JP2009292866A - Epoxy resin composition for fiber-reinforced composite material and fiber-reinforced composite material using it - Google Patents

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Kazuki Koga
一城 古賀
Yasuhiro Fukuhara
康裕 福原
Kaoru Usami
馨 宇佐美
Hiroko Takeuchi
弘子 竹内
Manabu Kaneko
学 金子
Kazutami Mitani
和民 三谷
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an epoxy resin composition capable of giving a fiber-reinforced composite material simultaneously indicating high rigidity and heat resistance as a matrix resin for the fiber-reinforced composite material. <P>SOLUTION: The epoxy resin composition for the fiber-reinforced composite material contains component (A): a silica particle, component (B): a two-functional epoxy resin, component (C): a multi-functional epoxy resin and component (D): an amine type curing agent as indispensable components. An amount of the component (A) is 10-70 pts.mass based on the total 100 pts.mass of the component (B) and the component (C), and an amount of component (B1): a two-functional epoxy resin having an epoxy equivalent of 200 or more contained in the component (B) is 15 pts.mass or less. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いた繊維強化複合材料に関する。本発明は、特に、航空機用構造材料をはじめとして、自動車用途、船舶用途、スポーツ用途、その他の一般産業用途に好適な繊維強化複合材料を得るためのエポキシ樹脂組成物、およびそれを用いて得られるプリプレグおよび繊維強化複合材料に関するものである。   The present invention relates to an epoxy resin composition for fiber reinforced composite materials and a fiber reinforced composite material using the same. In particular, the present invention provides an epoxy resin composition for obtaining a fiber-reinforced composite material suitable for use in automotive applications, marine applications, sports applications, and other general industrial applications, including aircraft structural materials, and the use thereof. Prepreg and fiber reinforced composite material.

炭素繊維とマトリックス樹脂硬化物とからなる炭素繊維強化複合材料は、その優れた力学物性などから、航空機、自動車、産業用途に幅広く用いられている。近年、その使用実績を積むに従い、繊維強化複合材料の適用範囲はますます拡がってきている。かかる複合材料を構成するマトリックス樹脂には、含浸性や耐熱性に優れる熱硬化性樹脂が用いられることが多く、熱硬化性樹脂には、成形性に優れること、高温環境にあっても高度の機械強度を発現することが必要とされる。このような熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、メラニン樹脂、ビスマレイミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂等が使用されているが、中でもエポキシ樹脂は、耐熱性、成形性に優れ、炭素繊維複合材料にしたときに高度の機械強度が得られるため、幅広く使用されている。   Carbon fiber reinforced composite materials composed of carbon fibers and matrix resin cured products are widely used in aircraft, automobiles, and industrial applications because of their excellent mechanical properties. In recent years, the application range of fiber reinforced composite materials has been expanded more and more as the use results are accumulated. As the matrix resin constituting such a composite material, a thermosetting resin excellent in impregnation and heat resistance is often used, and the thermosetting resin is excellent in moldability and is highly sophisticated even in a high temperature environment. It is necessary to develop mechanical strength. As such a thermosetting resin, phenol resin, melanin resin, bismaleimide resin, unsaturated polyester resin, epoxy resin, etc. are used. Among them, epoxy resin is excellent in heat resistance and moldability, and carbon fiber. Since a high mechanical strength can be obtained when a composite material is used, it is widely used.

従来の炭素繊維強化複合材料においては、繊維方向の引張強度は良好であるが、炭素繊維は繊維状であり繊維径が極めて小さいため、繊維方向に圧縮されると繊維の座屈および/またはせん断により繊維の破壊を起こしやすく、繊維方向の圧縮強度が低いことから、圧縮強度の向上が強く望まれている。一方で、繊維強化複合材料の圧縮強度を向上させるためにはマトリックス樹脂の剛性を高めるのが効果的であることが知られている。そのため、繊維の座屈および/またはせん断による繊維の破壊を抑制し圧縮強度を向上させるため、マトリックス樹脂の弾性率を向上させる試みが行われている。   In the conventional carbon fiber reinforced composite material, the tensile strength in the fiber direction is good, but the carbon fiber is fibrous and the fiber diameter is extremely small. Therefore, when compressed in the fiber direction, the fiber buckling and / or shearing occurs. Therefore, the fiber is easily broken and the compressive strength in the fiber direction is low. Therefore, it is strongly desired to improve the compressive strength. On the other hand, it is known that increasing the rigidity of the matrix resin is effective in improving the compressive strength of the fiber-reinforced composite material. For this reason, attempts have been made to improve the elastic modulus of the matrix resin in order to suppress fiber breakage due to fiber buckling and / or shear and to improve compressive strength.

また、高温環境において高い機械強度を発現させるためには、マトリックス樹脂の耐熱性を高めることが有効であることが知られている。マトリックス樹脂の耐熱性を高くするためには架橋密度を上げることが必要であるが、架橋密度を高めると、あるレベルまでは樹脂剛性も向上するが、架橋密度が高くなりすぎると硬化樹脂中の自由体積が増え樹脂剛性が高くなりにくいことが知られている。そのためマトリックス樹脂の高い剛性と耐熱性を両立させることは、これまで非常に困難であるとされていた。   In addition, it is known that increasing the heat resistance of the matrix resin is effective for developing high mechanical strength in a high temperature environment. In order to increase the heat resistance of the matrix resin, it is necessary to increase the crosslink density. However, if the crosslink density is increased, the resin rigidity is improved to a certain level, but if the crosslink density becomes too high, It is known that the free volume increases and the resin rigidity is difficult to increase. For this reason, it has been considered very difficult to achieve both high rigidity and heat resistance of the matrix resin.

