the content is too large, the impregnation property of the resin to the reinforcing fibers during prepreg production may be lowered.

これらエポキシ樹脂の中で、固形エポキシ樹脂を構成要素[A]のうち10〜70重量%とすることが、構成要素[C]と樹脂との親和性向上のために好ましい。固形エポキシ樹脂とは、室温、たとえば25℃で固形のエポキシ樹脂であり、上記エポキシ樹脂市販品のうち、以下のものが該当する。すなわち、“エピコート”1001、1002、1004、1007、1009、1010、“エポトート”YD−011、014、017、019、022、“エピコート”4002P、4003P、4004P、4007P、4009P、4010P、“エポトート”YDF−2001、2004、“デナコール”EX−251、“エピクロン”EXA−1514、、“エピコート”5050“エピコート”157、“Tactix”742、“エピコート”1031S、“エピコート”YX4000、YX4000H、YL6121、NC3000、NC3000H、“エピクロン”HP4032、HP4032D、H4032H、EXA4750、EXA4700、EXA4701、NC7000L、NC7300L、“エポン”HPTレジン1079、“オグソール”PG、EG、“エピクロン”HP7200L、HP7200、HP7200H、HP7200HH、XD−1000−L、XD−1000−2L、“Tactix”556、“アラルダイト”AER4152、XAC4151である。   Among these epoxy resins, the solid epoxy resin is preferably 10 to 70% by weight of the constituent element [A] in order to improve the affinity between the constituent element [C] and the resin. The solid epoxy resin is an epoxy resin that is solid at room temperature, for example, 25 ° C., and among the above commercially available epoxy resins, the following are applicable. That is, “Epicoat” 1001, 1002, 1004, 1007, 1009, 1010, “Epotot” YD-011, 014, 017, 019, 022, “Epicoat” 4002P, 4003P, 4004P, 4007P, 4009P, 4010P, “Epotot” YDF-2001, 2004, “Denacol” EX-251, “Epicron” EXA-1514, “Epicoat” 5050 “Epicoat” 157, “Tactix” 742, “Epicoat” 1031S, “Epicoat” YX4000, YX4000H, YL6121, NC3000 , NC3000H, "Epiclon" HP4032, HP4032D, H4032H, EXA4750, EXA4700, EXA4701, NC7000L, NC7300L, "Epon" H T Resin 1079, "OGSOL" PG, EG, "Epichlone" HP7200L, HP7200, HP7200H, HP7200HH, XD-1000-L, XD-1000-2L, "Tactix" 556, "Araldite" AER4152, is XAC4151.

本発明における硬化剤は、熱硬化性樹脂との共存下で硬化反応をもたらすものであり、一般的な硬化剤のみならず、開始剤、触媒、硬化促進剤、硬化助剤、およびこれらの組み合わせを含むものである。具体的には、硬化剤としては、4,4’-ジアミノジフェニルメタン、4,4’−ジアミノジフェニルスルホン、3,3’−ジアミノジフェニルスルホン、m−フェニレンジアミン、m−キシリレンジアミンのような活性水素を有する芳香族アミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、イソホロンジアミン、ビス(アミノメチル)ノルボルナン、ビス(4−アミノシクロヘキシル)メタン、ポリエチレンイミンのダイマー酸エステルのような活性水素を有する脂肪族アミン、これらの活性水素を有するアミンにエポキシ化合物、アクリロニトリル、フェノールとホルムアルデヒド、チオ尿素などの化合物を反応させて得られる変性アミン、ジメチルアニリン、ジメチルベンジルアミン、2,4,6−トリス(ジメチルアミノメチル)フェノールや1−置換イミダゾールのような活性水素を持たない第三アミン、ジシアンジアミド、テトラメチルグアニジン、ヘキサヒドロフタル酸無水物、テトラヒドロフタル酸無水物、メチルヘキサヒドロフタル酸無水物、メチルナジック酸無水物のようなカルボン酸無水物、アジピン酸ヒドラジドやナフタレンジカルボン酸ヒドラジドのようなポリカルボン酸ヒドラジド、ノボラック樹脂などのポリフェノール化合物、チオグリコール酸とポリオールのエステルのようなポリメルカプタン、三フッ化ホウ素エチルアミン錯体のようなルイス酸錯体、芳香族スルホニウム塩などが挙げられるが、特にこれに限定されるものではない。特に、少なくともジシアンジアミドを、構成要素[A]100重量部に対して2〜8重量部含むようにすると、プリプレグとしてのタック性、ドレープ性の保存安定性に優れるため好ましい。   The curing agent in the present invention brings about a curing reaction in the presence of a thermosetting resin, and is not only a general curing agent but also an initiator, a catalyst, a curing accelerator, a curing aid, and a combination thereof. Is included. Specifically, as the curing agent, activities such as 4,4′-diaminodiphenylmethane, 4,4′-diaminodiphenylsulfone, 3,3′-diaminodiphenylsulfone, m-phenylenediamine, and m-xylylenediamine are used. Aromatic amines with hydrogen, diethylenetriamine, triethylenetetramine, isophoronediamine, bis (aminomethyl) norbornane, bis (4-aminocyclohexyl) methane, aliphatic amines with active hydrogen such as dimer acid ester of polyethyleneimine, these Modified amines obtained by reacting an amine having active hydrogen with an epoxy compound, acrylonitrile, a compound such as phenol and formaldehyde, thiourea, dimethylaniline, dimethylbenzylamine, 2,4,6-tris (dimethylaminomethyl) E) Tertiary amines such as phenol and 1-substituted imidazole that do not have active hydrogen, dicyandiamide, tetramethylguanidine, hexahydrophthalic anhydride, tetrahydrophthalic anhydride, methylhexahydrophthalic anhydride, methyl nadic acid Carboxylic anhydrides such as anhydrides, polycarboxylic acid hydrazides such as adipic acid hydrazide and naphthalenedicarboxylic acid hydrazide, polyphenol compounds such as novolak resins, polymercaptans such as esters of thioglycolic acid and polyols, boron trifluoride Examples include Lewis acid complexes such as ethylamine complexes and aromatic sulfonium salts, but are not particularly limited thereto. In particular, it is preferable to contain at least 2 to 8 parts by weight of dicyandiamide with respect to 100 parts by weight of the component [A] because the storage stability of prepreg tackiness and draping properties is excellent.

これらの硬化剤には、硬化活性を高めるために適宜硬化助剤を組合わせることができる。好ましい例としては、ジシアンジアミドに、3-フェニル-1,1-ジメチル尿素、3−(3,4−ジクロロフェニル)−1,1−ジメチル尿素(DCMU)、3−(3−クロロ−4−メチルフェニル)−1,1−ジメチル尿素、2,4−ビス(3,3−ジメチルウレイド)トルエンのような尿素誘導体を硬化助剤として組合わせる例、カルボン酸無水物やノボラック樹脂に第三アミンを硬化助剤として組合わせる例などがあげられる。硬化助剤として使用される化合物は、単独でもエポキシ樹脂を硬化させる能力を持つものが好ましい。   These curing agents can be appropriately combined with a curing aid in order to increase the curing activity. Preferred examples include dicyandiamide, 3-phenyl-1,1-dimethylurea, 3- (3,4-dichlorophenyl) -1,1-dimethylurea (DCMU), 3- (3-chloro-4-methylphenyl). ) Examples of combining urea derivatives such as 1,1-dimethylurea and 2,4-bis (3,3-dimethylureido) toluene as curing aids, curing tertiary amines on carboxylic anhydrides and novolak resins An example of combination as an auxiliary agent is given. The compound used as a curing aid is preferably a compound having the ability to cure an epoxy resin alone.

本発明の樹脂組成物には、熱可塑性樹脂、エラストマーのうち少なくとも一方が含まれていることが、構成要素[C]と樹脂との親和性向上のために好ましい。かかる熱可塑性樹脂とエラストマーとの総量が構成要素[A]100重量部に対して1〜30重量部、好ましくは5〜15重量部であると、例えば後述するような元素分析による酸素原子と炭素原子の原子数比(O/C)が小さいようなカーボンナノファイバーであっても、カーボンナノファイバーの再凝集を抑制でき、樹脂組成物を硬化して得られる硬化物において、カーボンナノファイバーの凝集サイズを小さくできるなど、様々なタイプのカーボンナノファイバーを用いることができるようになる。   The resin composition of the present invention preferably contains at least one of a thermoplastic resin and an elastomer in order to improve the affinity between the component [C] and the resin. When the total amount of the thermoplastic resin and the elastomer is 1 to 30 parts by weight, preferably 5 to 15 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the component [A], for example, oxygen atoms and carbon by elemental analysis as described later Even if the carbon nanofiber has a small atomic ratio (O / C) of atoms, the carbon nanofiber can be prevented from reaggregating, and the carbon nanofiber is aggregated in the cured product obtained by curing the resin composition. Various types of carbon nanofibers can be used, for example, the size can be reduced.

本発明に熱可塑性樹脂を用いる場合、その熱可塑性樹脂としては、構成要素[A]に可溶なものが好ましい。また構成要素[A]に不溶のものであっても、粉砕し、微粒子化したものは好ましく、配合することができる。   When a thermoplastic resin is used in the present invention, the thermoplastic resin is preferably one that is soluble in the component [A]. Moreover, even if it is insoluble in the component [A], it is preferably pulverized and finely divided, and can be blended.

具体的にはポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアラミド、ポリアリレーンオキシド、ポリアリレート、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルイミド、ポリエーテルテレフタレート、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート、ポリカーボネート、ポリ酢酸ビニル、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリビニルアセタール、ポリビニルホルマール、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリプロピレン、ポリベンズイミダゾール、ポリメタクリル酸メチル等が用いられる。特に、構成要素[A]としてエポキシ樹脂を用いる場合には、これら熱可塑性樹脂が好適に用いられる。   Specifically, polyamide, polyamideimide, polyaramide, polyarylene oxide, polyarylate, polyimide, polyethylene terephthalate, polyetherimide, polyether terephthalate, polyetherimide, polyetheretherketone, polyethersulfone, polycarbonate, polycarbonate, poly Vinyl acetate, polystyrene, polysulfone, polyvinyl acetal, polyvinyl formal, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polypropylene, polybenzimidazole, polymethyl methacrylate and the like are used. In particular, when an epoxy resin is used as the constituent element [A], these thermoplastic resins are preferably used.

