JP2014501835A - プレプレグ及び構造部品用途における使用のための不溶性及び部分的可溶性又は膨潤性強化粒子を含有するエポキシ樹脂系 - Google Patents
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Abstract
【選択図】 図1
Description
本出願は、2010年12月22日に申請された米国仮出願第61/426,383号明細書からの優先権の利益を請求し、該出願の記載事項は引用することによりその全体が本明細書の内容となる。
発明の分野
樹脂系は、a)不溶性及びb)部分的可溶性又は膨潤性強化粒子の組み合わせを含む。強化された予備−含浸複合材料(プレプレグ)は繊維及び樹脂系を含み、インターリーフ強化粒子を用いて強化されていることができる。この樹脂系を用いる複合材料は、モード2破壊靭性(GIIC)を向上させながら優れたノッチ付き圧縮及びノッチ付き張力特性を達成した。
複合材料において、引張及び/又は圧縮特性ならびに靭性及び環境抵抗性を向上させるために種々の型の粒子及びスクリムが用いられてきた。粒子は典型的には樹脂マトリックス中に加えられ、硬化すると樹脂マトリックス中に可溶性であるか又は溶解しない。いくつかの場合、粒子は未硬化樹脂中で可溶性であり得るが、次いで硬化すると相が分離する。この挙動は「相分離」と記載される。特許文献1及び特許文献2はこの例である。
した靭性、損傷許容性、熱湿性能、プロセシング、微小亀裂抵抗性及び低下した溶剤感受性を与える熱可塑性粒子は、当該技術分野における有用な進歩であり、需要環境(demanding environments)において複合材料が性能を示す(perform)ことを必要とする他の産業の中でも、大規模商業的輸送及び/又は軍用航空宇宙産業において急速に受け入れられるはずである。
産業の要求に向き合うために、いくつかの態様は:a)エポキシ熱硬化性樹脂;b)硬化剤;及びc)少なくとも2つの型の強化粒子を含んでなる組成物を目的とし、ここで第1の型の強化粒子はエポキシ熱硬化性樹脂が硬化すると該エポキシ熱硬化性樹脂中で不溶性であり;ここで第2の型の強化粒子はエポキシ熱硬化性樹脂が硬化すると該エポキシ熱硬化性樹脂中で部分的に可溶性又は膨潤性である。好ましい態様において、エポキシ熱硬化性樹脂は140℃〜200℃の温度範囲内で硬化可能である。そのような組成物はさらに熱可塑性強化剤を含むことができる。
造繊維を含んでなる複合製品を目的とする。強化粒子は、構造繊維の間のインターリーフ層中に存在することができる。これらの及び他の態様を本明細書に記載する。
図1は、不溶性粒子を含有する断面複合材料の略図である。この略図において、不溶性粒子は層間領域中の球により示されている。
1種もしくはそれより多い不溶性(A型)粒子を1種もしくはそれより多い膨潤性もしくは部分的可溶性(B型)粒子と一緒に含んでなるエポキシ樹脂系は、エポキシ樹脂系から作られる材料のノッチ付き張力及び圧縮特性の優れたバランスを与え、優れた破壊靭性も有する。A型粒子及びB型粒子の両方の使用は、予期に反して高いGIIC値を与え、開口引張強さ(open hole tensile strength)(OHT)及び開口圧縮強さ(open hole compression strength)(OHC)の優れたバランスを保持した。A型粒子及びB型粒子の両方の使用により、それらから作られる複合構造には、予期に反して、単独で用いられる場合にそれぞれの材料により典型的に与えられるか、又は通常の材料との比較における、複合材料についての好ましくない性質がない。組成物の追加の恩恵は、エポキシ樹脂調製物中の粒子の量及び型を変えることにより、得られる複合構造の性質を使用者の規格に基づいて注文通りにできることである。
メーターでなければならない。
ンドより成る群から選ばれる1種もしくはそれより多いポリマーから構成されることができる。ポリマーがA型材料であるか又はB型材料であるかは、それがブロック−コポリマー又はポリマーブレンドであるか否か、ブレンド中のポリマーの比などのような多数の因子に依存する。
1つの側面において、好ましいA型粒子はポリフタルアミド(PPA)のような部分的に芳香族のポリアミド(ナイロン)を含む。典型的には、ナイロン又はポリアミド粒子はエポキシ樹脂系中に可溶性でない。
B型粒子は一般に部分的可溶性又は膨潤性ポリマー粒子を含み、それらは複合材料に優れた引張強さ特性を与える。いくつかの側面において、PILT101のようなB型粒子は、架橋されたPESに基づく粒子である。