しかるに、特許文献1には、エポキシ樹脂をマトリクッスとし圧縮系の機械特性に優れるプリプレグおよび繊維強化複合材料が開示されている。しかし、特許文献1の樹脂組成物では、マトリックス樹脂の剛性はまだ十分であるとはいえず、マトリックス樹脂の更なる剛性改善が望まれている。   However, Patent Document 1 discloses a prepreg and a fiber-reinforced composite material that use an epoxy resin as a matrix and have excellent compression system mechanical properties. However, in the resin composition of Patent Document 1, the rigidity of the matrix resin is not yet sufficient, and further improvement of the rigidity of the matrix resin is desired.

また、特許文献2にはマトリックスとしてベンゾオキサジン樹脂を主体とする樹脂組成物を用いた、室温乾燥下のみならず、湿熱環境下においても高い機械強度を発現するプリプレグおよび繊維強化複合材料が開示されている。しかしながら、特許文献2の樹脂組成物では、粘度調整のためにエポキシ樹脂を多量に添加するため、ベンゾオキサジン樹脂自体が有する高い剛性が損なわれ、十分な樹脂剛性を得ることは困難である。   Patent Document 2 discloses a prepreg and a fiber reinforced composite material that use a resin composition mainly composed of a benzoxazine resin as a matrix and exhibit high mechanical strength not only under room temperature drying but also in a moist heat environment. ing. However, in the resin composition of Patent Document 2, since a large amount of epoxy resin is added for viscosity adjustment, the high rigidity of the benzoxazine resin itself is impaired, and it is difficult to obtain sufficient resin rigidity.

特開平8−259713号公報JP-A-8-259713 特開2006−233188号公報JP 2006-233188 A

従って、本発明は、繊維強化複合材料用のマトリックス樹脂として、高い剛性と耐熱性を同時に示す繊維強化複合材料を与えることのできるエポキシ樹脂組成物を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide an epoxy resin composition that can provide a fiber-reinforced composite material that simultaneously exhibits high rigidity and heat resistance as a matrix resin for a fiber-reinforced composite material.

本発明者等は上記課題を解決するため鋭意研究を進めた結果、以下の構成からなる本発明の樹脂組成物によって課題を解決できることを見出した。   As a result of diligent research to solve the above problems, the present inventors have found that the problems can be solved by the resin composition of the present invention having the following constitution.

すなわち、本発明は、成分(A)シリカ微粒子、成分(B)2官能エポキシ樹脂、成分(C)多官能エポキシ樹脂および成分(D)アミン型硬化剤を必須成分として含み、成分(B)および成分(C)の合計100質量部に対して、成分(A)の量が10〜70質量部であり、成分(B)に含まれる成分(B1)エポキシ当量が200以上の2官能エポキシ樹脂の量が15質量部以下である繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物を提供する。   That is, the present invention contains component (A) silica fine particles, component (B) bifunctional epoxy resin, component (C) polyfunctional epoxy resin and component (D) amine-type curing agent as essential components, The amount of the component (A) is 10 to 70 parts by mass with respect to a total of 100 parts by mass of the component (C), and the component (B1) epoxy equivalent contained in the component (B) is 200 or more. An epoxy resin composition for fiber-reinforced composite materials having an amount of 15 parts by mass or less is provided.

本発明は、また、上記繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物を用いて得られるプリプレグおよび繊維強化複合材料を提供する。   The present invention also provides a prepreg and a fiber reinforced composite material obtained by using the above epoxy resin composition for fiber reinforced composite material.

本発明によれば、繊維強化複合材料用のマトリックス樹脂として用いたときに高い剛性と耐熱性を同時に示す繊維強化複合材料を与えるエポキシ樹脂組成物を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when using as a matrix resin for fiber reinforced composite materials, the epoxy resin composition which gives the fiber reinforced composite material which shows high rigidity and heat resistance simultaneously can be provided.

以下に本発明の好ましい実施の形態について説明するが、本発明はこれらの形態のみに限定されるものではなく、本発明の精神と実施の範囲内において様々な変形が可能であることを理解されたい。   Preferred embodiments of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to these embodiments, and it will be understood that various modifications can be made within the spirit and scope of the present invention. I want.

