JP2011162619A - Epoxy resin composition, prepreg and fiber reinforced composite material - Google Patents

Epoxy resin composition, prepreg and fiber reinforced composite material Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an epoxy resin composition that can give a prepreg and a carbon fiber reinforced composite material having excellent shock resistance and tensile strength suitable for airplane members or wind wheel blades. <P>SOLUTION: The epoxy resin composition comprises: [A] an epoxy resin having two or more functional groups and having a glycidyl ether group at a meta position; [B] an epoxy resin having two or more functional groups except for [A]; [C] resin particles insoluble with an epoxy resin and having a structure expressed by general formula (1) (where R<SB>1</SB>and R<SB>2</SB>each represent an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms or a halogen element, and they may be identical or different from each other, and R<SB>3</SB>represents a methylene group having 1 to 20 carbon atoms); [D] a thermoplastic resin soluble with an epoxy resin; and [E] an epoxy resin curing agent. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、優れた耐衝撃性と導電性とを兼ね備えたプリプレグおよび繊維強化複合材料が得られるエポキシ樹脂組成物、およびそれを用いたプリプレグ、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 capable of obtaining a prepreg and a fiber-reinforced composite material having both excellent impact resistance and conductivity, and a prepreg and a fiber-reinforced composite material using the same.

炭素繊維強化複合材料は、比強度や比剛性に優れていることから有用であり、航空機構造部材、風車の羽根、自動車外板およびICトレイやノートパソコンの筐体(ハウジング)などのコンピュータ用途等に広く展開され、その需要は年々増加しつつある。   Carbon fiber reinforced composite materials are useful because they are excellent in specific strength and specific rigidity, such as aircraft structural members, windmill blades, automobile outer plates, and computer applications such as IC trays and notebook PC housings. The demand is increasing year by year.

炭素繊維強化複合材料は、強化繊維である炭素繊維とマトリックス樹脂を必須の構成要素とするプリプレグを成形してなる不均一材料であり、そのため強化繊維の配列方向の物性とそれ以外の方向の物性に大きな差が存在する。例えば、落錘衝撃に対する抵抗性で示される耐衝撃性は、層間の板端剥離強度等で定量される層間剥離強度に支配されるため、強化繊維の強度を向上させるのみでは、抜本的な改良に結びつかないことが知られている。特に、熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂とする炭素繊維強化複合材料は、マトリックス樹脂の低い靭性を反映し、強化繊維の配列方向以外からの応力に対し、破壊され易い性質を持っている。そのため、繊維方向の引張強度や圧縮強度向上に加えて、強化繊維の配列方向以外からの応力に対応することができる複合材料物性の改良を目的に、種々の技術が提案されている。   Carbon fiber reinforced composite material is a heterogeneous material formed by molding a prepreg composed of carbon fibers, which are reinforcing fibers, and a matrix resin as essential components. Therefore, the physical properties of the reinforcing fibers in the alignment direction and the physical properties in other directions There is a big difference. For example, the impact resistance indicated by the resistance to falling weight impact is governed by the delamination strength determined by the interlaminar plate edge delamination strength, etc., so drastic improvement only by improving the strength of the reinforcing fiber It is known that it does not lead to In particular, a carbon fiber reinforced composite material using a thermosetting resin as a matrix resin reflects the low toughness of the matrix resin, and has a property of being easily broken by stress from other than the direction in which the reinforcing fibers are arranged. For this reason, various techniques have been proposed for the purpose of improving the physical properties of composite materials that can cope with stresses from other than the direction in which the reinforcing fibers are arranged, in addition to improving tensile strength and compressive strength in the fiber direction.

靱性を向上させる技術の一つに、樹脂微粒子を表面に分散させたプリプレグが提案されている。具体的には、ナイロン等の熱可塑性樹脂からなる樹脂微粒子をプリプレグの表面に分散させて、炭素繊維強化複合材料に高度の靭性と良好な耐熱性を与える技術である(特許文献1参照)。また別に、ポリスルホンオリゴマー添加により靭性が改良されたマトリックス樹脂と熱硬化性樹脂からなる微粒子とを組み合わせることよって、複合材料に高度の靭性を発現させる技術が提案されている(特許文献2参照)。   As one of the techniques for improving toughness, a prepreg in which resin fine particles are dispersed on the surface has been proposed. Specifically, it is a technique for imparting high toughness and good heat resistance to a carbon fiber reinforced composite material by dispersing resin fine particles made of a thermoplastic resin such as nylon on the surface of a prepreg (see Patent Document 1). Separately, there has been proposed a technique for expressing a high degree of toughness in a composite material by combining a matrix resin whose toughness has been improved by adding a polysulfone oligomer and fine particles made of a thermosetting resin (see Patent Document 2).

また、炭素繊維強化複合材料において、引張強度は、例えば、航空機構造部材、風車の羽根、自動車外板に使用する上で重要な物性である。この引張強度への要求は、より軽量化を進めるために、年々高くなっている。炭素繊維の強度、伸度が上がっても、マトリックス樹脂の性能が伴わなければ、炭素繊維強化複合材料の引張強度は、十分に発現しないことも知られている。   In the carbon fiber reinforced composite material, the tensile strength is an important physical property for use in, for example, aircraft structural members, windmill blades, and automobile outer plates. The demand for the tensile strength is increasing year by year in order to further reduce the weight. It is also known that even if the strength and elongation of the carbon fiber are increased, the tensile strength of the carbon fiber reinforced composite material is not sufficiently exhibited unless the performance of the matrix resin is accompanied.

一方、特定の骨格を有するエポキシ樹脂と、該エポキシ樹脂に不溶な樹脂微粒子を組み合わせることで、引張強度と靱性を両立する方法が提案されている(特許文献3)が、今後一段と高まる、さらなる軽量化と高い靱性への要求を考慮した場合、上記の方法では、必ずしも十分であるとは言えない。   On the other hand, a method has been proposed that combines tensile strength and toughness by combining an epoxy resin having a specific skeleton and resin fine particles that are insoluble in the epoxy resin (Patent Document 3). The above method is not always sufficient when considering the demands for the improvement of the structure and the high toughness.

米国特許第5,028,478号明細書US Pat. No. 5,028,478 特開平3−26750号公報JP-A-3-26750 国際公開2008/40963号パンフレットInternational Publication No. 2008/40963 Pamphlet

そこで本発明の目的は、優れた耐衝撃性と引張強度とを兼ね備えたプリプレグおよび繊維強化複合材料が得られるエポキシ樹脂組成物、およびそれを用いたプリプレグ、繊維強化複合材料を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide an epoxy resin composition from which a prepreg and a fiber reinforced composite material having excellent impact resistance and tensile strength are obtained, and a prepreg and a fiber reinforced composite material using the same. .

本発明者らは、上記目的を達成するために、鋭意検討した結果、従来に比べ、引張強度が強くかつ高靭性な樹脂組成物を見出した。すなわち、本発明は、次の[A]〜[E]を含んでなるエポキシ樹脂組成物である。
[A]メタ位にグリシジルエーテル基をもつ2官能以上のエポキシ樹脂
[B][A]以外の2官能以上のエポキシ樹脂
[C]一般式(1)で表わさせる構造を持つエポキシ樹脂に不溶な粒子
As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have found a resin composition having higher tensile strength and higher toughness than conventional ones. That is, the present invention is an epoxy resin composition comprising the following [A] to [E].
[A] Bifunctional or higher epoxy resin having a glycidyl ether group at the meta position [B] Bifunctional or higher epoxy resin other than [A] [C] Insoluble in epoxy resin having a structure represented by the general formula (1) Particles

Figure 2011162619
Figure 2011162619

(式中R、Rは、炭素数1〜8のアルキル基、ハロゲン元素を表わし、それぞれ同一でも異なっていても良い。式中Rは、炭素数1から20のメチレン基を表わす)。
[D]エポキシ樹脂に可溶な熱可塑性樹脂
[E]エポキシ樹脂硬化剤。
(Wherein R 1 and R 2 represent an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms and a halogen element, and may be the same or different. R 3 represents a methylene group having 1 to 20 carbon atoms) .
[D] Thermoplastic resin soluble in epoxy resin [E] Epoxy resin curing agent.

本発明によれば、耐衝撃性に優れ、かつプリプレグを得る際のプロセス性に優れたエポキシ樹脂組成物を得ることができ、またこのエポキシ樹脂組成物と炭素繊維などの強化繊維を組み合わせることにより、引張強度と耐衝撃性に優れた繊維強化複合材料を得ることができる。   According to the present invention, it is possible to obtain an epoxy resin composition excellent in impact resistance and processability when obtaining a prepreg, and by combining this epoxy resin composition and reinforcing fibers such as carbon fibers. A fiber-reinforced composite material having excellent tensile strength and impact resistance can be obtained.

以下、本発明のエポキシ樹脂組成物、プリプレグおよび繊維強化複合材料について詳細に説明する。   Hereinafter, the epoxy resin composition, prepreg and fiber-reinforced composite material of the present invention will be described in detail.

本発明の成分[A]は、メタ位にグリシジルエーテル基をもつ2官能以上のエポキシ樹脂である。本成分[A]により、本発明のエポキシ樹脂組成物および炭素繊維などの強化繊維を用いて繊維強化複合材料とした際に、高い引張強度が得られる。本発明で言うエポキシ樹脂とは、分子内にグリシジル基を1個以上もつものを指す。   Component [A] of the present invention is a bifunctional or higher functional epoxy resin having a glycidyl ether group at the meta position. When this component [A] is used as a fiber-reinforced composite material using the epoxy resin composition of the present invention and a reinforcing fiber such as carbon fiber, a high tensile strength can be obtained. The epoxy resin referred to in the present invention refers to one having one or more glycidyl groups in the molecule.

2官能のエポキシ樹脂とは、分子内にエポキシ基を2個有するものをいい、3官能のエポキシ樹脂とは分子内にエポキシ基を3個有するものをいう。この様に、分子内にあるエポキシ基(グリシジル基)の数をNとしたとき、そのエポキシ樹脂をN官能のエポキシ樹脂という。   The bifunctional epoxy resin means one having two epoxy groups in the molecule, and the trifunctional epoxy resin means one having three epoxy groups in the molecule. Thus, when the number of epoxy groups (glycidyl groups) in the molecule is N, the epoxy resin is called an N-functional epoxy resin.

本発明で言う、メタ位にグリシジルエーテル基をもつエポキシ樹脂とは、グリシジルエーテル基もしくはグリシジルアミノ基が連結するベンゼン環上の炭素の任意の一つを1位とした時に、3位の炭素にグリシジルエーテル基が連結しているものを言う。   In the present invention, an epoxy resin having a glycidyl ether group at the meta position means that any one of the carbons on the benzene ring to which the glycidyl ether group or the glycidyl amino group is linked is the first position. The glycidyl ether group is connected.

