JP2014159564A - Prepreg and sizing agent-coated carbon fiber - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a prepreg for producing a carbon fiber composite material which exhibits excellent tensile modulus of elasticity and tensile strength of a perforated plate, and to provide a sizing agent-coated carbon fiber which is a raw material thereof.SOLUTION: A prepreg contains a carbon fiber (I) and a thermosetting resin (II). In the carbon fiber (I), when a single fiber apparent stress is 15.3 GPa in a fragmentation method of a single fiber composite, the number of fiber breaks is 2.0 pieces/mm or more, and when the single fiber apparent stress is 12.2 GPa, the number of fiber breaks is 1.7 pieces/mm or less. The thermosetting resin (II) contains an epoxy compound (A) and an aromatic amine curing agent (B).

Description

本発明は、サイジング剤が塗布されてなる炭素繊維、(以下、サイジング剤塗布炭素繊維という)およびプリプレグに関するものである。より詳しくは、本発明は、良好な物性、特に高い有孔板引張強度(以下、OHTと略記することもある)を有する炭素繊維強化複合材料が得られる、特定の単繊維強度分布を有する炭素繊維を用いたマトリックス樹脂との接着性に優れるサイジング剤塗布炭素繊維、および、かかる炭素繊維ないしサイジング剤塗布炭素繊維を用いたプリプレグに関するものである。   The present invention relates to a carbon fiber coated with a sizing agent (hereinafter referred to as sizing agent-coated carbon fiber) and a prepreg. More specifically, the present invention relates to carbon having a specific single fiber strength distribution from which a carbon fiber reinforced composite material having good physical properties, particularly high perforated plate tensile strength (hereinafter sometimes abbreviated as OHT) is obtained. The present invention relates to a sizing agent-coated carbon fiber excellent in adhesiveness to a matrix resin using fibers, and a prepreg using such carbon fiber or sizing agent-coated carbon fiber.

炭素繊維は、その高い比強度・比弾性率から繊維強化複合材料の強化繊維として航空機用途に用いられることで航空機の軽量化に貢献してきており、近年、適用部材の拡大と大型部材への適用の流れが加速されつつある。航空機の軽量化には、炭素繊維強化複合材料の剛性を支配する炭素繊維の引張弾性率を向上させることが最も効果的であるが、樹脂含浸ストランド(以下、単にストランドという)弾性率を中心とした、炭素繊維のさらなる機械的特性の向上、さらには、炭素繊維強化複合材料としての引張・圧縮強度や有孔板引張・圧縮強度の向上など、幅広い物性バランスに優れることが求められている。なかでも、炭素繊維強化複合材料が航空機用途に用いられる場合には、擬似等方材料を穿孔してファスナーとともに用いることが多いため、一方向の炭素繊維強化複合材料の引張強度よりも有孔板引張強度が重要である。多くの要素が有孔板引張強度に影響を与えるため、その強度発現のメカニズムは不明確な部分も多く、炭素繊維が有孔板引張強度に与える影響については、一般に有孔板引張強度はストランド強度と比例すると知られていた。   Carbon fiber has contributed to weight reduction of aircraft by being used for aircraft applications as a reinforcing fiber of fiber reinforced composite material due to its high specific strength and specific modulus. The flow of is being accelerated. For reducing the weight of aircraft, it is most effective to improve the tensile modulus of carbon fiber that governs the rigidity of the carbon fiber reinforced composite material. Therefore, it is required to have a wide balance of physical properties such as further improvement of mechanical properties of carbon fiber, and further improvement of tensile / compressive strength and perforated plate tensile / compressive strength as a carbon fiber reinforced composite material. In particular, when carbon fiber reinforced composite materials are used for aircraft applications, it is often the case that perforated plates are used rather than the tensile strength of unidirectional carbon fiber reinforced composite materials because they are often used with fasteners by drilling pseudo isotropic materials. Tensile strength is important. Since many factors affect the perforated plate tensile strength, the mechanism of its strength development is often unclear, and the influence of carbon fiber on the perforated plate tensile strength is generally It was known to be proportional to strength.

ストランド強度とは、強化繊維である炭素繊維の強度ポテンシャルを調べる簡便な方法として用いられているもので、特定のエポキシ樹脂を含浸させて得られる簡易な一方向の炭素繊維強化複合材料の引張強度(以下、一方向複合材料強度という)のことを示す。一方向複合材料強度は、一般に単繊維強度分布と強く関係し、非特許文献1で示される以下の式で予測すると一方向複合材料強度の計算値σ は概ねに実測値と一致することが知られている。 Strand strength is used as a simple method for examining the strength potential of carbon fiber, which is a reinforcing fiber. Tensile strength of a simple unidirectional carbon fiber reinforced composite material obtained by impregnating a specific epoxy resin. (Hereinafter referred to as unidirectional composite material strength). The unidirectional composite material strength is generally strongly related to the single fiber strength distribution, and the predicted value σ c * of the unidirectional composite material strength generally agrees with the actually measured value when predicted by the following formula shown in Non-Patent Document 1. It has been known.

Figure 2014159564
Figure 2014159564

ここで、σ、m、L、τはそれぞれ単繊維強度試験のワイブル形状係数、ワイブル尺度係数、試長、界面剪断強度を示し、一方向の炭素繊維強化複合材料の一種であるストランド強度試験の場合に界面剪断強度は7MPaを用いる。 Here, σ 0 , m, L 0 , and τ represent the Weibull shape factor, Weibull scale factor, test length, and interfacial shear strength in the single fiber strength test, respectively, and the strand strength that is a kind of unidirectional carbon fiber reinforced composite material In the case of the test, the interfacial shear strength is 7 MPa.

単繊維強度試験はストランド強度試験よりも精密に繊維強度を調べる手法として幅広く検討されている(非特許文献2および3、特許文献1および2)。これらの文献に示すように試長を短くすることで見掛け強度分布の挙動が変化する(具体的には、試長が短くなるほど単繊維強度分布のワイブル形状係数が大きくなる)が、これらの文献には様々な挙動が開示されており、それらの挙動に対する統一的な見解はなかった。このような問題に対処するために、単繊維の長手方向に渡る応力分布が詳細に解釈されている単繊維コンポジットのフラグメンテーション試験から単繊維強度分布を評価する手法がある(非特許文献4および5)。しかしながら、かかる手法は一般的に用いられる単繊維強度試験に比べて、単繊維コンポジットのフラグメンテーション試験は単繊維強度分布の評価手法として未成熟であり、検討例があまり多くなかった。そのため、短試長領域の精密な強度分布を議論しているものはこれまでなかった。   The single fiber strength test is widely studied as a method for examining fiber strength more precisely than the strand strength test (Non-patent Documents 2 and 3, Patent Documents 1 and 2). As shown in these documents, the behavior of the apparent strength distribution changes by shortening the sample length (specifically, the Weibull shape factor of the single fiber strength distribution increases as the sample length decreases). Has disclosed various behaviors, and there was no unified view of these behaviors. In order to cope with such a problem, there is a method of evaluating the single fiber strength distribution from a fragmentation test of a single fiber composite in which the stress distribution in the longitudinal direction of the single fiber is interpreted in detail (Non-Patent Documents 4 and 5). ). However, compared with the generally used single fiber strength test, the fragmentation test of the single fiber composite is immature as an evaluation method of the single fiber strength distribution, and there are not many examination examples. For this reason, there has been no discussion of precise intensity distribution in the short sample length region.

炭素繊維強化複合材料の有孔板引張強度を向上させる目的で炭素繊維の特性を検討した例はある(特許文献3および4)。特許文献3では炭素繊維の表面形態や炭素繊維への表面処理条件を変化させて炭素繊維強化複合材料の有孔板引張強度を向上させようという試みであるが、炭素繊維の単繊維強度分布を制御するものではなかった。特許文献4では、炭素繊維の拡がり性とその表面の濡れ性を制御することで炭素繊維強化複合材料の有孔板引張強度を高める思想が開示されているものの、該有孔板引張強度は所詮低いレベルであった。   There are examples of investigating the characteristics of carbon fibers for the purpose of improving the tensile strength of the perforated plate of carbon fiber reinforced composite materials (Patent Documents 3 and 4). In Patent Document 3, it is an attempt to improve the perforated plate tensile strength of the carbon fiber reinforced composite material by changing the surface morphology of the carbon fiber and the surface treatment conditions for the carbon fiber. It was not something to control. Patent Document 4 discloses a concept of increasing the perforated plate tensile strength of the carbon fiber reinforced composite material by controlling the spreadability of the carbon fiber and the wettability of the surface thereof. It was a low level.

また近年、炭素繊維の引張弾性率を炭素化工程の最高温度の制御によらず向上させるために、高い延伸張力での焼成を安定して行う技術がいくつか提案されている(特許文献5、6および7)。特許文献5では特定の分子量分布を有していることで通常の条件範囲ではストランド強度・弾性率レベルは高いものの、炭素繊維の短試長領域の単繊維強度分布を制御したものではなかった。特許文献6および7では炭素繊維の引張弾性率に着目しており、炭素繊維の単繊維強度を制御できていなかった。   In recent years, in order to improve the tensile elastic modulus of carbon fibers irrespective of the control of the maximum temperature of the carbonization process, several techniques for stably performing firing at a high stretching tension have been proposed (Patent Document 5, 6 and 7). In Patent Document 5, although having a specific molecular weight distribution, the strand strength / elastic modulus level is high in a normal condition range, but the single fiber strength distribution in the short test length region of the carbon fiber is not controlled. Patent Documents 6 and 7 focus on the tensile modulus of carbon fiber, and the single fiber strength of the carbon fiber cannot be controlled.

特開2010−013772号公報JP 2010-013772 A 特開2009−256833号公報JP 2009-256833 A 特開2010−047865号公報JP 2010-047865 A 特開2010−111957号公報JP 2010-111957 A 特開2008−248219号公報JP 2008-248219 A 特開2008−308776号公報JP 2008-308776 A 特開2008−308777号公報JP 2008-308777 A

“ジャーナル・オブ・アメリカン・セラミックス・ソサイエティー(Journal of American Ceramics Society)”、(アメリカ)、1991年、74、11、p.2837−2845.“Journal of American Ceramics Society” (USA), 1991, 74, 11, p. 2837-2845. “コンポジッツ:パートA(Composites: Part A)”(オランダ)、1999年、30、p.1017-1021.“Composites: Part A” (Netherlands), 1999, 30, p. 1017-1021. “ジャーナル・オブ・マテリアルス・サイエンス(Journal of Materials Science)”(スイス) 26 (1985), p.3260-3270.“Journal of Materials Science” (Switzerland) 26 (1985), p. 3260-3270. “コンポジッツ:パートA(Composites: Part A)”(オランダ)、2002年、33、p.1327-1335.“Composites: Part A” (Netherlands), 2002, 33, p. 1327-1335. “コンポジッツ・サイエンス・アンド・テクノロジー(Composites Science and Technology)”(オランダ)、1995年、55、p.33-39.“Composites Science and Technology” (Netherlands), 1995, 55, p. 33-39.

本発明者らは、優れた引張弾性率を有する炭素繊維において、極めて高い有孔板引張強度を発現させる特定のマトリックス樹脂との組み合わせでは、炭素繊維のストランド強度を高めても炭素繊維強化複合材料の有孔板引張強度が向上しないために、該有孔板引張強度が満足なレベルではない(言い換えれば、炭素繊維のストランド強度の序列と炭素繊維強化複合材料の有孔板引張強度の序列が比例しない)という課題を着想し、炭素繊維の表面状態の変化に伴う炭素繊維強化複合材料の有孔板引張強度への影響は小さく、そのため、炭素繊維の短試長領域の単繊維強度分布に着目するに到った。そこで本発明は、優れた引張弾性率、有孔板引張強度を発現する炭素繊維強化複合材料を作製するためのプリプレグ、およびそれに用いられる炭素繊維ないしサイジング剤塗布炭素繊維を提供することを目的する。   In combination with a specific matrix resin that expresses extremely high perforated plate tensile strength in carbon fibers having an excellent tensile modulus, the present inventors have developed a carbon fiber reinforced composite material even if the strand strength of the carbon fibers is increased. The perforated plate tensile strength is not improved, so that the perforated plate tensile strength is not satisfactory (in other words, the order of the carbon fiber strand strength and the order of the perforated plate tensile strength of the carbon fiber reinforced composite material are The effect of carbon fiber reinforced composite materials on the perforated plate tensile strength due to changes in the surface condition of carbon fibers is small, and therefore the single fiber strength distribution in the short test length region of carbon fibers I came to pay attention. Then, this invention aims at providing the prepreg for producing the carbon fiber reinforced composite material which expresses the outstanding tensile elasticity modulus and perforated board tensile strength, and the carbon fiber thru | or sizing agent application | coating carbon fiber used therefor. .

本発明者らは、炭素繊維強化複合材料のマトリックス樹脂、界面、繊維形態など種々の検討を行った結果、従来明瞭には測定できていなかった炭素繊維の高強度(短試長)領域の単繊維強度分布を制御することで、炭素繊維強化複合材料の有孔板引張強度を向上させうることを見出し、発明に達した。   As a result of various studies such as matrix resin, interface, and fiber morphology of carbon fiber reinforced composite materials, the present inventors have found that the high strength (short sample length) region of carbon fiber that has not been clearly measured in the past. The inventors have found that by controlling the fiber strength distribution, the perforated plate tensile strength of the carbon fiber reinforced composite material can be improved, and the present invention has been achieved.

本発明は次の構成を有する。すなわち、以下に示す、炭素繊維(I)と熱硬化性樹脂(II)を含むプリプレグである。
(I)単繊維コンポジットのフラグメンテーション法による、単繊維見掛け応力が15.3GPaのときに繊維破断数が2.0個/mm以上であり、かつ、単繊維見掛け応力が12.2GPaのときに繊維破断数が1.7個/mm以下である炭素繊維、
(II)エポキシ化合物(A)と芳香族アミン硬化剤(B)とを含有する熱硬化性樹脂。
The present invention has the following configuration. That is, it is a prepreg containing carbon fiber (I) and thermosetting resin (II) shown below.
(I) When the single fiber apparent stress is 15.3 GPa by the fragmentation method of the single fiber composite, the number of fiber breaks is 2.0 pieces / mm or more, and the fiber when the single fiber apparent stress is 12.2 GPa. Carbon fibers having a number of breaks of 1.7 pieces / mm or less,
(II) A thermosetting resin containing an epoxy compound (A) and an aromatic amine curing agent (B).

また、本発明のサイジング剤塗布炭素繊維は、脂肪族エポキシ化合物(C)および芳香族エポキシ化合物(D)を含むサイジング剤を炭素繊維に塗布していることを特徴とし、前記炭素繊維は、単繊維コンポジットのフラグメンテーション法による、単繊維見掛け応力が15.3GPaのときに繊維破断数が2.0個/mm以上であり、かつ、単繊維見掛け応力が12.2GPaのときに繊維破断数が1.7個/mm以下であることを特徴とする。   The sizing agent-coated carbon fiber of the present invention is characterized in that a sizing agent containing an aliphatic epoxy compound (C) and an aromatic epoxy compound (D) is applied to the carbon fiber. When the single fiber apparent stress is 15.3 GPa by the fragmentation method of the fiber composite, the fiber break number is 2.0 pieces / mm or more, and when the single fiber apparent stress is 12.2 GPa, the fiber break number is 1. 7 pieces / mm or less.

本発明のサイジング剤塗布炭素繊維は、好ましくは前記炭素繊維に塗布したサイジング剤表面を、X線光電子分光法によって光電子脱出角度15°で測定されるC1s内殻スペクトルの(a)CHx、C−C、C=Cに帰属される結合エネルギー(284.6eV)の成分の高さ(cps)と、(b)C−Oに帰属される結合エネルギー(286.1eV)の成分の高さ(cps)との比率(a)/(b)が0.50〜0.90である。   The sizing agent-coated carbon fiber of the present invention is preferably (a) CHx, C- of the C1s inner shell spectrum measured on the surface of the sizing agent coated on the carbon fiber at a photoelectron escape angle of 15 ° by X-ray photoelectron spectroscopy. The height (cps) of the component of the bond energy (284.6 eV) attributed to C, C = C, and the height (cps) of the component of the bond energy (286.1 eV) attributed to (B) C—O. ) Ratio (a) / (b) is 0.50 to 0.90.

また、本発明のサイジング剤塗布炭素繊維は、好ましくは平均引き裂き可能距離が300mm〜710mmであり、実質的に無撚りであることを特徴とする。   The sizing agent-coated carbon fiber of the present invention preferably has an average tearable distance of 300 mm to 710 mm and is substantially untwisted.

また、本発明のプリプレグは前記のサイジング剤塗布炭素繊維、およびエポキシ化合物(A)と芳香族アミン硬化剤(B)とを含有する熱硬化性樹脂(II)を含むことを特徴とする。   Moreover, the prepreg of the present invention is characterized by comprising the above-described sizing agent-coated carbon fiber and a thermosetting resin (II) containing an epoxy compound (A) and an aromatic amine curing agent (B).

本発明によれば、優れた引張弾性率、有孔板引張強度を発現する炭素繊維強化複合材料を作製するためのプリプレグ、およびそれに用いられる炭素繊維ないしサイジング剤塗布炭素繊維が得られる。そして、本発明のプリプレグを用いると、それを硬化して得られる炭素繊維複合材料の引張弾性率や有孔板引張強度という物性がバランス良く高く、そのため、航空機の軽量化に大きく貢献し、航空機の燃料消費率を改善することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the prepreg for producing the carbon fiber reinforced composite material which expresses the outstanding tensile elasticity modulus and perforated board tensile strength, and the carbon fiber thru | or sizing agent application | coating carbon fiber used for it are obtained. And, when the prepreg of the present invention is used, the carbon fiber composite material obtained by curing it has high physical properties such as tensile elastic modulus and perforated plate tensile strength in a well-balanced manner. The fuel consumption rate can be improved.

図1は、引き裂き可能距離の測定方法を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a method of measuring a tearable distance. 図2は、本発明の実施の形態にかかるサイジング剤塗布炭素繊維を用いた単繊維コンポジットのフラグメンテーション試験結果の一例を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an example of a fragmentation test result of a single fiber composite using the sizing agent-coated carbon fiber according to the embodiment of the present invention.

本発明のプリプレグは、以下に示す炭素繊維(I)と熱硬化性樹脂(II)とを含む。まず、炭素繊維(I)について説明する。   The prepreg of the present invention contains the following carbon fiber (I) and thermosetting resin (II). First, carbon fiber (I) is demonstrated.

本発明において、炭素繊維(I)は、単繊維コンポジットのフラグメンテーション法(具体的な方法は、後述する)による単繊維見掛け応力が12.2GPaのときに繊維破断数が1.7個/mm以下であり、好ましくは1.5個/mm以下であり、より好ましくは1.0個/mm以下である。単繊維コンポジットのフラグメンテーション法とは、炭素繊維(I)の単繊維を樹脂に埋め込んだコンポジット(単繊維コンポジット)に歪みをステップワイズに与えながら各歪みでの繊維破断数を数えることで、炭素繊維の単繊維強度分布を調べることができる。繊維破断したときの単繊維コンポジット歪みから単繊維強度に変換するためには、単繊維コンポジット歪みと繊維歪みの差と各繊維歪みでの弾性率を考慮する必要はある。なお、単繊維強度に関する説明は後述する。ここで、単繊維見掛け応力とは単繊維コンポジット歪みと炭素繊維の単繊維弾性率の積のことを示す。繊維破断が起こると、繊維破断部から遠ざかるに従って繊維応力が回復していく挙動を示すために単繊維コンポジット歪みと繊維歪みには差異が生じる部分があり、かつ、そのために繊維破断数と応力回復挙動から考えると、単繊維コンポジット歪みを増やしても最大の繊維応力はほとんど増加しないことがある。ただし、繊維破断数が1.0個/mmまでは単繊維見掛け応力と最大の繊維応力の差は極めて小さいことが多く、繊維破断数がさらに増えるにつれてその差は拡大していくものの、単繊維見掛け応力と最大の繊維応力に相関があるため、単繊維見掛け応力を用いることが簡便である。なお、炭素繊維の弾性率には歪みが高まるほどその増加が見られるという弾性率の非線形性があり、正しい繊維応力は単純な計算では求められないことをここで言及しておく。かかる繊維破断数が1.7個/mmを上回る場合に炭素繊維の単繊維強度の不足によりOHTが低下し、かかる繊維破断数は少ないほど単繊維強度が高いことを意味するので、かかる繊維破断数を1.7個/mm以下とするのが良い。通常、一方向の炭素繊維強化複合材料の強度は、複合材料全体に負荷されている荷重を繊維だけで負担していると仮定の下、繊維断面積で割っても6、7GPa以下であるため、その強度以上の炭素繊維破断確率と炭素繊維強化複合材料強度との関係を議論されることは従来にはなかったが、本発明者らは、OHTを高めようとした場合に特定の樹脂との組み合わせで高強度領域の炭素繊維破断確率がOHTに強く影響することを明らかにしたのである。   In the present invention, the carbon fiber (I) has a fiber breakage number of 1.7 pieces / mm or less when the single fiber apparent stress by a fragmentation method of a single fiber composite (specific method will be described later) is 12.2 GPa. Preferably, it is 1.5 pieces / mm or less, More preferably, it is 1.0 piece / mm or less. Fragmentation method of single fiber composite is to count the number of fiber breaks at each strain while giving strain to the composite (single fiber composite) in which carbon fiber (I) single fiber is embedded in resin. The single fiber strength distribution can be investigated. In order to convert the single fiber composite strain when the fiber is broken into the single fiber strength, it is necessary to consider the difference between the single fiber composite strain and the fiber strain and the elastic modulus at each fiber strain. In addition, the description regarding the single fiber strength will be described later. Here, the single fiber apparent stress indicates a product of single fiber composite strain and single fiber elastic modulus of carbon fiber. When fiber breakage occurs, there is a difference between single fiber composite strain and fiber strain to show the behavior that fiber stress recovers as the distance from the fiber breakage portion increases. Considering the behavior, the maximum fiber stress may hardly increase even if the single fiber composite strain is increased. However, the difference between the single fiber apparent stress and the maximum fiber stress is often very small up to 1.0 fiber breaks / mm, and the difference increases as the number of fiber breaks further increases. Since there is a correlation between the apparent stress and the maximum fiber stress, it is easy to use the single fiber apparent stress. It should be noted here that the elastic modulus of the carbon fiber has an elastic modulus nonlinearity that increases as the strain increases, and that the correct fiber stress cannot be obtained by a simple calculation. When the number of such fiber breaks exceeds 1.7 pieces / mm, the OHT decreases due to insufficient single fiber strength of the carbon fiber, and the smaller the number of such fiber breaks, the higher the single fiber strength. The number is preferably 1.7 pieces / mm or less. Normally, the strength of a unidirectional carbon fiber reinforced composite material is 6 or 7 GPa or less even when divided by the fiber cross-sectional area under the assumption that the load applied to the entire composite material is borne by the fiber alone. However, the relationship between the carbon fiber rupture probability exceeding the strength and the strength of the carbon fiber reinforced composite material has not been discussed in the past. It was clarified that the carbon fiber breakage probability in the high-strength region has a strong influence on the OHT.

炭素繊維の単繊維強度分布を評価する手法として、単繊維強度試験が一般的であるが、単繊維強度試験ではチャック部においてシアネート系やエポキシ系接着剤を用いて単繊維を包埋してチャックしているので、接着剤内の繊維にまで応力がかかって接着剤内で繊維破断することがあった。すなわち、本発明者らは、単繊維強度試験は接着剤から単繊維引き抜き試験を行っているようなものであることに着目し、単繊維強度試験では樹脂内数mmの繊維に渡って応力が負荷されていることを明らかにしたのである。言い換えれば、本発明者らは、チャック間の距離を5mm未満としても実質的な試長は長くなり、特に、チャック間距離が短いほど実試長とチャック間距離の乖離があって、短試長領域の単繊維強度分布を評価できていなかったことを明らかにしたといえる。このような問題に対処するために、本発明者らは、単繊維コンポジットのフラグメンテーション試験から単繊維強度分布を評価することにしたのである。そして、本発明者らの検討により、単繊維コンポジットのフラグメンテーション試験と試長25mmの単繊維強度試験から計算される単繊維強度分布の結果は良い一致をしていたことから、フラグメンテーション試験は単繊維強度分布の評価法として優れていることが明らかになった。さらに、適宜、単繊維コンポジットに用いるマトリックス樹脂を選択し、単繊維−マトリックス樹脂界面の接着強さをある程度以上とすれば、試長が1mm程度の短試長まで強度分布を高精度に評価できることが明らかになった。なお、このような高強度(短試長)領域の精密な強度分布が議論された例はこれまで皆無であった。   The single fiber strength test is generally used as a method for evaluating the single fiber strength distribution of carbon fibers. In the single fiber strength test, the chuck is embedded with a single fiber using a cyanate or epoxy adhesive in the chuck. As a result, stress is applied to the fibers in the adhesive and the fibers may break in the adhesive. That is, the present inventors pay attention to the fact that the single fiber strength test is a single fiber pull-out test from the adhesive, and in the single fiber strength test, stress is applied to several mm of fibers in the resin. It was revealed that it was loaded. In other words, the inventors of the present invention have a longer substantial test length even when the distance between chucks is less than 5 mm. In particular, the shorter the distance between chucks, the greater the difference between the actual test length and the distance between chucks. It can be said that it was made clear that the single fiber strength distribution in the long region could not be evaluated. In order to deal with such a problem, the present inventors decided to evaluate the single fiber strength distribution from the fragmentation test of the single fiber composite. The results of the single fiber strength distribution calculated from the fragmentation test of the single fiber composite and the single fiber strength test with a test length of 25 mm agreed well with each other by the present inventors. It became clear that it was excellent as an evaluation method of intensity distribution. Furthermore, if the matrix resin used for the single fiber composite is appropriately selected and the bond strength at the single fiber-matrix resin interface is set to a certain level, the strength distribution can be evaluated with high accuracy up to a short test length of about 1 mm. Became clear. Heretofore, there has been no example in which precise intensity distribution in such a high strength (short sample length) region has been discussed.

本発明において、炭素繊維(I)は、単繊維コンポジットのフラグメンテーション法による単繊維見掛け応力が15.3GPaのときに繊維破断数が2.0個/mm以上であり、好ましくは3.0個/mm以上である。かかる繊維破断数が2.0個/mmを下回る場合、炭素繊維とマトリックス樹脂との界面接着の低下により繊維破断数が増加したときに繊維が応力を負担できずにOHTが低下する。応力負担が0の破断点から樹脂との界面剪断で破断点間の繊維に応力が伝達されていくが、特にこのように破断数が増えた場合には繊維応力は増加しにくいので繊維破断数が飽和してくる。そのため、実繊維応力は、単繊維見掛け応力よりも小さいということをここで言及しておく。炭素繊維の単繊維弾性率が低い場合は、単繊維見掛け応力を15.3GPaまで負荷する前に単繊維コンポジットが壊れることがあるが、繊維破断数が飽和している場合はその破断数で代用することができる。ここで、飽和とは単繊維コンポジット歪み変化をΔ1%としたときに繊維破断数がΔ0.2個/mmとなったときのことをいう。   In the present invention, the carbon fiber (I) has a fiber breakage number of 2.0 pieces / mm or more when the single fiber apparent stress by the fragmentation method of the single fiber composite is 15.3 GPa, preferably 3.0 pieces / mm. mm or more. When the number of fiber breaks is less than 2.0 pieces / mm, when the number of fiber breaks increases due to a decrease in the interfacial adhesion between the carbon fiber and the matrix resin, the fibers cannot bear stress and the OHT is lowered. Stress is transmitted to the fiber between the break points from the break point where the stress load is 0 by interfacial shear with the resin. Especially when the number of breaks increases in this way, the fiber stress is difficult to increase, so the number of fiber breaks Becomes saturated. Therefore, it should be mentioned here that the actual fiber stress is smaller than the single fiber apparent stress. If the single fiber elastic modulus of the carbon fiber is low, the single fiber composite may break before loading the single fiber apparent stress to 15.3 GPa, but if the fiber breakage is saturated, that breakage is substituted. can do. Here, saturation means that the number of fiber breaks is Δ0.2 / mm when the change in strain of the single fiber composite is Δ1%.