また、中でもエポキシ樹脂との相溶性、繊維強化複合材料における物性への悪影響を及ぼさない等の理由から、分子内に水素結合性官能基を有する熱可塑性樹脂が好ましく用いられる。水素結合性官能基としては、アルコール性水酸基、アミド結合、スルホニル基などを挙げることができる。アルコール性水酸基を有する熱可塑性樹脂としては、ポリビニルホルマールやポリビニルブチラールなどのポリビニルアセタール樹脂、ポリビニルアルコール、フェノキシ樹脂、アミド結合を有する熱可塑性樹脂としては、ポリアミド、ポリイミド、スルホニル基を有する熱可塑性樹脂としては、ポリスルホンを挙げることができる。ポリアミド、ポリイミドおよびポリスルホンは主鎖にエーテル結合、カルボニル基などの官能基を有してもよい。ポリアミドは、アミド基の窒素原子に置換基を有してもよい。   Among them, a thermoplastic resin having a hydrogen bondable functional group in the molecule is preferably used for reasons such as compatibility with an epoxy resin and no adverse effects on physical properties of the fiber reinforced composite material. Examples of the hydrogen bonding functional group include an alcoholic hydroxyl group, an amide bond, and a sulfonyl group. Examples of the thermoplastic resin having an alcoholic hydroxyl group include polyvinyl acetal resins such as polyvinyl formal and polyvinyl butyral, polyvinyl alcohol, phenoxy resin, and thermoplastic resins having an amide bond as polyamide, polyimide, and thermoplastic resins having a sulfonyl group. May include polysulfone. Polyamide, polyimide and polysulfone may have a functional group such as an ether bond and a carbonyl group in the main chain. The polyamide may have a substituent on the nitrogen atom of the amide group.

エポキシ樹脂可溶で、水素結合性官能基を有する熱可塑性樹脂の市販品を例示すると、ポリビニルアセタール樹脂として、“デンカブチラール(登録商標、以下同じ)”および“デンカホルマール(登録商標、以下同じ)”(電気化学工業(株)製)、“ビニレック(登録商標、以下同じ)”(チッソ(株)製)、フェノキシ樹脂として、“UCAR(登録商標、以下同じ)”PKHP(ユニオンカーバイド社製)、ポリアミド樹脂として“マクロメルト(登録商標、以下同じ)”(ヘンケル白水(株)製)、“アミラン(登録商標、以下同じ)”CM4000(東レ株式会社製)、ポリイミドとして“ウルテム(登録商標、以下同じ)”(ジェネラル・エレクトリック社製)、“Matrimid(登録商標、以下同じ)”5218(チバ社製)、ポリスルホンとして“Victrex(登録商標、以下同じ)”(三井東圧化学(株)製)、“UDEL(登録商標、以下同じ)”(ユニオン・カーバイド社製)、ポリメタクリル酸メチルとして“マツモトマイクロスフェアー(登録商標、以下同じ)”M(松本油脂製薬(株)製)などを挙げることができる。   Examples of commercially available thermoplastic resins that are soluble in epoxy resins and have hydrogen-bonding functional groups include, as polyvinyl acetal resins, “denkabutyral (registered trademark, the same applies hereinafter)” and “denka formal (registered trademark, the same applies hereinafter). "(Electric Chemical Co., Ltd.)", "Vinylec (registered trademark, the same applies below)" (Chisso Co., Ltd.), and phenoxy resin as "UCAR (registered trademark, same applies hereinafter)" PKHP (made by Union Carbide) , “Macromelt (registered trademark, the same applies hereinafter)” (manufactured by Henkel Hakusui Co., Ltd.), “Amilan (registered trademark, same applies hereinafter)” CM4000 (manufactured by Toray Industries, Inc.), and “Ultem (registered trademark, The same shall apply hereinafter) ”(manufactured by General Electric),“ Matrimid (registered trademark, the same shall apply hereinafter) ”5218 (manufactured by Ciba), polysulfone and "Victrex (registered trademark, the same applies hereinafter)" (Mitsui Toatsu Chemical Co., Ltd.), "UDEL (registered trademark, same applies hereinafter)" (Union Carbide), polymethyl methacrylate as "Matsumoto Micros Fair (registered trademark, the same shall apply hereinafter) "M (manufactured by Matsumoto Yushi Seiyaku Co., Ltd.) and the like.

本発明にエラストマーを用いる場合、そのエラストマーとしては、特に限定されるものではなく、液状ゴム、固形ゴム、熱可塑性エラストマー、コアシェルゴム粒子、架橋ゴム粒子などをいずれも好適に使用できる。また、エラストマー変性エポキシなど、エラストマーを原料とする成分であっても良い。   When an elastomer is used in the present invention, the elastomer is not particularly limited, and any of liquid rubber, solid rubber, thermoplastic elastomer, core shell rubber particles, crosslinked rubber particles, and the like can be suitably used. Moreover, the component which uses an elastomer as raw materials, such as an elastomer modified epoxy, may be sufficient.

一般に、固形ゴムは、液状ゴムに比べて同一量をエポキシ樹脂に溶解した場合の粘度上昇が大きく、成形過程の樹脂組成物を適度な粘度レベルに保ちながら、比較的成形物の耐熱性を維持できるばかりか、樹脂組成物の粘弾性関数の温度依存性を減少し、プリプレグを扱う作業環境温度の変動があっても取扱い性が悪化しにくく、またプリプレグ放置によるタック性の経時変化を小さくできるため、本発明において好ましく用いられる。   In general, solid rubber has a large viscosity increase when the same amount is dissolved in epoxy resin compared to liquid rubber, and relatively maintains the heat resistance of the molded product while maintaining the resin composition in the molding process at an appropriate viscosity level. In addition, the temperature dependence of the viscoelastic function of the resin composition can be reduced, the handleability is not easily deteriorated even when there is a change in the working environment temperature for handling the prepreg, and the time-dependent change in tackiness due to leaving the prepreg can be reduced. Therefore, it is preferably used in the present invention.

固形ゴムとしては、ブタジエンとアクリロニトリルのランダムコポリマーであるアクリロニトリル−ブタジエン共重合体がエポキシ樹脂との相溶性の面から好ましい。アクリロニトリルの共重合比を変化させることでエポキシ樹脂との相溶性を制御できる。さらにエポキシ樹脂との接着性をあげるためには、官能基を有する固形ゴムを用いることがより好ましい。かかる官能基としては、カルボキシル基、アミノ基などを挙げることができる。また、水素化ニトリルゴムも耐候性に優れるため固形ゴムの好ましい例である。液状ゴムおよび固形ゴムの市販品として、CTBN1300X13、ATBN1300X16(以上、BF Goodrich社製)“NIPOL(登録商標、以下同じ)”1072、1072J、1472、1472HV、1042、1043、DN631、DN601、1001、“ZETPOL(登録商標、以下同じ)”2020、2220、3110(以上、日本ゼオン(株)製)等が挙げられる。   As the solid rubber, an acrylonitrile-butadiene copolymer which is a random copolymer of butadiene and acrylonitrile is preferable from the viewpoint of compatibility with the epoxy resin. The compatibility with the epoxy resin can be controlled by changing the copolymerization ratio of acrylonitrile. Furthermore, in order to raise adhesiveness with an epoxy resin, it is more preferable to use the solid rubber which has a functional group. Examples of such a functional group include a carboxyl group and an amino group. Hydrogenated nitrile rubber is also a preferred example of solid rubber because of its excellent weather resistance. As commercial products of liquid rubber and solid rubber, CTBN1300X13, ATBN1300X16 (manufactured by BF Goodrich) “NIPOL (registered trademark, the same shall apply hereinafter)” 1072, 1072J, 1472, 1472HV, 1042, 1043, DN631, DN601, 1001, “ ZETPOL (registered trademark, the same shall apply hereinafter) “2020, 2220, 3110 (manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.).

市販の架橋ゴム粒子としては、カルボキシル変性およびエポキシ変性のブタジエン−アクリロニトリル共重合体の架橋物からなるFX−602P、FX−501P(以上、日本合成ゴム工業(株)製)、アクリルゴム微粒子からなるCX−MNシリーズ(日本触媒(株)製)、YR−500シリーズ(東都化成(株)製)などを使用することができる。また、市販のコアシェルゴム粒子としては、ブタジエン・メタクリル酸アルキル・スチレン共重合体からなる“パラロイド(登録商標、以下同じ)”EXL−2655(呉羽化学工業(株)製)、アクリル酸エステル・メタクリル酸エステル共重合体からなる“スタフィロイド(登録商標、以下同じ)”AC−3355、TR−2122(武田薬品工業(株)製)、アクリル酸ブチル・メタクリル酸メチル共重合体からなる“PARALOID(登録商標、以下同じ)”EXL−2611、EXL−3387(Rohm&Haas社製)、CSRマスターバッチ(カネカ(株)製)などを使用することができる。   Commercially available crosslinked rubber particles include FX-602P, FX-501P (manufactured by Nippon Synthetic Rubber Industry Co., Ltd.) and acrylic rubber fine particles made of a crosslinked product of a carboxyl-modified and epoxy-modified butadiene-acrylonitrile copolymer. CX-MN series (made by Nippon Shokubai Co., Ltd.), YR-500 series (made by Toto Kasei Co., Ltd.), etc. can be used. Commercially available core-shell rubber particles include “Paraloid (registered trademark, the same shall apply hereinafter)” EXL-2655 (manufactured by Kureha Chemical Industry Co., Ltd.), acrylate ester / methacrylic, which is a butadiene / alkyl methacrylate / styrene copolymer. "STAPHYLOID (Registered Trademark, hereinafter the same)" AC-3355, TR-2122 (manufactured by Takeda Pharmaceutical Co., Ltd.) made of an acid ester copolymer, "PARALOID" made of a butyl acrylate / methyl methacrylate copolymer Registered trademark, the same shall apply hereinafter) "EXL-2611, EXL-3387 (manufactured by Rohm & Haas), CSR masterbatch (manufactured by Kaneka Corporation), and the like.

市販のエラストマー変性エポキシとしては、TSR−601、TSR−960(以上、大日本インキ化学工業(株)製)、“ERISYS(登録商標、以下同じ)”EMRA−95、RK−8−4、EMDA−3−23、(以上、ピー・ティー・アイ・ジャパン(株)製)などが挙げられる。
本発明における構成要素[C]は、カーボンナノファイバーであり、一般的なカーボンナノチューブ(CNT)や気相法炭素繊維(VGCF)を例示できる。これらは、グラファイトの1枚面(グラフェンあるいはグラフェンシート)が筒状に積層された化学構造が主体となったものが高い強度と弾性率を得られることから好ましい。グラファイトの積層構造は高分解能透過型電子顕微鏡で調べることができる。グラファイトの層は、透過型顕微鏡でまっすぐにはっきりと見えるほど好ましいが、グラファイト層が乱れていても構わない。カーボンナノファイバーは一般に、アーク放電法、レーザー蒸発法、熱CVD(Chemical Vapor Depositionの略称)法、プラズマCVD法などにより製造することができるが、どのような方法で製造したカーボンナノファイバーでも構わない。これらカーボンナノファイバーの形態は、針状、コイル状、チューブ状の形態など任意の形態をとることができる。また、これらを2種類以上混合したものでも良い。
Commercially available elastomer-modified epoxies include TSR-601, TSR-960 (above, manufactured by Dainippon Ink & Chemicals, Inc.), "ERISYS (registered trademark, the same applies hereinafter)" EMRA-95, RK-8-4, EMDA. -3-23 (made by PIT Japan Co., Ltd.).
The component [C] in the present invention is a carbon nanofiber, and examples thereof include general carbon nanotubes (CNT) and vapor grown carbon fibers (VGCF). These are preferable because the main structure is a chemical structure in which one surface of graphite (graphene or graphene sheet) is laminated in a cylindrical shape because high strength and elastic modulus can be obtained. The laminated structure of graphite can be examined with a high-resolution transmission electron microscope. The graphite layer is preferable so that it can be seen straight and clearly with a transmission microscope, but the graphite layer may be disordered. In general, carbon nanofibers can be manufactured by an arc discharge method, a laser evaporation method, a thermal CVD (abbreviation of Chemical Vapor Deposition) method, a plasma CVD method, or the like, but any method may be used. . The form of these carbon nanofibers can take any form such as a needle, coil, or tube. Moreover, what mixed these 2 or more types may be used.