具体的には、1,3位の両方にグリシジルエーテル基を有するレゾルシノール型エポキシ樹脂、1,3,5位にグリシジルエーテル基を有する1,3,5―トリヒドロキシベンゼンのトリグリシジル化エポキシ樹脂、1位にグリシジルアミノ基を有し3位グリシジルエーテル基を有するN,O−ビスグリシジル化−m−アミノフェノール型エポキシ樹脂(「m-アミノフェノール型エポキシ樹脂」と称する。)が挙げられる。また、これらのエポキシ樹脂は、1位、3位以外に炭素数4以下のアルキル基や、ハロゲン元素などの置換基を有していても良い。エポキシ樹脂がアルキル基を有することで、全体の粘度が低下するなどの炭素繊維強化複合材料の製造プロセス上の利点が得られることが多い。この様なエポキシ樹脂の例としては、4−アミノ−m−クレゾールや6-アミノ−m−クレゾールのN,N,O−トリグリシジル化物(以後、m−アミノクレゾール型エポキシ樹脂)などが挙げられる。   Specifically, a resorcinol type epoxy resin having a glycidyl ether group at both the 1,3 positions, a 1,3,5-trihydroxybenzene triglycidylated epoxy resin having a glycidyl ether group at the 1,3,5 positions, An N, O-bisglycidylated m-aminophenol type epoxy resin having a glycidylamino group at the 1-position and a glycidyl ether group at the 3-position (referred to as “m-aminophenol-type epoxy resin”) can be mentioned. Moreover, these epoxy resins may have a substituent such as an alkyl group having 4 or less carbon atoms or a halogen element in addition to the 1st and 3rd positions. An epoxy resin having an alkyl group often provides advantages in the manufacturing process of a carbon fiber reinforced composite material, such as a decrease in the overall viscosity. Examples of such epoxy resins include 4-amino-m-cresol and 6-amino-m-cresol N, N, O-triglycidylate (hereinafter, m-aminocresol type epoxy resin). .

レゾルシノール型エポキシ樹脂の市販品としては、“デナコール(登録商標)”EX−201(ナガセケムテックス(株)社製)などが挙げられる。   Examples of commercially available resorcinol-type epoxy resins include “Denacol (registered trademark)” EX-201 (manufactured by Nagase ChemteX Corporation).

m−アミノフェノール型エポキシ樹脂の市販品としては、“スミエポキシ(登録商標)”ELM−120(住友化学(株)社製)、“アラルダイト(登録商標)”MY0600、アラルダイトMY0610(以上、ハンツマン・アドバンスト・マテリアルズ(株)社製などが挙げられる。   Commercially available m-aminophenol type epoxy resins include “Sumiepoxy (registered trademark)” ELM-120 (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.), “Araldite (registered trademark)” MY0600, Araldite MY0610 (above, Huntsman Advanced) -Materials Co., Ltd. made.

m−アミノクレゾール型エポキシとしては、“スミエポキシ(登録商標)”ELM−100(住友化学(株)社製)などが挙げられる。   Examples of the m-aminocresol type epoxy include “Sumiepoxy (registered trademark)” ELM-100 (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.).

成分[A]の量は、成分[A]と成分[B]の合計100質量部中、40質量部以上90質量部以下であることが好ましい。成分[A]が40質量部未満であると、成分[A]の効果である繊維強化複合材料としたときの引張強度が十分に発現されないことがあり、成分[A]が90質量部より大きい場合は、硬化させる際の発熱量が大きくなり、航空機の翼や風車など大型構造体の生産時内外温度差が生じるなどの熱制御が困難になることがある。   The amount of component [A] is preferably 40 parts by mass or more and 90 parts by mass or less in a total of 100 parts by mass of component [A] and component [B]. When the component [A] is less than 40 parts by mass, the tensile strength of the fiber-reinforced composite material that is the effect of the component [A] may not be sufficiently exhibited, and the component [A] is greater than 90 parts by mass. In some cases, the amount of heat generated during curing increases, and heat control such as a difference in temperature between inside and outside of a large structure such as an aircraft wing or a windmill may be difficult to control.

本発明の成分[B]は成分[A]以外の2官能以上のエポキシ樹脂であり、プロセス性や耐熱性の向上に必須の成分である。なお、成分[B]は、成分[A]以外の2種以上のエポキシ樹脂を含んでいても良い。   Component [B] of the present invention is a bifunctional or higher functional epoxy resin other than component [A], and is an essential component for improving processability and heat resistance. In addition, component [B] may contain 2 or more types of epoxy resins other than component [A].

本発明の成分[B]は、主鎖もしくは側鎖に芳香族環を有するものが耐熱性向上の観点から好ましい。また、本発明のエポキシ樹脂組成物をプリプレグ化する際のプロセス性の観点から、室温で液状であることが好ましい。ここでいう室温で液状であるとは、JIS K7121(1987)に基づいて求められる融点またはガラス転移温度が25℃未満であって、室温で流動性を示すものをさす。   The component [B] of the present invention preferably has an aromatic ring in the main chain or side chain from the viewpoint of improving heat resistance. Moreover, it is preferable that it is liquid at room temperature from a viewpoint of the process property at the time of carrying out the prepreg formation of the epoxy resin composition of this invention. The term “liquid at room temperature” as used herein refers to a material having a melting point or glass transition temperature obtained based on JIS K7121 (1987) of less than 25 ° C. and exhibiting fluidity at room temperature.

こういった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、ナフタレン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂や、ジアミノジフェニルメタン型エポキシ樹脂、ジアミノジフェニルスルホン型エポキシ樹脂、p−アミノフェノール型エポキシ樹脂、p−アミノクレゾール型エポキシ樹脂、メタキシリレンジアミン型エポキシ樹脂、1,3−ビス(アミノメチル)−シクロヘキサン型エポキシ樹脂、イソシアヌレート型エポキシ樹脂およびヒダントイン型エポキシ樹脂などが挙げられる。   Such epoxy resins include bisphenol A type epoxy resin, bisphenol F type epoxy resin, bisphenol S type epoxy resin, naphthalene type epoxy resin, biphenyl type epoxy resin, diaminodiphenylmethane type epoxy resin, diaminodiphenyl sulfone type epoxy resin, p-aminophenol type epoxy resin, p-aminocresol type epoxy resin, metaxylylenediamine type epoxy resin, 1,3-bis (aminomethyl) -cyclohexane type epoxy resin, isocyanurate type epoxy resin and hydantoin type epoxy resin, etc. Is mentioned.

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(ジャパンエポキシレジン(株)社製)、“エピクロン(登録商標)”850(DIC(株)社製)、“エポトート(登録商標)”YD―128(東都化成(株)社製)、およびDER―331やDER−332(以上、ダウケミカル(株)社製)などが挙げられる。   Commercially available bisphenol A type epoxy resins include “EPON (registered trademark)” 825 (manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd.), “Epicron (registered trademark)” 850 (manufactured by DIC Corporation), “Epototo ( Registered trademark) "YD-128 (manufactured by Tohto Kasei Co., Ltd.), DER-331, DER-332 (manufactured by Dow Chemical Co., Ltd.), and the like.

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および“jER(登録商標)”1750(以上、ジャパンエポキシレジン(株)社製)、“エピクロン(登録商標)”830(DIC(株)社製)および“エポトート(登録商標)”YD―170(東都化成(株)社製)などが挙げられる。   As commercial products of bisphenol F type epoxy resin, “jER (registered trademark)” 806, “jER (registered trademark)” 807 and “jER (registered trademark)” 1750 (above, manufactured by Japan Epoxy Resins Co., Ltd.), “Epiclon (registered trademark)” 830 (manufactured by DIC Corporation), “Epototo (registered trademark)” YD-170 (manufactured by Toto Kasei Corporation), and the like.

ジアミノジフェニルメタン型のエポキシ樹脂の市販品としては、ELM434(住友化学(株)社製)、“アラルダイト(登録商標)”MY720、“アラルダイト(登録商標)”MY721、“アラルダイト(登録商標)”MY9512、“アラルダイト(登録商標)”MY9663(以上ハンツマン・アドバンスト・マテリアルズ社製)、および“エポトート(登録商標)”YH―434(東都化成(株)社製)などが挙げられる。   Commercially available diaminodiphenylmethane type epoxy resins include ELM434 (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.), “Araldite (registered trademark)” MY720, “Araldite (registered trademark)” MY721, “Araldite (registered trademark)” MY9512, “Araldite (registered trademark)” MY9663 (manufactured by Huntsman Advanced Materials), “Epototo (registered trademark)” YH-434 (manufactured by Toto Kasei Co., Ltd.), and the like.

メタキシリレンジアミン型のエポキシ樹脂の市販品としては、TETRAD−X(三菱ガス化学(株)社製)が挙げられる。   Examples of commercially available metaxylylenediamine type epoxy resins include TETRAD-X (manufactured by Mitsubishi Gas Chemical Co., Inc.).

1,3−ビスアミノメチルシクロヘキサン型のエポキシ樹脂の市販品としては、TETRAD−C(三菱ガス化学(株)社製)が挙げられる。   Examples of commercially available 1,3-bisaminomethylcyclohexane type epoxy resins include TETRAD-C (manufactured by Mitsubishi Gas Chemical Co., Inc.).

イソシアヌレート型のエポキシ樹脂の市販品としては、TEPIC−P(日産化学工業(株)社製)が挙げられる。   As a commercial item of an isocyanurate type epoxy resin, TEPIC-P (manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd.) can be mentioned.

トリスヒドロキシフェニルメタン型のエポキシ樹脂の市販品としては、Tactix742(ハンツマン・アドバンスト・マテリアルズ(株)社製)が挙げられる。   As a commercial item of a trishydroxyphenylmethane type epoxy resin, Tactix 742 (manufactured by Huntsman Advanced Materials Co., Ltd.) can be mentioned.

テトラフェニロールエタン型のエポキシ樹脂の市販品としては、“jER(登録商標)”1031S(ジャパンエポキシレジン(株)社製)が挙げられる。   As a commercial product of a tetraphenylolethane type epoxy resin, “jER (registered trademark)” 1031S (manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd.) may be mentioned.

p−アミノフェノール型のエポキシ樹脂の市販品としては、“jER(登録商標)”630(ジャパンエポキシレジン(株)社製)、および“アラルダイト(登録商標)”MY0510(ハンツマン・アドバンスト・マテリアルズ(株)社製)が挙げられる。   Commercially available p-aminophenol type epoxy resins include “jER (registered trademark)” 630 (manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd.), and “Araldite (registered trademark)” MY0510 (Huntsman Advanced Materials ( Manufactured by the same company).

テトラグリシジルジミノジフェニルスルホン型のエポキシ樹脂の市販品としては、TG3DAS(三井化学ファイン(株)社製)などが挙げられる。   TG3DAS (Mitsui Chemicals Fine Co., Ltd.) etc. are mentioned as a commercial item of the tetraglycidyl dimino diphenyl sulfone type epoxy resin.