本発明に用いられる成分(A)はシリカ微粒子である。シリカ微粒子の配合量は、成分(B)および成分(C)の合計100質量部に対して、10〜70質量部である。シリカ微粒子の配合量が、成分(B)および成分(C)の合計100質量部に対して、10質量部以上であれば、樹脂組成物の剛性を高めることができる。好ましくは20質量部以上、より好ましくは30質量部以上、さらに好ましくは45質量部以上である。一方、シリカ微粒子の配合量を多くしすぎると樹脂組成物の比重が大きくなり、またエポキシ樹脂に対する分散性が悪くなる。シリカ微粒子の配合量を成分(B)および成分(C)の合計100質量部に対して70質量部以下にすることにより、樹脂組成物の比重を抑えることができ、またシリカ微粒子のエポキシ樹脂に対する分散性を良くすることができる。より好ましくは50質重量部以下である。   The component (A) used in the present invention is silica fine particles. The compounding quantity of a silica fine particle is 10-70 mass parts with respect to a total of 100 mass parts of a component (B) and a component (C). If the compounding quantity of a silica fine particle is 10 mass parts or more with respect to a total of 100 mass parts of a component (B) and a component (C), the rigidity of a resin composition can be improved. Preferably it is 20 mass parts or more, More preferably, it is 30 mass parts or more, More preferably, it is 45 mass parts or more. On the other hand, when the compounding amount of the silica fine particles is excessively large, the specific gravity of the resin composition is increased and the dispersibility with respect to the epoxy resin is deteriorated. The specific gravity of the resin composition can be suppressed by adjusting the blending amount of the silica fine particles to 70 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass in total of the component (B) and the component (C). Dispersibility can be improved. More preferably, it is 50 parts by weight or less.

繊維強化複合材料用のマトリックス樹脂として使用する場合、シリカ微粒子が成分(B)および成分(C)のエポキシ樹脂中に高度に分散していることが重要である。繊維強化複合材料を製造するためには、強化繊維に樹脂組成物を含浸させるが、その際シリカ微粒子が成分(B)および成分(C)のエポキシ樹脂中に高度に分散していない場合、分散せずに凝集したシリカ微粒子が強化繊維に濾しとられるいわゆるフィルトレート現象が発生することがある。このフィルトレート現象が発生した繊維強化複合材料は靭性や耐熱性などの物性の低下や、繊維強化複合材料の一部に樹脂がいきわたらない「樹脂枯れ」などの外観不良を引きおこす。   When used as a matrix resin for a fiber reinforced composite material, it is important that silica fine particles are highly dispersed in the epoxy resin of component (B) and component (C). In order to produce a fiber reinforced composite material, a reinforcing fiber is impregnated with a resin composition, and if silica fine particles are not highly dispersed in the epoxy resin of component (B) and component (C), the dispersion A so-called filtration phenomenon may occur in which the silica fine particles aggregated without being filtered out into the reinforcing fibers. The fiber reinforced composite material in which this filtration phenomenon occurs causes deterioration in physical properties such as toughness and heat resistance, and appearance defects such as “resin withering” in which the resin does not penetrate part of the fiber reinforced composite material.

具体的には成分(B)および成分(C)に分散したシリカ微粒子の2次粒子径が1000nm以下であれば、上記のフィルトレート現象が発生しないので好ましい。より好ましくは500nm以下、さらに好ましくは100nm以下である。2次粒子径は、樹脂組成物の硬化物断面をTEMなどの顕微鏡にて観察することにより測定することができるが、簡易的には1000nmスケールの観察ができる光学顕微鏡を用いて確認することもできる。具体的には、硬化物の断面を観察してシリカ微粒子の凝集体が無ければ、少なくとも光学顕微鏡にて判別可能な粒子径以上の凝集体が存在しないと判断できる。シリカ微粒子が凝集せず、単分散している際には、単分散粒子の粒子径が1000nm以下であれば良く、より好ましくは500nm以下、さらに好ましくは100nm以下である。   Specifically, it is preferable that the silica fine particles dispersed in the component (B) and the component (C) have a secondary particle diameter of 1000 nm or less because the above-mentioned filtration phenomenon does not occur. More preferably, it is 500 nm or less, More preferably, it is 100 nm or less. The secondary particle diameter can be measured by observing a cross section of the cured product of the resin composition with a microscope such as a TEM, but it can also be confirmed simply using an optical microscope capable of observing on a 1000 nm scale. it can. Specifically, when the cross section of the cured product is observed and there is no aggregate of silica fine particles, it can be determined that there is no aggregate having a particle diameter that is at least discernable with an optical microscope. When the silica fine particles are not aggregated and are monodispersed, the particle diameter of the monodispersed particles may be 1000 nm or less, more preferably 500 nm or less, and still more preferably 100 nm or less.

このような、シリカ微粒子が成分(B)および成分(C)のエポキシ樹脂中に高度に分散した状態を得る手段としては、様々な手法をとることができる。第1の方法としては、シリカ微粒子と成分(B)および成分(C)を機械的に分散させる方法である。これはシリカ微粒子および成分(B)および成分(C)を押し出し機、ニーダー、3本ロールミルなどの分散機にかけて分散させる方法である。その際、添加物として分散剤を添加すると分散効果が高くなるため好ましい。第2の方法としては、シリカ微粒子としてエポキシ樹脂中に分散したコロイダルシリカを用いる方法である。エポキシ樹脂中に分散したコロイダルシリカはシリカ微粒子が凝集することなく、ほぼ単独でエポキシ樹脂中に分散しているため、このようなコロイダルシリカ分散エポキシ樹脂を配合するだけで、シリカ微粒子が高度に分散したエポキシ樹脂組成物を得ることができるため、分散工程が非常に簡略化でき、非常に好ましい。   As a means for obtaining such a state that the silica fine particles are highly dispersed in the epoxy resin of the component (B) and the component (C), various methods can be taken. The first method is a method of mechanically dispersing silica fine particles, component (B) and component (C). This is a method in which the silica fine particles and the component (B) and the component (C) are dispersed by a dispersing machine such as an extruder, a kneader, or a three roll mill. At that time, it is preferable to add a dispersant as an additive because the dispersion effect is enhanced. The second method is a method using colloidal silica dispersed in an epoxy resin as silica fine particles. The colloidal silica dispersed in the epoxy resin is dispersed in the epoxy resin almost without agglomeration of the silica fine particles, so the silica fine particles are highly dispersed just by blending such colloidal silica dispersed epoxy resin. Since the obtained epoxy resin composition can be obtained, the dispersion process can be greatly simplified, which is very preferable.

