JP2017048481A - Sizing agent coated reinforced fiber, manufacturing method of sizing agent coated reinforced fiber, prepreg and fiber reinforced composite material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マトリックス樹脂との接着性に優れ、高度な機械強度を有する繊維強化複合材料を構成するサイジング剤塗布強化繊維、サイジング剤塗布強化繊維の製造方法、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 a sizing agent-coated reinforcing fiber, a sizing agent-coated reinforcing fiber manufacturing method, a prepreg, and a fiber-reinforced composite material, which constitute a fiber-reinforced composite material having excellent adhesive strength with a matrix resin and high mechanical strength. is there.
軽量でありながら強度、剛性、寸法安定性等に優れることから、繊維強化複合材料は、広く事務機器用途、コンピュータ用途(ICトレイ、ノートパソコン筐体等)、自動車用途等の一般産業分野に展開され、その需要は年々増加しつつある。これらの強化繊維には、アルミニウム繊維やステンレス繊維などの金属繊維、アラミド繊維やPBO繊維などの有機繊維、シリコンカーバイド繊維などの無機繊維、および炭素繊維などが使用されている。比強度、比剛性および軽量性のバランスの観点から炭素繊維が好適であり、その中でもポリアクリロニトリル系炭素繊維が好適に用いられている。 Because it is lightweight and has excellent strength, rigidity, dimensional stability, etc., fiber reinforced composite materials are widely used in general industrial fields such as office equipment, computer applications (IC trays, notebook PC cases, etc.), and automobile applications. The demand is increasing year by year. As these reinforcing fibers, metal fibers such as aluminum fibers and stainless fibers, organic fibers such as aramid fibers and PBO fibers, inorganic fibers such as silicon carbide fibers, and carbon fibers are used. Carbon fiber is suitable from the viewpoint of the balance of specific strength, specific rigidity and lightness, and among them, polyacrylonitrile-based carbon fiber is suitably used.
このような強化繊維に付与するサイジング剤としては、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ビスマレイミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂およびエポキシ樹脂などが好適に用いられている。一般に、強化繊維およびマトリックス樹脂からなる繊維強化複合材料成形品においては、繊維方向に高い引張強度や圧縮強度を発現させるために、強化繊維とマトリックス樹脂との間に高い界面接着性が求められる。そこで強化繊維に付与するサイジング剤として、このような界面接着性を高め、高度の機械的強度を有する繊維強化複合材料を与える目的で、エポキシ樹脂が特に好適に用いられている。例えば、サイジング剤としてビスフェノールAのジグリシジルエーテルを炭素繊維に塗布する方法が提案されている(特許文献1、2)。また、サイジング剤としてポリアルキレングリコールのエポキシ付加物を炭素繊維に塗布する方法が提案されている(特許文献3、4、5)。 As a sizing agent applied to such reinforcing fibers, phenol resins, melamine resins, bismaleimide resins, unsaturated polyester resins, epoxy resins, and the like are suitably used. In general, in a fiber reinforced composite material molded article composed of reinforcing fibers and a matrix resin, high interfacial adhesion is required between the reinforcing fibers and the matrix resin in order to develop high tensile strength and compressive strength in the fiber direction. Therefore, as a sizing agent to be applied to the reinforcing fiber, an epoxy resin is particularly preferably used for the purpose of increasing such interfacial adhesion and providing a fiber-reinforced composite material having a high mechanical strength. For example, a method of applying diglycidyl ether of bisphenol A as a sizing agent to carbon fibers has been proposed (Patent Documents 1 and 2). In addition, a method of applying an epoxy adduct of polyalkylene glycol to a carbon fiber as a sizing agent has been proposed (Patent Documents 3, 4, and 5).
サイジング剤を強化繊維に塗布する方法としては、例えば、ローラを介してサイジング剤含有液に強化繊維を浸漬する方法などがあり、サイジング剤含有液の溶媒としては、溶解性の観点から有機溶媒または水が用いられる。(特許文献1)
ところで、繊維強化複合材料は不均一材料であるため、強化繊維の配列方向の物性とそれ以外の方向の物性に大きな差が存在する。例えば、落錘衝撃に対する抵抗性で示される耐衝撃性は、層間剥離強度すなわちGIc(開口モード)やGIIc(面内せん断モード)などの層間靭性に支配されることが知られている。特に、熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂とする炭素繊維強化複合材料は、マトリックス樹脂の低い靭性を反映し、強化繊維である炭素繊維の配列方向以外からの応力に対し、破壊され易い性質を持っている。
Examples of the method of applying the sizing agent to the reinforcing fiber include a method of immersing the reinforcing fiber in a sizing agent-containing liquid via a roller, and the solvent of the sizing agent-containing liquid is an organic solvent or a solvent from the viewpoint of solubility. Water is used. (Patent Document 1)
By the way, since the fiber reinforced composite material is a heterogeneous material, there is a large difference between the physical properties in the arrangement direction of the reinforcing fibers and the physical properties in other directions. For example, it is known that the impact resistance indicated by resistance to falling weight impact is governed by delamination strength, that is, interlayer toughness such as G Ic (opening mode) and G IIc (in-plane shear mode). In particular, a carbon fiber reinforced composite material using a thermosetting resin as a matrix resin reflects the low toughness of the matrix resin and has the property of being easily destroyed by stresses from other than the direction of the carbon fibers that are reinforcing fibers. Yes.
そこでこのような問題を解決するために、繊維方向の引張強度や圧縮強度の向上に加え、繊維の配列方向以外からの応力への強度を改善できるサイジング剤の検討が行われている。例えば、可撓性エポキシ樹脂と該可撓性エポキシ樹脂とは相溶性のないエポキシ樹脂を必須成分として含有するサイジング剤を使用することで層間靭性に優れた炭素繊維強化複合材料方法を得る方法が提案されている(特許文献6)。 Therefore, in order to solve such problems, a sizing agent that can improve the strength against stress from other than the fiber arrangement direction in addition to the improvement in tensile strength and compressive strength in the fiber direction has been studied. For example, there is a method of obtaining a carbon fiber reinforced composite material method having excellent interlayer toughness by using a sizing agent containing an epoxy resin which is incompatible with a flexible epoxy resin and the flexible epoxy resin as an essential component. It has been proposed (Patent Document 6).
しかしながら、今後一段と高まる、さらなる軽量化と高い層間靱性への要求を考慮した場合、上記の方法は、必ずしも十分であるとはいえない。マトリックス樹脂の高靭性化および高強度化が進む中、繊維強化複合材料の層間靭性をより一層高められるサイジング剤の開発が望まれている。また、サイジング剤には環境負荷を低減するために、有機溶媒の使用量を低減することが求められている。 However, the above method is not always sufficient in view of further demands for further weight reduction and high interlaminar toughness, which will increase further in the future. With the progress of increasing toughness and strength of matrix resins, development of a sizing agent that can further enhance the interlaminar toughness of fiber reinforced composite materials is desired. Further, the sizing agent is required to reduce the amount of organic solvent used in order to reduce the environmental load.
本発明の目的は、上記の従来技術における問題点に鑑み、安全性が高いサイジング剤を用い、繊維強化複合材料に高度の靭性を発現させるサイジング剤塗布強化繊維、該サイジング剤塗布強化繊維の製造方法、ならびに該強化繊維を使用した繊維強化複合材料を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a sizing agent-coated reinforcing fiber that exhibits a high degree of toughness in a fiber-reinforced composite material using a highly safe sizing agent in view of the above-described problems in the prior art, and production of the sizing agent-coated reinforcing fiber It is to provide a method and a fiber-reinforced composite material using the reinforcing fiber.
本発明者らは、少なくともポリロタキサン(A)と界面活性剤(B)を特定の比率で含むサイジング剤を、強化繊維に塗布することにより、該強化繊維を用いた繊維強化複合材料の靭性を向上できることを見出し、本発明に想到した。 The present inventors improve the toughness of a fiber-reinforced composite material using the reinforcing fiber by applying a sizing agent containing at least a specific ratio of polyrotaxane (A) and surfactant (B) to the reinforcing fiber. The inventors have found that this is possible and have come up with the present invention.
すなわち、本発明は、強化繊維に少なくともポリロタキサン(A)と界面活性剤(B)を含み、(A)と(B)の質量比(B)/(A)が0.1〜1.5であるサイジング剤が塗布されてなるサイジング剤塗布強化繊維である。ここで、ポリロタキサン(A)とは、環状分子、該環状分子に串刺し状に包接される直鎖状分子、および該直鎖状分子から環状分子が脱離しないように直鎖状分子の両端に配置される封鎖基を有するものである。 That is, the present invention includes at least a polyrotaxane (A) and a surfactant (B) in the reinforcing fiber, and the mass ratio (B) / (A) of (A) and (B) is 0.1 to 1.5. A sizing agent-coated reinforcing fiber formed by applying a sizing agent. Here, the polyrotaxane (A) is a cyclic molecule, a linear molecule included in a skewered manner in the cyclic molecule, and both ends of the linear molecule so that the cyclic molecule is not detached from the linear molecule. It has a blocking group arranged in.
また、本発明は、少なくともポリロタキサン(A)と界面活性剤(B)を含み、(A)と(B)の質量比(B)/(A)が0.1〜1.5であるサイジング剤含有液を強化繊維に塗布する、サイジング剤塗布強化繊維の製造方法を含む。 The present invention also includes a sizing agent that contains at least the polyrotaxane (A) and the surfactant (B), and the mass ratio (B) / (A) of (A) to (B) is 0.1 to 1.5. The manufacturing method of the sizing agent application | coating reinforcement fiber which apply | coats a containing liquid to a reinforcement fiber is included.
また、本発明は、上記のサイジング剤を塗布した強化繊維と熱硬化性樹脂からなるプリプレグを含む。 Moreover, this invention contains the prepreg which consists of a reinforced fiber and thermosetting resin which apply | coated said sizing agent.
また、本発明は、上記のプリプレグを硬化させてなる繊維強化複合材料を含む。 Moreover, this invention contains the fiber reinforced composite material formed by hardening said prepreg.
また、本発明は、上記のサイジング剤塗布強化繊維と熱硬化性樹脂からなる繊維強化複合材料を含む。 Moreover, this invention contains the fiber reinforced composite material which consists of said sizing agent application | coating reinforcement fiber and a thermosetting resin.
本発明のサイジング剤塗布強化繊維は安全性が高いサイジング剤が用いられてなるものであることから、取扱い性が良好であり、かつ当該サイジング剤塗布強化繊維を用いて得られる繊維強化複合材料は高い靭性を有する。 Since the sizing agent-coated reinforcing fiber of the present invention is formed using a highly safe sizing agent, the handleability is good, and the fiber-reinforced composite material obtained by using the sizing agent-coated reinforcing fiber is High toughness.
以下、本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
本発明は強化繊維に少なくともポリロタキサン(A)と界面活性剤(B)を含み、(A)と(B)の質量比(B)/(A)が0.1〜1.5であるサイジング剤が塗布されてなるサイジング剤塗布強化繊維である。 The present invention includes at least a polyrotaxane (A) and a surfactant (B) in a reinforcing fiber, and a sizing agent having a mass ratio (B) / (A) of (A) and (B) of 0.1 to 1.5. Is a reinforcing fiber coated with a sizing agent.
まず、本発明に用いられるサイジング剤について説明する。 First, the sizing agent used in the present invention will be described.
本発明に用いられるサイジング剤は、ポリロタキサン(A)を含有することが必要である。ポリロタキサン(A)とは、環状分子の開口部が直鎖状分子によって串刺し状に包接されてなる擬ポリロタキサンの両端に環状分子が脱離しないように封鎖基を配置してなる構成を有する化合物である。ポリロタキサン(A)は、特有の機能および性質を有していることから、近年、様々な技術分野への応用が検討されている。例えば、特開2008−1997号公報では、ポリロタキサン材料を用い繊維材料のストレッチ性、耐洗濯性、防しわ性等を改良する技術が提案されている。 The sizing agent used in the present invention needs to contain a polyrotaxane (A). The polyrotaxane (A) is a compound having a structure in which blocking groups are arranged so that the cyclic molecules are not detached at both ends of the pseudopolyrotaxane in which the openings of the cyclic molecules are clasped by the linear molecules. It is. Since the polyrotaxane (A) has specific functions and properties, application in various technical fields has been studied in recent years. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 2008-1997 proposes a technique for improving the stretchability, washing resistance, wrinkle resistance and the like of a fiber material using a polyrotaxane material.
本発明においては、少なくともポリロタキサン(A)と界面活性剤(B)を含むサイジング剤は、それを含む液体(サイジング剤含有液という)が強化繊維に付与されることにより、高伸度および高靭性の特性を強化繊維/マトリックス樹脂界面に付与することができる。これによって得られる繊維強化複合材料の層間破壊の際に高度な靭性を有する繊維強化複合材料を提供できることを見出した。以下に、本発明のサイジング剤に含まれるポリロタキサン(A)の各構成、および界面活性剤(B)について説明する。 In the present invention, the sizing agent containing at least the polyrotaxane (A) and the surfactant (B) is provided with a liquid containing the sizing agent (referred to as a sizing agent-containing liquid) to the reinforcing fiber, so that high elongation and high toughness These properties can be imparted to the reinforcing fiber / matrix resin interface. It has been found that a fiber-reinforced composite material having a high degree of toughness can be provided at the time of interlaminar fracture of the fiber-reinforced composite material obtained thereby. Below, each structure of the polyrotaxane (A) contained in the sizing agent of this invention, and surfactant (B) are demonstrated.
[ポリロタキサン(A)]
<環状分子>
ポリロタキサン(A)に用いられる環状分子は、その開口部に直鎖状分子が串刺し状に包接され得る分子であれば、特に限定されない。
[Polyrotaxane (A)]
<Cyclic molecule>
The cyclic molecule used in the polyrotaxane (A) is not particularly limited as long as it is a molecule in which a linear molecule can be included in a skewered manner in the opening.
環状分子としては、水酸基を有する環状分子が好ましく、包接性および生産性の観点から、シクロデキストリンがより好ましい。ここで、シクロデキストリンとしてはシクロデキストリン誘導体でもよい。シクロデキストリンまたはシクロデキストリン誘導体の種類は、特に制限されないが、α−シクロデキストリン、β−シクロデキストリン、γ−シクロデキストリン、およびこれらの誘導体から選ばれたものが好ましい。ここでシクロデキストリン誘導体とは、シクロデキストリンの水酸基に高分子鎖および/または置換基を置換させて導入したものである。これら高分子鎖および/または置換基を、サイジング剤の他の成分およびサイジング剤を溶解させる溶媒にあわせて、適切に選択することにより、本サイジング剤中でのポリロタキサン(A)の分散性を調整することができる。かかる高分子鎖としては、例えばポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸エステル、ポリラクトン、ポリラクタム等が挙げられる。一方、上記置換基としては、例えば、水酸基、チオニル基、アミノ基、スルホニル基、ホスホニル基、アセチル基、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基等のアルキル基、トリチル基、トシル基、トリメチルシラン基、フェニル基等が挙げられる。一般に、サイジング剤の他の成分またはサイジング剤を溶解させる溶媒が親水性の化合物である場合には、親水性の高分子鎖または置換基を導入することが好ましい。また、サイジング剤の他の成分またはサイジング剤を溶解させる溶媒が疎水性の化合物である場合には、疎水性の高分子鎖または置換基を導入することが好ましい。高分子鎖または置換基の導入によりポリロタキサン(A)のサイジング剤への親和性を高め、サイジング剤中での良好な分散性を付与するとともに、サイジング剤と強化繊維表面とを強固に接着させることができる。 As the cyclic molecule, a cyclic molecule having a hydroxyl group is preferable, and cyclodextrin is more preferable from the viewpoint of inclusion property and productivity. Here, the cyclodextrin may be a cyclodextrin derivative. The type of cyclodextrin or cyclodextrin derivative is not particularly limited, but is preferably selected from α-cyclodextrin, β-cyclodextrin, γ-cyclodextrin, and derivatives thereof. Here, the cyclodextrin derivative is introduced by substituting a polymer chain and / or a substituent on the hydroxyl group of cyclodextrin. The dispersibility of polyrotaxane (A) in the sizing agent is adjusted by appropriately selecting these polymer chains and / or substituents according to the other components of the sizing agent and the solvent in which the sizing agent is dissolved. can do. Examples of such a polymer chain include polyethylene glycol, polypropylene glycol, polyethylene, polypropylene, polyvinyl alcohol, polyacrylic acid ester, polylactone, and polylactam. On the other hand, examples of the substituent include a hydroxyl group, thionyl group, amino group, sulfonyl group, phosphonyl group, acetyl group, methyl group, ethyl group, propyl group, isopropyl group and other alkyl groups, trityl group, tosyl group, and trimethyl. A silane group, a phenyl group, etc. are mentioned. Generally, when the other component of the sizing agent or the solvent in which the sizing agent is dissolved is a hydrophilic compound, it is preferable to introduce a hydrophilic polymer chain or a substituent. In addition, when the other component of the sizing agent or the solvent in which the sizing agent is dissolved is a hydrophobic compound, it is preferable to introduce a hydrophobic polymer chain or a substituent. Improve the affinity of the polyrotaxane (A) to the sizing agent by introducing a polymer chain or a substituent, impart good dispersibility in the sizing agent, and firmly bond the sizing agent and the reinforcing fiber surface. Can do.
このような観点においては、上記シクロデキストリンが、高分子鎖により修飾されていることがさらに好ましい。該高分子鎖は、−O−結合および−NH−結合から選ばれた結合、ならびに、アルキレン基およびアルケニレン基から選ばれた基を含むことが好ましい。ここで、アルキレン基は炭素数が1以上20以下であることが好ましく、炭素数が2以上12以下であることがより好ましい。アルケニレン基は炭素数が2以上20以下であることが好ましく、炭素数が2以上12以下であることがより好ましい。このような高分子鎖の例としては、ポリアルキレングリコール、ポリアルケニレングリコール、ポリアルキレンイミン、ポリラクトン、ポリラクタム等が挙げられる。好ましい具体例としては、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリエチレンイミン、ポリβ−プロピオラクトン、ポリδ−バレロラクトン、ポリε−カプロラクトン、ポリε−カプロラクタム、ポリラウリルラクタム等が挙げられる。また、前記アルキレンまたはアルケニレン基の水素の一部が、水酸基、カルボキシル基、アセチル基等のアシル基、フェニル基、ハロゲン原子およびアリル基等のオレフィン基からなる群から選ばれる少なくとも1種で置換されていてもよい。 From such a viewpoint, it is more preferable that the cyclodextrin is modified with a polymer chain. The polymer chain preferably includes a bond selected from an —O— bond and an —NH— bond, and a group selected from an alkylene group and an alkenylene group. Here, the alkylene group preferably has 1 to 20 carbon atoms, and more preferably 2 to 12 carbon atoms. The alkenylene group preferably has 2 to 20 carbon atoms, and more preferably 2 to 12 carbon atoms. Examples of such polymer chains include polyalkylene glycol, polyalkenylene glycol, polyalkyleneimine, polylactone, polylactam and the like. Preferable specific examples include polyethylene glycol, polypropylene glycol, polyethyleneimine, poly β-propiolactone, poly δ-valerolactone, poly ε-caprolactone, poly ε-caprolactam, polylauryl lactam and the like. Further, a part of hydrogen of the alkylene or alkenylene group is substituted with at least one selected from the group consisting of an acyl group such as a hydroxyl group, a carboxyl group and an acetyl group, an olefin group such as a phenyl group, a halogen atom and an allyl group. It may be.