また、本発明において、炭素繊維(I)は、単繊維コンポジットのフラグメンテーション法による単繊維見掛け応力が6.8GPaのときに繊維破断数が0.3個/mm以下であることが好ましく、より好ましくは0.2個/mm以下であり、さらに好ましくは0.1個/mm以下である。かかる繊維破断数が0.3個/mm付近となる繊維応力が低すぎると炭素繊維強化複合材料中の破断繊維の隣接繊維への応力集中を誘起しやすくなる。そのため、かかる繊維破断数を0.3個/mm以下とすることで、高いOHTを維持できる。   In the present invention, the carbon fiber (I) preferably has a fiber breakage number of 0.3 / mm or less, more preferably when the single fiber apparent stress by the fragmentation method of the single fiber composite is 6.8 GPa. Is 0.2 piece / mm or less, more preferably 0.1 piece / mm or less. If the fiber stress at which the number of fiber breaks is around 0.3 / mm is too low, stress concentration on the adjacent fibers of the broken fiber in the carbon fiber reinforced composite material is likely to be induced. Therefore, a high OHT can be maintained by setting the number of fiber breaks to 0.3 pieces / mm or less.

本発明において、炭素繊維(I)は、単繊維コンポジットのフラグメンテーション法による単繊維コンポジット歪みが3.6%のときに繊維破断数が1.7個/mm以下であることが好ましく、より好ましくは1.5個/mm以下であり、さらに好ましくは1.0個/mm以下である。かかる繊維破断数が1.7個/mmを上回る場合、炭素繊維の単繊維強度の不足によりOHTが低下し、かかる繊維破断数は少ないほど炭素繊維の単繊維強度が高いことを意味するので好ましい。通常、一方向の炭素繊維強化複合材料の破断伸度は2%以下であるため、その伸度以上の炭素繊維破断確率と複合材料強度との関係を議論されることは従来にはなかったが、本発明者らは、OHTを高めようとした場合に特定の樹脂との組み合わせで高伸度領域の炭素繊維破断確率がOHTに強く影響することをも明らかにしたのである。   In the present invention, the carbon fiber (I) preferably has a fiber breakage number of 1.7 pieces / mm or less when the single fiber composite strain by the fragmentation method of the single fiber composite is 3.6%, more preferably It is 1.5 pieces / mm or less, More preferably, it is 1.0 piece / mm or less. When the number of fiber breaks exceeds 1.7 pieces / mm, OHT is decreased due to insufficient single fiber strength of the carbon fiber, and the smaller the number of fiber breaks, the higher the single fiber strength of the carbon fiber, which is preferable. . Usually, since the rupture elongation of a unidirectional carbon fiber reinforced composite material is 2% or less, there has never been discussed the relationship between the carbon fiber rupture probability exceeding the elongation and the composite material strength. The inventors have also clarified that the probability of carbon fiber breakage in the high elongation region strongly affects OHT in combination with a specific resin when trying to increase OHT.

本発明において、炭素繊維(I)は、単繊維コンポジットのフラグメンテーション法による単繊維コンポジット歪みが4.5%のときに繊維破断数が2.0個/mm以上であることが好ましく、より好ましくは3.0個/mm以上である。フラグメンテーション法では、炭素繊維の単繊維強度を調べる以外に繊維/樹脂界面の界面剪断強度を調べることにより頻繁に用いられている。そのとき、正確さに欠けるものの簡便なKelly−Tysonモデルがよく用いられ、フラグメンテーション法における飽和繊維破断数が多いほど界面剪断強度が高いといわれている。基本的には界面剪断強度が高いほど一方向の炭素繊維強化複合材料強度は高いために、OHTも高めることができる。単繊維コンポジット歪みが4.5%でも繊維破断数は飽和していないことが多いが、実質的にその歪みでの繊維破断数を評価すれば界面接着の高さを評価するには十分である。かかる繊維破断数が2.0個/mm以上である場合、界面接着の低下により破断が増加したときに破断部近傍の繊維が繊維応力を負担しやすくなり、高いOHTを維持できる。   In the present invention, the carbon fiber (I) preferably has a fiber breakage number of 2.0 pieces / mm or more when the single fiber composite strain by the fragmentation method of the single fiber composite is 4.5%, more preferably It is 3.0 pieces / mm or more. The fragmentation method is frequently used by examining the interfacial shear strength at the fiber / resin interface in addition to examining the single fiber strength of the carbon fiber. At that time, a simple Kelly-Tyson model that is not accurate is often used, and it is said that the higher the number of saturated fiber breaks in the fragmentation method, the higher the interfacial shear strength. Basically, the higher the interfacial shear strength, the higher the strength of the unidirectional carbon fiber reinforced composite material, so the OHT can be increased. Even when the single fiber composite strain is 4.5%, the number of fiber breaks is often not saturated, but if the number of fiber breaks at that strain is substantially evaluated, it is sufficient to evaluate the height of interfacial adhesion. . When the number of fiber breaks is 2.0 pieces / mm or more, when the number of breaks increases due to a decrease in interfacial adhesion, the fibers in the vicinity of the breaks easily bear fiber stress, and a high OHT can be maintained.

さらに、本発明において、炭素繊維(I)は、単繊維コンポジットのフラグメンテーション法による単繊維コンポジット歪みが2.0%のときに繊維破断数が0.1個/mm以下であることが好ましく、より好ましくは0.08個/mm以下であり、さらに好ましくは0.06個/mm以下である。繊維破断数が0.1個/mm付近となる繊維応力が低すぎると複合材料中の破断繊維の隣接繊維への応力集中を誘起しやすくなるため、かかる繊維破断数を0.1個/mm以下とすることで、高いOHTを維持できる。   Furthermore, in the present invention, the carbon fiber (I) preferably has a fiber breakage number of 0.1 / mm or less when the single fiber composite strain by the fragmentation method of the single fiber composite is 2.0%. Preferably it is 0.08 piece / mm or less, More preferably, it is 0.06 piece / mm or less. If the fiber stress at which the number of fiber breaks is near 0.1 pieces / mm is too low, stress concentration on the adjacent fibers of the broken fibers in the composite material is likely to be induced. By setting it as below, high OHT can be maintained.

本発明において、炭素繊維(I)のストランド強度が、6.4GPa以上であることが好ましく、より好ましくは6.8GPa以上であり、さらに好ましくは7.0GPa以上である。また、炭素繊維(I)のストランド弾性率が、320GPa以上であることが好ましく、より好ましくは340GPa以上であり、さらに好ましくは350GPa以上である。フラグメンテーション法における炭素繊維歪みを繊維応力に変換する場合にはストランド弾性率が必要であり、本質的には高い繊維応力でも繊維破断が少ないことが重要である。ため、ストランド弾性率が320GPa未満のときにOHTが低下することがある。本発明において、炭素繊維(I)のストランド引張強度と弾性率は、JIS−R−7608(2004)の樹脂含浸ストランド試験法に準拠し、次の手順に従い求めることができる。すなわち、樹脂処方としては、“セロキサイド(登録商標)”2021P(ダイセル化学工業社製)/3フッ化ホウ素モノエチルアミン(東京化成工業(株)製)/アセトン=100/3/4(質量部)を用い、硬化条件としては、常圧、130℃、30分を用いる。炭素繊維束のストランド10本を測定し、その平均値をストランド引張強度およびストランド弾性率とする。ストランド弾性率を測定する際の歪み範囲は0.45〜0.85%とする。   In the present invention, the strand strength of the carbon fiber (I) is preferably 6.4 GPa or more, more preferably 6.8 GPa or more, and further preferably 7.0 GPa or more. Moreover, it is preferable that the strand elastic modulus of carbon fiber (I) is 320 GPa or more, More preferably, it is 340 GPa or more, More preferably, it is 350 GPa or more. When the carbon fiber strain in the fragmentation method is converted into fiber stress, a strand elastic modulus is necessary. Essentially, it is important that the fiber breakage is small even at high fiber stress. Therefore, OHT may decrease when the strand elastic modulus is less than 320 GPa. In the present invention, the strand tensile strength and elastic modulus of the carbon fiber (I) can be determined according to the following procedure in accordance with the resin impregnated strand test method of JIS-R-7608 (2004). That is, as a resin prescription, “Celoxide (registered trademark)” 2021P (manufactured by Daicel Chemical Industries) / 3 boron fluoride monoethylamine (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) / Acetone = 100/3/4 (parts by mass) As a curing condition, normal pressure, 130 ° C., and 30 minutes are used. Ten strands of the carbon fiber bundle are measured, and the average value is defined as the strand tensile strength and the strand elastic modulus. The strain range when measuring the strand elastic modulus is 0.45 to 0.85%.

本発明において、炭素繊維の単繊維弾性率が、320GPaであることが好ましく、より好ましくは340GPa以上であり、さらに好ましくは350GPa以上である。フラグメンテーション法において、単繊維強度を評価するためには高い本質的には単繊維コンポジット歪みで繊維破断が少ないことよりも高い繊維応力でも繊維破断が少ないことが重要であるため、単繊維コンポジット歪みを繊維応力に変換する。フラグメンテーション法における炭素繊維歪みを繊維応力に変換する場合には炭素繊維のストランド弾性率もしくは単繊維弾性率が必要であり、ここでは単繊維弾性率を用いる。単繊維弾性率が高いほど複合材料単繊維コンポジット歪みが低くても高い繊維応力が負荷されており、マトリックス樹脂特性との関係のために、単繊維弾性率が320GPa未満のときにOHTが低下することがある。本発明において、炭素繊維(I)の単繊維弾性率は、JIS−R−7606(2000)に基づいて求めることができる。すなわち、単繊維引張試験では、チャックで炭素繊維とチャック部の接着剤との間ですべりが発生するため正確な単繊維弾性率を測定することはできないが、ゲージ長が長いほど誤差が小さくなるため、ゲージ長を50mmとする。単繊維弾性率を測定する際の歪み範囲は歪み0%から破断までの全範囲とする。   In this invention, it is preferable that the single fiber elastic modulus of carbon fiber is 320 GPa, More preferably, it is 340 GPa or more, More preferably, it is 350 GPa or more. In the fragmentation method, in order to evaluate the single fiber strength, it is important that the fiber breakage is small even at a high fiber stress rather than the fiber breakage at a high single fiber composite strain. Convert to fiber stress. In order to convert the carbon fiber strain into the fiber stress in the fragmentation method, the strand elastic modulus or single fiber elastic modulus of the carbon fiber is necessary. Here, the single fiber elastic modulus is used. The higher the single fiber elastic modulus, the higher the fiber stress is applied even if the composite fiber single fiber composite strain is low, and the OHT decreases when the single fiber elastic modulus is less than 320 GPa due to the relationship with the matrix resin properties. Sometimes. In this invention, the single fiber elastic modulus of carbon fiber (I) can be calculated | required based on JIS-R-7606 (2000). That is, in the single fiber tensile test, the slip occurs between the carbon fiber and the adhesive of the chuck part in the chuck, so it is not possible to accurately measure the single fiber elastic modulus. However, the longer the gauge length, the smaller the error. Therefore, the gauge length is 50 mm. The strain range when measuring the single fiber modulus is the entire range from 0% strain to breakage.

本発明において炭素繊維(I)の総繊度は、400〜3000texであることが好ましい。また、炭素繊維のフィラメント数は好ましくは10000〜30000本である。   In the present invention, the total fineness of the carbon fiber (I) is preferably 400 to 3000 tex. The number of filaments of carbon fiber is preferably 10,000 to 30,000.

また、本発明において炭素繊維(I)の単繊維直径は4.5〜6.0μmであることが好ましい。炭素繊維は表面欠陥を含んでいるために単繊維直径を小さくするほど、表面欠陥の存在確率が低下してストランド強度は高くなるものの、フラグメンテーション試験における高強度領域での破断挙動は単繊維直径にほとんど依存せず、一方、単繊維直径が大きいほどマトリックス樹脂が単繊維間に含浸しやすくなって結果的にOHTを高めることができるために適度な単繊維直径を選択することが好ましい。   In the present invention, the single fiber diameter of the carbon fiber (I) is preferably 4.5 to 6.0 μm. Since carbon fibers contain surface defects, the smaller the single fiber diameter, the lower the probability of surface defects and the higher the strand strength, but the fracture behavior in the high strength region in the fragmentation test is the same as the single fiber diameter. On the other hand, the larger the single fiber diameter, the easier the matrix resin is impregnated between the single fibers and, as a result, the OHT can be increased. Therefore, it is preferable to select an appropriate single fiber diameter.

さらに、本発明のプリプレグに含まれる熱硬化性樹脂(II)は、エポキシ化合物(A)と芳香族アミン硬化剤(B)とを含有する。炭素繊維(I)は、エポキシ化合物(A)と芳香族アミン硬化剤(B)とを含有した熱硬化性樹脂(II)との組み合わせで高いOHTを発現する。   Furthermore, the thermosetting resin (II) contained in the prepreg of the present invention contains an epoxy compound (A) and an aromatic amine curing agent (B). Carbon fiber (I) expresses high OHT by the combination of epoxy compound (A) and thermosetting resin (II) containing aromatic amine curing agent (B).

エポキシ樹脂に用いるエポキシ化合物(A)としては、特に限定されるものではなく、ビスフェノール型エポキシ化合物、アミン型エポキシ化合物、フェノールノボラック型エポキシ化合物、クレゾールノボラック型エポキシ化合物、レゾルシノール型エポキシ化合物、グリシジルアニリン型エポキシ化合物、フェノールアラルキル型エポキシ化合物、ナフトールアラルキル型エポキシ化合物、ジシクロペンタジエン型エポキシ化合物、ビフェニル骨格を有するエポキシ化合物、イソシアネート変性エポキシ化合物、テトラフェニルエタン型エポキシ化合物、トリフェニルメタン型エポキシ化合物などの中から1種以上を選択して用いることができる。   The epoxy compound (A) used for the epoxy resin is not particularly limited, and is a bisphenol type epoxy compound, an amine type epoxy compound, a phenol novolak type epoxy compound, a cresol novolak type epoxy compound, a resorcinol type epoxy compound, a glycidyl aniline type. Among epoxy compounds, phenol aralkyl type epoxy compounds, naphthol aralkyl type epoxy compounds, dicyclopentadiene type epoxy compounds, epoxy compounds having a biphenyl skeleton, isocyanate-modified epoxy compounds, tetraphenylethane type epoxy compounds, triphenylmethane type epoxy compounds, etc. One or more types can be selected and used.

ここで、ビスフェノール型エポキシ化合物とは、ビスフェノール化合物の2つのフェノール性水酸基がグリシジル化されたものであり、ビスフェノールA型、ビスフェノールF型、ビスフェノールAD型、ビスフェノールS型、もしくはこれらビスフェノールのハロゲン、アルキル置換体、水添品等が挙げられる。また、単量体に限らず、複数の繰り返し単位を有する高分子量体も好適に使用することができる。   Here, the bisphenol type epoxy compound is obtained by glycidylation of two phenolic hydroxyl groups of a bisphenol compound. Examples include substituted products and hydrogenated products. Moreover, not only a monomer but the high molecular weight body which has several repeating units can also be used conveniently.

ビスフェノールA型エポキシ化合物の市販品としては、“jER(登録商標)”825、828、834、1001、1002、1003、1003F、1004、1004AF、1005F、1006FS、1007、1009、1010(以上、三菱化学(株)製)などが挙げられる。臭素化ビスフェノールA型エポキシ化合物としては、“jER(登録商標)”505、5050、5051、5054、5057(以上、三菱化学(株)製)などが挙げられる。水添ビスフェノールA型エポキシ化合物の市販品としては、ST5080、ST4000D、ST4100D、ST5100(以上、新日鐵化学(株)製)などが挙げられる。   Commercially available bisphenol A type epoxy compounds include “jER (registered trademark)” 825, 828, 834, 1001, 1002, 1003, 1003F, 1004, 1004AF, 1005F, 1006FS, 1007, 1009, 1010 (and above, Mitsubishi Chemical) Etc.). Examples of the brominated bisphenol A type epoxy compound include “jER (registered trademark)” 505, 5050, 5051, 5054, 5057 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation). Examples of commercially available hydrogenated bisphenol A type epoxy compounds include ST5080, ST4000D, ST4100D, and ST5100 (manufactured by Nippon Steel Chemical Co., Ltd.).

ビスフェノールF型エポキシ化合物の市販品としては、“jER(登録商標)”806、807、4002P、4004P、4007P、4009P、4010P(以上、三菱化学(株)製)、“エピクロン(登録商標)”830、835(以上、DIC(株)製)、“エポトート(登録商標)”YDF2001、YDF2004(以上、新日鐵化学(株)製)などが挙げられる。テトラメチルビスフェノールF型エポキシ化合物としては、YSLV−80XY(新日鐵化学(株)製)などが挙げられる。   Commercially available bisphenol F type epoxy compounds include “jER (registered trademark)” 806, 807, 4002P, 4004P, 4007P, 4009P, 4010P (above, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation), “Epiclon (registered trademark)” 830. 835 (above, manufactured by DIC Corporation), “Epototo (registered trademark)” YDF2001, YDF2004 (above, manufactured by Nippon Steel Chemical Co., Ltd.), and the like. Examples of the tetramethylbisphenol F type epoxy compound include YSLV-80XY (manufactured by Nippon Steel Chemical Co., Ltd.).

ビスフェノールS型エポキシ化合物としては、“エピクロン(登録商標)”EXA−154(DIC(株)製)などが挙げられる。   Examples of the bisphenol S-type epoxy compound include “Epiclon (registered trademark)” EXA-154 (manufactured by DIC Corporation).

また、アミン型エポキシ化合物としては、例えば、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リレンジアミンや、これらのハロゲン、アルキノール置換体、水添品などが挙げられる。   Examples of the amine-type epoxy compound include tetraglycidyldiaminodiphenylmethane, triglycidylaminophenol, triglycidylaminocresol, tetraglycidylxylylenediamine, halogens thereof, alkynol-substituted products, and hydrogenated products.

テトラグリシジルジアミノジフェニルメタンの市販品としては、“スミエポキシ(登録商標)”ELM434(住友化学(株)製)、YH434L(新日鐵化学(株)製)、“jER(登録商標)”604(三菱化学(株)製)、“アラルダイド(登録商標)”MY720、MY721、MY725(以上、ハンツマン・アドバンズド・マテリアルズ(株)製)などが挙げられる。トリグリシジルアミノフェノールまたはトリグリシジルアミノクレゾールの市販品としては、“スミエポキシ(登録商標)”ELM100、ELM120(以上、住友化学(株)製)、“アラルダイド(登録商標)”MY0500、MY0510、MY0600、MY0610(以上、ハンツマン・アドバンズド・マテリアルズ(株)製)、“jER(登録商標)”630(三菱化学(株)製)などが挙げられる。テトラグリシジルキシリレンジアミンおよびその水素添加品の市販品としては、TETRAD−X、TETRAD−C(以上、三菱ガス化学(株)製)などが挙げられる。   Commercially available products of tetraglycidyldiaminodiphenylmethane include “Sumiepoxy (registered trademark)” ELM434 (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.), YH434L (manufactured by Nippon Steel Chemical Co., Ltd.), and “jER (registered trademark)” 604 (Mitsubishi Chemical). (Manufactured by Co., Ltd.), “Araldide (registered trademark)” MY720, MY721, MY725 (manufactured by Huntsman Advanced Materials Co., Ltd.). Commercially available products of triglycidylaminophenol or triglycidylaminocresol include “SUMI Epoxy (registered trademark)” ELM100, ELM120 (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.), “Araldide (registered trademark)” MY0500, MY0510, MY0600, MY0610. (The above is manufactured by Huntsman Advanced Materials Co., Ltd.), “jER (registered trademark)” 630 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation), and the like. Examples of commercially available tetraglycidylxylylenediamine and hydrogenated products thereof include TETRAD-X and TETRAD-C (manufactured by Mitsubishi Gas Chemical Co., Ltd.).

フェノールノボラック型エポキシ化合物の市販品としては“jER(登録商標)”152、154(以上、三菱化学(株)製)、“エピクロン(登録商標)”N−740、N−770、N−775(以上、DIC(株)製)などが挙げられる。   Commercially available products of phenol novolac type epoxy compounds are “jER (registered trademark)” 152, 154 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation), “Epicron (registered trademark)” N-740, N-770, N-775 ( As mentioned above, DIC Corporation) etc. are mentioned.

クレゾールノボラック型エポキシ化合物の市販品としては、“エピクロン(登録商標)”N−660、N−665、N−670、N−673、N−695(以上、DIC(株)製)、EOCN−1020、EOCN−102S、EOCN−104S(以上、日本化薬(株)製)などが挙げられる。   As a commercial item of a cresol novolac type epoxy compound, “Epiclon (registered trademark)” N-660, N-665, N-670, N-673, N-695 (above, manufactured by DIC Corporation), EOCN-1020 , EOCN-102S, EOCN-104S (manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.), and the like.

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

グリシジルアニリン型エポキシ化合物の市販品としては、GANやGOT(以上、日本化薬(株)製)などが挙げられる。   Examples of commercially available glycidyl aniline type epoxy compounds include GAN and GOT (manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.).

ビフェニル骨格を有するエポキシ化合物の市販品としては、“jER(登録商標)”YX4000H、YX4000、YL6616(以上、三菱化学(株)製)、NC−3000(日本化薬(株)製)などが挙げられる。   Examples of commercially available epoxy compounds having a biphenyl skeleton include “jER (registered trademark)” YX4000H, YX4000, YL6616 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation), NC-3000 (manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.), and the like. It is done.

ジシクロペンタジエン型エポキシ化合物の市販品としては、“エピクロン(登録商標)”HP7200L、“エピクロン(登録商標)”HP7200、“エピクロン(登録商標)”HP7200H、“エピクロン(登録商標)”HP7200HH(以上、大日本インキ化学工業(株)製)、XD−1000−L、XD−1000−2L(以上、日本化薬(株)製)、“Tactix(登録商標)”556(ハンツマン・アドバンズド・マテリアルズ(株)製)などが挙げられる。   Commercially available dicyclopentadiene type epoxy compounds include “Epicron (registered trademark)” HP7200L, “Epicron (registered trademark)” HP7200, “Epicron (registered trademark)” HP7200H, “Epicron (registered trademark)” HP7200HH (above, Dai Nippon Ink Chemical Co., Ltd.), XD-1000-L, XD-1000-2L (above, Nippon Kayaku Co., Ltd.), “Tactix (registered trademark)” 556 (Huntsman Advanced Materials) Etc.).

イソシアネート変性エポキシ化合物の市販品としては、オキサゾリドン環を有するXAC4151、AER4152(旭化成エポキシ(株)製)やACR1348((株)ADEKA製)などが挙げられる。   Examples of commercially available isocyanate-modified epoxy compounds include XAC4151, AER4152 (produced by Asahi Kasei Epoxy Co., Ltd.) and ACR1348 (produced by ADEKA Co., Ltd.) having an oxazolidone ring.

テトラフェニルエタン型エポキシ化合物の市販品としては、テトラキス(グリシジルオキシフェニル)エタン型エポキシ化合物である“jER(登録商標)”1031(三菱化学(株)製)などが挙げられる。   Examples of commercially available tetraphenylethane type epoxy compounds include “jER (registered trademark)” 1031 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation), which is a tetrakis (glycidyloxyphenyl) ethane type epoxy compound.

トリフェニルメタン型エポキシ化合物の市販品としては、“タクチックス(登録商標)”742(ハンツマン・アドバンズド・マテリアルズ(株)製)などが挙げられる。   As a commercial item of a triphenylmethane type epoxy compound, “Tactics (registered trademark)” 742 (manufactured by Huntsman Advanced Materials Co., Ltd.) and the like can be mentioned.

特にエポキシ化合物(A)として多官能のグリシジルアミン型エポキシ化合物を少なくとも含有するエポキシ樹脂が好ましい。本発明のサイジング剤塗布炭素繊維と組み合わせて用いることで、炭素繊維強化複合材料のOHTを向上させることができるため好ましい。その理由は必ずしも明らかではないが、該エポキシ化合物を用いたときに、炭素繊維の高強度領域の強度分布がOHTに強く影響するようになるためと考えている。   Particularly preferred is an epoxy resin containing at least a polyfunctional glycidylamine type epoxy compound as the epoxy compound (A). It is preferable to use in combination with the sizing agent-coated carbon fiber of the present invention because the OHT of the carbon fiber reinforced composite material can be improved. The reason is not necessarily clear, but it is considered that when the epoxy compound is used, the strength distribution in the high strength region of the carbon fiber has a strong influence on the OHT.

多官能のグリシジルアミン型エポキシ化合物としては、例えば、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およびトリグリシジルアミノクレゾール、N,N−ジグリシジルアニリン、N,N−ジグリシジル−o−トルイジン、N,N−ジグリシジル−4−フェノキシアニリン、N,N−ジグリシジル−4−(4−メチルフェノキシ)アニリン、N,N−ジグリシジル−4−(4−tert−ブチルフェノキシ)アニリンおよびN,N−ジグリシジル−4−(4‐フェノキシフェノキシ)アニリン等が挙げられる。これらの化合物は、多くの場合、フェノキシアニリン誘導体にエピクロロヒドリンを付加し、アルカリ化合物により環化して得られる。分子量の増加に伴い粘度が増加していくため、取扱い性の点から、N,N−ジグリシジル−4−フェノキシアニリンが特に好ましく用いられる。   Examples of the polyfunctional glycidylamine type epoxy compound include tetraglycidyldiaminodiphenylmethane, triglycidylaminophenol and triglycidylaminocresol, N, N-diglycidylaniline, N, N-diglycidyl-o-toluidine, N, N- Diglycidyl-4-phenoxyaniline, N, N-diglycidyl-4- (4-methylphenoxy) aniline, N, N-diglycidyl-4- (4-tert-butylphenoxy) aniline and N, N-diglycidyl-4- ( 4-phenoxyphenoxy) aniline and the like. In many cases, these compounds are obtained by adding epichlorohydrin to a phenoxyaniline derivative and cyclizing with an alkali compound. Since the viscosity increases as the molecular weight increases, N, N-diglycidyl-4-phenoxyaniline is particularly preferably used from the viewpoint of handleability.

フェノキシアニリン誘導体としては、具体的には、4−フェノキシアニリン、4−(4−メチルフェノキシ)アニリン、4−(3−メチルフェノキシ)アニリン、4−(2−メチルフェノキシ)アニリン、4−(4−エチルフェノキシ)アニリン、4−(3−エチルフェノキシ)アニリン、4−(2−エチルフェノキシ)アニリン、4−(4−プロピルフェノキシ)アニリン、4−(4−tert−ブチルフェノキシ)アニリン、4−(4−シクロヘキシルフェノキシ)アニリン、4−(3−シクロヘキシルフェノキシ)アニリン、4−(2−シクロヘキシルフェノキシ)アニリン、4−(4−メトキシフェノキシ)アニリン、4−(3−メトキシフェノキシ)アニリン、4−(2−メトキシフェノキシ)アニリン、4−(3−フェノキシフェノキシ)アニリン、4−(4−フェノキシフェノキシ)アニリン、4−[4−(トリフルオロメチル)フェノキシ]アニリン、4−[3−(トリフルオロメチル)フェノキシ]アニリン、4−[2−(トリフルオロメチル)フェノキシ]アニリン、4−(2−ナフチルオキシフェノキシ)アニリン、4−(1−ナフチルオキシフェノキシ)アニリン、4−[(1,1’−ビフェニル−4−イル)オキシ]アニリン、4−(4−ニトロフェノキシ)アニリン、4−(3−ニトロフェノキシ)アニリン、4−(2−ニトロフェノキシ)アニリン、3−ニトロ−4−アミノフェニルフェニルエーテル、2−ニトロ−4−(4−ニトロフェノキシ)アニリン、4−(2,4−ジニトロフェノキシ)アニリン、3−ニトロ−4−フェノキシアニリン、4−(2−クロロフェノキシ)アニリン、4−(3−クロロフェノキシ)アニリン、4−(4−クロロフェノキシ)アニリン、4−(2,4−ジクロロフェノキシ)アニリン、3−クロロ−4−(4−クロロフェノキシ)アニリン、および4−(4−クロロ−3−トリルオキシ)アニリンなどが挙げられる。   Specific examples of the phenoxyaniline derivative include 4-phenoxyaniline, 4- (4-methylphenoxy) aniline, 4- (3-methylphenoxy) aniline, 4- (2-methylphenoxy) aniline, 4- (4 -Ethylphenoxy) aniline, 4- (3-ethylphenoxy) aniline, 4- (2-ethylphenoxy) aniline, 4- (4-propylphenoxy) aniline, 4- (4-tert-butylphenoxy) aniline, 4- (4-cyclohexylphenoxy) aniline, 4- (3-cyclohexylphenoxy) aniline, 4- (2-cyclohexylphenoxy) aniline, 4- (4-methoxyphenoxy) aniline, 4- (3-methoxyphenoxy) aniline, 4- (2-methoxyphenoxy) aniline, 4- (3-phenoxyf) Noxy) aniline, 4- (4-phenoxyphenoxy) aniline, 4- [4- (trifluoromethyl) phenoxy] aniline, 4- [3- (trifluoromethyl) phenoxy] aniline, 4- [2- (trifluoro) Methyl) phenoxy] aniline, 4- (2-naphthyloxyphenoxy) aniline, 4- (1-naphthyloxyphenoxy) aniline, 4-[(1,1′-biphenyl-4-yl) oxy] aniline, 4- ( 4-nitrophenoxy) aniline, 4- (3-nitrophenoxy) aniline, 4- (2-nitrophenoxy) aniline, 3-nitro-4-aminophenyl phenyl ether, 2-nitro-4- (4-nitrophenoxy) Aniline, 4- (2,4-dinitrophenoxy) aniline, 3-nitro-4-phenoxyaniline, -(2-chlorophenoxy) aniline, 4- (3-chlorophenoxy) aniline, 4- (4-chlorophenoxy) aniline, 4- (2,4-dichlorophenoxy) aniline, 3-chloro-4- (4- Chlorophenoxy) aniline, 4- (4-chloro-3-tolyloxy) aniline, and the like.

