JP2015108052A - Epoxy resin composition, prepreg and fiber reinforced composite material - Google Patents

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

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玲生 高岩
Reo Takaiwa
玲生 高岩
順子 川崎
Junko Kawasaki
順子 川崎
藤原 隆行
Takayuki Fujiwara
隆行 藤原
健太郎 佐野
Kentaro Sano
健太郎 佐野
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an epoxy resin composition providing a resin cured article excellent in handleability in the case of making a prepreg and achieving both of low thermal expansion rate and elastic modulus, a prepreg using the epoxy resin composition and a fiber reinforced composite material.SOLUTION: There is provided an epoxy resin composition containing [A] a tetra functional bisnaphthalene type epoxy resin, [B] a bisphenol type epoxy resin having an epoxy equivalent of 2000 or more, [C] an epoxy resin which is liquid at 25°C and [D] a curing agent and satisfying following conditions of (1) and (2). (1) [A] is 25 to 60 pts.mass, [B] is 10 to 35 pts.mass and [C] is 30 to 50 pts.mass based on 100 pts.mass of the total epoxy resin component. (2) [A]≥[B] in terms of pts.mass based on the total epoxy resin component.

Description

本発明は、スポーツ用途および一般産業用途に適した繊維強化複合材料のマトリックス樹脂として好ましく用いられるエポキシ樹脂組成物、ならびに、これをマトリックス樹脂としたプリプレグおよび繊維強化複合材料に関するものである。   The present invention relates to an epoxy resin composition preferably used as a matrix resin of a fiber reinforced composite material suitable for sports applications and general industrial applications, and a prepreg and a fiber reinforced composite material using the epoxy resin composition as a matrix resin.

エポキシ樹脂は、その優れた接着性、耐熱性、耐薬品性等の特徴から、電気・電子材料、繊維強化複合材料、塗料、接着剤等、様々な用途に用いられている。   Epoxy resins are used in various applications such as electrical / electronic materials, fiber reinforced composite materials, paints, adhesives, etc. due to their excellent adhesiveness, heat resistance, chemical resistance, and the like.

特に、強化繊維とエポキシ樹脂硬化物からなる繊維強化複合材料は、その優れた力学特性などから、航空機、自動車、産業用途に広く使われている。   In particular, fiber reinforced composite materials composed of reinforced fibers and cured epoxy resins are widely used in aircraft, automobiles, and industrial applications because of their excellent mechanical properties.

エポキシ樹脂は、一般的に、脂肪族アミン類、芳香族アミン類、酸無水物類、フェノール類、等の硬化剤や硬化促進剤を用いて硬化させるが、一般的に、得られた硬化物の熱膨張率は、約60−80ppm/℃程度と大きい。熱膨張率の大きな樹脂は、一般に硬化時の体積収縮が大きく、これはエポキシ樹脂硬化物にボイドやクラックを発生させ、エポキシ樹脂硬化物の強度の低下を引き起こす。また、エポキシ樹脂を、接着剤や繊維強化複合材料のマトリックス樹脂として用いた場合、エポキシ樹脂だけが硬化収縮し、エポキシ樹脂硬化物と被着材や強化繊維との界面近傍で残留応力が生じるため、接着性が低下したり、エポキシ樹脂が脆くなったりする。   Epoxy resins are generally cured using curing agents and curing accelerators such as aliphatic amines, aromatic amines, acid anhydrides, phenols, etc. The coefficient of thermal expansion is as high as about 60-80 ppm / ° C. A resin having a large coefficient of thermal expansion generally has a large volume shrinkage upon curing, which causes voids and cracks in the cured epoxy resin and causes a decrease in strength of the cured epoxy resin. Also, when epoxy resin is used as a matrix resin for adhesives or fiber reinforced composite materials, only the epoxy resin cures and shrinks, resulting in residual stress in the vicinity of the interface between the cured epoxy resin and the adherend or reinforcing fiber. , The adhesiveness is lowered, or the epoxy resin becomes brittle.

熱膨張率を小さくする方法、即ち体積収縮を低減する方法としては、エポキシ樹脂に無機充填剤を添加する方法が挙げられる。しかし、エポキシ樹脂への無機充填剤の添加は、エポキシ樹脂の粘度の増大、即ち流動性の減少につながることが多い。このような粘度の増大は、取扱性を悪化させることがある。例えば、無機充填剤を添加したエポキシ樹脂を繊維強化複合材料のマトリックス樹脂として用いた場合、強化繊維間へのエポキシ樹脂の含浸性が低下するため、繊維強化複合材料中にボイドが発生し、繊維強化複合材料の強度が低下しやすい。   As a method of reducing the coefficient of thermal expansion, that is, a method of reducing volume shrinkage, a method of adding an inorganic filler to an epoxy resin can be mentioned. However, the addition of an inorganic filler to an epoxy resin often leads to an increase in the viscosity of the epoxy resin, that is, a decrease in fluidity. Such an increase in viscosity may worsen the handleability. For example, when an epoxy resin to which an inorganic filler is added is used as a matrix resin for a fiber reinforced composite material, the impregnation property of the epoxy resin between the reinforced fibers is reduced, and voids are generated in the fiber reinforced composite material. The strength of the reinforced composite material tends to decrease.

さらに、熱膨張率の低いナフタレン型エポキシを用いることにより、樹脂の低熱膨張率化が可能であることが知られているが、一般に室温におけるナフタレン型エポキシの粘度が極めて高いため、強化繊維間へのエポキシ樹脂の含浸性が低下することが多い。また、樹脂組成物が室温で固形となり、プリプレグとしたときに、ロールへの巻き取り性や賦型性といった取り扱い性が悪くなるという欠点があった。   Furthermore, it is known that the thermal expansion coefficient of the resin can be reduced by using a naphthalene type epoxy having a low coefficient of thermal expansion. However, since the viscosity of the naphthalene type epoxy at room temperature is extremely high, it is generally between the reinforcing fibers. In many cases, the impregnation property of the epoxy resin is lowered. In addition, when the resin composition is solid at room temperature and used as a prepreg, there is a drawback that handling properties such as roll-up property and formability are deteriorated.

エポキシ樹脂の粘度を増大させずに体積収縮を低減する方法としては、エポキシ樹脂の硬化剤として体積収縮を抑制するモノマーを用いる方法が挙げられる。特許文献1〜3では、環状エステルを配合する方法が開示されている。しかし、これらで用いられている芳香族もしくはヘテロ芳香族骨格に縮合していないラクトンでは、体積収縮の低減が十分でなかったり、エポキシ樹脂硬化物の弾性率が低かったりした。   Examples of a method for reducing volume shrinkage without increasing the viscosity of the epoxy resin include a method using a monomer that suppresses volume shrinkage as a curing agent for the epoxy resin. Patent Documents 1 to 3 disclose a method of blending a cyclic ester. However, lactones that are not condensed to an aromatic or heteroaromatic skeleton used in these methods have not been sufficiently reduced in volume shrinkage or have low elasticity of cured epoxy resins.

また、特許文献4と5では、エポキシ樹脂中にポリマーを配合することにより、エポキシ樹脂の残留応力を低減する方法が示されている。この方法では、ポリマー周辺のエポキシ樹脂は残留歪みが低減されるものの、エポキシ樹脂中の残留歪みが不均一になることが多く、また、一般的にポリマーを配合すると、エポキシ樹脂の弾性率が低下することがあるという課題があった。   Patent Documents 4 and 5 show a method of reducing the residual stress of an epoxy resin by blending a polymer in the epoxy resin. In this method, although the residual strain of the epoxy resin around the polymer is reduced, the residual strain in the epoxy resin often becomes non-uniform, and generally, when a polymer is blended, the elastic modulus of the epoxy resin is lowered. There was a problem that there was something to do.

特開2003−012764号公報JP 2003-012764 A 特開2003−238659号公報JP 2003-238659 A 特開2005−255767号公報JP 2005-255767 A 特開2006−249395号公報JP 2006-249395 A 特開平8−027360号公報JP-A-8-027360

本発明の目的は、かかる従来技術の欠点を改良し、プリプレグとしたときの取り扱い性に優れるとともに、プリプレグを成形して得られる繊維強化複合材料が高い機械特性を有するエポキシ樹脂組成物、ならびに、該エポキシ樹脂組成物を用いたプリプレグおよび繊維強化複合材料を提供することにある。   The object of the present invention is to improve the drawbacks of the prior art, and have excellent handling properties when used as a prepreg, and an epoxy resin composition in which the fiber-reinforced composite material obtained by molding the prepreg has high mechanical properties, and Another object is to provide a prepreg and a fiber reinforced composite material using the epoxy resin composition.

