JP2021147497A

JP2021147497A - プリプレグ、および炭素繊維複合材料

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Publication number: JP2021147497A
Application number: JP2020048728A
Authority: JP
Inventors: 康裕福原; Yasuhiro Fukuhara
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 2020-03-19
Filing date: 2020-03-19
Publication date: 2021-09-27

Abstract

【課題】高い耐熱性を有し、取り扱い性に優れ、複合材料として十分な靭性を有するプリプレグ、及び炭素繊維複合材料を提供する。【解決手段】炭素繊維と、エポキシ基を有するイソシアヌル酸化合物及びビスマレイミド樹脂を含む組成物とからなるプリプレグ、および前記プリプレグを用いた炭素繊維複合材料。【選択図】なし

Description

本発明は、高い耐熱性を有し、取り扱い性に優れ、炭素繊維複合材料として十分な靭性を有するプリプレグ、及び炭素繊維複合材料を提供することを目的とする。

炭素繊維複合材料で用いるマトリクス樹脂としてはエポキシ樹脂が主流である。しかし、エポキシ樹脂は耐熱性に乏しく、例えば１８０℃を超えるような高温環境下での耐熱要求を十分に満足できない。また耐熱性樹脂として知られているポリイミド樹脂は、耐熱性は優れるものの、成形加工性の面で問題があった。このような状況から、耐熱性と成形性のバランスに優れたビスマレイミド樹脂が、炭素繊維複合材料用マトリクス樹脂として注目されている。

Ｎ，Ｎ’−（４，４’−ジアミノジフェニルメタン）ビスマレイミド、２，２’−ビス［４−（４−マレイミドフェノキシ）フェニル］プロパン、Ｏ，Ｏ’−ジアリルビスフェノールＡ、ジアリルイソフタレート、および有機過酸化物重合開始剤を含有することで、耐熱性、保存安定性にすぐれた一液性の樹脂組成物を提供できることが開示されている（特許文献１）。また、１分子中に芳香環を３個以上含む芳香族ビスマレイミド化合物、脂肪族ビスマレイミド化合物、１分子中に芳香環を２個または１個含む芳香族ビスマレイミド化合物、および特定構造を有するビスフェノール化合物を含有することで、液晶ガラス搬送用ＣＦＲＰロボットハンド等に好適な耐熱性を有するマトリックス樹脂において、無溶剤含浸性、プリプレグのタック性、ドレープ性、保存安定性を損なわずに、ＣＦＲＰのクラックが低減され、耐熱性がより向上されることが開示されている（特許文献２）。

特開平９−１７６２４６号公報特開２００９−２６３６２４号公報

しかしながら、ビスマレイミド樹脂は、樹脂自体が脆性であり、また補強繊維との接着性も不十分であるため複合材料としたときの靭性に劣り、靭性の向上が実用化の課題であった。ビスマレイミド樹脂をマトリクス樹脂とする強化繊維複合材料の靭性を改良する方法としては、ゴム成分をブレンドする方法、他のモノマーと共重合させる方法などの方法が提案されているが、耐熱性などの物性の低下が大きく、また、樹脂単体の破壊靭性としては向上しても炭素繊維複合材材料の靭性の向上は不十分であるといった課題があった。本発明は、高い耐熱性を有し、取り扱い性に優れ、複合材料として十分な靭性を有するプリプレグ、及び炭素繊維複合材料を提供することを目的とする。

本発明者等は上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、特定のマレイミド樹脂組成物と炭素繊維とからなるプリプレグにより上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。即ち本発明の要旨は、以下の［１］から［８］に存する。
［１］炭素繊維と、エポキシ基を有するイソシアヌル酸化合物及びマレイミド化合物を含む組成物とからなるプリプレグ。
［２］前記イソシアヌル酸化合物が、下記一般式（１）で表される化合物である、［１］に記載のプリプレグ。