テトラグリシジルジアミノジフェニルメタンの市販品として、例えば、“スミエポキシ(登録商標)”ELM434(住友化学(株)製)、YH434L(東都化成(株)製)、“アラルダイト(登録商標)”MY720、MY721、MY725(ハンツマン・アドバンスト・マテリアルズ(株)製)、および“jER(登録商標)”604(三菱化学(株)製)等を使用することができる。トリグリシジルアミノフェノールおよびトリグリシジルアミノクレゾールとしては、例えば、“スミエポキシ(登録商標)”ELM100(住友化学(株)製)、“アラルダイト(登録商標)”MY500、MY0510、“アラルダイト(登録商標)”MY0600、MY610(以上、ハンツマン・アドバンスト・マテリアルズ(株)製)、および“jER(登録商標)”630(三菱化学(株)製)等を使用することができる。   As commercial products of tetraglycidyldiaminodiphenylmethane, for example, “Sumiepoxy (registered trademark)” ELM434 (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.), YH434L (manufactured by Tohto Kasei Co., Ltd.), “Araldite (registered trademark)” MY720, MY721, MY725 (Manufactured by Huntsman Advanced Materials Co., Ltd.), “jER (registered trademark)” 604 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation), and the like can be used. Examples of triglycidylaminophenol and triglycidylaminocresol include, for example, “Sumiepoxy (registered trademark)” ELM100 (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.), “Araldite (registered trademark)” MY500, MY0510, “Araldite (registered trademark)” MY0600. MY610 (manufactured by Huntsman Advanced Materials Co., Ltd.), “jER (registered trademark)” 630 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation), and the like can be used.

多官能のグリシジルアミン型エポキシ化合物として、上述した中でもグリシジルアミン骨格を少なくとも1つ有し、かつ3官能以上のエポキシ基を有する芳香族エポキシ化合物(A1)であることが好ましい。   The polyfunctional glycidylamine type epoxy compound is preferably an aromatic epoxy compound (A1) having at least one glycidylamine skeleton and having a trifunctional or higher functional epoxy group.

多官能のグリシジルアミン型芳香族エポキシ化合物(A1)の割合は、エポキシ化合物(A)中に30〜100質量%含まれていることが好ましく、より好ましい割合は50質量%以上である。グリシジルアミン型エポキシ化合物の割合が30質量%以上で、炭素繊維強化複合材料のOHTが向上するため好ましい。   The proportion of the polyfunctional glycidylamine type aromatic epoxy compound (A1) is preferably 30 to 100% by mass in the epoxy compound (A), and more preferably 50% by mass or more. Since the ratio of a glycidyl amine type epoxy compound is 30 mass% or more and OHT of a carbon fiber reinforced composite material is improved, it is preferable.

本発明の芳香族アミン硬化剤(B)としては、エポキシ樹脂硬化剤として用いられる芳香族アミン類であれば特に限定されるものではないが、具体的には、3,3’−ジアミノジフェニルスルホン(3,3’−DDS)、4,4’−ジアミノジフェニルスルホン(4,4’−DDS)、ジアミノジフェニルメタン(DDM)、3,3’−ジイソプロピル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’−ジ−t−ブチル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’−ジエチル−5,5’−ジメチル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’−ジイソプロピル−5,5’−ジメチル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’−ジ−t−ブチル−5,5’−ジメチル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’,5,5’−テトラエチル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’−ジイソプロピル−5,5’−ジエチル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’−ジ−t−ブチル−5,5’−ジエチル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’,5,5’−テトライソプロピル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’−ジ−t−ブチル−5,5’−ジイソプロピル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’,5,5’−テトラ−t−ブチル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルエーテル(DADPE)、ビスアニリン、ベンジルジメチルアニリン、2−(ジメチルアミノメチル)フェノール(DMP−10)、2,4,6−トリス(ジメチルアミノメチル)フェノール(DMP−30)、2,4,6−トリス(ジメチルアミノメチル)フェノールの2−エチルヘキサン酸エステル等を使用することができる。これらは、単独で用いても、2種以上を混合して用いてもよい。   The aromatic amine curing agent (B) of the present invention is not particularly limited as long as it is an aromatic amine used as an epoxy resin curing agent. Specifically, 3,3′-diaminodiphenyl sulfone is used. (3,3′-DDS), 4,4′-diaminodiphenylsulfone (4,4′-DDS), diaminodiphenylmethane (DDM), 3,3′-diisopropyl-4,4′-diaminodiphenylmethane, 3,3 '-Di-t-butyl-4,4'-diaminodiphenylmethane, 3,3'-diethyl-5,5'-dimethyl-4,4'-diaminodiphenylmethane, 3,3'-diisopropyl-5,5'- Dimethyl-4,4′-diaminodiphenylmethane, 3,3′-di-t-butyl-5,5′-dimethyl-4,4′-diaminodiphenylmethane, 3,3 ′, 5 , 5'-tetraethyl-4,4'-diaminodiphenylmethane, 3,3'-diisopropyl-5,5'-diethyl-4,4'-diaminodiphenylmethane, 3,3'-di-t-butyl-5,5 '-Diethyl-4,4'-diaminodiphenylmethane, 3,3', 5,5'-tetraisopropyl-4,4'-diaminodiphenylmethane, 3,3'-di-t-butyl-5,5'-diisopropyl -4,4'-diaminodiphenylmethane, 3,3 ', 5,5'-tetra-t-butyl-4,4'-diaminodiphenylmethane, diaminodiphenyl ether (DADPE), bisaniline, benzyldimethylaniline, 2- (dimethylamino Methyl) phenol (DMP-10), 2,4,6-tris (dimethylaminomethyl) phenol (DMP-30) , It can be used 2,4,6-tris (dimethylaminomethyl) 2-ethylhexanoic acid ester of phenol. These may be used alone or in admixture of two or more.

本発明のサイジング塗布炭素繊維に塗布されたサイジング剤と、芳香族アミン硬化剤(B)の組み合わせとしては、次に示す組み合わせが好ましい。塗布されるサイジング剤と芳香族アミン硬化剤(B)のアミン当量とエポキシ当量の比率であるアミン当量/エポキシ当量が0.9でサイジング剤と芳香族アミン硬化剤(B)を混合し、温度25℃、湿度60%の環境下で20日保管した場合のガラス転移点の上昇が25℃以下であることが好ましい。25℃以下であることで、プリプレグにしたときに、サイジング剤外層とマトリックス樹脂中の反応が抑制され、プリプレグを長期間保管した後の炭素繊維強化複合材料のOHT低下が抑制されるため好ましい。またガラス転移点の上昇が15℃以下であることがより好ましい。10℃以下であることがさらに好ましい。なお、ガラス転移点は、示差走査熱量分析(DSC)により求めることができる。   As a combination of the sizing agent applied to the sizing-coated carbon fiber of the present invention and the aromatic amine curing agent (B), the following combinations are preferable. The sizing agent and aromatic amine curing agent (B) are mixed at a temperature of amine equivalent / epoxy equivalent of 0.9, which is the ratio of amine equivalent to epoxy equivalent of the sizing agent and aromatic amine curing agent (B) to be applied, and the temperature. It is preferable that the glass transition point rise when stored for 20 days in an environment of 25 ° C. and 60% humidity is 25 ° C. or less. When the temperature is 25 ° C. or lower, the reaction in the sizing agent outer layer and the matrix resin is suppressed when the prepreg is formed, and the decrease in OHT of the carbon fiber reinforced composite material after storing the prepreg for a long time is preferable. Moreover, it is more preferable that the increase in the glass transition point is 15 ° C. or less. More preferably, it is 10 ° C. or lower. The glass transition point can be determined by differential scanning calorimetry (DSC).

また、芳香族アミン硬化剤(B)の総量は、全エポキシ樹脂成分のエポキシ基1当量に対し、活性水素基が0.6〜1.2当量の範囲となる量を含むことが好ましく、より好ましくは0.7〜0.9当量の範囲となる量を含むことである。ここで、活性水素基とは、硬化剤成分のエポキシ基と反応しうる官能基を意味し、活性水素基が0.6当量に満たない場合は、硬化物の反応率、耐熱性、弾性率が不足し、また、炭素繊維強化複合材料のガラス転移温度やOHTが不足する場合がある。また、活性水素基が1.2当量を超える場合は、硬化物の反応率、ガラス転移温度、弾性率は十分であるが、塑性変形能力が不足するため、炭素繊維強化複合材料の耐衝撃性が不足する場合がある。   Moreover, it is preferable that the total amount of aromatic amine hardening | curing agent (B) contains the quantity from which an active hydrogen group becomes the range of 0.6-1.2 equivalent with respect to 1 equivalent of epoxy groups of all the epoxy resin components. Preferably, the amount is in the range of 0.7 to 0.9 equivalent. Here, the active hydrogen group means a functional group that can react with the epoxy group of the curing agent component, and when the active hydrogen group is less than 0.6 equivalent, the reaction rate, heat resistance, and elastic modulus of the cured product. In some cases, the glass transition temperature and OHT of the carbon fiber reinforced composite material may be insufficient. If the active hydrogen group exceeds 1.2 equivalents, the reaction rate, glass transition temperature, and elastic modulus of the cured product are sufficient, but the plastic deformation ability is insufficient, so the impact resistance of the carbon fiber reinforced composite material May be insufficient.

本発明のプリプレグには、靱性や流動性を調整するために、熱可塑性樹脂が含まれていることが好ましく、耐熱性の観点から、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリフェニレンエーテル、フェノキシ樹脂、ポリオレフィンから選ばれる少なくとも1種を含むことがより好ましい。また、熱可塑性樹脂のオリゴマーを含ませることができる。また、エラストマー、フィラーおよびその他の添加剤を配合することもできる。なお、熱可塑性樹脂は、プリプレグを構成するエポキシ樹脂に含まれていると良い。さらに、熱可塑性樹脂としては、エポキシ樹脂に可溶性の熱可塑性樹脂や、ゴム粒子および熱可塑性樹脂粒子等の有機粒子等を配合することができる。かかるエポキシ樹脂に可溶性の熱可塑性樹脂としては、樹脂と炭素繊維との接着性改善効果が期待できる水素結合性の官能基を有する熱可塑性樹脂が好ましく用いられる。   The prepreg of the present invention preferably contains a thermoplastic resin in order to adjust toughness and fluidity. From the viewpoint of heat resistance, polysulfone, polyethersulfone, polyetherimide, polyimide, polyamide, polyamide More preferably, it contains at least one selected from imide, polyphenylene ether, phenoxy resin, and polyolefin. Moreover, the oligomer of a thermoplastic resin can be included. Moreover, an elastomer, a filler, and another additive can also be mix | blended. The thermoplastic resin is preferably contained in the epoxy resin that constitutes the prepreg. Furthermore, as the thermoplastic resin, a thermoplastic resin soluble in an epoxy resin, organic particles such as rubber particles and thermoplastic resin particles, and the like can be blended. As the thermoplastic resin soluble in the epoxy resin, a thermoplastic resin having a hydrogen bonding functional group that can be expected to improve the adhesion between the resin and the carbon fiber is preferably used.

エポキシ樹脂可溶で、水素結合性官能基を有する熱可塑性樹脂として、アルコール性水酸基を有する熱可塑性樹脂、アミド結合を有する熱可塑性樹脂やスルホニル基を有する熱可塑性樹脂を使用することができる。   As the thermoplastic resin soluble in epoxy resin and having a hydrogen bonding functional group, a thermoplastic resin having an alcoholic hydroxyl group, a thermoplastic resin having an amide bond, or a thermoplastic resin having a sulfonyl group can be used.

かかるアルコール性水酸基を有する熱可塑性樹脂としては、ポリビニルホルマールやポリビニルブチラールなどのポリビニルアセタール樹脂、ポリビニルアルコール、フェノキシ樹脂を挙げることができ、また、アミド結合を有する熱可塑性樹脂としては、ポリアミド、ポリイミド、ポリビニルピロリドンを挙げることができ、さらに、スルホニル基を有する熱可塑性樹脂としては、ポリスルホンを挙げることができる。ポリアミド、ポリイミドおよびポリスルホンは、主鎖にエーテル結合、カルボニル基などの官能基を有してもよい。ポリアミドは、アミド基の窒素原子に置換基を有してもよい。   Examples of the thermoplastic resin having an alcoholic hydroxyl group include polyvinyl acetal resins such as polyvinyl formal and polyvinyl butyral, polyvinyl alcohol, and phenoxy resins. Examples of the thermoplastic resin having an amide bond include polyamide, polyimide, Polyvinyl pyrrolidone can be mentioned, and as a thermoplastic resin having a sulfonyl group, polysulfone can be mentioned. Polyamide, polyimide and polysulfone may have a functional group such as an ether bond and a carbonyl group in the main chain. The polyamide may have a substituent on the nitrogen atom of the amide group.

エポキシ樹脂に可溶で水素結合性官能基を有する熱可塑性樹脂の市販品を例示すると、ポリビニルアセタール樹脂として、デンカブチラール(電気化学工業(株)製)、“ビニレック(登録商標)”(チッソ(株)製)、フェノキシ樹脂として、“UCAR(登録商標)”PKHP(ユニオンカーバイド(株)製)、ポリアミド樹脂として“マクロメルト(登録商標)”(ヘンケル白水(株)製)、“アミラン(登録商標)”(東レ(株)製)、ポリイミドとして“ウルテム(登録商標)”(SABICイノベーティブプラスチックスジャパン合同会社製)、“Matrimid(登録商標)”5218(チバ(株)製)、ポリスルホンとして“スミカエクセル(登録商標)”(住友化学(株)製)、“UDEL(登録商標)”、“RADEL(登録商標)”(以上、ソルベイアドバンストポリマーズ(株)製)、ポリビニルピロリドンとして、“ルビスコール(登録商標)”(ビーエーエスエフジャパン(株)製)を挙げることができる。   Examples of commercially available thermoplastic resins that are soluble in epoxy resins and have hydrogen-bonding functional groups include, as polyvinyl acetal resins, Denkabutyral (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.), “Vinylec (registered trademark)” (Chisso ( Manufactured by Co., Ltd.), “UCAR (registered trademark)” PKHP (made by Union Carbide Co., Ltd.) as a phenoxy resin, “Macromelt (registered trademark)” (produced by Henkel Hakusui Co., Ltd.), “Amilan (registered) Trademark) ”(manufactured by Toray Industries, Inc.),“ Ultem (registered trademark) ”(manufactured by SABIC Innovative Plastics Japan LLC),“ Matrimid (registered trademark) ”5218 (manufactured by Ciba), and“ polysulfone ” "Sumika Excel (registered trademark)" (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.), "UDEL (registered trademark)", "RADE" (Registered trademark) "(or, Solvay Advanced Polymers Co., Ltd.), as a polyvinylpyrrolidone," Luviskol (registered trademark) "can be exemplified (BASF Japan Ltd.).

また、アクリル系樹脂は、エポキシ樹脂との相溶性が高く、増粘等の流動性調整のために好適に用いられる。アクリル樹脂の市販品を例示すると、“ダイヤナール(登録商標)”BRシリーズ(三菱レイヨン(株)製)、“マツモトマイクロスフェアー(登録商標)”M,M100,M500(松本油脂製薬(株)製)、“Nanostrength(登録商標)”E40F、M22N、M52N(アルケマ(株)製)などを挙げることができる。   In addition, the acrylic resin has high compatibility with the epoxy resin, and is suitably used for fluidity adjustment such as thickening. Examples of commercially available acrylic resins include “Dianal (registered trademark)” BR series (manufactured by Mitsubishi Rayon Co., Ltd.), “Matsumoto Microsphere (registered trademark)” M, M100, M500 (Matsumoto Yushi Seiyaku Co., Ltd.) And "Nanostrength (registered trademark)" E40F, M22N, M52N (manufactured by Arkema Co., Ltd.), and the like.

特に、OHTを高めることができ、本発明のサイジング剤塗布炭素繊維の特性を最大限発揮させられることから、ポリエーテルスルホンやポリエーテルイミドが好適である。ポリエーテルスルホンとしては、“スミカエクセル”(登録商標)3600P、“スミカエクセル”(登録商標)5003P、“スミカエクセル”(登録商標)5200P、“スミカエクセル”(登録商標、以上、住友化学工業(株)製)7200P、“Virantage”(登録商標)PESU VW−10200、“Virantage”(登録商標)PESU VW−10700(登録商標、以上、ソルベイアドバンスポリマーズ(株)製)、“Ultrason”(登録商標)2020SR(BASF(株)製)、ポリエーテルイミドとしては、“ウルテム”(登録商標)1000、“ウルテム”(登録商標)1010、“ウルテム”(登録商標)1040(以上、SABICイノベーティブプラスチックスジャパン合同会社製)などを使用することができる。   In particular, polyethersulfone and polyetherimide are preferable because OHT can be increased and the characteristics of the sizing agent-coated carbon fiber of the present invention can be maximized. Polyethersulfones include “Sumika Excel” (registered trademark) 3600P, “Sumika Excel” (registered trademark) 5003P, “Sumika Excel” (registered trademark) 5200P, “Sumika Excel” (registered trademark, Sumitomo Chemical Co., Ltd.) 7200P, “Virantage” (registered trademark) PESU VW-10200, “Virantage” (registered trademark) PESU VW-10700 (registered trademark, manufactured by Solvay Advance Polymers, Inc.), “Ultrason” (registered trademark) ) 2020SR (manufactured by BASF Corporation), polyetherimide includes “Ultem” (registered trademark) 1000, “Ultem” (registered trademark) 1010, “Ultem” (registered trademark) 1040 (above, SABIC Innovative Plastics Japan) Etc.) It is possible to use.

かかる熱可塑性樹脂は、特に含浸性を中心としたプリプレグ作製工程に支障をきたさないように、エポキシ樹脂組成物中に均一溶解しているか、粒子の形態で微分散していることが好ましい。   The thermoplastic resin is preferably uniformly dissolved in the epoxy resin composition or finely dispersed in the form of particles so as not to hinder the prepreg manufacturing process centering on impregnation.

また、かかる熱可塑性樹脂の配合量は、エポキシ樹脂組成物中に溶解せしめる場合には、エポキシ樹脂100質量部に対して6〜40質量部が好ましく、より好ましくは6〜25質量部である。一方、分散させて用いる場合には、エポキシ樹脂100質量部に対して10〜40質量部が好ましく、より好ましくは15〜30質量部である。熱可塑性樹脂がかかる配合量に満たなくても、超えても、OHTが低下する場合がある。   Moreover, 6-40 mass parts is preferable with respect to 100 mass parts of epoxy resins, when mixing | blending the amount of this thermoplastic resin in an epoxy resin composition, More preferably, it is 6-25 mass parts. On the other hand, when used in a dispersed state, the amount is preferably 10 to 40 parts by mass, more preferably 15 to 30 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the epoxy resin. Even if the thermoplastic resin is less than or exceeds the blending amount, OHT may be lowered.

次に、本発明のプリプレグに好適な製造方法について説明する。   Next, the manufacturing method suitable for the prepreg of the present invention will be described.

本発明のプリプレグは、マトリックス樹脂を、サイジング剤で塗布した上述の炭素繊維(I)(サイジング剤塗布炭素繊維)に含浸せしめたものである。プリプレグは、例えば、マトリックス樹脂をメチルエチルケトンやメタノールなどの溶媒に溶解して低粘度化し、含浸させるウェット法あるいは加熱により低粘度化し、含浸させるホットメルト法などの方法により製造することができる。   The prepreg of the present invention is obtained by impregnating the above-described carbon fiber (I) (sizing agent-coated carbon fiber) coated with a sizing agent with a matrix resin. The prepreg can be produced by, for example, a wet method in which a matrix resin is dissolved in a solvent such as methyl ethyl ketone or methanol to lower the viscosity and impregnated, or a hot melt method in which the viscosity is lowered by heating and impregnated.

ウェット法では、強化炭素繊維束をマトリックス樹脂が含まれる液体に浸漬した後、引き上げ、オーブンなどを用いて溶媒を蒸発させてプリプレグを得ることができる。   In the wet method, after the reinforced carbon fiber bundle is immersed in a liquid containing a matrix resin, the prepreg can be obtained by pulling up and evaporating the solvent using an oven or the like.

また、ホットメルト法では、加熱により低粘度化したマトリックス樹脂を直接サイジング剤塗布炭素繊維に含浸させる方法、あるいは一旦マトリックス樹脂組成物を離型紙などの上にコーティングしたフィルムをまず作製し、ついでサイジング剤塗布炭素繊維の両側あるいは片側から該フィルムを重ね、加熱加圧してマトリックス樹脂をサイジング剤塗布炭素繊維に含浸させる方法により、プリプレグを製造することができる。ホットメルト法は、プリプレグ中に残留する溶媒がないため好ましい手段である。   Also, in the hot melt method, a method of directly impregnating sizing agent-coated carbon fibers with a matrix resin whose viscosity has been reduced by heating, or a film in which a matrix resin composition is once coated on release paper or the like is first produced, and then sizing is performed. A prepreg can be produced by a method in which the film is overlapped from both sides or one side of the agent-coated carbon fiber and heated and pressed to impregnate the sizing agent-coated carbon fiber with the matrix resin. The hot melt method is a preferable means because there is no solvent remaining in the prepreg.

本発明のプリプレグを用いて炭素繊維強化複合材料を成形するには、プリプレグを積層後、積層物に圧力を付与しながらマトリックス樹脂を加熱硬化させる方法などを用いることができる。このようにして得られる本発明のプリプレグは、航空機部材、宇宙機部材、自動車部材および船舶部材をはじめとして、ゴルフシャフトや釣竿等のスポーツ用途およびその他一般産業用途に好適に用いられる。   In order to form a carbon fiber reinforced composite material using the prepreg of the present invention, a method of heat-curing a matrix resin while applying pressure to the laminate after laminating the prepreg can be used. The prepreg of the present invention thus obtained is suitably used for sports applications such as golf shafts and fishing rods and other general industrial applications, including aircraft members, spacecraft members, automobile members, and ship members.

次に、上述のサイジング剤塗布炭素繊維の製造方法を説明する。   Next, the manufacturing method of the above-mentioned sizing agent-coated carbon fiber will be described.

本発明で、サイジング剤塗布炭素繊維の製造で好適に用いられるポリアクリロニトリル系重合体は、重量平均分子量が50万〜90万のものが好ましく、70万〜90万のものがより好ましい。重量平均分子量が50万を下回るような、炭素繊維用として一般的な重量平均分子量のポリアクリロニトリル系重合体の場合、繊維軸方向の分子同士のつながりが低下するため、分子鎖末端の影響によって高強度領域で炭素繊維の単繊維強度の低下が起こりやすくなる。また、重量平均分子量は高い方が好ましいが、90万を超えるような高分子量のポリアクリロニトリル系重合体は、重合体溶液として紡糸するときに重合体濃度を低く設定する必要が生じ、その結果、炭素繊維中にボイドが形成され、高強度領域で炭素繊維の単繊維強度の低下が起こりやすくなる。ポリアクリロニトリル系重合体の重量平均分子量は、重合時のモノマー、開始剤および連鎖移動剤などの量を変えることにより制御することができる。具体的には、重合開始時のモノマー濃度を高くする、開始剤濃度を低くする、連鎖移動剤の濃度を少なくすることにより、重量平均分子量を高めることができる。なお、本発明においてポリアクリロニトリル系重合体とは、少なくともアクリロニトリルが重合体骨格の主構成成分となっているものをいい、主構成成分とは、通常、重合体骨格の90〜100mol%を占めることをいう。   In the present invention, the polyacrylonitrile polymer suitably used in the production of sizing agent-coated carbon fibers preferably has a weight average molecular weight of 500,000 to 900,000, more preferably 700,000 to 900,000. In the case of a polyacrylonitrile-based polymer having a weight average molecular weight that is generally used for carbon fibers, the weight average molecular weight of which is less than 500,000, since the connection between molecules in the fiber axis direction is reduced, the polymer chain end is highly affected. The strength of the single fiber of the carbon fiber is likely to decrease in the strength region. Further, the weight average molecular weight is preferably higher, but a polyacrylonitrile polymer having a high molecular weight exceeding 900,000 needs to have a low polymer concentration when spinning as a polymer solution. Voids are formed in the carbon fiber, and the single fiber strength of the carbon fiber is easily lowered in a high strength region. The weight average molecular weight of the polyacrylonitrile-based polymer can be controlled by changing the amounts of monomers, initiators, chain transfer agents and the like during polymerization. Specifically, the weight average molecular weight can be increased by increasing the monomer concentration at the start of polymerization, decreasing the initiator concentration, and decreasing the chain transfer agent concentration. In the present invention, the polyacrylonitrile-based polymer means that at least acrylonitrile is the main constituent of the polymer skeleton, and the main constituent usually occupies 90 to 100 mol% of the polymer skeleton. Say.

本発明で好適なポリアクリロニトリル系重合体の多分散度Mz/Mwは1.4〜2.4である。Mz/Mwは大きいほど高分子量側に分子量の異なる成分を含むことを意味し、Mz/Mwが1.4未満でも、Mz/Mwが2.4を超えても高強度領域で炭素繊維の単繊維強度の低下が起こりやすくなる。   The polydispersity Mz / Mw of the polyacrylonitrile polymer suitable for the present invention is 1.4 to 2.4. The larger Mz / Mw means that components having different molecular weights are included on the high molecular weight side, and even if Mz / Mw is less than 1.4 or Mz / Mw exceeds 2.4, a single unit of carbon fiber in a high strength region. A decrease in fiber strength is likely to occur.

本発明で、サイジング剤塗布炭素繊維の製造で好適に用いられるポリアクリロニトリル系重合体は、製糸性向上の観点および、耐炎化処理を効率よく行う観点等から、共重合成分を含む。一般に、共重合成分の量が少ないと耐炎化反応が不均一となり、また、共重合成分の量が多いとそれ自身の部位が熱分解して炭素繊維の欠陥として認識される場合がある。好ましい共重合成分の量としては、0.1〜0.8質量%である。共重合成分としては、前記観点からカルボキシル基またはアミド基を一つ以上有するものが好ましく例示される。耐熱性の低下を防止するという目的からは、耐炎化促進効果の高いモノマーを少量用いることが好ましく、アミド基よりもカルボキシル基を有する共重合成分を用いることが好ましい。また、含有されるアミド基とカルボキシル基の数は、1つよりも2つ以上であることがより好ましく、その観点からは、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、クロトン酸、シトラコン酸、エタクリル酸、マレイン酸およびメサコン酸が好ましく、イタコン酸、マレイン酸およびメサコン酸がより好ましく、中でも、イタコン酸が最も好ましい。   In the present invention, the polyacrylonitrile-based polymer suitably used in the production of the sizing agent-coated carbon fiber contains a copolymer component from the viewpoint of improving the yarn production and efficiently performing the flameproofing treatment. Generally, when the amount of the copolymer component is small, the flameproofing reaction becomes non-uniform, and when the amount of the copolymer component is large, the site itself may be thermally decomposed and recognized as a carbon fiber defect. A preferable amount of the copolymer component is 0.1 to 0.8% by mass. Preferred examples of the copolymer component include those having one or more carboxyl groups or amide groups from the above viewpoint. In order to prevent a decrease in heat resistance, it is preferable to use a small amount of a monomer having a high flame resistance promoting effect, and it is preferable to use a copolymer component having a carboxyl group rather than an amide group. Further, the number of amide groups and carboxyl groups contained is more preferably two or more than one, and from this viewpoint, acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid, crotonic acid, citraconic acid, ethacrylic acid Maleic acid and mesaconic acid are preferred, itaconic acid, maleic acid and mesaconic acid are more preferred, and itaconic acid is most preferred.