このようなコロイダルシリカ分散エポキシ樹脂としては、ナノレジン社製のNanopoxシリーズとして、Nanopox F400、Nanopox F430、Nanopox F440、Nanopox F520、Nanopox F630、Nanopox F640、Nanopox E400、Nanopox E430、Nanopox E440、Nanopox E520、Nanopox E630、Nanopox E640、日産化学工業社製のLENANOCシリーズとしてLENANOC Eなどが挙げられるが、エポキシ樹脂中にコロイダルシリカが分散したものであればよく、これらの商品に限られるものではない。   Examples of such colloidal silica-dispersed epoxy resins include Nanopox series manufactured by Nanoresin, Nanopox F400, Nanopox F430, Nanopox F440, NanopoF F520, NanopoX F630, Nanopox F630, Nanopox F640, Nanopox F640, Nanopox F640, Nanopox F640, Nanopox F640, Nanopox F640, Nanopox F640, Nanopox F640 Examples include E630, Nanopox E640, and LENANOC E as a LENANOC series manufactured by Nissan Chemical Industries, but are not limited to these products as long as colloidal silica is dispersed in an epoxy resin.

シリカ微粒子の形状としては特に制限は無いが、アスペクト比が高くなると、シリカ微粒子を配合した樹脂組成物にチキソトロープ性がでてくるため、配合量を高くすることができなくなる。球状であればこのようなチキソトロープ性は出にくく、シリカ微粒子の配合量を高めることができるため好ましい。   The shape of the silica fine particles is not particularly limited. However, when the aspect ratio is high, the resin composition containing the silica fine particles exhibits thixotropic properties, so that the compounding amount cannot be increased. If it is spherical, such thixotropic properties are less likely to occur, and the amount of silica fine particles can be increased, which is preferable.

シリカ微粒子の粒径としては特に制限はないが、100nm以下であると強化繊維に含浸させる際に、フィルトレート現象が発生しないため好ましい。より好ましくは50nm以下である。   Although there is no restriction | limiting in particular as a particle size of a silica fine particle, since a filtration phenomenon does not generate | occur | produce when impregnating a reinforcement fiber, it is preferable that it is 100 nm or less. More preferably, it is 50 nm or less.

本発明で用いられる成分(B)は2官能のエポキシ樹脂である。2官能のエポキシ樹脂としては、粘度調整や靭性向上などの目的のために、成分(B1)エポキシ当量が200以上の2官能エポキシ樹脂を含むことができる。成分(B1)の配合量が成分(B)および成分(C)の合計100質量部に対して15質量部以下であれば、樹脂組成物の剛性を高くすることができる。好ましくは12質量部以下、より好ましくは7質量部以下である。   Component (B) used in the present invention is a bifunctional epoxy resin. The bifunctional epoxy resin may include a bifunctional epoxy resin having a component (B1) epoxy equivalent of 200 or more for the purpose of adjusting viscosity and improving toughness. If the compounding quantity of a component (B1) is 15 mass parts or less with respect to a total of 100 mass parts of a component (B) and a component (C), the rigidity of a resin composition can be made high. Preferably it is 12 mass parts or less, More preferably, it is 7 mass parts or less.

成分(B)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、ビスフェノールB型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、フルオレン骨格を有するエポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン骨格を有するエポキシ樹脂、ビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂、オキサジゾリドン環骨格を有するエポキシ樹脂などを用いることができる。このような構造のエポキシ樹脂の中でも、官能基がメタ位やオルト位に配合した樹脂を用いると、エポキシ樹脂組成物の剛性を高めることができるため非常に好ましいが、エポキシ基を分子中に2個持つエポキシ樹脂であればどのような構造であっても良く、これらのエポキシ樹脂に限定されるものではない。   As component (B), bisphenol A type epoxy resin, bisphenol F type epoxy resin, bisphenol S type epoxy resin, bisphenol B type epoxy resin, naphthalene type epoxy resin, epoxy resin having a fluorene skeleton, epoxy having a dicyclopentadiene skeleton Resins, epoxy resins having a biphenyl skeleton, epoxy resins having an oxadizolidone ring skeleton, and the like can be used. Among epoxy resins having such a structure, it is very preferable to use a resin having a functional group in the meta position or the ortho position because the rigidity of the epoxy resin composition can be increased. Any epoxy resin may be used as long as it has a single piece, and the structure is not limited to these epoxy resins.

