JP2020196896A - プリプレグおよび繊維強化複合材料 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明のプリプレグに用いられる樹脂組成物は、エポキシ樹脂、アミン系硬化剤、イミダゾール系硬化剤を含む。
本発明のプリプレグに用いられる樹脂組成物に含まれるエポキシ樹脂は、例えば、分子内にエポキシ基を有する高分子化合物である。前記エポキシ樹脂は、一種でもそれ以上でもよい。前記樹脂組成物の硬化物(樹脂硬化物)の耐熱性および機械物性を高める観点から、前記エポキシ樹脂は、その分子中に2以上のエポキシ基を有することが好ましい。
グリシジルエーテル型エポキシ樹脂の具体例としては、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ビスフェノールS型エポキシ樹脂、レゾルシノール型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、トリスフェノールノボラック型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂及びアントラセン型エポキシ樹脂などのアリールグリシジルエーテル型エポキシ樹脂;ポリエチレングリコール型エポキシ樹脂、ポリプロピレングリコール型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、これらの位置異性体、およびアルキル基またはハロゲンを置換基として有するこれらの置換体、などが挙げられる。
グリシジルアミン型エポキシ樹脂の具体例としては、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン類、アミノフェノールのグリシジル化合物、アミノクレゾールのグリシジル化合物、グリシジルアニリン類、キシレンジアミンのグリシジル化合物などが挙げられる。
グリシジルエステル型エポキシ樹脂の具体例としては、フタル酸ジグリシジルエステル、ヘキサヒドロフタル酸ジグリシジルエステル、イソフタル酸ジグリシジルエステル、ダイマー酸ジグリシジルエステルおよびこれらの種異性体などが挙げられる。
脂環式エポキシ樹脂の具体例としては、1,2−エポキシシクロヘキサン環を部分構造として有する高分子化合物などが挙げられる。
本実施形態におけるアミン系硬化剤は、前記エポキシ樹脂の硬化を促進させる化合物から適宜に選ぶことができる。アミン系硬化剤は、一種でもそれ以上でもよい。
本実施形態におけるイミダゾール系硬化剤は、分子内にイミダゾール環を有する化合物である。イミダゾール系硬化剤は、一種でもそれ以上でもよい。例えば、イミダゾール系硬化剤は、分子内にイミダゾール環を有する化合物であって、イミダゾール環に置換基を持つ化合物(イミダゾール誘導体)、エポキシ樹脂のエポキシ基にイミダゾールもしくはイミダゾール誘導体が開環付加した構造を有する化合物(イミダゾールアダクト)、イミダゾールを異分子で包接した化合物(包接イミダゾール)、マイクロカプセル化したイミダゾールまたはイミダゾール誘導体(マイクロカプセル型イミダゾール)、及び安定化剤等を配位させたイミダゾールまたはイミダゾール誘導体(イミダゾール付加物)からなる群から選ばれる少なくとも1種である。
前記樹脂組成物中における前記アミン系硬化剤は、前記エポキシ樹脂100質量部に対して3.8質量部以下である。前記アミン系硬化剤の含有量を3.8質量部以下とすることによって、プリプレグに優れた速硬化性を付与させ、短い硬化時間でも硬化物に優れた機械的強度を付与させることができる。好ましくは3.5質量部以下であり、より好ましくは、3.2質量部以下であり、さらに好ましくは、3.0質量部以下である。また、前記アミン系硬化剤は、含有量を1質量部以上とすることが好ましく、プリプレグの硬化を促進させることができる。より好ましくは、1.5質量%以上である。