このようなシクロデキストリンまたはシクロデキストリン誘導体のより具体的な例としては、α−シクロデキストリン(グルコース数=6個、空孔の内径=約0.45〜0.6μm)、β−シクロデキストリン(グルコース数=7個、空孔の内径=約0.6〜0.8μm)、γ−シクロデキストリン(グルコース数=8個、空孔の内径=約0.8〜0.95μm)、ジメチルシクロデキストリン、グルコシルシクロデキストリン、2−ヒドロキシプロピル−α−シクロデキストリン、2,6−ジ−O−メチル−α−シクロデキストリン、6−O−α−マルトシル−α−シクロデキストリン、6−O−α−D−グルコシル−α−シクロデキストリン、ヘキサキス(2,3,6−トリ−O−アセチル)−α−シクロデキストリン、ヘキサキス(2,3,6−トリ−O−メチル)−α−シクロデキストリン、ヘキサキス(6−O−トシル)−α−シクロデキストリン、ヘキサキス(6−アミノ−6−デオキシ)−α−シクロデキストリン、ヘキサキス(2,3−アセチル−6−ブロモ−6−デオキシ)−α−シクロデキストリン、ヘキサキス(2,3,6−トリ−O−オクチル)−α−シクロデキストリン、モノ(2−O−ホスホリル)−α−シクロデキストリン、モノ[2,(3)−O−(カルボキシルメチル)]−α−シクロデキストリン、オクタキス(6−O−t−ブチルジメチルシリル)−α−シクロデキストリン、スクシニル−α−シクロデキストリン、グルクロニルグルコシル−β−シクロデキストリン、ヘプタキス(2,6−ジ−O−メチル)−β−シクロデキストリン、ヘプタキス(2,6−ジ−O−エチル)−β−シクロデキストリン、ヘプタキス(6−O−スルホ)−β−シクロデキストリン、ヘプタキス(2,3−ジ−O−アセチル−6−O−スルホ)−β−シクロデキストリン、ヘプタキス(2,3−ジ−O−メチル−6−O−スルホ)−β−シクロデキストリン、ヘプタキス(2,3,6−トリ−O−アセチル)−β−シクロデキストリン、ヘプタキス(2,3,6−トリ−O−ベンゾイル)−β−シクロデキストリン、ヘプタキス(2,3,6−トリ−O−メチル)−β−シクロデキストリン、ヘプタキス(3−O−アセチル−2,6−ジ−O−メチル)−β−シクロデキストリン、ヘプタキス(2,3−O−アセチル−6−ブロモ−6−デオキシ)−β−シクロデキストリン、2−ヒドロキシエチル−β−シクロデキストリン、ヒドロキシプロピル−β−シクロデキストリン、2−ヒドロキシプロピル−β−シクロデキストリン、(2−ヒドロキシ−3−N,N,N−トリメチルアミノ)プロピル−β−シクロデキストリン、6−O−α−マルトシル−β−シクロデキストリン、メチル−β−シクロデキストリン、ヘキサキス(6−アミノ−6−デオキシ)−β−シクロデキストリン、ビス(6−アジド−6−デオキシ)−β−シクロデキストリン、モノ(2−O−ホスホリル)−β−シクロデキストリン、ヘキサキス[6−デオキシ−6−(1−イミダゾリル)]−β−シクロデキストリン、モノアセチル−β−シクロデキストリン、トリアセチル−β−シクロデキストリン、モノクロロトリアジニル−β−シクロデキストリン、6−O−α−D−グルコシル−β−シクロデキストリン、6−O−α−D−マルトシル−β−シクロデキストリン、スクシニル−β−シクロデキストリン、スクシニル−(2−ヒドロキシプロピル)−β−シクロデキストリン、2−カルボキシメチル−β−シクロデキストリン、2−カルボキシエチル−β−シクロデキストリン、ブチル−β−シクロデキストリン、スルホプロピル−β−シクロデキストリン、6−モノデオキシ−6−モノアミノ−β−シクロデキストリン、シリル[(6−O−t−ブチルジメチル)2,3−ジ−O−アセチル]−β−シクロデキストリン、2−ヒドロキシエチル−γ−シクロデキストリン、2−ヒドロキシプロピル−γ−シクロデキストリン、ブチル−γ−シクロデキストリン、3A−アミノ−3A−デオキシ−(2AS,3AS)−γ−シクロデキストリン、モノ−2−O−(p−トルエンスルホニル)−γ−シクロデキストリン、モノ−6−O−(p−トルエンスルホニル)−γ−シクロデキストリン、モノ−6−O−メシチレンスルホニル−γ−シクロデキストリン、オクタキス(2,3,6−トリ−O−メチル)−γ−シクロデキストリン、オクタキス(2,6−ジ−O−フェニル)−γ−シクロデキストリン、オクタキス(6−O−t−ブチルジメチルシリル)−γ−シクロデキストリン、オクタキス(2,3,6−トリ−O−アセチル)−γ−シクロデキストリン、などが挙げられる。ここで、上述のシクロデキストリン等の環状分子は、その1種を単独で、あるいは2種以上を組み合わせて使用することができる。 More specific examples of such cyclodextrins or cyclodextrin derivatives include α-cyclodextrin (glucose number = 6, pore inner diameter = about 0.45-0.6 μm), β-cyclodextrin (glucose). Number = 7, pore inner diameter = about 0.6 to 0.8 μm), γ-cyclodextrin (glucose number = 8, pore inner diameter = about 0.8 to 0.95 μm), dimethylcyclodextrin, Glucosyl cyclodextrin, 2-hydroxypropyl-α-cyclodextrin, 2,6-di-O-methyl-α-cyclodextrin, 6-O-α-maltosyl-α-cyclodextrin, 6-O-α-D- Glucosyl-α-cyclodextrin, hexakis (2,3,6-tri-O-acetyl) -α-cyclodextrin, hexakis (2,3,6 Tri-O-methyl) -α-cyclodextrin, hexakis (6-O-tosyl) -α-cyclodextrin, hexakis (6-amino-6-deoxy) -α-cyclodextrin, hexakis (2,3-acetyl- 6-bromo-6-deoxy) -α-cyclodextrin, hexakis (2,3,6-tri-O-octyl) -α-cyclodextrin, mono (2-O-phosphoryl) -α-cyclodextrin, mono [ 2, (3) -O- (carboxylmethyl)]-α-cyclodextrin, octakis (6-Ot-butyldimethylsilyl) -α-cyclodextrin, succinyl-α-cyclodextrin, glucuronylglucosyl-β -Cyclodextrin, heptakis (2,6-di-O-methyl) -β-cyclodextrin, heptakis (2, -Di-O-ethyl) -β-cyclodextrin, heptakis (6-O-sulfo) -β-cyclodextrin, heptakis (2,3-di-O-acetyl-6-O-sulfo) -β-cyclodextrin , Heptakis (2,3-di-O-methyl-6-O-sulfo) -β-cyclodextrin, heptakis (2,3,6-tri-O-acetyl) -β-cyclodextrin, heptakis (2,3 , 6-Tri-O-benzoyl) -β-cyclodextrin, heptakis (2,3,6-tri-O-methyl) -β-cyclodextrin, heptakis (3-O-acetyl-2,6-di-O -Methyl)-[beta] -cyclodextrin, heptakis (2,3-O-acetyl-6-bromo-6-deoxy)-[beta] -cyclodextrin, 2-hydroxyethyl- [beta] -cyclodext , Hydroxypropyl-β-cyclodextrin, 2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin, (2-hydroxy-3-N, N, N-trimethylamino) propyl-β-cyclodextrin, 6-O-α-maltosyl -Β-cyclodextrin, methyl-β-cyclodextrin, hexakis (6-amino-6-deoxy) -β-cyclodextrin, bis (6-azido-6-deoxy) -β-cyclodextrin, mono (2-O -Phosphoryl) -β-cyclodextrin, hexakis [6-deoxy-6- (1-imidazolyl)]-β-cyclodextrin, monoacetyl-β-cyclodextrin, triacetyl-β-cyclodextrin, monochlorotriazinyl- β-cyclodextrin, 6-O-α-D-glucosyl-β-cycl Dextrin, 6-O-α-D-maltosyl-β-cyclodextrin, succinyl-β-cyclodextrin, succinyl- (2-hydroxypropyl) -β-cyclodextrin, 2-carboxymethyl-β-cyclodextrin, 2- Carboxyethyl-β-cyclodextrin, butyl-β-cyclodextrin, sulfopropyl-β-cyclodextrin, 6-monodeoxy-6-monoamino-β-cyclodextrin, silyl [(6-Ot-butyldimethyl) 2 , 3-Di-O-acetyl] -β-cyclodextrin, 2-hydroxyethyl-γ-cyclodextrin, 2-hydroxypropyl-γ-cyclodextrin, butyl-γ-cyclodextrin, 3A-amino-3A-deoxy- (2AS, 3AS) -γ-cyclodextri Mono-2-O- (p-toluenesulfonyl) -γ-cyclodextrin, mono-6-O- (p-toluenesulfonyl) -γ-cyclodextrin, mono-6-O-mesitylenesulfonyl-γ-cyclodextrin , Octakis (2,3,6-tri-O-methyl) -γ-cyclodextrin, octakis (2,6-di-O-phenyl) -γ-cyclodextrin, octakis (6-Ot-butyldimethylsilyl) ) -Γ-cyclodextrin, octakis (2,3,6-tri-O-acetyl) -γ-cyclodextrin, and the like. Here, the above-mentioned cyclic molecules such as cyclodextrin can be used singly or in combination of two or more.
<直鎖状分子>
ポリロタキサン(A)の直鎖状分子は、環状分子の開口部に串刺し状に包接され得るものであれば、特に限定されない。
<Linear molecule>
The linear molecule of the polyrotaxane (A) is not particularly limited as long as it can be included in a skewered manner in the opening of the cyclic molecule.
例えば、直鎖状分子として、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリ(メタ)アクリル酸、セルロース系樹脂(カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース等)、ポリアクリルアミド、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリビニルアセタール系樹脂、ポリビニルメチルエーテル、ポリアミン、ポリエチレンイミン、カゼイン、ゼラチン、でんぷん等およびこれらの共重合体;ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂;ポリエステル樹脂;ポリ塩化ビニル樹脂;ポリスチレン、アクリロニトリル−スチレン共重合樹脂等のポリスチレン系樹脂;ポリメチルメタクリレート、(メタ)アクリル酸エステル共重合体、アクリロニトリル−メチルアクリレート共重合樹脂などのアクリル系樹脂;ポリカーボネート樹脂;ポリウレタン樹脂;塩化ビニル−酢酸ビニル共重合樹脂;ポリビニルブチラール樹脂等;ポリイソブチレン;ポリテトラヒドロフラン;ポリアニリン;アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体(ABS樹脂);ナイロンなどのポリアミド類;ポリイミド類;ポリイソプレン、ポリブタジエンなどのポリジエン類;ポリジメチルシロキサンなどのポリシロキサン類;ポリスルホン類;ポリイミン類;ポリ無水酢酸類;ポリ尿素類;ポリスルフィド類;ポリフォスファゼン類;ポリケトン類;ポリフェニレン類;ポリハロオレフィン類;並びにこれらの樹脂の誘導体などが挙げられる。特にサイジング剤中での分散性が良好であること、および、生産性の観点から、ポリエチレングリコール、ポリイソプレン、ポリイソブチレン、ポリブタジエン、ポリプロピレングリコール、ポリテトラヒドロフラン、ポリジメチルシロキサン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリビニルアルコールおよびポリビニルメチルエーテルからなる群から選ばれる直鎖状分子が好ましく、特にポリエチレングリコールが好ましい。 For example, as linear molecules, polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone, poly (meth) acrylic acid, cellulose resins (carboxymethyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, etc.), polyacrylamide, polyethylene glycol, polypropylene glycol, polyvinyl acetal resins , Polyvinyl methyl ether, polyamine, polyethyleneimine, casein, gelatin, starch, and copolymers thereof; polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene; polyester resins; polyvinyl chloride resins; polystyrene, acrylonitrile-styrene copolymer resins, etc. Polystyrene resin; polymethyl methacrylate, (meth) acrylic acid ester copolymer, acrylonitrile-methyl acrylate Acrylic resins such as relate copolymer resins; Polycarbonate resins; Polyurethane resins; Vinyl chloride-vinyl acetate copolymer resins; Polyvinyl butyral resins; Polyisobutylene; Polytetrahydrofuran; Polyaniline; Acrylonitrile-butadiene-styrene copolymers (ABS resins) Polyamides such as nylon, polyimides, polydienes such as polyisoprene and polybutadiene, polysiloxanes such as polydimethylsiloxane, polysulfones, polyimines, polyacetic anhydrides, polyureas, polysulfides, and polyphosphazenes Polyketones; polyphenylenes; polyhaloolefins; and derivatives of these resins. In particular, from the viewpoint of good dispersibility in a sizing agent and productivity, polyethylene glycol, polyisoprene, polyisobutylene, polybutadiene, polypropylene glycol, polytetrahydrofuran, polydimethylsiloxane, polyethylene, polypropylene, polyvinyl alcohol and A linear molecule selected from the group consisting of polyvinyl methyl ether is preferred, and polyethylene glycol is particularly preferred.
ポリロタキサン(A)の直鎖状分子は、その重量平均分子量が15,000以上であることが好ましく、17,000以上であることがより好ましい。また重量平均分子量が30,000以下であることが好ましく、25,000以下であることがより好ましい。なお、重量平均分子量は、ゲル浸透クロマトグラフ(GPC)を用いて測定した保持時間(保持容量)を、同一条件にて測定した分子量既知の標準ポリスチレンの保持時間(保持容量)に基づいて、ポリスチレンの分子量に換算して求めることができる。直鎖状分子の重量平均分子量が15,000以上であると、該サイジング塗布強化繊維を用いてマトリックス樹脂と複合材料とした際、直鎖状分子上を環状分子が滑ることによるポリロタキサン(A)のスライドリング効果が特に優れて発揮され、繊維強化複合材料の物性が特に向上する。また直鎖状分子の重量平均分子量が30,000以下であるとポリロタキサン(A)とマトリックス樹脂との相互作用が適正化され、繊維強化複合材料の物性が特に向上する。 The linear molecule of the polyrotaxane (A) preferably has a weight average molecular weight of 15,000 or more, more preferably 17,000 or more. Moreover, it is preferable that a weight average molecular weight is 30,000 or less, and it is more preferable that it is 25,000 or less. The weight average molecular weight is determined based on the retention time (retention capacity) of standard polystyrene having a known molecular weight measured under the same conditions as the retention time (retention capacity) measured using a gel permeation chromatograph (GPC). It can be calculated in terms of molecular weight. When the weight average molecular weight of the linear molecule is 15,000 or more, when the sizing-coated reinforcing fiber is used as a matrix resin and a composite material, the polyrotaxane (A) is produced by the cyclic molecule sliding on the linear molecule. The slide ring effect is particularly excellent, and the physical properties of the fiber-reinforced composite material are particularly improved. When the weight average molecular weight of the linear molecule is 30,000 or less, the interaction between the polyrotaxane (A) and the matrix resin is optimized, and the physical properties of the fiber-reinforced composite material are particularly improved.
<包接量>
複数の環状分子が直鎖状分子を串刺し状に包接する際に、1本の直鎖状分子を環状分子が最大限に包接する量を1とした場合、前記環状分子が0.001〜0.6、好ましくは0.01〜0.5、より好ましくは0.05〜0.4の範囲の量で直鎖状分子を包接するのがよい。
<Inclusion amount>
When a plurality of cyclic molecules include a linear molecule in a skewered manner, when the amount of cyclic molecules included in a single linear molecule is 1 as the maximum, the cyclic molecule is 0.001 to 0. .6, preferably 0.01 to 0.5, more preferably 0.05 to 0.4.
なお、環状分子の最大包接量は、直鎖状分子の長さと環状分子の厚さとにより、計算することができる。例えば、直鎖状分子がポリエチレングリコールであり、環状分子がα−シクロデキストリン分子の場合、最大包接量は、実験的に求められている(Macromolecules 1993, 26, 5698-5703を参照のこと。なお、この文献の内容はすべて本明細書に組み込まれる)。 The maximum inclusion amount of the cyclic molecule can be calculated from the length of the linear molecule and the thickness of the cyclic molecule. For example, when the linear molecule is polyethylene glycol and the cyclic molecule is an α-cyclodextrin molecule, the maximum inclusion amount is experimentally determined (see Macromolecules 1993, 26, 5698-5703). The contents of this document are all incorporated herein.
<封鎖基>
ポリロタキサン(A)の封鎖基は、直鎖状分子の両端に配置され、環状分子が脱離しないように作用する基であれば、特に限定されない。
<Blocking group>
The blocking group of the polyrotaxane (A) is not particularly limited as long as it is a group that is arranged at both ends of the linear molecule and acts so that the cyclic molecule is not eliminated.