グリシジルアニリン型のエポキシ樹脂の市販品としては、GANやGOT(以上、日本化薬(株)社製)などが挙げられる。   Examples of commercial products of glycidyl aniline type epoxy resins include GAN and GOT (manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.).

ビフェニル型エポキシ樹脂の市販品としては、NC−3000(日本化薬(株)社製)などが挙げられる。   NC-3000 (made by Nippon Kayaku Co., Ltd.) etc. is mentioned as a commercial item of a biphenyl type epoxy resin.

ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂の市販品としては、“エピクロン(登録商標)”HP7200、“エピクロン(登録商標)”HP7200L、“エピクロン(登録商標)”HP7200H(以上、DIC(株)社製)などが挙げられる。   Examples of commercially available dicyclopentadiene type epoxy resins include “Epicron (registered trademark)” HP7200, “Epicron (registered trademark)” HP7200L, “Epicron (registered trademark)” HP7200H (above, manufactured by DIC Corporation), and the like. Can be mentioned.

ウレタン変性エポキシ樹脂の市販品としては、AER4152(旭化成エポキシ(株)社製)などが挙げられる。   Examples of commercially available urethane-modified epoxy resins include AER4152 (manufactured by Asahi Kasei Epoxy Corporation).

フェノールノボラック型エポキシ樹脂の市販品としては、DEN431やDEN438(以上、ダウケミカル(株)社製)および“jER(登録商標)”152(ジャパンエポキシレジン(株)社製)などが挙げられる。   Examples of commercially available phenol novolac epoxy resins include DEN431 and DEN438 (manufactured by Dow Chemical Co., Ltd.) and “jER (registered trademark)” 152 (manufactured by Japan Epoxy Resins Co., Ltd.).

オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂の市販品としては、EOCN−1020(日本化薬(株)社製)や“エピクロン(登録商標)”N−660(DIC(株)社製)などが挙げられる。   Examples of commercially available ortho cresol novolac epoxy resins include EOCN-1020 (manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.) and “Epiclon (registered trademark)” N-660 (manufactured by DIC Corporation).

ヒダントイン型エポキシ樹脂の市販品としては、AY238(ハンツマン・アドバンスト・マテリアルズ(株)社製)が挙げられる。   A commercial product of hydantoin type epoxy resin includes AY238 (manufactured by Huntsman Advanced Materials Co., Ltd.).

成分[C]の粒子とは次の一般式(1)の骨格に持つ、エポキシ樹脂に不溶なポリアミド樹脂からなる樹脂粒子であり、コンポジットの耐衝撃性や靱性を発現させるために必須の成分である。この樹脂粒子がエポキシ樹脂に不溶であるために、マトリックス樹脂であるエポキシ樹脂組成物を硬化させるときに到達する、180℃といった高温でも、エポキシ樹脂中に溶解せず最終的な繊維強化複合材料中で形態を保つことができ、高い耐衝撃性や靭性を発現できる。   Component [C] particles are resin particles made of polyamide resin that is insoluble in epoxy resin in the skeleton of the following general formula (1), and are indispensable components for developing the impact resistance and toughness of the composite. is there. Since these resin particles are insoluble in the epoxy resin, they do not dissolve in the epoxy resin even at a high temperature of 180 ° C., which is reached when the epoxy resin composition that is a matrix resin is cured. The shape can be maintained, and high impact resistance and toughness can be expressed.

Figure 2011162619
Figure 2011162619

(式中R、Rは、炭素数1〜8のアルキル基、ハロゲン元素を表わし、それぞれ同一でも異なっていても良い。式中Rは、炭素数1から20のメチレン基を表わす)。 (Wherein R 1 and R 2 represent an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms and a halogen element, and may be the same or different. R 3 represents a methylene group having 1 to 20 carbon atoms) .

不溶であるとは、樹脂粒子のTgよりも低い温度で、エポキシ樹脂に添加したのち、1時間撹拌し、撹拌前後で粘度変化が小さく、±10%に収まるかどうかを確認することで調べることができる。   Insoluble means to check by checking whether the viscosity change is small and within ± 10% after adding to the epoxy resin at a temperature lower than the Tg of the resin particles and stirring for 1 hour before and after stirring. Can do.

本発明では、70℃に保温したビスフェノールA型エポキシ樹脂である、“EPON(登録商標)”825、100質量部に対し、樹脂粒子5質量部を予備混練することにより得られるエポキシ樹脂混合物を、下記の方法による粘度変化の有無により、溶解性を判断するものとする。   In the present invention, an epoxy resin mixture obtained by pre-kneading 5 parts by mass of resin particles with respect to 100 parts by mass of “EPON (registered trademark)” 825, which is a bisphenol A type epoxy resin kept at 70 ° C., The solubility shall be judged by the presence or absence of viscosity change by the following method.

上記樹脂を、動的粘弾性測定装置ARES(TA−Insturments(株)社製)を用いて、直径40mmのパラレルプレートに樹脂をキャストし、80℃一定下、周波数0.5Hz、Gap 1mmで1時間粘度変化を測定した。   The resin is cast on a parallel plate having a diameter of 40 mm using a dynamic viscoelasticity measuring device ARES (manufactured by TA-Instruments Co., Ltd.), and the resin is 1 at a frequency of 0.5 Hz and a gap of 1 mm at a constant temperature of 80 ° C. The change in time viscosity was measured.

樹脂粒子が溶解する場合は、測定開始後に粘度が上昇し、溶解が終了すると粘度上昇が止まり、粘度が一定になるという挙動が観察できる。樹脂粒子が溶解しない場合は、この粘度変化が±10%以内に収まるので、樹脂粒子の溶解性を判断することができる。   When the resin particles are dissolved, the viscosity increases after the start of measurement, and when the dissolution is completed, the viscosity increase stops and the behavior that the viscosity becomes constant can be observed. When the resin particles are not dissolved, this viscosity change is within ± 10%, so that the solubility of the resin particles can be determined.

かかる樹脂粒子の主構成成分であるポリアミド樹脂とは、少なくとも4,4’−ジアミノジシクロヘキシルメタンおよび/またはその誘導体と、脂肪族ジカルボン酸を必須構成成分とするポリアミドであることを特徴とする。   The polyamide resin, which is the main constituent of the resin particles, is characterized in that it is a polyamide having at least 4,4'-diaminodicyclohexylmethane and / or a derivative thereof and an aliphatic dicarboxylic acid as essential constituents.

4,4’−ジアミノジシクロヘキシルメタンおよび/またはその誘導体の具体例としては、4,4’−ジアミノジシクロヘキシルメタン、4,4’−ジアミノ−3,3’−ジメチルジシクロヘキシルメタン、4,4’−ジアミノ−3,3’−ジエチルジシクロヘキシルメタン、4,4’−ジアミノ−3,3’−ジプロピルジシクロヘキシルメタン、4,4’−ジアミノ−3,3’−ジクロロジシクロヘキシルメタン、4,4’−ジアミノ−3,3’−ジブロモジシクロヘキシルメタンなどが挙げられる。なかでも耐熱性の点から4,4’−ジアミノジシクロヘキシルメタン、4,4’−ジアミノ−3,3’−ジメチルジシクロヘキシルメタンが好ましい。   Specific examples of 4,4′-diaminodicyclohexylmethane and / or derivatives thereof include 4,4′-diaminodicyclohexylmethane, 4,4′-diamino-3,3′-dimethyldicyclohexylmethane, 4,4′-diamino. 3,3′-diethyldicyclohexylmethane, 4,4′-diamino-3,3′-dipropyldicyclohexylmethane, 4,4′-diamino-3,3′-dichlorodicyclohexylmethane, 4,4′-diamino- 3,3′-dibromodicyclohexylmethane and the like. Of these, 4,4'-diaminodicyclohexylmethane and 4,4'-diamino-3,3'-dimethyldicyclohexylmethane are preferred from the viewpoint of heat resistance.

脂肪族ジカルボン酸の具体例としては、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、レパルギル酸、セバシン酸、セバチン酸、1,12−ドデカンジカルボン酸などの直鎖状飽和ジカルボン酸、マレイン酸、フマル酸などの鎖状不飽和ジカルボン酸、シクロプロパンジカルボン酸のような脂環式ジカルボン酸などが挙げられる。1,12−ドデカンジカルボン酸は、アルキル鎖が長く、ポリアミドからなる樹脂粒子の靱性を高くすることから特に好ましい。   Specific examples of the aliphatic dicarboxylic acid include oxalic acid, malonic acid, succinic acid, glutaric acid, adipic acid, pimelic acid, suberic acid, azelaic acid, lepargic acid, sebacic acid, sebacic acid, 1,12-dodecanedicarboxylic acid Linear saturated dicarboxylic acids such as maleic acid, chain unsaturated dicarboxylic acids such as maleic acid and fumaric acid, and alicyclic dicarboxylic acids such as cyclopropanedicarboxylic acid. 1,12-dodecanedicarboxylic acid is particularly preferable since it has a long alkyl chain and increases the toughness of resin particles made of polyamide.

4,4’−ジアミノジシクロヘキシルメタンおよび/またはその誘導体と、脂肪族ジカルボン酸を必須構成成分とするポリアミドからなる樹脂粒子は、上記の4,4’−ジアミノジシクロヘキシルメタンおよび/またはその誘導体から少なくとも1種以上と、上記の脂肪族ジカルボン酸から少なくとも1種以上とから誘導される構成成分とするポリアミドからなる樹脂粒子である。   Resin particles comprising 4,4′-diaminodicyclohexylmethane and / or a derivative thereof and a polyamide having an aliphatic dicarboxylic acid as an essential component are at least 1 from the above 4,4′-diaminodicyclohexylmethane and / or a derivative thereof. Resin particles made of polyamide as a constituent component derived from at least one species and at least one species from the above aliphatic dicarboxylic acids.

かかる4,4’−ジアミノジシクロヘキシルメタンおよび/またはその誘導体と、脂肪族ジカルボン酸を必須構成成分とするポリアミドの構成成分量としては、ポリアミドからなる樹脂粒子中の全ポリアミド中50〜100質量%であることが好ましい。ポリアミド自身の靱性を最大限に発揮できるという点から80〜100質量%であることが、より好ましい。   The amount of the constituent component of the polyamide having 4,4′-diaminodicyclohexylmethane and / or its derivative and aliphatic dicarboxylic acid as essential constituent components is 50 to 100% by mass in the total polyamide in the resin particles made of polyamide. Preferably there is. It is more preferably 80 to 100% by mass from the viewpoint that the toughness of the polyamide itself can be maximized.