成分(C)は多官能エポキシ樹脂である。成分(C)を成分(B)および成分(C)の合計100質量部に対して60質量部以上配合すると、エポキシ樹脂組成物の剛性と共に耐熱性を高くすることができるため好ましい。より好ましくは70質量部以上である。   Component (C) is a polyfunctional epoxy resin. When component (C) is blended in an amount of 60 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass in total of component (B) and component (C), heat resistance can be increased with the rigidity of the epoxy resin composition, which is preferable. More preferably, it is 70 mass parts or more.

成分(C)としては、テトラキス(グリシジルオキシフェニル)エタン、トリス(グリシジルオキシフェニル)メタンのようなグリシジルエーテル型エポキシ樹脂、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン、トリグリシジルアミノフェノール、トリグリシジルアミノクレゾール、テトラグリシジルキシレンジアミンのようなグリシジルアミン型エポキシ樹脂やナフタレン型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂などを用いることができるが、エポキシ基を分子中に2個よりも多く持つエポキシ樹脂であればどのような構造であっても良く、これらのエポキシ樹脂に限定されるものではない。   Component (C) includes glycidyl ether type epoxy resin such as tetrakis (glycidyloxyphenyl) ethane, tris (glycidyloxyphenyl) methane, tetraglycidyldiaminodiphenylmethane, triglycidylaminophenol, triglycidylaminocresol, tetraglycidylxylenediamine Glycidylamine type epoxy resin, naphthalene type epoxy resin, novolak type epoxy resin, cresol novolak type epoxy resin, etc. can be used, but any epoxy resin having more than two epoxy groups in the molecule can be used. Such a structure may be sufficient and it is not limited to these epoxy resins.

好ましい成分(C)としては、アミノフェノール型エポキシ樹脂、アミノクレゾール型エポキシ樹脂が挙げられる。これらのエポキシ樹脂を用いることで、エポキシ樹脂組成物の剛性と共に耐熱性を高くすることができる。また、このような構造のエポキシ樹脂の中でも、官能基がメタ位やオルト位に配合した樹脂を用いると、エポキシ樹脂組成物の剛性を高めることができるためより好ましい。   Preferable components (C) include aminophenol type epoxy resins and aminocresol type epoxy resins. By using these epoxy resins, the heat resistance can be increased together with the rigidity of the epoxy resin composition. Moreover, among the epoxy resins having such a structure, it is more preferable to use a resin having a functional group blended at the meta position or the ortho position because the rigidity of the epoxy resin composition can be increased.

成分(D)はアミン型の硬化剤である。アミン型の硬化剤としては、例えば、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のような芳香族アミン、脂肪族アミン、イミダゾール誘導体、ジシアンジアミド、テトラメチルグアニジン、チオ尿素付加アミンなど、およびそれらの異性体、変成体を用いることができる。これらの中でもジシアンジアミドはプリプレグの保存性に優れるため特に好ましい。また、ジアミノジフェニルスルホンの各種異性体は、耐熱性の良好な硬化物を与えるため、本発明には最も適している。特に、3,3’−ジアミノジフェニルスルホンは硬化物の剛性を高くすることができるため最適である。   Component (D) is an amine type curing agent. Examples of amine-type curing agents include aromatic amines such as diaminodiphenylmethane and diaminodiphenylsulfone, aliphatic amines, imidazole derivatives, dicyandiamide, tetramethylguanidine, thiourea-added amines, and isomers and modified products thereof. Can be used. Among these, dicyandiamide is particularly preferable because it has excellent prepreg storage stability. Further, various isomers of diaminodiphenylsulfone are most suitable for the present invention because they give a cured product having good heat resistance. In particular, 3,3'-diaminodiphenylsulfone is optimal because it can increase the rigidity of the cured product.

これらの硬化剤には、硬化活性を高めるために、適当な硬化助剤を組み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み合わせる例、カルボン酸無水物やノボラック樹脂に三級アミンを硬化助剤として組み合わせる例、ジアミノジフェニルスルホンにイミダゾール化合物、フェニルジメチルウレア(PDMU)などのウレア化合物、三フッ化モノエチルアミン、三塩化アミン錯体などのアミン錯体を硬化助剤として組み合わせる例がある。   These curing agents can be combined with an appropriate curing aid in order to increase the curing activity. Preferred examples include dicyandiamide and 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, tertiary amines for carboxylic anhydrides and novolak resins In some cases, diaminodiphenylsulfone is combined with an urea complex such as an imidazole compound or phenyldimethylurea (PDMU), or an amine complex such as monoethylamine trifluoride or an amine trichloride complex as a curing aid.

また、本発明のエポキシ樹脂組成物には、添加剤として、熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマーおよびエラストマーからなる群から選ばれた1種以上の樹脂を添加することができる。この添加剤は、マトリックス樹脂組成物の靭性を向上させ、かつ、粘弾性を変化させて、粘度、貯蔵弾性率およびチキソトロープ性を適正化する役割がある。添加剤として用いられる熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマーまたはエラストマーは、単独で使用しても良いし、2種以上を併用しても良い。   Moreover, 1 or more types of resin chosen from the group which consists of a thermoplastic resin, a thermoplastic elastomer, and an elastomer can be added to the epoxy resin composition of this invention as an additive. This additive has the role of improving the toughness of the matrix resin composition and changing the viscoelasticity to optimize the viscosity, storage elastic modulus and thixotropic properties. The thermoplastic resin, thermoplastic elastomer or elastomer used as an additive may be used alone or in combination of two or more.