例えば、封鎖基として、ジニトロフェニル基類、シクロデキストリン類、アダマンタン基類、トリチル基類、フルオレセイン類、ピレン類、置換ベンゼン類、置換されていてもよい多核芳香族類、およびステロイド類からなる群から選ばれた基が好ましい。なお、前記置換基としては、メチル基等のアルキル基、メトキシ基等のアルキルオキシ基、ヒドロキシ基、ハロゲン基、シアノ基、スルホニル基、カルボキシル基、アミノ基、フェニル基などを挙げることができるがこれらに限定されない。置換基は1つまたは複数存在してもよい。封鎖基は、ジニトロフェニル基類、シクロデキストリン類、アダマンタン基類、トリチル基類、フルオレセイン類、およびピレン類からなる群から選ばれた基がより好ましく、さらに好ましくはアダマンタン基類またはトリチル基類である。 For example, the group consisting of dinitrophenyl groups, cyclodextrins, adamantane groups, trityl groups, fluoresceins, pyrenes, substituted benzenes, optionally substituted polynuclear aromatics, and steroids as blocking groups A group selected from is preferred. Examples of the substituent include alkyl groups such as methyl groups, alkyloxy groups such as methoxy groups, hydroxy groups, halogen groups, cyano groups, sulfonyl groups, carboxyl groups, amino groups, and phenyl groups. It is not limited to these. One or more substituents may be present. The blocking group is more preferably a group selected from the group consisting of dinitrophenyl groups, cyclodextrins, adamantane groups, trityl groups, fluoresceins, and pyrenes, more preferably an adamantane group or a trityl group. is there.
これらのポリロタキサン(A)のなかでも、環状分子がε−カプロラクトンをモノマー単位として含む高分子鎖を有するα−シクロデキストリン誘導体であり、直鎖状分子がポリエチレングリコールであるポリロタキサン(A)が、サイジング剤中での良好な分散性および工業生産性の観点から特に好ましい。このような化合物の製品の具体例としては、“セルム(登録商標)”スーパーポリマーSH1310P、“セルム(登録商標)”スーパーポリマーSH2400P、“セルム(登録商標)”スーパーポリマーSH3400P(いずれもアドバンストソフトマテリアルズ(株)製)などが挙げられる。なかでも、直鎖状分子が重量平均分子量20,000のポリエチレングリコールである“セルム(登録商標)”スーパーポリマーSH2400Pなどを好ましく用いることができる。 Among these polyrotaxanes (A), a cyclic molecule is an α-cyclodextrin derivative having a polymer chain containing ε-caprolactone as a monomer unit, and a polyrotaxane (A) whose linear molecule is polyethylene glycol is sizing. Particularly preferred from the viewpoint of good dispersibility in the agent and industrial productivity. Specific examples of such compound products include “Celum®” superpolymer SH1310P, “Celum®” superpolymer SH2400P, “Celum®” superpolymer SH3400P (all of which are advanced soft materials). Etc.). Among these, “Celum (registered trademark)” superpolymer SH2400P whose linear molecule is polyethylene glycol having a weight average molecular weight of 20,000 can be preferably used.
また、サイジング剤には、ポリロタキサン(A)に加えて、ポリロタキサン(A)の分子同士の架橋を促進する化合物を含むことができる。架橋を促進する化合物の例としては、ポリロタキサン(A)の環状分子が有する活性基に対して反応する反応基を複数有する化合物が挙げられる。つまり、前記複数の反応基が、それぞれ複数のポリロタキサン(A)との活性基と反応して、化学結合を形成することにより架橋するものである。 In addition to the polyrotaxane (A), the sizing agent can contain a compound that promotes cross-linking of the molecules of the polyrotaxane (A). Examples of the compound that promotes crosslinking include a compound having a plurality of reactive groups that react with an active group of the cyclic molecule of polyrotaxane (A). That is, the plurality of reactive groups are cross-linked by reacting with an active group with a plurality of polyrotaxanes (A) to form chemical bonds.
上記反応基の例としては、イソシアネート基、チオイソシアネート基、オキシラン基、オキセタン基、カルボジイミド基、シラノール基、オキサゾリン基、およびアジリジン基などが挙げられる。より好ましくはイソシアネート基またはチオイソシアネート基であり、より好ましくはイソシアネート基である。 Examples of the reactive group include an isocyanate group, a thioisocyanate group, an oxirane group, an oxetane group, a carbodiimide group, a silanol group, an oxazoline group, and an aziridine group. An isocyanate group or a thioisocyanate group is more preferable, and an isocyanate group is more preferable.
上記反応基を複数有する化合物のより具体的な例として、ポリエーテル、ポリエステル、ポリシロキサン、ポリカーボネート、ポリ(メタ)アクリレート、またはポリエンもしくはそれらの共重合体、もしくはそれらの混合物の両端が上記の反応基により修飾された化合物を挙げることができる。 More specific examples of the compound having a plurality of the above reactive groups include polyether, polyester, polysiloxane, polycarbonate, poly (meth) acrylate, polyene or copolymers thereof, or both ends of the above reaction. Mention may be made of compounds modified by groups.
ポリロタキサン(A)と架橋を促進する化合物を混合した製品も市販されている。そのような製品の具体例としては、“セルム(登録商標)”エラストマーSH3400S、“セルム(登録商標)”エラストマーSH3400M、“セルム(登録商標)”エラストマーSH3400H(いずれもアドバンストソフトマテリアルズ(株)製)などが挙げられる。 A product in which the polyrotaxane (A) and a compound that promotes crosslinking are mixed is also commercially available. Specific examples of such products include "Celum (registered trademark)" elastomer SH3400S, "Celum (registered trademark)" elastomer SH3400M, and "Celum (registered trademark)" elastomer SH3400H (all manufactured by Advanced Soft Materials Co., Ltd.). ) And the like.
[界面活性剤(B)]
界面活性剤(B)は、ポリロタキサン(A)をサイジング剤含有液の構成成分として強化繊維に付与するために必須の成分である。界面活性剤(B)としては、ノニオン系、カチオン系、アニオン系界面活性剤が挙げられる。
[Surfactant (B)]
The surfactant (B) is an essential component for imparting the polyrotaxane (A) to the reinforcing fiber as a constituent component of the sizing agent-containing liquid. Examples of the surfactant (B) include nonionic, cationic and anionic surfactants.
ノニオン系界面活性剤の具体例としては、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル、ポリオキシエチレン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレン脂肪酸アミドエーテル、多価アルコール脂肪酸エステル、ポリオキシエチレン多価アルコール脂肪酸エステル、脂肪酸ショ糖エステル、アルキロールアミド、ポリオキシアルキレンブロックコポリマーなどを挙げることができる。 Specific examples of the nonionic surfactant include polyoxyethylene alkyl ether, polyoxyethylene alkyl phenyl ether, polyoxyethylene fatty acid ester, polyoxyethylene fatty acid amide ether, polyhydric alcohol fatty acid ester, polyoxyethylene polyhydric alcohol fatty acid. Examples thereof include esters, fatty acid sucrose esters, alkylolamides, and polyoxyalkylene block copolymers.
カチオン系界面活性剤は、陽イオン系の親水基を有する界面活性剤を指す。カチオン系界面活性剤の具体例としては、ラウリルトリメチルアンモニウムクロライド、ステアリルトリメチルアンモニウムクロライド、セチルトリメチルアンモニウムクロライド、ステアリルトリメチルアンモニウムクロライド、アルキルベンジルジメチルアンモニウムクロライドなどを挙げることができる。 The cationic surfactant refers to a surfactant having a cationic hydrophilic group. Specific examples of the cationic surfactant include lauryltrimethylammonium chloride, stearyltrimethylammonium chloride, cetyltrimethylammonium chloride, stearyltrimethylammonium chloride, and alkylbenzyldimethylammonium chloride.
アニオン系界面活性剤は、陰イオン系の親水基を有する界面活性剤を指す。アニオン系界面活性剤の具体例としては、アルキル硫酸ナトリウム、アルキルベンゼン硫酸ナトリウム、アルキルジフェニルエーテル硫酸ナトリウムなどを挙げることができる。 An anionic surfactant refers to a surfactant having an anionic hydrophilic group. Specific examples of the anionic surfactant include sodium alkyl sulfate, sodium alkylbenzene sulfate, sodium alkyldiphenyl ether sulfate and the like.
本発明のサイジング剤は、ポリロタキサン(A)と界面活性剤(B)の質量比(B)/(A)は0.1〜1.5であることを必須とする。(B)/(A)が0.1未満であると、ポリロタキサン分子に配位する界面活性剤が少なく、良好な水分散性が得られない。(B)/(A)が1.5よりも大きいと、ポリロタキサン(A)の分散に寄与しない余剰の界面活性剤(B)が繊維強化複合材料とした際の物性に悪影響を与える。分散性と繊維強化複合材料の物性面から、(B)/(A)が0.3〜1.3がより好ましい。 In the sizing agent of the present invention, it is essential that the mass ratio (B) / (A) of the polyrotaxane (A) and the surfactant (B) is 0.1 to 1.5. When (B) / (A) is less than 0.1, there are few surfactants coordinated to the polyrotaxane molecule, and good water dispersibility cannot be obtained. When (B) / (A) is larger than 1.5, the surplus surfactant (B) that does not contribute to the dispersion of the polyrotaxane (A) adversely affects the physical properties of the fiber-reinforced composite material. From the viewpoint of dispersibility and physical properties of the fiber-reinforced composite material, (B) / (A) is more preferably 0.3 to 1.3.
界面活性剤(B)が、少なくともノニオン系界面活性剤を含むことが好ましい。ノニオン系界面活性剤は電荷をもたないため、繊維強化複合材料のマトリックス樹脂の反応性に影響しないため、繊維強化複合材料の物性に悪影響を与えにくい。 It is preferable that the surfactant (B) contains at least a nonionic surfactant. Since the nonionic surfactant does not have an electric charge and does not affect the reactivity of the matrix resin of the fiber reinforced composite material, it does not easily affect the physical properties of the fiber reinforced composite material.
さらに、界面活性剤(B)が、少なくともHLB値が10未満であるノニオン系界面活性剤を含むことが好ましい。ノニオン系界面活性剤は、非イオン性の親水基と疎水基を有しており、親水性、疎水性の指標としてHLB値がある。HLB値は0から20の間の数字で表され、0に近いほど疎水性が高く、20に近いほど親水性が高くなる。理由は定かではないが、親水基を有するポリロタキサン(A)にHLB値が10未満の疎水性の高い界面活性剤が配位することで、親水性相互作用によるポリロタキサン分子間の凝集を抑制しているため、良好な水分散性が得られると考える。 Furthermore, the surfactant (B) preferably contains a nonionic surfactant having an HLB value of less than 10. The nonionic surfactant has a nonionic hydrophilic group and a hydrophobic group, and has an HLB value as an index of hydrophilicity and hydrophobicity. The HLB value is represented by a number between 0 and 20, and the closer to 0, the higher the hydrophobicity, and the closer to 20, the higher the hydrophilicity. The reason is not clear, but the polyrotaxane (A) having a hydrophilic group coordinates with a highly hydrophobic surfactant having an HLB value of less than 10, thereby suppressing aggregation between polyrotaxane molecules due to hydrophilic interaction. Therefore, it is considered that good water dispersibility can be obtained.
さらに、界面活性剤(B)が、少なくともHLB値が10未満であるノニオン系界面活性剤と、HLB値が10以上の界面活性剤とを含むことが好ましい。理由は定かではないが、親水基を有するポリロタキサン(A)にHLB値が10未満の疎水性の高い界面活性剤が配位し、さらにHLB値が10以上の親水性が高いポリロタキサン(A)が配位することで、界面活性剤同士の疎水性相互作用を抑制し、良好な水分散性が得られると考える。 Furthermore, it is preferable that the surfactant (B) contains at least a nonionic surfactant having an HLB value of less than 10 and a surfactant having an HLB value of 10 or more. Although the reason is not clear, a highly hydrophobic surfactant having a HLB value of less than 10 is coordinated to the polyrotaxane (A) having a hydrophilic group, and a polyrotaxane (A) having a high hydrophilicity having an HLB value of 10 or more By coordinating, it is considered that the hydrophobic interaction between the surfactants can be suppressed and good water dispersibility can be obtained.
サイジング剤は、ポリロタキサン(A)、界面活性剤(B)の他に、エポキシ基を有する化合物をさらに含むことが好ましい。エポキシ基は、強化繊維の表面官能基と相互作用し、強化繊維表面との接着性を向上させるとともに、マトリックス樹脂、とりわけエポキシ樹脂との相互作用および反応性が高い。これにより、高い層間破壊靱性を有するとともに、強化繊維とマトリックス樹脂との接着性に優れた繊維強化複合材料を得ることができる。 The sizing agent preferably further contains a compound having an epoxy group in addition to the polyrotaxane (A) and the surfactant (B). The epoxy group interacts with the surface functional group of the reinforcing fiber to improve adhesion with the surface of the reinforcing fiber, and has high interaction and reactivity with the matrix resin, particularly the epoxy resin. Thereby, while having high interlaminar fracture toughness, the fiber reinforced composite material excellent in the adhesiveness of a reinforced fiber and matrix resin can be obtained.
エポキシを有する化合物としては、脂肪族エポキシ化合物でも、芳香族エポキシ化合物でもよい。これらの化合物は、単独でまたは2種以上を組み合わせて使用することができる。エポキシを有する化合物の具体例としては、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などが挙げられる。 The compound having an epoxy may be an aliphatic epoxy compound or an aromatic epoxy compound. These compounds can be used alone or in combination of two or more. Specific examples of the compound having an epoxy include 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, a glycidyl ester type epoxy compound derived from a polycarboxylic acid, 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挙げられる。また、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、ポリブチレングリコール、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、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、グリセリン、ジグリセリン、ポリグリセリン、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挙げられる。また、このエポキシ化合物としては、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、および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が挙げられる。 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 and epichlorohydride Examples include glycidyl ether type epoxy compounds obtained by reaction with phosphorus. Also, ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, tetraethylene glycol, polyethylene glycol, propylene glycol, dipropylene glycol, tripropylene glycol, tetrapropylene glycol, polypropylene glycol, trimethylene glycol, polybutylene glycol, 1,2-butanediol 1,3-butanediol, 1,4-butanediol, 2,3-butanediol, 1,5-pentanediol, neopentyl glycol, 1,6-hexanediol, 1,4-cyclohexanedimethanol, hydrogenated Bisphenol A, hydrogenated bisphenol F, glycerin, diglycerin, polyglycerin, trimethylolpropane, pentaerythritol, sorbitol, and arabito If, glycidyl ether type epoxy compound obtained by the reaction of epichlorohydrin. Examples of the epoxy compound include a glycidyl ether type epoxy compound having a dicyclopentadiene skeleton and a glycidyl ether type epoxy compound having a biphenylaralkyl 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、1,3−ビス(アミノメチル)シクロヘキサン、m−キシレンジアミン、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。さらに、例えば、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。 Examples of the glycidylamine type epoxy compound include N, N-diglycidylaniline, N, N-diglycidyl-o-toluidine, 1,3-bis (aminomethyl) cyclohexane, m-xylenediamine, m-phenylenediamine, 4 4,4'-diaminodiphenylmethane and 9,9-bis (4-aminophenyl) fluorene. Furthermore, for example, epoxy compounds obtained by reacting both hydroxyl groups and amino groups of aminophenols of m-aminophenol, p-aminophenol, and 4-amino-3-methylphenol with epichlorohydrin are mentioned. It is done.
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、およびダイマー酸を、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 glycidyl ester type epoxy compounds obtained by reacting phthalic acid, terephthalic acid, hexahydrophthalic acid, and 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や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 and epoxidized soybean oil.
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。さらには、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などが挙げられる。 In addition to these epoxy compounds, epoxy compounds such as triglycidyl isocyanurate can be mentioned. Furthermore, the epoxy compound synthesize | combined from the epoxy compound mentioned above as a raw material, for example, the epoxy compound synthesize | combined by oxazolidone ring formation reaction from bisphenol A diglycidyl ether and tolylene diisocyanate, etc. are mentioned.
さらに、エポキシ化合物として、1個以上のエポキシ基と、アミド基、イミド基、ウレタン基、ウレア基、スルホニル基、およびスルホ基から選ばれる、1個以上の官能基とを有するエポキシ化合物を用いることもできる。 Furthermore, an epoxy compound having one or more epoxy groups and one or more functional groups selected from an amide group, an imide group, a urethane group, a urea group, a sulfonyl group, and a sulfo group is used as the epoxy compound. You can also.
エポキシ基と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化合物は、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 epoxy group and an amide group include glycidyl benzamide and an amide-modified epoxy compound. The amide-modified epoxy compound 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.
エポキシ基と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(登録商標)”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 epoxy group and an imide group include glycidyl phthalimide. Specific examples include “Denacol (registered trademark)” EX-731 (manufactured by Nagase ChemteX Corporation).
エポキシ基と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る。具体的には“アデカレジン(登録商標)”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化合物を反応させ、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られる化合物が挙げられる。ここで、用いられる多価イソシアネート化合物としては、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、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、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。 Examples of the compound having an epoxy group and a urethane 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 and EPU-1395 (Made by ADEKA Corporation). Alternatively, the terminal hydroxyl group of polyethylene oxide monoalkyl ether is reacted with a polyvalent isocyanate compound having a reaction equivalent to the amount of the hydroxyl group, and then the isocyanate residue of the obtained reaction product is reacted with the hydroxyl group in the polyvalent epoxy compound. The compound obtained by is mentioned. Here, as the polyvalent isocyanate compound used, 2,4-tolylene diisocyanate, metaphenylene diisocyanate, paraphenylene diisocyanate, diphenylmethane diisocyanate, hexamethylene diisocyanate, isophorone diisocyanate, norbornane diisocyanate, triphenylmethane triisocyanate and biphenyl-2 4,4′-triisocyanate and the like.
エポキシ基と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化合物は、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 epoxy group and a urea group include a urea-modified epoxy compound. The urea-modified epoxy compound can be obtained by reacting the epoxy group of an epoxy compound having two or more epoxy groups with the carboxyl group of the dicarboxylic acid urea.
エポキシ基と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型エポキシ化合物等が挙げられる。 Examples of the compound having an epoxy group and a sulfonyl group include a bisphenol S-type epoxy compound.
エポキシ基と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化合物および3−ニトロベンゼンスルホン酸グリシジル化合物等が挙げられる。 Examples of the compound having an epoxy group and a sulfo group include a p-toluenesulfonic acid glycidyl compound and a 3-nitrobenzenesulfonic acid glycidyl compound.
エポキシを有する化合物のエポキシ価は2.0meq/g以上であることが好ましい。エポキシ化合物のエポキシ価が、2.0meq/g以上であると、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。エポキシ価の上限は特にないが、8.0meq/gあれば、強化繊維との相互作用が強化されるため、接着性の観点から十分である。エポキシ化合物のエポキシ価が3.0〜7.0meq/gであることがより好ましい。 The epoxy value of the compound having an epoxy is preferably 2.0 meq / g or more. When the epoxy value of the epoxy compound is 2.0 meq / g or more, 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. The upper limit of the epoxy value is not particularly limited, but 8.0 meq / g is sufficient from the viewpoint of adhesiveness because the interaction with the reinforcing fiber is reinforced. The epoxy value of the epoxy compound is more preferably 3.0 to 7.0 meq / g.