本発明では、本発明の樹脂組成物を硬化して得られる硬化物において、構成要素[C]は、その最大凝集サイズが10μm以下、好ましくは5μm以下となっていることが必要である。それによって、硬化物中の応力分布ムラや強化繊維のアラインメント乱れの発生が抑えられ、繊維方向圧縮強度と面内剪断強度のバランスに優れた繊維強化複合材料が得られる。なお、本発明において、構成要素[C]の最大凝集サイズとは、構成要素[C]の凝集サイズのうち、後述する方法で特定される最大のものを意味し、構成要素[C]の凝集サイズとは、構成要素[C]が形成する凝集物の最小外接円の直径を意味する。かかる凝集物とは、カーボンナノファイバーが寄り集まったものであり、元々の配合割合に対して局所的にカーボンナノファイバーの存在量が大きくなった領域である。かかる凝集物には、元々のカーボンナノファイバー中に存在する凝集物の他に樹脂調製や成形過程で生じる凝集物が含まれる。図1に、本発明において、硬化物における凝集サイズを測定する際の顕微鏡像のイメージ図を示す。   In the present invention, in the cured product obtained by curing the resin composition of the present invention, the constituent element [C] needs to have a maximum aggregate size of 10 μm or less, preferably 5 μm or less. Thereby, the occurrence of uneven stress distribution in the cured product and the disturbance of the alignment of the reinforcing fibers are suppressed, and a fiber-reinforced composite material having an excellent balance between the compressive strength in the fiber direction and the in-plane shear strength can be obtained. In the present invention, the maximum aggregate size of the constituent element [C] means the maximum aggregate size of the constituent element [C] specified by the method described later, and the aggregate of the constituent element [C] The size means the diameter of the minimum circumscribed circle of the aggregate formed by the component [C]. Such agglomerate is a collection of carbon nanofibers, and is a region where the abundance of carbon nanofibers is locally increased with respect to the original blending ratio. Such agglomerates include agglomerates generated in the resin preparation and molding processes in addition to the agglomerates present in the original carbon nanofibers. In FIG. 1, the image figure of the microscope image at the time of measuring the aggregate size in hardened | cured material in this invention is shown.

かかる凝集サイズを10μm以下とするためには、種々の方法が用いられるが、樹脂組成物の100℃での粘度を後述するような範囲とすることや、構成要素[C]として、元素分析による酸素原子と炭素原子の原子数比(O/C)が、後述するような範囲にあるものを用いることが有効である。   Various methods are used to set the aggregate size to 10 μm or less, and the viscosity of the resin composition at 100 ° C. is set in a range as described later, or the component [C] is determined by elemental analysis. It is effective to use an oxygen atom / carbon atom ratio (O / C) within a range as described later.

これら構成要素[C]は、その平均繊維直径Dが、3nm〜300nm、好ましくは3nm〜100nm、より好ましくは3nm〜60nmの範囲内であることが望ましい。かかる平均繊維直径が小さすぎると、樹脂中に均一に分散させることが困難になる場合がある一方で、大きすぎると、特に所望の力学特性付与効果を得ることが出来ない場合がある。   These constituent elements [C] desirably have an average fiber diameter D in the range of 3 nm to 300 nm, preferably 3 nm to 100 nm, more preferably 3 nm to 60 nm. If the average fiber diameter is too small, it may be difficult to uniformly disperse the resin in the resin. On the other hand, if the average fiber diameter is too large, a desired mechanical property imparting effect may not be obtained.

また、これら構成要素[C]は、その平均繊維長Lが、0.01μm〜100μm、好ましくは0.03μm〜50μm、より好ましくは0.05μm〜20μmの範囲内であることが望ましい。かかる平均繊維長が短すぎると、特に所望の力学特性付与効果を得ることが出来ない場合がある一方で、長すぎると、樹脂中に均一に分散させることが困難になる場合がある。
また、樹脂組成物やプリプレグ中において、これら構成要素[C]は、その平均アスペクト比が、10〜200、好ましくは30〜200、より好ましくは50〜150の範囲内であることが望ましい。かかる平均アスペクト比が小さすぎると、所望の力学特性付与効果を得ることが出来ない場合がある一方で、大きすぎると、マトリックス樹脂の流動性が低下し、硬化不良や強化繊維のアラインメントの乱れを誘発し、力学特性の低下を招く場合がある。なお、同一のカーボンナノファイバー原料を用いても分散処理条件により、得られる樹脂組成物中におけるカーボンナノファイバーの繊維長やアスペクト比は大きく異なってくることから、配合前のカーボンナノファイバー原料のアスペクト比を特定してもさほど意味はなく、分散処理後の樹脂組成物やプリプレグ中においてカーボンナノファイバーのアスペクト比を管理することが重要である。
Moreover, it is desirable that these constituent elements [C] have an average fiber length L in the range of 0.01 μm to 100 μm, preferably 0.03 μm to 50 μm, more preferably 0.05 μm to 20 μm. If the average fiber length is too short, a desired effect of imparting mechanical properties may not be obtained. On the other hand, if the average fiber length is too long, it may be difficult to uniformly disperse in the resin.
In the resin composition or prepreg, these constituent elements [C] desirably have an average aspect ratio in the range of 10 to 200, preferably 30 to 200, more preferably 50 to 150. If the average aspect ratio is too small, it may not be possible to obtain the desired mechanical property imparting effect. On the other hand, if the average aspect ratio is too large, the fluidity of the matrix resin will decrease, resulting in poor curing and disordered reinforcement fiber alignment. Induces and may result in degradation of mechanical properties. Even if the same carbon nanofiber raw material is used, the fiber length and aspect ratio of the carbon nanofiber in the resulting resin composition vary greatly depending on the dispersion treatment conditions. It is meaningless to specify the ratio, and it is important to manage the aspect ratio of the carbon nanofibers in the resin composition and prepreg after the dispersion treatment.


かかる平均アスペクト比は、構成要素[C]の平均繊維長Lと平均繊維直径Dとの比(L/D)で表される。ここでいう平均繊維直径Dや平均繊維長Lは、高分解能透過型電子顕微鏡観察などの方法により求めることができる。なお、樹脂組成物中あるいはプリプレグ中に含まれる構成要素[C]の場合には、平均繊維直径や平均繊維長は、樹脂組成物あるいはプリプレグを加熱硬化させた後、樹脂硬化物あるいは繊維強化複合材料を薄切片に加工した後、透過型電子顕微鏡(TEM)などで観察し、一本のカーボンナノファイバーを重複して計測しないこととし、任意に20本のカーボンナノファイバーについて、その繊維直径と繊維長を計測し、それぞれの平均値を算出することにより得ることができる。この方法を用いれば、樹脂硬化物あるいは繊維強化複合材料であっても平均繊維直径Dや平均繊維長Lを測定することもできる。平均繊維直径Dや平均繊維長Lを測定するためのもう一つの方法としては、溶剤で希釈し、ガラス等の基板にキャストし、走査型電子顕微鏡(SEM)などで観察し、任意に20本のカーボンナノファイバーについて、その繊維直径と繊維長を計測し、それぞれの平均値を算出する方法が挙げられる。なお、平均繊維直径Dや平均繊維長Lをより高精度で測定する観点からは、後者のSEMによる測定を用いるのが良い。

This average aspect ratio is represented by the ratio (L / D) between the average fiber length L and the average fiber diameter D of the component [C]. The average fiber diameter D and the average fiber length L here can be obtained by a method such as observation with a high-resolution transmission electron microscope. In the case of the constituent element [C] contained in the resin composition or prepreg, the average fiber diameter and average fiber length are determined by heating the resin composition or prepreg, and then curing the resin or fiber reinforced composite. After processing the material into thin slices, observe with a transmission electron microscope (TEM), etc., and do not measure one carbon nanofiber redundantly. It can be obtained by measuring the fiber length and calculating the average value of each. If this method is used, the average fiber diameter D and the average fiber length L can be measured even for a cured resin or a fiber-reinforced composite material. As another method for measuring the average fiber diameter D and the average fiber length L, it is diluted with a solvent, cast on a substrate such as glass, observed with a scanning electron microscope (SEM), etc., and optionally 20 For the carbon nanofiber, a method of measuring the fiber diameter and the fiber length and calculating the average value of each is mentioned. From the viewpoint of measuring the average fiber diameter D and the average fiber length L with higher accuracy, the latter measurement by SEM is preferably used.

これら構成要素[C]は、本発明の樹脂組成物中に、樹脂組成物の重量あたり、0.01重量%〜20重量%、好ましくは0.1重量%〜18重量%、より好ましくは0.5重量%〜15重量%の範囲内の含有量で含まれていることが好ましい。かかる含有量が少なすぎると、所望の力学特性付与効果が得られない場合がある一方で、多すぎると、成形時の流動性が極端に低下し、成形体中に空隙(ボイド)などが発生するため、成形物の力学特性が低下する場合がある。   These constituent elements [C] are contained in the resin composition of the present invention in an amount of 0.01 to 20% by weight, preferably 0.1 to 18% by weight, more preferably 0, per weight of the resin composition. It is preferable that it is contained at a content within the range of 5 wt% to 15 wt%. If the content is too small, the desired mechanical property imparting effect may not be obtained. On the other hand, if the content is too large, the fluidity during molding is extremely reduced, and voids are generated in the molded product. For this reason, the mechanical properties of the molded product may deteriorate.