本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討した結果、下記構成からなるエポキシ樹脂組成物を見いだし、本発明を完成させるに至った。すなわち本発明は、以下の構成からなる。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found an epoxy resin composition having the following constitution, and have completed the present invention. That is, this invention consists of the following structures.

下記[A]、[B]、[C]、[D]を、下記条件(1)〜(2)を満たす含有比で含むエポキシ樹脂組成物。
[A]4官能ビスナフタレン型エポキシ樹脂
[B]エポキシ当量2000以上のビスフェノール型エポキシ樹脂
[C]25℃で液状のエポキシ樹脂
[D]硬化剤
(1)全エポキシ樹脂成分100質量部に対して、[A]25〜60質量部、[B]10〜35質量部および[C]30〜50質量部である。
(2)全エポキシ樹脂成分に対する質量部に関して、[A]≧[B]である。
An epoxy resin composition comprising the following [A], [B], [C], and [D] in a content ratio that satisfies the following conditions (1) to (2).
[A] Tetrafunctional bisnaphthalene type epoxy resin [B] Bisphenol type epoxy resin having an epoxy equivalent of 2000 or more [C] Epoxy resin liquid at 25 ° C. [D] Curing agent (1) 100 parts by mass of all epoxy resin components [A] 25-60 parts by mass, [B] 10-35 parts by mass and [C] 30-50 parts by mass.
(2) With respect to parts by mass relative to all epoxy resin components, [A] ≧ [B].

本発明によれば、プリプレグとしたときの取り扱い性に優れるとともに、プリプレグを成形して得られる繊維強化複合材料が高い機械特性を有するエポキシ樹脂組成物、ならびに、該エポキシ樹脂組成物を用いたプリプレグおよび繊維強化複合材料を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while being excellent in the handleability when it is set as a prepreg, the fiber reinforced composite material obtained by shape | molding a prepreg has a high mechanical characteristic, and the prepreg using this epoxy resin composition And fiber reinforced composite materials can be provided.

発明者らは、上記の目的を達成するために鋭意検討した結果、エポキシ樹脂組成物が、エポキシ樹脂[A]、エポキシ樹脂[B]、エポキシ樹脂[C]、および、硬化剤[D]を特定の配合比で配合することによって、プリプレグとしたときの成形性に優れ、さらに該エポキシ樹脂組成物を硬化させて得られる樹脂硬化物が、エポキシ樹脂[A]リッチ相とエポキシ樹脂[B]リッチ相を含む微細な相分離構造を形成することにより、低熱膨張率と高弾性率を両立できることを見出した。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the inventors have determined that the epoxy resin composition contains an epoxy resin [A], an epoxy resin [B], an epoxy resin [C], and a curing agent [D]. By blending at a specific blending ratio, it is excellent in moldability when used as a prepreg, and further a cured resin obtained by curing the epoxy resin composition is an epoxy resin [A] rich phase and an epoxy resin [B]. It has been found that a low thermal expansion coefficient and a high elastic modulus can be achieved by forming a fine phase separation structure including a rich phase.

ここで、エポキシ樹脂[A]〜[C]は、硬化前において互いに均一に相溶している状態であったとしても、硬化過程においてスピノーダル分解し、エポキシ樹脂[A]リッチ相とエポキシ樹脂[B]リッチ相とで相分離構造を形成することが好ましい。また、その相分離構造周期は1nm〜5μmであることがより好ましく、さらに好ましい相分離構造周期は1nm〜1μmである。エポキシ樹脂組成物の硬化過程において、エポキシ樹脂[C]はエポキシ樹脂[A]および[B]の相溶化剤として機能する。   Here, even when the epoxy resins [A] to [C] are in a state of being uniformly compatible with each other before curing, the spinodal decomposition occurs in the curing process, and the epoxy resin [A] rich phase and the epoxy resin [ B] It is preferable to form a phase separation structure with the rich phase. Further, the phase separation structure period is more preferably 1 nm to 5 μm, and a more preferable phase separation structure period is 1 nm to 1 μm. In the curing process of the epoxy resin composition, the epoxy resin [C] functions as a compatibilizing agent for the epoxy resins [A] and [B].

本発明のエポキシ樹脂組成物の硬化物は、エポキシ樹脂[A]リッチ相とエポキシ樹脂[B]リッチ相を含み、1nm〜5μmの相分離構造周期を有することにより、樹脂硬化物の低熱膨張率化が達成される。構造周期が1nm未満の場合、また、構造周期が5μmを超える場合では、熱膨張率はエポキシ樹脂[A]とエポキシ樹脂[B]の配合比どおりの値となり、樹脂硬化物の熱膨張率が相対的に高くなる。   The cured product of the epoxy resin composition of the present invention includes an epoxy resin [A] rich phase and an epoxy resin [B] rich phase, and has a phase separation structure period of 1 nm to 5 μm. Is achieved. When the structural period is less than 1 nm or when the structural period exceeds 5 μm, the coefficient of thermal expansion is the same as the blending ratio of the epoxy resin [A] and the epoxy resin [B], and the coefficient of thermal expansion of the cured resin is Relatively high.

本発明において相分離構造とは、エポキシ樹脂[A]リッチ相とエポキシ樹脂[B]リッチ相を含む2相以上の相が分離して形成されている構造をいう。ここで、エポキシ樹脂[A]リッチ相およびエポキシ樹脂[B]リッチ相とは、それぞれエポキシ樹脂[A]およびエポキシ樹脂[B]を主成分とする相のことをいう。また、ここで主成分とは、当該相において最も高い含有率で含まれている成分のことをいう。相分離構造は、エポキシ樹脂[A]およびエポキシ樹脂[B]以外の成分を主成分とする相をさらに含む3相以上の相分離構造であっても良い。これに対し、分子レベルで均一に混合している状態を、相溶状態という。   In the present invention, the phase separation structure means a structure in which two or more phases including an epoxy resin [A] rich phase and an epoxy resin [B] rich phase are separated. Here, the epoxy resin [A] rich phase and the epoxy resin [B] rich phase refer to phases mainly composed of the epoxy resin [A] and the epoxy resin [B], respectively. Moreover, a main component means the component contained by the highest content rate in the said phase here. The phase separation structure may be a phase separation structure of three or more phases further including a phase mainly composed of components other than the epoxy resin [A] and the epoxy resin [B]. On the other hand, the state of being uniformly mixed at the molecular level is called a compatible state.

樹脂硬化物の相分離構造は、樹脂硬化物の断面を走査型電子顕微鏡もしくは透過型電子顕微鏡により観察することができる。必要に応じて、オスミウムなどで染色しても良い。染色は、通常の方法で行うことができる。   The phase separation structure of the cured resin product can be observed with a scanning electron microscope or a transmission electron microscope. You may dye | stain with osmium etc. as needed. Dyeing can be performed by a usual method.

本発明において、相分離の構造周期は、次のように定義するものとする。なお、相分離構造には、両相連続構造と海島構造が有るので、それぞれについて定義する。相分離構造が両相連続構造の場合、顕微鏡写真の上に所定の長さの直線をランダムに3本引き、その直線と相界面の交点を抽出し、隣り合う交点間の距離を測定し、これらの数平均値を構造周期とする。かかる所定の長さとは、顕微鏡写真を基に以下のようにして設定するものとする。構造周期が0.01μmオーダー(0.01μm以上0.1μm未満)と予想される場合、倍率を20,000倍でサンプルの写真を撮影し、写真上で引いた20mmの長さ(サンプル上1μmの長さ)を直線の所定の長さとする。同様にして、相分離構造周期が0.1μmオーダー(0.1μm以上1μm未満)と予想される場合、倍率を2,000倍で写真撮影し、写真上で20mmの長さ(サンプル上10μmの長さ)を直線の所定の長さとする。相分離構造周期が1μmオーダー(1μm以上10μm未満)と予想される場合、倍率を200倍で写真撮影し、写真上で20mmの長さ(サンプル上100μmの長さ)を直線の所定の長さとする。もし、測定した相分離構造周期が予想したオーダーより外れていた場合、該当するオーダーに対応する倍率にて再度測定する。   In the present invention, the structural period of phase separation is defined as follows. The phase separation structure includes a two-phase continuous structure and a sea-island structure. When the phase separation structure is a biphasic continuous structure, draw three straight lines of a predetermined length on the micrograph, extract the intersection of the straight line and the phase interface, measure the distance between the adjacent intersections, These number average values are used as the structure period. The predetermined length is set as follows based on a micrograph. When the structural period is expected to be on the order of 0.01 μm (0.01 μm or more and less than 0.1 μm), a sample photograph was taken at a magnification of 20,000 times, and a length of 20 mm drawn on the photograph (1 μm on the sample) Is a predetermined length of a straight line. Similarly, when the phase separation structure period is expected to be on the order of 0.1 μm (0.1 μm or more and less than 1 μm), a photograph is taken at a magnification of 2,000 times and a length of 20 mm on the photograph (10 μm on the sample) (Length) is a predetermined length of a straight line. When the phase separation structure period is expected to be on the order of 1 μm (1 μm or more and less than 10 μm), a photograph is taken at a magnification of 200 times, and a length of 20 mm on the photograph (a length of 100 μm on the sample) is defined as a predetermined straight line length. To do. If the measured phase separation structure period is out of the expected order, the measurement is performed again at a magnification corresponding to the corresponding order.