エポキシ基を有する化合物は、上述したなかでも、高い接着性の観点から、分子内にエポキシ基を2個以上有するポリエーテル型ポリエポキシ化合物およびポリオール型ポリエポキシ化合物から選ばれた化合物が好ましい。エポキシ基の数が増えると、強化繊維表面の官能基との相互作用が増えることにより接着性がさらに強化される。さらに、分子内に水酸基およびエーテル結合から選ばれた基を有することで、強化繊維表面の官能基との相互作用が強化されるため、得られる繊維強化複合材料の物性が向上する。エポキシ基の数に上限はないが、接着性の観点からは10個で十分である。 Among the compounds described above, the compound having an epoxy group is preferably a compound selected from a polyether-type polyepoxy compound and a polyol-type polyepoxy compound having two or more epoxy groups in the molecule from the viewpoint of high adhesiveness. As the number of epoxy groups increases, the adhesion is further strengthened by increasing the interaction with the functional groups on the surface of the reinforcing fiber. Furthermore, by having a group selected from a hydroxyl group and an ether bond in the molecule, the interaction with the functional group on the surface of the reinforcing fiber is strengthened, so that the physical properties of the obtained fiber-reinforced composite material are improved. There is no upper limit to the number of epoxy groups, but 10 is sufficient from the viewpoint of adhesiveness.
エポキシを有する化合物は、グリセリン、ジグリセリン、ポリグリセリン、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から選択される1種以上の化合物と、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さらに好ましい。これらの化合物は分子鎖が柔軟であるため、強化繊維表面の官能基との相互作用がさらに大きくなり、繊維強化複合材料の物性がさらに向上する。 The compound having an epoxy is a glycidyl ether type epoxy obtained by reaction of at least one compound selected from glycerin, diglycerin, polyglycerin, trimethylolpropane, pentaerythritol, sorbitol, and arabitol with epichlorohydrin. More preferably, it is a compound. Since these compounds have flexible molecular chains, the interaction with the functional group on the surface of the reinforcing fiber is further increased, and the physical properties of the fiber-reinforced composite material are further improved.
これらの化合物の製品の具体例として、ポリグリセリンポリグリシジルエーテル(例えば、ナガセケムテックス(株)製の“デナコール(登録商標)”EX−512、EX−521)、トリメチロールプロパンポリグリシジルエーテル(例えば、ナガセケムテックス(株)製の“デナコール(登録商標)”EX−321)、グリセリンポリグリシジルエーテル(例えば、ナガセケムテックス(株)製の“デナコール(登録商標)”EX−313、EX−314)、ソルビトールポリグリシジルエーテル(例えば、ナガセケムテックス(株)製の“デナコール(登録商標)”EX−611、EX−612、EX−614、EX−614B、EX−622)、ペンタエリスリトールポリグリシジルエーテル(例えば、ナガセケムテックス(株)製の“デナコール(登録商標)”EX−411)などを挙げることができる。これらの化合物は、単独でまたは2種以上を組み合わせて使用することができる。 Specific examples of products of these compounds include polyglycerin polyglycidyl ether (for example, “Denacol (registered trademark)” EX-512, EX-521 manufactured by Nagase ChemteX Corporation), trimethylolpropane polyglycidyl ether (for example, "Denacol (registered trademark) EX-321" manufactured by Nagase ChemteX Corporation, glycerin polyglycidyl ether (for example, "Denacol (registered trademark)" EX-313, EX-314 manufactured by Nagase ChemteX Corporation) ), Sorbitol polyglycidyl ether (for example, “Denacol (registered trademark)” EX-611, EX-612, EX-614, EX-614B, EX-622 manufactured by Nagase ChemteX Corporation), pentaerythritol polyglycidyl ether (For example, manufactured by Nagase ChemteX Corporation "Denacol (registered trademark)" EX-411), and the like. These compounds can be used alone or in combination of two or more.
また、サイジング剤中におけるポリロタキサン(A)の含有比率は、サイジング剤全量に対して、5質量%以上であることが好ましく、より好ましくは10質量%以上、さらに好ましくは15質量%以上である。ポリロタキサン(A)の含有比率が5質量%以上であると、繊維強化複合材料とした際に、ポリロタキサン(A)の高伸度および高靭性の物性がより有効に発現する。また、ポリロタキサン(A)の含有比率は、サイジング剤全量に対して、50質量%以下であることが好ましく、より好ましくは40質量%以下である。ポリロタキサン(A)の含有比率が50質量%以下であると、ポリロタキサン(A)の可塑性がマトリックス樹脂に対し適度に作用して繊維強化複合材料の引張強度がより高くなる傾向にある。 Moreover, it is preferable that the content ratio of the polyrotaxane (A) in a sizing agent is 5 mass% or more with respect to the sizing agent whole quantity, More preferably, it is 10 mass% or more, More preferably, it is 15 mass% or more. When the content ratio of the polyrotaxane (A) is 5% by mass or more, the high elongation and high toughness properties of the polyrotaxane (A) are more effectively expressed when the fiber reinforced composite material is used. Moreover, it is preferable that the content ratio of a polyrotaxane (A) is 50 mass% or less with respect to the total amount of a sizing agent, More preferably, it is 40 mass% or less. When the content ratio of the polyrotaxane (A) is 50% by mass or less, the plasticity of the polyrotaxane (A) acts appropriately on the matrix resin, and the tensile strength of the fiber-reinforced composite material tends to be higher.
また、サイジング剤中におけるエポキシ基を有する化合物は、サイジング剤全量に対して、5質量%以上含まれることが好ましく、より好ましくは30質量%以上、さらに好ましくは50質量%以上である。また、サイジング剤中におけるエポキシ基を有する化合物は、サイジング剤全量に対して、90質量%以下の比率で含まれることが好ましく、より好ましくは85質量%以下、さらに好ましくは80質量%以下である。 Moreover, it is preferable that the compound which has an epoxy group in a sizing agent is contained 5 mass% or more with respect to the sizing agent whole quantity, More preferably, it is 30 mass% or more, More preferably, it is 50 mass% or more. Moreover, it is preferable that the compound which has an epoxy group in a sizing agent is contained in the ratio of 90 mass% or less with respect to the sizing agent whole quantity, More preferably, it is 85 mass% or less, More preferably, it is 80 mass% or less. .
本発明におけるサイジング剤中におけるポリロタキサン(A)、界面活性剤(B)およびエポキシ基を有する化合物は、サイジング剤塗布強化繊維を溶媒中に浸漬し超音波洗浄を行うことで溶出させることができる。溶媒としては、例えば、アセトン、N,N−ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、ジクロロメタン、クロロホルムやこれらの混合液を好ましく用いることができる。また、サイジング剤中におけるポリロタキサン(A)やエポキシ基を有する化合物の割合は、この溶出液を用いてガスクロマトグラフィー、液体クロマトグラフィー、核磁気共鳴分光法(NMR)、酸化還元滴定法、酸塩基滴定法などにより求めることができる。 The polyrotaxane (A), the surfactant (B) and the compound having an epoxy group in the sizing agent in the present invention can be eluted by immersing the sizing agent-coated reinforcing fiber in a solvent and performing ultrasonic cleaning. As the solvent, for example, acetone, N, N-dimethylformamide, acetonitrile, dichloromethane, chloroform or a mixture thereof can be preferably used. The ratio of the polyrotaxane (A) and the compound having an epoxy group in the sizing agent is determined by gas chromatography, liquid chromatography, nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR), oxidation-reduction titration method, acid-base using this eluate. It can be determined by a titration method or the like.
また、サイジング剤は、上記以外の成分を含んでも良い。例えば、サイジング剤と強化繊維および/またはマトリックス樹脂との接着性を高める接着性促進成分等の補助成分を添加することができる。 Further, the sizing agent may contain components other than those described above. For example, auxiliary components such as an adhesion promoting component that enhances the adhesion between the sizing agent and the reinforcing fibers and / or the matrix resin can be added.
接着性促進成分としては、トリイソプロピルアミン、ジブチルエタノールアミン、ジエチルエタノールアミン、トリイソプロパノールアミン、ジイソプロピルエチルアミン、N−ベンジルイミダゾールや、1,8−ジアザビシクロ[5,4,0]−7−ウンデセン(DBU)、1,5−ジアザビシクロ[4,3,0]−5−ノネン(DBN)、1,4−ジアザビシクロ[2,2,2]オクタン、5、6−ジブチルアミノ−1,8−ジアザ−ビシクロ[5,4,0]ウンデセン−7(DBA)等の3級アミン化合物およびその塩;トリブチルホスフィン、トリフェニルホスフィン等のホスフィン化合物および4級ホスホニウム塩などが挙げられる。これらの化合物は、サイジング剤全量に対して好ましくは1〜25質量%、さらに好ましくは2〜8質量%配合するのがよい。 Examples of the adhesion promoting component include triisopropylamine, dibutylethanolamine, diethylethanolamine, triisopropanolamine, diisopropylethylamine, N-benzylimidazole, 1,8-diazabicyclo [5,4,0] -7-undecene (DBU). ), 1,5-diazabicyclo [4,3,0] -5-nonene (DBN), 1,4-diazabicyclo [2,2,2] octane, 5,6-dibutylamino-1,8-diaza-bicyclo Tertiary amine compounds such as [5,4,0] undecene-7 (DBA) and salts thereof; phosphine compounds such as tributylphosphine and triphenylphosphine; and quaternary phosphonium salts. These compounds are preferably added in an amount of 1 to 25% by mass, more preferably 2 to 8% by mass, based on the total amount of the sizing agent.
さらに、本発明の効果に影響しない範囲で、適宜、ポリエステル化合物および不飽和ポリエステル化合物等を添加してもよい。 Furthermore, you may add a polyester compound, an unsaturated polyester compound, etc. suitably in the range which does not affect the effect of this invention.
さらに、本発明の効果に影響しない範囲で、適宜、サイジング剤塗布強化繊維に収束性あるいは柔軟性を付与する成分を添加してもよい。これによりサイジング剤塗布強化繊維の取り扱い性、耐擦過性および耐毛羽性を高め、またマトリックス樹脂の含浸性を向上させることができる。 Furthermore, as long as the effect of the present invention is not affected, a component that imparts convergence or flexibility to the sizing agent-coated reinforcing fiber may be appropriately added. Thereby, the handleability, abrasion resistance and fluff resistance of the sizing agent-coated reinforcing fiber can be improved, and the impregnation property of the matrix resin can be improved.
強化繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、炭化ケイ素繊維などの各種無機繊維;芳香族ポリアミド繊維(アラミド繊維)、ポリエチレン繊維、ポリエチレンテレフタレート繊維、ポリブチレンテレフタレート繊維、ポリエチレンナフタレート繊維、ポリアリレート繊維、ポリアセタール繊維、PBO繊維、ポリフェニレンサルフィド繊維、ポリケトン繊維などの各種有機繊維、を挙げることができるが、これらに限定されない。なかでも炭素繊維、ガラス繊維などの無機繊維や、芳香族ポリアミド繊維が好ましく、炭素繊維がより好ましい。特に比強度および比弾性率が良好で、軽量かつ高強度の繊維強化複合材料が得られるポリアクリロニトリル系炭素繊維が好ましい。 Reinforcing fibers include carbon fibers, glass fibers, ceramic fibers, silicon carbide fibers and other inorganic fibers; aromatic polyamide fibers (aramid fibers), polyethylene fibers, polyethylene terephthalate fibers, polybutylene terephthalate fibers, polyethylene naphthalate fibers, poly Various organic fibers such as arylate fiber, polyacetal fiber, PBO fiber, polyphenylene sulfide fiber, and polyketone fiber can be exemplified, but are not limited thereto. Of these, inorganic fibers such as carbon fibers and glass fibers, and aromatic polyamide fibers are preferable, and carbon fibers are more preferable. Particularly preferred are polyacrylonitrile-based carbon fibers which have good specific strength and specific elastic modulus, and can provide a lightweight and high-strength fiber-reinforced composite material.
次に、ポリアクリロニトリル系炭素繊維の製造方法について説明する。 Next, the manufacturing method of polyacrylonitrile-type carbon fiber is demonstrated.
炭素繊維の前駆体繊維を得るための紡糸方法としては、湿式、乾式および乾湿式等の紡糸方法を用いることができる。高強度の炭素繊維が得られやすいという観点から、湿式あるいは乾湿式紡糸方法を用いることが好ましい。 As a spinning method for obtaining a carbon fiber precursor fiber, spinning methods such as wet, dry, and dry-wet can be used. From the viewpoint of easily obtaining high-strength carbon fibers, it is preferable to use a wet or dry wet spinning method.
炭素繊維の総繊度は、400〜3000テックス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1000〜100000本であり、さらに好ましくは3000〜50000本である。炭素繊維とマトリックス樹脂との接着性をさらに向上するために、表面粗さ(Ra)が6.0〜100nmの炭素繊維に上記のサイジング剤を塗布することが好ましい。表面粗さ(Ra)が6.0〜100nmの炭素繊維を得るためには、湿式紡糸方法により前駆体繊維を紡糸することが好ましい。 The total fineness of the carbon fibers is preferably 400 to 3000 tex. Moreover, the number of filaments of carbon fiber is preferably 1000 to 100,000, and more preferably 3000 to 50000. In order to further improve the adhesion between the carbon fibers and the matrix resin, it is preferable to apply the above sizing agent to carbon fibers having a surface roughness (Ra) of 6.0 to 100 nm. In order to obtain a carbon fiber having a surface roughness (Ra) of 6.0 to 100 nm, it is preferable to spin the precursor fiber by a wet spinning method.
湿式紡糸方法において、紡糸原液には、ポリアクリロニトリルのホモポリマーあるいは共重合体を溶剤に溶解した溶液を用いることができる。溶剤としてはジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミドなどの有機溶剤や、硝酸、ロダン酸ソーダ、塩化亜鉛、チオシアン酸ナトリウムなどの無機化合物の水溶液を使用する。ジメチルスルホキシドまたはジメチルアセトアミドが溶剤として好適である。 In the wet spinning method, a solution obtained by dissolving a polyacrylonitrile homopolymer or copolymer in a solvent can be used as the spinning dope. As the solvent, an organic solvent such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, or dimethylacetamide, or an aqueous solution of an inorganic compound such as nitric acid, sodium rhodanate, zinc chloride, or sodium thiocyanate is used. Dimethyl sulfoxide or dimethylacetamide is preferred as the solvent.
上記の紡糸原液を口金に通して紡糸し、紡糸浴中に吐出して凝固させる。紡糸浴としては、紡糸原液の溶剤として使用した溶剤の水溶液を用いることができる。紡糸原液の溶剤と同じ溶剤を含む紡糸液とすることが好ましく、ジメチルスルホキシド水溶液またはジメチルアセトアミド水溶液が好適である。紡糸浴中で凝固した繊維を、水洗および、延伸して前駆体繊維を得る。得られた前駆体繊維に耐炎化処理と炭化処理を行い、必要によってはさらに黒鉛化処理をすることにより炭素繊維を得る。炭化処理と黒鉛化処理の条件としては、最高熱処理温度が1100℃以上であることが好ましく、より好ましくは1300〜3000℃である。 The above spinning solution is spun through a die and discharged into a spinning bath to be solidified. As the spinning bath, an aqueous solution of a solvent used as a solvent for the spinning dope can be used. A spinning solution containing the same solvent as the spinning solution is preferably used, and a dimethyl sulfoxide aqueous solution or a dimethylacetamide aqueous solution is preferable. The fibers solidified in the spinning bath are washed with water and drawn to obtain precursor fibers. The obtained precursor fiber is subjected to flameproofing treatment and carbonization treatment, and if necessary, further subjected to graphitization treatment to obtain carbon fiber. As conditions for the carbonization treatment and graphitization treatment, the maximum heat treatment temperature is preferably 1100 ° C. or higher, more preferably 1300 to 3000 ° C.
強度と弾性率の高い炭素繊維を得られるという観点から、細繊度の炭素繊維が好ましく用いられる。具体的には、炭素繊維の単繊維径が、7.5μm以下であることが好ましく、6μm以下であることがより好ましく、さらには5.5μm以下であることが好ましい。単繊維径の下限は特にないが、4.5μm未満では工程における単繊維切断が起きやすく生産性が低下する場合があるので、4.5μm以上が好ましい。 From the viewpoint of obtaining carbon fibers having high strength and elastic modulus, carbon fibers having fineness are preferably used. Specifically, the single fiber diameter of the carbon fiber is preferably 7.5 μm or less, more preferably 6 μm or less, and further preferably 5.5 μm or less. The lower limit of the single fiber diameter is not particularly limited, but if it is less than 4.5 μm, the single fiber is likely to be cut in the process, and the productivity may be lowered.
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、酸素含有官能基が表面に導入される。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。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 carbon fiber is usually subjected to an oxidation treatment in order to improve adhesion with the matrix resin, and oxygen-containing functional groups are introduced to the surface. As the oxidation treatment method, gas phase oxidation, liquid phase oxidation and liquid phase electrolytic oxidation are used. From the viewpoint of high productivity and uniform processing, liquid phase electrolytic oxidation is preferably used.
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。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。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。 Examples of the electrolytic solution used in the liquid phase electrolytic oxidation include an acidic electrolytic solution and an alkaline electrolytic solution. 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. 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.
サイジング剤成分と炭素繊維表面の酸素含有官能基との共有結合形成が促進され、接着性がさらに向上するという観点から、炭素繊維をアルカリ性電解液で電解酸化処理した後、または炭素繊維を酸性水溶液中で電解酸化処理し、続いてアルカリ性水溶液で洗浄した後、サイジング剤を塗布することが好ましい。炭素繊維を電解酸化処理した場合、炭素繊維表面において過剰に酸化された部分が脆弱層として存在し、複合材料にした場合の破壊の起点となる場合があるため、過剰に酸化された部分をアルカリ性水溶液で溶解除去することが好ましいと考えられる。 From the viewpoint that the covalent bond formation between the sizing agent component and the oxygen-containing functional group on the surface of the carbon fiber is promoted and the adhesion is further improved, after the carbon fiber is electrolytically oxidized with an alkaline electrolytic solution, or the carbon fiber is an acidic aqueous solution It is preferable to apply a sizing agent after electrolytic oxidation treatment in the substrate, followed by washing with an alkaline aqueous solution. When carbon fiber is subjected to electrolytic oxidation treatment, an excessively oxidized part on the surface of the carbon fiber exists as a fragile layer and may become a starting point of destruction when made into a composite material. It is considered preferable to dissolve and remove with an aqueous solution.