・・・式（１）
（式（１）中、Ｒ^１〜Ｒ^３はそれぞれ独立に、水素原子、グリシジル基、アリル基または炭素数１〜１０の炭化水素基を表す。Ｒ^１〜Ｒ^３のうち少なくとも一つはグリシジル基を表す。）
［３］前記式（１）中、前記式（１）中、Ｒ^１〜Ｒ^３のうち少なくとも一つがアリル基である、［１］または［２］に記載のプリプレグ。
［４］前記式（１）中、Ｒ^１〜Ｒ^３のうち二つがグリシジル基、Ｒ^１〜Ｒ^３のうち１つがアリル基である、［１］〜［３］のいずれかに記載のプリプレグ。
［５］前記樹脂組成物がアリル化合物を含む、［１］〜［４］のいずれかに記載のプリプレグ。
［６］前記アリル化合物が芳香環を有する、［５］に記載のプリプレグ。
［７］前記アリル化合物がジアリルビスフェノールＡである、［５］または［６］に記載のプリプレグ。
［８］［１］〜［７］のいずれかに記載のプリプレグから成形された炭素繊維複合材料。

本発明により、高い耐熱性を有し、取り扱い性に優れ、複合材料として十分な靭性を有する炭素繊維複合材料用プリプレグ、及び炭素繊維複合材料が提供できる。宇宙・航空用途、産業用途などの高い耐熱性が要求される材料等に好適に使用可能である。

以下に本発明の好ましい実施の形態について説明するが、本発明はこれらの形態にのみ限定されるものではない。

本発明の一態様は、炭素繊維と、エポキシ基を有するイソシアヌル酸化合物及びマレイミド化合物を含む組成物とからなるプリプレグである。プリプレグは、炭素繊維束に樹脂組成物を含浸することにより得られる。プリプレグは、炭素繊維以外の強化繊維を含んでいてもよい。炭素繊維以外の強化繊維としては、黒鉛繊維、アラミド繊維、ガラス繊維等が挙げられる。樹脂組成物を炭素繊維束へ含浸させる方法は特に制限されないが、複合材料とした時の、ボイド発生抑制の観点から、含浸方法としては、溶剤を使用しないことが好ましく、樹脂組成物を６０℃〜１３０℃に加温し、含浸させるホットメルト法がより好ましい。プリプレグにおける炭素繊維体積含有率は、強度の観点から、２０〜７０％であることが好ましく、４０〜６０％であることがより好ましい。

＜炭素繊維＞
炭素繊維としては、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系、石油・石炭ピッチ系、レーヨン系、リグニン系などが挙げられる。ＰＡＮを原料としたＰＡＮ系炭素繊維であることが好ましい。炭素繊維を用いた炭素繊維束の形態としても特に制限はなく、例えば、一方向材、クロス、マット、或いは数千本以上のフィラメントよりなるトウ等を使用することができる。耐熱性が求められる用途は航空・宇宙用途であり、高い強度を求められる構造部材に対しては、一方向材が好ましい。フィラメント数は、１２，０００〜６０，０００であることが、生産性及び機械的特性に優れており好ましい。

＜エポキシ基を有するイソシアヌル酸化合物＞
イソシアヌル酸化合物は、エポキシ基を有する。本発明の効果を阻害しない範囲でエポキシ基以外の置換基を有していてもよく、置換基の分子量は１０〜８００であることが好ましい。耐熱性と耐薬品性に優れた架橋剤として用いることができる。エポキシ基を有するイソシアヌル酸化合物としては、複合材料としたときの靭性の観点から、下記一般式（１）で表される化合物であることが好ましい。

・・・式（１）
（式（１）中、Ｒ^１〜Ｒ^３はそれぞれ独立に、水素原子、グリシジル基、アリル基または炭素数１〜１０の炭化水素基を表す。Ｒ^１〜Ｒ^３のうち少なくとも一つはグリシジル基を表す。）

Ｒ^１〜Ｒ^３はそれぞれ独立に、水素原子、グリシジル基、アリル基または炭素数１〜１０の炭化水素基を表し、１〜１０の炭化水素基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ｔｅｒｔ−ブチル基等が挙げられる。靭性の観点から、グリシジル基、またはアリル基が好ましい。マレイミド樹脂の骨格に効率的に組み込むために、Ｒ^１〜Ｒ^３の少なくとも１つがアリル基であることが好ましい。また、Ｒ^１〜Ｒ^３のうち二つがグリシジル基であることが好ましい。イソシアヌル酸化合物の市販品としては、ＭＡ−ＤＧＩＣ（四国化成工業）、ＤＡ−ＭＧＩＣ（四国化成工業）、ＴＥＰＩＣ（日産化学工業）等が挙げられる。イソシアヌル酸化合物の含有量は、樹脂組成物全体１００質量部に対して、耐熱性の観点から、３質量部以上が好ましく、５質量部以上がより好ましい。また、靭性の観点から、２０質量部以下が好ましく、１５質量部以下がより好ましい。