相分離構造が海島構造の場合、顕微鏡写真の上の所定の領域をランダムに3箇所選出し、その領域内の島相サイズを測定し、これらの数平均値を構造周期とする。島相のサイズは、相界面から一方の相界面へ島相を通って引く最短距離の線の長さをいう。島相が楕円形、不定形、または、二層以上の円または楕円になっている場合であっても、相界面から一方の相界面へ島相を通る最短の距離を島相サイズとする。かかる所定の領域とは、顕微鏡写真を基に以下のようにして設定するものとする。相分離構造周期が0.01μmオーダー(0.01μm以上0.1μm未満)と予想される場合、倍率を20,000倍でサンプルの写真を撮影し、写真上で4mm四方の領域(サンプル上0.2μm四方の領域)を所定の領域とする。同様にして、相分離構造周期が0.1μmオーダー(0.1μm以上1μm未満)と予想される場合、倍率を2,000倍で写真撮影し、写真上で4mm四方の領域(サンプル上2μm四方の領域)を所定の領域とする。相分離構造周期が1μmオーダー(1μm以上10μm未満)と予想される場合、倍率を200倍で写真撮影し、写真上で4mm四方の領域(サンプル上20μm四方の領域)を所定の領域とする。もし、測定した相分離構造周期が予想したオーダーより外れていた場合、該当するオーダーに対応する倍率にて再度測定する。   When the phase separation structure is a sea-island structure, three predetermined regions on the micrograph are selected at random, the island phase size in the region is measured, and the number average value of these is the structure period. The size of the island phase refers to the length of the shortest distance line drawn from the phase interface to one phase interface through the island phase. Even when the island phase is an ellipse, an indeterminate shape, or a circle or ellipse of two or more layers, the shortest distance passing through the island phase from the phase interface to one phase interface is defined as the island phase size. The predetermined area is set as follows based on a micrograph. When the phase separation structure period is expected to be on the order of 0.01 μm (0.01 μm or more and less than 0.1 μm), a photograph of the sample was taken at a magnification of 20,000 times, and an area of 4 mm square on the photograph (0 on the sample) .2 μm square area) is defined as a predetermined area. Similarly, when the phase separation structure period is expected to be on the order of 0.1 μm (0.1 μm or more and less than 1 μm), a photograph is taken at a magnification of 2,000 times, and a 4 mm square area on the photograph (2 μm square on the sample) Is defined as a predetermined area. When the phase separation structure period is expected to be on the order of 1 μm (1 μm or more and less than 10 μm), a photograph is taken at a magnification of 200 times, and an area of 4 mm square on the photograph (an area of 20 μm square on the sample) is defined as a predetermined area. If the measured phase separation structure period is out of the expected order, the measurement is performed again at a magnification corresponding to the corresponding order.

次に、本発明の具体的態様について説明する。本発明のエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂[A]、エポキシ樹脂[B]、エポキシ樹脂[C]および硬化剤[D]を含むエポキシ樹脂組成物であって、[A]はナフタレン型エポキシ樹脂、[B]はエポキシ当量2000以上のビスフェノール型エポキシ樹脂、そして[C]は25℃で液状のエポキシであり、かつ、エポキシ樹脂[A]〜[C]が全エポキシ樹脂成分100質量部に対して、[A]25〜60質量部、[B]10〜35質量部および[C]30〜50質量部の配合比を満たし、さらに全エポキシ樹脂成分に対する質量部に関して[A]≧[B]であるエポキシ樹脂組成物である。   Next, specific embodiments of the present invention will be described. The epoxy resin composition of the present invention is an epoxy resin composition containing an epoxy resin [A], an epoxy resin [B], an epoxy resin [C] and a curing agent [D], wherein [A] is a naphthalene type epoxy resin , [B] is a bisphenol type epoxy resin having an epoxy equivalent of 2000 or more, and [C] is a liquid epoxy at 25 ° C., and the epoxy resins [A] to [C] are based on 100 parts by mass of all epoxy resin components. [A] 25 to 60 parts by mass, [B] 10 to 35 parts by mass and [C] 30 to 50 parts by mass, and [A] ≧ [B] with respect to parts by mass relative to all epoxy resin components It is an epoxy resin composition.

エポキシ樹脂[A]としては、4官能のビスナフタレン型エポキシ樹脂を、全エポキシ樹脂100質量部のうち、25〜60質量部含む必要がある。エポキシ樹脂[A]が4官能未満の官能基数のビスナフタレン型エポキシ樹脂であった場合、相分離周期が5μmより大きくなり、樹脂硬化物の熱膨張率が高くなる。あるいはビスナフタレン型エポキシ樹脂では無く、2官能のナフタレン型エポキシ樹脂であった場合、相分離が発生せず、樹脂硬化物の熱膨張率が高くなる。また、エポキシ樹脂[A]の含有量が25質量部に満たない場合は、相分離周期が5μmより大きくなり、樹脂硬化物の熱膨張率が高くなる。エポキシ樹脂[A]の含有量が、60質量部を超える場合は、25℃におけるエポキシ樹脂組成物の粘度が高くなりすぎ、エポキシ樹脂組成物を用いてプリプレグを作製した場合にプリプレグの柔軟性が損なわれ、ロールへの巻き取り性や賦型性といった取り扱い性が悪化する。プリプレグとした際に十分な取り扱い性を持つためには、樹脂組成物が25℃で流動性を持つことが必要である。   As epoxy resin [A], it is necessary to contain a tetrafunctional bisnaphthalene type epoxy resin 25-60 mass parts among 100 mass parts of all the epoxy resins. When the epoxy resin [A] is a bisnaphthalene type epoxy resin having a functional group number of less than 4 functional groups, the phase separation period becomes larger than 5 μm, and the thermal expansion coefficient of the cured resin becomes high. Alternatively, when it is not a bisnaphthalene type epoxy resin but a bifunctional naphthalene type epoxy resin, phase separation does not occur and the thermal expansion coefficient of the cured resin becomes high. Moreover, when content of epoxy resin [A] is less than 25 mass parts, a phase-separation period will become larger than 5 micrometers and the thermal expansion coefficient of a resin cured material will become high. When the content of the epoxy resin [A] exceeds 60 parts by mass, the viscosity of the epoxy resin composition at 25 ° C. becomes too high, and when the prepreg is produced using the epoxy resin composition, the flexibility of the prepreg is increased. It will be damaged, and handling properties, such as winding property to a roll and moldability, will deteriorate. In order to have sufficient handleability when used as a prepreg, it is necessary that the resin composition has fluidity at 25 ° C.

かかるエポキシ樹脂[A]の市販品としては、“EPICLON(登録商標)”HP−4700(DIC(株)製)、が挙げられる。   As a commercial item of such an epoxy resin [A], “EPICLON (registered trademark)” HP-4700 (manufactured by DIC Corporation) can be mentioned.