これら構成要素[C]は、元素分析による酸素原子と炭素原子の原子数比(O/C)が0.01〜0.20、好ましくは0.01〜0.15、さらに好ましくは0.02〜0.12の範囲内にあることが望ましい。構成要素[C]のO/C比を、かかる範囲内に制御する手段としては特に限定されないが、例えば、カーボンナノファイバー表面にポリビニルピロリドンなどの極性ポリマーやポリ(アリールエチニレン)などの共役ポリマーを非共有結合的に付着させる方法、硝酸、過マンガン酸などの酸化剤と反応させ酸化させる方法、フッ素ガスにより表面フッ素化後、アミノ基などの極性官能基に置換する方法などが挙げられる。かかるO/Cが小さすぎると、硬化の際に構成要素[C]の再凝集が生じ構成要素[C]の凝集サイズが大きくなる傾向にあり、それによって樹脂硬化物および繊維強化複合材料の力学特性が低下する傾向がある一方で、大きすぎると、構成要素[C]自体の強度が低下する傾向にあり、樹脂硬化物および繊維強化複合材料の力学特性が低下する場合がある。なお、構成要素[C]のO/Cは、元素分析装置を用いて求めることができる。   These constituent elements [C] have an oxygen atom to carbon atom ratio (O / C) of 0.01 to 0.20, preferably 0.01 to 0.15, more preferably 0.02 by elemental analysis. It is desirable to be within the range of ~ 0.12. The means for controlling the O / C ratio of the constituent element [C] within such a range is not particularly limited. For example, a polar polymer such as polyvinylpyrrolidone or a conjugated polymer such as poly (arylethynylene) on the surface of the carbon nanofiber. And non-covalently adhering method, a method of reacting with an oxidizing agent such as nitric acid and permanganic acid and oxidizing, a method of fluorinating the surface with fluorine gas and then substituting with a polar functional group such as amino group. If the O / C is too small, re-aggregation of the component [C] tends to occur at the time of curing, and the agglomeration size of the component [C] tends to increase, whereby the dynamics of the cured resin and the fiber-reinforced composite material On the other hand, when the properties tend to decrease, if the size is too large, the strength of the component [C] itself tends to decrease, and the mechanical properties of the cured resin and the fiber-reinforced composite material may decrease. In addition, O / C of component [C] can be calculated | required using an elemental analyzer.

これら構成要素[C]の繊維径、平均アスペクト比、O/C比については、相乗効果が認められ、それぞれを規定範囲内に設定することで、力学特性の飛躍的な向上が認められる。   Regarding the fiber diameter, average aspect ratio, and O / C ratio of these constituent elements [C], a synergistic effect is recognized, and by setting each within a specified range, a dramatic improvement in mechanical properties is recognized.

これら構成要素[C]を樹脂組成物中へ分散させる方法に特に限定はないが、ニーダー、プラネタリーミキサー、二軸押出機、三本ロール、ホモミキサー、ディゾルバー、ボールミル、ビーズミル、超音波等を用いることができる。   The method for dispersing these constituent elements [C] in the resin composition is not particularly limited, but a kneader, a planetary mixer, a twin screw extruder, a three roll, a homomixer, a dissolver, a ball mill, a bead mill, an ultrasonic wave, etc. Can be used.

本発明においては、本発明の樹脂組成物から構成要素[C]を排除した状態の樹脂混合物の50℃における粘度が、5Pa・s〜5000Pa・s、好ましくは10〜1000Pa・s、より好ましくは20〜500Pa・sの範囲内であることが望ましい。かかる粘度が低すぎると、樹脂組成物を用いてプリプレグとなす場合に、プリプレグのタックが過剰となり、プリプレグ積層時の作業性が極端に悪化する場合がある一方で、高すぎると、プリプレグのタックが不足し、積層精度が低下することにより、繊維強化複合材料としての物性低下を招く場合がある。   In the present invention, the viscosity at 50 ° C. of the resin mixture excluding the component [C] from the resin composition of the present invention is 5 Pa · s to 5000 Pa · s, preferably 10 to 1000 Pa · s, more preferably It is desirable to be within the range of 20 to 500 Pa · s. If the viscosity is too low, when the resin composition is used to form a prepreg, the prepreg tack becomes excessive, and workability during prepreg lamination may be extremely deteriorated. Is insufficient and the lamination accuracy is lowered, which may lead to a decrease in physical properties of the fiber-reinforced composite material.

さらに、本発明の樹脂組成物は、100℃での粘度が、0.1Pa・s〜100Pa・s、好ましくは0.1〜50Pa・s、より好ましくは0.5〜30Pa・sの範囲内であることが望ましい。この粘度が低すぎると、硬化の際に構成要素[C]の再凝集が生じ構成要素[C]の凝集サイズが大きくなる傾向にあり、それによって樹脂硬化物および繊維強化複合材料の力学特性が低下する傾向にある一方で、高すぎると、成形時の流動性が極端に低下し、成形体中に空隙(ボイド)などが発生しやすくなり、成形物の力学特性が低下する場合がある。   Furthermore, the resin composition of the present invention has a viscosity at 100 ° C. in the range of 0.1 Pa · s to 100 Pa · s, preferably 0.1 to 50 Pa · s, more preferably 0.5 to 30 Pa · s. It is desirable that If this viscosity is too low, re-aggregation of the component [C] tends to occur during curing, and the agglomeration size of the component [C] tends to increase, whereby the mechanical properties of the cured resin and the fiber-reinforced composite material are reduced. On the other hand, if it is too high, the fluidity at the time of molding is extremely lowered, voids or the like are easily generated in the molded body, and the mechanical properties of the molded product may be lowered.

本発明で得られる熱硬化性樹脂組成物は、80℃でのカッソン粘度が0.1〜100Pa・s、かつカッソン降伏値が0.1〜20Paであることが好ましく、より好ましくは80℃でのカッソン粘度が0.5〜50Pa・s、かつカッソン降伏値が0.2〜10Pa、さらに好ましくは、80℃でのカッソン粘度が3〜30Pa・s、かつカッソン降伏値が0.5〜5Paであることが望ましい。かかるカッソン粘度が0.1Pa・sを下回る場合には、熱硬化性樹脂組成物を強化繊維に含浸させた中間材料(プリプレグ)とした際に、裂けを生じる等、その形態を保持しにくく、積層作業に支障をきたすことがある一方、カッソン粘度が100Pa・sを超える場合には、プリプレグのタック性、またはドレープ性が不足し、積層作業に支障をきたすことがある。また、ここでのカッソン降伏値が0.1Paを下回る場合には、カーボンナノファイバーの分散が不十分であり、所望の力学特性付与効果が得られないことがある一方、カッソン降伏値が20Paを超える場合には、強化繊維への含浸不良を招くことがある上、成形過程での熱硬化性樹脂組成物の流動性が不足し、硬化不良や強化繊維のアラインメントの乱れを誘発し、力学特性の低下を招くことがある。   The thermosetting resin composition obtained in the present invention preferably has a Kasson viscosity at 80 ° C. of 0.1 to 100 Pa · s and a Kasson yield value of 0.1 to 20 Pa, more preferably at 80 ° C. Casson viscosity is 0.5 to 50 Pa · s, and the Kasson yield value is 0.2 to 10 Pa, more preferably, the Casson viscosity at 80 ° C. is 3 to 30 Pa · s and the Kasson yield value is 0.5 to 5 Pa. It is desirable that When the Kasson viscosity is less than 0.1 Pa · s, when the intermediate material (prepreg) in which the reinforcing fiber is impregnated with the thermosetting resin composition is used, it is difficult to maintain its form, such as tearing. On the other hand, when the Kasson viscosity exceeds 100 Pa · s, the tackiness or draping property of the prepreg may be insufficient and the lamination operation may be hindered. Further, when the Kasson yield value here is less than 0.1 Pa, the dispersion of the carbon nanofibers is insufficient, and a desired mechanical property imparting effect may not be obtained, while the Kasson yield value is 20 Pa. If exceeded, it may lead to poor impregnation of the reinforcing fiber, and the fluidity of the thermosetting resin composition in the molding process will be insufficient, leading to poor curing and disturbance of the alignment of the reinforcing fiber, and mechanical properties May be reduced.

なお、ここにいうカッソン粘度とカッソン降伏値とは、ニュートン流体の中に固体粒子を分散させた懸濁液のレオロジー特性を理論的に扱う式として著名な、カッソン(英語表記:Casson)方程式(式1)中で使用される特性値である。   The Casson viscosity and the Kasson yield value mentioned here are the Casson (English notation: Casson) equation, which is a well-known formula that theoretically handles the rheological properties of a suspension in which solid particles are dispersed in a Newtonian fluid. Characteristic values used in equation 1).

τ0.5=τy0.5+η∞0.5・γ0.5・・・・・・(式1)
ここで、τ:剪断応力(Pa)、γ:剪断速度(s−1)、η∞:カッソン粘度(Pa・s)、τy:カッソン降伏値(Pa)である。
τ 0.5 = τy 0.5 + η∞ 0.5・ γ 0.5・ ・ ・ ・ ・ ・ (Formula 1)
Here, τ: shear stress (Pa), γ: shear rate (s −1 ), η∞: Kasson viscosity (Pa · s), and τy: Kasson yield value (Pa).

より詳しく説明すれば、カッソン粘度とは、剪断速度が無限大になるときの粘度を外挿法により求めた値を意味し、カッソン降伏値とは、樹脂の流動を開始させるために必要な最小の剪断応力を意味する。通常行われるパラレルプレートを用いた単一歪み量条件下での複素粘性率評価は、カーボンナノファイバーの分散状態や、熱硬化性樹脂組成物としての取扱い性を必ずしも反映しないものであったが、カッソン粘度およびカッソン降伏値で制御することで、カーボンナノファイバーの分散状態や、熱硬化性樹脂組成物としての取扱い性を適正な範囲に収めることができる。   More specifically, the Kasson viscosity means a value obtained by extrapolating the viscosity when the shear rate becomes infinite, and the Kasson yield value is the minimum necessary to start the resin flow. It means the shear stress. The complex viscosity evaluation under a single strain amount condition using a parallel plate that is usually performed did not necessarily reflect the dispersion state of the carbon nanofibers and the handleability as a thermosetting resin composition, By controlling with the Kasson viscosity and the Kasson yield value, the dispersion state of the carbon nanofibers and the handleability as a thermosetting resin composition can be within an appropriate range.

本発明の樹脂組成物を強化繊維に含浸することにより、繊維強化複合材料の中間基材としてのプリプレグが作製される。プリプレグに用いる強化繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維、炭化ケイ素繊維などが挙げられる。これらの繊維を2種以上混合して用いても構わないが、より軽量で、より耐久性の高い成形品を得るために、炭素繊維がより好ましく用いられる。   By impregnating the reinforcing fiber with the resin composition of the present invention, a prepreg as an intermediate substrate of the fiber-reinforced composite material is produced. Examples of the reinforcing fiber used for the prepreg include glass fiber, carbon fiber, aramid fiber, boron fiber, alumina fiber, silicon carbide fiber and the like. Two or more of these fibers may be used in combination, but carbon fibers are more preferably used in order to obtain a molded product that is lighter and more durable.

軽量で高強度なスポーツ用品や航空機部材を製造するためには、少量の材料で十分な製品の剛性を発現させ得るように、炭素繊維の中でも、より弾性率の高いもの、具体的には、引張弾性率が200〜800GPa、好ましくは220〜650GPaのものを用いるのがより好ましい。かかる引張弾性率が低すぎると、成形体に充分な剛性が得られない結果、圧縮強度が低下する場合がある一方で、高すぎると、強化繊維の圧縮強度が低くなり、例えば管状体として用いた場合に管状体に十分な曲げ特性やねじり特性が損なわれることがある。   In order to produce lightweight and high-strength sports equipment and aircraft parts, carbon fiber with a higher elastic modulus, specifically, a small amount of material so that sufficient product rigidity can be expressed. It is more preferable to use a material having a tensile modulus of 200 to 800 GPa, preferably 220 to 650 GPa. If the tensile modulus is too low, sufficient compression strength may not be obtained as a result of the molded body. On the other hand, if the tensile modulus is too high, the compression strength of the reinforcing fibers will be low. In such a case, sufficient bending characteristics and torsional characteristics of the tubular body may be impaired.