本発明で好適に用いられるポリアクリロニトリル系重合体を製造する重合方法としては、公知の重合方法を選択することができる。本発明のサイジング剤塗布炭素繊維の製造で好適に用いられる紡糸溶液は、前記したポリアクリロニトリル系重合体を、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミドおよびジメチルアセトアミドなどのポリアクリロニトリル系重合体が可溶な溶媒に溶解したものである。本発明に用いるポリアクリロニトリル系重合体は濃度を10〜18質量%の紡糸溶液とすることが好ましい。該紡糸溶液の濃度が10質量%に満たないと、炭素繊維中にボイドが形成されて高強度領域で炭素繊維の単繊維強度の低下が起こりやすくなり、また、該紡糸溶液の濃度が18質量%を超えると、紡糸性のために該重合体の重量平均分子量を下げなければならない場合がある。   As a polymerization method for producing the polyacrylonitrile polymer suitably used in the present invention, a known polymerization method can be selected. The spinning solution suitably used in the production of the sizing agent-coated carbon fiber of the present invention is obtained by dissolving the polyacrylonitrile polymer in a solvent in which a polyacrylonitrile polymer such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide and dimethylacetamide is soluble. It is a thing. The polyacrylonitrile polymer used in the present invention is preferably a spinning solution having a concentration of 10 to 18% by mass. When the concentration of the spinning solution is less than 10% by mass, voids are formed in the carbon fiber, and the single fiber strength of the carbon fiber is easily lowered in the high strength region, and the concentration of the spinning solution is 18% by mass. If it exceeds%, the weight average molecular weight of the polymer may have to be lowered for spinnability.

本発明のサイジング剤塗布炭素繊維の製造で好適に用いられるポリアクリロニトリル系前駆体繊維の製造方法は、乾湿式紡糸法により紡糸口金から吐出させ紡糸する紡糸工程と、該紡糸工程で得られた繊維を水浴中で洗浄する水洗工程と、該水洗工程で得られた繊維を水浴中で延伸する水浴延伸工程と、該水浴延伸工程で得られた繊維を乾燥熱処理する乾燥熱処理工程からなり、必要に応じて、該乾燥熱処理工程で得られた繊維をスチーム延伸するスチーム延伸工程からなる。   The method for producing a polyacrylonitrile-based precursor fiber suitably used in the production of the sizing agent-coated carbon fiber of the present invention includes a spinning process in which spinning is performed by discharging from a spinneret by a dry and wet spinning method, and the fiber obtained in the spinning process. A water-washing process for washing in a water bath, a water-bath drawing process for drawing the fibers obtained in the water-washing process in a water bath, and a drying heat-treatment process for drying and heat-treating the fibers obtained in the water-bath drawing process. Accordingly, the process includes a steam stretching step of steam stretching the fiber obtained in the drying heat treatment step.

本発明において、前記凝固浴には、紡糸溶液の溶媒として用いたジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミドおよびジメチルアセトアミドなどの溶媒と、いわゆる凝固促進成分を含ませることが好ましい。凝固促進成分としては、前記ポリアクリロニトリル系重合体を溶解せず、かつ紡糸溶液に用いる溶媒と相溶性があるものを使用することができる。具体的には、凝固促進成分として水を使用することが好ましい。   In the present invention, the coagulation bath preferably contains a solvent such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide and dimethylacetamide used as a solvent for the spinning solution and a so-called coagulation promoting component. As the coagulation accelerating component, a component that does not dissolve the polyacrylonitrile polymer and is compatible with the solvent used in the spinning solution can be used. Specifically, it is preferable to use water as a coagulation promoting component.

水洗工程における水浴温度は20〜90℃の複数段からなる水洗浴を用い水洗することが好ましい。また、水浴延伸工程における延伸倍率は、1.3〜5倍であることが好ましく、より好ましくは2〜4倍である。水浴延伸工程の後、単繊維同士の接着を防止する目的から、糸条にシリコーン等からなる油剤を付与することが好ましい。かかるシリコーン油剤は、変性されたシリコーンを用いることが好ましく、耐熱性の高いアミノ変性シリコーンを含有するものを用いることが好ましい。   The water bath temperature in the water washing step is preferably washed using a water bath having a plurality of stages of 20 to 90 ° C. Moreover, it is preferable that the draw ratio in a water bath extending process is 1.3-5 times, More preferably, it is 2-4 times. After the water bath stretching step, it is preferable to apply an oil agent made of silicone or the like to the yarn for the purpose of preventing adhesion between single fibers. As such a silicone oil agent, it is preferable to use a modified silicone, and it is preferable to use one containing an amino-modified silicone having high heat resistance.

前記した水洗工程、水浴延伸工程、油剤付与工程、公知の方法で行われた乾燥熱処理工程の後、必要に応じ、スチーム延伸を行うことにより、サイジング剤塗布炭素繊維の製造で好適に用いられるポリアクリロニトリル系前駆体繊維が得られる。本発明において、スチーム延伸は、加圧スチーム中において、少なくとも3倍以上、より好ましくは4倍以上、さらに好ましくは5倍以上延伸するのがよい。   After the water washing step, the water bath stretching step, the oil agent applying step, and the drying heat treatment step performed by a known method, by performing steam stretching as necessary, the poly used suitably in the production of sizing agent-coated carbon fibers. Acrylonitrile-based precursor fibers are obtained. In the present invention, the steam stretching is preferably performed at least 3 times, more preferably 4 times or more, and still more preferably 5 times or more in the pressurized steam.

本発明のサイジング剤塗布炭素繊維を好適に製造する方法において、前記したポリアクリロニトリル系前駆体繊維を耐炎化、予備炭素化、炭素化して、炭素繊維を得る。   In the method for suitably producing the sizing agent-coated carbon fiber of the present invention, the above-mentioned polyacrylonitrile-based precursor fiber is flame-resistant, pre-carbonized, and carbonized to obtain a carbon fiber.

本発明において、ポリアクリロニトリル系前駆体繊維の耐炎化は暴走反応を生じない範囲でできるだけ高い温度で行うことが好ましく、具体的には200〜300℃の空気中において行うことが好ましい。本発明において、耐炎化の処理時間は、好適には10〜100分の範囲で適宜選択することができるが、得られる炭素繊維の力学的物性を向上させる目的から、得られる耐炎化繊維の比重が1.3〜1.4の範囲となるように設定することが好ましい。   In the present invention, the flame resistance of the polyacrylonitrile-based precursor fiber is preferably performed at as high a temperature as possible without causing a runaway reaction. Specifically, it is preferably performed in air at 200 to 300 ° C. In the present invention, the flameproofing treatment time can be suitably selected within a range of 10 to 100 minutes, but for the purpose of improving the mechanical properties of the obtained carbon fiber, the specific gravity of the obtained flameproof fiber. Is preferably set in a range of 1.3 to 1.4.

前記耐炎化に引き続いて、予備炭素化を行う。予備炭素化工程においては、得られた耐炎化繊維を、不活性雰囲気中、最高温度500〜1200℃において、比重1.5〜1.8g/cmになるまで熱処理することが好ましい。 Subsequent to the flame resistance, preliminary carbonization is performed. In the preliminary carbonization step, it is preferable that the obtained flame-resistant fiber is heat-treated in an inert atmosphere at a maximum temperature of 500 to 1200 ° C. until the specific gravity is 1.5 to 1.8 g / cm 3 .

前記予備炭素化に引き続いて、炭素化を行う。本発明では、炭素化工程において、得られた予備炭化繊維束を不活性雰囲気中、最高温度1200〜2000℃において、炭素化張力が式(2)を満たす範囲で炭素化する炭素繊維の製造方法であって、予備炭素化繊維束の平均引き裂き可能距離が500〜700mmである炭素繊維の製造方法であることが好ましい。
4.9≦炭素化張力(mN/dtex)≦−0.0225×(予備炭素化繊維束の平均引き裂き可能距離(mm))+23.5・・・(2)。
Subsequent to the preliminary carbonization, carbonization is performed. In the present invention, in the carbonization step, the pre-carbonized fiber bundle obtained is carbonized in an inert atmosphere at a maximum temperature of 1200 to 2000 ° C. so that the carbonization tension satisfies the formula (2). And it is preferable that it is a manufacturing method of the carbon fiber whose average tearable distance of a pre-carbonized fiber bundle is 500-700 mm.
4.9 ≦ carbonization tension (mN / dtex) ≦ −0.0225 × (average tearable distance of pre-carbonized fiber bundle (mm)) + 23.5 (2).

炭素化工程の温度は、得られる炭素繊維のストランド弾性率を高める観点からは、高い方が好ましいが、高すぎると高強度領域の強度が低下する場合があり、両者を勘案して設定するのが良い。より好ましい温度範囲は1200〜1800℃であり、さらに好ましい温度範囲は、1200〜1600℃である。   The temperature of the carbonization step is preferably higher from the viewpoint of increasing the strand elastic modulus of the carbon fiber to be obtained, but if it is too high, the strength of the high strength region may decrease, and it is set in consideration of both. Is good. A more preferable temperature range is 1200 to 1800 ° C, and a more preferable temperature range is 1200 to 1600 ° C.

炭素化工程の張力(炭素化張力)は、炭素化炉出側で測定した張力(mN)をポリアクリロニトリル系前駆体繊維の絶乾時の繊度(dtex)で割った値で示すものとする。該張力を4.9mN/dtexよりも低くすると炭素繊維の結晶子配向を高めることができず、高いストランド弾性率を発現しない。また、該張力は、得られる炭素繊維のストランド弾性率を高める観点からは、高い方が好ましいが、高すぎると工程通過性や、品位が低下する場合があり、式(2)を満たす範囲で設定することが好ましい。式(2)の右辺の一次係数−0.0225の示す意味は、平均引き裂き可能距離の増加に伴う設定可能な該張力の低下勾配であり、定数項23.5は平均引き裂き可能距離を極限まで短くした場合に設定可能な該張力である。   The tension (carbonization tension) in the carbonization step is represented by a value obtained by dividing the tension (mN) measured on the outlet side of the carbonization furnace by the fineness (dtex) of the polyacrylonitrile-based precursor fiber when it is completely dried. When the tension is lower than 4.9 mN / dtex, the crystallite orientation of the carbon fiber cannot be increased, and a high strand elastic modulus is not exhibited. Further, the tension is preferably higher from the viewpoint of increasing the strand elastic modulus of the carbon fiber to be obtained, but if it is too high, the process passability and the quality may be lowered, and in a range satisfying the formula (2). It is preferable to set. The meaning of the first-order coefficient −0.0225 on the right-hand side of Equation (2) is a tension gradient that can be set with an increase in the average tearable distance, and the constant term 23.5 is used to reduce the average tearable distance to the limit. This tension can be set when the length is shortened.

炭素化工程における予備炭素化繊維束の引き裂き可能距離は、繊維束の交絡状態を表す指標であり、以下のようにして求める。まず、繊維束を1160mmの長さにカットし、その一端を水平な台上に粘着テープで動かないように固定する(この点を固定点Aと呼ぶ)。該繊維束の固定していない方の一端を指で2分割し、その一方を緊張させた状態で台上に粘着テープで動かないように固定する(この点を固定点Bと呼ぶ)。2分割した他方を、固定点Aが支点となり弛みが出ないよう台上に沿って動かし、固定点Bからの直線距離が500mmの位置で静止させ、台上に粘着テープで動かないように固定する(この点を固定点Cと呼ぶ)。固定点A、B、Cで囲まれた領域を目視で観察し、固定点Aから最も遠い交絡点を見つけ、固定点Aと固定点Bで結ばれる直線上に投影した距離を最低目盛りが1mmの定規で読み取り、引き裂き可能距離とする。前記操作の繰り返し30回の測定の算術平均値を平均引き裂き可能距離とする。引き裂き可能距離の測定方法を図1に示す。本測定方法において、固定点Aから最も遠い交絡点とは、固定点Aからの直線距離が最も遠く、かつ弛みのない3本以上の単繊維が交絡している点のことである。   The tearable distance of the pre-carbonized fiber bundle in the carbonization step is an index that represents the entangled state of the fiber bundle, and is determined as follows. First, the fiber bundle is cut to a length of 1160 mm, and one end thereof is fixed on a horizontal base so as not to move with an adhesive tape (this point is referred to as a fixing point A). One end of the fiber bundle that is not fixed is divided into two with fingers, and one of the ends is tensioned and fixed on the table so as not to move with an adhesive tape (this point is referred to as a fixing point B). Move the other of the two halves along the table so that the fixed point A becomes a fulcrum and does not come loose, rest at a position where the linear distance from the fixed point B is 500 mm, and fix it on the table so that it does not move with adhesive tape. (This point is called a fixed point C). The area surrounded by the fixed points A, B, and C is visually observed, the entanglement point farthest from the fixed point A is found, and the distance projected on the straight line connecting the fixed point A and the fixed point B is 1 mm at the minimum scale. Read with the ruler of, and make the tearable distance. The arithmetic average value of 30 measurements of the above operation is defined as the average tearable distance. A method of measuring the tearable distance is shown in FIG. In this measurement method, the entanglement point farthest from the fixed point A is the point where the linear distance from the fixed point A is the longest and three or more single fibers having no slack are entangled.

従来、交絡状態の評価手法として、フックドロップ法が一般的に用いられてきた。フックドロップ法による繊維束の交絡度は、JIS L1013(2010年)に規定されているように、測定に供する繊維束を垂下装置の上部に固定し、繊維束下端に錘をぶらさげ、試料を垂直にたらし、試料上部固定端から1cm下に、繊維束を2分割するように、直径0.6mmの表面を滑らかに仕上げた重さ10gのフックを挿入し、その降下距離測定するものである。   Conventionally, the hook drop method has been generally used as a method for evaluating the entangled state. As defined in JIS L1013 (2010), the degree of entanglement of the fiber bundle by the hook drop method is fixed to the upper part of the drooping device, the weight is suspended at the lower end of the fiber bundle, and the sample is placed vertically. After that, a hook with a weight of 10 g with a smooth surface of 0.6 mm in diameter is inserted so as to divide the fiber bundle into two parts 1 cm below the upper fixed end of the sample, and the descent distance is measured. .

本発明において、炭素化工程における予備炭素化繊維束の交絡度として、従来のフックドロップ法ではなく、平均引き裂き可能距離を特定の範囲にすることで、炭素繊維高強度領域の強度低下を避けつつ、炭素化工程における高い延伸張力を発現できる。炭素化工程において高い延伸張力をかけるためには、単繊維間の応力伝達能力が高い繊維束状態をつくる必要があり、そのためには単繊維同士の細かい交絡ネットワークを形成することが重要である。従来のフックドロップ法は、フックを用いた「点」での評価であるのに対し、引き裂き可能距離は、束全体を見る「面」での評価であり、この相違点により、炭素化工程における高い延伸張力を発現するための状態を適切に規定できるものと考える。   In the present invention, as the degree of entanglement of the pre-carbonized fiber bundle in the carbonization process, not by the conventional hook drop method, but by making the average tearable distance within a specific range, while avoiding the strength reduction of the carbon fiber high strength region High stretch tension in the carbonization process can be expressed. In order to apply a high drawing tension in the carbonization process, it is necessary to create a fiber bundle state in which the stress transmission ability between single fibers is high. For that purpose, it is important to form a fine entanglement network between single fibers. The conventional hook drop method is an evaluation at a “point” using a hook, whereas the tearable distance is an evaluation at a “surface” that looks at the entire bundle. Due to this difference, in the carbonization process, It is considered that a state for expressing a high stretching tension can be appropriately defined.

本発明において、炭素化工程における予備炭素化繊維束の引き裂き可能距離は、短いほど交絡度が高く、単繊維間の応力伝達能力が高まり、炭素化工程における延伸張力を高めることができるが、該距離が500mm未満の場合は高強度領域の炭素繊維の単繊維強度の低下が起こりやすい。引き裂き可能距離が700mmを超える交絡処理を施していない、あるいは弱いものは、炭素化工程である一定確率で破断する単繊維分の応力を破断していない他の単繊維が負担することなり、単繊維間の構造バラツキとそれに伴う強度バラツキを誘起する。   In the present invention, the shorter the tearable distance of the pre-carbonized fiber bundle in the carbonization process, the higher the degree of entanglement, the higher the stress transmission ability between single fibers, and the higher the stretching tension in the carbonization process. When the distance is less than 500 mm, the single fiber strength of the carbon fiber in the high strength region tends to decrease. If the entangling process with a tearable distance exceeding 700 mm is not performed or weak, the stress of the single fiber that breaks with a certain probability, which is the carbonization process, is borne by the other single fiber that has not broken. It induces structural variation between fibers and accompanying strength variation.

前記した予備炭素化繊維の平均引き裂き可能距離を達成する手段は、前記した数値範囲が達成できれば、どのような方法も採用することができるが、本発明において、平均引き裂き可能距離を制御する方法としては、繊維束への流体による交絡処理が好ましく用いられる。中でも、ポリアクリロニトリル系前駆体繊維の製造工程および耐炎化工程のいずれかにおいて、すなわち繊維伸度が5%以上の繊維束をプロセスしている場所で流体交絡処理を行うことが好ましい。これら以外の工程では、OHTを低下させることがある。   As the means for achieving the average tearable distance of the preliminary carbonized fiber, any method can be adopted as long as the numerical range described above can be achieved. In the present invention, as a method for controlling the average tearable distance, The entanglement process by the fluid to the fiber bundle is preferably used. Among them, it is preferable to perform the fluid entanglement process in any of the manufacturing process and the flameproofing process of the polyacrylonitrile-based precursor fiber, that is, in a place where a fiber bundle having a fiber elongation of 5% or more is processed. In other steps, OHT may be lowered.

流体交絡処理に用いる流体としては、気体、液体とも用いることができるが、空気又は窒素が安価な為好ましい。流体交絡処理において、流体はノズルを用いて繊維束に吹き付けることが好ましく、流体を吹き付けるノズル形状は特に限定されないが、2〜8箇所の噴出孔を有するものを用いることが好ましい。噴出口の配置は特に限定されないが、繊維束長手方向と流体の吹き付け方向の成す角が88°〜90°の範囲となるよう繊維束を取り囲むように偶数個の噴出孔を配置し、各々の噴出孔が2孔で1組となるよう対向する位置に配置することが好ましい。それ以外の流体交絡処理時の繊維束張力、流体の吐出圧等の条件は、引き裂き可能距離を適宜調整するように条件検討すればよい。   As the fluid used for the fluid entanglement treatment, both gas and liquid can be used, but air or nitrogen is preferable because it is inexpensive. In the fluid entanglement process, the fluid is preferably sprayed onto the fiber bundle using a nozzle, and the shape of the nozzle that sprays the fluid is not particularly limited, but it is preferable to use one having 2 to 8 ejection holes. The arrangement of the ejection ports is not particularly limited, but an even number of ejection holes are arranged so as to surround the fiber bundle so that the angle formed by the fiber bundle longitudinal direction and the fluid blowing direction is in the range of 88 ° to 90 °. It is preferable to arrange the jet holes at positions facing each other so as to form a pair of two holes. Other conditions such as fiber bundle tension and fluid discharge pressure during the fluid entanglement process may be examined so as to adjust the tearable distance appropriately.

また、炭素化工程において、繊維束は実質的に無撚りであることが好ましい。ここで、実質的に無撚りとは、たとえ撚りが存在していても、繊維束1mあたり1ターン以下であることを意味する。   In the carbonization step, the fiber bundle is preferably substantially untwisted. Here, “substantially untwisted” means that it is 1 turn or less per 1 m of fiber bundle even if twist is present.

また、本発明の炭素繊維は、炭素繊維の平均引き裂き可能距離が300〜710mmであることが好ましい。該距離が300mm未満の場合は、マトリックス樹脂が単繊維間に含浸しにくくなり、OHTを低下させることがあり、該距離が710mm以上の場合は、プリプレグ加工において拡幅時の糸割れを誘起し、低目付けの薄いプリプレグを製造するのに適さない場合がある。さらには、炭素繊維強化複合材料にした際に、炭素繊維強化複合材料中での応力伝達も不均一となり、OHTを低下させることがある。   The carbon fiber of the present invention preferably has an average tearable distance of 300 to 710 mm. When the distance is less than 300 mm, the matrix resin is less likely to be impregnated between the single fibers, and may reduce OHT. When the distance is 710 mm or more, thread cracking during widening is induced in prepreg processing, It may not be suitable for producing a thin prepreg with a low basis weight. Furthermore, when a carbon fiber reinforced composite material is used, stress transmission in the carbon fiber reinforced composite material also becomes non-uniform, which may reduce OHT.

得られた炭素繊維は、マトリックス樹脂との接着性を向上させるために、通常、酸化処理が施され、酸素含有官能基が導入される。酸化処理方法としては、気相酸化、液相酸化および液相電解酸化が用いられるが、生産性が高く、均一処理ができるという観点から、液相電解酸化が好ましく用いられる。   The obtained carbon fiber is usually subjected to an oxidation treatment to introduce an oxygen-containing functional group in order to improve adhesion with the matrix resin. As the oxidation treatment method, vapor phase oxidation, liquid phase oxidation, and liquid phase electrolytic oxidation are used. From the viewpoint of high productivity and uniform treatment, liquid phase electrolytic oxidation is preferably used.

本発明において、液相電解酸化で用いられる電解液としては、酸性電解液およびアルカリ性電解液が挙げられるが接着性の観点からアルカリ性電解液中で液相電解酸化した後、サイジング剤を塗布することがより好ましい。   In the present invention, examples of the electrolytic solution used in the liquid phase electrolytic oxidation include an acidic electrolytic solution and an alkaline electrolytic solution. From the viewpoint of adhesion, a liquid phase electrolytic oxidation is performed in an alkaline electrolytic solution, and then a sizing agent is applied. Is more preferable.

酸性電解液としては、例えば、硫酸、硝酸、塩酸、燐酸、ホウ酸、および炭酸等の無機酸、酢酸、酪酸、シュウ酸、アクリル酸、およびマレイン酸等の有機酸、または硫酸アンモニウムや硫酸水素アンモニウム等の塩が挙げられる。なかでも、強酸性を示す硫酸と硝酸が好ましく用いられる。   Examples of the acidic electrolyte include inorganic acids such as sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid, phosphoric acid, boric acid, and carbonic acid, organic acids such as acetic acid, butyric acid, oxalic acid, acrylic acid, and maleic acid, or ammonium sulfate and ammonium hydrogen sulfate. And the like. Of these, sulfuric acid and nitric acid exhibiting strong acidity are preferably used.

アルカリ性電解液としては、具体的には、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウムおよび水酸化バリウム等の水酸化物の水溶液、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸バリウムおよび炭酸アンモニウム等の炭酸塩の水溶液、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム、炭酸水素マグネシウム、炭酸水素カルシウム、炭酸水素バリウムおよび炭酸水素アンモニウム等の炭酸水素塩の水溶液、アンモニア、水酸化テトラアルキルアンモニウムおよびヒドラジンの水溶液等が挙げられる。なかでも、マトリックス樹脂の硬化阻害を引き起こすアルカリ金属を含まないという観点から、炭酸アンモニウムおよび炭酸水素アンモニウムの水溶液、あるいは、強アルカリ性を示す水酸化テトラアルキルアンモニウムの水溶液が好ましく用いられる。   Specific examples of the alkaline electrolyte include aqueous solutions of hydroxides such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, magnesium hydroxide, calcium hydroxide and barium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, magnesium carbonate, calcium carbonate, Aqueous solutions of carbonates such as barium carbonate and ammonium carbonate, aqueous solutions of bicarbonates such as sodium bicarbonate, potassium bicarbonate, magnesium bicarbonate, calcium bicarbonate, barium bicarbonate and ammonium bicarbonate, ammonia, tetraalkylammonium hydroxide And an aqueous solution of hydrazine. Among these, from the viewpoint of not containing an alkali metal that causes curing inhibition of the matrix resin, an aqueous solution of ammonium carbonate and ammonium hydrogen carbonate or an aqueous solution of tetraalkylammonium hydroxide exhibiting strong alkalinity is preferably used.

本発明において用いられる電解液の濃度は、0.01〜5モル/リットルの範囲内であることが好ましく、より好ましくは0.1〜1モル/リットルの範囲内である。電解液の濃度が0.01モル/リットル以上であると、電解処理電圧が下げられ、運転コストに有利になる。一方、電解液の濃度が5モル/リットル以下であると、安全性の観点から有利になる。   The concentration of the electrolytic solution used in the present invention is preferably in the range of 0.01 to 5 mol / liter, more preferably in the range of 0.1 to 1 mol / liter. When the concentration of the electrolytic solution is 0.01 mol / liter or more, the electrolytic treatment voltage is lowered, which is advantageous for the operating cost. On the other hand, when the concentration of the electrolytic solution is 5 mol / liter or less, it is advantageous from the viewpoint of safety.

本発明において用いられる電解液の温度は、10〜100℃の範囲内であることが好ましく、より好ましくは10〜40℃の範囲内である。電解液の温度が10℃以上であると、電解処理の効率が向上し、運転コストに有利になる。一方、電解液の温度が100℃以下であると、安全性の観点から有利になる。   The temperature of the electrolytic solution used in the present invention is preferably in the range of 10 to 100 ° C, more preferably in the range of 10 to 40 ° C. When the temperature of the electrolytic solution is 10 ° C. or higher, the efficiency of the electrolytic treatment is improved, which is advantageous for the operating cost. On the other hand, when the temperature of the electrolytic solution is 100 ° C. or lower, it is advantageous from the viewpoint of safety.

本発明において、液相電解酸化における電気量は、炭素繊維の炭化度に合わせて最適化することが好ましく、高弾性率の炭素繊維に処理を施す場合、より大きな電気量が必要である。   In the present invention, the amount of electricity in the liquid phase electrolytic oxidation is preferably optimized in accordance with the carbonization degree of the carbon fiber, and a larger amount of electricity is required when processing the carbon fiber having a high elastic modulus.

本発明において、液相電解酸化における電流密度は、電解処理液中の炭素繊維の表面積1m当たり1.5〜1000アンペア/mの範囲内であることが好ましく、より好ましくは3〜500アンペア/mの範囲内である。電流密度が1.5アンペア/m以上であると、電解処理の効率が向上し、運転コストに有利になる。一方、電流密度が1000アンペア/m以下であると、安全性の観点から有利になる。 In the present invention, the current density in the liquid phase electrolytic oxidation is preferably in the range of 1.5 to 1000 amperes / m 2 per 1 m 2 of the surface area of the carbon fiber in the electrolytic treatment solution, more preferably 3 to 500 amperes. / M 2 in the range. When the current density is 1.5 amperes / m 2 or more, the efficiency of the electrolytic treatment is improved, which is advantageous for the operating cost. On the other hand, when the current density is 1000 amperes / m 2 or less, it is advantageous from the viewpoint of safety.

また、本発明において、電解処理で採用する電解電気量の総量は、炭素繊維1g当たり3〜300クーロン/gであることが好ましい。電解電気量の総量が3クーロン/g未満では、炭素繊維表面に十分に官能基を付与できない場合があり、単繊維コンポジットのフラグメンテーション法による、単繊維見掛け応力が15.3GPaのときに繊維破断数が2.0個/mm未満となることがある。一方、電解電気量の総量が300クーロン/gを超えると炭素繊維単繊維表面の欠陥を拡大させ、単繊維コンポジットのフラグメンテーション法による、単繊維見掛け応力が12.2GPaのときの繊維破断数が1.7個/mmを超えることがある。   In the present invention, the total amount of electrolytic electricity employed in the electrolytic treatment is preferably 3 to 300 coulomb / g per gram of carbon fiber. If the total amount of electrolytic electricity is less than 3 coulombs / g, functional groups may not be sufficiently imparted to the carbon fiber surface, and the number of fiber breaks when the single fiber apparent stress by the fragmentation method of the single fiber composite is 15.3 GPa. May be less than 2.0 pieces / mm. On the other hand, when the total amount of electrolytic electricity exceeds 300 coulombs / g, defects on the surface of the carbon fiber single fiber are enlarged, and the number of fiber breaks when the single fiber apparent stress is 12.2 GPa by the fragmentation method of the single fiber composite is 1. May exceed 7 / mm.

本発明において、電解処理の後、炭素繊維を水洗および乾燥することが好ましい。洗浄する方法としては、例えば、ディップ法とスプレー法を用いることができる。なかでも、洗浄が容易であるという観点から、ディップ法を用いることが好ましく、さらには、炭素繊維を超音波で加振させながらディップ法を用いることが好ましい態様である。また、乾燥温度が高すぎると炭素繊維の最表面に存在する官能基は熱分解により消失し易いため、できる限り低い温度で乾燥することが望ましく、具体的には乾燥温度が好ましくは250℃以下、さらに好ましくは210℃以下で乾燥することが好ましい。   In the present invention, it is preferable to wash and dry the carbon fiber after the electrolytic treatment. As a cleaning method, for example, a dip method and a spray method can be used. Especially, it is preferable to use a dip method from a viewpoint that washing | cleaning is easy, Furthermore, it is a preferable aspect to use a dip method, vibrating a carbon fiber with an ultrasonic wave. Also, if the drying temperature is too high, the functional groups present on the outermost surface of the carbon fiber are likely to disappear due to thermal decomposition, so it is desirable to dry at the lowest possible temperature. Specifically, the drying temperature is preferably 250 ° C. or lower. More preferably, drying is performed at 210 ° C. or lower.