前記樹脂組成物は、本実施の形態の効果が得られる範囲において、前述したエポキシ樹脂、アミン系硬化剤およびイミダゾール系硬化剤以外の他の成分をさらに含有していてもよい。当該他の成分は、一種でもそれ以上でもよい。当該他の成分の含有量は、その成分による効果と本実施形態の効果とが両立する範囲において、適宜に決めることできる。前記他の成分の例には、安定化剤、熱可塑性エラストマー、エラストマー微粒子、コアシェル型エラストマー微粒子、希釈剤、シリカ等の無機粒子、カーボンナノチューブ及びカーボンブラック等の炭素質成分、リン化合物等の難燃剤、シリコン化合物又はフッ素化合物を含有する内部離型剤、並びに脱泡剤等が挙げられる。
前記樹脂組成物の硬化完了時間は140℃において5分間以内であることが好ましく、4.5分間以内であることがより好ましい。前記時間内で硬化完了した場合、ハイサイクルプレス成形に使用する樹脂組成物として十分な速硬化性を有しているといえる。前記硬化完了時間は、アミン系硬化剤とイミダゾール系硬化剤とを併用することで実現され得るが、例えば、これらの硬化剤の量および種類に応じて、更に短縮する(速硬化性を向上させる)ことができる。
前記樹脂組成物は、プリプレグ用の熱硬化性の樹脂組成物を製造するための従来公知の方法で製造することができる。前記樹脂組成物は、例えば、ガラスフラスコ、ニーダー、プラネタリーミキサー、一般的な撹拌加熱釜、攪拌加圧加熱釜等を用いて製造することが好ましい。
本発明の実施形態のプリプレグは、強化繊維基材に樹脂組成物を含浸したシート状のプリプレグである。
強化繊維基材とは、強化繊維で構成されている、プリプレグ用の基材である。強化繊維としては、例えば、無機繊維、有機繊維、金属繊維、又はこれらを組み合わせたハイブリッド構成の強化繊維等が挙げられる。強化繊維は、一種でもそれ以上でもよい。
前記プリプレグは、前記エポキシ樹脂組成物を強化繊維基材に含浸させることで形成される。前記樹脂組成物は、例えば、離型紙等の表面に所定量の前記樹脂組成物を塗工し、その表面に強化繊維基材を供給した後、押圧ロールを通過させることによって強化繊維基材に含浸する。あるいは、樹脂組成物は、強化繊維基材に所定量の前記樹脂組成物を直接、塗工した後、必要に応じて前記強化繊維基材を離型紙等で挟んで押圧ロールを通過させることによって強化繊維基材に含浸する。
前記プリプレグは単層、又は必要に応じて複数枚を積層した積層体として用いられる。
本発明の実施形態の繊維強化複合材料は、前述した樹脂組成物の硬化反応による上記プリプレグの硬化物である。
前記プリプレグを必要枚数積層することで得たプリプレグ積層体を金型により加熱加圧して繊維強化複合材料を得る。
前記繊維強化複合材料の製造方法においては、成形工程に先立ち、積層工程で得たプリプレグ積層体を賦形してプリフォームを得る賦形工程をさらに有していてもよい。すなわち、前記繊維強化複合材料の製造方法においては、積層工程、賦形工程及び成形工程をこの順に行う方法であってもよい。この場合は、積層工程で得たプリプレグ積層体を賦形工程において所望する成形品形状とほぼ正味形状を有するプリフォームを製作した後、該プリフォームを成形工程で加熱加圧して所望する成形品形状に成形することで繊維強化複合材料を製造する。賦形工程に供されるプリプレグ積層体の積層数は、成形品に要求される厚さに応じて適宜選択することができる。
本実施例に使用した原料を以下に示す。
jER828:ビスフェノールA型エポキシ樹脂(製品名「jER 828」、エポキシ当量189、三菱ケミカル株式会社製)。
TSR−400:オキサゾリドン環含有エポキシ樹脂(製品名「TSR−400」、エポキシ当量339、DIC株式会社製)。
N740:フェノールノボラック型エポキシ樹脂(製品名「N740」、エポキシ当量182、DIC株式会社製)。
N775:フェノールノボラック型エポキシ樹脂(製品名「N775」、エポキシ当量189、DIC株式会社製)。
1400F:ジシアンジアミド(製品名「Dicyanex 1400F」、エアプロダクツ社製、平均粒径4.5μm)