4,4’−ジアミノジシクロヘキシルメタンおよび/またはその誘導体と、脂肪族ジカルボン酸を必須構成成分とするポリアミドの市販品としては、“グリルアミド(登録商標)” TR90(エムザベルケ(株)社製)、“TROGAMID(登録商標)” CX7323 、CX9701、CX9704、(デグサ(株)社製)が挙げられる。   As a commercial product of polyamide having 4,4′-diaminodicyclohexylmethane and / or a derivative thereof and an aliphatic dicarboxylic acid as essential components, “Grillamide (registered trademark)” TR90 (manufactured by Mzavelke Co., Ltd.), “ TROGAMID (registered trademark) ”CX7233, CX9701, CX9704 (manufactured by Degussa Co., Ltd.).

また、本発明のポリアミドからなる樹脂粒子は、4,4’−ジアミノジシクロヘキシルメタンおよび/またはその誘導体と脂肪族ジカルボン酸を必須構成成分とするポリアミドに、さらに4,4’−ジアミノジシクロヘキシルメタンおよび/またはその誘導体、イソフタル酸、12−アミノドデカン酸を構成成分とするポリアミドを含むポリアミドからなる樹脂粒子であってもよい。   Further, the resin particles comprising the polyamide of the present invention include 4,4′-diaminodicyclohexylmethane and / or a derivative thereof and an aliphatic dicarboxylic acid as essential components, and 4,4′-diaminodicyclohexylmethane and / or Or the resin particle which consists of a polyamide containing the derivative | guide_body, the isophthalic acid, and the polyamide which uses 12-aminododecanoic acid as a structural component may be sufficient.

4,4’−ジアミノジシクロヘキシルメタンおよび/またはその誘導体、イソフタル酸、12−アミノドデカン酸を構成成分とするポリアミドにおける、4,4’−ジアミノジシクロヘキシルメタンおよび/またはその誘導体としては、4,4’−ジアミノジシクロヘキシルメタン、4,4’−ジアミノ−3,3’−ジメチルジシクロヘキシルメタン、4,4’−ジアミノ−3,3’−ジエチルジシクロヘキシルメタン、4,4’−ジアミノ−3,3’−ジプロピルジシクロヘキシルメタン、4,4’−ジアミノ−3,3’−ジクロロジシクロヘキシルメタン、4,4’−ジアミノ−3,3’−ジブロモジシクロヘキシルメタンなどが挙げられる。なかでも耐熱性の点から4,4’−ジアミノジシクロヘキシルメタン、4,4’−ジアミノ−3,3’−ジメチルジシクロヘキシルメタンが好ましい。   4,4′-diaminodicyclohexylmethane and / or derivatives thereof, 4,4′-diaminodicyclohexylmethane and / or derivatives thereof in polyamides containing isophthalic acid and 12-aminododecanoic acid as constituent components are -Diaminodicyclohexylmethane, 4,4'-diamino-3,3'-dimethyldicyclohexylmethane, 4,4'-diamino-3,3'-diethyldicyclohexylmethane, 4,4'-diamino-3,3'-di Examples include propyldicyclohexylmethane, 4,4′-diamino-3,3′-dichlorodicyclohexylmethane, 4,4′-diamino-3,3′-dibromodicyclohexylmethane. Of these, 4,4'-diaminodicyclohexylmethane and 4,4'-diamino-3,3'-dimethyldicyclohexylmethane are preferred from the viewpoint of heat resistance.

4,4’−ジアミノジシクロヘキシルメタンおよび/またはその誘導体、イソフタル酸、12−アミノドデカン酸を構成成分とするポリアミドの市販品としては、“グリルアミド(登録商標)” TR55(エムザベルケ(株)社製)などが挙げられる。   As a commercial product of polyamide comprising 4,4′-diaminodicyclohexylmethane and / or a derivative thereof, isophthalic acid, and 12-aminododecanoic acid as constituents, “Grillamide (registered trademark)” TR55 (manufactured by Mzavelke Co., Ltd.) Etc.

かかる4,4’−ジアミノジシクロヘキシルメタンおよび/またはその誘導体、と脂肪族ジカルボン酸を必須構成成分とするポリアミドに、4,4’−ジアミノジシクロヘキシルメタンおよび/またはその誘導体、イソフタル酸、12−アミノドデカン酸を構成成分とするポリアミドの市販品として、“グリルアミド(登録商標)” TR70LX(エムザベルケ(株)社製)などが挙げられる。また前記“グリルアミド(登録商標)” TR90(エムザベルケ(株)社製)、“TROGAMID(登録商標)” CX7323 (デグサ(株)社製)と“グリルアミド(登録商標)” TR55(エムザベルケ(株)社製)とを混合して用いてもよい。   Polyamide having 4,4′-diaminodicyclohexylmethane and / or a derivative thereof and an aliphatic dicarboxylic acid as essential components, 4,4′-diaminodicyclohexylmethane and / or a derivative thereof, isophthalic acid, 12-aminododecane Examples of commercially available polyamides containing acid as a constituent component include “Grillamide (registered trademark)” TR70LX (manufactured by Mzavelke Co., Ltd.). In addition, the “Grillamide (registered trademark)” TR90 (manufactured by Mzavelke), “TROGAMID (registered trademark)” CX7323 (manufactured by Degussa) and “Grillamide (registered trademark)” TR55 (Mzabelke) May be used as a mixture.

さらには、前記“グリルアミド(登録商標)” TR90(エムザベルケ(株)社製)、“TROGAMID(登録商標)” CX7323 (デグサ(株)社製)、“グリルアミド(登録商標)” TR55(エムザベルケ(株)社製)と上記“グリルアミド(登録商標)” TR70LX(エムザベルケ(株)社製)とを混合して用いてもよい。   Furthermore, “Grillamide (registered trademark)” TR90 (manufactured by Mzavelke), “TROGAMID (registered trademark)” CX7323 (manufactured by Degussa), “Grillamide (registered trademark)” TR55 (Mzabelke) The above-mentioned “Grillamide (registered trademark)” TR70LX (manufactured by Mzavelke Co., Ltd.) may be used in combination.

また、上記ポリアミドからなる樹脂粒子は、その中に、熱硬化性樹脂が含有されていても良い。上記ポリアミドからなる樹脂粒子に熱硬化性樹脂を含有することで、樹脂粒子の耐熱性、弾性率などを制御することができる。ポリアミドからなる樹脂粒子に含有される熱硬化性樹脂としては、具体的には、エポキシ樹脂、ベンゾオキサジン樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、マレイミド樹脂、シアン酸エステル樹脂または尿素樹脂などが挙げられる。   Moreover, the resin particle which consists of said polyamide may contain the thermosetting resin in it. By containing a thermosetting resin in the resin particles made of the polyamide, the heat resistance, elastic modulus and the like of the resin particles can be controlled. Specific examples of the thermosetting resin contained in the polyamide resin particles include epoxy resins, benzoxazine resins, vinyl ester resins, unsaturated polyester resins, urethane resins, phenol resins, melamine resins, maleimide resins, and cyanides. Examples include acid ester resins and urea resins.

樹脂粒子の粒径は、樹脂組成物の製造プロセスや、繊維強化複合材料をつくるプロセスの影響を受けるが、平均粒子径で、1〜150μmの間であることが好ましく、より好ましくは、1〜100μmであり、さらに好ましくは、5〜50μmであり、特に好ましくは、5〜35μmである。   The particle diameter of the resin particles is affected by the process of producing the resin composition and the process of producing the fiber reinforced composite material, but the average particle diameter is preferably between 1 and 150 μm, more preferably 1 to The thickness is 100 μm, more preferably 5 to 50 μm, and particularly preferably 5 to 35 μm.

平均粒子径がこの範囲未満であると、樹脂粒子を作成することの難易度が高い上、繊維強化複合材料を製造するプロセス中に、繊維と繊維の隙間に粒子が入り込むことにより、繊維のアライメントを乱すため、繊維強化複合材料の強度が低下することがある。また、平均粒子径が、150μmよりも大きい場合、プロセス中で使用される、フィルター、スリッター等の目詰まりを起こす場合があり、繊維強化複合材料の欠点となる場合がある。   If the average particle size is less than this range, it is difficult to create resin particles, and the fibers are aligned in the gap between the fibers during the process of manufacturing the fiber reinforced composite material. May disturb the strength of the fiber-reinforced composite material. Further, when the average particle diameter is larger than 150 μm, clogging of filters, slitters, etc. used in the process may occur, which may be a defect of the fiber reinforced composite material.

ここでいう平均粒子径とは、走査型電子顕微鏡写真から任意の100個の粒子直径を測定し、その算術平均を求めることにより算出することができる。上記写真において、真円状でない場合、即ち楕円状のような場合は、粒子の最大径をその粒子径とする。粒子径を正確に測定するためには、少なくとも1000倍以上、好ましくは、5000倍以上の倍率で測定する。   The average particle diameter here can be calculated by measuring an arbitrary 100 particle diameters from a scanning electron micrograph and calculating the arithmetic average thereof. In the above photograph, when the shape is not a perfect circle, that is, when it is oval, the maximum diameter of the particle is taken as the particle diameter. In order to accurately measure the particle size, it is measured at a magnification of at least 1000 times, preferably 5000 times or more.

樹脂粒子の形状としては球状のものが安定した耐衝撃性の発現や繊維強化複合材料をつくる際の粘度の安定性の面で好ましいが、楕円球状、扁平状、岩状、金平糖状、不定形などの形状のものでも使用できる。また、粒子内部は、中空状、多孔状などであっても良い。   As the shape of the resin particles, spherical particles are preferable in terms of stable impact resistance and viscosity stability when making fiber reinforced composite materials, but elliptical spherical, flat, rocky, scalloped sugar, amorphous It can be used even in the shape of. The inside of the particles may be hollow or porous.

樹脂粒子の作成方法としては、既存のどの様な方法を用いても良い。例えば液体窒素などにより凍結後機械粉砕により微細な粒子を得る方法、溶媒に原材料を溶解させた後にスプレードライする方法、粒子化したい樹脂成分とそれとは異なる樹脂成分とを機械的に混練することにより海島構造を形成させ、その後に海成分を溶媒で除去する強制溶融混練乳化法、溶媒に原材料を溶解させた後に貧溶媒中で再沈殿または再凝集させる方法などが挙げられる。   Any existing method may be used as a method for producing the resin particles. For example, a method of obtaining fine particles by mechanical pulverization after freezing with liquid nitrogen or the like, a method of spray drying after dissolving raw materials in a solvent, by mechanically kneading a resin component to be granulated and a different resin component Examples thereof include a forced melt kneading emulsification method in which a sea-island structure is formed and then sea components are removed with a solvent, and a method in which raw materials are dissolved in a solvent and then reprecipitated or reaggregated in a poor solvent.

また、この樹脂粒子の表面を加工することで、新しい機能を付与することも可能である。   Further, it is possible to impart a new function by processing the surface of the resin particles.