本発明のエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂[B]として、エポキシ当量2000以上のビスフェノール型エポキシ樹脂を、全エポキシ樹脂100質量部のうち、10〜35質量部含む必要がある。エポキシ樹脂[B]のエポキシ当量が2000未満の場合、相分離周期が5μmより大きくなり、樹脂硬化物の熱膨張率が高くなる。また、エポキシ樹脂[B]の含有量が、10質量部に満たない場合、相分離が発生せず、またエポキシ樹脂組成物の粘度が高くなり、樹脂硬化物にボイドが生じる。エポキシ樹脂[B]の含有量が、35質量部を超える場合は、相分離が発生せず、樹脂硬化物の熱膨張率が高くなる。   The epoxy resin composition of the present invention needs to contain 10 to 35 parts by mass of 100 parts by mass of the total epoxy resin of bisphenol type epoxy resin having an epoxy equivalent of 2000 or more as the epoxy resin [B]. When the epoxy equivalent of the epoxy resin [B] is less than 2000, the phase separation period is larger than 5 μm, and the thermal expansion coefficient of the cured resin product is increased. Moreover, when content of epoxy resin [B] is less than 10 mass parts, phase separation does not generate | occur | produce, the viscosity of an epoxy resin composition becomes high, and a void arises in resin hardened | cured material. When the content of the epoxy resin [B] exceeds 35 parts by mass, phase separation does not occur and the thermal expansion coefficient of the cured resin product is increased.

かかるエポキシ樹脂[B]としては、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ビスフェノールAD型エポキシ樹脂、ビスフェノールS型エポキシ樹脂、およびこれらのハロゲン置換体、アルキル置換体、水添品などから選ばれるエポキシ樹脂を好ましく使用できる。かかるエポキシ樹脂[B]の市販品としては、“jER(登録商標)”1007、1009P、1010P、4002P、4004P、4007P、4110P、40010P(以上、三菱化学(株)製)などが挙げられる。中でも、耐熱性、弾性率および靭性のバランスが良いことから、好ましくは数平均分子量が3000〜5000程度の樹脂を用いる。なお、本発明でいう数平均分子量は、測定するエポキシ樹脂をテトラヒドロフラン(THF)に溶解し、ゲル浸透クロマトグラフ(GPC)により測定して、ポリスチレン換算で求めた値である。   The epoxy resin [B] is selected from bisphenol A type epoxy resins, bisphenol F type epoxy resins, bisphenol AD type epoxy resins, bisphenol S type epoxy resins, and halogen-substituted products, alkyl-substituted products, hydrogenated products, and the like. An epoxy resin can be preferably used. Examples of such commercially available epoxy resin [B] include “jER (registered trademark)” 1007, 1009P, 1010P, 4002P, 4004P, 4007P, 4110P, 40010P (above, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation). Among them, a resin having a number average molecular weight of about 3000 to 5000 is preferably used because of a good balance of heat resistance, elastic modulus, and toughness. In addition, the number average molecular weight as used in the field of this invention is the value calculated | required in polystyrene conversion by melt | dissolving the epoxy resin to measure in tetrahydrofuran (THF), measuring with a gel permeation chromatograph (GPC).

[A]と[B]の配合比は、[A] ≧ [B]である必要がある。[A]≧[B]が満たされなかった場合、相分離が発生せず、樹脂硬化物の熱膨張率が高くなる。   The mixing ratio of [A] and [B] needs to be [A] ≧ [B]. When [A] ≧ [B] is not satisfied, phase separation does not occur, and the thermal expansion coefficient of the resin cured product becomes high.

本態様においては、エポキシ樹脂[C]として、25℃で液体のエポキシ樹脂を、全エポキシ樹脂100質量部のうち30〜50質量部用いる必要がある。エポキシ樹脂[C]の配合量が30質量部未満の場合、またエポキシ樹脂[C]が25℃で液体でない場合、エポキシ樹脂組成物の粘度が高くなる場合がある。この場合、プリプレグ製造工程において、エポキシ樹脂組成物が強化繊維間に含浸しにくくなり、プリプレグの繊維含有率を向上させにくい場合がある。また、25℃におけるエポキシ樹脂組成物の粘度が高い場合は、前述のようにプリプレグとした場合の取り扱い性が悪化する場合がある。   In this embodiment, it is necessary to use an epoxy resin that is liquid at 25 ° C. as 30 to 50 parts by mass of 100 parts by mass of the total epoxy resin as the epoxy resin [C]. When the compounding quantity of epoxy resin [C] is less than 30 mass parts, and epoxy resin [C] is not liquid at 25 degreeC, the viscosity of an epoxy resin composition may become high. In this case, in the prepreg manufacturing process, the epoxy resin composition is less likely to be impregnated between the reinforcing fibers, and it may be difficult to improve the fiber content of the prepreg. Moreover, when the viscosity of the epoxy resin composition at 25 ° C. is high, the handleability in the case of using a prepreg as described above may deteriorate.

硬化剤[D]としては、エポキシ樹脂を硬化させるものであれば特に限定はなく、芳香族アミン、脂環式アミンなどのアミン類、酸無水物類、ポリアミノアミド類、有機酸ヒドラジド類、イソシアネート類等が挙げられる。   The curing agent [D] is not particularly limited as long as it cures an epoxy resin, and amines such as aromatic amines and alicyclic amines, acid anhydrides, polyaminoamides, organic acid hydrazides, isocyanates And the like.

アミン硬化剤は、得られる樹脂硬化物の力学特性や耐熱性に優れることから好ましい。アミン硬化剤としては、芳香族アミンであるジアミノジフェニルスルホン、ジアミノジフェニルメタンや、脂肪族アミンであるジシアンジアミドまたはその誘導体、ヒドラジド化合物等が用いられる。かかるジシアンジアミドの市販品としては、DICY−7、DICY−15(以上、三菱化学(株)製)などが挙げられる。ジシアンジアミドの誘導体は、ジシアンジアミドに各種化合物を結合させたものであり、エポキシ樹脂との反応物、ビニル化合物やアクリル化合物との反応物などが挙げられる。   An amine curing agent is preferable because it is excellent in mechanical properties and heat resistance of the obtained resin cured product. As the amine curing agent, diaminodiphenyl sulfone and diaminodiphenylmethane which are aromatic amines, dicyandiamide or a derivative thereof which is an aliphatic amine, hydrazide compounds, and the like are used. Examples of such commercially available dicyandiamide include DICY-7 and DICY-15 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation). The dicyandiamide derivative is obtained by bonding various compounds to dicyandiamide, and includes a reaction product with an epoxy resin, a reaction product with a vinyl compound or an acrylic compound.

さらに、硬化剤[D]としてジシアンジアミドまたはその誘導体を粉体としてエポキシ樹脂組成物に配合することは、室温での保存安定性や、プリプレグ化時の粘度安定性の観点から好ましい。ジシアンジアミドまたはその誘導体を粉体として樹脂に配合する場合、その平均粒径は10μm以下であることが好ましく、さらに好ましくは7μm以下である。例えば、プリプレグ製造工程において加熱加圧により強化繊維束にエポキシ樹脂組成物を含浸させる際、平均粒径が10μm以下であれば、繊維束内部への樹脂の含浸性が良好となる。   Furthermore, it is preferable to blend dicyandiamide or a derivative thereof as a curing agent [D] as a powder into the epoxy resin composition from the viewpoints of storage stability at room temperature and viscosity stability during prepreg formation. When dicyandiamide or a derivative thereof is blended into a resin as a powder, the average particle size is preferably 10 μm or less, more preferably 7 μm or less. For example, when the reinforcing fiber bundle is impregnated with the epoxy resin composition by heating and pressing in the prepreg manufacturing process, if the average particle diameter is 10 μm or less, the resin impregnation property inside the fiber bundle is good.

また、硬化剤[D]の総量は、エポキシ樹脂組成物に含まれる全エポキシ樹脂成分のエポキシ基に対し、活性水素基が0.6〜1.0当量の範囲となる量を含むことが好ましい。活性水素基の量がこの範囲となることにより、耐熱性、弾性率および塑性変形能力のバランスに優れた樹脂硬化物を得ることができる。   Moreover, it is preferable that the total amount of hardening | curing agent [D] contains the quantity from which an active hydrogen group becomes the range of 0.6-1.0 equivalent with respect to the epoxy group of all the epoxy resin components contained in an epoxy resin composition. . When the amount of the active hydrogen group falls within this range, a cured resin product having an excellent balance of heat resistance, elastic modulus, and plastic deformation ability can be obtained.

各硬化剤は、硬化促進剤[E]や、その他のエポキシ樹脂の硬化剤と組み合わせて用いても良い。組み合わせる硬化促進剤としては、ウレア類、イミダゾール類、ルイス酸触媒などが挙げられる。   Each curing agent may be used in combination with a curing accelerator [E] or other epoxy resin curing agent. Examples of the curing accelerator to be combined include ureas, imidazoles, and Lewis acid catalysts.