＜マレイミド化合物＞
マレイミド化合物は、モノマー、オリゴマー、またはそれらの混合物を表し、本発明の効果を損なわない範囲で置換基を有していてもよい。マレイミド化合物としては、芳香族マレイミド化合物または脂肪族マレイミド化合物が挙げられる。芳香族マレイミド化合物及び脂肪族マレイミド化合物を両方用いることもできるが、耐熱性の観点からは、芳香族マレイミド化合物であることが好ましい。芳香族マレイミド化合物としては、Ｎ，Ｎ−ｍ−フェニレンジマレイミド、Ｎ，Ｎ−ｐ−フェニレンジマレイミド、４，４’−ビスマレイミドジフェニルエーテル、４，４’−ビスマレイミドジフェニルメタン、ビスフェノールＡジフェニルエーテルビスマレイミド、３，３’−ジメチル−５，５’−ジエチル−４，４’−ジフェニルメタンビスマレイミド、４−メチル−１，３−フェニレンジマレイミド、２，２’−ビス−［４−（４−マレイミドフェノキシ）フェニル］プロパン、Ｎ，Ｎ’−２，４−トリレンジマレイミド、Ｎ，Ｎ’−２，６−トリレンジマレイミド、及び下記一般式（２）で表される芳香族マレイミド化合物等が挙げられる。これらは２種以上を混合して用いてもよい。式（２）で表されるマレイミド化合物は、結晶性が低く樹脂組成物中に結晶が析出しにくいため好ましい。

・・・式（２）
（式（２）中、ｎは０．１〜０．５を表す。）

式（２）中、ｎは０．１〜０．５を表し、ｎは溶解温度を低くできることから、０．３〜０．４であることが好ましい。ｎは、例えば、ｎ＝０．３５の式（２）で表される芳香族マレイミド化合物では、ｎ＝０の化合物とｎ＝１や２などの化合物との混合物であり、ｎの平均値を意味する。ｎ＝０の場合の化合物はビスマレイミドジフェニルメタンであり、結晶性が高く、融点も１５０℃以上となる。ｎが平均して０．３〜０．４である式（２）で表される芳香族マレイミド化合物はｎ＝０の化合物とｎ＝１や２などの化合物とから成っているため結晶性が低下し、結晶の融点も４，４’−ビスマレイミドジフェニルメタンと比較して３０℃以上低くなる。式（２）で表される芳香族マレイミド化合物は、樹脂組成物調製時にアリル化合物などの液状成分への溶解温度も低くなるため、融点が７０℃〜１６０℃であることが好ましい。

脂肪族マレイミド化合物は、マレイミド基を連結する主鎖が炭化水素で構成されている化合物であり、エーテル基、スルフィド基等が含まれていてもよい。また主鎖は、分岐鎖を含んでもよい。脂肪族マレイミド化合物としては、Ｎ，Ｎ’−ヘキサメチレンビスマレイミド、Ｎ−ｔｅｒｔ−ブチルマレイミド、２，２，４−トリメチルヘキサメチレンジマレイミド、２，４，４−トリメチルヘキサメチレンジマレイミド、Ｎ−メチルマレイミド、Ｎ−ドデシルマレイミド、Ｎ−ヒドロキシエチルマレイミド、Ｎ−１−メトキシメチルプロピルマレイミド、Ｎ−１−エトキシメチルマレイミド、Ｎ−１−メトキシメチルブチルマレイミド等が挙げられる。脂肪族マレイミド化合物は２種以上を混合して用いてもよい。組成物調整時の取り扱い性の観点から、Ｎ，Ｎ’−ヘキサメチレンビスマレイミドが好ましい。