例えば、本発明の樹脂粒子をコア材として、その表面に別のシェル層をつける方法などが挙げられる。この際、シェル層としては、所望の機能により、選定するものが異なるが、例えば、鉄、コバルト、銅、銀、金、白金、パラジウム、錫、ニッケルなどの導電性を持つ金属をシェル層として付与することで、マトリックス樹脂の導電性を向上させるという機能を付与することができる。金属をシェル層として付与する場合、そのシェルの厚みは付与したい機能の特性が得られる十分な厚みとするべきであるが、マトリックス樹脂を調製する際に、マトリックス樹脂の比重に比べて大きすぎたり、小さすぎたりすると均一に混合することができなくなることから、金属をシェル層に付与した最終的な粒子の比重としては、0.9〜2.0の間に含まれていることが好ましい。   For example, the resin particle of this invention can be used as a core material, and the method of attaching another shell layer on the surface etc. is mentioned. At this time, the shell layer to be selected differs depending on the desired function. For example, a conductive metal such as iron, cobalt, copper, silver, gold, platinum, palladium, tin, or nickel is used as the shell layer. By giving, the function of improving the electroconductivity of matrix resin can be provided. When a metal is applied as a shell layer, the thickness of the shell should be sufficient to obtain the characteristics of the desired function, but when the matrix resin is prepared, it is too large compared to the specific gravity of the matrix resin. If the particle size is too small, uniform mixing cannot be achieved. Therefore, the specific gravity of the final particles imparted with the metal to the shell layer is preferably between 0.9 and 2.0.

[D]成分は、エポキシ樹脂に可溶な熱可塑性樹脂である。これらを配合することでマトリックス樹脂の粘度を適切な領域にすることができ、炭素繊維と組み合わせてプリプレグとした際に、タック性やドレープ性を使用目的に合った範囲に調整することができる。また、エポキシ樹脂の耐衝撃性や層間靱性の向上にも重要である。ここでいう可溶であるとは、Tgもしくは融点よりも低い温度でエポキシ樹脂に添加、1時間撹拌し、撹拌前後で粘度変化が−10%よりも小さくなるか、10%よりも大きくなるかどうかで判断できる。   The component [D] is a thermoplastic resin that is soluble in the epoxy resin. By blending these, the viscosity of the matrix resin can be adjusted to an appropriate region, and when combined with carbon fiber to form a prepreg, the tackiness and draping properties can be adjusted to a range suitable for the purpose of use. It is also important for improving the impact resistance and interlayer toughness of the epoxy resin. “Soluble” as used herein refers to whether the viscosity change is smaller than −10% or larger than 10% before and after stirring by adding to the epoxy resin at a temperature lower than Tg or melting point and stirring for 1 hour. It can be judged by how.

このような熱可塑性樹脂としては、一般に、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、チオエーテル結合、スルホン結合およびカルボニル結合からなる群から選ばれる結合を有する熱可塑性樹脂であることが好ましいが、部分的に架橋構造を有していても良い。   Such thermoplastic resins are generally selected from the group consisting of carbon-carbon bonds, amide bonds, imide bonds, ester bonds, ether bonds, carbonate bonds, urethane bonds, thioether bonds, sulfone bonds and carbonyl bonds in the main chain. A thermoplastic resin having a selected bond is preferred, but it may have a partially crosslinked structure.

また、この熱可塑性樹脂は、結晶性を有していても非晶性であってもよい。特に、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリエステル、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、フェニルトリメチルインダン構造を有するポリイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、アラミド、ポリエーテルニトリルおよびポリベンズイミダゾールからなる群から選ばれる少なくとも1種以上の樹脂が、エポキシ樹脂組成物に、混合または溶解していることが好適である。繊維強化複合材料としたときに高い層間靭性の得やすいポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、またはポリフェニレンエーテルが好ましい。特に好ましくはポリエーテルスルホンである。   Moreover, this thermoplastic resin may have crystallinity or may be amorphous. In particular, polyamide, polycarbonate, polyacetal, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyarylate, polyester, polyamideimide, polyimide, polyetherimide, polyimide with phenyltrimethylindane structure, polysulfone, polyethersulfone, polyetherketone, polyetheretherketone It is preferable that at least one resin selected from the group consisting of aramid, polyether nitrile, and polybenzimidazole is mixed or dissolved in the epoxy resin composition. Polyether sulfone, polyether imide, or polyphenylene ether, which can easily obtain high interlayer toughness when used as a fiber-reinforced composite material, is preferable. Particularly preferred is polyethersulfone.

この熱可塑性樹脂をエポキシ樹脂に溶解させる場合、熱可塑性樹脂の平均分子量や分子量分布、エポキシ樹脂との相互作用により好適な配合量が異なる。   When this thermoplastic resin is dissolved in an epoxy resin, the preferred blending amount varies depending on the average molecular weight and molecular weight distribution of the thermoplastic resin and the interaction with the epoxy resin.

実用的には、エポキシ樹脂組成物中に1〜30質量%含まれていることが好ましい。例えばポリエーテルスルホンでは、その分子量や末端官能基の種類によって最適な量は異なるが、粘度調整やコンポジット物性の発現をさせるために5〜20質量%含まれていることが好ましい。末端官能基が水酸基やアミノ基である場合、エポキシ樹脂との親和性や反応性から、高いコンポジット物性を発現させやすく好ましい。   Practically, it is preferable that 1-30 mass% is contained in an epoxy resin composition. For example, the optimum amount of polyethersulfone varies depending on the molecular weight and the type of the terminal functional group, but it is preferably contained in an amount of 5 to 20% by mass in order to adjust the viscosity and develop composite physical properties. In the case where the terminal functional group is a hydroxyl group or an amino group, it is preferable that high composite physical properties are easily developed due to affinity and reactivity with the epoxy resin.

[E]成分は、エポキシ樹脂硬化剤である。[A]成分および[B]と反応させて、架橋構造をつくり、良好な耐熱性や高い機械強度を与えるために必須の成分である。   The component [E] is an epoxy resin curing agent. It is an essential component for reacting with the component [A] and [B] to form a crosslinked structure and to give good heat resistance and high mechanical strength.

[E]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いずれのもでも用いることができる。   As the epoxy resin curing agent [E], any compound having an active group capable of reacting with an epoxy resin can be used.

好ましくは、アミノ基、酸無水物基、アジ化物を有する化合物が適している。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。   Preferably, a compound having an amino group, an acid anhydride group or an azide is suitable. Examples include dicyandiamide, alicyclic amines, aliphatic amines, aromatic amines, aminobenzoic acid esters, various acid anhydrides, phenol novolac resins, cresol novolac resins, imidazole derivatives, boron trifluoride complexes and boron trichloride. Examples include Lewis acid complexes such as complexes.

特に機械物性に優れたエポキシ樹脂硬化物を与えるという面で、芳香族アミン硬化剤が好ましく用いられる。中でも、耐熱性の観点から2つ以上のアミノ基を有する芳香族ポリアミン類が好ましい。   In particular, an aromatic amine curing agent is preferably used in terms of providing an epoxy resin cured product having excellent mechanical properties. Of these, aromatic polyamines having two or more amino groups are preferred from the viewpoint of heat resistance.

芳香族ポリアミン類の具体例をあげると、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、メタキシリレンジアミン、ジフェニル−パラ−ジアニリンや、これらのアルキル置換体などの各種誘導体やアミノ基の位置の異なる異性体が挙げられる。これらの硬化剤は単独もしくは2種類以上を併用する事ができる。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が望ましい。   Specific examples of aromatic polyamines include metaphenylenediamine, diaminodiphenylmethane, diaminodiphenylsulfone, metaxylylenediamine, diphenyl-para-dianiline, various derivatives such as these alkyl substituents, and different amino positions. Isomers. These curing agents can be used alone or in combination of two or more. Of these, diaminodiphenylmethane and diaminodiphenylsulfone are preferable from the viewpoint of imparting heat resistance to the composition.

ジアミノジフェニルスルホンとしては、3,3’-ジアミノジフェニルスルホン、3,4'-ジアミノジフェニルスルホンや4,4’−ジアミノジフェニルスルホンなどの異性体が挙げられる。耐熱性の観点から4,4'-ジアミノジフェニルスルホンが特に好ましい。   Examples of diaminodiphenyl sulfone include isomers such as 3,3'-diaminodiphenyl sulfone, 3,4'-diaminodiphenyl sulfone, and 4,4'-diaminodiphenyl sulfone. From the viewpoint of heat resistance, 4,4′-diaminodiphenyl sulfone is particularly preferable.

その添加量の最適値は、[A]成分、[B]成分の種類、量、および硬化剤の種類により異なる。例えば、芳香族アミン硬化剤では、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エポキシ基に対して0.5〜1.4の間にあることが好ましく、より好ましくは0.6〜1.4である。当量比が、0.5よりも小さい場合、硬化反応が十分に起こらず、硬化不良が発生したり、硬化反応に長時間を要したりする場合がある。当量比が、1.4よりも大きい場合は、硬化時に消費されなかった硬化剤が欠陥となり、機械物性を低下させることがある。   The optimum value of the amount added varies depending on the types and amounts of the [A] component and [B] component, and the type of curing agent. For example, in an aromatic amine curing agent, the stoichiometric equivalent ratio is preferably between 0.5 and 1.4 based on the total epoxy groups contained in the epoxy resin composition of the present invention, and more Preferably it is 0.6-1.4. When the equivalent ratio is less than 0.5, the curing reaction does not occur sufficiently, and curing failure may occur or the curing reaction may take a long time. When the equivalent ratio is larger than 1.4, the curing agent that is not consumed at the time of curing becomes a defect, which may deteriorate the mechanical properties.

硬化剤はモノマー、オリゴマーいずれの形でも使用できる。[A]成分や[B]成分との混合時は粉体、液体いずれの形態でも良い。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、硬化促進剤を併用しても良い。   The curing agent can be used in either monomer or oligomer form. When mixing with the component [A] or the component [B], either powder or liquid may be used. These curing agents may be used alone or in combination. Moreover, you may use together a hardening accelerator.

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、高い耐熱性および耐水性が得られるために好ましく用いられる。   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. It is preferably used because high heat resistance and water resistance are obtained.

本発明の樹脂組成物の未硬化物の粘度は、プリプレグを作製したり、使用したりする際のプロセス性や、プリプレグを硬化時の樹脂フローを押さえる観点から、その粘度が50℃で50〜10000Pa・sであることが好ましい。50Pa・s未満の場合、タックが強すぎてプリプレグを誤積層した際のリカバリーが効かなくなったり、樹脂フローが大きく繊維強化複合材料の物性が安定しなかったりすることがある。また10000Pa・sより大きい場合、プリプレグの賦形成が悪くなり曲面形状への賦型が難しくなることがある。   The viscosity of the uncured product of the resin composition of the present invention is 50 to 50 ° C. in terms of processability when producing or using a prepreg, and from the viewpoint of suppressing the resin flow during curing of the prepreg. It is preferably 10,000 Pa · s. When the viscosity is less than 50 Pa · s, the tack may be too strong to recover when the prepreg is erroneously laminated, or the resin flow may be large and the physical properties of the fiber-reinforced composite material may not be stable. On the other hand, if it is greater than 10000 Pa · s, the formation of the prepreg may be poor and it may be difficult to form the curved surface.