本発明は、脂肪族エポキシ化合物(C)および芳香族エポキシ化合物(D)を少なくとも含むサイジング剤を塗布された炭素繊維であるサイジング剤塗布炭素繊維である。また、好ましくは、サイジング剤表面を光電子脱出角度15°でX線光電子分光法によって測定されるC1s内殻スペクトルの(a)CHx、C−C、C=Cに帰属される結合エネルギー(284.6eV)の成分の高さ(cps)と(b)C−Oに帰属される結合エネルギー(286.1eV)の成分の高さ(cps)の比率(a)/(b)が0.50〜0.90であることを特徴とするサイジング剤塗布炭素繊維である。 The present invention is a sizing agent-coated carbon fiber that is a carbon fiber coated with a sizing agent containing at least an aliphatic epoxy compound (C) and an aromatic epoxy compound (D). Preferably, the sizing agent surface has a bond energy (284) attributed to (a) CHx, C—C, C = C in the C 1s core spectrum measured by X-ray photoelectron spectroscopy at a photoelectron escape angle of 15 °. The ratio (a) / (b) of the height (cps) of the component (.6 eV) and the height (cps) of the component (286.1 eV) attributed to C—O is 0.50. A sizing agent-coated carbon fiber characterized by a value of ˜0.90.

本発明においては脂肪族エポキシ化合物(C)および芳香族エポキシ化合物(D)を併用することが必要である。   In the present invention, it is necessary to use an aliphatic epoxy compound (C) and an aromatic epoxy compound (D) in combination.

本発明者らの知見によれば、かかる範囲のものは、炭素繊維とマトリックス樹脂の界面接着性に優れるとともに、そのサイジング剤塗布炭素繊維をプリプレグに用いた場合にもプリプレグを長期保管した場合の経時変化が小さく、炭素繊維強化複合材料用のサイジング剤塗布炭素繊維に好適なものである。そのため、かかるサイジング剤を用いることで、本発明のサイジング剤塗布炭素繊維は、単繊維コンポジットのフラグメンテーション法による、単繊維見掛け応力が15.3GPaのときに繊維破断数が2.0個/mm以上に制御することができる。   According to the knowledge of the present inventors, such a range is excellent in the interfacial adhesion between the carbon fiber and the matrix resin, and also when the sizing agent-coated carbon fiber is used for the prepreg when the prepreg is stored for a long period of time. The change over time is small, and it is suitable for sizing agent-coated carbon fibers for carbon fiber reinforced composite materials. Therefore, by using such a sizing agent, the sizing agent-coated carbon fiber of the present invention has a fiber breakage number of 2.0 pieces / mm or more when the single fiber apparent stress is 15.3 GPa according to the fragmentation method of the single fiber composite. Can be controlled.

エポキシ化合物として、芳香族エポキシ化合物(D)のみからなり、脂肪族エポキシ化合物(C)を含まないサイジング剤を塗布した炭素繊維は、サイジング剤とマトリックス樹脂との反応性が低く、プリプレグを長期保管した場合の物性変化が小さいという利点がある。また、剛直な界面層を形成することができるという利点もある。しかしながら、芳香族エポキシ化合物(D)はその化合物の剛直さに由来して、脂肪族エポキシ化合物(A)と比較して、炭素繊維とマトリックス樹脂との接着性が若干劣ることが確認されている。   Carbon fiber consisting of only aromatic epoxy compound (D) as epoxy compound and coated with sizing agent that does not contain aliphatic epoxy compound (C) has low reactivity between sizing agent and matrix resin, and preserves prepreg for a long time. There is an advantage that the change in physical properties is small. There is also an advantage that a rigid interface layer can be formed. However, the aromatic epoxy compound (D) is derived from the rigidity of the compound, and it has been confirmed that the adhesion between the carbon fiber and the matrix resin is slightly inferior to the aliphatic epoxy compound (A). .

また、エポキシ化合物として脂肪族エポキシ化合物(C)のみからなるサイジング剤を塗布した炭素繊維はマトリックス樹脂との接着性が高いことが確認されている。そのメカニズムは確かではないが、脂肪族エポキシ化合物(C)は柔軟な骨格および自由度が高い構造に由来して、炭素繊維表面のカルボキシル基および水酸基との官能基と脂肪族エポキシ化合物が強い相互作用を形成することが可能であると考えられる。しかしながら、脂肪族エポキシ化合物(C)は、炭素繊維表面との相互作用により高い接着性を発現する一方、マトリックス樹脂中の硬化剤に代表される官能基を有する化合物との反応性が高く、プリプレグの状態で長期間保管すると、マトリックス樹脂とサイジング剤の相互作用により界面層の構造が変化し、そのプリプレグから得られる炭素繊維強化複合材料の物性が低下する課題があることが確認されている。   In addition, it has been confirmed that carbon fibers coated with a sizing agent composed only of an aliphatic epoxy compound (C) as an epoxy compound have high adhesiveness with a matrix resin. Although the mechanism is not certain, the aliphatic epoxy compound (C) is derived from a flexible skeleton and a structure having a high degree of freedom, and the functional group of the carboxyl group and hydroxyl group on the surface of the carbon fiber and the aliphatic epoxy compound are strongly interacting with each other. It is considered possible to form an action. However, the aliphatic epoxy compound (C) exhibits high adhesiveness due to the interaction with the carbon fiber surface, while having high reactivity with the compound having a functional group represented by the curing agent in the matrix resin, When stored for a long time in this state, it has been confirmed that the structure of the interface layer changes due to the interaction between the matrix resin and the sizing agent, and the physical properties of the carbon fiber reinforced composite material obtained from the prepreg deteriorate.

本発明において、脂肪族エポキシ化合物(C)と芳香族エポキシ化合物(D)を混合した場合、より極性の高い脂肪族エポキシ化合物(C)が炭素繊維側に多く偏在し、炭素繊維と逆側のサイジング層の最外層に極性の低い芳香族エポキシ化合物(D)が偏在しやすいという現象が見られる。このサイジング層の傾斜構造の結果として、脂肪族エポキシ化合物(C)は炭素繊維近傍で炭素繊維と強い相互作用を有することで炭素繊維とマトリックス樹脂の接着性を高めることができる。また、外層に多く存在する芳香族エポキシ化合物(D)は、サイジング剤塗布炭素繊維をプリプレグにした場合には脂肪族エポキシ化合物(C)をマトリックス樹脂から遮断する役割を果たす。このことにより、脂肪族エポキシ化合物(C)とマトリックス樹脂中の反応性の高い成分との反応が抑制されるため、長期保管時の安定性が発現される。なお、脂肪族エポキシ化合物(C)を芳香族エポキシ化合物(D)でほぼ完全に覆う場合には、サイジング剤とマトリックス樹脂との相互作用が小さくなり接着性が低下してしまうため、サイジング剤表面の脂肪族エポキシ化合物(C)と芳香族エポキシ化合物(D)の存在比率が重要である。   In the present invention, when the aliphatic epoxy compound (C) and the aromatic epoxy compound (D) are mixed, the aliphatic epoxy compound (C) having higher polarity is unevenly distributed on the carbon fiber side, and is opposite to the carbon fiber. There is a phenomenon that the aromatic epoxy compound (D) having a low polarity tends to be unevenly distributed in the outermost layer of the sizing layer. As a result of the inclined structure of the sizing layer, the aliphatic epoxy compound (C) has a strong interaction with the carbon fiber in the vicinity of the carbon fiber, thereby improving the adhesion between the carbon fiber and the matrix resin. In addition, the aromatic epoxy compound (D) present in a large amount in the outer layer plays a role of blocking the aliphatic epoxy compound (C) from the matrix resin when the sizing agent-coated carbon fiber is used as a prepreg. As a result, the reaction between the aliphatic epoxy compound (C) and the highly reactive component in the matrix resin is suppressed, so that stability during long-term storage is exhibited. When the aliphatic epoxy compound (C) is almost completely covered with the aromatic epoxy compound (D), the interaction between the sizing agent and the matrix resin is reduced and the adhesiveness is lowered. The ratio of the aliphatic epoxy compound (C) and the aromatic epoxy compound (D) is important.

本発明において、炭素繊維に塗布されたサイジング剤のエポキシ当量は350〜550g/molであることが好ましい。550g/mol以下であることで、サイジング剤を塗布した炭素繊維とマトリックス樹脂の接着性が向上するため好ましい。また、350g/mol以上であることで、プリプレグに該サイジング剤塗布炭素繊維を用いた場合に、プリプレグに用いている樹脂成分とサイジング剤との反応を抑制することができるため、プリプレグを長期保管した場合にも得られた炭素繊維強化複合材料の物性が良好になるため好ましい。本発明におけるサイジング剤を塗布した炭素繊維のエポキシ当量とは、サイジング剤塗布繊維をN,N−ジメチルホルムアミドに代表される溶媒中に浸漬し、超音波洗浄を行うことで繊維から溶出させたのち、塩酸でエポキシ基を開環させ、酸塩基滴定で求めることができる。エポキシ当量は360g/mol以上が好ましく、380g/mol以上がより好ましい。また、530g/mol以下が好ましく、500g/mol以下がより好ましい。なお、炭素繊維に塗布されたサイジング剤のエポキシ当量は、塗布に用いるサイジング剤のエポキシ当量および塗布後の乾燥での熱履歴などにより、制御することができる。   In this invention, it is preferable that the epoxy equivalent of the sizing agent apply | coated to carbon fiber is 350-550 g / mol. It is preferable for it to be 550 g / mol or less because the adhesion between the carbon fiber coated with the sizing agent and the matrix resin is improved. Moreover, since it is 350 g / mol or more, when this sizing agent application | coating carbon fiber is used for a prepreg, since the reaction with the resin component and sizing agent which are used for a prepreg can be suppressed, prepreg is stored for a long time This is also preferable because the physical properties of the obtained carbon fiber reinforced composite material are improved. The epoxy equivalent of the carbon fiber coated with the sizing agent in the present invention is that the sizing agent-coated fiber is immersed in a solvent typified by N, N-dimethylformamide, and is eluted from the fiber by ultrasonic cleaning. It can be obtained by acid-base titration by opening the epoxy group with hydrochloric acid. Epoxy equivalent is preferably 360 g / mol or more, and more preferably 380 g / mol or more. Moreover, 530 g / mol or less is preferable and 500 g / mol or less is more preferable. In addition, the epoxy equivalent of the sizing agent applied to the carbon fiber can be controlled by the epoxy equivalent of the sizing agent used for application and the heat history in drying after application.

本発明において、サイジング剤塗布繊維から溶出される脂肪族エポキシ化合物(C)がサイジング剤塗布炭素繊維100質量部に対して0.3質量部以下であることが好ましい。かかる溶出量を0.3質量部以下とすることで、本発明のサイジング剤塗布炭素繊維を熱硬化性樹脂とともに用いてプリプレグとした場合に、熱硬化性樹脂の樹脂成分とサイジング剤による反応を抑制することができるため、プリプレグを長期保管した場合にも得られた炭素繊維強化複合材料の物性が良好になるため好ましい。0.1質量部以下がより好ましく、0.05質量部以下がさらに好ましい。本発明において、サイジング剤塗布繊維から溶出される脂肪族エポキシ化合物(C)の溶出量は、以下の手順で求められる。   In this invention, it is preferable that the aliphatic epoxy compound (C) eluted from a sizing agent application | coating fiber is 0.3 mass part or less with respect to 100 mass parts of sizing agent application | coating carbon fibers. By setting the elution amount to 0.3 parts by mass or less, when the sizing agent-coated carbon fiber of the present invention is used as a prepreg together with a thermosetting resin, the reaction between the resin component of the thermosetting resin and the sizing agent is performed. Since it can suppress, the physical property of the carbon fiber reinforced composite material obtained also when the prepreg is stored for a long period of time is preferable. 0.1 mass part or less is more preferable, and 0.05 mass part or less is still more preferable. In this invention, the elution amount of the aliphatic epoxy compound (C) eluted from a sizing agent application | coating fiber is calculated | required in the following procedures.

サイジング剤塗布炭素繊維0.1gをアセトニトリルとクロロホルムを体積比9対1で混合した溶液10mlに浸漬し、超音波洗浄を20分間行うことで繊維からサイジング剤を溶出させた後、試料溶液を5ml採取し窒素中で溶媒を留去、さらに0.2mlになるまで上述のアセトニトリルとクロロホルムの混合溶液を加えて定容し、25倍の濃縮液を作成する。その溶液を水とアセトニトリルの混合液を移動相とした液体クロマトグラフィーを用いて脂肪族エポキシ化合物(C)のピークをそれ以外のピークと分離し、蒸発光散乱検出器(ELSD)にて検出する。そして、予め濃度の分かっている脂肪族エポキシ化合物(C)の溶液のピーク面積を用いて検量線を作成し、それを基準にして脂肪族エポキシ化合物(C)の濃度を定量化することにより、サイジング剤塗布炭素繊維100質量部に対する脂肪族エポキシ化合物(C)の溶出量を求める。   After immersing 0.1g of carbon fiber coated with sizing agent in 10ml of a mixture of acetonitrile and chloroform at a volume ratio of 9: 1, ultrasonic cleaning is performed for 20 minutes to elute the sizing agent from the fiber, and then 5ml of the sample solution. The sample is collected, the solvent is distilled off in nitrogen, and the above-mentioned mixed solution of acetonitrile and chloroform is added to a constant volume until the volume becomes 0.2 ml, and a 25-fold concentrated solution is prepared. The solution is separated from the other peaks of the aliphatic epoxy compound (C) by liquid chromatography using a mixture of water and acetonitrile as a mobile phase and detected by an evaporative light scattering detector (ELSD). . Then, by creating a calibration curve using the peak area of the solution of the aliphatic epoxy compound (C) whose concentration is known in advance, and quantifying the concentration of the aliphatic epoxy compound (C) based on the calibration curve, The elution amount of the aliphatic epoxy compound (C) with respect to 100 parts by mass of the sizing agent-coated carbon fiber is determined.

本発明は、サイジング剤表面を光電子脱出角度15°でX線光電子分光法によって測定されるC1s内殻スペクトルの(a)CHx、C−C、C=Cに帰属される結合エネルギー(284.6eV)の成分の高さ(cps)と(b)C−Oに帰属される結合エネルギー(286.1eV)の成分の高さ(cps)の比率(a)/(b)が0.50〜0.90である。好ましくは、0.55以上、さらに好ましくは0.57以上である。また、好ましくは0.80以下、より好ましくは0.74以下である。(a)/(b)が大きいということは、表面に芳香族由来の化合物が多く、脂肪族エステル由来の化合物が少ないことを示す。本発明は、この(a)/(b)が、特定の範囲に入るときに、マトリックス樹脂との接着性に優れ、かつプリプレグの状態で長期保管したときも物性低下が少ないことを見出してなされたものである。 The present invention relates to (a) CHx, C-C, C = C binding energy (284.C) of the C 1s core spectrum measured on the sizing agent surface by X-ray photoelectron spectroscopy at a photoelectron escape angle of 15 °. The ratio (a) / (b) between the height (cps) of the component of 6 eV) and the height (cps) of the component of (b) binding energy (286.1 eV) attributed to C—O is 0.50 0.90. Preferably, it is 0.55 or more, more preferably 0.57 or more. Moreover, Preferably it is 0.80 or less, More preferably, it is 0.74 or less. That (a) / (b) is large indicates that there are many compounds derived from aromatics on the surface and few compounds derived from aliphatic esters. The present invention has been made by finding that when this (a) / (b) falls within a specific range, it has excellent adhesion to the matrix resin and has little deterioration in physical properties when stored for a long time in the state of a prepreg. It is a thing.

X線光電子分光の測定法とは、超高真空中で試料の炭素繊維にX線を照射し、炭素繊維の表面から放出される光電子の運動エネルギーをエネルギーアナライザーとよばれる装置で測定する分析手法のことである。この試料の炭素繊維表面から放出される光電子の運動エネルギーを調べることにより、試料の炭素繊維に入射したX線のエネルギー値から換算される結合エネルギーが一意的に求まり、その結合エネルギーと光電子強度から、試料の最表面(〜nm)に存在する元素の種類と濃度、その化学状態を解析することができる。   X-ray photoelectron spectroscopy measurement method is an analysis method that irradiates a sample carbon fiber with X-rays in an ultra-high vacuum and measures the kinetic energy of photoelectrons emitted from the surface of the carbon fiber with an apparatus called an energy analyzer. That is. By examining the kinetic energy of the photoelectrons emitted from the carbon fiber surface of the sample, the binding energy converted from the energy value of the X-rays incident on the carbon fiber of the sample is uniquely determined. From the binding energy and the photoelectron intensity The type and concentration of elements present on the outermost surface (˜nm) of the sample and the chemical state thereof can be analyzed.

本発明において、サイジング剤塗布繊維のサイジング剤表面の(a)、(b)のピーク比は、X線光電子分光法により、次の手順に従って求められるものである。サイジング剤塗布炭素繊維を20mmにカットして、銅製の試料支持台に拡げて並べた後、X線源としてAlKα1,2を用い、試料チャンバー中を1×10−8Torrに保ち測定が行われる。測定時の帯電に伴うピークの補正として、まずC1sの主ピークの結合エネルギー値を286.1eVに合わせる。このときに、C1sのピーク面積は282〜296eVの範囲で直線ベースラインを引くことにより求められる。また、C1sピークにて面積を求めた282〜296eVの直線ベースラインを光電子強度の原点(零点)と定義して、(b)C−O成分に帰属される結合エネルギー286.1eVのピークの高さ(cps:単位時間あたりの光電子強度)と(a)CHx、C−C、C=Cに帰属される結合エネルギー284.6eVの成分の高さ(cps)を求め、(a)/(b)が算出される。 In the present invention, the peak ratio of (a) and (b) on the sizing agent surface of the sizing agent-coated fiber is determined by X-ray photoelectron spectroscopy according to the following procedure. Cut the sizing agent-coated carbon fiber to 20 mm, spread and arrange it on a copper sample support, and then use AlKα 1,2 as the X-ray source and keep the sample chamber at 1 × 10 −8 Torr for measurement. Is called. As correction of the peak accompanying charging during measurement, first, the binding energy value of the main peak of C 1s is adjusted to 286.1 eV. At this time, the peak area of C 1s is obtained by drawing a straight baseline in the range of 282 to 296 eV. Further, a linear base line of 282 to 296 eV obtained by calculating the area at the C 1s peak is defined as the origin (zero point) of the photoelectron intensity, and (b) the peak of the binding energy 286.1 eV attributed to the CO component is obtained. The height (cps: photoelectron intensity per unit time) and the height (cps) of the component having a binding energy of 284.6 eV attributed to (a) CHx, C—C, C = C are obtained, and (a) / ( b) is calculated.

サイジングの内層を光電子脱出角度15°でX線光電子分光法によって測定されるC1s内殻スペクトルの(a)CHx、C−C、C=Cに帰属される結合エネルギー(284.6eV)の成分の高さ(cps)と(b)C−Oに帰属される結合エネルギー(286.1eV)の成分の高さ(cps)の比率(a)/(b)が0.45〜1.0であることが好ましい。サイジング剤の内層は、サイジング被覆炭素繊維をアセトン溶媒で1〜10分間超音波洗浄した後、蒸留水で洗い流し、炭素繊維に付着している残存サイジング剤を0.10±0.05質量%の範囲に制御した後、上述した方法にて測定が行われる。 (A) Component of binding energy (284.6 eV) belonging to (a) CHx, C—C, C = C of the C 1s inner-shell spectrum measured by X-ray photoelectron spectroscopy with a photoelectron escape angle of 15 ° in the inner layer of sizing The ratio (a) / (b) of the height (cps) of the component (b) and the height (cps) of the component of the binding energy (286.1 eV) attributed to C—O is 0.45 to 1.0. Preferably there is. The inner layer of the sizing agent was obtained by ultrasonically washing the sizing-coated carbon fiber with an acetone solvent for 1 to 10 minutes and then washing away with distilled water, and the remaining sizing agent adhering to the carbon fiber was 0.10 ± 0.05% by mass After controlling to a range, a measurement is performed by the method mentioned above.

本発明において、サイジング剤は脂肪族エポキシ化合物(C)と芳香族エポキシ化合物(D)を少なくとも含む。脂肪族エポキシ化合物(C)は塗布されたサイジング剤全量に対して35〜65質量%含まれることが好ましい。35質量%以上塗布されていることで、接着性が向上する。また、65質量%以下であることで、サイジング剤として脂肪族エポキシ以外の成分を用いることができ、得られたサイジング剤塗布繊維を用いて作成したプリプレグは長期保管した場合にも得られた炭素繊維強化複合材料の物性が良好になる。38質量%以上がより好ましく、40質量%以上がさらに好ましい。また、60質量%以下がより好ましく、55質量%以上がさらに好ましい。   In the present invention, the sizing agent contains at least an aliphatic epoxy compound (C) and an aromatic epoxy compound (D). The aliphatic epoxy compound (C) is preferably contained in an amount of 35 to 65% by mass based on the total amount of the applied sizing agent. Adhesiveness improves by being applied 35 mass% or more. Moreover, by being 65 mass% or less, components other than aliphatic epoxy can be used as the sizing agent, and the prepreg produced using the obtained sizing agent-coated fiber is also obtained when stored for a long time. The physical properties of the fiber reinforced composite material are improved. 38 mass% or more is more preferable, and 40 mass% or more is further more preferable. Moreover, 60 mass% or less is more preferable, and 55 mass% or more is further more preferable.

芳香族エポキシ化合物(D)は35〜60質量%含まれることが好ましい。芳香族エポキシ化合物(D)を35質量%以上含むことで、サイジング剤外層中の芳香族化合物の組成を高く維持することができるため、プリプレグの長期保管時に反応性の高い脂肪族エポキシ化合物とマトリックス樹脂中の反応性化合物との反応による物性低下が抑制される。60質量%以下であることで、上述したサイジング剤中の傾斜構造を発現することができ、接着性を維持することができることから好ましい。37質量%以上がより好ましく、39質量%以上がさらに好ましい。また、55質量%以下がより好ましく、45質量%以上がさらに好ましい。   It is preferable that 35-60 mass% of aromatic epoxy compounds (D) are contained. By containing 35% by mass or more of the aromatic epoxy compound (D), the composition of the aromatic compound in the outer layer of the sizing agent can be maintained high, so that the aliphatic epoxy compound and the matrix are highly reactive during long-term storage of the prepreg. Reduction in physical properties due to reaction with the reactive compound in the resin is suppressed. The amount of 60% by mass or less is preferable because the above-described inclined structure in the sizing agent can be expressed and the adhesiveness can be maintained. 37 mass% or more is more preferable, and 39 mass% or more is further more preferable. Moreover, 55 mass% or less is more preferable, and 45 mass% or more is further more preferable.

本発明におけるサイジング剤中のエポキシ成分として、脂肪族エポキシ化合物(C)と芳香族エポキシ化合物(D)が含まれる。脂肪族エポキシ化合物(C)と芳香族エポキシ化合物(D)の質量比(C)/(D)は52/48〜80/20であることが好ましい。(C)/(D)が52/48以上で、炭素繊維表面に存在する脂肪族エポキシ化合物(A)の比率が大きくなり、炭素繊維とマトリックス樹脂の接着性が向上する。その結果、得られた炭素繊維強化樹脂の引張強度などのコンポジット物性が高くなるため好ましい。また、80/20以下において、反応性の高い脂肪族エポキシ化合物が炭素繊維表面に存在する量が少なくなり、マトリックス樹脂との反応性が抑制できるため好ましい。(C)/(D)の質量比は55/45以上がより好ましく、60/40以上がさらに好ましい。また、75/35以下がより好ましく、73/37以下がさらに好ましい。   As an epoxy component in the sizing agent in this invention, an aliphatic epoxy compound (C) and an aromatic epoxy compound (D) are contained. The mass ratio (C) / (D) of the aliphatic epoxy compound (C) and the aromatic epoxy compound (D) is preferably 52/48 to 80/20. When (C) / (D) is 52/48 or more, the ratio of the aliphatic epoxy compound (A) present on the carbon fiber surface is increased, and the adhesion between the carbon fiber and the matrix resin is improved. As a result, the composite properties such as tensile strength of the obtained carbon fiber reinforced resin are preferably increased. Moreover, 80/20 or less is preferable because the amount of the highly reactive aliphatic epoxy compound present on the surface of the carbon fiber is reduced and the reactivity with the matrix resin can be suppressed. The mass ratio of (C) / (D) is more preferably 55/45 or more, and further preferably 60/40 or more. Moreover, 75/35 or less is more preferable, and 73/37 or less is further more preferable.

本発明において、サイジング剤の付着量は、炭素繊維100質量部に対して、0.1〜3.0質量部の範囲であることが好ましく、より好ましくは0.2〜3.0質量部の範囲である。サイジング剤の付着量がかかる範囲であると、高いOHTを発現させることができる。   In this invention, it is preferable that the adhesion amount of a sizing agent is the range of 0.1-3.0 mass parts with respect to 100 mass parts of carbon fibers, More preferably, it is 0.2-3.0 mass parts. It is a range. When the amount of the sizing agent is within such a range, high OHT can be expressed.

サイジング剤の付着量の測定方法は、サイジング塗布炭素繊維を2±0.5g採取し、窒素雰囲気中450℃にて加熱処理を15分間行ったときの該加熱処理前後の質量変化量を加熱処理前の質量で除した値の質量%である。   The method for measuring the amount of sizing agent attached is that 2 ± 0.5g of sizing coated carbon fiber is sampled and the amount of mass change before and after the heat treatment when heat treatment is performed at 450 ° C. for 15 minutes in a nitrogen atmosphere. It is the mass% of the value divided by the previous mass.

本発明において、脂肪族エポキシ化合物(C)の付着量は、炭素繊維100質量部に対して、0.05〜2.0質量部の範囲であることが好ましく、より好ましくは0.2〜2.0質量部の範囲である。さらに好ましくは0.3〜1.0質量部である。脂肪族エポキシ化合物(C)の付着量が0.05質量部以上であると、炭素繊維表面に脂肪族エポキシ化合物(C)でサイジング剤塗布炭素繊維とマトリックス樹脂の接着性が向上するため好ましい。   In this invention, it is preferable that the adhesion amount of an aliphatic epoxy compound (C) is the range of 0.05-2.0 mass parts with respect to 100 mass parts of carbon fibers, More preferably, it is 0.2-2. The range is 0.0 parts by mass. More preferably, it is 0.3-1.0 mass part. An adhesion amount of the aliphatic epoxy compound (C) of 0.05 parts by mass or more is preferable because the adhesion between the sizing agent-coated carbon fiber and the matrix resin is improved by the aliphatic epoxy compound (C) on the carbon fiber surface.

本発明における脂肪族エポキシ化合物(C)は芳香環を含まないエポキシ化合物である。自由度の高い柔軟な骨格を有していることから、炭素繊維と強い相互作用を有することが可能である。その結果、サイジング剤塗布炭素繊維の接着性が向上することから好ましい。   The aliphatic epoxy compound (C) in the present invention is an epoxy compound containing no aromatic ring. Since it has a flexible skeleton with a high degree of freedom, it can have a strong interaction with carbon fibers. As a result, the adhesiveness of the sizing agent-coated carbon fiber is improved, which is preferable.

本発明において、脂肪族エポキシ化合物(C)は分子内に1個以上のエポキシ基を有する。そのことにより、炭素繊維とサイジング剤中のエポキシ基の強固な結合を形成することができる。分子内のエポキシ基は、2個以上であることが好ましく、3個以上であることがより好ましい。分子内に2個以上のエポキシ基を有するエポキシ化合物であると、1個のエポキシ基が炭素繊維表面の酸素含有官能基と共有結合を形成した場合でも、残りのエポキシ基がマトリックス樹脂と共有結合または水素結合を形成することができ、接着性がさらに向上するため好ましい。エポキシ基の数の上限は特にないが、接着性の観点からは10個で十分である。   In the present invention, the aliphatic epoxy compound (C) has one or more epoxy groups in the molecule. As a result, a strong bond between the carbon fiber and the epoxy group in the sizing agent can be formed. The number of epoxy groups in the molecule is preferably 2 or more, and more preferably 3 or more. In the case of an epoxy compound having two or more epoxy groups in the molecule, even if one epoxy group forms a covalent bond with the oxygen-containing functional group on the surface of the carbon fiber, the remaining epoxy group is covalently bonded to the matrix resin. Alternatively, it is preferable because a hydrogen bond can be formed and adhesion can be further improved. There is no particular upper limit on the number of epoxy groups, but 10 is sufficient from the viewpoint of adhesion.