また強化繊維の形態や配列については限定されず、例えば、一方向に引き揃えた長繊維、トウ、織物(クロス)、マット、ニット、組み紐などが用いられる。   The form and arrangement of the reinforcing fibers are not limited. For example, long fibers, tows, woven fabric (cross), mats, knits, braids and the like that are aligned in one direction are used.

プリプレグは、マトリックス樹脂となる樹脂組成物を、溶媒に溶解して低粘度化し強化繊維に含浸させるウエット法や、加熱により低粘度化し強化繊維に含浸させるホットメルト法(ドライ法)などの方法により製造される。ホットメルト法は、強化繊維と樹脂組成物を離型紙などの上にコーティングしたフィルムを両側あるいは片側から重ね、加熱加圧することにより樹脂組成物を含浸させプリプレグを作製する方法である。   The prepreg is prepared by a wet method in which a resin composition as a matrix resin is dissolved in a solvent to lower the viscosity and impregnated into the reinforcing fibers, or a hot melt method (dry method) in which the viscosity is decreased by heating and impregnated into the reinforcing fibers. Manufactured. The hot melt method is a method for producing a prepreg by impregnating a resin composition by heating and pressurizing a film in which reinforcing fibers and a resin composition are coated on a release paper or the like from both sides or one side.

繊維強化複合材料の軽量化のためにはプリプレグ中の強化繊維含有率は高いことが好ましく、好ましくは60重量%以上であり、より好ましくは70重量%以上であり、75重量%以上であることが最も好ましい。しかしながら、繊維含有量が高すぎる場合、マトリックス樹脂の絶対量が減少することにより、プリプレグのタック性やマトリックス樹脂の強化繊維への含浸性などが損なわれるため、作業性が低下したり、繊維強化複合材料中に空隙(ボイド)を多く含むものしか得られないなど品位の良い繊維強化複合材料を作製することが難しくなる場合があり、そのような意味で繊維含有率は90重量%以下であることが好ましく、85重量%以下であることがより好ましい。   In order to reduce the weight of the fiber reinforced composite material, the reinforced fiber content in the prepreg is preferably high, preferably 60% by weight or more, more preferably 70% by weight or more, and 75% by weight or more. Is most preferred. However, if the fiber content is too high, the absolute amount of the matrix resin is reduced, so that the tackiness of the prepreg and the impregnation property of the matrix resin into the reinforcing fiber are impaired, so that the workability is lowered or the fiber reinforcement It may be difficult to produce a high-quality fiber-reinforced composite material such as a composite material containing only a large amount of voids, and in that sense, the fiber content is 90% by weight or less. It is preferably 85% by weight or less.

プリプレグを用いた繊維強化複合材料は、プリプレグを裁断したパターンを積層後、積層物に圧力を付与しながら樹脂を加熱硬化させる方法により作製される。圧力を付与する方法としては、プレス成形とオートクレーブ成形が代表的な方法で、その他にもシートワインディング成形、内圧成形などがあり、いずれの方法も利用できる。   A fiber-reinforced composite material using a prepreg is produced by a method in which a pattern obtained by cutting a prepreg is laminated, and then a resin is heated and cured while applying pressure to the laminate. As methods for applying pressure, press molding and autoclave molding are representative methods, and other methods include sheet winding molding and internal pressure molding, and any of these methods can be used.

シートワインディング法は、マンドレルなどの芯金にプリプレグを巻いて、円筒状物を成形する方法であり、ゴルフシャフト、ホッケーなどのスティックなどの棒状体を作製する際に好適である。具体的には、マンドレルにプリプレグを巻き付け、プリプレグがマンドレルから剥離しないように固定するために、および、テープの熱収縮性を利用してプリプレグに成形圧力を付与するために、プリプレグの外側にフィルム・テープ(ラッピングテープ)を巻き付け、樹脂を加熱硬化させた後、芯金を抜き去って円筒状成形体を得る。   The sheet winding method is a method of forming a cylindrical object by winding a prepreg around a mandrel or the like, and is suitable for producing a rod-shaped body such as a golf shaft or a hockey stick. Specifically, a film on the outside of the prepreg is used to wind the prepreg around the mandrel and fix the prepreg so that it does not peel from the mandrel, and to apply molding pressure to the prepreg using the heat shrinkability of the tape. -A tape (wrapping tape) is wound and the resin is heated and cured, and then the core metal is removed to obtain a cylindrical molded body.

また、内圧成形法は、プリプレグから作製したプリフォームを予め金型へセットし、次いでプリフォームに内圧をかけると同時に金型を加熱し成形する方法である。ゴルフシャフト、ゴルフクラブヘッド、バット、テニスやバトミントンなどのラケットのような複雑な形状物を成形する際に好適に用いられる。   The internal pressure molding method is a method in which a preform prepared from a prepreg is set in a mold in advance, and then the mold is heated and molded at the same time as an internal pressure is applied to the preform. It is suitably used when molding a complicated shape such as a golf shaft, a golf club head, a bat, a racket such as tennis or badminton.

さらに、本発明の樹脂組成物と強化繊維により、フィラメント・ワインディング法、プルトルージョン法、レジン・インジェクション・モールディング法などの成形法によっても繊維強化複合材料を作製することができる。   Furthermore, a fiber-reinforced composite material can be produced by a molding method such as a filament winding method, a pultrusion method, a resin injection molding method, or the like, using the resin composition of the present invention and reinforcing fibers.

以下、本発明を実施例を用いてさらに具体的に説明する。なお、各種特性値の評価方法や本実施例で用いる原料などの調整方法を次にまとめて示す。また、各実施例の樹脂組成、プリプレグ特性、繊維強化複合材料特性を、表1、表2にまとめて示す。
A.構成要素[C]の元素分析によるO/C
構成要素[C]を200℃で2時間真空乾燥を行った後、元素分析装置を用いて、試料を燃焼炉950℃の高温下で完全燃焼させ発生する気体からC元素の含有量を測定し、一方で、元素分析装置を用いて、試料を分解炉温度1150℃で分解して発生する気体からO元素の含有量を測定する。その結果より、原子数比O/Cを算出する。なお、本実施例では、元素分析装置として、C元素の含有量を測定する場合には、エレメンタール社製varioEL元素分析装置を用い、O元素の含有量を測定する場合には、HERAEUS社製 CHN−O RAPID元素分析装置を用いた。
B.カーボンナノファイバーの作製
[CNF−1]:カーボンナノチューブ(CNT)
K.Hernadi、A.Fonsecaらによる報告を参照(Zeolites 17:416−423、1996)し、酢酸鉄(2g)、酢酸コバルト(2g)、Y型ゼオライト(10g)を秤量し、メタノール(100ml)を加えて、振とう器にて1時間攪拌後、メタノール分を乾燥除去し、触媒を得た。次に、CVD反応装置を用いて、反応管内の石英ウール上に触媒1gをあらかじめセットし、窒素(30cc/分)雰囲気下で600℃まで昇温後、アセチレン(6cc/分)、窒素(30cc/分)雰囲気下で600℃×5時間保持しカーボンナノファイバーを合成した。その後、窒素(30cc/分)雰囲気下で室温まで冷却し、反応混合物を取り出した。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. In addition, the evaluation method of various characteristic values and the adjustment method of the raw material etc. which are used in a present Example are shown collectively below. Tables 1 and 2 collectively show the resin composition, prepreg characteristics, and fiber reinforced composite material characteristics of each example.
A. O / C by elemental analysis of component [C]
After the component [C] is vacuum-dried at 200 ° C. for 2 hours, the content of element C is measured from the gas generated by completely burning the sample at a high temperature of 950 ° C. using an elemental analyzer. On the other hand, the content of O element is measured from a gas generated by decomposing a sample at a decomposition furnace temperature of 1150 ° C. using an elemental analyzer. From the result, the atomic ratio O / C is calculated. In this example, when measuring the content of C element as an elemental analyzer, a varioEL elemental analyzer manufactured by Elemental Co. is used, and when measuring the content of O element, manufactured by HERAEUS A CHN-O RAPID elemental analyzer was used.
B. Production of carbon nanofiber [CNF-1]: carbon nanotube (CNT)
K. Hernadi, A.M. See the report by Fonseca et al. (Zeolites 17: 416-423, 1996), weigh iron acetate (2 g), cobalt acetate (2 g), Y-type zeolite (10 g), add methanol (100 ml) and shake. After stirring in a vessel for 1 hour, the methanol content was removed by drying to obtain a catalyst. Next, using a CVD reactor, 1 g of catalyst was set in advance on quartz wool in the reaction tube, heated to 600 ° C. in a nitrogen (30 cc / min) atmosphere, acetylene (6 cc / min), nitrogen (30 cc) / Min) Carbon nanofibers were synthesized by holding at 600 ° C. for 5 hours in an atmosphere. Then, it cooled to room temperature under nitrogen (30cc / min) atmosphere, and took out the reaction mixture.