2MZA−PW:2,4−ジアミノ−6−(2’−メチルイミダゾリル−(1’))−エチル−s−トリアジン(体積平均粒径1.4μm、製品名「キュアゾール2MZA−PW」、四国化成社製)。
炭素繊維束:製品名「TRW40 50L」、三菱ケミカル株式会社製、引張強度4.1GPa、引張弾性率240GPa、フィラメント数50000本、目付3.75g/m2。
下記表1に記載の質量比で各成分を混練し、次いで三本ロールにて均一に分散させ、マスターバッチI−1〜I−6、II−1を調製した。表1中の数値は質量部である。
jER828を22.5質量部、TSR400を42.5質量部およびN740を25.0質量部、を溶解釜に投入して80℃で溶解させた。その後、60℃まで冷却し、マスターバッチI−1を16質量部加え、60℃で更に撹拌混合して樹脂組成物(C−1)を得た。
各成分の組成及び樹脂含有量を表2に示すように変更した以外は、実施例1と同様にして樹脂組成物(C−2)〜(C−7)を調製した。また、樹脂組成物(C−1)を樹脂組成物(C−2)〜(C−7)のそれぞれに代える以外は実施例1と同様にして、プリプレグ積層体C−2〜C−7をそれぞれ製造した。そして、プリプレグ積層体C−1をプリプレグ積層体C−2〜C−7のそれぞれに代える以外は実施例1と同様にして、繊維強化複合材料C−2〜C−7をそれぞれ製造した。
成分の組成及び樹脂含有量を表2に示すように変更した以外は、実施例1と同様にして樹脂組成物(X−1)を調製した。そして、樹脂組成物(C−1)を樹脂組成物(X−1)に代える以外は実施例1と同様にして、プリプレグ積層体X−1を製造し、プリプレグ積層体C−1をプリプレグ積層体X−1に代える以外は実施例1と同様にして、繊維強化複合材料X−1を製造した。
(1)硬化完了時間(t90)
得られた樹脂組成物(C−1)〜(C−7)および(X−1)について、下記の方法により樹脂組成物の硬化完了時間t90を求めた。樹脂組成物の硬化完了時間は、最大トルク値の90%トルクに到達する時間である。
装置:キュラストメーター(JSRトレーティング株式会社製、「キュラストメーター7 Type P」)
ダイス有効ボア径:φ160mm
測定温度:140℃
得られた繊維強化複合材料C−1を、湿式ダイヤモンドカッタによって長さ(繊維と直交方向の長さ)63mm×幅(繊維と平行方向の長さ)12.7mmの寸法に切断して、端面を#1000のサンドペーパーで研磨し、試験片C−1を作製した。
実施例1で得られた樹脂組成物(C−1)の樹脂フィルムを炭素繊維のクロスであるTRK510M(三菱ケミカル株式会社製、目付:646g/m2)の両面に貼りつけた。樹脂組成物(C−1)を炭素繊維クロスに含浸させることによってクロスプリプレグを得た。このクロスプリプレグにおける樹脂含有率は39.5質量%であった。また、上記クロスプリプレグにおける樹脂組成物(C−1)の含浸率は100%であった。得られたクロスプリプレグにつき、下記に示す方法でドレープ性試験を実施した。
図3は、上記クロスプリプレグのドレープ性試験を説明する図である。上記クロスプリプレグを長さ200mm、幅15mmに切ってなる試験片を3点準備した。前記長さは、クロスの経糸方向の長さであり、前記幅は、クロスの緯糸方向の長さである。
2 繊維強化複合材料
100 金型
110 下型
112 凸部
120 上型
122 凹部
200 試験片
201 試験台
202 アルミプレート
203 重り
Claims (1)
- 炭素繊維からなる強化繊維基材と、前記強化繊維基材に含浸している樹脂組成物とを含有し、
前記樹脂組成物は、エポキシ樹脂とアミン系硬化剤とイミダゾール系硬化剤とを含有し、
前記エポキシ樹脂100質量部に対して、前記アミン系硬化剤の含有量が1質量部以上3.8質量部以下であり、前記アミン系硬化剤の含有量と前記イミダゾール系硬化剤の含有量との合計が10質量部以下であり、
前記強化繊維基材の目付が100〜1000g/m2である、
プリプレグ。
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