本発明のプリプレグ、繊維強化複合材料に用いられる強化繊維として、炭素繊維、炭化ケイ素繊維、ガラス繊維およびアラミド繊維などが好ましく用いられ、特に軽量かつ高性能であり、優れた力学特性の繊維強化複合材料が得られる点で、炭素繊維が好ましく用いられる。   Carbon fibers, silicon carbide fibers, glass fibers, and aramid fibers are preferably used as the reinforcing fibers used in the prepreg and fiber-reinforced composite material of the present invention, and are particularly lightweight, high-performance, and fiber-reinforced composites with excellent mechanical properties. Carbon fiber is preferably used in that the material is obtained.

強化繊維として好ましく用いられる炭素繊維は、具体的にはアクリル系、ピッチ系およびレーヨン系等の炭素繊維が例示され、特に引張強度の高いアクリル系の炭素繊維が好ましく用いられる。   Specific examples of carbon fibers that are preferably used as reinforcing fibers include acrylic, pitch, and rayon carbon fibers, and acrylic carbon fibers that have a particularly high tensile strength are preferably used.

かかるアクリル系の炭素繊維は、例えば、アクリロニトリルを主成分とするモノマーから得られるポリアクリロニトリルを含む紡糸原液を、湿式紡糸法、乾湿式紡糸法、乾式紡糸法、または溶融紡糸法により紡糸し、紡糸後の凝固糸は、製糸工程を経て、プリカーサーとし、続いて耐炎化および炭化などの工程を経て得ることができる。   Such acrylic carbon fibers are obtained by spinning a spinning stock solution containing polyacrylonitrile obtained from a monomer containing acrylonitrile as a main component by a wet spinning method, a dry wet spinning method, a dry spinning method, or a melt spinning method, and spinning. The later coagulated yarn can be obtained through a yarn-making process to be a precursor, followed by steps such as flame resistance and carbonization.

炭素繊維の形態としては、有撚糸、解撚糸および無撚糸等を使用することができるが、有撚糸の場合は強化繊維束を構成するフィラメントの配合が平行ではないため、繊維強化複合材料の力学特性の低下の原因となる場合があることから、繊維強化複合材料の成形性と強度特性のバランスが良い解撚糸または無撚糸が好ましく用いられる。   As the form of carbon fiber, twisted yarn, untwisted yarn, untwisted yarn, etc. can be used, but in the case of twisted yarn, the composition of the filaments constituting the reinforcing fiber bundle is not parallel, so the dynamics of the fiber reinforced composite material An untwisted yarn or a non-twisted yarn having a good balance between formability and strength properties of the fiber-reinforced composite material is preferably used because it may cause a decrease in properties.

強化繊維として好ましく用いられる炭素繊維としては、既知の炭素繊維であれば、いずれのものでも用いることができるが、ストランド引張試験におけるストランド強度が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。なお、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。   As the carbon fiber that is preferably used as the reinforcing fiber, any carbon fiber can be used as long as it is a known carbon fiber. However, the strand strength in the strand tensile test is 5000 MPa or more and 9500 MPa or less, and the elastic modulus is 270 GPa or more and 400 GPa. The following are preferably used. The strand tensile test refers to a test carried out 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(株)社製): 100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)社製):3質量部
・アセトン(例えば、和光純薬工業(株)社製):4質量部。
[Resin composition]
3,4-epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxy-cyclohexyl-carboxylate (for example, ERL-4221, manufactured by Union Carbide Corp.): 100 parts by weight-boron trifluoride monoethylamine (for example, stellachemifa) (Manufactured by Co., Ltd.): 3 parts by mass. Acetone (for example, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.): 4 parts by mass.

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。炭素繊維フィラメント数が1000未満であるとプリプレグ化する際の作業が繁雑となり、100000本より多いとフィラメント間に樹脂を含浸させることが困難になり含浸不良が起きることがある。   The number of filaments of carbon fiber is preferably 1,000 to 100,000, and more preferably 3000 to 50,000. When the number of carbon fiber filaments is less than 1000, the work for prepreging becomes complicated, and when the number is more than 100,000, it is difficult to impregnate the resin between the filaments and impregnation failure may occur.

本発明のプリプレグに用いられるエポキシ樹脂組成物の混練方法は、一般的にエポキシ樹脂組成物の調製に使用されるものであれば、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。   The kneading method of the epoxy resin composition used for the prepreg of the present invention may be any method as long as it is generally used for preparing the epoxy resin composition. For example, a kneader or a planetary mixer is used.

本発明のプリプレグは、以下に説明するウェット法、ホットメルト法などにより製造することができる。   The prepreg of the present invention can be produced by a wet method, a hot melt method, or the like described below.

ウェット法とは、強化繊維をエポキシ樹脂組成物の溶液に浸漬した後、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、ホットメルト法とは、加熱により低粘度化したエポキシ樹脂組成物を直接強化繊維に含浸させる方法、または一旦エポキシ樹脂組成物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また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。   The wet method is a method in which reinforcing fibers are immersed in a solution of an epoxy resin composition, and then lifted and the solvent is evaporated using an oven or the like. The hot melt method is an epoxy resin composition whose viscosity is reduced by heating. Reinforced by directly impregnating the fiber with reinforcing fiber, or by preparing a film once coated with an epoxy resin composition on release paper, etc., and then overlaying the film from both sides or one side of the reinforcing fiber and heating and pressing This is a method of impregnating a fiber with a resin. 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。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、作業が繁雑になることがある。 The prepreg preferably has a reinforcing fiber amount of 70 to 1000 g / m 2 per unit area. When the amount of the reinforcing fibers 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.

一方で、強化繊維量が1000g/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、プリプレグ中の繊維含有率は、好ましくは30〜90質量%であり、より好ましくは35〜85質量%であり、更に好ましくは40〜80質量%である。繊維含有率が30質量%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ったりすることがある。また、繊維含有率が90質量%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。 On the other hand, when the amount of reinforcing fibers exceeds 1000 g / m 2 , the prepreg drapability tends to deteriorate. Moreover, the fiber content rate in a prepreg becomes like this. Preferably it is 30-90 mass%, More preferably, it is 35-85 mass%, More preferably, it is 40-80 mass%. When the fiber content is less than 30% by mass, the amount of the resin is too large, and the advantages of the fiber reinforced composite material excellent in specific strength and specific elastic modulus cannot be obtained. The calorific value may increase. On the other hand, if the fiber content exceeds 90% by mass, poor resin impregnation may occur, and the resulting composite material may have a large amount of 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。ドレープ性の指標は、様々な評価方法があるが、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分間静置し、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 evaluation methods for the drapeability 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 stand by 100 mm and further fixed with tape. There is a method of measuring the bending angle θ of the prepreg by allowing it to stand for 5 minutes after fixing.

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 of 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 unfixed end of the prepreg are measured, and the bending angle θ is calculated from the tangent value. The higher the bending angle θ, the lower the drapability. If the drapeability is low, it is difficult to shape the curved surface. If the drapeability is too high, the 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、エポキシ樹脂組成物の硬化物と強化繊維からなる、本発明の繊維強化複合材料が作製される。   After laminating the obtained prepreg, the fiber-reinforced composite material of the present invention consisting of a cured product of the epoxy resin composition and reinforcing fibers is produced by a method of heat curing the resin while applying pressure to the laminate.

ここで熱およ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、内圧成形法等が挙げられる。   Examples of methods for applying heat and pressure include a press molding method, an autoclave molding method, a bagging molding method, a wrapping tape method, and an internal pressure molding method.

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、プリプレグの固定および圧力付与のため、プリプレグの外側に熱可塑性樹脂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。   The wrapping tape method is a method of winding a prepreg around a mandrel or other core metal to form a tubular body made of a fiber-reinforced composite material, and is a method suitable for producing a rod-shaped body such as a golf shaft or fishing rod. . More specifically, the prepreg is wound around a mandrel, and a wrapping tape made of a thermoplastic resin film is wound around the outside of the prepreg to fix and apply pressure to the prepreg. This is a method of extracting a gold to obtain a tubular body.

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。   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、加減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。
本発明の繊維強化複合材料は、高い引張強度と高い耐衝撃性を有することから、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、自転車等の一般産業用途に広く用いることができる。
When the fiber-reinforced composite material of the present invention is molded, pressure increase / decrease is not essential, but pressure increase / decrease may be performed 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.
Since the fiber-reinforced composite material of the present invention has high tensile strength and high impact resistance, it can be widely used in general industrial applications such as wind turbines, automobiles, and bicycles, including aerospace applications that require high mechanical properties. .

以下、実施例によって、本発明のエポキシ樹脂組成物と、それを用いたプリプレグおよび炭素繊維強化複合材料について、より具体的に説明する。実施例で用いた炭素繊維、樹脂原料、プリプレグと炭素繊維強化複合材料の作製方法および評価法を次に示す。実施例のプリプレグの作成環境と評価は、特に断りのない限り、温度25℃±2℃、相対湿度50%の雰囲気で行った。   Hereinafter, the epoxy resin composition of the present invention, and the prepreg and carbon fiber reinforced composite material using the epoxy resin composition of the present invention will be described more specifically with reference to examples. The production method and evaluation method of carbon fiber, resin raw material, prepreg and carbon fiber reinforced composite material used in the examples are shown below. The preparation environment and evaluation of the prepregs of the examples were performed in an atmosphere having a temperature of 25 ° C. ± 2 ° C. and a relative humidity of 50% unless otherwise specified.

粒子1、2については、国際公開2009/142231号パンフレットを参考に作成した。   The particles 1 and 2 were prepared with reference to the pamphlet of International Publication No. 2009/142231.

<成分A>
・MY0600(m−アミノフェノール型エポキシ樹脂、エポキシ当量118,ハンツマン・アドバンスト・マテリアルズ(株)社製)
・“デナコール(登録商標)”Ex−201(レゾルシノール型エポキシ樹脂、エポキシ当量117、ナガセケムテックス(株)社製)。
<Component A>
MY0600 (m-aminophenol type epoxy resin, epoxy equivalent 118, manufactured by Huntsman Advanced Materials Co., Ltd.)
"Denacol (registered trademark)" Ex-201 (resorcinol type epoxy resin, epoxy equivalent 117, manufactured by Nagase ChemteX Corporation).

<成分B>
・“エピクロン(登録商標)”830(ビスフェノールF型エポキシ樹脂、エポキシ当量170、DIC(株)社製)
・“jER(登録商標)”630(p−アミノフェノール型エポキシ樹脂、エポキシ当量97.5、ジャパンエポキシレジン(株)社製)。
<Component B>
"Epiclon (registered trademark)" 830 (bisphenol F type epoxy resin, epoxy equivalent 170, manufactured by DIC Corporation)
"JER (registered trademark)" 630 (p-aminophenol type epoxy resin, epoxy equivalent 97.5, manufactured by Japan Epoxy Resins Co., Ltd.).