かかるウレア化合物としては、例えば、N,N-ジメチル-N’-(3,4-ジクロロフェニル)ウレア、トルエンビス(ジメチルウレア)、4,4’-メチレンビス(フェニルジメチルウレア)、3-フェニル-1,1-ジメチルウレアなどを使用することができる。かかるウレア化合物の市販品としては、DCMU99(保土ヶ谷化学(株)製)、“Omicure(登録商標)”24、52、94(以上CVC SpecialtyChemicals,Inc.製)などが挙げられる。   Examples of the urea compound include N, N-dimethyl-N ′-(3,4-dichlorophenyl) urea, toluene bis (dimethylurea), 4,4′-methylenebis (phenyldimethylurea), and 3-phenyl-1 , 1-dimethylurea and the like can be used. Examples of commercially available urea compounds include DCMU99 (manufactured by Hodogaya Chemical Co., Ltd.), “Omicure (registered trademark)” 24, 52, and 94 (manufactured by CVC Specialty Chemicals, Inc.).

イミダゾール類の市販品としては、2MZ、2PZ、2E4MZ(以上、四国化成(株)製)などが挙げられる。ルイス酸触媒としては、三フッ化ホウ素・ピペリジン錯体、三フッ化ホウ素・モノエチルアミン錯体、三フッ化ホウ素・トリエタノールアミン錯体、三塩化ホウ素・オクチルアミン錯体などの、ハロゲン化ホウ素と塩基の錯体が挙げられる。   Examples of commercially available imidazoles include 2MZ, 2PZ, and 2E4MZ (manufactured by Shikoku Kasei Co., Ltd.). Lewis acid catalysts include boron trifluoride / piperidine complex, boron trifluoride / monoethylamine complex, boron trifluoride / triethanolamine complex, boron trichloride / octylamine complex, etc. Is mentioned.

中でも、保存安定性と触媒能力のバランスから、ウレア化合物が好ましく用いられる。かかるウレア化合物の配合量は、エポキシ樹脂組成物に含まれる全エポキシ樹脂成分100質量部に対して1〜3質量部が好ましい。ウレア化合物の配合量をこの範囲に制御することによって、弾性率、耐熱性および靭性のバランスに優れた樹脂硬化物が得られる。   Among these, a urea compound is preferably used from the balance between storage stability and catalytic ability. As for the compounding quantity of this urea compound, 1-3 mass parts is preferable with respect to 100 mass parts of all the epoxy resin components contained in an epoxy resin composition. By controlling the compounding amount of the urea compound within this range, a cured resin product having an excellent balance of elastic modulus, heat resistance and toughness can be obtained.

次に、その他の成分について説明する。本発明のエポキシ樹脂組成物には、粘弾性を調整して作業性または樹脂硬化物の弾性率や耐熱性を向上させる目的で、エポキシ樹脂[A]〜[C]以外のエポキシ樹脂を、本発明の効果が失われない範囲で添加することができる。これらは1種類だけでなく、複数種組み合わせて用いても良い。具体的には、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラックエポキシ樹脂、レゾルシノール型エポキシ樹脂、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、ビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂、イソシアネート変性エポキシ樹脂、アントラセン型エポキシ樹脂、ポリエチレングリコール型エポキシ樹脂、N,N’−ジグリシジルアニリン、液状ビスフェノールA型エポキシ樹脂などが挙げられる。   Next, other components will be described. In the epoxy resin composition of the present invention, an epoxy resin other than the epoxy resins [A] to [C] is used for the purpose of adjusting the viscoelasticity and improving the workability or the elastic modulus and heat resistance of the cured resin. It can add in the range which does not lose the effect of invention. These may be used in combination of not only one type but also a plurality of types. Specifically, phenol novolac type epoxy resin, cresol novolac epoxy resin, resorcinol type epoxy resin, phenol aralkyl type epoxy resin, dicyclopentadiene type epoxy resin, epoxy resin having biphenyl skeleton, isocyanate modified epoxy resin, anthracene type epoxy resin Polyethylene glycol type epoxy resin, N, N′-diglycidylaniline, liquid bisphenol A type epoxy resin, and the like.

また、本発明のエポキシ樹脂組成物には、粘弾性を制御し、プリプレグのタックおよびドレープ特性や、繊維強化複合材料の耐衝撃性などの力学特性を改良するために、本発明の効果を損なわない範囲で、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や、無機粒子等を配合することができる。   In addition, the epoxy resin composition of the present invention impairs the effects of the present invention in order to control viscoelasticity and improve mechanical properties such as tack and drape characteristics of prepreg and impact resistance of fiber reinforced composite materials. As long as there is no epoxy resin, thermoplastic resin soluble in epoxy resin, organic particles such as rubber particles and thermoplastic resin particles, inorganic particles, and the like can be blended.

エポキシ樹脂に可溶性の熱可塑性樹脂としては、樹脂と強化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。水素結合性官能基としては、アルコール性水酸基、アミド結合、スルホニル基、カルボキシル基などを挙げることができる。   As the thermoplastic resin soluble in the epoxy resin, a thermoplastic resin having a hydrogen bondable functional group that can be expected to improve the adhesion between the resin and the reinforcing fiber is preferably used. Examples of the hydrogen bondable functional group include an alcoholic hydroxyl group, an amide bond, a sulfonyl group, and a carboxyl group.

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、フェノキシ樹脂などを挙げることができる。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、ポリアミドイミド、ポリビニルピロリドンなどを挙げることができる。スルホニル基を有する熱可塑性樹脂としては、ポリスルホンなどを挙げることができる。ここで、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。カルボキシル基を有する熱可塑性樹脂としては、ポリエステル、ポリアミド、ポリアミドイミドなどを挙げることができる。   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, polyamideimide, and polyvinylpyrrolidone. Examples of the thermoplastic resin having a sulfonyl group include polysulfone. Here, 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. Examples of the thermoplastic resin having a carboxyl group include polyester, polyamide, and polyamideimide.

本発明のエポキシ樹脂組成物の調製には、ニーダー、プラネタリーミキサー、3本ロールおよび2軸押出機などが好ましく用いられる。   For preparing the epoxy resin composition of the present invention, a kneader, a planetary mixer, a three-roll extruder, a twin-screw extruder, or the like is preferably used.

次に、繊維強化複合材料について説明する。本発明のエポキシ樹脂組成物を、強化繊維に含浸させた後、硬化させることにより、本発明のエポキシ樹脂組成物の硬化物をマトリックス樹脂として含む繊維強化複合材料を得ることができる。   Next, the fiber reinforced composite material will be described. The fiber-reinforced composite material containing the cured product of the epoxy resin composition of the present invention as a matrix resin can be obtained by impregnating the epoxy resin composition of the present invention into a reinforcing fiber and then curing.

本発明に用いられる強化繊維は特に限定されるものではなく、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維、炭化ケイ素繊維等が用いられる。これらの繊維を2種以上混合して用いても構わない。この中で、軽量かつ高剛性な繊維強化複合材料が得られる炭素繊維を用いることが好ましい。   The reinforcing fiber used in the present invention is not particularly limited, and glass fiber, carbon fiber, aramid fiber, boron fiber, alumina fiber, silicon carbide fiber and the like are used. Two or more of these fibers may be mixed and used. Among these, it is preferable to use carbon fibers from which a lightweight and highly rigid fiber-reinforced composite material can be obtained.

本発明の繊維強化複合材料の製造方法は、特に限定されるものではないが、プリプレグ積層成形法、レジントランスファーモールディング法、レジンフィルムインフュージョン法、ハンドレイアップ法、シートモールディングコンパウンド法、フィラメントワインディング法、プルトルージョン法、などにより製造することができる。   The method for producing the fiber-reinforced composite material of the present invention is not particularly limited, but includes a prepreg lamination molding method, a resin transfer molding method, a resin film infusion method, a hand layup method, a sheet molding compound method, and a filament winding method. , Pultrusion method, etc.

これらの中でもプリプレグ積層成形法が、得られる繊維強化複合材料の剛性および強度に優れているため好ましい。   Among these, the prepreg laminate molding method is preferable because the obtained fiber-reinforced composite material is excellent in rigidity and strength.

好ましいプリプレグは、本発明のエポキシ樹脂組成物と強化繊維を含むものである。そのようなプリプレグは、本発明のエポキシ樹脂組成物を強化繊維基材に含浸させて得ることができる。含浸させる方法としては、ウェット法とホットメルト法(ドライ法)等を挙げることができる。   A preferred prepreg includes the epoxy resin composition of the present invention and reinforcing fibers. Such a prepreg can be obtained by impregnating the reinforcing fiber substrate with the epoxy resin composition of the present invention. Examples of the impregnation method include a wet method and a hot melt method (dry method).

