JP2009215481A - Prepreg and fiber-reinforced composite material - Google Patents

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JP2009215481A
JP2009215481A JP2008062254A JP2008062254A JP2009215481A JP 2009215481 A JP2009215481 A JP 2009215481A JP 2008062254 A JP2008062254 A JP 2008062254A JP 2008062254 A JP2008062254 A JP 2008062254A JP 2009215481 A JP2009215481 A JP 2009215481A
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Hiroaki Sakata
宏明 坂田
Atsuhito Arai
厚仁 新井
Kenichi Yoshioka
健一 吉岡
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a prepreg having excellent workability such as tackiness and drapeability and to provide a fiber-reinforced composite material obtained by curing the prepreg and having excellent mechanical properties such as tensile strength and compression strength. <P>SOLUTION: Provided are a prepreg at least including the following constituent components (A) to (E), wherein the amount of the component (B) in the constituent components is 25-45 pts.wt. based on 100 pts.wt. of total epoxy resin of the component (A) and the component (B), and a fiber-reinforced composite material produced by curing the prepreg. (A) An epoxy resin containing ≥3 glycidyl groups in the molecule; (B) at least one of epoxy resin selected from glycidyl aniline, glycidyl o-toluidine, diglycidyl aniline and diglycidyl o-toluidine; (C) a thermoplastic resin having a functional group reactive with glycidyl group; (D) an epoxy resin hardener; and (E) a carbon fiber having essentially true round cross-section. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、プリプレグおよび繊維強化複合材料に関する。より詳しくは、タック・ドレープ性などの作業性に優れたプリプレグで、かつ引張強度および圧縮強度などの機械物性に優れた繊維強化複合材料に関するものである。   The present invention relates to prepregs and fiber reinforced composite materials. More specifically, the present invention relates to a fiber reinforced composite material that is a prepreg excellent in workability such as tack / drape and excellent in mechanical properties such as tensile strength and compressive strength.

近年、炭素繊維やアラミド繊維などを強化繊維として用いた繊維強化複合材料は、その高い比強度・比弾性率を利用して、航空機や自動車などの構造材料や、テニスラケット、ゴルフシャフト、釣り竿などの一般産業用途に利用されて、年々拡がりを見せている。
近年、使用例が増えるに従い、この繊維強化複合材料に対する要求特性は、厳しくなってきている。中でも、繊維強化複合材料の軽量化に伴う高強度化への要求は強い。また、繊維強化複合材料は、軽量化に伴い薄肉化すると剛性が低下することがあるため、高弾性率化の要求も強くなってきている。
In recent years, fiber reinforced composite materials using carbon fibers, aramid fibers, etc. as reinforcing fibers have utilized their high specific strength and specific modulus to make structural materials such as aircraft and automobiles, tennis rackets, golf shafts, fishing rods, etc. It is used for general industrial purposes and is expanding year by year.
In recent years, as the number of use cases increases, the required characteristics for this fiber-reinforced composite material have become stricter. In particular, there is a strong demand for higher strength accompanying the weight reduction of fiber reinforced composite materials. In addition, since the fiber reinforced composite material may have a reduced rigidity when it is thinned with a reduction in weight, there is an increasing demand for a high elastic modulus.

また、繊維強化複合材料が用いられる部材の大型化に伴い、従来の繊維強化複合材料では、熱応力、内部発熱および組み立て工数の増大などが発生することがあり、その解決が求められている。これに対して、繊維強化複合材料の高圧縮強度化は、繊維強化複合材料の薄肉化をもたらすため、熱応力の軽減、内部発熱の軽減および組み立て工数の低減などの効果が期待される。それにより、従来、高剛性が要求され繊維強化複合材料層が厚くなるために、製造が困難であった航空機の主翼や風車ブレードなどの大型構造材の成形への適用が容易になることが期待される。   In addition, with the increase in size of members in which fiber reinforced composite materials are used, conventional fiber reinforced composite materials may generate thermal stress, internal heat generation, increase in assembly man-hours, and the like. On the other hand, increasing the compressive strength of the fiber-reinforced composite material leads to a reduction in the thickness of the fiber-reinforced composite material, and thus is expected to have effects such as reduction of thermal stress, reduction of internal heat generation, and reduction of assembly man-hours. As a result, high rigidity is required and the fiber-reinforced composite material layer is thick, so it can be easily applied to the molding of large structural materials such as aircraft main wings and windmill blades, which were difficult to manufacture. Is done.

高圧縮強度の繊維強化複合材料をえるためには、組み合わせるマトリックス樹脂として特定のエポキシ樹脂の組み合わせが開示されているが、本発明のごとく特定の繊維との組み合わせは示唆されていない。(例えば、特許文献1、2)
また、こうした繊維強化複合材料を得るための中間基材として、強化繊維にエポキシ樹脂等を含浸してシート状としたプリプレグが用いられるが、そのプリプレグのタック・ドレープ性を適正なものとすることも同時に重要である。
In order to obtain a fiber reinforced composite material having high compressive strength, a combination of specific epoxy resins is disclosed as a matrix resin to be combined, but no combination with specific fibers is suggested as in the present invention. (For example, Patent Documents 1 and 2)
In addition, as an intermediate base material for obtaining such a fiber-reinforced composite material, a prepreg made into a sheet form by impregnating an epoxy resin into a reinforcing fiber is used, and the prepreg has an appropriate tack / drape property. Is also important at the same time.

タック性とはプリプレグの粘着性であり、ドレープ性とはプリプレグのしなやかさである。タック性が小さすぎると、プリプレグの積層工程において、重ねて押さえつけたプリプレグがすぐに剥離してしまい、積層作業性に支障をきたす。逆にプリプレグのタック性があまり大きすぎると、プリプレグの自重で貼り付いてしまい、例えば修正のため、あとで剥離することが困難になってしまう。また、プリプレグのドレープ性が乏しいと、プリプレグが堅いため積層作業性が著しく低下すると共に、積層したプリプレグが金型の曲面形状に正確に沿わず、しわ状になったり、強化繊維が折れ、成形品に欠陥が生じてしまう不具合が起こりやすい。   Tackiness is the tackiness of the prepreg, and drapeability is the suppleness of the prepreg. If the tackiness is too small, the prepreg that has been pressed down in the prepreg laminating process will be peeled off immediately, thereby hindering the laminating workability. On the other hand, if the tackiness of the prepreg is too great, the prepreg will stick due to its own weight, and for example, it will be difficult to peel off later for correction. Also, if the prepreg drape is poor, the prepreg is stiff and the laminating workability is significantly reduced, and the laminated prepreg does not accurately conform to the curved surface shape of the mold, it becomes wrinkled, the reinforcing fibers break, and molding Problems that cause defects in the products are likely to occur.

以上のように、タック・ドレープ性などの作業性に優れたプリプレグにより成形されるものであって、かつ引張強度および圧縮強度などに優れた繊維強化複合材料を得るための、適正なマトリックス樹脂と特定の強化繊維の組合せは従来知られていなかった。
特開2003−026768公報 特開2003−238657公報
As described above, an appropriate matrix resin is used to obtain a fiber-reinforced composite material that is formed by a prepreg excellent in workability such as tack / draping property and excellent in tensile strength and compression strength. No specific reinforcing fiber combination has been previously known.
JP2003-026768A JP 2003-238657 A

本発明は、かかる従来技術の背景に鑑み、タック・ドレープ性などの作業性に優れたプリプレグを提供し、さらに、これを硬化した際に、引張強度および圧縮強度などの機械物性に優れた繊維強化複合材料を提供せんとするものである。   In view of the background of such prior art, the present invention provides a prepreg excellent in workability such as tack and drape, and further, when cured, a fiber excellent in mechanical properties such as tensile strength and compressive strength. It is intended to provide reinforced composite materials.

本発明は、かかる課題を解決するために、次のような手段を採用する。   The present invention employs the following means in order to solve such problems.

すなわち、本発明のプリプレグは、下記[A]〜[E]の構成成分を少なくとも含んで構成されてなり、かつ、該構成成分の[B]成分が、[A]成分と[B]成分とを合計したエポキシ樹脂100重量部中に25〜45重量部含まれていることを特徴とするものである。   That is, the prepreg of the present invention is configured to include at least the following constituents [A] to [E], and the [B] component of the constituents includes the [A] component and the [B] component. 25 to 45 parts by weight are contained in 100 parts by weight of the total epoxy resin.

[A]分子内に3個以上のグリシジル基を有するエポキシ樹脂
[B]グリシジルアニリン、グリシジルo−トルイジン、ジグリシジルアニリン、ジグリシジルo−トルイジンから選ばれる少なくとも一つのエポキシ樹脂
[C]グリシジル基と反応性を有する官能基を持った熱可塑性樹脂
[D]エポキシ樹脂硬化剤
[E]実質的に断面が真円状である炭素繊維
かかるプリプレグの好ましい態様は、
(1)該構成成分の[C]成分が、[A]〜[D]の構成成分を合わせた合計100重量部中に10重量部以上20重量部以下含まれていること、
(2)該構成成分の[C]成分が、ポリエーテルスルホンであること、
(3)該構成成分の[B]成分が、ジグリシジルアニリンもしくはジグリシジルo−トルイジンであることである。
[A] Epoxy resin having 3 or more glycidyl groups in the molecule [B] At least one epoxy resin selected from glycidyl aniline, glycidyl o-toluidine, diglycidyl aniline, diglycidyl o-toluidine [C] Reaction with glycidyl group [D] Epoxy resin curing agent [E] Carbon fiber having a substantially circular cross section The preferred embodiment of such a prepreg is:
(1) The component [C] component is contained in 10 parts by weight or more and 20 parts by weight or less in a total of 100 parts by weight of the components [A] to [D].
(2) The component [C] component is polyethersulfone,
(3) The component [B] is diglycidylaniline or diglycidyl o-toluidine.

また、本発明の繊維強化複合材料は、かかるプリプレグを硬化して構成されていることを特徴とするものである。   The fiber-reinforced composite material of the present invention is characterized by being formed by curing such a prepreg.

本発明によれば、タック・ドレープ性などの作業性に優れたプリプレグを提供することができ、かかるプリプレグからなる繊維強化複合材料は、これまでなし得なかった、高強度の繊維強化複合材料を与えるプリプレグを提供することができ、これにより得られる繊維強化複合材料は、引張強度および圧縮強度などの機械物性に優れているので、これまで適用が困難であった航空機用途の主翼や風車のブレードなどの分布荷重を受ける大型の構造部材に好適に用いることができる。   According to the present invention, it is possible to provide a prepreg excellent in workability such as tack / drape, and a fiber-reinforced composite material made of such a prepreg is a high-strength fiber-reinforced composite material that could not be achieved so far. The fiber reinforced composite material obtained by this method has excellent mechanical properties such as tensile strength and compressive strength, so that it has been difficult to apply to aircraft main wings and windmill blades. It can use suitably for the large sized structural member which receives distributed loads, such as.