洗浄に用いられるアルカリ性水溶液のpHは、7〜14の範囲内であることが好ましく、より好ましくは10〜14の範囲内である。アルカリ性水溶液としては、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、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。炭素繊維をアルカリ性水溶液で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。 The pH of the alkaline aqueous solution used for washing is preferably in the range of 7 to 14, and more preferably in the range of 10 to 14. Specific examples of the alkaline aqueous solution 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, and barium carbonate. And aqueous solutions of carbonates such as 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 hydrazine An aqueous solution of 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 or ammonium hydrogen carbonate, or an aqueous solution of tetraalkylammonium hydroxide exhibiting strong alkalinity is preferably used. As a method for washing the carbon fiber with an alkaline aqueous solution, for example, a dip method and a spray method can be used. Among these, from the viewpoint of easy cleaning, it is preferable to use the dip method, and it is more preferable to use the dip method while vibrating the carbon fiber with ultrasonic waves.
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、電解酸化処理の電圧が下げられ、運転コスト的に有利になる。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 is preferably within a range of 0.01 to 5 mol / liter, and more preferably within a range of 0.1 to 1 mol / liter. When the concentration of the electrolytic solution is 0.01 mol / liter or more, the voltage of the electrolytic oxidation treatment is lowered, which is advantageous in terms of 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.
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、電解酸化処理の効率が向上し、運転コスト的に有利になる。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 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 oxidation treatment is improved, which is advantageous in terms of 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.
液相電解酸化における電流密度は、電解液中の炭素繊維の表面積1m2当たり1.5〜1000アンペア/m2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/m2の範囲内である。電流密度が1.5アンペア/m2以上であると、電解酸化処理の効率が向上し、運転コスト的に有利になる。一方、電流密度が1000アンペア/m2以下であると、安全性の観点から有利になる。 The current density in the liquid phase electrolytic oxidation is preferably in the range of surface area 1 m 2 per 1.5 to 1000 amps / m 2 of carbon fiber in the electrolyte solution, more preferably from 3 to 500 amps / m 2 Is within. When the current density is 1.5 amperes / m 2 or more, the efficiency of the electrolytic oxidation treatment is improved, which is advantageous in terms of 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.
液相電解酸化処理における電気量は、炭素繊維の炭化度に合わせて最適化することが好ましい。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。 The amount of electricity in the liquid phase electrolytic oxidation treatment is preferably optimized according to the carbonization degree of the carbon fiber. When processing high-modulus carbon fiber, a larger amount of electricity is required.
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0.07〜0.30の範囲内のものであり、さらに好ましくは0.10〜0.30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0.5以下であることにより、酸化による炭素繊維自体の強度の低下を抑えることができる。 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 as measured by X-ray photoelectron spectroscopy of 0.05 to 0.00. Those within the range of 50 are preferred, more preferably within the range of 0.07 to 0.30, and even more preferably within the range of 0.10 to 0.30. 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. Moreover, when the surface oxygen concentration (O / C) is 0.5 or less, a decrease in strength of the carbon fiber itself due to oxidation can be suppressed.
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ることができる。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長さ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に保つ。測定時の帯電に伴うピークの補正値としてC1sの主ピーク(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られる。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。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できる。 The surface oxygen concentration of the carbon fiber can be 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 a length of 20 mm, spread and arranged on a copper sample support, and then AlKα1 and 2 were used as an X-ray source. The sample chamber is kept at 1 × 10 −8 Torr. As a correction value for the peak accompanying charging during measurement, the binding energy value of the main peak (peak top) of C 1s 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. The O 1s peak area is obtained by drawing a straight base line in the range of 528 to 540 eV. Here, the surface oxygen concentration can be 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.
炭素繊維を液相電解酸化処理またはアルカリ性水溶液で洗浄した後、水洗および乾燥することが好ましい。この場合、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い。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。一方、乾燥の効率を考慮すれば、乾燥温度は110℃以上であることが好ましく、140℃以上であることがより好ましい。 The carbon fibers are preferably washed with a liquid phase electrolytic oxidation treatment or an alkaline aqueous solution, then washed with water and dried. In this case, 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, and thus it is desirable to dry at the lowest possible temperature. Specifically, the drying is performed at a drying temperature of preferably 250 ° C. or lower, more preferably 210 ° C. or lower. On the other hand, considering the efficiency of drying, the drying temperature is preferably 110 ° C. or higher, and more preferably 140 ° C. or higher.
以上のようにして、好ましく用いられる炭素繊維を得ることができる。 As described above, carbon fibers that are preferably used can be obtained.
炭素繊維のストランド強度は、3.5GPa以上であることが好ましく、より好ましくは4GPa以上であり、さらに好ましくは5GPaである。また、炭素繊維のストランド弾性率は、220GPa以上であることが好ましく、より好ましくは240GPa以上であり、さらに好ましくは280GPa以上である。なお、炭素繊維束のストランド引張強度および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より求めることができる。 The strand strength of the carbon fiber is preferably 3.5 GPa or more, more preferably 4 GPa or more, and further preferably 5 GPa. Moreover, it is preferable that the strand elastic modulus of carbon fiber is 220 GPa or more, More preferably, it is 240 GPa or more, More preferably, it is 280 GPa or more. In addition, the strand tensile strength and strand elastic modulus of a carbon fiber bundle can be calculated | required by the resin impregnation strand test method of JIS-R-7608 (2004).
次に、本発明のサイジング塗布強化繊維の製造方法について述べる。 Next, a method for producing the sizing coated reinforcing fiber of the present invention will be described.
少なくともポリロタキサン(A)と界面活性剤(B)を含むサイジング剤を溶媒で希釈して用いることができる。このような溶媒としては、例えば、水、メタノール、エタノール、2−プロパノール、アセトン、メチルエチルケトン、ジメチルホルムアミド、およびジメチルアセトアミドが挙げられる。なかでも、取扱いが容易であり、安全性の観点から有利であることから、水やジメチルホルムアミドが好ましく用いられ、そのうち特に水が好ましく用いられる。 A sizing agent containing at least a polyrotaxane (A) and a surfactant (B) can be diluted with a solvent and used. Examples of such a solvent include water, methanol, ethanol, 2-propanol, acetone, methyl ethyl ketone, dimethylformamide, and dimethylacetamide. Among these, water and dimethylformamide are preferably used because of easy handling and advantageous from the viewpoint of safety, and water is particularly preferably used.
本発明におけるサイジング剤含有液は、少なくともポリロタキサン(A)と界面活性剤(B)を含み、(A)と(B)の質量比(B)/(A)が0.1〜1.5の組成として乳化させることで得られる水性エマルジョンが好ましい。この時に、少なくともポリロタキサン(A)と界面活性剤(B)をあらかじめ均一な状態で混合して、少量ずつ水を添加することにより、水性エマルジョンを調整することができる。また、調整した水性エマルジョンには、エポキシ基を有する化合物やその他の安定化成分を含んでも良い。 The sizing agent-containing liquid in the present invention contains at least a polyrotaxane (A) and a surfactant (B), and the mass ratio (B) / (A) of (A) and (B) is 0.1 to 1.5. An aqueous emulsion obtained by emulsifying as a composition is preferred. At this time, an aqueous emulsion can be prepared by mixing at least the polyrotaxane (A) and the surfactant (B) in a uniform state and adding water little by little. The prepared aqueous emulsion may contain an epoxy group-containing compound and other stabilizing components.
水性エマルジョンの分散安定性は、水性エマルジョン作成後の静置後の沈殿物量から判断することができる。初期に対する沈殿物重量が少なければ十分な分散安定性を有すると判断することができる。 The dispersion stability of the aqueous emulsion can be judged from the amount of precipitate after standing after preparation of the aqueous emulsion. If the precipitate weight relative to the initial amount is small, it can be determined that the dispersion has sufficient dispersion stability.
サイジング剤含有液におけるサイジング剤の濃度は、通常は0.2〜20質量%の範囲が好ましい。 The concentration of the sizing agent in the sizing agent-containing liquid is usually preferably in the range of 0.2 to 20% by mass.
少なくともポリロタキサン(A)と界面活性剤(B)を含み、(A)と(B)の質量比(B)/(A)が0.1〜1.5の組成として乳化させることでなる水性エマルジョンの粒度分布計による粒径は100〜600ナノメートルであることが好ましい。より好ましくは500ナノメートル以下であり、更に好ましくは300ナノメートル以下の範囲である。上記の範囲であると、水中での分散性が良好であり、サイジング剤の長期安定性が向上する。また、炭素繊維にサイジング剤を塗布した時にサイジング剤を均一に付与する事ができる。 An aqueous emulsion comprising at least a polyrotaxane (A) and a surfactant (B) and emulsified as a composition having a mass ratio (B) / (A) of (A) and (B) of 0.1 to 1.5. The particle size measured by the particle size distribution meter is preferably 100 to 600 nanometers. More preferably, it is 500 nanometers or less, More preferably, it is the range of 300 nanometers or less. Within the above range, the dispersibility in water is good, and the long-term stability of the sizing agent is improved. Further, the sizing agent can be uniformly applied when the sizing agent is applied to the carbon fibers.
次に、サイジング剤の強化繊維への塗布手段について述べる。塗布方法としては、少なくともポリロタキサン(A)と界面活性剤(B)およびその他のサイジング剤成分を同時に溶解または分散したサイジング剤含有液を用いて1回で塗布する方法や、各成分を任意に選択し個別に溶解または分散したサイジング剤含有液を用いて複数回にわたり塗布する方法が好ましく用いられる。この場合、ポリロタキサン(A)と界面活性剤(B)およびその他の成分は任意の順序で付与することができる。以下に、上記のサイジング剤分散液がポリロタキサン(A)と界面活性剤(B)およびその他の成分を同時に含む場合についての塗布手段を説明するが、ポリロタキサン(A)と界面活性剤(B)を含むサイジング剤含有液とその他の成分を含むサイジング剤含有液の各々を別々に塗布する場合も同様におこなうことができる。 Next, means for applying the sizing agent to the reinforcing fibers will be described. As a coating method, at least a polyrotaxane (A), a surfactant (B), and a sizing agent-containing solution in which other sizing agent components are dissolved or dispersed at the same time are applied at once, and each component is arbitrarily selected. A method of applying the sizing agent-containing solution dissolved or dispersed individually a plurality of times is preferably used. In this case, the polyrotaxane (A), the surfactant (B) and other components can be applied in any order. The coating means for the case where the above sizing agent dispersion contains the polyrotaxane (A), the surfactant (B) and other components at the same time will be described below. The polyrotaxane (A) and the surfactant (B) are described below. The same can be done when each of the sizing agent-containing liquid containing and the sizing agent-containing liquid containing other components is applied separately.
塗布手段としては、例えば、ローラを介してサイジング剤含有液に強化繊維を浸漬する方法、サイジング剤含有液の付着したローラに強化繊維を接する方法、サイジング剤含有液を霧状にして強化繊維に吹き付ける方法などがある。また、サイジング剤の塗布手段は、バッチ式と連続式のいずれでもよいが、生産性がよく、バラツキが小さくできる連続式が好ましく用いられる。この際、強化繊維に対するサイジング剤有効成分の付着量が適正範囲内で均一になるように、サイジング剤含有液濃度および温度並びに強化繊維の糸条張力などをコントロールすることが好ましい。また、サイジング剤付与時に、強化繊維を超音波で加振させることも好ましい態様である。 Examples of the application means include, for example, a method in which reinforcing fibers are immersed in a sizing agent-containing liquid via a roller, a method in which reinforcing fibers are in contact with a roller to which the sizing agent-containing liquid is attached, and a sizing agent-containing liquid is atomized to form reinforcing fibers. There is a method of spraying. The sizing agent applying means may be either a batch type or a continuous type, but a continuous type which is good in productivity and can reduce variation is preferably used. At this time, it is preferable to control the concentration and temperature of the sizing agent-containing liquid and the yarn tension of the reinforcing fiber so that the amount of the sizing agent active component attached to the reinforcing fiber is uniform within an appropriate range. Moreover, it is also a preferable aspect that the reinforcing fiber is vibrated with ultrasonic waves when the sizing agent is applied.
サイジング剤の付着量は、サイジング剤塗布強化繊維100質量部に対して、0.1〜10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質量部の範囲である。サイジング剤の付着量が0.1質量部以上であると、サイジング剤塗布強化繊維をプリプレグ化および製織等する際に、通過する金属ガイド等による摩擦に耐えることができ、毛羽発生が抑えられ、該強化繊維を使用したプリプレグなどの品位が優れる。一方、サイジング剤の付着量が10質量部以下であると、強化繊維束周囲のサイジング剤膜に阻害されることなくマトリックス樹脂が強化繊維束内部に含浸され、得られる複合材料においてボイド生成が抑えられ、複合材料の品位および機械物性が優れる。 The adhesion amount of the sizing agent is preferably in the range of 0.1 to 10 parts by mass, more preferably in the range of 0.2 to 3 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the sizing agent-coated reinforcing fiber. When the adhesion amount of the sizing agent is 0.1 parts by mass or more, when prepreg and weaving the sizing agent-coated reinforcing fiber, it can withstand friction caused by a metal guide that passes therethrough, and generation of fluff is suppressed. The quality of the prepreg using the reinforcing fiber is excellent. On the other hand, when the adhesion amount of the sizing agent is 10 parts by mass or less, the matrix resin is impregnated inside the reinforcing fiber bundle without being inhibited by the sizing agent film around the reinforcing fiber bundle, and void formation is suppressed in the obtained composite material. Therefore, the quality and mechanical properties of the composite material are excellent.
強化繊維に塗布されたサイジング剤層の乾燥後の厚さは、2.0〜20nmの範囲内で、かつ、厚さの最大値が最小値の2倍を超えないことが好ましい。このような厚さの均一なサイジング剤層により、安定して大きな接着性向上効果が得られ、さらには、安定して優れた高次加工性が得られる。 The thickness of the sizing agent layer applied to the reinforcing fibers after drying is preferably in the range of 2.0 to 20 nm, and the maximum value of the thickness does not exceed twice the minimum value. By such a uniform sizing agent layer, a large effect of improving adhesiveness can be obtained stably, and furthermore, excellent high-order workability can be obtained.
強化繊維はサイジング剤含有液を塗布した後、熱処理し、サイジング剤含有液に含まれる溶媒を除去および乾燥することにより製造する。該熱処理は、サイジング剤成分と強化繊維表面の官能基との間の共有結合形成を促進し、強化繊維とマトリックス樹脂との接着性を高める効果もあると考えられる。熱処理条件としては、好ましくは130℃〜260℃の温度範囲、より好ましくは160〜260℃の温度範囲で、30〜600秒間が好ましい。温度が130℃以上かつ30秒以上の場合、サイジング剤成分を溶解または分散させていた水や有機溶媒を十分に除去することができる。260℃以下かつ600秒以下の場合、運転コストおよび安全性に特に優れる。 Reinforcing fibers are produced by applying a sizing agent-containing liquid, then heat-treating, removing the solvent contained in the sizing agent-containing liquid and drying. The heat treatment is considered to have an effect of promoting the formation of a covalent bond between the sizing agent component and the functional group on the surface of the reinforcing fiber and enhancing the adhesion between the reinforcing fiber and the matrix resin. The heat treatment condition is preferably a temperature range of 130 ° C. to 260 ° C., more preferably a temperature range of 160 to 260 ° C., and preferably 30 to 600 seconds. When the temperature is 130 ° C. or higher and 30 seconds or longer, water and organic solvent in which the sizing agent component is dissolved or dispersed can be sufficiently removed. When it is 260 ° C. or lower and 600 seconds or shorter, the operation cost and safety are particularly excellent.
また、前記熱処理は、マイクロ波照射および/または赤外線照射で行うことも可能である。マイクロ波照射および/または赤外線照射により強化繊維を加熱処理した場合、短時間に被加熱物である強化繊維を所望の温度に加熱できる。また、マイクロ波照射および/または赤外線照射により、強化繊維内部の加熱も速やかに行うことができるため、強化繊維束の内側と外側の温度差を小さくすることができ、サイジング剤の接着ムラを小さくすることが可能となる。 The heat treatment can also be performed by microwave irradiation and / or infrared irradiation. When the reinforcing fiber is heat-treated by microwave irradiation and / or infrared irradiation, the reinforcing fiber that is the object to be heated can be heated to a desired temperature in a short time. In addition, since the inside of the reinforcing fiber can be quickly heated by microwave irradiation and / or infrared irradiation, the temperature difference between the inside and outside of the reinforcing fiber bundle can be reduced, and the adhesion unevenness of the sizing agent can be reduced. It becomes possible to do.
さらに強化繊維が炭素繊維である場合、別の付与手段として、電解液の中にサイジング剤成分を添加しておき、液相電解酸化処理と同時に炭素繊維表面へ付与する方法、液相電解酸化処理後の洗浄工程でサイジング剤成分を水洗と同時に炭素繊維表面へ付与することもできる。これらの場合、サイジング剤成分の付着量は、電解液の濃度および温度並びに炭素繊維の糸条張力などをコントロールすることでおこなうことができる。 Further, when the reinforcing fiber is carbon fiber, as another application means, a method of adding a sizing agent component in the electrolytic solution and applying it to the carbon fiber surface simultaneously with the liquid phase electrolytic oxidation treatment, liquid phase electrolytic oxidation treatment The sizing agent component can be applied to the carbon fiber surface simultaneously with water washing in a later washing step. In these cases, the amount of the sizing agent component attached can be controlled by controlling the concentration and temperature of the electrolytic solution and the yarn tension of the carbon fiber.
本発明のサイジング塗布強化繊維は、例えば、トウ、織物、編物、組み紐、ウェブ、マットおよびチョップドファイバー等の形態で用いられる。特に、比強度と比弾性率が高いことを要求される用途には、炭素繊維が一方向に引き揃えられたトウが最も適している。また、サイジング塗布強化繊維にマトリックス樹脂を含浸したプリプレグが好ましく用いられる。 The sizing-coated reinforcing fiber of the present invention is used in the form of, for example, tow, woven fabric, knitted fabric, braid, web, mat, chopped fiber and the like. In particular, for applications that require high specific strength and specific elastic modulus, tows in which carbon fibers are aligned in one direction are most suitable. Further, a prepreg obtained by impregnating a sizing coated reinforcing fiber with a matrix resin is preferably used.