ウェット法は、メチルエチルケトン、メタノール等の溶媒にエポキシ樹脂組成物を溶解させた溶液に強化繊維を浸漬した後、強化繊維を引き上げ、オーブン等を用いて強化繊維から溶媒を蒸発させ、エポキシ樹脂組成物を強化繊維に含浸させる方法である。ホットメルト法は、加熱により低粘度化したエポキシ樹脂組成物を直接強化繊維に含浸させる方法、または離型紙等の上にエポキシ樹脂組成物をコーティングしたフィルムを作製しておき、次いで強化繊維の両側または片側から前記フィルムを重ね、加熱加圧することにより強化繊維に樹脂を含浸させる方法である。   In the wet method, after immersing the reinforcing fiber in a solution in which the epoxy resin composition is dissolved in a solvent such as methyl ethyl ketone or methanol, the reinforcing fiber is pulled up, and the solvent is evaporated from the reinforcing fiber using an oven or the like. This is a method of impregnating a reinforcing fiber. The hot melt method is a method in which a reinforcing fiber is impregnated directly with an epoxy resin composition whose viscosity is reduced by heating, or a film in which an epoxy resin composition is coated on a release paper is prepared, and then both sides of the reinforcing fiber are prepared. Alternatively, it is a method of impregnating a reinforcing fiber with a resin by overlapping the film from one side and heating and pressing.

プリプレグ積層成形法において、熱および圧力を付与する方法としては、プレス成形法、オートクレーブ成形法、バッギング成形法、ラッピングテープ法、内圧成形法等を適宜使用することができる。   In the prepreg lamination molding method, as a method of applying heat and pressure, a press molding method, an autoclave molding method, a bagging molding method, a wrapping tape method, an internal pressure molding method, or the like can be appropriately used.

本発明のエポキシ樹脂組成物の硬化物と、強化繊維を含む繊維強化複合材料は、スポーツ用途、一般産業用途および航空宇宙用途に好ましく用いられる。より具体的には、スポーツ用途では、ゴルフシャフト、釣り竿、テニスやバドミントンのラケット、ホッケー等のスティック、およびスキーポール等に好ましく用いられる。さらに一般産業用途では、自動車、自転車、船舶および鉄道車両等の移動体の構造材、ドライブシャフト、板バネ、風車ブレード、圧力容器、フライホイール、製紙用ローラ、屋根材、ケーブル、および補修補強材料等に好ましく用いられる。   The cured product of the epoxy resin composition of the present invention and a fiber-reinforced composite material containing reinforcing fibers are preferably used for sports applications, general industrial applications, and aerospace applications. More specifically, in sports applications, it is preferably used for golf shafts, fishing rods, tennis or badminton rackets, hockey sticks, ski poles, and the like. In addition, in general industrial applications, structural materials for moving bodies such as automobiles, bicycles, ships and railway vehicles, drive shafts, leaf springs, windmill blades, pressure vessels, flywheels, paper rollers, roofing materials, cables, and repair reinforcement materials Etc. are preferably used.

以下、本発明を実施例により、さらに詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

本実施例および比較例に用いた構成要素[A]ないし[E]は、以下の通りである。   The components [A] to [E] used in this example and the comparative example are as follows.

<エポキシ樹脂[A]>
・4官能ビスナフタレン型エポキシ樹脂(“EPICLON(登録商標)”HP−4700、エポキシ当量:165、DIC(株)製)
・2官能ビスナフタレン型エポキシ樹脂(“EPICLON(登録商標)”HP−4770、エポキシ当量:204、DIC(株)製)
・2官能ナフタレン型エポキシ樹脂(“EPICLON(登録商標)”HP−4032、エポキシ当量:136、DIC(株)製)。
<Epoxy resin [A]>
Tetrafunctional bisnaphthalene type epoxy resin ("EPICLON (registered trademark)" HP-4700, epoxy equivalent: 165, manufactured by DIC Corporation)
-Bifunctional bisnaphthalene type epoxy resin ("EPICLON (registered trademark)" HP-4770, epoxy equivalent: 204, manufactured by DIC Corporation)
-Bifunctional naphthalene type epoxy resin ("EPICLON (registered trademark)" HP-4032, epoxy equivalent: 136, manufactured by DIC Corporation).

<エポキシ樹脂[B]>
・ビスフェノールF型エポキシ樹脂(“jER(登録商標)”4010P、エポキシ当量:4400、三菱化学(株)製)
・ビスフェノールF型エポキシ樹脂(“jER(登録商標)”4007P、エポキシ当量:2270、三菱化学(株)製)
・ビスフェノールF型エポキシ樹脂(“jER(登録商標)”4005P、エポキシ当量:1075、三菱化学(株)製)。
<Epoxy resin [B]>
-Bisphenol F type epoxy resin ("jER (registered trademark)" 4010P, epoxy equivalent: 4400, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation)
-Bisphenol F type epoxy resin ("jER (registered trademark)" 4007P, epoxy equivalent: 2270, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation)
-Bisphenol F type epoxy resin ("jER (registered trademark)" 4005P, epoxy equivalent: 1075, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation).

<エポキシ樹脂[C]>
・液状ビスフェノールF型エポキシ樹脂(“EPICLON(登録商標)”830、エポキシ当量:172、三菱化学(株)製)。
<Epoxy resin [C]>
Liquid bisphenol F type epoxy resin (“EPICLON (registered trademark)” 830, epoxy equivalent: 172, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation).

<硬化剤[D]>
・ジシアンジアミド(硬化剤、DICY7、三菱化学(株)製)。
<Curing agent [D]>
Dicyandiamide (curing agent, DICY7, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation).

<硬化促進剤[E]>
・DCMU99(3−(3,4−ジクロロフェニル)−1,1−ジメチルウレア、硬化促進剤、保土ヶ谷化学工業(株)製)。
<Curing accelerator [E]>
DCMU99 (3- (3,4-dichlorophenyl) -1,1-dimethylurea, curing accelerator, manufactured by Hodogaya Chemical Co., Ltd.)

各種物性の測定は次の方法で行った。なお、これらの物性は、特に断わりのない限り、温度23℃、相対湿度50%の環境で測定した。   Various physical properties were measured by the following methods. These physical properties were measured in an environment at a temperature of 23 ° C. and a relative humidity of 50% unless otherwise specified.

(1)エポキシ樹脂組成物の調製
ビーカー中に、硬化剤および硬化促進剤以外の成分を所定量投入し、混練しながら150℃まで昇温し、150℃において1時間混練することで、透明な粘調液を得た。粘調液を60℃まで混練しながら降温させた後、硬化剤および硬化促進剤を所定量添加して、さらに混練しエポキシ樹脂組成物を得た。各実施例および比較例の成分配合比について表1および2に示した。
(1) Preparation of epoxy resin composition In a beaker, a predetermined amount of components other than the curing agent and the curing accelerator are added, the temperature is raised to 150 ° C. while kneading, and the mixture is kneaded for 1 hour at 150 ° C. A viscous liquid was obtained. After the viscous liquid was cooled to 60 ° C. while being kneaded, a predetermined amount of a curing agent and a curing accelerator was added and further kneaded to obtain an epoxy resin composition. Tables 1 and 2 show the compounding ratios of the examples and comparative examples.

(2)エポキシ樹脂組成物の性状
上記(1)で得られた樹脂組成物をビーカーに取り分け、25℃の恒温槽に保管して3時間後の性状を観察した。スパチュラーを用いてかき混ぜ、流動性の有無を判定した。液状であり流動性があるか、液状ではあるが粘調で流動性に乏しいか、固形であるかによって分類を行った。液状である場合をA,粘調で流動性に乏しい場合をB,固形である場合をCとし、A,Bを合格、Cを不合格とした。
(2) Property of epoxy resin composition The resin composition obtained in the above (1) was placed in a beaker, stored in a thermostatic bath at 25 ° C, and the property after 3 hours was observed. It stirred using the spatula and the presence or absence of fluidity | liquidity was determined. Classification was carried out according to whether it was liquid and fluid, liquid but viscous and poorly fluid, or solid. The case where it was liquid was A, the case where it was viscous and poor in fluidity was B, the case where it was solid was C, A and B were passed, and C was rejected.