熱可塑性粒子が含まれ、それらの特許は両方とも本出願と同じ譲受人(assignee)により2010年5月26日に申請され、それらはそれぞれPCT/GB10/001062及びPCT/US10/36306に対応する。これらの出願は、相互貫入ポリマーネットワーク(IPN)を有し、その中で粒子は樹脂系中に部分的に又は全体的に不溶性であり、硬化後に分離した粒子のままであるエンジニアリングされた架橋粒子に関する。しかしながら、これらの粒子は膨潤性であり、かくして溶解することなく樹脂を取り込む(take in)ことができる。これらの粒子を、本明細書に記載される本発明の側面に従って詳細に記述される組成物中で「B型」粒子として用いることができる。これらの出願は、引用することによりその記載事項が本明細書の内容となる;しかしながら、これらの出願の主題を下記にまとめる。B型粒子は、非−共有結合的に架橋された熱可塑性材料も含むことができる。
料が破壊に抵抗する能力を記述する特性である。Kは応力拡大係数の表示であり、Gは破壊エネルギーである。KICはISO標準“Plastics−−Determination of fracture toughness(GIC and KIC)−−Linear elastic fracture mechanics(LEFM) approach(ISO 13586:2000)”に従って、又はESIS委員会により推奨される方法、“Fracture Mechanics Testing Methods for Polymers Adhesives and Composites,”D.R.Moore,A.Pavan,J.G.Williams,ESIS
publication 28,2001,pp11−26に従うことにより測定され得る。
本明細書に記載される粒子の製造方法はさらに、いずれかの順序における乳化、沈殿、乳化重合、洗浄、乾燥、押出し、磨砕、微粉砕、極低温−微粉砕、ジェット−磨砕及び/又は粒子の篩別を含むことができる。当該技術分野における熟練者は、これらの段階を当該技術分野において既知の多数の方法のいずれによっても達成できること、及び/又は日常的な実験のみを用いて行い得ることがわかるであろう。
本明細書で用いられる「マトリックス」、「樹脂」及び「マトリックス樹脂」という用語は、当該技術分野における熟練者に既知のそれらの通常の意味を有し、熱硬化性材料を含んでなる1種もしくはそれより多い化合物を含むことができる。A型及びB型粒子を、複合材料の製造に有用なエポキシ熱硬化性樹脂と組み合わせることができる。いくつかの場合、マトリックスは一般的にエポキシ樹脂、粒子及び硬化剤の組み合わせを指し、それは可溶性熱可塑性強化剤も含むことができる。
MY0600の商品名の下に、ならびにSumitomo Chemical Co.(Osaka,Japan)からELM−120の商品名の下に商業的に入手可能である。
56(Huntsman Advanced Materialsから商業的に入手可能である)のようなジシクロペンタジエンに基づくエポキシ樹脂、トリス−(ヒドロキシフェニル)ならびにTactix 742(Huntsman Advanced Materialsから商業的に入手可能である)のようなメタンに基づくエポキシ樹脂が含まれる。他の適した多官能基性エポキシ樹脂にはDEN 438(Dow Chemicals,Midland,Mich.から)、DEN 439(Dow Chemicalsから)、Araldite ECN 1273(Huntsman Advanced
Materialsから)及びAraldite ECN 1299(Huntsman Advanced Materialsから)が含まれる。
いくつかの態様において、予備−含浸された複合材料(プレプレグ)は、強化繊維、エポキシ樹脂マトリックス、熱可塑性強化剤ならびにエポキシ樹脂マトリックス中で不溶性である(A型)そのようなプレプレグ内の1種もしくはそれより多い高分子インターリーフ強化粒子及び樹脂マトリックス中で部分的可溶性又は膨潤性である(B型)1種もしくはそれより多い高分子インターリーフ強化粒子を含む。いくつかの態様において、硬化した複合材料内で粒子は主に層間領域内に留まる。そのような層間領域を有する複合材料は、ノッチ付き圧縮及びノッチ付き張力特性における優れたバランスを有しながら、モード2破壊靭性を保持する。
料を含むことができる。繊維は、粒子、フレーク、ホイスカー、短繊維、連続繊維、シート、層又はそれらの組み合わせのいずれかの形態をとることができる。連続繊維はさらに、一方向の、多次元(例えば2−もしくは3−次元)の、不織の、編織された、編まれた、ステッチ付きの(stitched)、巻かれた及び編組された構成ならびにスワールマット、フェルトマット及びチョップドマット構造のいずれかをとることができる。編織繊維構造は、約1000本より少ないフィラメント、約3000本より少ないフィラメント、約6000本より少ないフィラメント、約12000本より少ないフィラメント、約24000本より少ないフィラメント、約48000本より少ないフィラメント、約56000本より少ないフィラメント、約125000本より少ないフィラメント及び約125000本より多いフィラメントを有する複数の編織トウ(woven tows)を含むことができる。さらなる態様において、クロス−トウステッチ、横糸挿入編みステッチ(weft−insertion knitting stitches)又は少量の樹脂、例えばサイズ剤により、トウを適所に保つことができる。