本発明において、脂肪族エポキシ化合物(C)は2種以上の官能基を3個以上有するエポキシ化合物であることが好ましく、2種以上の官能基を4個以上有するエポキシ化合物であることがより好ましい。エポキシ化合物が有する官能基は、エポキシ基以外に、水酸基、アミド基、イミド基、ウレタン基、ウレア基、スルホニル基、またはスルホ基から選択されるものが好ましい。分子内に3個以上のエポキシ基または他の官能基を有するエポキシ化合物であると、1個のエポキシ基が炭素繊維表面の酸素含有官能基と共有結合を形成した場合でも、残りの2個以上のエポキシ基または他の官能基がマトリックス樹脂と共有結合または水素結合を形成することができ、接着性がさらに向上する。エポキシ基を含む官能基の数の上限は特にないが、接着性の観点から10個で十分である。   In the present invention, the aliphatic epoxy compound (C) is preferably an epoxy compound having 3 or more functional groups of 2 or more, more preferably an epoxy compound having 4 or more of 2 or more functional groups. . The functional group possessed by the epoxy compound is preferably selected from a hydroxyl group, an amide group, an imide group, a urethane group, a urea group, a sulfonyl group, or a sulfo group in addition to the epoxy group. In the case of an epoxy compound having three or more epoxy groups or other functional groups in the molecule, even if one epoxy group forms a covalent bond with an oxygen-containing functional group on the carbon fiber surface, the remaining two or more The epoxy group or other functional group can form a covalent bond or a hydrogen bond with the matrix resin, and the adhesion is further improved. There is no particular upper limit on the number of functional groups containing an epoxy group, but 10 is sufficient from the viewpoint of adhesiveness.

本発明において、脂肪族エポキシ化合物(C)のエポキシ当量は、360g/mol未満であることが好ましく、より好ましくは270g/mol未満であり、さらに好ましくは180g/mol未満である。エポキシ当量が360g/mol未満であると、高密度で炭素繊維との相互作用が形成され、炭素繊維とマトリックス樹脂との接着性がさらに向上する。エポキシ当量の下限は特にないが、90g/mol以上であれば接着性の観点から十分である。   In this invention, it is preferable that the epoxy equivalent of an aliphatic epoxy compound (C) is less than 360 g / mol, More preferably, it is less than 270 g / mol, More preferably, it is less than 180 g / mol. When the epoxy equivalent is less than 360 g / mol, an interaction with the carbon fiber is formed at a high density, and the adhesion between the carbon fiber and the matrix resin is further improved. There is no particular lower limit of the epoxy equivalent, but 90 g / mol or more is sufficient from the viewpoint of adhesiveness.

本発明において、脂肪族エポキシ化合物(C)の具体例としては、例えば、ポリオールから誘導されるグリシジルエーテル型エポキシ化合物、複数活性水素を有するアミンから誘導されるグリシジルアミン型エポキシ化合物、ポリカルボン酸から誘導されるグリシジルエステル型エポキシ化合物、および分子内に複数の2重結合を有する化合物を酸化して得られるエポキシ化合物が挙げられる。   In the present invention, specific examples of the aliphatic epoxy compound (C) include, for example, a glycidyl ether type epoxy compound derived from a polyol, a glycidyl amine type epoxy compound derived from an amine having a plurality of active hydrogens, and a polycarboxylic acid. Examples thereof include an induced glycidyl ester type epoxy compound and an epoxy compound obtained by oxidizing a compound having a plurality of double bonds in the molecule.

グリシジルエーテル型エポキシ化合物としては、例えば、エピクロロヒドリンとの反応により得られるグリシジルエーテル型エポキシ化合物が挙げられる。また、グリシジルエーテル型エポキシ化合物として、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、ポリエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、テトラプロピレングリコール、ポリプロピレングリコール、トリメチレングリコール、1,2−ブタンジオール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、2,3−ブタンジオール、ポリブチレングリコール、1,5−ペンタンジオール、ネオペンチルグリコール、1,6−ヘキサンジオール、1,4−シクロヘキサンジメタノール、水添ビスフェノールA、水添ビスフェノールF、グリセロール、ジグリセロール、ポリグリセロール、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ソルビトール、およびアラビトールと、エピクロロヒドリンとの反応により得られるグリシジルエーテル型エポキシ化合物も例示される。また、このグリシジルエーテル型エポキシ化合物として、ジシクロペンタジエン骨格を有するグリシジルエーテル型エポキシ化合物も例示される。   Examples of the glycidyl ether type epoxy compound include a glycidyl ether type epoxy compound obtained by a reaction with epichlorohydrin. Further, as glycidyl ether type epoxy compounds, ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, tetraethylene glycol, polyethylene glycol, propylene glycol, dipropylene glycol, tripropylene glycol, tetrapropylene glycol, polypropylene glycol, trimethylene glycol, 1,2 -Butanediol, 1,3-butanediol, 1,4-butanediol, 2,3-butanediol, polybutylene glycol, 1,5-pentanediol, neopentyl glycol, 1,6-hexanediol, 1,4 -Cyclohexanedimethanol, hydrogenated bisphenol A, hydrogenated bisphenol F, glycerol, diglycerol, polyglycerol, trimethylolpropane, pen Erythritol, sorbitol, and the arabitol, glycidyl ether type epoxy compound obtained by reaction of epichlorohydrin are also exemplified. Examples of the glycidyl ether type epoxy compound include a glycidyl ether type epoxy compound having a dicyclopentadiene skeleton.

グリシジルアミン型エポキシ化合物としては、例えば、1,3−ビス(アミノメチル)シクロヘキサンが挙げられる。   Examples of the glycidylamine type epoxy compound include 1,3-bis (aminomethyl) cyclohexane.

グリシジルエステル型エポキシ化合物としては、例えば、ダイマー酸を、エピクロロヒドリンと反応させて得られるグリシジルエステル型エポキシ化合物が挙げられる。   Examples of the glycidyl ester type epoxy compound include a glycidyl ester type epoxy compound obtained by reacting dimer acid with epichlorohydrin.

分子内に複数の2重結合を有する化合物を酸化させて得られるエポキシ化合物としては、例えば、分子内にエポキシシクロヘキサン環を有するエポキシ化合物が挙げられる。さらに、このエポキシ化合物としては、エポキシ化大豆油が挙げられる。   Examples of the epoxy compound obtained by oxidizing a compound having a plurality of double bonds in the molecule include an epoxy compound having an epoxycyclohexane ring in the molecule. Furthermore, the epoxy compound includes epoxidized soybean oil.

本発明に使用する脂肪族エポキシ化合物(C)として、これらのエポキシ化合物以外にも、トリグリシジルイソシアヌレートのようなエポキシ化合物が挙げられる。   Examples of the aliphatic epoxy compound (C) used in the present invention include epoxy compounds such as triglycidyl isocyanurate in addition to these epoxy compounds.

本発明において脂肪族エポキシ化合物(C)は1個以上のエポキシ基と、水酸基、アミド基、イミド基、ウレタン基、ウレア基、スルホニル基、カルボキシル基、エステル基およびスルホ基から選ばれる、少なくとも1個以上の官能基を有することが好ましい。エポキシ化合物の具体例として、例えば、エポキシ基と水酸基を有する化合物、エポキシ基とアミド基を有する化合物、エポキシ基とイミド基を有する化合物、エポキシ基とウレタン基を有する化合物、エポキシ基とウレア基を有する化合物、エポキシ基とスルホニル基を有する化合物、エポキシ基とスルホ基を有する化合物が挙げられる。   In the present invention, the aliphatic epoxy compound (C) is at least one selected from one or more epoxy groups and a hydroxyl group, an amide group, an imide group, a urethane group, a urea group, a sulfonyl group, a carboxyl group, an ester group and a sulfo group. It is preferable to have one or more functional groups. Specific examples of the epoxy compound include, for example, a compound having an epoxy group and a hydroxyl group, a compound having an epoxy group and an amide group, a compound having an epoxy group and an imide group, a compound having an epoxy group and a urethane group, and an epoxy group and a urea group. Compounds having an epoxy group and a sulfonyl group, and compounds having an epoxy group and a sulfo group.

エポキシ基に加えて水酸基を有する化合物としては、例えば、ソルビトール型ポリグリシジルエーテルおよびグリセロール型ポリグリシジルエーテル等が挙げられ、具体的には“デナコール(商標登録)”EX−611、EX−612、EX−614、EX−614B、EX−622、EX−512、EX−521、EX−421、EX−313、EX−314およびEX−321(ナガセケムテックス株式会社製)等が挙げられる。   Examples of the compound having a hydroxyl group in addition to the epoxy group include sorbitol-type polyglycidyl ether and glycerol-type polyglycidyl ether. Specifically, “Denacol (registered trademark)” EX-611, EX-612, EX -614, EX-614B, EX-622, EX-512, EX-521, EX-421, EX-313, EX-314, and EX-321 (manufactured by Nagase ChemteX Corporation).

エポキシ基に加えてアミド基を有する化合物としては、例えば、アミド変性エポキシ化合物等が挙げられる。アミド変性エポキシは脂肪族ジカルボン酸アミドのカルボキシル基に2個以上のエポキシ基を有するエポキシ化合物のエポキシ基を反応させることによって得ることができる。   Examples of the compound having an amide group in addition to the epoxy group include an amide-modified epoxy compound. The amide-modified epoxy can be obtained by reacting an epoxy group of an epoxy compound having two or more epoxy groups with a carboxyl group of an aliphatic dicarboxylic acid amide.

エポキシ基に加えてウレタン基を有する化合物としては、例えば、ウレタン変性エポキシ化合物が挙げられ、具体的には“アデカレジン(商標登録)”EPU−78−13S、EPU−6、EPU−11、EPU−15、EPU−16A、EPU−16N、EPU−17T−6、EPU−1348およびEPU−1395(株式会社ADEKA製)等が挙げられる。または、ポリエチレンオキサイドモノアルキルエーテルの末端水酸基に、その水酸基量に対する反応当量の多価イソシアネートを反応させ、次いで得られた反応生成物のイソシアネート残基に多価エポキシ化合物内の水酸基と反応させることによって得ることができる。ここで、用いられる多価イソシアネートとしては、ヘキサメチレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、ノルボルナンジイソシアネートなどが挙げられる。   Examples of the compound having a urethane group in addition to the epoxy group include a urethane-modified epoxy compound. Specifically, “Adeka Resin (registered trademark)” EPU-78-13S, EPU-6, EPU-11, EPU- 15, EPU-16A, EPU-16N, EPU-17T-6, EPU-1348, EPU-1395 (manufactured by ADEKA Corporation) and the like. Alternatively, by reacting the terminal hydroxyl group of the polyethylene oxide monoalkyl ether with a polyvalent isocyanate equivalent to the amount of the hydroxyl group, and then reacting the isocyanate residue of the obtained reaction product with the hydroxyl group in the polyvalent epoxy compound. Can be obtained. Here, examples of the polyvalent isocyanate used include hexamethylene diisocyanate, isophorone diisocyanate, and norbornane diisocyanate.

エポキシ基に加えてウレア基を有する化合物としては、例えば、ウレア変性エポキシ化合物等が挙げられる。ウレア変性エポキシは脂肪族ジカルボン酸ウレアのカルボキシル基に2個以上のエポキシ基を有するエポキシ化合物のエポキシ基を反応させることによって得ることができる。   Examples of the compound having a urea group in addition to the epoxy group include a urea-modified epoxy compound. A urea-modified epoxy can be obtained by reacting an epoxy group of an epoxy compound having two or more epoxy groups with a carboxyl group of an aliphatic dicarboxylic acid urea.

本発明で用いる脂肪族エポキシ化合物(C)は、上述した中でも高い接着性の観点からエチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、ポリエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、テトラプロピレングリコール、ポリプロピレングリコール、トリメチレングリコール、1,2−ブタンジオール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、2,3−ブタンジオール、ポリブチレングリコール、1,5−ペンタンジオール、ネオペンチルグリコール、1,6−ヘキサンジオール、グリセロール、ジグリセロール、ポリグリセロール、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ソルビトール、およびアラビトールと、エピクロロヒドリンとの反応により得られるグリシジルエーテル型エポキシ化合物がより好ましい。   The aliphatic epoxy compound (C) used in the present invention is ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, tetraethylene glycol, polyethylene glycol, propylene glycol, dipropylene glycol, tripropylene glycol, tetra from the viewpoint of high adhesion among the above. Propylene glycol, polypropylene glycol, trimethylene glycol, 1,2-butanediol, 1,3-butanediol, 1,4-butanediol, 2,3-butanediol, polybutylene glycol, 1,5-pentanediol, neo Pentyl glycol, 1,6-hexanediol, glycerol, diglycerol, polyglycerol, trimethylolpropane, pentaerythritol, sorbitol, and arabitol , Glycidyl ether type epoxy compound obtained by reaction of epichlorohydrin is more preferable.

上記の中でも本発明における脂肪族エポキシ化合物(C)は、高い接着性の観点から、分子内にエポキシ基を2以上有するポリエーテル型ポリエポキシ化合物および/またはポリオール型ポリエポキシ化合物が好ましい。   Among these, the aliphatic epoxy compound (C) in the present invention is preferably a polyether type polyepoxy compound and / or a polyol type polyepoxy compound having two or more epoxy groups in the molecule from the viewpoint of high adhesiveness.

また、脂肪族エポキシ化合物(C)がエチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、ポリエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、テトラプロピレングリコール、ポリプロピレングリコール、トリメチレングリコール、1,2−ブタンジオール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、2,3−ブタンジオール、ポリブチレングリコール、1,5−ペンタンジオール、ネオペンチルグリコール、1,6−ヘキサンジオール、1,4−シクロヘキサンジメタノール、グリセロール、ジグリセロール、ポリグリセロール、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ソルビトール、およびアラビトールと、エピクロロヒドリンとの反応により得られるグリシジルエーテル型エポキシ化合物であることがより好ましい。   In addition, the aliphatic epoxy compound (C) is ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, tetraethylene glycol, polyethylene glycol, propylene glycol, dipropylene glycol, tripropylene glycol, tetrapropylene glycol, polypropylene glycol, trimethylene glycol, 1, 2-butanediol, 1,3-butanediol, 1,4-butanediol, 2,3-butanediol, polybutylene glycol, 1,5-pentanediol, neopentyl glycol, 1,6-hexanediol, 1, 4-cyclohexanedimethanol, glycerol, diglycerol, polyglycerol, trimethylolpropane, pentaerythritol, sorbitol, and arabitol, and epi More preferably glycidyl ether type epoxy compound obtained by reaction with Rorohidorin.

本発明において、脂肪族エポキシ化合物は、ポリグリセロールポリグリシジルエーテルがさらに好ましい。   In the present invention, the aliphatic epoxy compound is more preferably polyglycerol polyglycidyl ether.

本発明において、芳香族エポキシ化合物(D)は、分子内に芳香環を1個以上有する。芳香環とは、炭素からのみからなる芳香環炭化水素でも良いし、窒素あるいは酸素などのヘテロ原子を含むフラン、チオフェン、ピロール、イミダゾールなどの複素芳香環でも構わない。また、芳香環はナフタレン、アントラセンなどの多環式芳香環でも構わない。サイジング剤塗布炭素繊維とマトリックス樹脂とからなる繊維強化複合材料において、炭素繊維近傍のいわゆる界面層は、炭素繊維あるいはサイジング剤の影響を受け、マトリックス樹脂とは異なる特性を有する場合がある。エポキシ化合物が芳香環を1個以上有すると、剛直な界面層が形成され、炭素繊維とマトリックス樹脂との間の応力伝達能力が向上し、繊維強化複合材料の0°引張強度等の力学特性が向上する。また、芳香環により疎水性が向上することにより、脂肪族エポキシ化合物に比べて炭素繊維との相互作用が弱く、脂肪族エポキシ化合物を覆い、サイジング層外層に存在することができる。このことにより、サイジング剤塗布炭素繊維をプリプレグに用いた場合、長期間保管した場合の経時変化を抑制することができ好ましい。芳香環を2個以上有することで、芳香環による長期安定性の向上するため好ましい。芳香環の数の上限は特にないが、10個あれば力学特性およびマトリックス樹脂との反応の抑制の観点から十分である。   In the present invention, the aromatic epoxy compound (D) has one or more aromatic rings in the molecule. The aromatic ring may be an aromatic ring hydrocarbon composed only of carbon, or a heteroaromatic ring such as furan, thiophene, pyrrole or imidazole containing a heteroatom such as nitrogen or oxygen. The aromatic ring may be a polycyclic aromatic ring such as naphthalene or anthracene. In a fiber-reinforced composite material composed of sizing agent-coated carbon fibers and a matrix resin, a so-called interface layer in the vicinity of the carbon fibers may be affected by the carbon fibers or the sizing agent and have different characteristics from the matrix resin. When the epoxy compound has one or more aromatic rings, a rigid interface layer is formed, the stress transmission ability between the carbon fiber and the matrix resin is improved, and the mechanical properties such as 0 ° tensile strength of the fiber reinforced composite material are improved. improves. Further, the hydrophobicity is improved by the aromatic ring, so that the interaction with the carbon fiber is weaker than that of the aliphatic epoxy compound, and the aliphatic epoxy compound can be covered and exist in the outer layer of the sizing layer. Thus, when the sizing agent-coated carbon fiber is used for a prepreg, it is preferable because a change with time when stored for a long period of time can be suppressed. Having two or more aromatic rings is preferable because long-term stability due to the aromatic rings is improved. There is no particular upper limit on the number of aromatic rings, but 10 is sufficient from the viewpoint of suppressing the reaction with the mechanical properties and the matrix resin.

本発明において、芳香族エポキシ化合物(D)は分子内に少なくとも1種が分子内に1個以上のエポキシ基と1個以上の芳香環を有する。エポキシ基以外の官能基は水酸基、アミド基、イミド基、ウレタン基、ウレア基、スルホニル基、カルボキシル基、エステル基またはスルホ基から選択されるものが好ましく、1分子内に2種以上含んでいても良い。芳香族エポキシ化合物(D)以外には、化合物の安定性、高次加工性を良好にすることから、芳香族エステル化合物、芳香族ウレタン化合物が好ましく用いられる。   In the present invention, the aromatic epoxy compound (D) has at least one kind in the molecule having one or more epoxy groups and one or more aromatic rings in the molecule. The functional group other than the epoxy group is preferably selected from a hydroxyl group, an amide group, an imide group, a urethane group, a urea group, a sulfonyl group, a carboxyl group, an ester group or a sulfo group, and two or more types are included in one molecule. Also good. In addition to the aromatic epoxy compound (D), an aromatic ester compound and an aromatic urethane compound are preferably used in order to improve the stability and high-order processability of the compound.

本発明において、芳香族エポキシ化合物(D)のエポキシ基は、2個以上であることが好ましく、3個以上であることがより好ましい。また、10個以下であることが好ましい。   In the present invention, the number of epoxy groups of the aromatic epoxy compound (D) is preferably 2 or more, and more preferably 3 or more. Moreover, it is preferable that it is 10 or less.

本発明において、芳香族エポキシ化合物(D)は2種以上の官能基を3個以上有するエポキシ化合物であることが好ましく、2種以上の官能基を4個以上有するエポキシ化合物であることがより好ましい。エポキシ化合物が有する官能基は、エポキシ基以外に、水酸基、アミド基、イミド基、ウレタン基、ウレア基、スルホニル基、またはスルホ基から選択されるものが好ましい。分子内に3個以上のエポキシ基または他の官能基を有するエポキシ化合物であると、1個のエポキシ基が炭素繊維表面の酸素含有官能基と共有結合を形成した場合でも、残りの2個以上のエポキシ基または他の官能基がマトリックス樹脂と共有結合または水素結合を形成することができ、接着性がさらに向上する。エポキシ基を含む官能基の数の上限は特にないが、接着性の観点から10個で十分である。   In the present invention, the aromatic epoxy compound (D) is preferably an epoxy compound having 3 or more functional groups of 2 or more, more preferably an epoxy compound having 4 or more of 2 or more functional groups. . The functional group possessed by the epoxy compound is preferably selected from a hydroxyl group, an amide group, an imide group, a urethane group, a urea group, a sulfonyl group, or a sulfo group in addition to the epoxy group. In the case of an epoxy compound having three or more epoxy groups or other functional groups in the molecule, even if one epoxy group forms a covalent bond with an oxygen-containing functional group on the carbon fiber surface, the remaining two or more The epoxy group or other functional group can form a covalent bond or a hydrogen bond with the matrix resin, and the adhesion is further improved. There is no particular upper limit on the number of functional groups containing an epoxy group, but 10 is sufficient from the viewpoint of adhesiveness.

本発明において、芳香族エポキシ化合物(D)のエポキシ当量は、360g/mol未満であることが好ましく、より好ましくは270g/mol未満であり、さらに好ましくは180g/mol未満である。エポキシ当量が360g/mol未満であると、高密度で共有結合が形成され、炭素繊維とマトリックス樹脂との接着性がさらに向上する。エポキシ当量の下限は特にないが、90g/mol以上であれば接着性の観点から十分である。   In the present invention, the epoxy equivalent of the aromatic epoxy compound (D) is preferably less than 360 g / mol, more preferably less than 270 g / mol, and even more preferably less than 180 g / mol. When the epoxy equivalent is less than 360 g / mol, covalent bonds are formed at a high density, and the adhesion between the carbon fiber and the matrix resin is further improved. There is no particular lower limit of the epoxy equivalent, but 90 g / mol or more is sufficient from the viewpoint of adhesiveness.

本発明において、芳香族エポキシ化合物(D)の具体例としては、例えば、ポリオールから誘導されるグリシジルエーテル型エポキシ化合物、複数活性水素を有するアミンから誘導されるグリシジルアミン型エポキシ化合物、ポリカルボン酸から誘導されるグリシジルエステル型エポキシ化合物、および分子内に複数の2重結合を有する化合物を酸化して得られるエポキシ化合物が挙げられる。   In the present invention, specific examples of the aromatic epoxy compound (D) include, for example, a glycidyl ether type epoxy compound derived from a polyol, a glycidyl amine type epoxy compound derived from an amine having multiple active hydrogens, and a polycarboxylic acid. Examples thereof include an induced glycidyl ester type epoxy compound and an epoxy compound obtained by oxidizing a compound having a plurality of double bonds in the molecule.

グリシジルエーテル型エポキシ化合物としては、例えば、ビスフェノールA、ビスフェノールF、ビスフェノールAD、ビスフェノールS、テトラブロモビスフェノールA、フェノールノボラック、クレゾールノボラック、ヒドロキノン、レゾルシノール、4,4’−ジヒドロキシ−3,3’,5,5’−テトラメチルビフェニル、1,6−ジヒドロキシナフタレン、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、トリス(p−ヒドロキシフェニル)メタン、およびテトラキス(p−ヒドロキシフェニル)エタンが挙げられる。また、グリシジルエーテル型エポキシとして化合物、ビフェニルアラルキル骨格を有するグリシジルエーテル型エポキシ化合物も例示される。   Examples of the glycidyl ether type epoxy compound include bisphenol A, bisphenol F, bisphenol AD, bisphenol S, tetrabromobisphenol A, phenol novolac, cresol novolac, hydroquinone, resorcinol, 4,4′-dihydroxy-3,3 ′, 5. , 5′-tetramethylbiphenyl, 1,6-dihydroxynaphthalene, 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, tris (p-hydroxyphenyl) methane, and tetrakis (p-hydroxyphenyl) ethane. Examples of the glycidyl ether type epoxy include a compound and a glycidyl ether type epoxy compound having a biphenyl aralkyl skeleton.

グリシジルアミン型エポキシ化合物としては、例えば、N,N−ジグリシジルアニリン、N,N−ジグリシジル−o−トルイジン、m−キシリレンジアミン、m−フェニレンジアミン、4,4’−ジアミノジフェニルメタンおよび9,9−ビス(4−アミノフェニル)フルオレンが挙げられる。   Examples of the glycidylamine type epoxy compound include N, N-diglycidylaniline, N, N-diglycidyl-o-toluidine, m-xylylenediamine, m-phenylenediamine, 4,4′-diaminodiphenylmethane and 9,9. -Bis (4-aminophenyl) fluorene.

さらに、例えば、グリシジルアミン型エポキシ化合物として、m−アミノフェノール、p−アミノフェノール、および4−アミノ−3−メチルフェノールのアミノフェノール類の水酸基とアミノ基の両方を、エピクロロヒドリンと反応させて得られるエポキシ化合物が挙げられる。   Further, for example, as a glycidylamine type epoxy compound, both the hydroxyl group and amino group of aminophenols of m-aminophenol, p-aminophenol, and 4-amino-3-methylphenol are reacted with epichlorohydrin. And an epoxy compound obtained.

グリシジルエステル型エポキシ化合物としては、例えば、フタル酸、テレフタル酸、ヘキサヒドロフタル酸を、エピクロロヒドリンと反応させて得られるグリシジルエステル型エポキシ化合物が挙げられる。   Examples of the glycidyl ester type epoxy compound include glycidyl ester type epoxy compounds obtained by reacting phthalic acid, terephthalic acid, and hexahydrophthalic acid with epichlorohydrin.

本発明に使用する芳香族エポキシ化合物(D)として、これらのエポキシ化合物以外にも、上に挙げたエポキシ化合物を原料として合成されるエポキシ化合物、例えば、ビスフェノールAジグリシジルエーテルとトリレンジイソシアネートからオキサゾリドン環生成反応により合成されるエポキシ化合物が挙げられる。   As the aromatic epoxy compound (D) used in the present invention, in addition to these epoxy compounds, epoxy compounds synthesized from the above-mentioned epoxy compounds, for example, oxazolidone from bisphenol A diglycidyl ether and tolylene diisocyanate An epoxy compound synthesized by a ring formation reaction is exemplified.

本発明において、1個以上のエポキシ基以外に、水酸基、アミド基、イミド基、ウレタン基、ウレア基、スルホニル基、カルボキシル基、エステル基およびスルホ基から選ばれる、少なくとも1個以上の官能基を好ましく用いられる。例えば、エポキシ基と水酸基を有する化合物、エポキシ基とアミド基を有する化合物、エポキシ基とイミド基を有する化合物、エポキシ基とウレタン基を有する化合物、エポキシ基とウレア基を有する化合物、エポキシ基とスルホニル基を有する化合物、エポキシ基とスルホ基を有する化合物が挙げられる。   In the present invention, in addition to one or more epoxy groups, at least one functional group selected from a hydroxyl group, an amide group, an imide group, a urethane group, a urea group, a sulfonyl group, a carboxyl group, an ester group, and a sulfo group. Preferably used. For example, compounds having epoxy group and hydroxyl group, compounds having epoxy group and amide group, compounds having epoxy group and imide group, compounds having epoxy group and urethane group, compounds having epoxy group and urea group, epoxy group and sulfonyl Examples thereof include compounds having a group and compounds having an epoxy group and a sulfo group.

エポキシ基に加えてアミド基を有する化合物としては、例えば、グリシジルベンズアミド、アミド変性エポキシ化合物等が挙げられる。アミド変性エポキシは芳香環を含有するジカルボン酸アミドのカルボキシル基に2個以上のエポキシ基を有するエポキシ化合物のエポキシ基を反応させることによって得ることができる。   Examples of the compound having an amide group in addition to the epoxy group include glycidyl benzamide and an amide-modified epoxy compound. The amide-modified epoxy can be obtained by reacting an epoxy group of an epoxy compound having two or more epoxy groups with a carboxyl group of a dicarboxylic acid amide containing an aromatic ring.

エポキシ基に加えてイミド基を有する化合物としては、例えば、グリシジルフタルイミド等が挙げられる。具体的には“デナコール(商標登録)”EX−731(ナガセケムテックス株式会社製)等が挙げられる。   Examples of the compound having an imide group in addition to the epoxy group include glycidyl phthalimide. Specifically, “Denacol (registered trademark)” EX-731 (manufactured by Nagase ChemteX Corporation) and the like can be mentioned.

エポキシ基に加えてウレタン基を有する化合物としては、ポリエチレンオキサイドモノアルキルエーテルの末端水酸基に、その水酸基量に対する反応当量の芳香環を含有する多価イソシアネートを反応させ、次いで得られた反応生成物のイソシアネート残基に多価エポキシ化合物内の水酸基と反応させることによって得ることができる。ここで、用いられる多価イソシアネートとしては、2,4−トリレンジイソシアネート、メタフェニレンジイソシアネート、パラフェニレンジイソシアネート、ジフェニルメタンジイソシアネート、トリフェニルメタントリイソシアネートおよびビフェニル−2,4,4’−トリイソシアネートなどが挙げられる。   As a compound having a urethane group in addition to an epoxy group, the terminal hydroxyl group of polyethylene oxide monoalkyl ether is reacted with a polyvalent isocyanate containing an aromatic ring having a reaction equivalent to the amount of the hydroxyl group, and then the reaction product obtained It can be obtained by reacting an isocyanate residue with a hydroxyl group in a polyvalent epoxy compound. Here, examples of the polyvalent isocyanate used include 2,4-tolylene diisocyanate, metaphenylene diisocyanate, paraphenylene diisocyanate, diphenylmethane diisocyanate, triphenylmethane triisocyanate, and biphenyl-2,4,4′-triisocyanate. It is done.