前記の反応混合物を、フッ化水素酸10%水溶液中で3時間攪拌後、ろ紙(Toyo Roshi Kaisha、Filter Paper 2号 125mm)を用いてろ過し、ろ紙上の固形物を、イオン交換水、アセトン溶液にて洗浄後、乾燥し、カーボンナノファイバー(CNF−1)を得た。CNT−1の透過型電子顕微鏡観察結果から、平均繊維直径が10nmであることが分かった。また、元素分析によりO/Cを求めた結果、0.002であった。
[CNF−2]:表面処理CNT
CNF−1をフラスコに5g測り取り、濃硫酸150g、60%硝酸50gを加え、100℃で30分加熱した。反応液を水500mlで希釈し、メンブレンフィルターで濾別後、水でよく洗浄し、表面処理カーボンナノファイバー(CNF−2)を得た。元素分析によりO/Cを求めた結果、0.04であった。
[CNF−3]:表面処理CNT
CNF−1をフラスコに5g測り取り、濃硫酸150g、60%硝酸50gを加え、100℃で1時間加熱した。反応液を水500mlで希釈し、メンブレンフィルターで濾別後、水でよく洗浄し、表面処理カーボンナノファイバー(CNF−3)を得た。元素分析によりO/Cを求めた結果、0.11であった。
[CNF−4]:表面処理CNT
CNF−1をフラスコに5g測り取り、濃硫酸150g、60%硝酸50gを加え、100℃で2時間加熱した。反応液を水500mlで希釈し、メンブレンフィルターで濾別後、水でよく洗浄し、表面処理カーボンナノファイバー(CNF−4)を得た。元素分析によりO/Cを求めた結果、0.18であった。
[CNF−5]:気相法炭素繊維(VGCF1、昭和電工(株)製)、平均繊維直径50nm。繊維長20〜50μm。元素分析によりO/Cを求めた結果、0.003であった。
[CNF−6]:表面処理VGCF1
CNF−5をフラスコに5g測り取り、濃硫酸150g、60%硝酸50gを加え、100℃で1時間加熱した。反応液を水500mlで希釈し、メンブレンフィルター(PTFE製、ポアサイズ1μm)で濾別後、水でよく洗浄し、表面処理VGCF1(CNF−6)を得た。元素分析によりO/Cを求めた結果、0.07であった。
[CNF−7]:気相法炭素繊維(VGCF2、昭和電工(株)製)、平均繊維直径150nm、繊維長20〜50μm。元素分析によりO/Cを求めた結果、0.003であった。
[CNF−8]:表面処理VGCF2
CNF−7をフラスコに5g測り取り、濃硫酸150g、60%硝酸50gを加え、100℃で1時間加熱した。反応液を水500mlで希釈し、メンブレンフィルター(PTFE製、ポアサイズ1μm)で濾別後、水でよく洗浄し、表面処理VGCF2(CNF−8)を得た。元素分析によりO/Cを求めた結果、0.05であった。
C.樹脂調製
次に示す樹脂原料を使用し、表1、2の構成要素[A]の欄に示す熱硬化性樹脂と構成要素[C]カーボンナノファイバーを3本ロールで表1、2に示す所定回数処理することにより分散混練し、それに、[B]硬化剤およびその他添加剤をニーダー混練することによって樹脂組成物を調製した。
構成要素[A]
・“エピコート”828(ジャパンエポキシレジン(株)製、ビスフェノールA型液状エポキシ樹脂)
・“エピコート”807(ジャパンエポキシレジン(株)製、ビスフェノールF型液状エポキシ樹脂)
・“スミエポキシ”ELM434(住友化学工業(株)製、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン、液状)
・“エピコート”1002(ジャパンエポキシレジン(株)製、ビスフェノールA型固形エポキシ樹脂)
・“エピコート”YX4000H(ジャパンエポキシレジン(株)製、テトラメチルビフェニル型固形エポキシ樹脂)
・“エピクロン”HP7200L(大日本インキ化学工業(株)製、ジシクロペンタジエン型固形エポキシ樹脂)
構成要素[B]
・“スミキュア(登録商標)”S(住友化学工業(株)、4,4’−ジアミノジフェニルスルフォン)
・DICY7(ジャパンエポキシレジン(株)製、ジシアンジアミド)
・DCMU99(保土ヶ谷化学(株)製、3−(3,4−ジクロロフェニル)−1,1−ジメチルウレア)
その他添加剤
・“ビニレック”K(チッソ(株)製、ポリビニルホルマール)
・“Nipol”1072(日本ゼオン(株)製、カルボキシル基含有アクリロニトリルブタジエンゴム)
得られた樹脂組成物をスライドガラス上に薄く伸ばし、光学顕微鏡で観察したところ、いずれの水準にも10μmを超えるカーボンナノファイバーの凝集物は見られなかった。
D.カーボンナノファイバーの凝集サイズの評価
被評価物が樹脂組成物である場合には、次のようにして測定する。まず、樹脂組成物をスライドガラスに少量取り、カバーガラスで挟みこみ、厚み10μm程度の薄膜とする。これを昇温速度2℃/分でゲル化に到るまで加熱し、観察用サンプルを得た。これを、光学顕微鏡を用いて、10倍の接眼レンズと100倍の対物レンズを使用して、個々の凝集物の凝集サイズを測定する。すなわち、図1に示すように、一つの凝集物に外接する最小の円を描き、その直径を測定し、凝集サイズを得る。任意に3箇所の視野を選択し、それらの視野中で最も大きい凝集サイズを最大凝集サイズとする。なお、それぞれの視野中に凝集サイズが10μmを超える凝集物が一つもない場合、凝集サイズが10μm以下であるといえる。なお、カーボンナノファイバーの配合量が数重量%を超える場合など、図4に示す写真のように、凝集物が繋がって(連続相として)見える場合があるが、これも凝集物とする。
The reaction mixture was stirred in a 10% aqueous solution of hydrofluoric acid for 3 hours, and then filtered using a filter paper (Toyo Roshi Kaisha, Filter Paper No. 125 mm). The solid on the filter paper was subjected to ion exchange water, acetone. After washing with a solution, it was dried to obtain carbon nanofiber (CNF-1). From the observation result of the transmission electron microscope of CNT-1, it was found that the average fiber diameter was 10 nm. Moreover, it was 0.002 as a result of calculating | requiring O / C by the elemental analysis.
[CNF-2]: Surface-treated CNT
5 g of CNF-1 was weighed into a flask, 150 g of concentrated sulfuric acid and 50 g of 60% nitric acid were added, and the mixture was heated at 100 ° C. for 30 minutes. The reaction solution was diluted with 500 ml of water, filtered through a membrane filter, and washed thoroughly with water to obtain surface-treated carbon nanofiber (CNF-2). As a result of obtaining O / C by elemental analysis, it was 0.04.
[CNF-3]: Surface-treated CNT
5 g of CNF-1 was measured in a flask, 150 g of concentrated sulfuric acid and 50 g of 60% nitric acid were added, and the mixture was heated at 100 ° C. for 1 hour. The reaction solution was diluted with 500 ml of water, filtered through a membrane filter, and washed well with water to obtain surface-treated carbon nanofiber (CNF-3). As a result of obtaining O / C by elemental analysis, it was 0.11.
[CNF-4]: Surface-treated CNT
5 g of CNF-1 was weighed into a flask, 150 g of concentrated sulfuric acid and 50 g of 60% nitric acid were added, and the mixture was heated at 100 ° C. for 2 hours. The reaction solution was diluted with 500 ml of water, filtered with a membrane filter, and washed well with water to obtain surface-treated carbon nanofibers (CNF-4). As a result of obtaining O / C by elemental analysis, it was 0.18.
[CNF-5]: vapor grown carbon fiber (VGCF1, manufactured by Showa Denko KK), average fiber diameter of 50 nm. Fiber length 20-50 μm. As a result of obtaining O / C by elemental analysis, it was 0.003.
[CNF-6]: Surface treatment VGCF1
5 g of CNF-5 was measured in a flask, 150 g of concentrated sulfuric acid and 50 g of 60% nitric acid were added, and the mixture was heated at 100 ° C. for 1 hour. The reaction solution was diluted with 500 ml of water, filtered with a membrane filter (PTFE, pore size: 1 μm), and then thoroughly washed with water to obtain surface-treated VGCF1 (CNF-6). As a result of obtaining O / C by elemental analysis, it was 0.07.
[CNF-7]: Vapor grown carbon fiber (VGCF2, manufactured by Showa Denko KK), average fiber diameter 150 nm, fiber length 20-50 μm. As a result of obtaining O / C by elemental analysis, it was 0.003.
[CNF-8]: Surface treatment VGCF2
5 g of CNF-7 was measured in a flask, 150 g of concentrated sulfuric acid and 50 g of 60% nitric acid were added, and the mixture was heated at 100 ° C. for 1 hour. The reaction solution was diluted with 500 ml of water, filtered through a membrane filter (PTFE, pore size: 1 μm), and then thoroughly washed with water to obtain surface-treated VGCF2 (CNF-8). As a result of obtaining O / C by elemental analysis, it was 0.05.
C. Resin preparation Using the following resin raw materials, the thermosetting resin shown in the column of the component [A] in Tables 1 and 2 and the component [C] carbon nanofibers are shown in Tables 1 and 2 with three rolls. The resin composition was prepared by kneading and kneading the [B] curing agent and other additives to the dispersion kneaded by treating the number of times.
Component [A]
・ "Epicoat" 828 (Japan Epoxy Resin Co., Ltd., bisphenol A type liquid epoxy resin)
・ "Epicoat" 807 (Japan Epoxy Resin Co., Ltd., bisphenol F type liquid epoxy resin)
"Sumiepoxy" ELM434 (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd., tetraglycidyldiaminodiphenylmethane, liquid)
・ "Epicoat" 1002 (Japan Epoxy Resin Co., Ltd., bisphenol A type solid epoxy resin)
・ "Epicoat" YX4000H (Japan Epoxy Resin Co., Ltd., tetramethylbiphenyl type solid epoxy resin)
・ "Epiclon" HP7200L (Dainippon Ink Chemical Co., Ltd., dicyclopentadiene type solid epoxy resin)
Component [B]
"SumiCure (registered trademark)" S (Sumitomo Chemical Co., Ltd., 4,4'-diaminodiphenylsulfone)
-DICY7 (Japan Epoxy Resin Co., Ltd., dicyandiamide)
DCMU99 (manufactured by Hodogaya Chemical Co., Ltd., 3- (3,4-dichlorophenyl) -1,1-dimethylurea)
Other additives ・ Vinyleck K (Chisso Corporation, polyvinyl formal)
・ "Nipol" 1072 (manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd., carboxyl group-containing acrylonitrile butadiene rubber)
When the obtained resin composition was thinly stretched on a slide glass and observed with an optical microscope, no aggregate of carbon nanofibers exceeding 10 μm was found in any level.
D. Evaluation of Aggregated Size of Carbon Nanofiber When the evaluation object is a resin composition, the measurement is performed as follows. First, a small amount of the resin composition is taken on a slide glass and sandwiched between cover glasses to form a thin film having a thickness of about 10 μm. This was heated at a rate of temperature rise of 2 ° C./min until gelation was obtained to obtain an observation sample. This is measured with an optical microscope using a 10 × eyepiece and a 100 × objective lens to measure the aggregate size of the individual aggregates. That is, as shown in FIG. 1, a minimum circle circumscribing one aggregate is drawn and the diameter is measured to obtain the aggregate size. Three fields of view are arbitrarily selected, and the largest aggregate size in these fields of view is set as the maximum aggregate size. In addition, when there is no aggregate in which the aggregate size exceeds 10 micrometers in each visual field, it can be said that the aggregate size is 10 micrometers or less. In addition, when the compounding quantity of carbon nanofiber exceeds several weight%, as shown in the photograph shown in FIG. 4, the aggregate may be connected (as a continuous phase), but this is also an aggregate.