マレイミド化合物の含有量は、樹脂組成物全体１００質量部に対して、耐熱性の観点から、３０質量部以上が好ましく、５０質量部以上がより好ましい。また、靭性の観点から、９０質量部以下が好ましく、８０質量部以下がより好ましい。芳香族マレイミド化合物及び脂肪族マレイミド化合物を両方用いる場合には、芳香族マレイミド化合物をマレイミド化合物全体１００質量部に対して、耐熱性の観点から、３０質量部以上含むことが好ましく、５０質量部以上含むことがより好ましい。また、靭性の観点から、９０質量部以下含むことが好ましく、８０質量部以下含むことがより好ましい。脂肪族マレイミド化合物をマレイミド化合物全体１００質量部に対して、プリプレグのタック性の観点から、１０質量部以上含むことが好ましく、１５質量部以上含むことがより好ましい。また、耐熱性の観点から、７０質量部以下含むことが好ましく、３５質量部以下含むことがより好ましい。

＜アリル化合物＞
アリル化合物を組成物に含むことで、加熱時の流動性が良好となり樹脂組成物の調製が容易となる。アリル化合物としては、アリル基を有する化合物を示し、フタル酸ジアリル、イソフタル酸ジアリル、テレフタル酸ジアリル、ジアリルビスフェノールＡ等の芳香環を有するアリル化合物、トリメチロールプロパンジ（メタ）アリルエーテル、ペンタエリスリトールトリ（メタ）アリルエーテル、グリセリンモノ（メタ）アリルエーテル等の（メタ）アリルエーテル化合物、アクリル酸（メタ）アリル、マレイン酸ジ（メタ）アリル、フマル酸ジ（メタ）アリル等の（メタ）アリルエステル化合物、ジアリルフタレート、トリアリルイソシアヌレート等の脂肪鎖を有するアリル化合物が挙げられ、高分子主鎖の剛直化に寄与して耐熱性を維持できることから、芳香環を有するアリル化合物が好ましい。また、耐熱性の観点から、アリル基を２つ以上有することが好ましい。芳香環を有するアリル化合物の中でも、靭性を向上できることから、下記式（３）で表されるジアリル化合物が好ましい。下記式（３）で表される化合物中、２，２−ビス（４−ヒドロキシ−３−アリルフェニル）プロパンであることがより好ましい。

・・・式（３）
樹脂組成物の粘度を低くし取り扱い性を良好にすることから、２５℃で液状であることが好ましい。

発明の効果を損なわない範囲で必要に応じて上記以外の公知の成分、例えば硬化剤、硬化助剤、熱硬化性樹脂、揺変剤、充填剤、安定剤、難燃剤、顔料などを含有させてもよい。

＜組成物＞
組成物は、エポキシ基を有するイソシアヌル酸化合物及びマレイミド化合物を含む。エポキシ基を有するイソシアヌル酸化合物、マレイミド樹脂、およびその他成分を溶解する際、高温にしすぎると硬化反応が速く進行してしまう。組成物を溶解させる温度は、７０℃以上１５０℃以下であることが好ましく、９０℃以上１３０℃以下であることがより好ましい。また該操作にかける時間は、昇降温に要する時間を除き１０分以上６時間以下とすることが好ましい。

本発明のプリプレグは積層後、積層物に圧力を付与しながら加熱硬化させることにより、炭素繊維炭素繊維複合材料を作製することができる。熱および圧力を付与する方法としては、プレス成形法、オートクレーブ成形法、ラッピングテープ法および内圧成形法などが挙げられる。

以下、実施例、比較例によって本発明をさらに説明する。実施例、比較例で用いた樹脂組成物の原料、調製方法、および各物性の測定方法を下に示した。各樹脂組成物の組成、および物性の測定結果を表１へまとめて示した。また、これらは本発明の範囲を実施例に限定させるものではない。