本発明は、前記課題、つまり、タック・ドレープ性などの作業性に優れたプリプレグ、および、引張強度および圧縮強度などの機械物性に優れた繊維強化複合材料について、鋭意検討し、エポキシ樹脂成分として、特定なエポキシ樹脂成分を特定範囲で含有させてみたところ、かかる課題を一挙に解決することができることを究明し、本発明に到達したものである。   The present invention has intensively studied the above problems, that is, a prepreg excellent in workability such as tack and drape, and a fiber reinforced composite material excellent in mechanical properties such as tensile strength and compressive strength. As a result of trying to contain a specific epoxy resin component in a specific range, it was found that such problems could be solved at once, and the present invention was achieved.

以下、本発明のプリプレグについて、詳細に説明する。本発明のプリプレグは、[A]〜[D]成分を必須とするエポキシ樹脂組成物からなるマトリックス樹脂と、[E]成分である強化繊維からなる。ここで、マトリックス樹脂とは、繊維強化複合材料の必須成分であり強化繊維と強化繊維間の空隙を埋めるマトリックスを構成する樹脂である。   Hereinafter, the prepreg of the present invention will be described in detail. The prepreg of the present invention comprises a matrix resin composed of an epoxy resin composition essentially comprising the components [A] to [D] and a reinforcing fiber as the component [E]. Here, the matrix resin is an essential component of the fiber-reinforced composite material, and is a resin constituting a matrix that fills the gap between the reinforcing fiber and the reinforcing fiber.

本発明のプリプレグの構成成分のエポキシ樹脂の[A]成分に使用されるエポキシ樹脂成分は、耐熱性や機械特性発現のために必要な成分であり、分子内に3個以上のグリシジル基を有するエポキシ樹脂である。ここで、エポキシ樹脂とは、分子内のアミノ基や水酸基などにエピクロロヒドリンなどのエピハロヒドリンを反応させるなどして分子内にグリシジル基を導入して得られる熱硬化性樹脂をさす。1つの分子内に有するグリシジル基の数が、1個の場合を1官能(もしくは、単官能という)、2個の場合を2官能など、グリシジル基の数をnとしたとき、n官能という。また、nが3以上の場合、多官能と称する場合がある。アミン類を前駆体とするグリシジルアミン型エポキシ樹脂としては、分子内に4つのグリシジル基を有するすなわち4官能のテトラグリシジルジアミノジフェニルメタン、同じく4官能のキシレンジアミンのグリシジル化合物、3官能のトリグリシジルアミノフェノールのそれぞれのアミノ基の位置のことなる位置異性体やアルキル基やハロゲンで芳香族の水素を置換した置換体が挙げられる。中でも、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタンとその位置異性体やアルキルやハロゲン置換体は耐熱性に優れるため航空機構造材としての複合材料用のマトリックス樹脂として好ましい。   The epoxy resin component used for the [A] component of the epoxy resin that is a constituent component of the prepreg of the present invention is a component necessary for the development of heat resistance and mechanical properties, and has three or more glycidyl groups in the molecule. It is an epoxy resin. Here, the epoxy resin refers to a thermosetting resin obtained by introducing a glycidyl group into a molecule by reacting an epihalohydrin such as epichlorohydrin with an amino group or a hydroxyl group in the molecule. When the number of glycidyl groups in one molecule is one, the function is 1 (or monofunctional), the number of glycidyl groups is 2, and the number of glycidyl groups is n. Moreover, when n is 3 or more, it may be called polyfunctionality. Examples of glycidylamine type epoxy resins having amines as precursors include four glycidyl groups in the molecule, that is, tetrafunctional tetraglycidyldiaminodiphenylmethane, glycidyl compound of tetrafunctional xylenediamine, and trifunctional triglycidylaminophenol. These include positional isomers different from the position of each amino group, and substituted products in which aromatic hydrogen is substituted with an alkyl group or halogen. Among these, tetraglycidyldiaminodiphenylmethane and its positional isomers, alkyls, and halogen-substituted products are preferable as matrix resins for composite materials as aircraft structural materials because of their excellent heat resistance.

上記テトラグリシジルジアミノジフェニルメタンの市販品としては、スミエポキシELM434(住友化学製)や、アラルダイトMY720、アラルダイトMY721、アラルダイトMY9512、アラルダイトMY9612、アラルダイトMY9634、アラルダイトMY9663(以上ハンツマン・アドバンスト・マテリアル社製)、“jER(登録商標)”604(ジャパンエポキシレジン社製)、EPR497、EPR494(Bakelite AG社製)などが挙げられる。   Commercially available products of the above-mentioned tetraglycidyldiaminodiphenylmethane include Sumiepoxy ELM434 (manufactured by Sumitomo Chemical), Araldite MY720, Araldite MY721, Araldite MY9512, Araldite MY9612, Araldite MY9634, Araldite MY9663 (manufactured by Huntsman Advanced j) (Registered trademark) "604 (manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd.), EPR497, EPR494 (manufactured by Bakelite AG), and the like.

キシレンジアミンのグリシジル化合物の市販品としてはTETRAD−X(三菱瓦斯化学社製)が挙げられる。   Examples of commercially available glycidyl compounds of xylenediamine include TETRAD-X (manufactured by Mitsubishi Gas Chemical Company).

トリグリシジルアミノフェノールの市販品としては“jER(登録商標)”630(ジャパンエポキシレジン社製)、アラルダイトMY0500、MY0510(以上ハンツマン・アドバンスト・マテリアル社製)、ELM100(住友化学製)などが挙げられる。   Commercially available products of triglycidylaminophenol include “jER (registered trademark)” 630 (manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd.), Araldite MY0500, MY0510 (manufactured by Huntsman Advanced Materials), ELM100 (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.), and the like. .

本発明のプリプレグの構成成分の[B]成分として使用されるエポキシ樹脂成分は、マトリックス樹脂に湿熱下においても高い弾性率やマトリックス樹脂として使用するために最適な粘度を与えるために必須の成分である。かかるエポキシ樹脂成分としては、アニリンや、アニリンの芳香族環にメチル基を導入したトルイジンと、エピクロロヒドリンなどのエピハロヒドリンと反応させたエポキシ樹脂が用いられる。さらに具体的には、1官能のモノグリシジルアニリンや1官能のモノグリシジルトルイジン、2官能のジグリシジルアニリンやジグリシジルo−トルイジンである。これらの中でも、分子内に2つの反応基をもつことで、エポキシ樹脂の架橋構造内に取り込まれ耐熱性の低下が少ないという観点からジグリシジルアニリンまたは、ジグリシジルo−トルイジントルイジンが好ましく用いられる。   The epoxy resin component used as the component [B] of the prepreg component of the present invention is an essential component for giving the matrix resin a high elastic modulus even under wet heat and an optimum viscosity for use as a matrix resin. is there. As such an epoxy resin component, an epoxy resin obtained by reacting aniline or toluidine having a methyl group introduced into the aromatic ring of aniline and an epihalohydrin such as epichlorohydrin is used. More specifically, monofunctional monoglycidyl aniline, monofunctional monoglycidyl toluidine, difunctional diglycidyl aniline and diglycidyl o-toluidine. Among these, diglycidyl aniline or diglycidyl o-toluidine toluidine is preferably used from the viewpoint of having two reactive groups in the molecule and being incorporated into the crosslinked structure of the epoxy resin and causing little reduction in heat resistance.

ジグリシジルアニリンの市販品としては、GAN(日本化薬(株)製)、EPR493(Bakelite AG社製)が挙げられる。   Examples of commercially available diglycidylaniline include GAN (manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.) and EPR493 (manufactured by Bakerite AG).

ジグリシジルo−トルイジンの市販品としては、GOT(日本化薬(株)製)が挙げられる。   GOT (made by Nippon Kayaku Co., Ltd.) is mentioned as a commercial item of diglycidyl o-toluidine.

本発明のプリプレグの構成成分の[B]成分の配合量は、[A]成分と[B]成分を合計したエポキシ樹脂100重量部に対して、25重量部から45重量部である。25重量部に満たないと、繊維強化複合材料とした時、圧縮強度などの機械物性の向上が十分でなくなる場合があり、45重量部を超えるとマトリックス樹脂や繊維強化複合材料の耐熱性が低下することがある。   The blending amount of the component [B] of the prepreg of the present invention is 25 to 45 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the epoxy resin in which the [A] and [B] components are combined. If the amount is less than 25 parts by weight, the mechanical properties such as compressive strength may not be sufficiently improved when the fiber reinforced composite material is used. If the amount exceeds 45 parts by weight, the heat resistance of the matrix resin or the fiber reinforced composite material decreases. There are things to do.

本発明のプリプレグの構成成分の[C]成分は、グリシジル基と反応性を有する官能基を持った熱可塑性樹脂である。グリシジル基と反応性を有する官能基をもつことで、エポキシ樹脂の硬化時にグリシジル基と反応性を有する官能基の少なくとも一部が反応する。かかる反応によりマトリックス樹脂硬化物中において、熱可塑性樹脂がエポキシ樹脂硬化物相に相溶していたり、相溶していない場合にはエポキシ樹脂硬化物の相と熱可塑性樹脂の相の相分離した界面が強固に接着するという効果を奏するものである。   [C] component of the constituent component of the prepreg of the present invention is a thermoplastic resin having a functional group having reactivity with a glycidyl group. By having a functional group reactive with the glycidyl group, at least a part of the functional group reactive with the glycidyl group reacts when the epoxy resin is cured. By this reaction, in the cured matrix resin, the thermoplastic resin is compatible with the cured epoxy resin phase, or when the thermoplastic resin phase is not compatible, the cured epoxy resin phase and the thermoplastic resin phase are separated. The effect is that the interface is firmly bonded.

また、かかる[C]成分と、本発明のプリプレグを構成する[E]成分との密着性が増すことで、界面接着強度が向上し、例えば一方向の繊維強化複合材料として用いた時に繊維方向に対して90°方向(以後、JIS K7017(1999)にかかれている通り、一方向繊維強化複合材料の繊維方向を軸方向とし、軸方向を0°軸と定義した時の軸直交方向を90°と定義する。また、繊維強化複合材料を得るための中間体であるプリプレグについても同様に定義する)の曲げ強度(以後、90°曲げ)などの非繊維方向強度が発現しやすくなるなどの効果が得られる。   Further, the adhesion between the [C] component and the [E] component constituting the prepreg of the present invention increases, so that the interfacial adhesive strength is improved. For example, when used as a unidirectional fiber reinforced composite material, the fiber direction 90 ° direction (hereinafter, as described in JIS K7017 (1999), the fiber direction of the unidirectional fiber-reinforced composite material is defined as the axial direction, and the axial direction defined as the 0 ° axis is 90 °. In addition, the prepreg, which is an intermediate for obtaining a fiber-reinforced composite material, is also defined in the same manner). An effect is obtained.