<成分C>
・粒子1(“トロガミド(登録商標)”CX7323を原料として、作成した粒径20μmの粒子、80℃2時間での粘度変化0%)
(粒子1の製造方法:国際公開2009/142231号パンフレットを参考とした。)
1000mlの4口フラスコの中に、ポリマーAとしてポリアミド(重量平均分子量17,000、デグザ(株)社製“TROGAMID(登録商標)”CX7323 )20g、有機溶媒としてギ酸500g、ポリマーBとしてポリビニルアルコール20g(和光純薬工業(株)社製 PVA 1000、SP値32.8(J/cm1/2)を加え、80℃に加熱し、ポリマーが溶解するまで攪拌を行った。系の温度を55℃に下げた後に、十分に攪拌した状態を継続しながら、900rpmで攪拌をしながら、貧溶媒として500gのイオン交換水を、送液ポンプを経由し、0.5g/分のスピードで滴下を開始した。徐々に滴下速度を上げながら滴下し、全量を90分かけて滴下した。100gのイオン交換水を入れた時に系が白色に変化した。半分量のイオン交換水を滴下した時点で系の温度を60℃まで昇温させ、引き続き、残りのイオン交換水を入れ、全量滴下した後に、引き続き30分間攪拌した。室温に戻した懸濁液を、ろ過し、イオン交換水500gで洗浄し、80℃、10時間真空乾燥を行い、白色固体11gを得た。得られた粉体を走査型電子顕微鏡にて観察したところ、平均粒子径 19.5μm、粒子径分布指数1.17のポリアミド微粒子であった。
<Component C>
・ Particle 1 (“Trogamide (registered trademark)” CX7233 was used as a raw material, a particle having a particle diameter of 20 μm, a viscosity change of 0% at 80 ° C. for 2 hours)
(Manufacturing method of particle 1: Reference was made to the pamphlet of International Publication No. 2009/142231)
In a 1000 ml four-necked flask, 20 g of polyamide as polymer A (weight average molecular weight 17,000, “TROGAMID (registered trademark)” CX7323 manufactured by Degusa Co., Ltd.), 500 g of formic acid as an organic solvent, and 20 g of polyvinyl alcohol as polymer B (PVA 1000 manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., SP value 32.8 (J / cm 3 ) 1/2 ) was added, heated to 80 ° C., and stirred until the polymer was dissolved. After the temperature of the system was lowered to 55 ° C., 500 g of ion-exchanged water as a poor solvent was added at 0.5 g / min via a liquid feed pump while stirring at 900 rpm while continuing a sufficiently stirred state. The dripping was started at a speed of. The solution was dropped while gradually increasing the dropping speed, and the entire amount was dropped over 90 minutes. The system turned white when 100 g of ion exchange water was added. When half the amount of ion-exchanged water was dropped, the temperature of the system was raised to 60 ° C., then the remaining ion-exchanged water was added, and after the whole amount was dropped, stirring was continued for 30 minutes. The suspension returned to room temperature was filtered, washed with 500 g of ion-exchanged water, and vacuum-dried at 80 ° C. for 10 hours to obtain 11 g of a white solid. When the obtained powder was observed with a scanning electron microscope, it was polyamide fine particles having an average particle size of 19.5 μm and a particle size distribution index of 1.17.

・粒子2(“トロガミド(登録商標)”CX7323を原料として、作成した粒径30μmの粒子、80℃2時間での粘度変化0%)
(粒子2の製造方法:国際公開2009/142231号パンフレットを参考とした。)
1000mlの4口フラスコの中に、ポリマーAとしてポリアミド(重量平均分子量17,000、デグザ(株)社製“TROGAMID(登録商標)”CX7323 )20g、有機溶媒としてギ酸500g、ポリマーBとしてポリビニルアルコール20g(和光純薬工業(株)社製 PVA 1000、SP値32.8(J/cm1/2)を加え、70℃に加熱し、ポリマーが溶解するまで攪拌を行った。系の温度をそのまま維持し、十分に攪拌した状態を継続しながら、900rpmで攪拌をしながら、貧溶媒として600gのイオン交換水を、送液ポンプを経由し、0.5g/分のスピードで滴下を開始した。徐々に滴下速度を上げながら滴下し、全量を90分かけて滴下した。100gのイオン交換水を入れた時に系が白色に変化した。半分量のイオン交換水を滴下した時点で系の温度を60℃まで昇温させ、引き続き、残りのイオン交換水を入れ、全量滴下した後に、引き続き30分間攪拌した。室温に戻した懸濁液を、ろ過し、イオン交換水500gで洗浄し、80℃ 10時間真空乾燥を行い、白色固体11gを得た。得られた粉体を走査型電子顕微鏡にて、観察したところ、平均粒子径 30.5μm、粒子径分布指数1.46のポリアミド微粒子であった。
・ Particle 2 (“Trogamide (registered trademark)” CX7323 was used as a raw material, a particle with a particle size of 30 μm, a viscosity change of 0% at 80 ° C. for 2 hours)
(Manufacturing method of particle 2: Reference was made to pamphlet of International Publication No. 2009/142231)
In a 1000 ml four-necked flask, 20 g of polyamide as polymer A (weight average molecular weight 17,000, “TROGAMID (registered trademark)” CX7323 manufactured by Degusa Co., Ltd.), 500 g of formic acid as an organic solvent, and 20 g of polyvinyl alcohol as polymer B (PVA 1000 manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., SP value 32.8 (J / cm 3 ) 1/2 ) was added, heated to 70 ° C., and stirred until the polymer was dissolved. While maintaining the temperature of the system as it is and sufficiently stirring, while stirring at 900 rpm, 600 g of ion exchange water as a poor solvent is passed through a liquid feed pump at a speed of 0.5 g / min. The dripping was started. The solution was dropped while gradually increasing the dropping speed, and the entire amount was dropped over 90 minutes. The system turned white when 100 g of ion exchange water was added. When half the amount of ion-exchanged water was dropped, the temperature of the system was raised to 60 ° C., then the remaining ion-exchanged water was added, and after the whole amount was dropped, stirring was continued for 30 minutes. The suspension returned to room temperature was filtered, washed with 500 g of ion-exchanged water, and vacuum-dried at 80 ° C. for 10 hours to obtain 11 g of a white solid. When the obtained powder was observed with a scanning electron microscope, it was a polyamide fine particle having an average particle size of 30.5 μm and a particle size distribution index of 1.46.

<成分D>
・“スミカエクセル(登録商標)”PES 5003P(ポリエーテルスルホン、住友化学(株)社製)。
<Component D>
"Sumika Excel (registered trademark)" PES 5003P (polyethersulfone, manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.).

<成分E>
・4,4’−DDS(4,4’−ジアミノジフェニルスルホン、“セイカキュア(登録商標)”−S、和歌山精化(株)社製)
・3,3’−DAS(3,3’−ジアミノジフェニルスルホン、三井化学ファイン(株)社製)。
<Component E>
・ 4,4′-DDS (4,4′-diaminodiphenylsulfone, “Seika Cure (registered trademark)”-S, manufactured by Wakayama Seika Co., Ltd.)
-3,3′-DAS (3,3′-diaminodiphenylsulfone, manufactured by Mitsui Chemicals Fine Co., Ltd.).

<その他成分>
・粒子3(エムザベルケ(株)社製“グリルアミド(登録商標)”TR―55を原料として作成した粒径15.2μm、80℃2時間での粘度変化2%)
(粒子3の製造方法)
4,4’−ジアミノ−3,3’ジメチルジシクロヘキシルメタンを必須構成成分として含有するポリアミド(エムザベルケ(株)社製“グリルアミド(登録商標)”TR−55)94重量部、エポキシ樹脂(ジャパンエポキシレジン(株)社製“jER(登録商標)”828)4重量部および硬化剤(富士化成工業(株)社製“トーマイド(登録商標)”#296)2重量部を、クロロホルム300重量部とメタノール100重量部の混合溶媒中に添加して均一溶液を得た。次に該溶液を塗装用のスプレーガンを用いて霧状にして、よく撹拌した3000重量部のn−ヘキサンの液面に向かって吹き付けて溶質を析出させた。析出した固体を濾別し、n−ヘキサンでよく洗浄した後、100℃24時間の真空乾燥を行い透明ポリアミドの粒子を得た。得られた粉体を走査型電子顕微鏡にて、観察したところ、平均粒子径 15.2μm、粒子径分布指数2.10のポリアミド微粒子であった。
<Other ingredients>
・ Particle 3 (Mizaberke Co., Ltd. "Grillamide (registered trademark)" TR-55 made particle size 15.2μm, viscosity change 2% at 80 ℃ 2 hours)
(Method for producing particle 3)
Polyamide containing 4,4′-diamino-3,3′dimethyldicyclohexylmethane as an essential constituent (“Glilamide (registered trademark)” TR-55 manufactured by Mzavelke Co., Ltd.), 94 parts by weight, epoxy resin (Japan Epoxy Resin) 4 parts by weight of “jER (registered trademark)” 828 manufactured by Co., Ltd. and 2 parts by weight of a curing agent (“Tomide (registered trademark)” # 296 manufactured by Fuji Kasei Kogyo Co., Ltd.), 300 parts by weight of chloroform and methanol It added in 100 weight part mixed solvent, and obtained the uniform solution. Next, the solution was atomized using a spray gun for coating, and sprayed toward the liquid surface of 3000 parts by weight of n-hexane, which was well stirred, to precipitate a solute. The precipitated solid was separated by filtration, washed well with n-hexane, and then vacuum dried at 100 ° C. for 24 hours to obtain transparent polyamide particles. When the obtained powder was observed with a scanning electron microscope, it was polyamide fine particles having an average particle size of 15.2 μm and a particle size distribution index of 2.10.

・粒子4(“Orgasol(登録商標)”1002D、粒径20μm、アルケマ(株)社製、80℃ 2時間での粘度変化100%)。   Particle 4 (“Orgasol (registered trademark)” 1002D, particle size 20 μm, manufactured by Arkema Co., Ltd., viscosity change 100% at 80 ° C. for 2 hours).

<強化繊維>
・炭素繊維“トレカ(登録商標)”T800GC−24K(東レ(株)社製)。
<Reinforcing fiber>
Carbon fiber “Torayca (registered trademark)” T800GC-24K (manufactured by Toray Industries, Inc.).