一方、被評価物が、繊維強化複合材料である場合には、次のようにして測定する。まず、ミクロトームを用いて、繊維強化複合材料から、厚み10ミクロンの薄切片を作製する。これを、光学顕微鏡を用いて、10倍の接眼レンズと100倍の対物レンズを使用して、個々の凝集物の凝集サイズを測定する。すなわち、図1に示すように、一つの凝集物に外接する最小の円を描き、その直径を測定し、凝集サイズを得る。マトリックス樹脂領域の中から任意に3箇所の視野を選択し、それらの視野中で最も大きい凝集サイズを最大凝集サイズとする。なお、それぞれの視野中に凝集サイズが10μmを超える凝集物が一つもない場合、凝集サイズが10μm以下であるといえる。なお、カーボンナノファイバーの配合量が数重量%を超える場合など、凝集物が繋がって(連続相として)見える場合があるが、これも凝集物とする。なお、本実施例では、観察の対象となる繊維強化複合材料として、面内剪断強度の評価用複合材料を用い、ミクロトームとして、ライカマイクロシステムズ(株)製SP1600を用いた。
E.構成要素[C]を含まない樹脂混合物の50℃における粘度測定
粘弾性測定装置を使用し、半径20mmの平行平板を用い、平行平板間の距離1.0mm、測定温度50℃、測定周波数0.5Hz、発生トルク10〜100gf・cmの条件下で粘弾性測定を行い、複素粘性率ηを読み取る。なお、本実施例では、粘弾性測定装置として、ティー・エイ・インスツルメント社製粘弾性測定装置ARESを用いた。
F.樹脂組成物の100℃における粘度測定
粘弾性測定装置を使用し、半径20mmの平行平板を用い、平行平板間の距離1.0mm、測定温度100℃、測定周波数0.5Hz、ストレイン100%の条件下で粘弾性測定を行い、複素粘性率ηを読み取る。なお、本実施例では、粘弾性測定装置として、ティー・エイ・インスツルメント社製粘弾性測定装置ARESを用いた。
G.樹脂組成物の80℃におけるカッソン粘度、カッソン降伏値測定
動的粘弾性測定装置を使用し、円錐平板状治具を用い、80℃に調整したマスターバッチまたは熱硬化性樹脂組成物について、次の(1)〜(3)の手順で剪断応力τを測定する。
(1)10秒間の助走時間を設け、マスターバッチまたは熱硬化性樹脂組成物に加える剪断速度を100s−1になるまでこの間に上昇させる。
(2)次の2分間、一定剪断速度100s−1で剪断を与え続ける。
(3)次の3分間で、剪断速度を0s−1迄減少させる。
On the other hand, when the object to be evaluated is a fiber reinforced composite material, the measurement is performed as follows. First, using a microtome, a thin slice having a thickness of 10 microns is prepared from a fiber-reinforced composite material. This is measured with an optical microscope using a 10 × eyepiece and a 100 × objective lens to measure the aggregate size of the individual aggregates. That is, as shown in FIG. 1, a minimum circle circumscribing one aggregate is drawn and the diameter is measured to obtain the aggregate size. Three fields of view are arbitrarily selected from the matrix resin region, and the largest aggregate size in these fields of view is set as the maximum aggregate size. In addition, when there is no aggregate in which the aggregate size exceeds 10 micrometers in each visual field, it can be said that the aggregate size is 10 micrometers or less. In addition, when the compounding quantity of carbon nanofiber exceeds several weight%, although an aggregate may be connected and it may appear (as a continuous phase), this is also considered as an aggregate. In this example, an in-plane shear strength evaluation composite material was used as the fiber reinforced composite material to be observed, and SP1600 manufactured by Leica Microsystems Co., Ltd. was used as the microtome.
E. Viscosity measurement of resin mixture not containing component [C] at 50 ° C. Using a viscoelasticity measuring device, using parallel plates with a radius of 20 mm, a distance between parallel plates of 1.0 mm, a measurement temperature of 50 ° C., a measurement frequency of 0. Viscoelasticity is measured under conditions of 5 Hz and generated torque of 10 to 100 gf · cm, and the complex viscosity η * is read. In this example, a viscoelasticity measuring device ARES manufactured by TA Instruments was used as the viscoelasticity measuring device.
F. Viscosity measurement of resin composition at 100 ° C. Using a viscoelasticity measuring device, using a parallel plate with a radius of 20 mm, a distance between parallel plates of 1.0 mm, a measurement temperature of 100 ° C., a measurement frequency of 0.5 Hz, and a strain of 100% Measure the viscoelasticity below and read the complex viscosity η * . In this example, a viscoelasticity measuring device ARES manufactured by TA Instruments was used as the viscoelasticity measuring device.
G. Measurement of Kasson viscosity and Kasson yield value of resin composition at 80 ° C. For a masterbatch or thermosetting resin composition adjusted to 80 ° C. using a dynamic viscoelasticity measuring device and using a conical flat plate jig, The shear stress τ is measured by the procedures (1) to (3).
(1) A running time of 10 seconds is provided, and the shear rate applied to the masterbatch or the thermosetting resin composition is increased during this period until it reaches 100 s- 1 .
(2) Continue to apply shear at the constant shear rate of 100 s -1 for the next 2 minutes.
(3) Decrease the shear rate to 0 s -1 in the next 3 minutes.

上(3)項で得られた剪断速度γに対する剪断応力τの測定データについて、前記(式1)に基づき、剪断速度γの0.5乗に対する剪断応力τの0.5乗の1次直線回帰を行い、得られた1次式の傾きの2乗をカッソン粘度として、切片の2乗をカッソン降伏値として求める。なお、本実施例では、動的粘弾性測定装置として、ティー・エイ・インスツルメント社製動的粘弾性測定装置ARESを使用し、本実施例の全てにおいて、剪断速度γの0.5乗と剪断応力τの0.5乗との相関係数は0.997以上であり、良好な相関性を示していた。
H.プリプレグの作製
熱硬化性樹脂組成物を、リバースロールコーターを用いて離型紙上に塗布して樹脂フィルムを作製した。次に、一方向に配列させた引張弾性率295GPaの炭素繊維“トレカ”T800H−12K(東レ(株)社製)の両側面に樹脂フィルムを重ね、加熱加圧(130℃、0.4MPa)することによって、樹脂を含浸させ、プリプレグ単位面積あたりの繊維重量が125g/m、繊維重量含有率が76%の一方向プリプレグを作製した。
I.プリプレグ中の構成要素[C]のアスペクト比の算出
プリプレグをn−メチルピロリドンに浸漬し、超音波洗浄機を用いてプリプレグから樹脂成分を完全に溶出させ、濾過等により炭素繊維を取り除く。構成要素[C]の濃度が0.1重量%程度とし、これをさらにクロロホルムで100倍程度に希釈し、超音波洗浄機により十分に分散させる。これをカバーガラスに滴下した後、メチルエチルケトン中に浸漬し、構成要素[C]以外の成分を洗い流し、SEM観察用サンプルを作製した。
Regarding the measurement data of the shear stress τ with respect to the shear rate γ obtained in the above item (3), based on the above (Equation 1), the linear line of the 0.5th power of the shear stress τ with respect to the 0.5th power of the shear rate γ Regression is performed, and the square of the slope of the obtained linear expression is defined as the Kasson viscosity, and the square of the intercept is determined as the Kasson yield value. In this example, a dynamic viscoelasticity measuring device ARES manufactured by TA Instruments Inc. is used as the dynamic viscoelasticity measuring device. In all of the present examples, the shear rate γ is raised to the 0.5th power. And the correlation coefficient between the shear stress τ and the 0.5th power was 0.997 or more, indicating a good correlation.
H. Preparation of prepreg A thermosetting resin composition was applied onto release paper using a reverse roll coater to prepare a resin film. Next, resin films are stacked on both sides of carbon fiber “Treca” T800H-12K (manufactured by Toray Industries, Inc.) having a tensile elastic modulus of 295 GPa arranged in one direction, and heated and pressurized (130 ° C., 0.4 MPa). As a result, the resin was impregnated to prepare a unidirectional prepreg having a fiber weight per prepreg unit area of 125 g / m 2 and a fiber weight content of 76%.
I. Calculation of aspect ratio of component [C] in prepreg The prepreg is immersed in n-methylpyrrolidone, the resin component is completely eluted from the prepreg using an ultrasonic cleaner, and the carbon fibers are removed by filtration or the like. The concentration of the component [C] is about 0.1% by weight, and this is further diluted about 100 times with chloroform and sufficiently dispersed by an ultrasonic cleaner. This was dropped on a cover glass and then immersed in methyl ethyl ketone to wash away components other than the constituent element [C] to prepare a sample for SEM observation.

走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて、構成要素[C]の個々の画像を得た。得られた写真から、無作為に20本を選び、それぞれの平均繊維直径Dと平均繊維長Lを求め、アスペクト比(L/D)を算出した。   Individual images of component [C] were obtained using a scanning electron microscope (SEM). From the obtained photograph, 20 pieces were selected at random, the average fiber diameter D and the average fiber length L were determined, and the aspect ratio (L / D) was calculated.

本実施例での観察条件は以下の通りとした。
装置:日立(株)製 S−4000
加速電圧:20kV
試料調製:Pt+Pd蒸着
倍率:10000倍
J.プリプレグにおける樹脂含浸性
プリプレグにおける樹脂含浸性は、目視および触感で4段階評価し、極めて良好を○○、良好を○、若干未含浸部があったものを△、含浸不良を×で表に示した。
K.繊維方向圧縮強度の評価
一方向プリプレグシートを、その繊維の方向が同じ方向になるように、また積層板の厚みがほぼ1mmとなるように積層し、オートクレーブ中で温度135℃、圧力290MPaで2時間加熱加圧して硬化し、一方向複合材料を作製した。得られた一方向複合材料をJISK 7076に従い測定した。
The observation conditions in this example were as follows.
Equipment: S-4000 manufactured by Hitachi, Ltd.
Acceleration voltage: 20 kV
Sample preparation: Pt + Pd Deposition magnification: 10,000 times Resin impregnation property in prepreg Resin impregnation property in prepreg was evaluated by visual and tactile sensation, and it was shown in the table as very good ○○, good ○, slightly unimpregnated Δ, impregnation poor ×. It was.
K. Evaluation of compressive strength in the fiber direction A unidirectional prepreg sheet was laminated so that the direction of the fibers was the same, and the thickness of the laminate was approximately 1 mm, and 2 in an autoclave at a temperature of 135 ° C. and a pressure of 290 MPa. The composition was cured by heating and pressing for a time to produce a unidirectional composite material. The obtained unidirectional composite material was measured according to JISK7076.