かかる[C]成分において、グリシジル基と反応する官能基としては、具体的には、水酸基、カルボキシル基、アミノ基、酸無水物などが挙げられる。なかでも、保存安定性の観点から水酸基が好ましく用いられる。   Specific examples of the functional group that reacts with the glycidyl group in the [C] component include a hydroxyl group, a carboxyl group, an amino group, and an acid anhydride. Of these, a hydroxyl group is preferably used from the viewpoint of storage stability.

また、かかる[C]成分の熱可塑性樹脂の骨格としては、耐熱性が高いという観点から、主骨格に少なくともフェニルエーテル基かフェニルチオエーテル基をもつものが好ましい。具体的にはポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリフェニレンエーテル、ポリスルホンなどが挙げられるが、これらの中でも未硬化のエポキシ樹脂に溶解させやすい、ポリエーテルイミドやポリエーテルスルホンが好ましく使用される。
上記観点から、本発明において好ましく用いられる[C]成分の市販品の具体例として、末端に水酸基をもつポリエーテルスルホンとして、スミカエクセルPES5003P(住友化学(株)製)が、末端に酸無水物やアミノ基をもつポリエーテルイミドとして、Ultem1000、Ultem1010、Ultem1040(GEプラスチクス(株)製)などが挙げられる。
本発明のプリプレグの構成成分の[C]成分の配合量は、[A]成分と[B]成分の選び方によるが、[A]成分〜[D]成分の各構成成分を合わせた合計100重量部中に3〜33重量部であることが好ましく、10重量部以上20重量部以下の範囲がより好ましい。3重量部に満たないとマトリックス樹脂である[A]成分〜[D]成分を配合した樹脂組成物の粘度が低くなりすぎて、マトリックス樹脂を強化繊維である炭素繊維束に含浸させたプリプレグの保管時に、マトリックス樹脂の沈み込みが発生し易くなり、プリプレグのタックの経時変化が大きくなることがある。また、33重量部を超える場合には、マトリックス樹脂の粘度が高くなりすぎマトリックス樹脂を炭素繊維に含浸させることが困難になる場合がある。
Further, as the skeleton of the thermoplastic resin of the [C] component, those having at least a phenyl ether group or a phenyl thioether group in the main skeleton are preferable from the viewpoint of high heat resistance. Specific examples include polyethersulfone, polyetherimide, polyetherethersulfone, polyphenylene ether, and polysulfone. Among these, polyetherimide and polyethersulfone, which are easily dissolved in uncured epoxy resin, are preferably used. Is done.
From the above viewpoint, as a specific example of a commercially available product of the component [C] preferably used in the present invention, Sumika Excel PES5003P (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.) is used as a polyethersulfone having a hydroxyl group at the terminal, and an acid anhydride is used at the terminal. And polyetherimide having an amino group include Ultem 1000, Ultem 1010, Ultem 1040 (manufactured by GE Plastics Co., Ltd.) and the like.
The blending amount of the [C] component of the prepreg of the present invention depends on how to select the [A] component and the [B] component, but a total of 100 weights including the [A] to [D] components. It is preferable that it is 3-33 weight part in a part, and the range of 10 weight part or more and 20 weight part or less is more preferable. If the amount is less than 3 parts by weight, the viscosity of the resin composition containing the [A] component to [D] component, which is a matrix resin, becomes too low, and the carbon fiber bundle, which is a reinforcing fiber, is impregnated with a carbon fiber bundle. During storage, the matrix resin is likely to sink, and the prepreg tack may change over time. On the other hand, when the amount exceeds 33 parts by weight, the viscosity of the matrix resin becomes too high, and it may be difficult to impregnate the carbon fiber with the matrix resin.

本発明のプリプレグの構成成分の[D]成分は、エポキシ樹脂硬化剤であり、[A]と[B]と反応して架橋構造をつくり、耐熱性などの機械特性を与えるために必須の成分である。   [D] component of the prepreg component of the present invention is an epoxy resin curing agent, which is an essential component for reacting with [A] and [B] to form a crosslinked structure and to give mechanical properties such as heat resistance. It is.

かかる[D]成分のエポキシ樹脂硬化剤としては、エポキシ樹脂と反応しうる活性基を有する化合物であればこれを用いることができる。かかる活性基を有する化合物としては、好ましくは、アミノ基、酸無水物基、アジド基を有する化合物を使用することができる。かかる活性基を有する化合物としては、具体的には、例えば、ジシアンジアミド、脂環式アミン、脂肪族アミン、芳香族アミン、アミノ安息香酸エステル類、各種酸無水物、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、イミダゾール誘導体をはじめ、三フッ化ホウ素錯体や三塩化ホウ素錯体のようなルイス酸錯体などが挙げられる。
特に機械物性にすぐれた硬化物を与えるという面で芳香族アミン硬化剤や分子内に芳香族を有するアミンが好ましく用いられる。中でも、耐熱性の観点から芳香族ポリアミン類が好ましい。上記芳香族ポリアミン類や分子内に芳香族を有するアミンの具体例をあげると、芳香族アミン類としてメタフェニレンジアミン、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルスルホン、分子内に芳香族を有するアミンとしてはメタキシレンジアミンやこれらの位置異性体やアルキル置換体などの各種誘導体などが挙げられる。これらの硬化剤は単独もしくは2種類以上を併用することができる。中でも、組成物により耐熱性を与える面からジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルスルホンやその位置異性体やアルキル置換体が望ましい。
As the epoxy resin curing agent of the component [D], any compound having an active group capable of reacting with an epoxy resin can be used. As the compound having such an active group, a compound having an amino group, an acid anhydride group, or an azide group can be preferably used. Specific examples of the compound having such an active group include dicyandiamide, alicyclic amine, aliphatic amine, aromatic amine, aminobenzoic acid ester, various acid anhydrides, phenol novolak resin, cresol novolak resin, Examples include imidazole derivatives, Lewis acid complexes such as boron trifluoride complexes and boron trichloride complexes.
In particular, an aromatic amine curing agent or an amine having an aromatic in the molecule is preferably used in terms of providing a cured product having excellent mechanical properties. Among these, aromatic polyamines are preferable from the viewpoint of heat resistance. Specific examples of the aromatic polyamines and amines having an aromatic group include metaphenylenediamine, diaminodiphenylmethane and diaminodiphenylsulfone as aromatic amines, and metaxylenediamine as an amine having aromatic groups in the molecule. And various derivatives such as these positional isomers and alkyl-substituted products. These curing agents can be used alone or in combination of two or more. Of these, diaminodiphenylmethane, diaminodiphenylsulfone, its positional isomers, and alkyl-substituted products are desirable from the viewpoint of imparting heat resistance to the composition.

この[D]成分は[C]成分と反応することが好ましい。[D]成分が[C]成分と、反応することで[C]成分とエポキシ樹脂との相溶性が向上し、エポキシ樹脂硬化物中において、[C]成分がエポキシ樹脂相と相溶したり、相分離した場合でも、エポキシ樹脂が主成分となる相と[C]成分が主成分となる相の界面が強固に接着するので好ましい。   The [D] component preferably reacts with the [C] component. The [D] component reacts with the [C] component to improve the compatibility between the [C] component and the epoxy resin. In the cured epoxy resin, the [C] component becomes compatible with the epoxy resin phase. Even when the phases are separated, it is preferable because the interface between the phase mainly composed of the epoxy resin and the phase mainly composed of the [C] component is firmly bonded.

かかる[D]成分の添加量の最適値は、[A]〜[C]成分の種類・量、硬化剤の種類によりことなる。例えば、芳香族アミン硬化剤などのアミン硬化剤では、化学量論的な当量比が本発明のエポキシ樹脂組成物に含まれる全グリシジル基に対して0.5〜1.4の間にあることが好ましい。特に好ましくは0.6〜1.4である。0.5よりも少ない場合、硬化反応が十分に起こらず硬化不良が発生したり、硬化に長時間を要する場合がある。1.4よりも多い場合、硬化時に消費されなかった硬化剤が欠陥となり機械物性が低下することがある。
これらの硬化剤は単独で用いてもよいし、併用してもよい。また、硬化促進剤と併用しても良い。例えば、芳香族ポリアミン類とルイス酸錯体の組み合わせや、ジシアンジアミドとイミダゾール誘導体との組み合わせ、ジシアンジアミドと尿素化合物の組み合わせ、芳香族ポリアミン、ジシアンジアミドと尿素化合物のような組み合わせは、比較的低温で硬化しながら、高い耐熱耐水性が得られるために好ましく使用される。上記の組み合わせの場合、ルイス酸錯体や尿素化合物は、硬化促進剤として使われるため[A]〜[D]をあわせた100重量部中に、0.05〜10重量部の範囲で使用することが好ましい。0.05重量部よりも少ない場合、硬化促進効果が得られない場合があり、10重量部よりも多くいれると硬化が速くなりすぎ最終的に繊維強化複合材料とした時に表面に凹凸ができるなど表面品位が低下する場合がある。
The optimum value of the added amount of the [D] component depends on the types and amounts of the [A] to [C] components and the type of the curing agent. For example, in an amine curing agent such as an aromatic amine curing agent, the stoichiometric equivalent ratio is between 0.5 and 1.4 with respect to the total glycidyl groups contained in the epoxy resin composition of the present invention. Is preferred. Most preferably, it is 0.6-1.4. When the amount is less than 0.5, the curing reaction may not occur sufficiently and poor curing may occur, or the curing may take a long time. When more than 1.4, the hardening | curing agent which was not consumed at the time of hardening may become a defect, and a mechanical physical property may fall.
These curing agents may be used alone or in combination. Moreover, you may use together with a hardening accelerator. For example, combinations of aromatic polyamines and Lewis acid complexes, combinations of dicyandiamide and imidazole derivatives, combinations of dicyandiamide and urea compounds, and combinations such as aromatic polyamines, dicyandiamide and urea compounds are cured at relatively low temperatures. In order to obtain high heat and water resistance, it is preferably used. In the case of the above combinations, Lewis acid complexes and urea compounds are used as curing accelerators, so that they are used in the range of 0.05 to 10 parts by weight in 100 parts by weight of [A] to [D]. Is preferred. When the amount is less than 0.05 parts by weight, the effect of promoting the curing may not be obtained. When the amount exceeds 10 parts by weight, the curing becomes too fast, and the surface is uneven when finally made into a fiber reinforced composite material. The surface quality may deteriorate.

本発明のプリプレグをなすマトリックス樹脂には、構成成分の[A]〜[D]成分以外の成分を添加剤として使用してもよい。具体的に添加剤として使用可能な成分としては、[A]成分ならびに[B]成分に該当しないエポキシ樹脂、分子中にエポキシ樹脂との反応点を有さない熱可塑性樹脂成分、ゴム成分、無機粒子などが挙げられる。   In the matrix resin forming the prepreg of the present invention, components other than the components [A] to [D] may be used as additives. Specifically, components that can be used as additives include epoxy resins that do not fall under [A] component and [B] component, thermoplastic resin components that do not have a reaction point with epoxy resin in the molecule, rubber components, inorganic And particles.