(3)樹脂硬化物の弾性率
エポキシ樹脂組成物を70℃で予備加熱した後、真空中で脱泡し、2mm厚の“テフロン(登録商標)”製スペーサーにより厚み2mmになるように設定したモールド中で、130℃の温度で90分間硬化させ、厚さ2mmの板状の樹脂硬化物を得た。この樹脂硬化物から、幅10mm、長さ60mmの試験片を切り出し、インストロン万能試験機(インストロン社製)を用い、スパンを32mm、クロスヘッドスピードを100mm/分とし、JIS K7171(1994)に従って3点曲げを実施し、弾性率を測定した。サンプル数n=5で測定した値の平均値を弾性率の値とした。
(3) Elastic modulus of cured resin The epoxy resin composition was preheated at 70 ° C., then defoamed in a vacuum, and set to a thickness of 2 mm using a 2 mm thick “Teflon (registered trademark)” spacer. In a mold, it was cured at a temperature of 130 ° C. for 90 minutes to obtain a plate-shaped resin cured product having a thickness of 2 mm. From this cured resin, a test piece having a width of 10 mm and a length of 60 mm was cut out, an Instron universal testing machine (manufactured by Instron) was used, the span was set to 32 mm, the crosshead speed was set to 100 mm / min, and JIS K7171 (1994). According to the above, three-point bending was performed and the elastic modulus was measured. The average value of the values measured with the number of samples n = 5 was taken as the elastic modulus value.

(4)樹脂硬化物のエポキシ成分の熱膨張率の測定
エポキシ樹脂組成物を70℃で予備加熱した後、真空中で脱泡し、6mm厚の“テフロン(登録商標)”製スペーサーにより厚み6mmになるように設定したモールド中で、130℃の温度で90分間硬化させ、厚さ6mmの板状の樹脂硬化物を得た。この樹脂硬化物をダイヤモンドカッターで幅10mm、長さ10mmに切り出し、試験片とした。試験片を熱機械分析装置(TMA T−60:島津製)を用い、40℃〜180℃まで昇温速度5℃/分で昇温し、50〜100℃における線熱膨張率を測定した。
(4) Measurement of coefficient of thermal expansion of epoxy component of resin cured product The epoxy resin composition was preheated at 70 ° C., defoamed in vacuum, and 6 mm thick with a 6 mm thick “Teflon (registered trademark)” spacer. And cured for 90 minutes at a temperature of 130 [deg.] C. to obtain a cured resin sheet having a thickness of 6 mm. This cured resin product was cut out to a width of 10 mm and a length of 10 mm with a diamond cutter to obtain a test piece. Using a thermomechanical analyzer (TMA T-60: manufactured by Shimadzu Corp.), the test piece was heated from 40 ° C. to 180 ° C. at a heating rate of 5 ° C./min, and the linear thermal expansion coefficient at 50 to 100 ° C. was measured.

(5)構造周期の測定
上記(4)で得られた樹脂硬化物を染色後、薄切片化し、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて下記の条件で透過電子像を取得した。染色剤は、モルホロジーに充分なコントラストが付くよう、OsOとRuOを樹脂組成に応じて使い分けた。
装置:H−7100透過型電子顕微鏡(日立(株)製)
加速電圧:100kV
倍率:10,000倍
透過電子像より、[A]リッチ相、[B]リッチ相の構造周期を観察した。各成分の種類や比率により、樹脂硬化物の相分離構造は、両相連続構造や海島構造を形成するのでそれぞれについて以下のように測定した。
(5) Measurement of structural period After the resin cured product obtained in (4) was dyed, it was cut into thin sections and a transmission electron image was obtained under the following conditions using a transmission electron microscope (TEM). As the staining agent, OsO 4 and RuO 4 were properly used according to the resin composition so that the morphology was sufficiently contrasted.
Apparatus: H-7100 transmission electron microscope (manufactured by Hitachi, Ltd.)
Acceleration voltage: 100 kV
Magnification: 10,000 times The structure period of [A] rich phase and [B] rich phase was observed from the transmission electron image. Depending on the type and ratio of each component, the phase separation structure of the resin cured product forms a biphasic continuous structure or a sea-island structure, and thus was measured as follows.

相分離構造が両相連続構造の場合、顕微鏡写真の上に所定の長さの直線をランダムに3本引き、その直線と相界面の交点を抽出し、隣り合う交点間の距離を測定し、これらの数平均値を構造周期とした。かかる所定の長さとは、顕微鏡写真を基に以下のようにして設定するものとした。構造周期が0.01μmオーダー(0.01μm以上0.1μm未満)と予想される場合、倍率を20,000倍でサンプルの写真を撮影し、写真上で引いた20mmの長さ(サンプル上1μmの長さ)を直線の所定の長さとした。同様にして、相分離構造周期が0.1μmオーダー(0.1μm以上1μm未満)と予想される場合、倍率を2,000倍で写真撮影し、写真上で20mmの長さ(サンプル上10μmの長さ)を直線の所定の長さとした。相分離構造周期が1μmオーダー(1μm以上10μm未満)と予想される場合、倍率を200倍で写真撮影し、写真上で20mmの長さ(サンプル上100μmの長さ)を直線の所定の長さとした。もし、測定した相分離構造周期が予想したオーダーより外れていた場合、該当するオーダーに対応する倍率にて再度測定した。   When the phase separation structure is a biphasic continuous structure, draw three straight lines of a predetermined length on the micrograph, extract the intersection of the straight line and the phase interface, measure the distance between the adjacent intersections, These number average values were used as the structure period. The predetermined length is set as follows based on a micrograph. When the structural period is expected to be on the order of 0.01 μm (0.01 μm or more and less than 0.1 μm), a sample photograph was taken at a magnification of 20,000 times, and a length of 20 mm drawn on the photograph (1 μm on the sample) Was defined as a predetermined straight line length. Similarly, when the phase separation structure period is expected to be on the order of 0.1 μm (0.1 μm or more and less than 1 μm), a photograph is taken at a magnification of 2,000 times and a length of 20 mm on the photograph (10 μm on the sample) The length) is a predetermined length of the straight line. When the phase separation structure period is expected to be on the order of 1 μm (1 μm or more and less than 10 μm), a photograph is taken at a magnification of 200 times, and a length of 20 mm on the photograph (a length of 100 μm on the sample) did. If the measured phase separation structure period was out of the expected order, it was measured again at a magnification corresponding to the corresponding order.

相分離構造が海島構造の場合、顕微鏡写真の上の所定の領域をランダムに3箇所選出し、その領域内の島相サイズを測定し、これらの数平均値を構造周期とした。島相のサイズは、相界面から一方の相界面へ島相を通って引く最短距離の線の長さをいう。島相が楕円形、不定形、または、二層以上の円または楕円になっている場合であっても、相界面から一方の相界面へ島相を通る最短の距離を島相サイズとした。かかる所定の領域とは、顕微鏡写真を基に以下のようにして設定するものとした。相分離構造周期が0.01μmオーダー(0.01μm以上0.1μm未満)と予想される場合、倍率を20,000倍でサンプルの写真を撮影し、写真上で4mm四方の領域(サンプル上0.2μm四方の領域)を所定の領域とした。同様にして、相分離構造周期が0.1μmオーダー(0.1μm以上1μm未満)と予想される場合、倍率を2,000倍でサンプルの写真を撮影し、写真上で4mm四方の領域(サンプル上2μm四方の領域)を所定の領域とした。相分離構造周期が1μmオーダー(1μm以上10μm未満)と予想される場合、倍率を200倍で写真撮影し、写真上で4mm四方の領域(サンプル上20μm四方の領域)を所定の領域とした。もし、測定した相分離構造周期が予想したオーダーより外れていた場合、該当するオーダーに対応する倍率にて再度測定した。   When the phase separation structure was a sea-island structure, three predetermined regions on the micrograph were selected at random, the island phase size in the region was measured, and the number average value of these was the structure period. The size of the island phase refers to the length of the shortest distance line drawn from the phase interface to one phase interface through the island phase. Even when the island phase is an ellipse, an indeterminate shape, or a circle or ellipse of two or more layers, the shortest distance passing through the island phase from the phase interface to one phase interface is defined as the island phase size. The predetermined region is set as follows based on a micrograph. When the phase separation structure period is expected to be on the order of 0.01 μm (0.01 μm or more and less than 0.1 μm), a photograph of the sample was taken at a magnification of 20,000 times, and an area of 4 mm square on the photograph (0 on the sample) .2 μm square area) was defined as a predetermined area. Similarly, when the phase separation structure period is expected to be on the order of 0.1 μm (0.1 μm or more and less than 1 μm), a sample photograph is taken at a magnification of 2,000 times, and a 4 mm square region (sample) The upper 2 μm square area) was defined as a predetermined area. When the phase separation structure period is expected to be on the order of 1 μm (1 μm or more and less than 10 μm), a photograph was taken at a magnification of 200 times, and an area of 4 mm square on the photograph (an area of 20 μm square on the sample) was defined as a predetermined area. If the measured phase separation structure period was out of the expected order, it was measured again at a magnification corresponding to the corresponding order.