及び「実質的に」という用語は、依然として所望の機能を果たす又は所望の結果を達成する、記載される量に近い量を示す。例えば「約(approximately)」、「約(about)」及び「実質的に」という用語は、記載される量の10%未満以内、5%未満以内、1%未満以内、0.1%未満以内及び0.01%未満以内の量を指すことができる。
当該技術分野における熟練者が本発明のある態様をさらに理解するのを助けるために、以下の実施例を提供する。これらの実施例は例示目的のためのみを意図しており、本発明の請求項の範囲を制限するとみなされるべきではない。本発明に従う樹脂及び粒子の組み合わせの種々の態様の作製方法を下記に例示する。
おける種々の省略、置き換え及び変更が当該技術分野における熟練者により、本教示の範囲から逸脱することなく成され得ることが理解されるであろう。結局、本教示の範囲は前記の議論に制限されるべきではない。
Claims (16)
- a)エポキシ熱硬化性樹脂;
b)硬化剤;及び
c)少なくとも2つの型の強化粒子
を含んでなる組成物であって、
ここで第1の型の強化粒子は該エポキシ熱硬化性樹脂が硬化すると該エポキシ熱硬化性樹脂中に不溶性であり;且つ
ここで第2の型の強化粒子は該エポキシ熱硬化性樹脂が硬化すると該エポキシ熱硬化性樹脂中に部分的に可溶性又は膨潤性である組成物。 - 該エポキシ熱硬化性樹脂が140℃〜200℃の温度範囲内で硬化可能である請求項1に従う組成物。
- 第2の型の強化粒子が該エポキシ熱硬化性樹脂が硬化すると該エポキシ熱硬化性樹脂中で膨潤性であり、それによって粒子の直径又は体積が5%より多く増加する請求項1又は2に従う組成物。
- さらに熱可塑性強化剤を含んでなる請求項1〜3のいずれかに従う組成物。
- 強化粒子が樹脂マトリックスの0.5〜50重量%の量で存在する請求項1〜4のいずれかに従う組成物。
- 第1の型の強化粒子の量が約1重量%〜15重量%であり;及び/又は第2の型の強化粒子の量が約1重量%〜15重量%である請求項1〜5のいずれかに従う組成物。
- 強化粒子の粒度分布が約1〜75μmである請求項1〜6のいずれかに従う組成物。
- エポキシ熱硬化性樹脂がビスフェノールFのジグリシジルエーテル、ビスフェノールAのジグリシジルエーテル、ジグリシジルジヒドロキシナフタレン及びそれらの組み合わせより成る群から選ばれる二官能基性エポキシ樹脂より成る群から選ばれる請求項1〜7のいずれかに従う組成物。
- エポキシ熱硬化性樹脂成分が三官能基性メタ−グリシジルアミンを含む請求項1〜8のいずれかに従う組成物。
- エポキシ熱硬化性樹脂成分が三官能基性パラ−グリシジルアミンを含む請求項1〜9のいずれかに従う組成物。
- エポキシ熱硬化性樹脂成分が四官能基性パラ−グリシジルアミンを含む請求項1〜10のいずれかに従う組成物。
- エポキシ熱硬化性樹脂成分が2種もしくはそれより多いエポキシ樹脂の組み合わせを含む請求項8に従う組成物。
- 第2の型の強化粒子がエンジニアリングされた架橋熱可塑性粒子であり、各粒子は相互貫入ポリマーネットワークを含んでなり、それは:a)1種もしくはそれより多い熱可塑性ポリマーから構成される熱可塑性ポリマー主鎖を有する複数のポリマー鎖;ならびにb)1個もしくはそれより多い反応性基を有する1種もしくはそれより多い化合物を、反応性基と化学的に反応性である架橋剤を用いて重合させることにより形成される架橋ネット
ワークを含む請求項1〜12のいずれかに従う組成物。 - 第2の型の強化粒子がエンジニアリングされた架橋熱可塑性粒子であり、各粒子は熱可塑性ポリマー主鎖を有する複数のポリマー鎖を含んでなり、該ポリマー主鎖は1種もしくはそれより多い熱可塑性ポリマーを含んでなり、且つ1個もしくはそれより多い反応性基を有し、ポリマー鎖は反応性基と化学的に反応性である架橋剤により反応性基を介して架橋される請求項1〜13のいずれかに従う組成物。
- A)強化繊維;及び
B)請求項1に従う組成物
を含んでなるプレプレグ。 - 請求項1に従う組成物;及び
構造繊維の層
を含んでなり、ここで該第1の型の強化粒子及び該第2の型の強化粒子が構造繊維の層の間のインターリーフ層中にある複合製品。
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