上記した[A]成分ならびに[B]成分以外のエポキシ樹脂としては、2官能のビスフェノール型エポキシ樹脂や、ビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂、ウレタンおよびイソシアネート変性エポキシ樹脂、フルオレン型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂などが挙げられる。上記ビスフェノール型のエポキシ樹脂としては、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ビスフェノールS型エポキシ樹脂などが挙げられる。ビスフェノールA型エポキシ樹脂の市販品としては、“EPON(登録商標)”825、“jER(登録商標)”826、“jER(登録商標)”827、“jER(登録商標)”828、“jER(登録商標)”834、“jER(登録商標)”1001、“jER(登録商標)”1002、“jER(登録商標)”1003、“jER(登録商標)”1004、“jER(登録商標)”1004AF、“jER(登録商標)”1007、“jER(登録商標)”1009(以上ジャパンエポキシレジン(株)製)、“エピクロン(登録商標)”850(大日本インキ工業(株)製)、“エポトート(登録商標)”YD-128(東都化成(株)製)、DER−331、DER−332(ダウケミカル社製)、などが挙げられる。臭素化ビスフェノールA型エポキシ樹脂としては、“jER(登録商標)”5050、“jER(登録商標)”5054,“jER(登録商標)”5057(以上ジャパンエポキシレジン(株)製)などが挙げられる。また、ビスフェノールF型エポキシ樹脂の市販品としては“jER(登録商標)”806、“jER(登録商標)”807、“jER(登録商標)”1750、“jER(登録商標)”4002,“jER(登録商標)”4004P、“jER(登録商標)”4007P、“jER(登録商標)”4009P(以上ジャパンエポキシレジン(株)製)、“エピクロン(登録商標)”830(大日本インキ化学工業(株)製)、“エポトート(登録商標)”YD-170、“エポトート(登録商標)”YD−175、“エポトート(登録商標)”YDF2001、“エポトート(登録商標)”YDF2004(以上東都化成(株)製)などが挙げられる。テトラメチルビスフェノールF型エポキシ樹脂としては、YSLV−80XY(新日鐵化学(株)製)などが挙げられる。また、ビスフェノールS型エポキシ樹脂としては、“エピクロン(登録商標)”EXA−1514(大日本インキ化学工業(株)製)などが挙げられる。また、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、“jER(登録商標)”YX4000H、“jER(登録商標)”YX4000、“jER(登録商標)”YL6616(以上、ジャパンエポキシレジン(株)製)、NC−3000(日本化薬(株)製)などが挙げられる。また、ウレタンおよびイソシアネート変性エポキシ樹脂の市販品としては、オキサゾリドン環を有するAER4152(旭化成エポキシ(株)製)やACR1348(旭電化(株)製)などが挙げられる。また、フルオレン型エポキシ樹脂としては、(ナガセケムテックス製)が挙げられ、ナフタレン型エポキシ樹脂としては、“エピクロン(登録商標)”HP4032(大日本インキ化学工業(株)製)が挙げられる。   As epoxy resins other than the above-mentioned [A] component and [B] component, bifunctional bisphenol type epoxy resins, epoxy resins having a biphenyl skeleton, urethane and isocyanate modified epoxy resins, fluorene type epoxy resins, naphthalene type epoxy resins Etc. Examples of the bisphenol type epoxy resin include bisphenol A type epoxy resin, bisphenol F type epoxy resin, and bisphenol S type epoxy resin. Commercially available bisphenol A type epoxy resins include “EPON (registered trademark)” 825, “jER (registered trademark)” 826, “jER (registered trademark)” 827, “jER (registered trademark)” 828, “jER ( Registered trademark) 834, jER (registered trademark) 1001, jER (registered trademark) 1002, jER (registered trademark) 1003, jER (registered trademark) 1004, jER (registered trademark) 1004AF , “JER (registered trademark)” 1007, “jER (registered trademark)” 1009 (manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd.), “Epicron (registered trademark)” 850 (manufactured by Dainippon Ink Industries, Ltd.), “Epototo (Registered trademark) “YD-128 (manufactured by Toto Kasei Co., Ltd.), DER-331, DER-332 (manufactured by Dow Chemical Co., Ltd.), and the like. Examples of the brominated bisphenol A type epoxy resin include “jER (registered trademark)” 5050, “jER (registered trademark)” 5054, “jER (registered trademark)” 5057 (manufactured by Japan Epoxy Resins Co., Ltd.) and the like. . Commercially available bisphenol F type epoxy resins include “jER (registered trademark)” 806, “jER (registered trademark)” 807, “jER (registered trademark)” 1750, “jER (registered trademark)” 4002, “jER”. (Registered trademark) "4004P", "jER (registered trademark)" 4007P, "jER (registered trademark)" 4009P (manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd.), "Epiclon (registered trademark)" 830 (Dainippon Ink Chemical Co., Ltd.) "Epototo (registered trademark)" YD-170, "Epototo (registered trademark)" YD-175, "Epototo (registered trademark)" YDF2001, "Epototo (registered trademark)" YDF2004 (above Toto Kasei Co., Ltd.) ))). Examples of the tetramethylbisphenol F type epoxy resin include YSLV-80XY (manufactured by Nippon Steel Chemical Co., Ltd.). Examples of the bisphenol S type epoxy resin include “Epiclon (registered trademark)” EXA-1514 (manufactured by Dainippon Ink & Chemicals, Inc.). Commercially available epoxy resins having a biphenyl skeleton include “jER (registered trademark)” YX4000H, “jER (registered trademark)” YX4000, “jER (registered trademark)” YL6616 (above, manufactured by Japan Epoxy Resins Co., Ltd.). ) And NC-3000 (manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.). Examples of commercially available urethane and isocyanate-modified epoxy resins include AER4152 (produced by Asahi Kasei Epoxy Co., Ltd.) having an oxazolidone ring and ACR1348 (produced by Asahi Denka Co., Ltd.). In addition, examples of the fluorene type epoxy resin include (manufactured by Nagase ChemteX), and examples of the naphthalene type epoxy resin include “Epiclon (registered trademark)” HP4032 (manufactured by Dainippon Ink & Chemicals, Inc.).

これらの[A]成分ならびに[B]成分に該当しないエポキシ樹脂は、マトリックス樹脂に含まれるエポキシ樹脂成分の合計100重量部中に、好ましくは0〜50重量部、より好ましくは0〜30重量部含まれていても良い。かかる[A]成分ならびに[B]成分に該当しないエポキシ樹脂が、50重量部以上であると、マトリックス樹脂の弾性率の低下が顕著になる場合があるため、好ましくない。また、室温で固形のエポキシ樹脂を配合することは、樹脂組成物の粘度を制御しやすくなりプリプレグのタック・ドレープ性の適度に与えることが出来るために好ましい。ここでいう室温で固形のエポキシ樹脂とは、30℃以上のガラス転移温度または融点を有するエポキシ樹脂である。これらのガラス転移温度、融点は、示差熱量計(DSC)を用いて、JIS K7121(1987)に記載の方法により求めることが出来る。なお、ガラス転移温度は、中間点温度とした。   The epoxy resin not corresponding to these [A] component and [B] component is preferably 0 to 50 parts by weight, more preferably 0 to 30 parts by weight, in a total of 100 parts by weight of the epoxy resin component contained in the matrix resin. It may be included. When the amount of the epoxy resin not corresponding to the [A] component and the [B] component is 50 parts by weight or more, the elastic modulus of the matrix resin may be significantly lowered, which is not preferable. In addition, it is preferable to blend a solid epoxy resin at room temperature because the viscosity of the resin composition can be easily controlled and the tack / drape property of the prepreg can be appropriately given. The epoxy resin solid at room temperature here is an epoxy resin having a glass transition temperature or a melting point of 30 ° C. or higher. These glass transition temperatures and melting points can be determined by the method described in JIS K7121 (1987) using a differential calorimeter (DSC). The glass transition temperature was the midpoint temperature.

分子内にエポキシ樹脂との反応点を有しない熱可塑性樹脂成分としては、ポリプロピレン、ポリブチルテレフタレート、ABS、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリメタクリル酸エステル、ポリビニルアセタール樹脂、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリアミドイミドなどが挙げられる。これは、マトリックス樹脂に溶解させても良いし、マトリックスに不溶なものでも、粒子や繊維の形で添加してもよい。マトリックス樹脂の粘度を上げないためには、粒子状であることが好ましい、特に好ましくは、球状粒子である。繊維や粒子として用いる場合、繊維径や繊維長、粒径は任意なものを選んでも良いが、強化繊維の配向を乱さないことに留意する必要がある。具体的には、強化繊維の配向を乱さないと言う観点から繊維径は、50nm以上100μm以下が好ましい、また、粒子径は、50nm以上100μm以下が好ましく用いられる。特にポリアミド粒子やポリイミド粒子が好ましく用いられ、ポリアミド粒子の市販品として、東レ(株)製SP−500、アルケマ社製“オルガソール”等を使用することができる。分子内にエポキシ樹脂との反応点を有しない熱可塑性樹脂成分は、マトリックス樹脂に溶解させて用いる場合は、タックやドレープ性の観点から、全マトリックス樹脂100重量部中、10重量部以下にすることが好ましい。マトリックス樹脂に不溶性の粒子状や繊維状で配合する場合、全マトリックス樹脂100重量部中に、0〜20重量部配合してもよい。20重量%より多く配合すると、エポキシ樹脂の耐熱性が損なわれることがあり、またプリプレグとした際のタック性が低下することがある。   Examples of the thermoplastic resin component having no reaction point with the epoxy resin in the molecule include polypropylene, polybutyl terephthalate, ABS, polyamide, polyethylene terephthalate, polymethacrylic acid ester, polyvinyl acetal resin, polyacetal, polycarbonate, and polyamideimide. It is done. This may be dissolved in the matrix resin, or may be insoluble in the matrix or added in the form of particles or fibers. In order not to increase the viscosity of the matrix resin, it is preferably in the form of particles, particularly preferably spherical particles. When used as fibers or particles, any fiber diameter, fiber length, and particle diameter may be selected, but it should be noted that the orientation of the reinforcing fibers is not disturbed. Specifically, from the viewpoint of not disturbing the orientation of the reinforcing fibers, the fiber diameter is preferably 50 nm or more and 100 μm or less, and the particle diameter is preferably 50 nm or more and 100 μm or less. In particular, polyamide particles and polyimide particles are preferably used, and as a commercially available product of polyamide particles, SP-500 manufactured by Toray Industries, Inc., “Orgasol” manufactured by Arkema Co., Ltd., and the like can be used. When the thermoplastic resin component having no reaction point with the epoxy resin in the molecule is used after being dissolved in the matrix resin, it is set to 10 parts by weight or less in 100 parts by weight of the total matrix resin from the viewpoint of tack and draping properties. It is preferable. When blended in the form of insoluble particles or fibers in the matrix resin, 0 to 20 parts by weight may be blended in 100 parts by weight of the total matrix resin. If it is added in an amount of more than 20% by weight, the heat resistance of the epoxy resin may be impaired, and the tackiness when used as a prepreg may be lowered.