(実施例1)
エポキシ樹脂[A]として“EPICLON(登録商標)”HP−4700を30質量部、エポキシ樹脂[B]として“jER(登録商標)”4007Pを30質量部、エポキシ樹脂[C]として“EPICLON(登録商標)”830を40質量部、硬化剤[D]としてDICY7を全エポキシ樹脂成分のエポキシ基に対し、活性水素基が1.0当量となる量、および硬化促進剤としてDCMU99を3質量部用いて、エポキシ樹脂組成物を調製した。得られたエポキシ樹脂組成物を2.5℃/分で昇温し、130℃で90分間かけて硬化した。得られた樹脂硬化物は、微細な相分離構造を形成し、低い熱膨張率を示した。結果を表1に示す。
Example 1
30 parts by mass of “EPICLON (registered trademark)” HP-4700 as the epoxy resin [A], 30 parts by mass of “jER (registered trademark)” 4007P as the epoxy resin [B], and “EPICLON (registered) as the epoxy resin [C]” Trademark) "830" 40 parts by mass, DICY7 as curing agent [D] in an amount of 1.0 equivalent of active hydrogen groups with respect to the epoxy groups of all epoxy resin components, and 3 parts by mass of DCMU99 as curing accelerator Thus, an epoxy resin composition was prepared. The resulting epoxy resin composition was heated at 2.5 ° C./min and cured at 130 ° C. for 90 minutes. The obtained cured resin formed a fine phase separation structure and exhibited a low coefficient of thermal expansion. The results are shown in Table 1.

(実施例2〜6、比較例1〜8)
表1〜2に示す組成に変更した以外は、実施例1と同様に、エポキシ樹脂組成物を調製した。評価結果を表1および2に示す。各実施例のエポキシ樹脂組成物はいずれも25℃において流動性を有しており、プリプレグとしたときの取り扱い性に優れると考えられる。また、得られた樹脂硬化物は、微細な相分離構造に由来する低い熱膨張率を示した。
(Examples 2-6, Comparative Examples 1-8)
An epoxy resin composition was prepared in the same manner as in Example 1 except that the composition was changed to the compositions shown in Tables 1 and 2. The evaluation results are shown in Tables 1 and 2. Each of the epoxy resin compositions of each example has fluidity at 25 ° C., and is considered to be excellent in handleability when used as a prepreg. Moreover, the obtained resin cured product showed a low coefficient of thermal expansion derived from a fine phase separation structure.

比較例1のエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂[A]の代わりに、2官能のビスナフタレン型エポキシ樹脂を用いたため、得られた樹脂硬化物は、相分離したものの構造周期が5μm以上となり、熱膨張率が高い値を示した。   Since the epoxy resin composition of Comparative Example 1 used a bifunctional bisnaphthalene type epoxy resin instead of the epoxy resin [A], the resulting resin cured product had a phase separation of 5 μm or more, The coefficient of thermal expansion was high.

比較例2のエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂[A]の代わりに、2官能のナフタレン型エポキシ樹脂を用いたため、得られた樹脂硬化物は、相分離せず均一なものとなり、熱膨張率が高い値を示した。   Since the epoxy resin composition of Comparative Example 2 used a bifunctional naphthalene type epoxy resin instead of the epoxy resin [A], the obtained cured resin was uniform without phase separation, and had a coefficient of thermal expansion. Showed a high value.

比較例3のエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂[B]を用いず、エポキシ当量が2000よりも小さいエポキシ樹脂を用いたため、得られた樹脂硬化物は、相分離したものの構造周期が5μm以上となり、熱膨張率が高い値を示した。   Since the epoxy resin composition of Comparative Example 3 did not use the epoxy resin [B] and used an epoxy resin having an epoxy equivalent of less than 2000, the obtained resin cured product had a structural period of 5 μm or more although it was phase-separated. The coefficient of thermal expansion showed a high value.

比較例4のエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂[A]の配合量が[B]の配合量よりも少ないため、得られた樹脂硬化物は、相分離したものの構造周期が5μm以上となり、熱膨張率が高い値を示した。   In the epoxy resin composition of Comparative Example 4, since the blending amount of the epoxy resin [A] is less than the blending amount of [B], the obtained resin cured product has a phase separation of 5 μm or more, and heat The expansion coefficient showed a high value.

比較例5のエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂[B]が全エポキシ樹脂に対し10質量部未満であったため、25℃における樹脂組成物の性状が固形となり、プリプレグとしたときの取り扱い性が悪化した。   Since the epoxy resin [B] of the epoxy resin composition of Comparative Example 5 was less than 10 parts by mass with respect to all the epoxy resins, the properties of the resin composition at 25 ° C. were solid, and the handleability when used as a prepreg deteriorated. did.

比較例6のエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂[C]の配合量が30質量部未満であったため、エポキシ樹脂組成物の粘度が高くなり、樹脂硬化物には多量のボイドが観測され、熱膨張率は測定できなかった。   In the epoxy resin composition of Comparative Example 6, since the blending amount of the epoxy resin [C] was less than 30 parts by mass, the viscosity of the epoxy resin composition was increased, and a large amount of voids were observed in the cured resin, The expansion coefficient could not be measured.

比較例7のエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂[C]の配合量が50質量部よりも多かったため、得られた樹脂硬化物は、相分離せず均一なものとなり、熱膨張率が高い値を示した。   Since the epoxy resin composition of Comparative Example 7 contained more than 50 parts by mass of the epoxy resin [C], the obtained cured resin was uniform without phase separation and had a high coefficient of thermal expansion. showed that.

比較例8のエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂[B]を含まず、エポキシ樹脂[A]の配合量が60質量部よりも多かったため、樹脂硬化物の弾性率、熱膨張率は優れるものの、25℃における樹脂組成物の性状が固形となり、プリプレグとしたときの取り扱い性に問題があった。   Although the epoxy resin composition of Comparative Example 8 does not contain the epoxy resin [B] and the blending amount of the epoxy resin [A] is more than 60 parts by mass, the elastic modulus and thermal expansion coefficient of the cured resin are excellent, The properties of the resin composition at 25 ° C. were solid, and there was a problem in handleability when used as a prepreg.

Figure 2015108052
Figure 2015108052

Figure 2015108052
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Claims (5)

下記構成要素[A]、[B]、[C]、[D]を、下記条件(1)〜(2)を満たす含有比で含むエポキシ樹脂組成物。
[A]4官能ビスナフタレン型エポキシ樹脂
[B]エポキシ当量2000以上のビスフェノール型エポキシ樹脂
[C]25℃で液状のエポキシ樹脂
[D]硬化剤
(1)全エポキシ樹脂成分100質量部に対して、[A]25〜60質量部、[B]10〜35質量部および[C]30〜50質量部である
(2)全エポキシ樹脂成分に対する質量部に関して、[A]≧[B]である
An epoxy resin composition comprising the following components [A], [B], [C], and [D] in a content ratio that satisfies the following conditions (1) to (2).
[A] Tetrafunctional bisnaphthalene type epoxy resin [B] Bisphenol type epoxy resin having an epoxy equivalent of 2000 or more [C] Epoxy resin liquid at 25 ° C. [D] Curing agent (1) 100 parts by mass of all epoxy resin components [A] 25-60 parts by mass, [B] 10-35 parts by mass, and [C] 30-50 parts by mass. (2) With respect to parts by mass relative to all epoxy resin components, [A] ≧ [B].
構成要素[D]が、ジシアンジアミドまたはその誘導体である、請求項1に記載のエポキシ樹脂組成物。   The epoxy resin composition according to claim 1, wherein the constituent element [D] is dicyandiamide or a derivative thereof. 構成要素[E]として、硬化促進剤を含む、請求項1または2に記載のエポキシ樹脂組成物。   The epoxy resin composition of Claim 1 or 2 containing a hardening accelerator as component [E]. 請求項1〜3のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物と強化繊維を含むプリプレグ。   A prepreg comprising the epoxy resin composition according to claim 1 and reinforcing fibers. 請求項4に記載のプリプレグを硬化して得られる繊維強化複合材料。   A fiber-reinforced composite material obtained by curing the prepreg according to claim 4.
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