熱可塑性樹脂としては、主鎖に、炭素−炭素結合、アミド結合、イミド結合、エステル結合、エーテル結合、カーボネート結合、ウレタン結合、尿素結合、チオエーテル結合、スルホン結合、イミダゾール結合およびカルボニル結合からなる群から選ばれた結合を有する熱可塑性樹脂が好ましく用いられる。   The thermoplastic resin includes a group consisting of a carbon-carbon bond, amide bond, imide bond, ester bond, ether bond, carbonate bond, urethane bond, urea bond, thioether bond, sulfone bond, imidazole bond and carbonyl bond in the main chain. A thermoplastic resin having a bond selected from is preferably used.

熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリアクリレート、ポリアミド、ポリアラミド、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、ポリベンズイミダゾール、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリスルホンおよりポリエーテルスルホンのようなエンジニアリングプラスチックに属する熱可塑性樹脂の一群がより好ましく用いられる。耐熱性に優れることから、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリスルホンおよびポリエーテルスルホンなどが特に好ましく使用される。また、これらの熱可塑性樹脂が熱硬化性樹脂との反応性の官能基を有することは、靭性向上および硬化樹脂の耐環境性維持の観点から好ましい態様である。特に好ましい官能基としては、カルボキシル基、アミノ基および水酸基などが挙げられる。   As a thermoplastic resin, for example, a group of thermoplastic resins belonging to engineering plastics such as polyacrylate, polyamide, polyaramid, polyester, polycarbonate, polyphenylene sulfide, polybenzimidazole, polyimide, polyetherimide, polysulfone and polyethersulfone Is more preferably used. From the viewpoint of excellent heat resistance, polyimide, polyetherimide, polysulfone, polyethersulfone and the like are particularly preferably used. Moreover, it is a preferable aspect that these thermoplastic resins have a functional group reactive with a thermosetting resin from the viewpoint of improving toughness and maintaining the environmental resistance of the cured resin. Particularly preferred functional groups include a carboxyl group, an amino group, and a hydroxyl group.

本発明のエポキシ樹脂を強化繊維に含浸させ、加熱により硬化させることにより繊維強化複合材料を得ることができる。   A fiber-reinforced composite material can be obtained by impregnating a reinforcing fiber with the epoxy resin of the present invention and curing it by heating.

本発明のエポキシ樹脂組成物と組み合わせる強化繊維には制限は無く、炭素繊維、ガラス繊維、有機繊維、ボロン繊維、スチール繊維などを、トウ、クロス、チョップドファイバー、マットなどの形態で使用できる。   The reinforcing fiber combined with the epoxy resin composition of the present invention is not limited, and carbon fiber, glass fiber, organic fiber, boron fiber, steel fiber, etc. can be used in the form of tow, cloth, chopped fiber, mat and the like.

これらの強化繊維のうち、炭素繊維や黒鉛繊維は比弾性率が良好で軽量化に大きな効果が認められるので本発明には好ましい。また、用途に応じてあらゆる種類の炭素繊維または黒鉛繊維を用いることができるが、引張強度3500MPa以上、引張弾性率190GPa以上の炭素繊維または黒鉛繊維が特に好ましい。   Among these reinforcing fibers, carbon fibers and graphite fibers are preferable in the present invention because they have good specific elastic modulus and a great effect on weight reduction. Any type of carbon fiber or graphite fiber can be used depending on the application, but carbon fiber or graphite fiber having a tensile strength of 3500 MPa or more and a tensile modulus of 190 GPa or more is particularly preferable.

また、繊維強化複合材料の用途にも制限は無く、テニスラケット、ゴルフシャフトなどの汎用品に使用できるが、本発明の樹脂組成物を用いた繊維強化複合材料は繊維方向の圧縮強度に優れることから、特に航空機用部品への使用に最適である。   In addition, there are no restrictions on the use of the fiber reinforced composite material, and it can be used for general-purpose products such as tennis rackets and golf shafts. However, the fiber reinforced composite material using the resin composition of the present invention has excellent compressive strength in the fiber direction. Therefore, it is particularly suitable for use in aircraft parts.

繊維強化複合材料の製造方法としては、プリプレグと呼ばれるシート状の成形中間体に加工して、オートクレーブ成形、シートラップ成形、プレス成形などの成形方法や、強化繊維のフィラメントやプリフォームにエポキシ樹脂組成物を直接含浸させて成形物を得るRTM、VaRTM、フィラメントワインディリング、RFIなどの成形法を用いることができるが、これらの成形方法に限られるものではない。   Fiber reinforced composite materials can be produced by processing into a sheet-like molding intermediate called prepreg, molding methods such as autoclave molding, sheet wrap molding, and press molding, and epoxy resin composition for reinforcing fiber filaments and preforms. Molding methods such as RTM, VaRTM, filament winding, and RFI that directly impregnate a product to obtain a molded product can be used, but are not limited to these molding methods.