ゴム成分としては、マトリックス樹脂の靱性を向上させるという点で、カルボキシ末端ブタジエンゴム、アミノ末端ブタジエンゴムおよびシリコンゴムなどが好ましく用いられる。特に、末端官能基が、マトリックス樹脂組成物の主成分であるエポキシ樹脂と反応し得るものである場合は、組成物に含まれる全エポキシ樹脂100重量部に対して10重量部以下の添加量でも、靱性のさらなる向上や疲労特性の向上が期待できる。より好ましくは、1重量部以上10重量部以下である。具体的には、エポキシ樹脂との親和性がよいという点で、末端官能基がカルボキシル基やアミノ基を有するゴムが好ましく用いられる。ゴム成分は、マトリックス樹脂中に溶解させてもよいし、粒子状で分散させていてもよい。ゴム成分を粒子状で用いる場合は、ゴム単体を粒子化したものや、アクリル樹脂などでコアシェル化したものが好ましく用いられる。また、これらのゴム粒子は、粒径が1μm以下のもの、好ましくは500nm以下のものが、より少量でも靱性を向上させ耐熱性の低下が小さい。   As the rubber component, carboxy-terminated butadiene rubber, amino-terminated butadiene rubber, silicon rubber, and the like are preferably used in terms of improving the toughness of the matrix resin. In particular, when the terminal functional group is capable of reacting with the epoxy resin that is the main component of the matrix resin composition, an addition amount of 10 parts by weight or less with respect to 100 parts by weight of the total epoxy resin contained in the composition. Further improvement in toughness and fatigue properties can be expected. More preferably, it is 1 part by weight or more and 10 parts by weight or less. Specifically, a rubber having a terminal functional group having a carboxyl group or an amino group is preferably used in terms of good affinity with an epoxy resin. The rubber component may be dissolved in the matrix resin or may be dispersed in the form of particles. In the case where the rubber component is used in the form of particles, those obtained by granulating rubber alone or those obtained by forming a core shell with an acrylic resin or the like are preferably used. These rubber particles having a particle size of 1 μm or less, preferably 500 nm or less, improve toughness even with a smaller amount and have a small decrease in heat resistance.

本発明のプリプレグに用いられるマトリックス樹脂の未硬化物の粘度としては、得られるプリプレグのタックの観点から、50℃の粘度が100〜10000Pa・sのものが好ましく用いられる。粘度は、[A]成分の種類や、[C]成分の骨格の選び方やその分子量、配合量などによりあわせこむことが可能である。50℃における粘度は、後述するようにレオメーターを用いて単純昇温した際に得られる複素粘弾性率η*を粘度とする。この粘度が高いほどタック性が弱くなる傾向が見られ、低いほどタックの経時変化が大きくなるケースが見られる。しかしながら、[E]成分との相対的な量や[E]成分の形態、プリプレグの製造方法の影響を大きくうける。タック性が強すぎると複数枚のプリプレグを積み重ねる(積層という)際、誤積層が訂正できないなどの作業性の低下が見られ、タックが弱すぎると積層中にプリプレグの剥がれやズレが生じる場合があり作業性が低下することがある。タックの良し悪しは、作業者の触感により判断されることが多い。   As the viscosity of the uncured product of the matrix resin used in the prepreg of the present invention, those having a viscosity at 50 ° C. of 100 to 10,000 Pa · s are preferably used from the viewpoint of tackiness of the obtained prepreg. Viscosity can be adjusted according to the type of the [A] component, how to select the skeleton of the [C] component, its molecular weight, blending amount, and the like. As will be described later, the viscosity at 50 ° C. is defined as a complex viscoelastic modulus η * obtained when the temperature is simply raised using a rheometer. There is a tendency that the tackiness tends to be weaker as the viscosity is higher, and the change with time of the tack becomes larger as the viscosity is lower. However, it is greatly affected by the relative amount with the [E] component, the form of the [E] component, and the method for producing the prepreg. When tackiness is too strong, when stacking multiple prepregs (referred to as lamination), there is a decrease in workability such as incorrect lamination cannot be corrected, and when tackiness is too weak, prepreg may be peeled off or misaligned during lamination. Workability may be reduced. Tack quality is often judged by the operator's tactile sensation.

本発明のプリプレグに用いられるマトリックス樹脂の混練方法は、一般的にエポキシ樹脂組成物の調製に使用されるどのような方法でもよい。例えば、ニーダーやプラネタリーミキサーなどが用いられる。混練の際は、必要に応じて溶剤を用いてもよいし、用いなくてもよい。また、必要に応じて加熱や加減圧を行っても良い。硬化剤を混練する際は、100℃以下の温度で、1時間以内といった短時間で混練することが、混練したマトリックス樹脂やプリプレグの保存安定性の観点から好ましい。   The method for kneading the matrix resin used in the prepreg of the present invention may be any method generally used for preparing an epoxy resin composition. For example, a kneader or a planetary mixer is used. At the time of kneading, a solvent may or may not be used as necessary. Moreover, you may perform a heating and pressure increase / decrease as needed. When kneading the curing agent, kneading at a temperature of 100 ° C. or less and for a short time such as within 1 hour is preferable from the viewpoint of storage stability of the kneaded matrix resin or prepreg.

本発明のプリプレグの構成成分の[E]成分である炭素繊維は、繊維強化複合材料としたときに引張強度を発現させるために必須の要素であり、断面が真円状の炭素繊維である。   The carbon fiber that is the [E] component of the prepreg component of the present invention is an essential element for developing tensile strength when a fiber-reinforced composite material is used, and is a carbon fiber having a perfect cross section.

ここで真円状であるとは、炭素繊維断面を無作為に20個以上観察し、断面の図心を中心とする外接円の半径を長径とし、内接円の半径を短径とする長径/短径比の平均が、1.00〜1.20の間にあることを指す。好ましくは、1.00〜1.10間であり、より好ましくは1.00〜1.05である。かかる長径/短径比が1.20より上であると炭素繊維束に均一に樹脂を含浸させることが困難になる場合がある。真円である場合、樹脂の繊維束内への含浸がよくなり、結果として安定した繊維強化複合材料が得られる。   Here, a perfect circle means that 20 or more carbon fiber sections are observed at random, the radius of the circumscribed circle centering on the centroid of the section is the major axis, and the radius of the inscribed circle is the minor axis. It means that the average of the / minor axis ratio is between 1.00 and 1.20. Preferably, it is between 1.00-1.10, More preferably, it is 1.00-1.05. When the major axis / minor axis ratio is higher than 1.20, it may be difficult to uniformly impregnate the carbon fiber bundle with the resin. In the case of a perfect circle, the impregnation of the resin into the fiber bundle is improved, and as a result, a stable fiber-reinforced composite material is obtained.

かかる炭素繊維の形態としては、一方向に引き揃えた長繊維、トウ、織物、マット、ニット、組み紐、10mm未満の長さに切断された短繊維などが用いられる。ここでいう、長繊維とは実質的に10mm以上連続な単繊維もしくは繊維束のことをさす。また、短繊維とは10mm未満の長さに切断された繊維束である。また、特に、比強度、比弾性率が高いことを要求される用途には強化繊維束が単一方向に引き揃えられた配列が最も適しているが、取り扱いの容易なクロス(織物)状の配列も本発明には好ましく使用される。   As the form of such carbon fiber, there are used long fibers aligned in one direction, tows, woven fabrics, mats, knits, braids, short fibers cut to a length of less than 10 mm, and the like. As used herein, long fibers refer to single fibers or fiber bundles that are substantially continuous for 10 mm or more. A short fiber is a fiber bundle cut to a length of less than 10 mm. In particular, an array in which reinforcing fiber bundles are aligned in a single direction is most suitable for applications that require a high specific strength and specific elastic modulus. Sequences are also preferably used in the present invention.

上記真円状の炭素繊維としては、ストランド引張試験における、そのストランド強度が5000MPa以上9500MPa以下であり、かつ弾性率が270GPa以上400GPa以下であるものが好ましく用いられる。   As the perfect circular carbon fiber, those having a strand strength of 5000 MPa to 9500 MPa and an elastic modulus of 270 GPa to 400 GPa in a strand tensile test are preferably used.

なお、ここでいうストランド引張試験とは、束状の炭素繊維に下記組成の樹脂を含浸させ、130℃の温度で35分間硬化させた後、JIS R7601(1986)に基づいて行う試験をいう。   The strand tensile test here refers to a test performed based on JIS R7601 (1986) after impregnating a bundle of carbon fibers with a resin having the following composition and curing it at a temperature of 130 ° C. for 35 minutes.

(樹脂組成)
・3,4−エポキシシクロヘキシルメチル−3,4−エポキシ−シクロヘキシル−カルボキシレート(例えば、ERL−4221、ユニオンカーバイド社製): 100重量部
・3フッ化ホウ素モノエチルアミン(例えば、ステラケミファ株式会社製):3重量部
・アセトン(例えば、和光純薬工業株式会社製):4重量部
本発明で用いられる[E]成分である炭素繊維としては、ポリアクリロニトリル系、レーヨン系およびピッチ系などの炭素繊維が挙げられるが、本発明に必要な高強度のものが得やすいという点で、ポリアクリロニトリルを前駆体として用いることが好ましい。また、ポリアクリロニトリルの紡糸方法としては、湿式、乾式あるいは乾湿式などの方法を採用することができるが、高強度の炭素繊維が得やすいという点で、湿式あるいは乾湿式紡糸が好ましい。紡糸した前駆体繊維は、耐炎化処理、炭化処理をすることにより炭素繊維とする。得られた炭素繊維を、必要に応じて電解表面処理などの表面酸化処理を行うことは、炭素繊維表面の脆弱部を除去することで炭素繊維を高強度化したり、マトリックス樹脂との接着性を良好なものとするという観点から好ましく用いられる。 なお、使用する炭素繊維のフィラメント数は1000〜100000本が好ましく、更に好ましくは3000〜50000本である。
(Resin composition)
3,4-epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxy-cyclohexyl-carboxylate (for example, ERL-4221, manufactured by Union Carbide): 100 parts by weight-boron trifluoride monoethylamine (for example, manufactured by Stella Chemifa Corporation) ): 3 parts by weight / acetone (for example, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.): 4 parts by weight The carbon fiber as the [E] component used in the present invention includes carbons such as polyacrylonitrile, rayon and pitch. Although fibers are mentioned, it is preferable to use polyacrylonitrile as a precursor in that it is easy to obtain a high-strength material necessary for the present invention. In addition, as a method for spinning polyacrylonitrile, wet, dry or dry wet methods can be employed. However, wet or dry wet spinning is preferable because high-strength carbon fibers can be easily obtained. The spun precursor fiber is made into carbon fiber by flameproofing and carbonization. Performing surface oxidation treatment such as electrolytic surface treatment on the obtained carbon fiber as necessary increases the strength of the carbon fiber by removing the fragile portion on the surface of the carbon fiber or increases the adhesion to the matrix resin. It is preferably used from the viewpoint of improving the quality. The number of carbon fiber filaments used is preferably 1000 to 100,000, more preferably 3000 to 50000.