次に、本発明のプリプレグおよび繊維強化複合材料について説明する。本発明におけるサイジング塗布強化繊維は、マトリックス樹脂と組み合わせてプリプレグおよび繊維強化複合材料として用いることができる。 Next, the prepreg and fiber-reinforced composite material of the present invention will be described. The sizing coated reinforcing fiber in the present invention can be used as a prepreg and a fiber reinforced composite material in combination with a matrix resin.
プリプレグおよび繊維強化複合材料のマトリックス樹脂としては、熱硬化性樹脂および熱可塑性樹脂のいずれも用いることができる。熱硬化性樹脂がより好ましい。熱硬化性樹脂としては、例えば、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、熱硬化性ポリイミド樹脂、シアネートエステル樹脂およびビスマレイミド樹脂等の樹脂およびこれらの変性体、これらを2種類以上ブレンドした樹脂が挙げられる。なかでも、機械特性のバランスに優れ、硬化収縮が小さいという利点を有するため、エポキシ樹脂が好ましい。 As the matrix resin for the prepreg and the fiber reinforced composite material, both a thermosetting resin and a thermoplastic resin can be used. A thermosetting resin is more preferable. Examples of the thermosetting resins include unsaturated polyester resins, vinyl ester resins, epoxy resins, phenol resins, melamine resins, urea resins, thermosetting polyimide resins, cyanate ester resins, and bismaleimide resins, and their modifications. Body, and a resin obtained by blending two or more of these. Among these, an epoxy resin is preferable because it has an advantage of excellent balance of mechanical properties and small curing shrinkage.
エポキシ樹脂としては、エポキシ化合物と硬化剤を含むエポキシ樹脂組成物が好ましい。エポキシ化合物としては、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、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等のなかから1種類以上を選択して用いることができる。 As an epoxy resin, the epoxy resin composition containing an epoxy compound and a hardening | curing agent is preferable. The epoxy compound is not particularly limited, and is not limited to bisphenol type epoxy compound, amine type epoxy compound, phenol novolac type epoxy compound, cresol novolac type epoxy compound, resorcinol type epoxy compound, phenol aralkyl type epoxy compound, naphthol aralkyl type epoxy. One or more compounds can be selected and used from among compounds, dicyclopentadiene type epoxy compounds, epoxy compounds having a biphenyl skeleton, isocyanate-modified epoxy compounds, tetraphenylethane type epoxy compounds, triphenylmethane type epoxy compounds, and the like.
また、硬化剤としては特に限定はされないが、芳香族アミン硬化剤、ジシアンアミドもしくはその誘導体などが挙げられる。また、脂環式アミン等のアミン、フェノール化合物、酸無水物、ポリアミドアミノ、有機酸ヒドラジドおよびイソシアネートなどを芳香族アミン硬化剤と併用して用いることもできる。 The curing agent is not particularly limited, and examples thereof include an aromatic amine curing agent, dicyanamide or a derivative thereof. In addition, amines such as alicyclic amines, phenol compounds, acid anhydrides, polyamide aminos, organic acid hydrazides, isocyanates, and the like can be used in combination with aromatic amine curing agents.
なかでも多官能のグリシジルアミン型エポキシ化合物と芳香族ジアミン硬化剤を含有したエポキシ樹脂組成物を使用することが好ましい。一般に多官能のグリシジルアミン型エポキシ化合物と芳香族ジアミン硬化剤を含有するマトリックス樹脂は、架橋密度が高く、得られる繊維強化複合材料の耐熱性および圧縮強度を向上させることができる。 Among these, it is preferable to use an epoxy resin composition containing a polyfunctional glycidylamine type epoxy compound and an aromatic diamine curing agent. In general, a matrix resin containing a polyfunctional glycidylamine type epoxy compound and an aromatic diamine curing agent has a high crosslinking density, and can improve the heat resistance and compressive strength of the resulting fiber-reinforced composite material.
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などを好ましく使用することができる。多官能のグリシジルアミン型エポキシ化合物は耐熱性を高める効果があり、その割合は、全エポキシ化合物100質量%中、30〜100質量%含まれていることが好ましい。グリシジルアミン型エポキシ化合物の割合が30質量%以上の場合は、繊維強化複合材料の圧縮強度が向上し、耐熱性に優れる。 As the polyfunctional glycidylamine type epoxy compound, for example, tetraglycidyldiaminodiphenylmethane, triglycidylaminophenol, triglycidylaminocresol and the like can be preferably used. The polyfunctional glycidylamine type epoxy compound has an effect of improving heat resistance, and the proportion thereof is preferably 30 to 100% by mass in 100% by mass of all epoxy compounds. When the ratio of the glycidylamine type epoxy compound is 30% by mass or more, the compressive strength of the fiber reinforced composite material is improved and the heat resistance is excellent.
テトラグリシジルジアミノジフェニルメタンの具体例としては、例えば、“スミエポキシ(登録商標)”ELM434(住友化学工業(株)製)、YH434L(東都化成(株)製)、“アラルダイト(登録商標)”MY720(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(ジャパンエポキシレジン(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またはトリグリシジルアミノクレゾールの具体例としては、例えば、“スミエポキシ(登録商標)”ELM100(住友化学工業(株)製)、“アラルダイト(登録商標)”MY0510、“アラルダイト(登録商標)”MY0600(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(ジャパンエポキシレジン(株)製)等を使用することができる。 Specific examples of tetraglycidyldiaminodiphenylmethane include, for example, “Sumiepoxy (registered trademark)” ELM434 (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.), YH434L (manufactured by Tohto Kasei Co., Ltd.), “Araldite (registered trademark)” MY720 (Huntsman). Advanced Materials Co., Ltd.), “jER (registered trademark)” 604 (Japan Epoxy Resin Co., Ltd.) and the like can be used. Specific examples of triglycidylaminophenol or triglycidylaminocresol include, for example, “Sumiepoxy (registered trademark)” ELM100 (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.), “Araldite (registered trademark)” MY0510, and “Araldite (registered trademark)”. “MY0600 (manufactured by Huntsman Advanced Materials Co., Ltd.)”, “jER (registered trademark)” 630 (manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd.) and the like can be used.
芳香族ジアミン硬化剤としては、エポキシ樹脂組成物の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)、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)、DMP−30のトリ−2−エチルヘキシル酸塩等、およびそれらの異性体または誘導体を好ましく使用することができる。これらは、単独で用いても、あるいは2種以上の混合物を用いてもよい。 The aromatic diamine curing agent is not particularly limited as long as it is an aromatic amine used as a curing agent for an epoxy resin composition. Specifically, 3,3′-diaminodiphenyl sulfone (3,3) is used. 3′-DDS), 4,4′-diaminodiphenyl sulfone (4,4′-DDS), diaminodiphenylmethane (DDM), diaminodiphenyl ether (DADPE), bisaniline, benzyldimethylaniline, 2- (dimethylaminomethyl) phenol ( DMP-10), 2,4,6-tris (dimethylaminomethyl) phenol (DMP-30), tri-2-ethylhexylate of DMP-30, etc., and isomers or derivatives thereof are preferably used. it can. These may be used alone or in combination of two or more.
芳香族アミン硬化剤の市販品としては、セイカキュアS(和歌山精化工業(株)製)、MDA−220(三井化学(株)製)、“jERキュア(登録商標)”W(ジャパンエポキシレジン(株)製)、および3,3’−DAS(三井化学(株)製)、“Lonzacure(登録商標)”M−DEA(Lonza(株)製)、“Lonzacure(登録商標)”M−DIPA(Lonza(株)製)、“Lonzacure(登録商標)”M−MIPA(Lonza(株)製)および“Lonzacure(登録商標)”DETDA 80(Lonza(株)製)などが挙げられる。 Commercially available aromatic amine curing agents include Seika Cure S (manufactured by Wakayama Seika Kogyo Co., Ltd.), MDA-220 (manufactured by Mitsui Chemicals), “jER Cure (registered trademark)” W (Japan Epoxy Resin ( ), And 3,3′-DAS (Mitsui Chemicals), “Lonacure (registered trademark)” M-DEA (Lonza), “Lonzacure (registered trademark)” M-DIPA ( Lonza Co., Ltd.), "Lonzacure (registered trademark)" M-MIPA (Lonza Co., Ltd.) and "Lonzacure (registered trademark)" DETDA 80 (Lonza Co., Ltd.).
上記の芳香族ジアミン硬化剤は、エポキシ樹脂組成物に含まれる全エポキシ化合物に対する化学量論量の50〜120質量%含まれていることが好ましく、60〜120質量%がより好ましく、さらに好ましくは70〜90質量%である。芳香族アミン硬化剤が、全エポキシ化合物に対する化学量論量の50質量%以上である場合、得られる樹脂硬化物の耐熱性が良好になる。また、芳香族アミン硬化剤が120質量%以下の場合は、得られる樹脂硬化物の靱性が向上する。 The aromatic diamine curing agent is preferably contained in a stoichiometric amount of 50 to 120% by mass, more preferably 60 to 120% by mass, and even more preferably, with respect to the total epoxy compound contained in the epoxy resin composition. It is 70-90 mass%. When the aromatic amine curing agent is 50% by mass or more of the stoichiometric amount with respect to the total epoxy compound, the heat resistance of the obtained resin cured product is improved. Moreover, when an aromatic amine hardening | curing agent is 120 mass% or less, the toughness of the resin cured material obtained improves.
また、エポキシ樹脂組成物の硬化を促進する目的のために効果促進剤を配合することもできる。硬化促進剤としては、ウレア化合物、第三級アミンとその塩、イミダゾールとその塩、トリフェニルホスフィンまたはその誘導体、カルボン酸金属塩やルイス酸、ブレンステッド酸類とその塩類などが挙げられる。 Moreover, an effect promoter can also be mix | blended for the purpose of accelerating hardening of an epoxy resin composition. Examples of the curing accelerator include urea compounds, tertiary amines and salts thereof, imidazoles and salts thereof, triphenylphosphine or derivatives thereof, carboxylic acid metal salts and Lewis acids, Bronsted acids and salts thereof, and the like.
繊維強化複合材料のマトリックス樹脂には、得られる樹脂硬化物の靭性等の物性を向上させるため、熱可塑性樹脂を配合することができる。かかる熱可塑性樹脂としては、例えば、主鎖に炭素−炭素結合、アミド結合、イミド結合(ポリエーテルイミド等)、エステル結合、エーテル結合、シロキサン結合、カーボネート結合、ウレタン結合、尿素結合、チオエーテル結合、スルホン結合、イミダゾール結合およびカルボニル結合からなる群から選ばれた結合を有する熱可塑性樹脂を使用することができる。例えば、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、フェノキシ樹脂およびビニル系ポリマー等の耐熱性と靭性とを兼備したものを好ましく使用することができる。 A thermoplastic resin can be blended with the matrix resin of the fiber reinforced composite material in order to improve physical properties such as toughness of the obtained cured resin. Examples of such thermoplastic resins include carbon-carbon bonds, amide bonds, imide bonds (polyetherimide, etc.), ester bonds, ether bonds, siloxane bonds, carbonate bonds, urethane bonds, urea bonds, thioether bonds, A thermoplastic resin having a bond selected from the group consisting of a sulfone bond, an imidazole bond, and a carbonyl bond can be used. For example, those having both heat resistance and toughness such as polysulfone, polyethersulfone, polyetherimide, polyimide, polyamide, polyamideimide, polyphenylene ether, phenoxy resin, and vinyl polymer can be preferably used.
特に、耐熱性をほとんど損なわずにこれらの効果を発揮できることから、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)”7200P(以上、住友化学工業(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、日本ジーイープラスチックス(株)製)などを使用することができる。 In particular, polyethersulfone and polyetherimide are preferable because these effects can be exhibited without substantially impairing heat resistance. Polyether sulfones include “Sumika Excel (registered trademark)” 3600P, “Sumika Excel (registered trademark)” 5003P, “Sumika Excel (registered trademark)” 5200P, “Sumika Excel (registered trademark)” 7200P (above, Sumitomo Chemical) Kogyo Co., Ltd.) and polyetherimide include "Ultem (registered trademark)" 1000, "Ultem (registered trademark)" 1010, "Ultem (registered trademark)" 1040 (above, manufactured by Nippon GE Plastics Co., Ltd.) ) Etc. can be used.
また、上記の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、エポキシ化合物100質量部に対して1〜40質量部が好ましく、より好ましくは1〜25質量部である。一方、分散させて用いる場合には、エポキシ化合物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。熱可塑性樹脂の配合量がかかる範囲であると、靭性向上効果がさらに向上する。また、熱可塑性樹脂が前記範囲を超えない場合は、含浸性、タック、ドレープおよび耐熱性が良好になる。 The amount of the thermoplastic resin is preferably 1 to 40 parts by weight, more preferably 1 to 25 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the epoxy compound when dissolved in the epoxy resin composition. . On the other hand, when used by dispersing, 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 compound. When the blending amount of the thermoplastic resin is within such a range, the effect of improving toughness is further improved. Moreover, when a thermoplastic resin does not exceed the said range, impregnation property, a tack, drape, and heat resistance become favorable.
上記の熱可塑性樹脂は、特に含浸性等の点で、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 above thermoplastic resin is preferably uniformly dissolved in the epoxy resin composition or finely dispersed in the form of particles so as not to interfere with the prepreg production process, particularly in terms of impregnation. .
さらに、マトリックス樹脂を改質するために、マトリックス樹脂として用いられる熱硬化性樹脂以外の熱硬化性樹脂、エラストマー、フィラー、ゴム粒子、熱可塑性樹脂粒子、無機粒子およびその他の添加剤を配合することもできる。 Furthermore, in order to modify the matrix resin, a thermosetting resin other than the thermosetting resin used as the matrix resin, elastomer, filler, rubber particles, thermoplastic resin particles, inorganic particles and other additives are blended. You can also.
上記の熱可塑性樹脂粒子としては、先に例示した各種の熱可塑性樹脂と同様のものを用いることができる。なかでも、ポリアミド粒子やポリイミド粒子が好ましく用いられる。ポリアミドの中でも、ナイロン12、ナイロン6、ナイロン11、ナイロン6/12共重合体や特開平01−104624号公報の実施例1記載のエポキシ化合物にてセミIPN(高分子相互侵入網目構造)化されたナイロン(セミIPNナイロン)は、特に良好な熱硬化性樹脂との接着強度を与えることができることから、落錘衝撃時の繊維強化複合材料の層間剥離強度が高く、耐衝撃性の向上効果が高いため好ましい。 As said thermoplastic resin particle, the thing similar to the various thermoplastic resins illustrated previously can be used. Of these, polyamide particles and polyimide particles are preferably used. Among polyamides, a semi-IPN (polymer interpenetrating network structure) is formed with nylon 12, nylon 6, nylon 11, nylon 6/12 copolymer or an epoxy compound described in Example 1 of JP-A-01-104624. Nylon (semi-IPN nylon) can give particularly good adhesive strength with thermosetting resin, so the delamination strength of the fiber-reinforced composite material at the time of falling weight impact is high, and the impact resistance is improved. It is preferable because it is high.
この熱可塑性樹脂粒子の形状としては、球状粒子でも非球状粒子でも、あるいは多孔質粒子でもよいが、球状粒子が樹脂の流動特性を低下させないため粘弾性に優れ、また応力集中の起点がなく、高い耐衝撃性を与えるという点で好ましい。 The shape of the thermoplastic resin particles may be spherical particles, non-spherical particles, or porous particles, but since the spherical particles do not deteriorate the flow characteristics of the resin, they are excellent in viscoelasticity and have no origin of stress concentration. This is preferable in terms of giving high impact resistance.
ゴム粒子としては、架橋ゴム粒子、および架橋ゴム粒子の表面に異種ポリマーをグラフト重合したコアシェルゴム粒子が、取り扱い性等の観点から好ましく用いられる。 As the rubber particles, cross-linked rubber particles, and core-shell rubber particles obtained by graft polymerization of a different polymer on the surface of the cross-linked rubber particles are preferably used from the viewpoint of handleability and the like.
また、マトリックス樹脂には、本発明の効果を損なわない範囲において、マトリックス樹脂の増粘等の流動性調整のため、シリカ、アルミナ、スメクタイトおよび合成マイカ等の無機粒子を配合することもできる。 In addition, inorganic particles such as silica, alumina, smectite, and synthetic mica can be added to the matrix resin in order to adjust fluidity such as thickening of the matrix resin within the range that does not impair the effects of the present invention.
プリプレグは、上記のマトリックス樹脂をメチルエチルケトンやメタノール等の溶媒に溶解して低粘度化し、強化繊維に含浸させるウェット法、または、加熱により低粘度化し、強化繊維に含浸させるホットメルト法(ドライ法)等により作製することができる。 Prepreg is a wet method in which the above matrix resin is dissolved in a solvent such as methyl ethyl ketone or methanol to lower the viscosity and impregnated into the reinforcing fiber, or a hot melt method in which the viscosity is lowered by heating and impregnated into the reinforcing fiber (dry method). Or the like.
ウェット法は、強化繊維をマトリックス樹脂溶液に浸漬した後、引き上げ、オーブン等を用いて溶媒を蒸発させる方法である。ホットメルト法は、加熱により低粘度化したマトリックス樹脂を直接強化繊維に含浸させる方法、またはいったん離型紙等の上にマトリックス樹脂をコーティングしたフィルムを作成し、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、強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させる方法である。ホットメルト法は、プリプレグ中に残留する溶媒が実質上無いため好ましい方法である。 The wet method is a method in which a reinforcing fiber is immersed in a matrix resin solution, then pulled up, and the solvent is evaporated using an oven or the like. The hot melt method is a method in which a reinforcing resin is impregnated directly with a matrix resin whose viscosity is reduced by heating, or a film in which a matrix resin is coated on a release paper or the like is once prepared, and then the film is applied from both sides or one side of the reinforcing fiber. And reinforcing the fiber by impregnating the matrix resin with heat and pressure. The hot melt method is a preferable method because there is substantially no solvent remaining in the prepreg.