一方向複合材料の厚み、繊維目付、繊維密度、積層プライ数から繊維体積含有率(Vf)を算出し、得られた0°圧縮強度を強化繊維の体積含有率60%のときの値に換算した。
L.面内剪断強度の評価
一方向プリプレグシートを繊維の方向が±45°になるよう[+45/−45]4sの積層構成で、16枚積層し、オートクレーブ中で所定温度135℃、圧力290Paで2時間加熱加圧して硬化し、複合材料を作製した。次に得られた材料をJISK 7079に従い、面内剪断強度を測定した。
(実施例1)
構成要素[A]に液状成分のみ用い、構成要素[C]として表面処理CNTを1重量%配合した表1のとおりの樹脂組成物を得た。この樹脂組成物の硬化物においては、3μmのサイズの凝集物が見られたが、この樹脂組成物を用いて作製した繊維強化複合材料は、問題ないレベルの特性を有していた。
(比較例1)
構成要素[C]を含まない以外は、実施例1と同様にして表2のとおりの樹脂組成物を得た。この樹脂組成物を用いて作製した繊維強化複合材料は特性が不十分であった。
(実施例2〜10)
構成要素[A]に固形成分を配合し、構成要素[C]として表面処理されたカーボンナノファイバーを種々の配合量で配合して表1のとおりの樹脂組成物を得た。その結果、いずれのものも図2に示すとおり、これら樹脂組成物の硬化物において凝集物は1μm未満であり、これら樹脂組成物を用いて作製した繊維強化複合材料は、総じて十分なレベルの特性を有していた。なお、構成要素[C]の配合量を増やすほど繊維強化複合材料の特性が向上するが、増やしすぎると逆に低下する傾向が見られた。また、カーボンナノファイバーの表面処理量に関しては、そのO/C比が大きすぎると、得られる繊維強化複合材料としての特性が逆に低下し、適正範囲があることが分かる。
(比較例2)
構成要素[C]を含まない以外は、実施例2〜10と同様にして表2のとおりの樹脂組成物を得た。この樹脂組成物を用いて作製した繊維強化複合材料は、特性が不十分であった。
(比較例3,4)
構成要素[C]として表面処理を施していないカーボンナノファイバーを配合した以外は、比較例2と同様にして表2のとおりの樹脂組成物を得た。この樹脂組成物の硬化物においては、図3,4に示すとおり、いずれも10μmを超えるサイズの凝集物が見られ、この樹脂組成物を用いて作製した繊維強化複合材料は、繊維方向圧縮強度に若干の向上が見られるものの面内剪断強度に大きな低下が見られた。
(実施例11,12)
構成要素[A]の固形成分の一部を、ビフェニル型エポキシ樹脂またはジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂に変更した以外は実施例4と同様にして表1のとおりの樹脂組成物を得た。この樹脂組成物を用いて作製した繊維強化複合材料は、極めて高い特性を有していた。
(実施例13)
さらにカルボキシル基末端アクリロニトリルブタジエンゴムを配合した以外は比較例3と同様にして樹脂組成物を得た。この樹脂組成物の硬化物においては、凝集サイズが7μmであったが、この樹脂組成物を用いて作製した繊維強化複合材料は、問題ないレベルの特性を有していた。(実施例14)
3本ロール処理回数を10回とした以外は実施例13と同様にして樹脂組成物を得た。これにより凝集サイズは1μm未満、カッソン降伏値が5とそれぞれ好ましい範囲に到達し、含浸性が改善した。アスペクト比は100と好ましい範囲内となり、この樹脂組成物を用いて作製した繊維強化複合材料は実施例13に比べて、さらなる特性の向上が見られた。このように、分散処理によりカーボンナノファイバーが切断されアスペクト比が小さくなっていることが分かる。
(実施例15)
3本ロール処理回数を10回とした以外は実施例9と同様にして樹脂組成物を得た。これによりアスペクト比は9と好ましい範囲から外れた結果、この樹脂組成物を用いて作製した繊維強化複合材料は実施例9に比べて、特性の低下が見られたが、許容できるレベルであった。
The fiber volume content (Vf) is calculated from the thickness, fiber basis weight, fiber density, and number of laminated plies of the unidirectional composite material, and the obtained 0 ° compressive strength is converted to the value when the volume content of the reinforcing fiber is 60%. did.
L. Evaluation of in-plane shear strength Sixteen unidirectional prepreg sheets were laminated in a [+ 45 / −45] 4 s configuration so that the fiber direction is ± 45 °, and 2 in an autoclave at a predetermined temperature of 135 ° C. and a pressure of 290 Pa. It was cured by heating and pressing for a time to produce a composite material. Next, the in-plane shear strength of the obtained material was measured according to JISK 7079.
Example 1
Resin compositions as shown in Table 1 were obtained in which only liquid components were used for component [A] and 1% by weight of surface-treated CNT was blended as component [C]. In the cured product of this resin composition, aggregates having a size of 3 μm were observed, but the fiber-reinforced composite material produced using this resin composition had a level of no problem.
(Comparative Example 1)
A resin composition as shown in Table 2 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the constituent element [C] was not included. The fiber reinforced composite material produced using this resin composition has insufficient characteristics.
(Examples 2 to 10)
A solid component was blended with the component [A], and the carbon nanofibers surface-treated as the component [C] were blended in various blending amounts to obtain resin compositions as shown in Table 1. As a result, as shown in FIG. 2, the aggregates are less than 1 μm in the cured products of these resin compositions, and the fiber-reinforced composite materials produced using these resin compositions generally have a sufficient level of characteristics. Had. In addition, although the characteristic of a fiber reinforced composite material improved, so that the compounding quantity of component [C] was increased, when it increased too much, the tendency which fell conversely was seen. Moreover, regarding the surface treatment amount of the carbon nanofibers, it can be seen that if the O / C ratio is too large, the properties of the resulting fiber-reinforced composite material are deteriorated and there is an appropriate range.
(Comparative Example 2)
Resin compositions as shown in Table 2 were obtained in the same manner as in Examples 2 to 10 except that the constituent element [C] was not included. The fiber-reinforced composite material produced using this resin composition has insufficient characteristics.
(Comparative Examples 3 and 4)
Resin compositions as shown in Table 2 were obtained in the same manner as in Comparative Example 2 except that carbon nanofibers not subjected to surface treatment were blended as the component [C]. In the cured product of this resin composition, as shown in FIGS. 3 and 4, aggregates having a size exceeding 10 μm are observed, and the fiber-reinforced composite material produced using this resin composition has a fiber direction compressive strength. Although a slight improvement was observed, the in-plane shear strength was greatly reduced.
(Examples 11 and 12)
A resin composition as shown in Table 1 was obtained in the same manner as in Example 4 except that a part of the solid component of the component [A] was changed to a biphenyl type epoxy resin or a dicyclopentadiene type epoxy resin. The fiber reinforced composite material produced using this resin composition had extremely high characteristics.
(Example 13)
Further, a resin composition was obtained in the same manner as in Comparative Example 3 except that carboxyl group-terminated acrylonitrile butadiene rubber was blended. In the cured product of this resin composition, the aggregate size was 7 μm, but the fiber-reinforced composite material produced using this resin composition had a level with no problem. (Example 14)
A resin composition was obtained in the same manner as in Example 13 except that the number of times of three-roll treatment was set to 10. As a result, the agglomerated size reached less than 1 μm and the Kasson yield value reached 5 respectively, and the impregnation property was improved. The aspect ratio was within a preferable range of 100, and the fiber-reinforced composite material produced using this resin composition was further improved in characteristics as compared with Example 13. Thus, it can be seen that the carbon nanofibers are cut and the aspect ratio is reduced by the dispersion treatment.
(Example 15)
A resin composition was obtained in the same manner as in Example 9 except that the number of times of the three-roll treatment was 10 times. As a result, the aspect ratio deviated from the preferable range of 9, and as a result, the fiber reinforced composite material produced using this resin composition was found to have an acceptable level of deterioration in properties as compared with Example 9. .

本発明において、カーボンナノファイバーの凝集サイズ評価に用いる顕微鏡像のイメージ図である。In this invention, it is an image figure of the microscope image used for the aggregate size evaluation of carbon nanofiber. 実施例3で樹脂組成物の硬化物におけるカーボンナノファイバーの凝集サイズを評価するに用いた光学顕微鏡像である。4 is an optical microscopic image used in Example 3 to evaluate the aggregate size of carbon nanofibers in the cured resin composition. 比較例3で樹脂組成物の硬化物におけるカーボンナノファイバーの凝集サイズを評価するに用いた光学顕微鏡像である。5 is an optical microscope image used for evaluating the aggregate size of carbon nanofibers in a cured product of a resin composition in Comparative Example 3. FIG. 比較例4で樹脂組成物の硬化物におけるカーボンナノファイバーの凝集サイズを評価するに用いた光学顕微鏡像である。6 is an optical microscope image used for evaluating the aggregate size of carbon nanofibers in a cured product of a resin composition in Comparative Example 4. FIG.

Claims (14)

次の構成要素[A]、[B]および[C]を含む樹脂組成物であって、その硬化物における構成要素[C]の最大凝集サイズが10μm以下であることを特徴とする樹脂組成物。
[A]熱硬化性樹脂
[B]硬化剤
[C]カーボンナノファイバー
A resin composition comprising the following components [A], [B] and [C], wherein the maximum aggregate size of the component [C] in the cured product is 10 μm or less: .
[A] Thermosetting resin [B] Curing agent [C] Carbon nanofiber
構成要素[A]がエポキシ樹脂である請求項1に記載の樹脂組成物。 The resin composition according to claim 1, wherein the constituent element [A] is an epoxy resin. 構成要素[A]の中に、固形エポキシ樹脂を10〜70重量%含む請求項1または2に記載の樹脂組成物。 The resin composition according to claim 1 or 2, comprising 10 to 70% by weight of a solid epoxy resin in the constituent element [A]. 次の構成要素[D]、[E]のうち少なくとも一方を含む請求項1〜3のいずれかに記載の樹脂組成物。
[D]熱可塑性樹脂
[E]エラストマー
The resin composition according to any one of claims 1 to 3, comprising at least one of the following components [D] and [E].
[D] Thermoplastic resin [E] Elastomer
構成要素[C]は、その配合量が0.01〜20重量%である請求項1〜4のいずれかに記載の樹脂組成物。 The resin composition according to any one of claims 1 to 4, wherein the component [C] has a blending amount of 0.01 to 20% by weight. 構成要素[C]は、その平均繊維直径が3〜300nmである請求項1〜5のいずれかに記載の樹脂組成物。 The resin composition according to any one of claims 1 to 5, wherein the constituent element [C] has an average fiber diameter of 3 to 300 nm. 構成要素[C]は、その平均アスペクト比が10〜200である請求項1〜6のいずれかに記載の樹脂組成物。 The resin composition according to any one of claims 1 to 6, wherein the constituent element [C] has an average aspect ratio of 10 to 200. 構成要素[C]を排除した状態での樹脂混合物は、50℃における粘度が5〜5000Pa・sの範囲にある請求項1〜7のいずれかに記載の樹脂組成物。 The resin composition according to any one of claims 1 to 7, wherein the resin mixture in a state in which the constituent element [C] is excluded has a viscosity at 50 ° C in the range of 5 to 5000 Pa · s. 80℃において、カッソン粘度が0.1〜100Pa・s、かつカッソン降伏値が0.1〜20Paの範囲内である請求項1〜8のいずれかに記載の樹脂組成物。 The resin composition according to any one of claims 1 to 8, which has a Casson viscosity of 0.1 to 100 Pa · s and a Casson yield value of 0.1 to 20 Pa at 80 ° C. 構成要素[C]は、元素分析による酸素原子と炭素原子の原子数比(O/C)が、0.01〜0.20の範囲にある請求項1〜9のいずれかに記載の樹脂組成物 The resin composition according to claim 1, wherein the constituent element [C] has an atomic number ratio (O / C) of oxygen atoms to carbon atoms by elemental analysis in the range of 0.01 to 0.20. object 請求項1〜10のいずれかに記載の樹脂組成物を硬化してなる樹脂硬化物。 A cured resin product obtained by curing the resin composition according to claim 1. 請求項1〜10のいずれかに記載の樹脂組成物と強化繊維とを含んでなるプリプレグ。 A prepreg comprising the resin composition according to any one of claims 1 to 10 and a reinforcing fiber. 強化繊維が炭素繊維である請求項12に記載のプリプレグ。 The prepreg according to claim 12, wherein the reinforcing fibers are carbon fibers. 請求項11に記載の樹脂硬化物と強化繊維とを含んでなる繊維強化複合材料。 A fiber-reinforced composite material comprising the cured resin according to claim 11 and reinforcing fibers.
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