かかる[E]成分である炭素繊維を繊維束として集束させるため、サイジング剤が用いられる。炭素繊維のサイジング剤としては、グリシジル基、水酸基、アクリレート基、メタクリレート基、カルボキシル基およびカルボン酸無水物基からなる群から選ばれた少なくとも1種の官能基を有するサイジング剤が好ましく用いられる。炭素繊維表面の官能基と、樹脂硬化物のポリマーネットワーク中の官能基との間で化学結合、あるいは水素結合などの相互作用を生じ、炭素繊維と樹脂硬化物のと接着性を高めるからである。上記サイジング剤としては、例えば、ポリエチレングリコール、ポリエチレングリコールとビスフェノールA型エポキシ樹脂との反応物、ポリエチレングリコールとビスフェノールF型エポキシ樹脂との反応物、ポリエチレングリコールジグリジルエーテル、ポリグリセリンのグリシジル化合物、ポリプロピレンのグリシジル化合物、ビスフェノールA型エポキシ、ビスフェノールF型エポキシ、ビフェニル型エポキシ、ダイマー酸ジグリシジルエステルおよびダイマー酸変性ビスフェノール型エポキシなどが好ましく用いられる。
かかるサイジング剤の付着量は、組み合わせるマトリックス樹脂により異なるが、[E]成分である炭素繊維とサイジング成分の合計重量に対して0.01〜5.00重量%が好ましく用いられる。付着量が0.01重量%よりも少ないと、サイジング剤としての機能が得られないことが多く、また付着量が5.00重量%を超えると、マトリックス樹脂の耐熱性などの機械物性を損なうことがある。
A sizing agent is used to bundle the carbon fibers as the component [E] as a fiber bundle. As the carbon fiber sizing agent, a sizing agent having at least one functional group selected from the group consisting of glycidyl group, hydroxyl group, acrylate group, methacrylate group, carboxyl group and carboxylic anhydride group is preferably used. This is because an interaction such as a chemical bond or a hydrogen bond occurs between the functional group on the surface of the carbon fiber and the functional group in the polymer network of the resin cured product, thereby enhancing the adhesion between the carbon fiber and the resin cured product. . Examples of the sizing agent include polyethylene glycol, a reaction product of polyethylene glycol and bisphenol A type epoxy resin, a reaction product of polyethylene glycol and bisphenol F type epoxy resin, polyethylene glycol diglycidyl ether, a glycidyl compound of polyglycerol, polypropylene The glycidyl compound, bisphenol A type epoxy, bisphenol F type epoxy, biphenyl type epoxy, dimer acid diglycidyl ester, dimer acid modified bisphenol type epoxy and the like are preferably used.
The adhesion amount of the sizing agent varies depending on the matrix resin to be combined, but 0.01 to 5.00% by weight is preferably used with respect to the total weight of the carbon fiber and the sizing component as the [E] component. When the adhesion amount is less than 0.01% by weight, the function as a sizing agent is often not obtained, and when the adhesion amount exceeds 5.00% by weight, mechanical properties such as heat resistance of the matrix resin are impaired. Sometimes.

かかるサイジング剤を炭素繊維束(フィラメント)に付着させるためには、サイジング剤が溶媒に溶解または分散したサイジング液を用い、炭素繊維フィラメントにサイジング液を付与した後、溶媒を乾燥させる方法が好ましく用いられる。   In order to attach such a sizing agent to the carbon fiber bundle (filament), a method of using a sizing solution in which the sizing agent is dissolved or dispersed in a solvent, applying the sizing solution to the carbon fiber filament, and then drying the solvent is preferably used. It is done.

サイジング液に用いられる溶媒としては、水またはDMFやMEKなどの有機溶媒などを用いることができるが、取り扱い性および安全性の面から溶媒としては、水を用いることが好ましい。水に難溶性のサイジング剤を用いる場合は、界面活性剤などの分散剤を使用する必要がないため有機溶媒を使用することが好ましい。   As the solvent used in the sizing solution, water or an organic solvent such as DMF or MEK can be used, but water is preferably used as the solvent from the viewpoint of handleability and safety. When using a sizing agent that is sparingly soluble in water, it is preferable to use an organic solvent because it is not necessary to use a dispersant such as a surfactant.

サイジング剤を炭素繊維束に付与させる手段としては、ローラーサイジング法、ローラー浸漬法およびスプレー法を用いることができる。中でも、一束あたりのフィラメント数が多い炭素繊維についてもサイジング剤を均一に付着しうるため、ローラーサイジング法が好ましく用いられる。サイジング剤の液温は、溶媒蒸発によるサイジング剤の濃度変動を抑制するため10〜50℃の範囲が好ましい。溶媒を乾燥除去する際の条件は、サイジング剤の熱分解をふせぐため、もしくは溶媒除去と同時にサイジング剤と炭素繊維表面の官能基と反応させるため、またはサイジング剤の硬化をすすめるために、120〜300℃の温度で10秒から10分の範囲が好ましく、さらに好ましくは30秒〜4分の範囲である。   As a means for imparting the sizing agent to the carbon fiber bundle, a roller sizing method, a roller dipping method and a spray method can be used. Among these, a roller sizing method is preferably used because a sizing agent can be uniformly attached to carbon fibers having a large number of filaments per bundle. The liquid temperature of the sizing agent is preferably in the range of 10 to 50 ° C. in order to suppress fluctuations in the concentration of the sizing agent due to solvent evaporation. The conditions for removing the solvent by drying are from 120 to 120 in order to prevent thermal decomposition of the sizing agent, or to react the sizing agent with the functional group on the carbon fiber surface simultaneously with the solvent removal, or to promote the curing of the sizing agent. A range of 10 seconds to 10 minutes at a temperature of 300 ° C. is preferable, and a range of 30 seconds to 4 minutes is more preferable.

かかる構成成分の[E]成分である炭素繊維束へのサイジング剤の付着量は、炭素繊維束を秤量(W1)した後、50リットル/分の窒素気流中、温度450℃に設定した電気炉に15分間放置し、サイジング剤を完全に熱分解させる。そして、20リットル/分の乾燥窒素気流中の容器に移し、15分間冷却した後の炭素繊維束を秤量(W2)して、次式によりサイジング剤付着量を求める。   The amount of adhesion of the sizing agent to the carbon fiber bundle which is the [E] component of the constituent component is an electric furnace set at a temperature of 450 ° C. in a nitrogen stream of 50 liters / minute after weighing the carbon fiber bundle (W1). For 15 minutes to completely pyrolyze the sizing agent. Then, the carbon fiber bundle after being transferred to a container in a dry nitrogen stream at 20 liters / minute and cooled for 15 minutes is weighed (W2), and the sizing agent adhesion amount is obtained by the following equation.

サイジング付着量(%)=[W1−W2]/W1×100
本発明のプリプレグは、ウェット法、ホットメルト法などにより製造することができる。
ウェット法は、強化繊維をマトリックス樹脂と例えばメチルエチルケトン、トルエン、スチレンなどの有機溶媒からなる溶液に浸漬した後、引き上げ、オーブン等を用いて溶媒を蒸発させる方法であり、ホットメルト法は、加熱により低粘度化したマトリックス樹脂を直接強化繊維に含浸させる方法、又は一旦マトリックス樹脂を離型紙等の上にコーティングしたフィルムを作製しておき、次いで強化繊維の両側又は片側から前記フィルムを重ね、加熱加圧することにより強化繊維に樹脂を含浸させる方法である。ホットメルト法によれば、プリプレグ中に残留する溶媒が実質上皆無となるため好ましい。
Sizing adhesion amount (%) = [W1-W2] / W1 × 100
The prepreg of the present invention can be produced by a wet method, a hot melt method, or the like.
The wet method is a method in which a reinforcing fiber is immersed in a solution made of a matrix resin and an organic solvent such as methyl ethyl ketone, toluene, styrene, etc., and then the solvent is lifted and evaporated using an oven. The hot melt method is performed by heating. A method in which the reinforcing fiber is impregnated directly with the low-viscosity matrix resin, or a film in which the matrix resin is once coated on a release paper or the like is prepared, and then the film is stacked on both sides or one side of the reinforcing fiber and heated. This is a method of impregnating a reinforcing fiber with a resin by pressing. The hot melt method is preferable because substantially no solvent remains in the prepreg.

プリプレグは、単位面積あたりの強化繊維量が70〜1000g/mであることが好ましい。より好ましくは、70〜500g/mである。かかる強化繊維量が70g/m未満では、繊維強化複合材料成形の際に、所定の厚みを得るために積層枚数を多くする必要があり、作業が繁雑となることがある。一方で、強化繊維量が2000g/mを超えると、プリプレグのドレープ性が悪くなる傾向にある。また、繊維重量含有率は、好ましくは30〜90重量%であり、より好ましくは35〜85重量%であり、更に好ましくは40〜80重量%である。 The prepreg preferably has a reinforcing fiber amount of 70 to 1000 g / m 2 per unit area. More preferably, it is 70-500 g / m < 2 >. When the amount of the reinforcing fiber is less than 70 g / m 2, it is necessary to increase the number of laminated layers in order to obtain a predetermined thickness when forming the fiber reinforced composite material, and the work may be complicated. On the other hand, when the amount of reinforcing fibers exceeds 2000 g / m 2 , the prepreg drapability tends to deteriorate. The fiber weight content is preferably 30 to 90% by weight, more preferably 35 to 85% by weight, and still more preferably 40 to 80% by weight.

繊維重量含有率が30重量%未満では、樹脂の量が多すぎて、比強度と比弾性率に優れる繊維強化複合材料の利点が得られなかったり、繊維強化複合材料の成形の際、硬化時の発熱量が高くなりすぎることがある。また、繊維重量含有率が90重量%を超えると、樹脂の含浸不良が生じ、得られる複合材料はボイドの多いものとなる恐れがある。   When the fiber weight content is less than 30% by weight, the amount of the resin is too large to obtain the advantages of the fiber reinforced composite material having excellent specific strength and specific elastic modulus, and when the fiber reinforced composite material is molded, The amount of heat generated may be too high. On the other hand, if the fiber weight content exceeds 90% by weight, poor resin impregnation may occur, and the resulting composite material may have many voids.