エポキシ基に加えてウレア基を有する化合物としては、例えば、ウレア変性エポキシ化合物等が挙げられる。ウレア変性エポキシはジカルボン酸ウレアのカルボキシル基に2個以上のエポキシ基を有する芳香環を含有するエポキシ化合物のエポキシ基を反応させることによって得ることができる。   Examples of the compound having a urea group in addition to the epoxy group include a urea-modified epoxy compound. The urea-modified epoxy can be obtained by reacting the epoxy group of an epoxy compound containing an aromatic ring having two or more epoxy groups with the carboxyl group of the dicarboxylic acid urea.

エポキシ基に加えてスルホニル基を有する化合物としては、例えば、ビスフェノールS型エポキシ等が挙げられる。   Examples of the compound having a sulfonyl group in addition to the epoxy group include bisphenol S-type epoxy.

エポキシ基に加えてスルホ基を有する化合物としては、例えば、p−トルエンスルホン酸グリシジルおよび3−ニトロベンゼンスルホン酸グリシジル等が挙げられる。   Examples of the compound having a sulfo group in addition to the epoxy group include glycidyl p-toluenesulfonate and glycidyl 3-nitrobenzenesulfonate.

本発明において、芳香族エポキシ化合物(D)は、フェノールノボラック型エポキシ化合物、クレゾールノボラック型エポキシ化合物、またはテトラグリシジルジアミノジフェニルメタンのいずれかであることが好ましい。これらのエポキシ化合物は、エポキシ基数が多く、エポキシ当量が小さく、かつ、2個以上の芳香環を有しており、炭素繊維とマトリックス樹脂との接着性を向上させることに加え、繊維強化複合材料の0°引張強度等の力学特性を向上させる。より好ましくは、フェノールノボラック型エポキシ化合物およびクレゾールノボラック型エポキシ化合物である。   In the present invention, the aromatic epoxy compound (D) is preferably either a phenol novolac epoxy compound, a cresol novolac epoxy compound, or tetraglycidyl diaminodiphenylmethane. These epoxy compounds have a large number of epoxy groups, a small epoxy equivalent, and have two or more aromatic rings. In addition to improving the adhesion between carbon fiber and matrix resin, fiber reinforced composite materials Improve mechanical properties such as 0 ° tensile strength. More preferred are phenol novolac epoxy compounds and cresol novolac epoxy compounds.

本発明において、芳香族エポキシ化合物(D)がフェノールノボラック型エポキシ化合物、クレゾールノボラック型エポキシ化合物、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン、ビスフェノールA型エポキシ化合物あるいはビスフェノールF型エポキシ化合物であることがプリプレグを長期保管した場合の安定性、接着性の観点から好ましく、ビスフェノールA型エポキシ化合物あるいはビスフェノールF型エポキシ化合物であることがより好ましい。   In the present invention, when the prepreg is stored for a long time, the aromatic epoxy compound (D) is a phenol novolak type epoxy compound, a cresol novolak type epoxy compound, a tetraglycidyl diaminodiphenylmethane, a bisphenol A type epoxy compound or a bisphenol F type epoxy compound. From the viewpoint of stability and adhesiveness, it is preferably a bisphenol A type epoxy compound or a bisphenol F type epoxy compound.

さらに、本発明で用いられるサイジング剤には、脂肪族エポキシ化合物(C)と芳香族エポキシ化合物(D)以外の成分を1種類以上含んでも良い。炭素繊維とサイジング剤との接着性を高める促進剤、サイジング剤塗布炭素繊維に収束性あるいは柔軟性を付与することで取扱い性、耐擦過性および耐毛羽性を高め、マトリックス樹脂の含浸性を向上させることが目的として挙げられるが、本発明における、プリプレグでの長期安定性を向上させる目的で(C)および(D)以外の化合物を含有することができる。また、サイジング剤の安定性を目的として、分散剤および界面活性剤等の補助成分を添加しても良い。   Furthermore, the sizing agent used in the present invention may contain one or more components other than the aliphatic epoxy compound (C) and the aromatic epoxy compound (D). Accelerator that enhances adhesion between carbon fiber and sizing agent. Convergence or flexibility is imparted to carbon fiber coated with sizing agent to improve handling, scratch resistance and fluff resistance, and improve matrix resin impregnation. In order to improve the long-term stability of the prepreg in the present invention, compounds other than (C) and (D) can be contained. For the purpose of stabilizing the sizing agent, auxiliary components such as a dispersant and a surfactant may be added.

本発明において、炭素繊維としては、X線光電子分光法により測定されるその繊維表面の酸素(O)と炭素(C)の原子数の比である表面酸素濃度(O/C)が、0.05〜0.50の範囲内であるものが好ましく、より好ましくは0.06〜0.30の範囲内のものであり、さらに好ましくは0.07〜0.25の範囲内ものである。表面酸素濃度(O/C)が0.05以上であることにより、炭素繊維表面の酸素含有官能基を確保し、マトリックス樹脂との強固な接着を得ることができる。また、表面酸素濃度(O/C)が0.50以下であることにより、酸化による炭素繊維自体の単繊維強度の低下を抑えること、すなわち、単繊維コンポジットのフラグメンテーション法による、単繊維見掛け応力が12.2GPaのときの繊維破断数が1.7個/mm以下に制御することができる。   In the present invention, the carbon fiber has a surface oxygen concentration (O / C), which is a ratio of the number of atoms of oxygen (O) and carbon (C) on the fiber surface measured by X-ray photoelectron spectroscopy. The thing within the range of 05-0.50 is preferable, More preferably, it is a thing within the range of 0.06-0.30, More preferably, it is a thing within the range of 0.07-0.25. When the surface oxygen concentration (O / C) is 0.05 or more, an oxygen-containing functional group on the surface of the carbon fiber can be secured and strong adhesion with the matrix resin can be obtained. In addition, since the surface oxygen concentration (O / C) is 0.50 or less, the decrease in the single fiber strength of the carbon fiber itself due to oxidation is suppressed, that is, the single fiber apparent stress by the fragmentation method of the single fiber composite is reduced. The number of fiber breaks at 12.2 GPa can be controlled to 1.7 pieces / mm or less.

炭素繊維の表面酸素濃度は、X線光電子分光法により、次の手順に従って求めたものである。まず、溶剤で炭素繊維表面に付着している汚れなどを除去した炭素繊維を20mmにカットして、銅製の試料支持台に拡げて並べた後、X線源としてAlKα1、2を用い、試料チャンバー中を1×10−8Torrに保ち測定した。測定時の帯電に伴うピークの補正値としてC1sのメインピーク(ピークトップ)の結合エネルギー値を284.6eVに合わせる。C1sピーク面積は、282〜296eVの範囲で直線のベースラインを引くことにより求め、O1sピーク面積は、528〜540eVの範囲で直線のベースラインを引くことにより求められる。表面酸素濃度O/Cは、上記O1sピーク面積の比を装置固有の感度補正値で割ることにより算出した原子数比で表す。X線光電子分光法装置として、アルバック・ファイ(株)製ESCA−1600を用いる場合、上記装置固有の感度補正値は2.33である。 The surface oxygen concentration of the carbon fiber is determined by X-ray photoelectron spectroscopy according to the following procedure. First, carbon fibers from which dirt and the like adhering to the carbon fiber surface were removed with a solvent were cut into 20 mm, spread and arranged on a copper sample support base, and then AlKα 1 and 2 were used as X-ray sources. The inside of the chamber was measured at 1 × 10 −8 Torr. As a correction value for the peak accompanying charging during measurement, the binding energy value of the C 1s main peak (peak top) is adjusted to 284.6 eV. The C 1s peak area is obtained by drawing a straight base line in the range of 282 to 296 eV, and the O 1s peak area is obtained by drawing a straight base line in the range of 528 to 540 eV. The surface oxygen concentration O / C is represented by an atomic ratio calculated by dividing the ratio of the O 1s peak area by the sensitivity correction value unique to the apparatus. When ESCA-1600 manufactured by ULVAC-PHI Co., Ltd. is used as the X-ray photoelectron spectroscopy apparatus, the sensitivity correction value unique to the apparatus is 2.33.

本発明のサイジング剤塗布炭素繊維は、上記好適な製造方法のポイントに注意して、当業者らの慣用の手段に従って、フラグメンテーションの破断挙動が本発明の範囲に合うように試行錯誤することで得ることができる。   The sizing agent-coated carbon fiber of the present invention is obtained by trial and error by paying attention to the points of the above preferred production method and according to the conventional means of those skilled in the art so that the fragmentation fracture behavior matches the scope of the present invention. be able to.

次に、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制限されるものではない。   EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention concretely, this invention is not restrict | limited by these Examples.

(A)サイジング剤塗布炭素繊維のサイジング剤表面のX線光電子分光法
本発明において、サイジング剤塗布繊維のサイジング剤表面の(a)、(b)のピーク比は、X線光電子分光法により、次の手順に従って求めた。サイジング剤塗布炭素繊維を20mmにカットして、銅製の試料支持台に拡げて並べた後、X線源としてAlKα1,2を用い、試料チャンバー中を1×10−8Torrに保ち測定を行った。測定時の帯電に伴うピークの補正として、まずC1sの主ピークの結合エネルギー値を286.1eVに合わせた。この時に、C1sのピーク面積は282〜296eVの範囲で直線ベースラインを引くことにより求めた。また、C1sピークにて面積を求めた282〜296eVの直線ベースラインを光電子強度の原点(零点)と定義して、(b)C−O成分に帰属される結合エネルギー286.1eVのピークの高さ(cps:単位時間あたりの光電子強度)と(a)CHx、C−C、C=Cに帰属される結合エネルギー284.6eVの成分の高さ(cps)を求め、(a)/(b)を算出した。
(A) X-ray photoelectron spectroscopy of sizing agent-coated carbon fiber sizing agent surface In the present invention, the peak ratio of (a) and (b) on the sizing agent-coated fiber sizing agent surface is determined by X-ray photoelectron spectroscopy. It was determined according to the following procedure. Cut the sizing agent-coated carbon fiber to 20 mm, and spread and arrange it on a copper sample support. Then, use AlKα 1,2 as the X-ray source and keep the sample chamber at 1 × 10 −8 Torr for measurement. It was. As correction of the peak accompanying charging during measurement, first, the binding energy value of the main peak of C 1s was adjusted to 286.1 eV. At this time, the peak area of C 1s was obtained by drawing a straight baseline in the range of 282 to 296 eV. Further, a linear base line of 282 to 296 eV obtained by calculating the area at the C 1s peak is defined as the origin (zero point) of the photoelectron intensity, and (b) the peak of the binding energy 286.1 eV attributed to the CO component is obtained. The height (cps: photoelectron intensity per unit time) and the height (cps) of the component having a binding energy of 284.6 eV attributed to (a) CHx, C—C, C = C are obtained, and (a) / ( b) was calculated.

なお、(b)より(a)のピークが大きい場合には、C1sの主ピークの結合エネルギー値を286.1に合わせた場合、C1sのピークが282〜296eVの範囲に入らない。その場合には、C1sの主ピークの結合エネルギー値を284.6eVに合わせた後、上記手法にて(a)/(b)を算出した。 Incidentally, when the peak of from (a) is large (b), when combined binding energy of the main peak of C 1s to 286.1, the peak of C 1s does not fall within the scope of 282~296EV. In that case, after adjusting the binding energy value of the C 1s main peak to 284.6 eV, (a) / (b) was calculated by the above method.

(B)炭素繊維束のストランド引張強度とストランド弾性率
炭素繊維束のストランド引張強度とストランド弾性率は、JIS−R−7608(2004)の樹脂含浸ストランド試験法に準拠し、次の手順に従い求めた。樹脂処方としては、“セロキサイド(登録商標)”2021P(ダイセル化学工業社製)/3フッ化ホウ素モノエチルアミン(東京化成工業(株)製)/アセトン=100/3/4(質量部)を用い、硬化条件としては、常圧、温度125℃、時間30分を用いた。炭素繊維束のストランド10本を測定し、その平均値をストランド引張強度およびストランド弾性率とした。
(B) Strand tensile strength and strand elastic modulus of carbon fiber bundle The strand tensile strength and strand elastic modulus of the carbon fiber bundle are determined according to the following procedure in accordance with the resin-impregnated strand test method of JIS-R-7608 (2004). It was. As the resin formulation, “Celoxide (registered trademark)” 2021P (manufactured by Daicel Chemical Industries) / 3 boron trifluoride monoethylamine (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) / Acetone = 100/3/4 (part by mass) is used. As curing conditions, normal pressure, temperature of 125 ° C., and time of 30 minutes were used. Ten strands of the carbon fiber bundle were measured, and the average value was defined as the strand tensile strength and the strand elastic modulus.

(C)炭素繊維の表面酸素濃度(O/C)
炭素繊維の表面酸素濃度(O/C)は、次の手順に従いX線光電子分光法により求めた。まず、溶媒で表面に付着している汚れを除去した炭素繊維を、約20mmにカットし、銅製の試料支持台に拡げる。次に、試料支持台を試料チャンバー内にセットし、試料チャンバー中を1×10−8Torrに保った。続いて、X線源としてAlKα1,2 を用い、光電子脱出角度を90°として測定を行った。なお、測定時の帯電に伴うピークの補正値としてC1sのメインピーク(ピークトップ)の結合エネルギー値を286.1eVに合わせた。C1sピーク面積は282〜296eVの範囲で直線のベースラインを引くことにより求めた。また、O1sピーク面積は528〜540eVの範囲で直線のベースラインを引くことにより求めた。ここで、表面酸素濃度とは、上記のO1sピーク面積とC1sピーク面積の比から装置固有の感度補正値を用いて原子数比として算出したものである。X線光電子分光法装置として、アルバック・ファイ(株)製ESCA−1600を用い、上記装置固有の感度補正値は2.33であった。
(C) Surface oxygen concentration of carbon fiber (O / C)
The surface oxygen concentration (O / C) of the carbon fiber was determined by X-ray photoelectron spectroscopy according to the following procedure. First, the carbon fiber from which the dirt adhering to the surface with a solvent is removed is cut to about 20 mm and spread on a copper sample support. Next, the sample support was set in the sample chamber, and the inside of the sample chamber was kept at 1 × 10 −8 Torr. Subsequently, AlKα 1 and 2 were used as the X-ray source, and the photoelectron escape angle was 90 °. The bond energy value of the C 1s main peak (peak top) was adjusted to 286.1 eV as a peak correction value associated with charging during measurement. The C 1s peak area was determined by drawing a straight base line in the range of 282 to 296 eV. The O 1s peak area was determined by drawing a straight base line in the range of 528 to 540 eV. Here, the surface oxygen concentration is calculated as an atomic ratio by using a sensitivity correction value unique to the apparatus from the ratio of the O 1s peak area to the C 1s peak area. As the X-ray photoelectron spectroscopy apparatus, ESCA-1600 manufactured by ULVAC-PHI Co., Ltd. was used, and the sensitivity correction value unique to the apparatus was 2.33.

(D)フラグメンテーション法
フラグメンテーション法による繊維破断数の測定は、次の(イ)〜(ホ)の手順で行った。
(D) Fragmentation method The measurement of the number of fiber breaks by the fragmentation method was performed by the following procedures (a) to (e).

(イ)樹脂の調整
ビスフェノールA型エポキシ樹脂化合物“エポトートYD−128”(新日鐵化学(株)製)190質量部とジエチレントリアミン(和光純薬工業(株)製)20.7質量部を容器に入れてスパチュラでかき混ぜ、自動真空脱泡装置を用いて脱泡した。
(A) Preparation of resin 190 parts by mass of bisphenol A type epoxy resin compound “Epototo YD-128” (manufactured by Nippon Steel Chemical Co., Ltd.) and 20.7 parts by mass of diethylenetriamine (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) The mixture was stirred with a spatula and defoamed using an automatic vacuum defoamer.

(ロ)炭素繊維単繊維のサンプリングとモールドへの固定
20cm程度の長さの炭素繊維束をほぼ4等分し、4つの束から順番に単繊維をサンプリングした。このとき、束全体からできるだけまんべんなくサンプリングした。次に、穴あき台紙の両端に両面テープを貼り、サンプリングした単繊維に一定張力を与えた状態で穴あき台紙に単繊維を固定した。次に、ポリエステルフィルム“ルミラー”(商標登録)(東レ(株)製)を貼り付けたガラス板を用意して、試験片の厚さを調整するための2mm厚のスペーサーをフィルム上に固定した。そのスペーサー上に単繊維を固定した穴あき台紙を置き、さらにその上に、同様にフィルムを貼り付けたガラス板をフィルムが貼り付いた面を下向きにセットした。このときに繊維の埋め込み深さを制御するために、厚み70μm程度のテープをフィルムの両端に貼り付けた。
(B) Sampling of carbon fiber single fiber and fixing to mold A carbon fiber bundle having a length of about 20 cm was divided into approximately four equal parts, and single fibers were sampled in order from the four bundles. At this time, the entire bundle was sampled as evenly as possible. Next, double-sided tape was applied to both ends of the perforated mount, and the single fibers were fixed to the perforated mount in a state where a constant tension was applied to the sampled single fibers. Next, a glass plate on which a polyester film “Lumirror” (registered trademark) (manufactured by Toray Industries, Inc.) was attached was prepared, and a 2 mm thick spacer for adjusting the thickness of the test piece was fixed on the film. . A perforated mount with single fibers fixed thereon was placed on the spacer, and a glass plate on which a film was similarly attached was further set on the spacer with the surface on which the film was attached facing downward. At this time, in order to control the fiber embedding depth, a tape having a thickness of about 70 μm was attached to both ends of the film.

(ハ)樹脂の注型から硬化まで
上記(ロ)の手順のモールド内(スペーサーとフィルムに囲まれた空間)に上記(イ)の手順で調整した樹脂を流し込んだ。樹脂を流し込んだモールドを、あらかじめ50℃に昇温させたオーブンを用いて5時間加熱後、降温速度2.5℃/分で30℃の温度まで降温した。その後、脱型、カットをして2cm×7.5cm×0.2cmの試験片を得た。このとき、試験片幅の中央0.5cm幅内に単繊維が位置するように試験片をカットした。
(C) From resin casting to curing The resin prepared in the procedure (a) was poured into the mold (the space surrounded by the spacer and the film) in the procedure (b). The mold into which the resin was poured was heated for 5 hours using an oven preliminarily heated to 50 ° C., and then cooled to a temperature of 30 ° C. at a temperature lowering rate of 2.5 ° C./min. Thereafter, the mold was removed and cut to obtain a test piece of 2 cm × 7.5 cm × 0.2 cm. At this time, the test piece was cut so that the single fiber was located within the center 0.5 cm width of the test piece width.

(ニ)繊維埋め込み深さ測定
上記(ハ)の手順で得られた試験片に対して、レーザーラマン分光光度計(日本分光 NRS−3000)のレーザーと532nmノッチフィルターを用いて繊維の埋め込み深さ測定を行った。まず、単繊維表面にレーザーを当て、レーザーのビーム径が最も小さくなるようにステージ高さを調整し、そのときの高さをA(μm)とする。次に試験片表面にレーザーを当て、レーザーのビーム径が最も小さくなるようにステージ高さを調整し、そのときの高さをB(μm)とする。繊維の埋め込み深さd(μm)は上記レーザーを使用して測定した樹脂の屈折率1.732を用いて、以下の式で計算した。
(D) Fiber Embedding Depth Measurement Fiber embedding depth for the test piece obtained by the procedure (c) above using a laser Raman spectrophotometer (JASCO NRS-3000) laser and a 532 nm notch filter. Measurements were made. First, a laser is applied to the surface of the single fiber, the stage height is adjusted so that the beam diameter of the laser becomes the smallest, and the height at that time is defined as A (μm). Next, a laser is applied to the surface of the test piece, the stage height is adjusted so that the beam diameter of the laser becomes the smallest, and the height at that time is defined as B (μm). The fiber embedding depth d (μm) was calculated by the following formula using the refractive index of the resin 1.732 measured using the above laser.

Figure 2014159564
Figure 2014159564

(ホ)4点曲げ試験
上記(ハ)の手順で得られた試験片に対して、外側圧子50mm間隔、内側圧子20mm間隔の治具を用いて4点曲げで引張り歪みを負荷した。ステップワイズに0.1%毎に歪みを与え、偏光顕微鏡により試験片を観察し、試験片長手方向の中心部10mmの破断数を測定した。測定した破断数を10で除した値を繊維破断数(個/mm)とした。また、試験片の中心から幅方向に約5mm離れた位置に貼り付けた歪みゲージを用いて歪みε(%)を測定した。最終的な単繊維コンポジットの歪みεcは、歪みゲージのゲージファクターκ、上記(ニ)の手順で測定した繊維埋め込み深さd(μm)、残留歪み0.14(%)を考慮して以下の式で計算した。
(E) Four-point bending test Tensile strain was applied to the test piece obtained in the above procedure (c) by four-point bending using a jig having an outer indenter interval of 50 mm and an inner indenter interval of 20 mm. Stepwise was strained every 0.1%, the specimen was observed with a polarizing microscope, and the number of breaks at the central portion 10 mm in the longitudinal direction of the specimen was measured. A value obtained by dividing the measured number of breaks by 10 was defined as the number of fiber breaks (pieces / mm). Further, the strain ε (%) was measured using a strain gauge attached at a position about 5 mm away from the center of the test piece in the width direction. The strain ε c of the final single fiber composite is as follows in consideration of the gauge factor κ of the strain gauge, the fiber embedding depth d (μm) measured by the above procedure (d), and the residual strain of 0.14 (%). It was calculated by the following formula.

Figure 2014159564
Figure 2014159564

なお、試験のn数は30とした。 The n number in the test was 30.

(E)炭素繊維の単繊維弾性率
炭素繊維の単繊維弾性率は、JIS R7606(2000年)に基づいて、以下の通りにして求める。つまり、まず、20cm程度の炭素繊維の束をほぼ4等分し、4つの束から順番に単糸をサンプリングして束全体からできるだけまんべんなくサンプリングする。サンプリングした単糸は、穴あき台紙に接着剤を用いて固定する。単糸を固定した台紙を引張試験機に取り付け、ゲージ長50mm、歪速度2mm/分、試料数20で引張試験をおこなう。弾性率は以下の式で定義される。
弾性率=(得られる強力)/(単繊維の断面積×得られる伸度)
単繊維の断面積は、測定する繊維束について、単位長さ当たりの質量(g/m)を密度(g/m)で除して、さらにフィラメント数で除して求める。密度は、比重液をo−ジクロロエチレンとしてアルキメデス法で測定した。
(E) Single fiber elastic modulus of carbon fiber The single fiber elastic modulus of carbon fiber is calculated | required as follows based on JISR7606 (2000). That is, first, a bundle of carbon fibers of about 20 cm is divided into approximately four equal parts, and single yarns are sampled in order from the four bundles, and the whole bundle is sampled as evenly as possible. The sampled single yarn is fixed to the perforated mount using an adhesive. A base sheet on which a single yarn is fixed is attached to a tensile tester, and a tensile test is performed with a gauge length of 50 mm, a strain rate of 2 mm / min, and 20 samples. The elastic modulus is defined by the following formula.
Elastic modulus = (obtained strength) / (cross-sectional area of single fiber × obtained elongation)
The cross-sectional area of the single fiber is obtained by dividing the mass per unit length (g / m) by the density (g / m 3 ) and further dividing by the number of filaments for the fiber bundle to be measured. The density was measured by the Archimedes method using a specific gravity solution as o-dichloroethylene.

(F)有孔板引張強度
ASTM D5766(Open-hole Tensile Strength of Polymer Matrix Composite Laminates)に準拠して行った。
a.テストコンディション
・室温条件(RTD):69°F(20.6℃)±5°F
・低温条件(LTD):−75°F(−59.4℃)±5°F
b.積層構成
16ply(45/90/−45/0)2s
c.成形コンディション
・プリプレグを所定の大きさにカットし、上述bの構成となるように積層した後、真空バッグを行い、オートクレーブを用いて昇温速度1.5℃/minで180℃まで昇温して圧力6気圧で2時間かけて硬化させ擬似等方強化材(炭素繊維複合材料)を得た。
d.サンプルサイズ
Dimensions:長さ308mm×幅38.1mm×厚み4.5mm
各実施例および各比較例で用いた材料と成分は下記の通りである。
・(C)成分:C−1〜C−3
C−1:“デナコール(登録商標)”EX−810(ナガセケムテックス(株)製)
エチレングリコールのジグリシジルエーテル
エポキシ当量:113g/mol、エポキシ基数:2
C−2:“デナコール(登録商標)”EX−611(ナガセケムテックス(株)製)
ソルビトールポリグリシジルエーテル
エポキシ当量:167g/mol、エポキシ基数:4
水酸基数:2
C−3:“デナコール(登録商標)”EX−521(ナガセケムテックス(株)製)
ポリグリセリンポリグリシジルエーテル
エポキシ当量:183g/mol、エポキシ基数:3以上。
・(D)成分:D−1〜D−3
D−1:“jER(登録商標)”828(三菱化学(株)製)
ビスフェノールAのジグリシジルエーテル
エポキシ当量:189g/mol、エポキシ基数:2
D−2:“jER(登録商標)”1001(三菱化学(株)製)
ビスフェノールAのジグリシジルエーテル
エポキシ当量:475g/mol、エポキシ基数:2
D−3:“jER(登録商標)”807(三菱化学(株)製)
ビスフェノールFのジグリシジルエーテル
エポキシ当量:167g/mol、エポキシ基数:2。
・(A)成分:A−1〜A−3
A−1:“スミエポキシ(登録商標)”ELM434(住友化学(株)製)
テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン
エポキシ当量:120g/mol
A−2:“jER(登録商標)”828(三菱化学(株)製)
ビスフェノールAのジグリシジルエーテル
エポキシ当量:189g/mol
A−3:GAN(日本化薬(株)製)
N−ジグリシジルアニリン
・(B)成分:
“セイカキュア(登録商標)”S(4,4’−ジアミノジフェニルスルホン、和歌山精化(株)製)
・熱可塑性樹脂
“スミカエクセル(登録商標)”5003P(住友化学(株)製)
ポリエーテルスルホン。
(F) Perforated plate tensile strength It was performed in accordance with ASTM D5766 (Open-hole Tensile Strength of Polymer Matrix Composite Laminates).
a. Test condition and room temperature (RTD): 69 ° F (20.6 ° C) ± 5 ° F
Low temperature condition (LTD): -75 ° F (-59.4 ° C) ± 5 ° F
b. Laminated structure 16ply (45/90 / -45 / 0) 2s
c. After cutting the molding condition prepreg to a predetermined size and laminating it so as to have the configuration of b described above, a vacuum bag is formed, and the temperature is raised to 180 ° C. at a heating rate of 1.5 ° C./min using an autoclave. And cured at a pressure of 6 atm for 2 hours to obtain a pseudo isotropic reinforcing material (carbon fiber composite material).
d. Sample size Dimensions: length 308mm x width 38.1mm x thickness 4.5mm
The materials and components used in each example and each comparative example are as follows.
-Component (C): C-1 to C-3
C-1: “Denacol (registered trademark)” EX-810 (manufactured by Nagase ChemteX Corporation)
Diglycidyl ether of ethylene glycol Epoxy equivalent: 113 g / mol, Number of epoxy groups: 2
C-2: “Denacol (registered trademark)” EX-611 (manufactured by Nagase ChemteX Corporation)
Sorbitol polyglycidyl ether epoxy equivalent: 167 g / mol, number of epoxy groups: 4
Number of hydroxyl groups: 2
C-3: “Denacol (registered trademark)” EX-521 (manufactured by Nagase ChemteX Corporation)
Polyglycerin polyglycidyl ether Epoxy equivalent: 183 g / mol, number of epoxy groups: 3 or more.
-(D) component: D-1-D-3
D-1: “jER (registered trademark)” 828 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation)
Diglycidyl ether of bisphenol A Epoxy equivalent: 189 g / mol, Number of epoxy groups: 2
D-2: “jER (registered trademark)” 1001 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation)
Diglycidyl ether of bisphenol A Epoxy equivalent: 475 g / mol, Number of epoxy groups: 2
D-3: “jER (registered trademark)” 807 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation)
Diglycidyl ether of bisphenol F Epoxy equivalent: 167 g / mol, number of epoxy groups: 2.
-(A) component: A-1 to A-3
A-1: “Sumiepoxy (registered trademark)” ELM434 (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.)
Tetraglycidyldiaminodiphenylmethane Epoxy equivalent: 120 g / mol
A-2: “jER (registered trademark)” 828 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation)
Diglycidyl ether of bisphenol A Epoxy equivalent: 189 g / mol
A-3: GAN (manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.)
N-diglycidylaniline (B) component:
“Seika Cure (registered trademark)” S (4,4′-diaminodiphenyl sulfone, manufactured by Wakayama Seika Co., Ltd.)
・ Thermoplastic resin "Sumika Excel (registered trademark)" 5003P (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.)
Polyethersulfone.