以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention concretely, this invention is not limited at all by these Examples.

樹脂組成物の調製
各原料を単に計量し、ガラスフラスコにて70℃で加熱混合することによって樹脂組成物を得た。
Preparation of Resin Composition Each raw material was simply weighed and heated and mixed at 70 ° C. in a glass flask to obtain a resin composition.

加熱硬化樹脂板の作製
得られた樹脂組成物を2mm厚のポリテトラフルオロエチレンのスペーサーを挟んだ2枚のガラス(2mm厚)の間に注入し、180℃、2時間の硬化条件で加熱硬化させ、加熱硬化樹脂板を得た。
Preparation of heat-cured resin plate The obtained resin composition was poured between two pieces of glass (2 mm thick) with a 2 mm-thick polytetrafluoroethylene spacer in between, and heated and cured at 180 ° C. for 2 hours. To obtain a heat-cured resin plate.

樹脂板の曲げ弾性率の測定
得られた樹脂板を試験片(長さ60mm×幅8mm×厚み2mm)に加工し、3点曲げ冶具(圧子、サポートとも3.2mmR、サポート間距離32mm)を設置したインストロン社製万能試験機を用いて曲げ特性を測定した。荷重負荷速度を2mm/分とした。
Measurement of flexural modulus of resin plate The obtained resin plate is processed into a test piece (length 60 mm x width 8 mm x thickness 2 mm), and a three-point bending jig (3.2 mmR for both indenter and support, distance between supports 32 mm) is used. Bending characteristics were measured using an installed Instron universal testing machine. The loading speed was 2 mm / min.

耐熱性の測定
得られた樹脂板を試験片(長さ55mm×幅12.5mm×厚み2mm)に加工し、TAインストルメンツ社製レオメーターARES−RDAを用いて、測定周波数1Hz、昇温速度5℃/分で、logG’を温度に対してプロットし、logG’の平坦領域の近似直線と、G’が転移する領域の近似直線との交点から求まるガラス転移温度をG’Tgとして記録した。
Measurement of heat resistance The obtained resin plate was processed into a test piece (length 55 mm × width 12.5 mm × thickness 2 mm), and measured using a rheometer ARES-RDA manufactured by TA Instruments, with a measurement frequency of 1 Hz and a heating rate. The log G ′ was plotted against the temperature at 5 ° C./min, and the glass transition temperature obtained from the intersection of the approximate straight line of the flat region of log G ′ and the approximate straight line of the region where G ′ transitions was recorded as G′Tg. .

実施例1〜11および比較例1〜6
上記のようにして、表1に示す原料組成(部は質量部を示す)からなるエポキシ樹脂組成物を調製し、次いで硬化樹脂版を作成し、この硬化樹脂板の物性測定を行った。エポキシ樹脂組成物の含有成分(部は質量部を示す)および硬化樹脂板の物性の評価結果を表2に示す。
Examples 1-11 and Comparative Examples 1-6
As described above, an epoxy resin composition comprising the raw material composition shown in Table 1 (parts represent parts by mass) was prepared, a cured resin plate was then prepared, and the physical properties of the cured resin plate were measured. Table 2 shows the evaluation results of the physical properties of the components contained in the epoxy resin composition (parts represent parts by mass) and the cured resin plate.

配合に用いた原料の詳細を下記に示す。
Nanopox E430:エポキシ樹脂中にシリカ微粒子がコロイダル分散した、シリカ微粒子配合エポキシ樹脂、成分60%がエポキシ当量200eq/g以下のビスフェノール型エポキシ樹脂(2官能)、ナノレジン社製
JER4004P:ビスフェノールF型エポキシ樹脂(2官能)、エポキシ当量880eq/g、ジャパンエポキシレジン社製
JER1002:ビスフェノールA型エポキシ樹脂(2官能)、エポキシ当量650eq/g、ジャパンエポキシレジン社製
JER1009:ビスフェノールA型エポキシ樹脂(2官能)、エポキシ当量28500eq/g、ジャパンエポキシレジン社製
JER807:ビスフェノールF型エポキシ樹脂(2官能)、エポキシ当量168eq/g、ジャパンエポキシレジン社製
JER828:ビスフェノールF型エポキシ樹脂(2官能)、エポキシ当量189eq/g、ジャパンエポキシレジン社製
ELM−100:パラアミノクレゾール型エポキシ樹脂(3官能)、エポキシ当量107eq/g、住友化学社製
JER630:パラアミノフェノール型エポキシ樹脂(3官能)、エポキシ当量97eq/g、ジャパンエポキシレジン社製
JER604:テトラグリジシルジアミノジフェニルメタン型エポキシ樹脂(4官能)、エポキシ当量120eq/g、ジャパンエポキシレジン社製
EPPN502H:トリフェニルメタンノボラック型エポキシ樹脂(官能基数は3よりも大きい)、エポキシ当量168eq/g、日本化薬社製
JER1031S:ノボラック型エポキシ樹脂(4官能)、エポキシ当量200eq/g、ジャパンエポキシレジン社製
3,3’−DDS:3,3’−ジアミノジフェニルスルホン、アミン型硬化剤、日本合成化工社製
PES5003P:ポリエーテルスルホン、熱可塑性樹脂、住友化学社製
Details of the raw materials used for the blending are shown below.
Nanopox E430: Epoxy resin in which silica fine particles are colloidally dispersed in an epoxy resin, bisphenol type epoxy resin (bifunctional) having an epoxy equivalent of 200 eq / g or less, 60% component, JER4004P: Bisphenol F type epoxy resin (Bifunctional), epoxy equivalent 880 eq / g, manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd. JER1002: bisphenol A type epoxy resin (bifunctional), epoxy equivalent 650 eq / g, manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd. JER1009: bisphenol A type epoxy resin (bifunctional) , Epoxy equivalent 28500 eq / g, Japan Epoxy Resin JER807: Bisphenol F type epoxy resin (bifunctional), epoxy equivalent 168 eq / g, Japan Epoxy Resin JER8 8: Bisphenol F type epoxy resin (bifunctional), epoxy equivalent 189 eq / g, manufactured by Japan Epoxy Resin Co. ELM-100: Paraaminocresol type epoxy resin (trifunctional), epoxy equivalent 107 eq / g, manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd. JER630: Paraamino Phenol type epoxy resin (trifunctional), epoxy equivalent of 97 eq / g, manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd. JER604: Tetraglycidyldiaminodiphenylmethane type epoxy resin (tetrafunctional), epoxy equivalent of 120 eq / g, manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd. EPPN502H: Tri Phenylmethane novolac type epoxy resin (number of functional groups is greater than 3), epoxy equivalent 168 eq / g, manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd. JER1031S: novolac type epoxy resin (tetrafunctional), epoxy equivalent 200 eq / g, di 3,3′-DDS: 3,3′-diaminodiphenylsulfone, amine type curing agent, Nippon Synthetic Chemical Industry Co., Ltd. PES5003P: polyethersulfone, thermoplastic resin, manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.