(1)プリプレグの作成
表1に示すエポキシ樹脂組成物(表中、数字は質量部を表す。)を調製し、ナイフコーターを用いて樹脂目付52g/mで離型紙上にコーティングし、樹脂フィルムを作製した。この樹脂フィルムを一方向に引き揃えた炭素繊維(目付190g/m)の両側に重ね合せてヒートロールを用い、100℃、4kg/cmで加熱加圧しながらエポキシ樹脂組成物を含浸させ、目的の一方向プリプレグを得た。
(1) Preparation of prepreg The epoxy resin composition shown in Table 1 (in the table, the numbers represent parts by mass) was prepared, and coated on a release paper with a resin basis weight of 52 g / m 2 using a knife coater. A film was prepared. This resin film is impregnated with an epoxy resin composition while being heated and pressed at 100 ° C. and 4 kg / cm 2 using a heat roll by superimposing both sides of carbon fibers (weight per unit area 190 g / m 2 ) aligned in one direction, The desired unidirectional prepreg was obtained.

(2)未硬化樹脂の粘度測定
エポキシ樹脂組成物の未硬化物の粘度は、動的粘弾性測定装置ARES(TA−Insturments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℃/minで単純昇温し、周波数0.5Hz、Gap 1mmの条件で測定を行った。昇温は室温から50℃までの範囲で行い、50℃での複素粘度ηを粘度として記録した。
(2) Viscosity measurement of uncured resin The viscosity of the uncured product of the epoxy resin composition was measured using a dynamic viscoelasticity measuring device ARES (manufactured by TA-Instruments), a parallel plate having a diameter of 40 mm, and a temperature increase rate of 2 The temperature was simply raised at ° C./min, and measurement was performed under the conditions of a frequency of 0.5 Hz and a gap of 1 mm. The temperature was raised from room temperature to 50 ° C., and the complex viscosity η * at 50 ° C. was recorded as the viscosity.

(3)樹脂硬化物のガラス転移温度
樹脂硬化物のガラス転移温度の測定は、示差熱量計(DSC)を用いて、JIS K7121(1987)に基づいて求めた中間点温度をガラス転移温度とした。樹脂硬化物は、真空下60℃で脱泡後、オーブン中で、1気圧、180℃、2時間で硬化させたものを用いた。
(3) Glass transition temperature of cured resin product The glass transition temperature of the cured resin product was measured using the differential calorimeter (DSC) as the glass transition temperature at the midpoint temperature determined based on JIS K7121 (1987). . The resin cured product was defoamed at 60 ° C. under vacuum and then cured in an oven at 1 atm, 180 ° C. for 2 hours.

(4)繊維強化複合材料の0°引張強度測定
(1)で得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、真空バッグを行い、オートクレーブを用いて、温度180℃、圧力6kg/cmの条件下、2時間で硬化させ、一方向強化材(炭素繊維強化複合材料)を得た。この一方向強化材を幅12.7mm、長さ230mmの大きさにカットし、両端に1.2mm、長さ50mmのガラス繊維強化プラスチック製のタブを接着し試験片を得た。この試験片はインストロン万能試験機を用いて、JIS K7073(1988)の規格に準じて0゜引張試験(測定温度−60℃)を行った。
(4) Measurement of 0 ° tensile strength of fiber reinforced composite material Cut the unidirectional prepreg obtained in (1) into a predetermined size, laminate 6 sheets in one direction, perform a vacuum bag, and use an autoclave. It was cured in 2 hours under the conditions of a temperature of 180 ° C. and a pressure of 6 kg / cm 2 to obtain a unidirectional reinforcing material (carbon fiber reinforced composite material). This unidirectional reinforcing material was cut into a size of 12.7 mm in width and 230 mm in length, and a glass fiber reinforced plastic tab having a length of 1.2 mm and a length of 50 mm was bonded to both ends to obtain a test piece. This test piece was subjected to a 0 ° tensile test (measurement temperature −60 ° C.) according to the standard of JIS K7073 (1988) using an Instron universal testing machine.

(5)繊維強化複合材料の層間靱性試験
(1)で得た一方向プリプレグを200×250mmの大きさに30枚切り出し、これを繊維方向が同じ方向になるように積層した。また、積層時、初期亀裂導入のために、離型処理したポリイミドフィルム(厚さ0.3mm)を、積層中央面に縁が繊維方向と直角になるよう挿入した。フィルムの先端は、積層体の縁から40mmのところに配置した。この積層体をオートクレーブ中で180℃、内圧6kg/cmの条件下、2時間加熱加圧して硬化し、一方向繊維強化複合材料を成形した。かかる一方向繊維強化複合材料を、20×195mmに切断し、試験片とした。この試験片をJIS K7086(1993)付属書2に従って、ENF試験を行った。
(5) Interlaminar toughness test of fiber reinforced composite material Thirty unidirectional prepregs obtained in (1) were cut into a size of 200 × 250 mm and laminated so that the fiber directions were the same. Further, at the time of lamination, a polyimide film (thickness: 0.3 mm) subjected to mold release treatment was inserted into the central surface of the lamination so that the edge was perpendicular to the fiber direction in order to introduce an initial crack. The tip of the film was disposed at a position 40 mm from the edge of the laminate. This laminate was cured by heating and pressing for 2 hours in an autoclave under conditions of 180 ° C. and an internal pressure of 6 kg / cm 2 to form a unidirectional fiber-reinforced composite material. The unidirectional fiber reinforced composite material was cut into 20 × 195 mm to obtain a test piece. This test piece was subjected to an ENF test in accordance with JIS K7086 (1993) appendix 2.

Figure 2011162619
Figure 2011162619

Figure 2011162619
Figure 2011162619

実施例1、3、4、6、7と比較例1、5との比較により[A]成分の有無により、層間靱性ならびに引張強度が低下することが分かる。実施例4、6と比較例2、3との比較により、[C]成分の有無により層間靱性が低下することが分かる。実施例2、4、5と比較例4との比較により、[B]成分の有無により引張強度が低下することが分かる。   Comparison between Examples 1, 3, 4, 6, and 7 and Comparative Examples 1 and 5 reveals that the interlaminar toughness and tensile strength are lowered depending on the presence or absence of the [A] component. Comparison between Examples 4 and 6 and Comparative Examples 2 and 3 reveals that the interlayer toughness decreases depending on the presence or absence of the [C] component. From the comparison between Examples 2, 4, and 5 and Comparative Example 4, it can be seen that the tensile strength decreases depending on the presence or absence of the [B] component.

本発明のエポキシ樹脂組成物により得られる炭素繊維強化複合材料は、層間剪断強度や引張強度が優れるため、従来用途における軽量化等の効果に加えて、これまで適用が難しかった構造部材にも広く適用することが可能である。   Since the carbon fiber reinforced composite material obtained by the epoxy resin composition of the present invention is excellent in interlaminar shear strength and tensile strength, in addition to effects such as weight reduction in conventional applications, it is widely used in structural members that have been difficult to apply so far. It is possible to apply.

例えば、航空宇宙用途では、航空機の主翼、尾翼およびフロアビーム等の一次構造材用途、フラップ、エルロン、カウル、フェアリングおよび内装材等の二次構造材用途、ロケットモーターケースおよび人工衛星構造材用途等に好適に用いられる。また一般産業用途では、自動車、船舶および鉄道車両等の移動体の構造材、ドライブシャフト、板バネ、風車ブレード、圧力容器、フライホイール、製紙用ローラ、屋根材、ケーブル、補強筋および補修補強材料等の土木・建築材料用途等に好適に用いられる。さらにスポーツ用途では、ゴルフシャフト、釣り竿、テニス、バトミントンおよびスカッシュ等のラケット用途、ホッケー等のスティック、スケート靴用途、およびスキーポール用途等に好適に用いられる。   For example, in aerospace applications, primary structural materials such as aircraft main wings, tail wings and floor beams, secondary structural materials such as flaps, ailerons, cowls, fairings and interior materials, rocket motor cases and satellite structural materials It is used suitably for etc. In general industrial applications, structural materials for moving bodies such as automobiles, ships, and railway vehicles, drive shafts, leaf springs, windmill blades, pressure vessels, flywheels, paper rollers, roofing materials, cables, reinforcement bars, and repair reinforcement materials It is suitably used for civil engineering and building material applications. Further, in sports applications, it is suitably used for golf shafts, fishing rods, tennis, badminton and squash rackets, hockey sticks, skates, ski poles, and the like.

Claims (8)

次の[A]〜[E]を含んでなるエポキシ樹脂組成物。
[A]メタ位にグリシジルエーテル基をもつ2官能以上のエポキシ樹脂
[B][A]以外の2官能以上のエポキシ樹脂
[C]一般式(1)で表わされる構造を持つエポキシ樹脂に不溶な樹脂粒子
Figure 2011162619
(式中R、Rは、炭素数1〜8のアルキル基、ハロゲン元素を表わし、それぞれ同一でも異なっていても良い。式中Rは、炭素数1から20のメチレン基を表わす。)
[D]エポキシ樹脂に可溶な熱可塑性樹脂
[E]エポキシ樹脂硬化剤
An epoxy resin composition comprising the following [A] to [E].
[A] Bifunctional or higher functional epoxy resin having a glycidyl ether group at the meta position [B] Bifunctional or higher functional epoxy resin other than [A] [C] Insoluble in epoxy resin having a structure represented by the general formula (1) Resin particles
Figure 2011162619
(In the formula, R 1 and R 2 represent an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms and a halogen element, and may be the same or different. R 3 represents a methylene group having 1 to 20 carbon atoms. )
[D] Thermoplastic resin soluble in epoxy resin [E] Epoxy resin curing agent
[A]がレゾルシノール型エポキシ樹脂、またはm-アミノフェノール型エポキシ樹脂である、請求項1に記載のエポキシ樹脂組成物。 The epoxy resin composition according to claim 1, wherein [A] is a resorcinol type epoxy resin or an m-aminophenol type epoxy resin. [B]の少なくとも1つ以上が2官能以上であり、かつ室温で液状である、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 at least one of [B] is bifunctional or more and is liquid at room temperature. [D]がポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、またはポリフェニレンエーテルである、請求項1〜3のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。 The epoxy resin composition according to any one of claims 1 to 3, wherein [D] is polyethersulfone, polyetherimide, or polyphenylene ether. [E]が芳香族ポリアミン硬化剤である、請求項1〜4のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。 The epoxy resin composition according to any one of claims 1 to 4, wherein [E] is an aromatic polyamine curing agent. [E]がジアミノジフェニルスルホン、もしくはその誘導体または異性体である、請求項1〜5のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。 The epoxy resin composition according to any one of claims 1 to 5, wherein [E] is diaminodiphenyl sulfone, or a derivative or isomer thereof. 請求項1〜6に記載のエポキシ樹脂組成物を強化繊維に含浸させたプリプレグ。 A prepreg obtained by impregnating reinforcing fibers with the epoxy resin composition according to claim 1. 請求項1〜6に記載のエポキシ樹脂組成物の硬化物と強化繊維からなる繊維強化複合材料。 A fiber-reinforced composite material comprising a cured product of the epoxy resin composition according to claim 1 and reinforcing fibers.
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