得られたプリプレグを積層後、積層物に圧力を付与しながらマトリックス樹脂を加熱硬化させる方法等により、繊維強化複合材料を作製することができる。ここで熱および圧力を付与する方法には、プレス成形法、オートクレーブ成形法、バッギング成形法、ラッピングテープ法、内圧成形法および真空圧成形法等が採用される。繊維強化複合材料は、プリプレグを介さず、例えば、フィラメントワインディング法、ハンド・レイアップ法、レジン・インジェクション・モールディング法、“SCRIMP(登録商標)”、レジン・フィルム・インフュージョン法およびレジン・トランスファー・モールディング法等の成形法によっても作製することができる。 After laminating the obtained prepreg, a fiber-reinforced composite material can be produced by a method of heating and curing the matrix resin while applying pressure to the laminate. As a method for 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, a vacuum pressure molding method, and the like are employed. The fiber reinforced composite material does not go through a prepreg, and includes, for example, a filament winding method, a hand layup method, a resin injection molding method, “SCRIMP (registered trademark)”, a resin film infusion method, and a resin transfer method. It can also be produced by a molding method such as a molding method.
本発明の繊維強化複合材料は、例えば、パソコン、ディスプレイ、OA機器、携帯電話、携帯情報端末、ファクシミリ、コンパクトディスク、ポータブルMD、携帯用ラジオカセット、PDA(電子手帳などの携帯情報端末)、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、光学機器、オーディオ、エアコン、照明機器、娯楽用品、玩具用品、その他家電製品などの電気電子機器の筐体およびトレイやシャーシなどの内部部材やそのケース;機構部品、パネルなどの建材用途;モーター部品、オルタネーターターミナル、オルタネーターコネクター、ICレギュレーター、ライトディヤー用ポテンショメーターベース、サスペンション部品、排気ガスバルブなどの各種バルブ、燃料関係、排気系または吸気系各種パイプ、エアーインテークノズルスノーケル、インテークマニホールド、各種アーム、各種フレーム、各種ヒンジ、各種軸受、燃料ポンプ、ガソリンタンク、CNGタンク、エンジン冷却水ジョイント、キャブレターメインボディー、キャブレタースペーサー、排気ガスセンサー、冷却水センサー、油温センサー、ブレーキパットウェアーセンサー、スロットルポジションセンサー、クランクシャフトポジションセンサー、エアーフローメーター、ブレーキバット磨耗センサー、エアコン用サーモスタットベース、暖房温風フローコントロールバルブ、ラジエーターモーター用ブラッシュホルダー、ウォーターポンプインペラー、タービンベイン、ワイパーモーター関係部品、ディストリビュター、スタータースィッチ、スターターリレー、トランスミッション用ワイヤーハーネス、ウィンドウオッシャーノズル、エアコンパネルスイッチ基板、燃料関係電磁気弁用コイル、ヒューズ用コネクター、バッテリートレイ、ATブラケット、ヘッドランプサポート、ペダルハウジング、ハンドル、ドアビーム、プロテクター、シャーシ、フレーム、アームレスト、ホーンターミナル、ステップモーターローター、ランプソケット、ランプリフレクター、ランプハウジング、ブレーキピストン、ノイズシールド、ラジエターサポート、スペアタイヤカバー、シートシェル、ソレノイドボビン、エンジンオイルフィルター、点火装置ケース、アンダーカバー、スカッフプレート、ピラートリム、プロペラシャフト、ホイール、フェンダー、フェイシャー、バンパー、バンパービーム、ボンネット、エアロパーツ、プラットフォーム、カウルルーバー、ルーフ、インストルメントパネル、スポイラーおよび各種モジュールなどの自動車または二輪車関連部品;部材および外板やランディングギアポッド、ウィングレット、スポイラー、エッジ、ラダー、エレベーター、フェアリング、リブなどの航空機関連部品または部材;および外板、風車の羽根などが挙げられる。特に、航空機部材、風車の羽根、自動車外板および電子機器の筐体およびトレイやシャーシなどに好ましく用いられる。 The fiber reinforced composite material of the present invention is, for example, a personal computer, a display, an OA device, a mobile phone, a portable information terminal, a facsimile, a compact disc, a portable MD, a portable radio cassette, a PDA (a portable information terminal such as an electronic notebook), a video. Cameras, digital still cameras, optical equipment, audio equipment, air conditioners, lighting equipment, recreational goods, toy goods, and other electrical and electronic equipment casings and internal parts such as trays and chassis and their cases; mechanical parts, panels, etc. Applications of building materials: Motor parts, alternator terminals, alternator connectors, IC regulators, light meter potentiometer bases, suspension parts, exhaust gas valves and other valves, fuel-related, exhaust and intake system pipes, air intake nozzles -Kel, intake manifold, various arms, various frames, various hinges, various bearings, fuel pump, gasoline tank, CNG tank, engine coolant joint, carburetor main body, carburetor spacer, exhaust gas sensor, coolant sensor, oil temperature sensor, Brake pad wear sensor, throttle position sensor, crankshaft position sensor, air flow meter, brake butt wear sensor, thermostat base for air conditioner, heating hot air flow control valve, brush holder for radiator motor, water pump impeller, turbine vane, wiper motor Related parts, distributor, starter switch, starter relay, transmission wire harness , Window washer nozzle, air conditioner panel switch board, coil for fuel related electromagnetic valve, connector for fuse, battery tray, AT bracket, headlamp support, pedal housing, handle, door beam, protector, chassis, frame, armrest, horn terminal, Step motor rotor, lamp socket, lamp reflector, lamp housing, brake piston, noise shield, radiator support, spare tire cover, seat shell, solenoid bobbin, engine oil filter, ignition device case, under cover, scuff plate, pillar trim, propeller shaft, Wheel, fender, fascia, bumper, bumper beam, bonnet, aero parts, platform Automobiles and motorcycle-related parts such as motorcycles, cowl louvers, roofs, instrument panels, spoilers and various modules; parts and skins, landing gear pods, winglets, spoilers, edges, ladders, elevators, fairings, ribs and other aircraft And related parts or members; and skins, windmill blades, and the like. In particular, it is preferably used for aircraft members, windmill blades, automobile outer plates, casings of electronic devices, trays, chassis, and the like.
以下、本発明について、実施例を用いてさらに具体的に説明するが、本発明はこれら実施例により制限されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further more concretely using an Example, this invention is not restrict | limited by these Examples.
各実施例、および各比較例でサイジング剤成分として用いた材料と成分は以下の通りである。 The materials and components used as sizing agent components in each Example and each Comparative Example are as follows.
・ポリロタキサン(A):(A−1〜A−3)
(A−1)“セルム(登録商標)”スーパーポリマーSH2400P(アドバンストソフトマテリアルズ(株)製:環状分子はα−シクロデキストリン;直鎖状分子は重量平均分子量20,000のポリエチレングリコール;封鎖基はアダマンタン基;環状分子はポリ(ε−カプロラクトン)からなるグラフト鎖により修飾されている)
(A−2)“セルム(登録商標)”スーパーポリマーSH1310P(アドバンストソフトマテリアルズ(株)製:環状分子はα−シクロデキストリン;直鎖状分子は重量平均分子量11,000のポリエチレングリコール;封鎖基はアダマンタン基;環状分子はポリ(ε−カプロラクトン)からなるグラフト鎖により修飾されている)
(A−3)“セルム(登録商標)”スーパーポリマーSH3400P(アドバンストソフトマテリアルズ(株)製:環状分子はα−シクロデキストリン;直鎖状分子は重量平均分子量35,000のポリエチレングリコール;封鎖基はアダマンタン基;環状分子はポリ(ε−カプロラクトン)からなるグラフト鎖により修飾されている)。
Polyrotaxane (A): (A-1 to A-3)
(A-1) "Celum (registered trademark)" superpolymer SH2400P (manufactured by Advanced Soft Materials Co., Ltd .: cyclic molecule is α-cyclodextrin; linear molecule is polyethylene glycol having a weight average molecular weight of 20,000; blocking group Is an adamantane group; the cyclic molecule is modified by a graft chain made of poly (ε-caprolactone)
(A-2) “Celum (registered trademark)” superpolymer SH1310P (manufactured by Advanced Soft Materials Co., Ltd.): cyclic molecule is α-cyclodextrin; linear molecule is polyethylene glycol having a weight average molecular weight of 11,000; blocking group Is an adamantane group; the cyclic molecule is modified by a graft chain made of poly (ε-caprolactone)
(A-3) "Celum (registered trademark)" superpolymer SH3400P (manufactured by Advanced Soft Materials Co., Ltd .: cyclic molecule is α-cyclodextrin; linear molecule is polyethylene glycol having a weight average molecular weight of 35,000; blocking group Is an adamantane group; the cyclic molecule is modified by a graft chain made of poly (ε-caprolactone).
・界面活性剤(B):(B−1〜B−4)
(B−1)“ネオペレックス”G−25(花王(株)製:アニオン系界面活性剤;ドデシルベンゼンスルフォン酸ナトリウム)
(B−2)“レオドール”SP−S10V(花王(株)製:ノニオン系界面活性剤;ソルビタンモノステアレート;HLB値4.7)
(B−3)“エマルゲン”102KG(花王(株)製:ノニオン系界面活性剤;ポリオキシエチレンラウリルエーテル;HLB値6.3)
(B−4)“レオドール”TW−L120(花王(株)製:ノニオン系界面活性剤;ポリオキシエチレンソルビタンモノラウレート;HLB値16.7)
・エポキシ基を有する化合物:(C−1〜C−3)
(C−1)“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)
(C−2)“デナコール(登録商標)”EX−411(ナガセケムテックス(株)製:ペンタエリスリトールポリグリシジルエーテル)
(C−3)“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)。
Surfactant (B): (B-1 to B-4)
(B-1) “Neopelex” G-25 (manufactured by Kao Corporation: anionic surfactant; sodium dodecylbenzenesulfonate)
(B-2) “Leodol” SP-S10V (manufactured by Kao Corporation: nonionic surfactant; sorbitan monostearate; HLB value 4.7)
(B-3) “Emulgen” 102KG (manufactured by Kao Corporation: nonionic surfactant; polyoxyethylene lauryl ether; HLB value 6.3)
(B-4) “Leodol” TW-L120 (manufactured by Kao Corporation: nonionic surfactant; polyoxyethylene sorbitan monolaurate; HLB value 16.7)
Compound having an epoxy group: (C-1 to C-3)
(C-1) “Denacol (registered trademark)” EX-521 (manufactured by Nagase ChemteX Corporation: polyglycerin polyglycidyl ether)
(C-2) “Denacol (registered trademark)” EX-411 (manufactured by Nagase ChemteX Corporation: pentaerythritol polyglycidyl ether)
(C-3) “Denacol (registered trademark)” EX-611 (manufactured by Nagase ChemteX Corporation: sorbitol polyglycidyl ether).
(実施例1)
まず、少なくともポリロタキサン(A)と界面活性剤(B)を含む水性エマルジョンを作成し、水性エマルジョンの分散性を評価した。
Example 1
First, an aqueous emulsion containing at least a polyrotaxane (A) and a surfactant (B) was prepared, and the dispersibility of the aqueous emulsion was evaluated.
<(A)(B)成分含有水溶液の分散性評価>
ポリロタキサン(A)として(A−1)を30質量部、界面活性剤(B)として(B−1)が30質量部を秤量し、80℃で加熱しながら混合した。次いで、80℃に加熱した水を少量ずつ添加しながら、溶液濃度が1質量%になるまで攪拌し、水性エマルジョンを得た。攪拌しながら20℃まで自然冷却を行った後、攪拌を停止し20℃で1時間静置後、上澄みを取り除き沈殿物を得た。沈殿物を80℃で1時間真空乾燥し、(A)成分(B)成分の全量に対する沈殿物重量を測定した。初期に対する沈殿物重量は20質量%未満であり、水性エマルジョンが十分に分散しており、強化繊維のサイジング剤として使用できることを確認した。結果を表1に示す。
<Dispersibility evaluation of (A) (B) component containing aqueous solution>
30 parts by mass of (A-1) as the polyrotaxane (A) and 30 parts by mass of (B-1) as the surfactant (B) were weighed and mixed while heating at 80 ° C. Next, while adding water heated to 80 ° C. little by little, stirring was performed until the solution concentration became 1% by mass to obtain an aqueous emulsion. After naturally cooling to 20 ° C. with stirring, stirring was stopped and the mixture was allowed to stand at 20 ° C. for 1 hour, and then the supernatant was removed to obtain a precipitate. The precipitate was vacuum-dried at 80 ° C. for 1 hour, and the weight of the precipitate with respect to the total amount of the component (A) and the component (B) was measured. It was confirmed that the precipitate weight relative to the initial amount was less than 20% by mass, and the aqueous emulsion was sufficiently dispersed and could be used as a sizing agent for reinforcing fibers. The results are shown in Table 1.
十分に分散した水性エマルジョンは、強化繊維に塗布可能なサイジング剤水溶液として利用できる。初期に対する沈殿物重量が20質量%未満のものをA、20質量%以上30質量%未満のものをB、30質量%以上50質量%未満のものをC、50質量%以上のものをDとした。 A sufficiently dispersed aqueous emulsion can be used as an aqueous sizing agent solution that can be applied to reinforcing fibers. A with an initial sediment weight of less than 20% by mass, A with 20% by mass to less than 30% by mass, B with 30% by mass to less than 50% by mass, and D with 50% by mass or more. did.
以降、(A)(B)成分含有水溶液の分散性評価にてA〜Cのものについて、サイジング剤成分の強化繊維複合材料のモードI層間破壊靱性(GIc)、0°引張強度に対する寄与を把握するために、力学試験を行った。本工程は、次の第Iの工程、第IIの工程および第IIIの工程からなる。 Thereafter, in the evaluation of the dispersibility of the aqueous solution containing the components (A) and (B), the contribution of the sizing component to the mode I interlaminar fracture toughness (G Ic ) and 0 ° tensile strength of the reinforcing fiber composite material In order to grasp, a mechanical test was conducted. This step consists of the following step I, step II and step III.
第Iの工程:炭素繊維を製造する工程
アクリロニトリル99モル%とイタコン酸1モル%からなる共重合体を紡糸した後、焼成し、総フィラメント数12,000本、比重1.8、ストランド引張強度700kgf/mm2、ストランド引張弾性率33,000kgf/mm2の炭素繊維を得た。次いで、その炭素繊維を、濃度0.1モル/リットルの炭酸水素アンモニウム水溶液を電解液として、液相電解酸化処理した。この液相電解酸化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、表面酸化処理された炭素繊維を得た。
Step I: Step of producing carbon fiber A copolymer composed of 99 mol% of acrylonitrile and 1 mol% of itaconic acid was spun and fired, and the total number of filaments was 12,000, specific gravity 1.8, strand tensile strength 700 kgf / mm 2, to obtain a carbon fiber strand tensile modulus 33,000kgf / mm 2. Next, the carbon fiber was subjected to liquid phase electrolytic oxidation treatment using an aqueous solution of ammonium hydrogen carbonate having a concentration of 0.1 mol / liter as an electrolytic solution. The carbon fiber subjected to the liquid phase electrolytic oxidation treatment was subsequently washed with water and dried in heated air at a temperature of 150 ° C. to obtain a carbon fiber subjected to surface oxidation treatment.
第IIの工程:サイジング塗布炭素繊維を作製する工程および評価
ポリロタキサン(A)として(A−1)が30質量部、界面活性剤(B)として(B−1)が30質量部、エポキシ化合物(C)として(C−1)が70質量部を、溶媒としてジメチルホルムアミドに溶解してサイジング剤含有液を調合した。このサイジング剤含有液を浸漬法を用いて、上記により得られた表面酸化処理された炭素繊維に塗布した後、210℃の温度で180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を、以下に記す方法により測定し、サイジング剤塗布炭素繊維100質量部に対して、サイジング剤の付着量が0.5質量部となるように調整した。
Step II: Step for producing sizing coated carbon fiber and evaluation 30 parts by mass of (A-1) as polyrotaxane (A), 30 parts by mass of (B-1) as surfactant (B), epoxy compound ( As C), 70 parts by mass of (C-1) was dissolved in dimethylformamide as a solvent to prepare a sizing agent-containing liquid. The sizing agent-containing liquid was applied to the surface-oxidized carbon fiber obtained as described above using a dipping method, and then heat treated at a temperature of 210 ° C. for 180 seconds to obtain a sizing agent-coated carbon fiber bundle. . The adhesion amount of the sizing agent was measured by the method described below and adjusted so that the adhesion amount of the sizing agent was 0.5 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the sizing agent-coated carbon fibers.
<サイジング剤付着量の測定>
約2gのサイジング剤塗布炭素繊維束を秤量(W1)(小数第4位まで読み取り)した後、50ミリリットル/分の窒素気流中、450℃の温度に設定した電気炉(容量120cm3)に15分間放置し、サイジング剤を完全に熱分解させた。そして、20リットル/分の乾燥窒素気流中の容器に移し、15分間冷却した後の炭素繊維束を秤量(W2)(少数第4位まで読み取り)した。次式よりサイジング剤塗布炭素繊維束100質量部に対するサイジング剤付着量を求めた。
サイジング剤付着量(質量部)=[W1(g)−W2(g)]/[W1(g)]×100
本実施例では、測定は2回おこない、その平均値をサイジング剤付着量とした。
<Measurement of sizing agent adhesion>
About 2 g of a sizing agent-coated carbon fiber bundle was weighed (W1) (reading to the fourth decimal place), then placed in an electric furnace (capacity 120 cm 3 ) set at a temperature of 450 ° C. in a nitrogen stream of 50 ml / min. The sizing agent was completely pyrolyzed for a minute. Then, the carbon fiber bundle was transferred to a container in a dry nitrogen stream at 20 liters / minute and cooled for 15 minutes, and the carbon fiber bundle was weighed (W2) (read to the fourth decimal place). The sizing agent adhesion amount with respect to 100 parts by mass of the sizing agent-coated carbon fiber bundle was determined from the following formula.
Sizing agent adhesion amount (parts by mass) = [W1 (g) −W2 (g)] / [W1 (g)] × 100
In this example, the measurement was performed twice, and the average value was defined as the sizing agent adhesion amount.