Figure 2009292866
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Figure 2009292866
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表2からわかるように、実施例1〜11でそれぞれ得られた樹脂組成物は非常に高い弾性率を持ち、耐熱性も非常に高かった。
一方、比較例1〜6で得られた硬化樹脂板は何れも低い弾性率を示した。
As can be seen from Table 2, the resin compositions obtained in Examples 1 to 11 had very high elastic modulus and very high heat resistance.
On the other hand, the cured resin plates obtained in Comparative Examples 1 to 6 all exhibited low elastic modulus.

以上に詳細に説明したように、本発明のプリプレグ用樹脂組成物は、硬化後のマトリックス自体の剛性ならびに耐熱性が高く、繊維強化複合材料のマトリックス樹脂として適している。よって、本発明は産業上有用である。   As described in detail above, the resin composition for prepreg of the present invention has high rigidity and heat resistance of the matrix itself after curing, and is suitable as a matrix resin for a fiber-reinforced composite material. Therefore, the present invention is industrially useful.

Claims (7)

成分(A)シリカ微粒子、成分(B)2官能エポキシ樹脂、成分(C)多官能エポキシ樹脂および成分(D)アミン型硬化剤を必須成分として含み、成分(B)および成分(C)の合計100質量部に対して、成分(A)の量が10〜70質量部であり、成分(B)に含まれる成分(B1)エポキシ当量が200以上の2官能エポキシ樹脂の量が15質量部以下である、繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物。   Component (A) silica fine particles, component (B) bifunctional epoxy resin, component (C) polyfunctional epoxy resin and component (D) amine type curing agent are included as essential components, and the sum of component (B) and component (C) The amount of the component (A) is 10 to 70 parts by mass with respect to 100 parts by mass, and the amount of the bifunctional epoxy resin having an epoxy equivalent of 200 or more contained in the component (B) is 15 parts by mass or less. An epoxy resin composition for fiber-reinforced composite materials. 成分(C)の量が、成分(B)および成分(C)の合計100質量部に対して、60質量部以上である請求項1記載のエポキシ樹脂組成物。   The epoxy resin composition according to claim 1, wherein the amount of the component (C) is 60 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass in total of the component (B) and the component (C). 成分(C)がアミノフェノール型エポキシ樹脂である請求項1または2記載のエポキシ樹脂組成物。   The epoxy resin composition according to claim 1 or 2, wherein the component (C) is an aminophenol type epoxy resin. 成分(C)がアミノクレゾール型エポキシ樹脂である請求項1または2記載のエポキシ樹脂組成物。   The epoxy resin composition according to claim 1 or 2, wherein the component (C) is an aminocresol type epoxy resin. 請求項1〜4のいずれかに記載の繊維強化複合材料用樹脂組成物と強化繊維に含浸させ、硬化させて得られる繊維強化複合材料。   A fiber-reinforced composite material obtained by impregnating and curing the resin composition for fiber-reinforced composite material according to any one of claims 1 to 4 and a reinforcing fiber. 請求項1〜4のいずれかに記載の繊維強化複合材料用樹脂組成物と強化繊維からなるプリプレグ。   A prepreg comprising the resin composition for fiber-reinforced composite material according to claim 1 and reinforcing fibers. 請求項6記載のプリプレグを硬化させて得られる繊維強化複合材料。   A fiber-reinforced composite material obtained by curing the prepreg according to claim 6.
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