(実施例1〜16、比較例1〜26)
本実施例は、次の第Iの工程:原料となる炭素繊維を製造する工程、第IIの工程:炭素繊維の表面処理を行う工程、第IIIの工程:サイジング剤を炭素繊維に付着させる工程および第IVの工程:プリプレグの作製からなる。
・第Iの工程
アクリロニトリル99.5mol%とイタコン酸0.5mol%からなる共重合体を、ジメチルスルホキシドを溶媒とし、2,2’−アゾビスイソブチロニトリルを開始剤として溶液重合法により重合させ、重量平均分子量70万、Mz/Mwが1.8のポリアクリロニトリル系共重合体を製造した。製造されたポリアクリロニトリル系重合体に、アンモニアガスをpH8.5になるまで吹き込み、重合体濃度が15質量%になるように調製して、紡糸溶液を得た。得られた紡糸溶液を、40℃で、直径0.15mm、孔数6,000の紡糸口金を用い、一旦空気中に吐出し、約4mmの空間を通過させた後、3℃にコントロールした35%ジメチルスルホキシドの水溶液からなる凝固浴に導入する乾湿式紡糸法により凝固糸条とした。この凝固糸条を、常法により水洗した後、2槽の温水浴中で、3.5倍の延伸を行った。続いて、この水浴延伸後の繊維束に対して、アミノ変性シリコーン系シリコーン油剤を付与し、160℃の加熱ローラーを用いて、乾燥緻密化処理を行い、2糸条を合糸し、単繊維本数12000本としてから、加圧スチーム中で3.7倍延伸することにより、製糸全延伸倍率を13倍とし、その後交絡処理を行って単繊維繊度0.7dtex、単繊維本数12000本のポリアクリロニトリル系前駆体繊維を得た。ここで、交絡処理とは、繊維束長手方向と流体の吹き付け方向の成す角が90°で、かつ繊維束を取り囲むように8個の噴出孔を配置し、各々の噴出孔が2孔で1組となるよう対向する位置に配置した流体吹きつけノズルを用い、繊維束の張力が3mN/dtexの状態に調節し、かつ、流体の吐出圧力を0.35MPaに設定して行った。次に、温度240〜260℃の空気中において、延伸比1で延伸しながらで耐炎化処理し、比重1.35〜1.36の耐炎化繊維束を得た。得られた耐炎化繊維束を、温度300〜800℃の窒素雰囲気中において、延伸比1.15で延伸しながら予備炭素化処理を行い、予備炭素化繊維束を得た。得られた予備炭素化繊維束を、窒素雰囲気中において、最高温度1500℃で、5.5mN/dtexの張力で炭素化処理を行った。これを炭素繊維Aとした。
(Examples 1-16, Comparative Examples 1-26)
In this example, the following first step: a step of producing a carbon fiber as a raw material, second step: a step of performing a surface treatment of the carbon fiber, third step: a step of attaching a sizing agent to the carbon fiber And Step IV: It consists of preparation of a prepreg.
-Step I A copolymer consisting of 99.5 mol% acrylonitrile and 0.5 mol% itaconic acid is polymerized by solution polymerization using dimethyl sulfoxide as a solvent and 2,2'-azobisisobutyronitrile as an initiator. Thus, a polyacrylonitrile copolymer having a weight average molecular weight of 700,000 and Mz / Mw of 1.8 was produced. Ammonia gas was blown into the manufactured polyacrylonitrile-based polymer until the pH reached 8.5, and the polymer concentration was adjusted to 15% by mass to obtain a spinning solution. The obtained spinning solution was discharged into the air once at 40 ° C. using a spinneret having a diameter of 0.15 mm and a hole number of 6,000, passed through a space of about 4 mm, and then controlled at 3 ° C. 35 A coagulated yarn was obtained by a dry and wet spinning method introduced into a coagulation bath comprising an aqueous solution of% dimethyl sulfoxide. The coagulated yarn was washed with water by a conventional method, and then stretched 3.5 times in two warm water baths. Subsequently, an amino-modified silicone-based silicone oil agent is applied to the fiber bundle after stretching in the water bath, a drying densification treatment is performed using a heating roller at 160 ° C., two yarns are combined, and a single fiber After the number of yarns is 12,000, the yarn is stretched 3.7 times in pressurized steam, the yarn drawing total draw ratio is 13 times, and then the entanglement process is performed to obtain a single fiber fineness of 0.7 dtex and a single fiber number of 12,000 polyacrylonitrile. A system precursor fiber was obtained. Here, the entanglement treatment means that the angle formed by the fiber bundle longitudinal direction and the fluid blowing direction is 90 °, and eight ejection holes are arranged so as to surround the fiber bundle, and each ejection hole is composed of two holes. Using fluid spray nozzles arranged at opposing positions so as to form a set, the tension of the fiber bundle was adjusted to 3 mN / dtex, and the fluid discharge pressure was set to 0.35 MPa. Next, in the air of 240-260 degreeC, it flame-proofed, extending | stretching by the draw ratio 1, and obtained the flame-resistant fiber bundle of specific gravity 1.35-1.36. The obtained flame-resistant fiber bundle was subjected to a preliminary carbonization treatment while being stretched at a stretch ratio of 1.15 in a nitrogen atmosphere at a temperature of 300 to 800 ° C. to obtain a preliminary carbonized fiber bundle. The obtained pre-carbonized fiber bundle was carbonized at a maximum temperature of 1500 ° C. and a tension of 5.5 mN / dtex in a nitrogen atmosphere. This was designated as carbon fiber A.

交絡処理を行わない以外は炭素繊維Aと同様にして炭素繊維を得た。これを炭素繊維Bとした。   A carbon fiber was obtained in the same manner as the carbon fiber A except that the entanglement treatment was not performed. This was designated as carbon fiber B.

溶液重合時に開始剤の量や投入タイミングを調整することで重量平均分子量40万、Mz/Mwが3.5、重合体濃度が19%の紡糸溶液を得て、それを用いた以外は炭素繊維Aと同様にして炭素繊維を得た。これを炭素繊維Cとした。   A carbon fiber except that a spinning solution having a weight average molecular weight of 400,000, Mz / Mw of 3.5, and a polymer concentration of 19% was obtained by adjusting the amount of initiator and the charging timing during solution polymerization. Carbon fiber was obtained in the same manner as A. This was designated as carbon fiber C.

交絡処理を行わない以外は炭素繊維Cと同様にして炭素繊維を得た。これを炭素繊維Dとした。   A carbon fiber was obtained in the same manner as the carbon fiber C except that the entanglement treatment was not performed. This was designated as carbon fiber D.

それ以外に市販されている“TORAYCA(商標登録)”T800S−24k−10E、“TORAYCA(商標登録)”T700S−24k−50E(東レ(株)製)、“Hextow(商標登録)”IM−10(Hexcel社製)、“Hextow(商標登録)”IM−9(Hexcel社製)、“TENAX(商標登録)”IM600(東邦テナックス社製)も用いて解析を行った。
・第IIの工程
得た炭素繊維を、濃度0.1モル/lの炭酸水素アンモニウム水溶液を電解液として、電気量を炭素繊維1g当たり80クーロンで電解表面処理した。この電解表面処理を施された炭素繊維を続いて水洗し、150℃の温度の加熱空気中で乾燥し、原料となる炭素繊維を得た。この表面処理を表面処理Aとした。このときの表面酸素濃度O/Cは、0.15であった。
Other than that, “TORAYCA (registered trademark)” T800S-24k-10E, “TORAYCA (registered trademark)” T700S-24k-50E (manufactured by Toray Industries, Inc.), “Hexow (registered trademark)” IM-10 The analysis was also performed using (Hexcel) IM-9 (manufactured by Hexcel) and "TENAX (trademark)" IM600 (manufactured by Toho Tenax).
Step II The obtained carbon fiber was subjected to electrolytic surface treatment with an aqueous ammonium hydrogen carbonate solution having a concentration of 0.1 mol / l as an electrolytic solution at an electric quantity of 80 coulomb per gram of carbon fiber. The carbon fiber subjected to the electrolytic surface treatment was subsequently washed with water and dried in heated air at a temperature of 150 ° C. to obtain a carbon fiber as a raw material. This surface treatment was designated as surface treatment A. At this time, the surface oxygen concentration O / C was 0.15.

得た炭素繊維を、濃度0.1モル/lの炭酸水素アンモニウム水溶液を電解液として、電気量を炭素繊維1g当たり500クーロンで電解表面処理した。この電解表面処理を施された炭素繊維を続いて水洗し、150℃の温度の加熱空気中で乾燥し、原料となる炭素繊維を得た。この表面処理を表面処理Bとした。このときの表面酸素濃度O/Cは、0.22であった。   The obtained carbon fiber was subjected to electrolytic surface treatment with an aqueous solution of ammonium hydrogen carbonate having a concentration of 0.1 mol / l as an electrolytic solution at an electric charge of 500 coulomb per 1 g of carbon fiber. The carbon fiber subjected to the electrolytic surface treatment was subsequently washed with water and dried in heated air at a temperature of 150 ° C. to obtain a carbon fiber as a raw material. This surface treatment was designated as surface treatment B. At this time, the surface oxygen concentration O / C was 0.22.

得た炭素繊維を、濃度0.1モル/lの硫酸水溶液を電解液として、電気量を炭素繊維1g当たり80クーロンで電解表面処理した。この電解表面処理を施された炭素繊維を続いて水洗し、150℃の温度の加熱空気中で乾燥し、原料となる炭素繊維を得た。この表面処理を表面処理Cとした。このときの表面酸素濃度O/Cは、0.20であった。   The obtained carbon fiber was subjected to electrolytic surface treatment using an aqueous sulfuric acid solution having a concentration of 0.1 mol / l as an electrolytic solution and an electric quantity of 80 coulomb per 1 g of carbon fiber. The carbon fiber subjected to the electrolytic surface treatment was subsequently washed with water and dried in heated air at a temperature of 150 ° C. to obtain a carbon fiber as a raw material. This surface treatment was designated as surface treatment C. At this time, the surface oxygen concentration O / C was 0.20.

得た炭素繊維を、濃度0.1モル/lの硝酸水溶液を電解液として、電気量を炭素繊維1g当たり80クーロンで電解表面処理した。この電解表面処理を施された炭素繊維を続いて水洗し、150℃の温度の加熱空気中で乾燥し、原料となる炭素繊維を得た。この表面処理を表面処理Dとした。このときの表面酸素濃度O/Cは、0.14であった。   The obtained carbon fiber was subjected to electrolytic surface treatment with an aqueous solution of nitric acid having a concentration of 0.1 mol / l as an electrolyte and an electric quantity of 80 coulomb per 1 g of carbon fiber. The carbon fiber subjected to the electrolytic surface treatment was subsequently washed with water and dried in heated air at a temperature of 150 ° C. to obtain a carbon fiber as a raw material. This surface treatment was designated as surface treatment D. At this time, the surface oxygen concentration O / C was 0.14.

得た炭素繊維を表面処理しなかったとき、便宜上、表面処理Eと呼ぶ。このときの表面酸素濃度O/Cは、0.02であった。
・第IIIの工程
(D)成分としてD−1を10質量部とD−2を10質量部、ビスフェノールAのEO2モル付加物2モルとマレイン酸1.5モル、セバチン酸0.5モルの縮合物を20質量部および乳化剤としてポリオキシエチレン(70モル)スチレン化(5モル)クミルフェノールを10質量部からなる水分散エマルジョンを調合した後、(C)成分としてC−3を50質量部混合してサイジング液を調合した。このサイジング剤を浸漬法により表面処理された炭素繊維に塗布した後、210℃の温度で75秒間熱処理をして、サイジング剤塗布炭素繊維束を得た。サイジング剤の付着量は、表面処理された炭素繊維100質量部に対して1.0質量部となるように調整した。これをサイジング剤Aとした。サイジング剤表面を光電子脱出角度15°でX線光電子分光法によって測定されるC1s内殻スペクトルの(a)CHx、C−C、C=Cに帰属される結合エネルギー(284.6eV)の成分の高さ(cps)と(b)C−Oに帰属される結合エネルギー(286.1eV)の成分の高さ(cps)の比率(a)/(b)は0.67であった。
When the obtained carbon fiber is not surface-treated, it is referred to as surface treatment E for convenience. At this time, the surface oxygen concentration O / C was 0.02.
-Step III (D) 10 parts by weight of D-1 and 10 parts by weight of D-2 as components, 2 moles of EO2 mole adduct of bisphenol A, 1.5 moles of maleic acid, 0.5 moles of sebacic acid After preparing an aqueous dispersion emulsion comprising 20 parts by mass of the condensate and 10 parts by mass of polyoxyethylene (70 mol) styrenated (5 mol) cumylphenol as an emulsifier, 50 parts by mass of C-3 as component (C) Partially mixed to prepare a sizing solution. After this sizing agent was applied to the carbon fiber surface-treated by the dipping method, heat treatment was performed at a temperature of 210 ° C. for 75 seconds to obtain a sizing agent-coated carbon fiber bundle. The adhesion amount of the sizing agent was adjusted to be 1.0 part by mass with respect to 100 parts by mass of the surface-treated carbon fiber. This was designated as sizing agent A. Component of binding energy (284.6 eV) attributed to (a) CHx, C—C, C = C of C 1s inner shell spectrum measured by X-ray photoelectron spectroscopy on the sizing agent surface at a photoelectron escape angle of 15 ° The ratio (a) / (b) between the height (cps) of (b) and the height (cps) of the component of the binding energy (286.1 eV) attributed to C—O was 0.67.

サイジング剤の付着量を、表面処理された炭素繊維100質量部に対して0.2質量部となるように調整した以外はサイジング剤Aと同様に行った。これをサイジング剤Bとした。かかる比率(a)/(b)は0.67であった。   It was performed in the same manner as the sizing agent A, except that the amount of the sizing agent adhered was adjusted to 0.2 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the surface-treated carbon fiber. This was designated as sizing agent B. The ratio (a) / (b) was 0.67.

サイジング剤の付着量を、表面処理された炭素繊維100質量部に対して2.0質量部となるように調整した以外はサイジング剤Aと同様に行った。これをサイジング剤Cとした。かかる比率(a)/(b)は0.67であった。   The sizing agent was deposited in the same manner as the sizing agent A, except that the amount of sizing agent was adjusted to 2.0 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the surface-treated carbon fiber. This was designated as Sizing Agent C. The ratio (a) / (b) was 0.67.

サイジング剤を塗布しなかったものを、便宜上、サイジング剤Dと呼ぶ。   For the sake of convenience, the one without the sizing agent applied is referred to as sizing agent D.

D−1、D−2成分、ビスフェノールAのEO2モル付加物2モルとマレイン酸1.5モル、セバチン酸0.5モルの縮合物、C−3成分を10:10:20:50から22.5:22.5:45:0に変更した以外はサイジング剤Aと同様に行った。これをサイジング剤Eとした。かかる比率(a)/(b)は0.99であった。   D-1 and D-2 components, bisphenol A EO 2 mol adduct 2 mol, maleic acid 1.5 mol, sebacic acid 0.5 mol condensate, C-3 component 10: 10: 20: 50 to 22 .5: 22.5: Performed in the same manner as Sizing Agent A except that the ratio was changed to 45: 0. This was designated as Sizing Agent E. The ratio (a) / (b) was 0.99.

D−1成分、D−2成分、ビスフェノールAのEO2モル付加物2モルとマレイン酸1.5モル、セバチン酸0.5モルの縮合物、C−1成分、C−3成分、乳化剤を10:10:20:0:50:10から0:0:0:50:50:0に変更した以外はサイジング剤Aと同様に行った。これをサイジング剤Fとした。かかる比率(a)/(b)は0.26であった。   D-1 component, D-2 component, 2 mol of EO2 mol adduct of bisphenol A, 1.5 mol of maleic acid, 0.5 mol of sebacic acid, condensate C-1, component C-3, and emulsifier 10 : 10: 20: 0: 50: 10 to 0: 0: 0: 50: 50: 0. This was designated as Sizing Agent F. The ratio (a) / (b) was 0.26.

D−2成分をD−3成分に変更した以外はサイジング剤Aと同様に行った。これをサイジング剤Gとした。かかる比率(a)/(b)は0.63であった。   It carried out similarly to sizing agent A except having changed D-2 component into D-3 component. This was designated as sizing agent G. The ratio (a) / (b) was 0.63.

D−1成分、D−2成分、ビスフェノールAのEO2モル付加物2モルとマレイン酸1.5モル、セバチン酸0.5モルの縮合物、C−1成分、C−3成分、乳化剤を0:0:0:50:50:0から20:0:20:25:25:10からに変更した以外はサイジング剤Eと同様に行った。これをサイジング剤Hとした。かかる比率(a)/(b)は0.60であった。   D-1 component, D-2 component, bisphenol A EO 2 mol adduct 2 mol, maleic acid 1.5 mol, sebacic acid 0.5 mol condensate, C-1 component, C-3 component, emulsifier 0 : 0: 0: 50: 50: 0 Performed in the same manner as the sizing agent E except that it was changed from 20: 0: 20: 25: 25: 10. This was designated as sizing agent H. The ratio (a) / (b) was 0.60.

C−1成分をC−2成分に変更した以外はサイジング剤H同様に行った。これをサイジング剤Iとした。かかる比率(a)/(b)は0.62であった。   The procedure was the same as that for the sizing agent H except that the C-1 component was changed to the C-2 component. This was designated as Sizing Agent I. The ratio (a) / (b) was 0.62.

続いて、サイジング剤塗布炭素繊維のストランド強度試験、単繊維弾性率試験を実施した。また、使用条件を想定した加速試験として、サイジング剤塗布炭素繊維を温度70℃、湿度95%で3日保管後、サイジング剤塗布炭素繊維のフラグメンテーション試験を実施した。結果を表1にまとめた。
・第IVの工程
混練装置で、(A)成分として(A−1)を35質量部と(A−2)を35質量部と(A−3)を30質量部に、14質量部のスミカエクセル5003Pを配合して溶解した後、(B)成分である4,4’−ジアミノジフェニルスルホンを40質量部混練して、炭素繊維強化複合材料用のエポキシ樹脂組成物を作製した。これを樹脂組成物Aとした。
Subsequently, a strand strength test and a single fiber elastic modulus test of sizing agent-coated carbon fibers were performed. In addition, as an accelerated test assuming use conditions, the sizing agent-coated carbon fiber was stored at a temperature of 70 ° C. and a humidity of 95% for 3 days, and then a sizing agent-coated carbon fiber fragmentation test was performed. The results are summarized in Table 1.
-Step IV In the kneading apparatus, as component (A), 35 parts by mass of (A-1), 35 parts by mass of (A-2), 30 parts by mass of (A-3), and 14 parts by mass of Sumika After mixing and dissolving Excel 5003P, 40 parts by mass of 4,4′-diaminodiphenyl sulfone as component (B) was kneaded to prepare an epoxy resin composition for a carbon fiber reinforced composite material. This was designated as Resin Composition A.

スミカエクセル5003Pの配合量を10質量部から5質量部に変更した以外は樹脂組成物Aと同様に樹脂組成物を得た。これを樹脂組成物Bとした。   A resin composition was obtained in the same manner as the resin composition A, except that the amount of Sumika Excel 5003P was changed from 10 parts by mass to 5 parts by mass. This was designated as Resin Composition B.

(A−1):(A−2):(A−3):(B)=50:50:0:40と組成比を変更した以外は樹脂組成物Aと同様に樹脂組成物を得た。これを樹脂組成物Cとした。   (A-1): (A-2): (A-3): (B) = 50: 50: 0: A resin composition was obtained in the same manner as the resin composition A except that the composition ratio was changed. . This was designated as Resin Composition C.

得られたエポキシ樹脂組成物を、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サイジング剤塗布炭素繊維(目付190g/m)の両側に重ね合せてヒートロールを用い、温度100℃、気圧1気圧で加熱加圧しながらエポキシ樹脂組成物をサイジング剤塗布炭素繊維に含浸させプリプレグを得た。実際の使用条件を想定して、プリプレグを温度25℃、湿度60%で20日保管後、複合材料を成形してOHT試験を実施した。その結果を表2に示す。 The obtained epoxy resin composition was coated on a release paper with a resin basis weight of 52 g / m 2 using a knife coater to prepare a resin film. This resin film is superposed on both sides of a sizing agent-coated carbon fiber (weight per unit area 190 g / m 2 ) aligned in one direction, and a heat roll is used to heat and press at 100 ° C. and 1 atm. Was impregnated into carbon fiber coated with a sizing agent to obtain a prepreg. Assuming actual use conditions, the prepreg was stored at a temperature of 25 ° C. and a humidity of 60% for 20 days, and then the composite material was molded and subjected to an OHT test. The results are shown in Table 2.

工程I〜IIIにおいて、表1に示すように組み合わせて製造したサイジング剤塗布炭素繊維の評価結果を表1に、実施例1(Carbon fibre A)、比較例2(Carbon fibre C)、比較例3(Carbon fibre D)のフラグメンテーション試験結果を図2に示す。また、表1に示されるサイジング剤塗布炭素繊維とマトリックス樹脂を組み合わせて製造したプリプレグの評価結果を表2に示す。表1と2から判断するとストランド強度が高いほど単繊維見掛け応力が6.8GPaのときの繊維破断数が少ない傾向にあり、単繊維見掛け応力12.2GPaのときの繊維破断数が少ないほど特に低温試験でのOHTが高い傾向にあるとわかった。市販されているプリプレグの中でOHT(室温条件)のカタログ値の最も大きい“Hexply(登録商標)”IM−10/M91であっても600MPa(=88ksi)程度であり、それに用いられている“Hextow(登録商標)”IM−10のフラグメンテーション試験結果から考えると妥当なOHTである。   In Steps I to III, the evaluation results of the sizing agent-coated carbon fibers produced in combination as shown in Table 1 are shown in Table 1, Example 1 (Carbon fiber A), Comparative Example 2 (Carbon fiber C), and Comparative Example 3. FIG. 2 shows the fragmentation test results of (Carbon fiber D). Table 2 shows the evaluation results of the prepregs produced by combining the sizing agent-coated carbon fibers shown in Table 1 and the matrix resin. Judging from Tables 1 and 2, the higher the strand strength, the smaller the number of fiber breaks when the single fiber apparent stress is 6.8 GPa, and the lower the number of fiber breaks when the single fiber apparent stress is 12.2 GPa, the lower the temperature. It was found that the OHT in the test tended to be high. “Hexply (registered trademark)” IM-10 / M91 having the largest catalog value of OHT (room temperature conditions) among commercially available prepregs is about 600 MPa (= 88 ksi), and is used in “ Considering from the result of fragmentation test of Hexto (registered trademark) “IM-10”, it is a reasonable OHT.

Figure 2014159564
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Figure 2014159564
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1:繊維束
2:固定点A
3:固定点B
4:固定点C
5:交絡点
6:引き裂き可能距離
1: Fiber bundle 2: Fixed point A
3: Fixed point B
4: Fixed point C
5: Entanglement point 6: Tearable distance

本発明のプリプレグを用いると、それを硬化して得られる炭素繊維複合材料の引張弾性率や有孔板引張強度という物性がバランス良く高い。そのため、航空機の軽量化に大きく貢献し、航空機の燃料消費率を改善することができる。   When the prepreg of the present invention is used, the carbon fiber composite material obtained by curing it has high physical properties such as tensile elastic modulus and perforated plate tensile strength. Therefore, it can greatly contribute to the weight reduction of the aircraft and improve the fuel consumption rate of the aircraft.

本発明は次の構成を有する。すなわち、以下に示す、サイジング剤塗布炭素繊維(I)と熱硬化性樹脂(II)を含むプリプレグである。
(I)炭素繊維にサイジング剤を塗布したサイジング剤塗布炭素繊維であって、炭素繊維の単繊維コンポジットのフラグメンテーション法による、単繊維見掛け応力が15.3GPaのときに繊維破断数が2.0個/mm以上であり、かつ、単繊維見掛け応力が12.2GPaのときに繊維破断数が1.7個/mm以下であるサイジング剤塗布炭素繊維、
(II)エポキシ化合物(A)と芳香族アミン硬化剤(B)とを含有する熱硬化性樹脂。
The present invention has the following configuration. That is, it is a prepreg containing the sizing agent-coated carbon fiber (I) and the thermosetting resin (II) shown below.
(I) A sizing agent-coated carbon fiber in which a sizing agent is applied to carbon fiber, and the number of fiber breaks is 2.0 when the single fiber apparent stress is 15.3 GPa according to the fragmentation method of the single fiber composite of carbon fiber. Sizing agent-coated carbon fiber having a fiber breakage number of 1.7 pieces / mm or less when the single fiber apparent stress is 12.2 GPa,
(II) A thermosetting resin containing an epoxy compound (A) and an aromatic amine curing agent (B).

Claims (5)

以下に示す、炭素繊維(I)と熱硬化性樹脂(II)を含むプリプレグ。
(I)単繊維コンポジットのフラグメンテーション法による、単繊維見掛け応力が15.3GPaのときに繊維破断数が2.0個/mm以上であり、かつ、単繊維見掛け応力が12.2GPaのときに繊維破断数が1.7個/mm以下である炭素繊維
(II)エポキシ化合物(A)と芳香族アミン硬化剤(B)とを含有する熱硬化性樹脂
A prepreg containing carbon fiber (I) and thermosetting resin (II) shown below.
(I) When the single fiber apparent stress is 15.3 GPa by the fragmentation method of the single fiber composite, the number of fiber breaks is 2.0 pieces / mm or more, and the fiber when the single fiber apparent stress is 12.2 GPa. Thermosetting resin containing carbon fiber (II) epoxy compound (A) and aromatic amine curing agent (B) having a number of breaks of 1.7 pieces / mm or less
脂肪族エポキシ化合物(C)および芳香族エポキシ化合物(D)を含むサイジング剤を炭素繊維に塗布したサイジング剤塗布炭素繊維であって、前記炭素繊維は、単繊維コンポジットのフラグメンテーション法による、単繊維見掛け応力が15.3GPaのときに繊維破断数が2.0個/mm以上であり、かつ、単繊維見掛け応力が12.2GPaのときに繊維破断数が1.7個/mm以下である、サイジング剤塗布炭素繊維。 A sizing agent-coated carbon fiber obtained by coating a carbon fiber with a sizing agent containing an aliphatic epoxy compound (C) and an aromatic epoxy compound (D), wherein the carbon fiber is a single fiber appearance by a fragmentation method of a single fiber composite. A sizing in which the number of fiber breaks is 2.0 pieces / mm or more when the stress is 15.3 GPa and the number of fiber breaks is 1.7 pieces / mm or less when the single fiber apparent stress is 12.2 GPa. Agent coated carbon fiber. 前記炭素繊維に塗布したサイジング剤表面を、X線光電子分光法によって光電子脱出角度15°で測定されるC1s内殻スペクトルの(a)CHx、C−C、C=Cに帰属される結合エネルギー(284.6eV)の成分の高さ(cps)と、(b)C−Oに帰属される結合エネルギー(286.1eV)の成分の高さ(cps)との比率(a)/(b)が0.50〜0.90である、請求項2記載のサイジング剤塗布炭素繊維。 The binding energy attributed to (a) CHx, C—C, C = C of the C 1s inner shell spectrum measured on the surface of the sizing agent applied to the carbon fiber at a photoelectron escape angle of 15 ° by X-ray photoelectron spectroscopy. Ratio (a) / (b) between the height (cps) of the component (284.6 eV) and the height (cps) of the component (286.1 eV) attributed to C—O (b) Sizing agent application | coating carbon fiber of Claim 2 whose is 0.50-0.90. 平均引き裂き可能距離が300mm〜710mmであり、実質的に無撚りの、請求項3記載のサイジング剤塗布炭素繊維。 Sizing agent application | coating carbon fiber of Claim 3 whose average tearable distance is 300 mm-710 mm, and is substantially untwisted. 請求項2〜4のいずれか記載のサイジング剤塗布炭素繊維、およびエポキシ化合物(A)と芳香族アミン硬化剤(B)とを含有する熱硬化性樹脂(II)を含むプリプレグ。 A prepreg comprising a sizing agent-coated carbon fiber according to any one of claims 2 to 4, and a thermosetting resin (II) containing an epoxy compound (A) and an aromatic amine curing agent (B).
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