第IIIの工程:プリプレグの作製、炭素繊維強化複合材料積層板の成形および評価
<プリプレグの作製>
まず、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、“jER(登録商標)”828(三菱化学(株)製)60質量部、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン、ELM434(住友化学(株)製)40質量部、4,4’−ジアミノジフェニルスルホン、“セイカキュア(登録商標)”S(和歌山精化(株)製)40質量部および、ポリエーテルスルホン“スミカエクセル(登録商標)”PES5003P(住友化学(株)製)10質量部を混練したエポキシ樹脂組成物を調製し、これをナイフコーターを用いて樹脂目付30g/m2で離型紙上にコーティングし、1次樹脂フィルムを作製した。この1次樹脂フィルムを1方向に引き揃えたサイジング剤塗布炭素繊維(目付190g/m2)の両側に重ね合わせて、ヒートロールを用い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ることにより、1次プリプレグを作製した。次に、上記のエポキシ樹脂組成物にさらに“トレパール(登録商標)”TN(東レ(株)製、平均粒子径:13.0μm)80質量部を混練した樹脂組成物を調製し、これをナイフコーターを用いて樹脂目付20g/m2で離型紙上にコーティングし、2次樹脂フィルムを作製した。この2次樹脂フィルムを1次プリプレグの両側に重ね合せて、樹脂組成物を1次プリプレグに含浸させ、目的のプリプレグを作製した。
Step III: Preparation of prepreg, molding and evaluation of carbon fiber reinforced composite laminate <Preparation of prepreg>
First, bisphenol A type epoxy resin, “jER (registered trademark)” 828 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) 60 parts by mass, tetraglycidyldiaminodiphenylmethane, ELM434 (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.) 40 parts by mass, 4, 4 ′ -40 parts by mass of diaminodiphenylsulfone, “Seika Cure (registered trademark)” S (manufactured by Wakayama Seika Co., Ltd.) and 10 parts by mass of polyethersulfone “Sumika Excel (registered trademark)” PES5003P (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.) A kneaded epoxy resin composition was prepared, and this was coated on a release paper with a resin basis weight of 30 g / m 2 using a knife coater to produce a primary resin film. This primary resin film is superimposed on both sides of a sizing agent-coated carbon fiber (weight per unit area 190 g / m 2 ) aligned in one direction, and the epoxy resin composition is applied to the sizing agent-coated carbon fiber while heating and pressing using a heat roll. A primary prepreg was produced by impregnation. Next, a resin composition was prepared by further kneading 80 parts by mass of the above-mentioned epoxy resin composition with “Trepearl (registered trademark)” TN (manufactured by Toray Industries, Inc., average particle size: 13.0 μm). A secondary resin film was prepared by coating the release paper with a resin basis weight of 20 g / m 2 using a coater. This secondary resin film was overlapped on both sides of the primary prepreg, and the primary prepreg was impregnated with the resin composition to produce a target prepreg.
<炭素繊維強化複合材料の成形とモードI層間破壊靱性(GIc)の測定>
前記のようにして作製したプリプレグを裁断し、一方向積層した後、オートクレーブを用いて加熱硬化させ、一方向強化材(炭素繊維強化複合材料)を作製した。JIS K7086(1993)に記載の双方持ちはり試験に従って、亀裂進展初期のモードI層間破壊靱性(GIc)を求めたところ、十分に高い値を示した。結果を表1に示す。
<Formation of Carbon Fiber Reinforced Composite Material and Measurement of Mode I Interlaminar Fracture Toughness (G Ic )>
The prepreg produced as described above was cut and unidirectionally laminated, and then heat-cured using an autoclave to produce a unidirectional reinforcing material (carbon fiber reinforced composite material). When the mode I interlaminar fracture toughness (G Ic ) at the initial stage of crack growth was determined according to the double-holding test described in JIS K7086 (1993), it showed a sufficiently high value. The results are shown in Table 1.
モードI層間破壊靱性(GIc)が高いことは、炭素繊維とマトリックス樹脂の接着性が良好であり、かつ、繊維強化複合材料の靱性が高いことを意味する。本発明において、モードI層間破壊靱性(GIc)は、700J/m2以上が好ましい範囲である。なお、表1においては、モードI層間破壊靱性(GIc)の値が、950J/m2以上をA、700J/m2以上950J/m2未満をB、700J/m2未満をCで記している。 High mode I interlaminar fracture toughness (G Ic ) means that the adhesion between the carbon fiber and the matrix resin is good, and the toughness of the fiber-reinforced composite material is high. In the present invention, the mode I interlaminar fracture toughness (G Ic ) is preferably in the range of 700 J / m 2 or more. In Table 1, the value of the mode I interlaminar fracture toughness (G Ic) are marked 950J / m 2 or more of A, less than 700 J / m 2 or more 950J / m 2 B, less than 700 J / m 2 at C ing.
<炭素繊維強化複合材料の成形と0°引張強度測定>
JIS K7017(1999)に記載されているとおり、一方向繊維強化複合材料の繊維方向を軸方向とし、その軸方向を0°軸と定義し軸直交方向を90°と定義した。
<Formation of carbon fiber reinforced composite material and 0 ° tensile strength measurement>
As described in JIS K7017 (1999), the fiber direction of the unidirectional fiber reinforced composite material was defined as the axial direction, the axial direction was defined as the 0 ° axis, and the axis orthogonal direction was defined as 90 °.
作製後24時間以内の一方向プリプレグを所定の大きさにカットし、これを一方向に6枚積層した後、真空バッグを行い、オートクレーブを用いて、温度180℃、圧力6kg/cm2、2時間で硬化させ、一方向強化材(炭素繊維強化複合材料)を得た。この一方向強化材を幅12.7mm、長さ230mmにカットし、両端に1.2mm、長さ50mmのガラス繊維強化プラスチック製のタブを接着し試験片を得た。このようにして得られた試験片について、インストロン社製万能試験機を用いてクロスヘッドスピード1.27mm/分で0°引張試験を行った。0°引張強度が高く、炭素繊維の強度を十分利用できていることがわかった。結果を表1に示す。 A unidirectional prepreg within 24 hours after production is cut into a predetermined size, and after stacking six pieces in one direction, a vacuum bag is formed and a temperature of 180 ° C., a pressure of 6 kg / cm 2 , 2 is applied using an autoclave. It was cured with time to obtain a unidirectional reinforcing material (carbon fiber reinforced composite material). The unidirectional reinforcing material was cut into a width of 12.7 mm and a length of 230 mm, and a glass fiber reinforced plastic tab having a length of 1.2 mm and a length of 50 mm was bonded to both ends to obtain a test piece. The test piece thus obtained was subjected to a 0 ° tensile test at a crosshead speed of 1.27 mm / min using a universal testing machine manufactured by Instron. It was found that the 0 ° tensile strength was high and the carbon fiber strength could be fully utilized. The results are shown in Table 1.
0°引張強度が高いことは、炭素繊維とマトリックス樹脂の接着性が良好であり、かつ、樹脂と繊維間で効率的に応力伝達していることを意味する。本発明において、0°引張強度は、3000MPa以上が好ましい範囲である。なお、表1においては、モードI層間破壊靱性(GIc)の値が、3500MPa以上をA、3250MPa以上3500MPa未満をB、3000MPa以上3250MPa未満をC、3000MPa未満をDで記している。 A high 0 ° tensile strength means that the adhesion between the carbon fiber and the matrix resin is good, and stress is efficiently transmitted between the resin and the fiber. In the present invention, the 0 ° tensile strength is preferably 3000 MPa or more. In Table 1, the value of mode I interlaminar fracture toughness (G Ic ) is 3500 MPa or more as A, 3250 MPa or more and less than 3500 MPa as B, 3000 MPa or more and less than 3250 MPa as C, and less than 3000 MPa as D.
(実施例2〜10)
<(A)(B)成分含有水溶液の分散性評価>
実施例1と同様にした。水性エマルジョンが十分に分散しており、強化繊維のサイジング剤として使用できることを確認した。結果を表1に示す。
(Examples 2 to 10)
<Dispersibility evaluation of (A) (B) component containing aqueous solution>
Same as Example 1. It was confirmed that the aqueous emulsion was sufficiently dispersed and could be used as a sizing agent for reinforcing fibers. The results are shown in Table 1.
第Iの工程:原料となる炭素繊維を製造する工程
実施例1と同様にした。
Step I: Step of producing carbon fiber as raw material The same procedure as in Example 1 was performed.
第IIの工程:サイジング塗布炭素繊維を作製する工程および評価
各成分の比が表1に記載のようになるようにした以外は、実施例1と同様の方法でサイジング剤塗布炭素繊維を得た。
Step II: Step for producing sizing coated carbon fiber and evaluation Sizing agent coated carbon fiber was obtained in the same manner as in Example 1 except that the ratio of each component was as shown in Table 1. .
第IIIの工程:プリプレグの作製、炭素繊維強化複合材料積層板の成形および評価
実施例1と同様に、一方向強化材(炭素繊維強化複合材料)を作製し、力学特性を評価したところ、モードI層間破壊靱性(GIc)、0°引張強度は十分に高い値を示した。結果を表1に示す。
Step III: Preparation of prepreg, molding of carbon fiber reinforced composite material laminate and evaluation In the same manner as in Example 1, a unidirectional reinforcing material (carbon fiber reinforced composite material) was prepared and evaluated for mechanical properties. The I interlaminar fracture toughness (G Ic ) and 0 ° tensile strength showed sufficiently high values. The results are shown in Table 1.
(実施例11〜17)
<(A)(B)成分含有水溶液の分散性評価>
実施例1と同様にした。水性エマルジョンが十分に分散しており、強化繊維のサイジング剤として使用できることを確認した。結果を表2に示す。
(Examples 11 to 17)
<Dispersibility evaluation of (A) (B) component containing aqueous solution>
Same as Example 1. It was confirmed that the aqueous emulsion was sufficiently dispersed and could be used as a sizing agent for reinforcing fibers. The results are shown in Table 2.
第Iの工程:原料となる炭素繊維を製造する工程
実施例1と同様にした。
Step I: Step of producing carbon fiber as raw material The same procedure as in Example 1 was performed.
第IIの工程:サイジング塗布炭素繊維を作製する工程および評価
各成分の比が表2に記載のようになるようにした以外は、実施例1と同様の方法でサイジング剤塗布炭素繊維を得た。
Step II: Step of producing sizing-coated carbon fiber and evaluation A sizing-coated carbon fiber was obtained in the same manner as in Example 1, except that the ratio of each component was as shown in Table 2. .
第IIIの工程:プリプレグの作製、炭素繊維強化複合材料積層板の成形および評価
実施例1と同様に、一方向強化材(炭素繊維強化複合材料)を作製し、力学特性を評価したところ、モードI層間破壊靱性(GIc)、0°引張強度は十分に高い値を示した。結果を表2に示す。
Step III: Preparation of prepreg, molding of carbon fiber reinforced composite material laminate and evaluation In the same manner as in Example 1, a unidirectional reinforcing material (carbon fiber reinforced composite material) was prepared and evaluated for mechanical properties. The I interlaminar fracture toughness (G Ic ) and 0 ° tensile strength showed sufficiently high values. The results are shown in Table 2.
(実施例18)
<(A)(B)成分含有水溶液の分散性評価>
実施例1と同様にした。水性エマルジョンが十分に分散しており、強化繊維のサイジング剤として使用できることを確認した。結果を表2に示す。
(Example 18)
<Dispersibility evaluation of (A) (B) component containing aqueous solution>
Same as Example 1. It was confirmed that the aqueous emulsion was sufficiently dispersed and could be used as a sizing agent for reinforcing fibers. The results are shown in Table 2.
第Iの工程:原料となる炭素繊維を製造する工程
実施例1と同様にした。
Step I: Step of producing carbon fiber as raw material The same procedure as in Example 1 was performed.
第IIの工程:サイジング塗布炭素繊維を作製する工程および評価
ポリロタキサン(A)として(A−1)が30質量部、界面活性剤(B)として(B−1)が21質量部、(B−4)が9質量部を秤量し、80℃で加熱しながら混合した。次いで、80℃に加熱した水を少量ずつ添加しながら溶液濃度が1質量%になるまで攪拌し、その後攪拌しながら20℃まで自然冷却を行うことで水性エマルジョンを得た。得られた水性エマルジョンにエポキシ化合物(C)として(C−1)を70質量部添加し、サイジング剤水溶液を調合した。このサイジング剤水溶液を浸漬法を用いて、上記により得られた表面酸化処理された炭素繊維に塗布した後、210℃の温度で180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を、以下に記す方法により測定し、サイジング剤塗布炭素繊維100質量部に対して、サイジング剤の付着量が0.5質量部となるように調整した。
Step II: Step of producing sizing coated carbon fiber and evaluation 30 parts by mass of (A-1) as polyrotaxane (A), 21 parts by mass of (B-1) as surfactant (B), (B- 4) weighed 9 parts by mass and mixed while heating at 80 ° C. Subsequently, stirring was performed while adding water heated to 80 ° C. little by little until the solution concentration became 1% by mass, and then natural cooling was performed to 20 ° C. with stirring to obtain an aqueous emulsion. 70 parts by mass of (C-1) as an epoxy compound (C) was added to the obtained aqueous emulsion to prepare an aqueous sizing agent solution. This sizing agent aqueous solution was applied to the surface-oxidized carbon fiber obtained as described above using an immersion method, and then heat treated at a temperature of 210 ° C. for 180 seconds to obtain a sizing agent-coated carbon fiber bundle. The adhesion amount of the sizing agent was measured by the method described below and adjusted so that the adhesion amount of the sizing agent was 0.5 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the sizing agent-coated carbon fibers.
第IIIの工程:プリプレグの作製、炭素繊維強化複合材料積層板の成形および評価
実施例1と同様に、一方向強化材(炭素繊維強化複合材料)を作製し、力学特性を評価したところ、モードI層間破壊靱性(GIc)、0°引張強度は十分に高い値を示した。結果を表2に示す。
Step III: Preparation of prepreg, molding of carbon fiber reinforced composite material laminate and evaluation In the same manner as in Example 1, a unidirectional reinforcing material (carbon fiber reinforced composite material) was prepared and evaluated for mechanical properties. The I interlaminar fracture toughness (G Ic ) and 0 ° tensile strength showed sufficiently high values. The results are shown in Table 2.
(比較例1)
<(A)(B)成分含有水溶液の分散性評価>
実施例1と同様にした。水性エマルジョンが分散せず、強化繊維のサイジング剤として使用できないことがわかった。結果を表3に示す。
(Comparative Example 1)
<Dispersibility evaluation of (A) (B) component containing aqueous solution>
Same as Example 1. It was found that the aqueous emulsion was not dispersed and could not be used as a sizing agent for reinforcing fibers. The results are shown in Table 3.
(比較例2)
<(A)(B)成分含有水溶液の分散性評価>
実施例1と同様にした。水性エマルジョンが十分に分散しており、強化繊維のサイジング剤として使用できることを確認した。結果を表3に示す。
(Comparative Example 2)
<Dispersibility evaluation of (A) (B) component containing aqueous solution>
Same as Example 1. It was confirmed that the aqueous emulsion was sufficiently dispersed and could be used as a sizing agent for reinforcing fibers. The results are shown in Table 3.
第Iの工程:炭素繊維を製造する工程
実施例1と同様にした。
Step I: Step of producing carbon fiber The same procedure as in Example 1 was performed.
第IIの工程:サイジング塗布炭素繊維を作製する工程および評価
サイジング剤含有液を、(B−2)成分のみで調合した以外は、実施例1と同様の方法でサイジング剤塗布炭素繊維を得た。
Step II: Step for producing sizing-coated carbon fiber and evaluation Sizing agent-coated carbon fiber was obtained in the same manner as in Example 1 except that the sizing agent-containing liquid was prepared using only the component (B-2). .
第IIIの工程:プリプレグの作製、炭素繊維強化複合材料積層板の成形および評価
実施例1と同様に、一方向強化材(炭素繊維強化複合材料)を作製し、力学特性を評価したところ、モードI層間破壊靱性(GIc)、0°引張強度は低い値を示した。結果を表3に示す。
Step III: Preparation of prepreg, molding of carbon fiber reinforced composite material laminate and evaluation In the same manner as in Example 1, a unidirectional reinforcing material (carbon fiber reinforced composite material) was prepared and evaluated for mechanical properties. The I interlaminar fracture toughness (G Ic ) and 0 ° tensile strength were low. The results are shown in Table 3.
(比較例3)
<(A)(B)成分含有水溶液の分散性評価>
実施例1と同様にした。水性エマルジョンが分散せず、強化繊維のサイジング剤として使用できないことがわかった。結果を表3に示す。
(Comparative Example 3)
<Dispersibility evaluation of (A) (B) component containing aqueous solution>
Same as Example 1. It was found that the aqueous emulsion was not dispersed and could not be used as a sizing agent for reinforcing fibers. The results are shown in Table 3.
(比較例4)
<(A)(B)成分含有水溶液の分散性評価>
実施例1と同様にした。水性エマルジョンが十分に分散しており、強化繊維のサイジング剤として使用できることを確認した。結果を表3に示す。
(Comparative Example 4)
<Dispersibility evaluation of (A) (B) component containing aqueous solution>
Same as Example 1. It was confirmed that the aqueous emulsion was sufficiently dispersed and could be used as a sizing agent for reinforcing fibers. The results are shown in Table 3.
第Iの工程:炭素繊維を製造する工程
実施例1と同様にした。
Step I: Step of producing carbon fiber The same procedure as in Example 1 was performed.
第IIの工程:サイジング塗布炭素繊維を作製する工程および評価
サイジング剤含有液を、表3に示す成分で調整した以外は、実施例1と同様の方法でサイジング剤塗布炭素繊維を得た。
Step II: Step for producing sizing-coated carbon fiber and evaluation Sizing agent-coated carbon fiber was obtained in the same manner as in Example 1 except that the sizing agent-containing liquid was adjusted with the components shown in Table 3.
第IIIの工程:プリプレグの作製、炭素繊維強化複合材料積層板の成形および評価
実施例1と同様に、一方向強化材(炭素繊維強化複合材料)を作製し、力学特性を評価したところ、モードI層間破壊靱性(GIc)は高い値を示したが、0°引張強度は低い値を示した。結果を表3に示す。
Step III: Preparation of prepreg, molding of carbon fiber reinforced composite material laminate and evaluation In the same manner as in Example 1, a unidirectional reinforcing material (carbon fiber reinforced composite material) was prepared and evaluated for mechanical properties. The I interlaminar fracture toughness (G Ic ) showed a high value, but the 0 ° tensile strength showed a low value. The results are shown in Table 3.
Claims (19)
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JP2015173518A JP2017048481A (en) | 2015-09-03 | 2015-09-03 | Sizing agent coated reinforced fiber, manufacturing method of sizing agent coated reinforced fiber, prepreg and fiber reinforced composite material |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2015173518A JP2017048481A (en) | 2015-09-03 | 2015-09-03 | Sizing agent coated reinforced fiber, manufacturing method of sizing agent coated reinforced fiber, prepreg and fiber reinforced composite material |
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- 2015-09-03 JP JP2015173518A patent/JP2017048481A/en active Pending
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