ここで言う、ドレープ性とは、プリプレグの変形のしなやかさのことであり、積層時の型への賦形性などに影響する特性である。指標として様々な評価があるが、例えば、作成したプリプレグを0°方向に300mm、90°方向に25mmにカットし、渡り架台の角に100mm密着させ、さらにテープで固定した、架台に固定後5分静置し、プリプレグの屈曲角度θを測定する方法がある。   The drapeability referred to here is the flexibility of deformation of the prepreg, and is a characteristic that affects the shapeability of the mold during lamination. There are various evaluations as an index. For example, the prepared prepreg is cut to 300 mm in the 0 ° direction and 25 mm in the 90 ° direction, and is attached to the corner of the crossing base 100 mm, and further fixed with tape. There is a method of standing still and measuring the bending angle θ of the prepreg.

屈曲角度θとは、プリプレグの固定されていない部分と、架台側面との間の角度であり、θは0〜90までの値を取る。屈曲角度θは、架台側面からの距離と架台に固定したプリプレグの表面からプリプレグの固定されていない端までの高さを測定し、このタンジェントの値から屈曲角度θを算出する。この屈曲角度θが高いほどドレープ性が低いということになる。ドレープ性が低いと曲面に賦形するのが難しく、ドレープ性が高すぎると、皺が寄り易くなるため、取扱い性が良好な範囲がある。好ましい屈曲角度θは、30〜65°である。   The bending angle θ is an angle between a portion where the prepreg is not fixed and the side surface of the gantry, and θ takes a value from 0 to 90. For the bending angle θ, the distance from the side surface of the gantry and the height from the surface of the prepreg fixed to the gantry to the end where the prepreg is not fixed are measured, and the bending angle θ is calculated from the value of this tangent. The higher the bending angle θ, the lower the drapability. If the drapeability is low, it is difficult to form a curved surface, and if the drapeability is too high, wrinkles are likely to be close, so there is a range in which the handleability is good. A preferable bending angle θ is 30 to 65 °.

得られたプリプレグを積層後、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等により、本発明による複合材料が作製される。   After laminating the obtained prepreg, the composite material according to the present invention is produced by a method of heat-curing the resin while applying pressure to the laminate.

ここで熱及び圧力を付与する方法には、プレス成形法、オートクレーブ成形法、バッギング成形法、ラッピングテープ法、内圧成形法等が採用される。   As a method for applying heat and pressure, a press molding method, an autoclave molding method, a bagging molding method, a wrapping tape method, an internal pressure molding method, or the like is employed.

上記ラッピングテープ法は、マンドレル等の芯金にプリプレグを捲回して、繊維強化複合材料製の管状体を成形する方法であり、ゴルフシャフト、釣り竿等の棒状体を作製する際に好適な方法である。より具体的には、マンドレルにプリプレグを捲回し、プリプレグの固定及び圧力付与のため、プリプレグの外側に熱可塑性フィルムからなるラッピングテープを捲回し、オーブン中で樹脂を加熱硬化させた後、芯金を抜き取って管状体を得る方法である。
また、内圧成型法は、熱可塑性樹脂製のチューブ等の内圧付与体にプリプレグを捲回したプリフォームを金型中にセットし、次いで内圧付与体に高圧の気体を導入して圧力を付与すると同時に金型を加熱せしめ、成形する方法である。本方法は、ゴルフシャフト、バッド、テニスやバドミントン等のラケットの如き複雑な形状物を成形する際に好ましく用いられる。
The wrapping tape method is a method of forming a tubular body made of a fiber-reinforced composite material by winding a prepreg on a mandrel or other core metal, and is a method suitable for producing a rod-shaped body such as a golf shaft or fishing rod. is there. More specifically, a prepreg is wound around a mandrel, a wrapping tape made of a thermoplastic film is wound around the outside of the prepreg for fixing and applying pressure, and the resin is heated and cured in an oven, and then a cored bar. This is a method for extracting a tube to obtain a tubular body.
Also, the internal pressure molding method is to set a preform in which a prepreg is wound on an internal pressure applying body such as a tube made of a thermoplastic resin in a mold, and then introduce a high pressure gas into the internal pressure applying body to apply pressure. At the same time, the mold is heated and molded. This method is preferably used when molding a complicated shape such as a golf shaft, a bad, a racket such as tennis or badminton.

本発明の繊維強化複合材料をオートクレーブやオーブン内で成形する場合の硬化温度、時間としては、選択した硬化剤や硬化触媒の種類と量により最適な温度、時間が異なるが、130℃以上の耐熱性が必要な用途では、120〜220℃の温度で、0.5〜8時間かけて硬化させることが好ましい。昇温速度は、0.1〜10℃/分昇温が好ましく用いられる。昇温速度が0.1℃/分未満では、目標とする硬化温度までの到達時間が非常に長くなり作業性が低下することがある。また、昇温速度が10℃/分を超えると、強化繊維各所での温度差が生じてしまうため、均一な硬化物が得られなくなることがある。   The curing temperature and time when the fiber-reinforced composite material of the present invention is molded in an autoclave or an oven vary depending on the type and amount of the selected curing agent and curing catalyst, but the heat resistance is 130 ° C. or higher. For applications that require high properties, it is preferable to cure at a temperature of 120 to 220 ° C. for 0.5 to 8 hours. A temperature increase rate of 0.1 to 10 ° C./min is preferably used. When the rate of temperature increase is less than 0.1 ° C./min, the time required to reach the target curing temperature becomes very long and workability may be reduced. On the other hand, if the rate of temperature rise exceeds 10 ° C./min, a temperature difference occurs in various portions of the reinforcing fibers, so that a uniform cured product may not be obtained.

本発明の繊維強化複合材料を成形する際は、加圧は必須ではないが、必要に応じて加減圧してもよい。加減圧することで、表面の品位向上や、内部ボイドの抑制、硬化時に接着させる金属やプラスチック、繊維強化複合材料製の部品との密着性向上などの効果が得られる場合がある。   When molding the fiber-reinforced composite material of the present invention, pressure is not essential, but pressure may be increased or decreased as necessary. By increasing or decreasing the pressure, effects such as improvement of surface quality, suppression of internal voids, improvement of adhesion to metal or plastic to be bonded at the time of curing, or parts made of fiber reinforced composite material may be obtained.

本発明の繊維強化複合材料は、高い引張強度と接着強度を有することから、高い機械特性が必要な航空宇宙用途をはじめ、風車、自動車、自転車等の一般作業用途に広く用いることができる。   Since the fiber-reinforced composite material of the present invention has high tensile strength and adhesive strength, it can be widely used in general work applications such as windmills, automobiles, and bicycles, as well as aerospace applications that require high mechanical properties.

以下、本発明を実施例により、さらに詳細に説明する。各種物性の測定は次の方法によった。なお、これらの物性は、特に断りのない限り、温度23℃、相対湿度50%の環境で測定した。
(1)マトリックス樹脂の調製
ニーダー中に、[A]成分のエポキシ樹脂、[C]成分の熱可塑性樹脂、[A]成分、[B]成分以外のエポキシ樹脂を混練しつつ、150℃まで昇温し、150℃、2時間混練することで、透明な粘調液を得た。この液を100℃まで低下させ[B]成分を添加し1時間混練後、80℃まで混練しつつ降温させ、硬化剤および硬化促進剤を所定量添加え、30分混練しエポキシ樹脂組成物を得た。各実施例、比較例の成分配合比は、表1に示す通りである。
(2)未硬化樹脂の粘度測定
マトリックス樹脂の未硬化物の粘度は、動的粘弾性測定装置(レオメーターRDA2:レオメトリック社製)を用い、直径40mmのパラレルプレートを用い、昇温速度2℃/分で単純昇温し、周波数0.5Hz、Gap 1mmで測定を行った。粘度は、室温(25℃)から昇温し、50℃での複素粘弾性率η*を粘度として記録した。測定n数は1とした。
(3)樹脂硬化物の曲げ試験
未硬化の樹脂組成物を真空中で脱泡した後、2mm厚の“テフロン(登録商標)”製スペーサーにより厚み2mmになるように設定したモールド中で130℃の温度で2時間硬化させ、厚さ2mmの樹脂硬化物を得た。この樹脂硬化物を幅10±0.1mm、長さ60±1mmでカットし、試験片を得た。インストロン万能試験機(インストロン社製)を用い、JIS−K7171に従って、スパン間32mmの3点曲げを測定し、弾性率を求めた。測定数はn=5とし、その平均値を求めた。
また、湿熱環境下での曲げ試験を行うために、沸騰水中に48時間浸漬した後、雰囲気温度83℃で上記曲げ試験を行い、湿熱環境下での曲げ弾性率を求めた。測定n数を5とし、その平均値を求めた。
(4)樹脂硬化物のガラス転移温度
上記(3)の方法で得られた、樹脂硬化物のガラス転移温度の測定については、示差熱量計(DSC)を用いて、JIS K7121(1987)に基づいてもとめた中間点温度をガラス転移温度とした。測定n数は3とし、その平均値を求めた。
(5)プリプレグの作製
プリプレグは以下の様にして作製した。未硬化の樹脂組成物をナイフコーターを用いて、目付52g/mで離型紙上にフィルム化し、樹脂フィルムとした。この樹脂フィルムを用いて、一方向に引き揃えた炭素繊維(目付190g/m)の両面から加熱加圧含浸し、一方向プリプレグを得た。なお炭素繊維はストランド強度5800MPa、ストランド弾性率29.4GPa、長径/短径比1.05のフィラメント数12,000本の“トレカ(登録商標)”T800G−12K−31E(東レ(株))を用いた。また、比較例2では、ストランド強度5800MPa、ストランド弾性率29.4GPa、比重1.8、長径/短径比1.50の楕円断面形状のフィラメント数12,000本の炭素繊維束を用いた。
(6)繊維強化複合材料の圧縮試験
上記(5)の方法で得られた一方向プリプレグを所定の大きさにカットし、一方向に6枚積層した後、真空バッグをおこない、オートクレーブを用いて、温度180℃、圧力6kg/cm、2時間で硬化させ、一方向強化材(繊維強化複合材料)を2枚作製した。
一方の繊維強化複合材料を繊維方向に35×100mmにカットした板を4枚作製した。
この4枚をタブ材としてもちい、もう片方の一方向強化材にタブ間が8mmになりかつ、タブ間が両面ともに同じ位置に来るように配置し接着剤で貼り付けた。JIS K7076(1991)に記載されているA法用の試験片を作製した。JIS K7076(1991)に準じて、この試験片をインストロン万能試験機(インストロン社製)を用いてクロスヘッドスピード1.0mm/分、圧縮試験を行った。試験片のn数は、5で行った。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. Various physical properties were measured by the following methods. These physical properties were measured in an environment at a temperature of 23 ° C. and a relative humidity of 50% unless otherwise specified.
(1) Preparation of matrix resin In the kneader, the epoxy resin of [A] component, the thermoplastic resin of [C] component, the epoxy resin other than [A] component and [B] component are kneaded and the temperature rises to 150 ° C. Warmed and kneaded at 150 ° C. for 2 hours to obtain a transparent viscous liquid. This liquid is lowered to 100 ° C., the component [B] is added and kneaded for 1 hour, and then the temperature is lowered while kneading to 80 ° C., a predetermined amount of a curing agent and a curing accelerator are added, and the epoxy resin composition is kneaded for 30 minutes. Obtained. The component blend ratios of the examples and comparative examples are as shown in Table 1.
(2) Viscosity measurement of uncured resin The viscosity of the uncured product of the matrix resin was measured using a dynamic viscoelasticity measuring device (Rheometer RDA2: manufactured by Rheometric Co., Ltd.), a parallel plate with a diameter of 40 mm, and a temperature increase rate of 2 The temperature was simply raised at 0 ° C./min, and measurement was performed at a frequency of 0.5 Hz and a gap of 1 mm. The viscosity was raised from room temperature (25 ° C.), and the complex viscoelastic modulus η * at 50 ° C. was recorded as the viscosity. The number of measurements n was 1.
(3) Bending test of cured resin product After defoaming the uncured resin composition in a vacuum, 130 ° C. in a mold set to a thickness of 2 mm with a 2 mm thick “Teflon (registered trademark)” spacer. The resin was cured at a temperature of 2 hours for 2 hours to obtain a cured resin having a thickness of 2 mm. The cured resin was cut to a width of 10 ± 0.1 mm and a length of 60 ± 1 mm to obtain a test piece. Using an Instron universal testing machine (manufactured by Instron), three-point bending with a span of 32 mm was measured according to JIS-K7171, and the elastic modulus was determined. The number of measurements was n = 5, and the average value was obtained.
Moreover, in order to perform a bending test in a humid heat environment, after being immersed in boiling water for 48 hours, the bending test was performed at an atmospheric temperature of 83 ° C. to obtain a flexural modulus in a humid heat environment. The number of measurement n was set to 5, and the average value was obtained.
(4) Glass transition temperature of resin cured product About the measurement of the glass transition temperature of the resin cured product obtained by the method of (3) above, based on JIS K7121 (1987) using a differential calorimeter (DSC). The measured midpoint temperature was taken as the glass transition temperature. The number of measurements n was 3, and the average value was obtained.
(5) Production of prepreg The prepreg was produced as follows. The uncured resin composition was formed into a film on a release paper with a basis weight of 52 g / m 2 using a knife coater to obtain a resin film. Using this resin film, carbon fiber (weighing 190 g / m 2 ) aligned in one direction was heated and pressure impregnated to obtain a unidirectional prepreg. The carbon fiber is “Treka (registered trademark)” T800G-12K-31E (Toray Industries, Inc.) having a strand strength of 5800 MPa, a strand elastic modulus of 29.4 GPa, and a long diameter / short diameter ratio of 1.05 and 12,000 filaments. Using. In Comparative Example 2, a carbon fiber bundle having an elliptical cross-sectional shape of 12,000 filaments having a strand strength of 5800 MPa, a strand elastic modulus of 29.4 GPa, a specific gravity of 1.8, and a major axis / minor axis ratio of 1.50 was used.
(6) Compression test of fiber reinforced composite material The unidirectional prepreg obtained by the method of (5) above is cut into a predetermined size and laminated in six directions, then a vacuum bag is used, and an autoclave is used. And cured at a temperature of 180 ° C. and a pressure of 6 kg / cm 2 for 2 hours to produce two unidirectional reinforcing materials (fiber reinforced composite materials).
Four plates in which one fiber-reinforced composite material was cut to 35 × 100 mm in the fiber direction were produced.
These four sheets were used as a tab material, and the other unidirectional reinforcing material was placed so that the distance between the tabs was 8 mm and the distance between the tabs was in the same position, and was adhered with an adhesive. A test piece for Method A described in JIS K7076 (1991) was produced. According to JIS K7076 (1991), this test piece was subjected to a compression test at a crosshead speed of 1.0 mm / min using an Instron universal testing machine (Instron). The number n of the test pieces was 5.

環境温度は、通常条件で23℃、相対湿度50%で行った。また湿熱環境下の試験では、上述の試験片を沸騰水中に48時間浸漬した後、雰囲気温度83℃とし、試験片を恒温槽に導入し83℃に到達後、測定を行った。なお、試験片のn数は5で行った。
(7)90°曲げ試験
上記(5)の方法で得られた一方向プリプレグを所定の大きさにカットし、一方向に10枚積層した後、真空バッグをおこない、オートクレーブを用いて、温度180℃、圧力6kg/cm、4時間で硬化させ、一方向強化材(繊維強化複合材料)を得た。
The ambient temperature was 23 ° C. and 50% relative humidity under normal conditions. Moreover, in the test in a humid heat environment, after immersing the above-mentioned test piece in boiling water for 48 hours, it was set as atmospheric temperature 83 degreeC, the test piece was introduce | transduced into the thermostat, and it measured after reaching 83 degreeC. In addition, n number of the test piece was performed by five.
(7) 90 ° bending test The unidirectional prepreg obtained by the method of (5) above is cut into a predetermined size, and 10 sheets are laminated in one direction, and then a vacuum bag is formed, and the temperature is set to 180 using an autoclave. It was cured at 4 ° C. under a pressure of 6 kg / cm 2 to obtain a unidirectional reinforcing material (fiber reinforced composite material).

この一方向強化材を長さ方向を90°方向にし、幅15mm、長さ60mmでカットし、試験片を得た。JIS K7017(1999)に準じて、この試験片をインストロン万能試験機(インストロン社製)を用いて、クロスヘッドスピード1.0mm/分、支点間40mmで、3点曲げ試験を行った。試験片のn数は、5で行った。   The unidirectional reinforcing material was cut in a length direction of 90 °, a width of 15 mm, and a length of 60 mm to obtain a test piece. In accordance with JIS K7017 (1999), this specimen was subjected to a three-point bending test using an Instron universal testing machine (Instron) at a crosshead speed of 1.0 mm / min and a fulcrum of 40 mm. The number n of the test pieces was 5.

実施例1、2、5と比較例1との比較から、成分Bの有無により、H/W圧縮強度ならびに接着が低下していることがわかる。実施例3と比較例2の比較より、繊維断面の形状により圧縮特性が低下していることがわかる。実施例4と比較例3の比較により、成分Cの有無により、繊維強化複合材料の圧縮強度が低下していることがわかる。実施例1,2と比較例4との比較から、成分A有無により樹脂の耐熱性や、繊維強化複合材料の湿熱環境下の圧縮特性が損なわれることがわかる。   From comparison between Examples 1, 2, and 5 and Comparative Example 1, it can be seen that the H / W compressive strength and the adhesion are lowered depending on the presence or absence of Component B. From the comparison between Example 3 and Comparative Example 2, it can be seen that the compression characteristics are lowered due to the shape of the fiber cross section. A comparison between Example 4 and Comparative Example 3 shows that the compressive strength of the fiber-reinforced composite material is lowered depending on the presence or absence of Component C. From the comparison between Examples 1 and 2 and Comparative Example 4, it can be seen that the heat resistance of the resin and the compressive properties of the fiber-reinforced composite material in the wet and heat environment are impaired depending on the presence or absence of Component A.

Figure 2009215481
Figure 2009215481

本発明のプリプレグは、これまでなし得なかった、高強度の繊維強化複合材料を与えるプリプレグであり、これにより得られる繊維強化複合材料は、これまで適用が困難であった航空機用途の主翼や風車のブレードなどの分布荷重を受ける大型の構造部材に好適に用いられ有用である。   The prepreg of the present invention is a prepreg that provides a high-strength fiber-reinforced composite material that could not be achieved before, and the fiber-reinforced composite material obtained thereby is a main wing or windmill for aircraft use that has been difficult to apply until now. It is suitably used for a large-sized structural member that receives a distributed load such as a blade of the above.

Claims (5)

下記[A]〜[E]の構成成分を少なくとも含んで構成されてなり、かつ、該構成成分の[B]成分が、[A]成分と[B]成分とを合計したエポキシ樹脂100重量部中に25〜45重量部含まれていることを特徴とするプリプレグ。
[A]分子内に3個以上のグリシジル基を有するエポキシ樹脂
[B]グリシジルアニリン、グリシジルo−トルイジン、ジグリシジルアニリン、ジグリシジルo−トルイジンから選ばれる少なくとも一つのエポキシ樹脂
[C]グリシジル基と反応性を有する官能基を持った熱可塑性樹脂
[D]エポキシ樹脂硬化剤
[E]実質的に断面が真円状である炭素繊維
100 parts by weight of an epoxy resin comprising at least the following components [A] to [E], and the component [B] being the sum of the components [A] and [B] A prepreg characterized by being contained in an amount of 25 to 45 parts by weight.
[A] Epoxy resin having 3 or more glycidyl groups in the molecule [B] At least one epoxy resin selected from glycidyl aniline, glycidyl o-toluidine, diglycidyl aniline, diglycidyl o-toluidine [C] Reaction with glycidyl group Thermoplastic resin having functional group [D] epoxy resin curing agent [E] carbon fiber having a substantially circular cross section
該構成成分の[C]成分が、[A]〜[D]の構成成分を合わせた合計100重量部中に3重量部以上33重量部以下含まれている請求項1に記載のプリプレグ。 2. The prepreg according to claim 1, wherein the component [C] component is contained in an amount of 3 to 33 parts by weight in a total of 100 parts by weight of the components [A] to [D]. 該構成成分の[C]成分が、ポリエーテルスルホンである請求項1または2に記載のプリプレグ。 The prepreg according to claim 1 or 2, wherein the component [C] is polyethersulfone. 該構成成分の[B]成分が、ジグリシジルアニリンもしくはジグリシジルo−トルイジンである請求項1に記載のプリプレグ。 The prepreg according to claim 1, wherein the component [B] is diglycidylaniline or diglycidyl o-toluidine. 請求項1〜4のいずれかに記載のプリプレグを硬化して構成されている繊維強化複合材料。 The fiber reinforced composite material comprised by hardening | curing the prepreg in any one of Claims 1-4.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2016136052A1 (en) * 2015-02-27 2016-09-01 東レ株式会社 Epoxy resin composition, cured epoxy resin product, prepreg, and fiber-reinforced composite material
JP2017226745A (en) * 2016-06-22 2017-12-28 三菱ケミカル株式会社 Epoxy resin composition, and film, prepreg and fiber-reinforced plastic using the same
EP3797991A4 (en) * 2018-06-26 2022-03-16 Toray Industries, Inc. Prepreg and production method therefor, slit tape prepreg, carbon fiber-reinforced composite material

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