＜原料＞
本発明の実施例では、次の市販品を用いた。
＜Ａ成分＞
フェニルメタンマレイミドオリゴマー（ｎ＝０．３５）（商品名：ＢＭＩ−２３００、大和化成工業株式会社）
１，６−ビスマレイミド（２，２，４−トリメチル）ヘキサン（商品名：ＢＭＩ−ＴＭＨ、大和化成工業株式会社）
＜Ｂ成分＞
ジアリルビスフェノールＡ（商品名：ＤＡＢＰＡ、大和化成工業株式会社）
＜Ｃ成分＞
１，３−ジアリル−５−グリシジルイソシアヌレート（商品名：ＤＡ−ＭＧＩＣ、四国化成工業株式会社）
１−アリル−３，５−ジグリシジルイソシアヌレート（商品名：ＭＡ−ＤＧＩＣ、四国化成工業株式会社）

＜樹脂組成物の調製＞
原料Ａ成分、Ｂ成分、Ｃ成分をフラスコへ秤量し、１５０℃以下で加熱・撹拌することで樹脂組成物を得た。

＜プリプレグの作製＞
樹脂組成物を引きそろえた炭素繊維へ含浸させて、プリプレグを得た。得られたプリプレグは、適当なタックと硬さを有しており作業性に優れていた。炭素繊維は三菱ケミカル（株）製の炭素繊維ＴＲ５０Ｓ−１５Ｌを用いた。プリプレグの炭素繊維目付は１２５ｇ／ｍ^２、樹脂含有率は３３質量％であった。

＜炭素繊維複合材料の作製＞
プリプレグを３００ｍｍ×３００ｍｍで裁断し、ハンドレイアップ法で積層した。オートクレーブにより１次硬化、オーブンにより２次硬化した。硬化条件は１次硬化：１８０℃で６時間保持、２次硬化：２４３℃で６時間保持とした。

＜ガラス転移温度、およびｔａｎδｍａｘの測定＞
ＤＭＡ法により以下の測定条件下、ガラス転移温度（Ｇ’−Ｔｇ）を測定した。ｌｏｇＧ’を温度に対してプロットし、ｌｏｔＧ’の転移する前の平坦領域の近似直線とｌｏｔＧ’が転移する領域における傾きの変曲点で接線との交点から求められる温度をガラス転移温度とした。
測定条件
装置：ＡＲＥＳ−ＲＤＡ（ティー・エー・インスツルメント社製）
昇温速度：５℃／ｍｉｎ
測定周波数：１Ｈｚ
歪：０．５％
測定温度範囲：約３０℃〜約４００℃
サンプルサイズ：縦５５ｍｍ、幅１２．７ｍｍ、厚み２ｍｍ

＜炭素繊維複合材料の面内せん断試験＞
炭素繊維複合材料の面内せん断試験を行った。
装置：インストロン５５８２型（インストロン社製）
クロスヘッドスピード：１．２７ｍｍ／分
積層構成：［＋４５°／−４５°／＋４５°／−４５°／＋４５°／−４５°／−４５°／＋４５°／−４５°／＋４５°／−４５°／＋４５°］
サンプルサイズ：縦２５４ｍｍ、幅２５．４ｍｍ、厚み１．４ｍｍ

測定環境
温度：２３℃
湿度：５０％ＲＨ

実施例の態様によれば、高い耐熱性を有し、靭性に優れた炭素繊維複合材料を得ることが出来た。

Claims

炭素繊維と、エポキシ基を有するイソシアヌル酸化合物及びマレイミド化合物を含む組成物とからなる、プリプレグ。
前記イソシアヌル酸化合物が、下記一般式（１）で表される化合物である、請求項１に記載のプリプレグ。

・・・式（１）
（式（１）中、Ｒ^１〜Ｒ^３はそれぞれ独立に、水素原子、グリシジル基、アリル基または炭素数１〜１０の炭化水素基を表す。Ｒ^１〜Ｒ^３のうち少なくとも一つはグリシジル基を表す。）
前記式（１）中、Ｒ^１〜Ｒ^３のうち少なくとも一つがアリル基である、請求項１または２に記載のプリプレグ。
前記式（１）中、Ｒ^１〜Ｒ^３のうち二つがグリシジル基、Ｒ^１〜Ｒ^３のうち１つがアリル基である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のプリプレグ。
前記樹脂組成物がアリル化合物を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載のプリプレグ。
前記アリル化合物が芳香環を有する、請求項５に記載のプリプレグ。
前記アリル化合物がジアリルビスフェノールＡである、請求項５または６に記載のプリプレグ。
請求項１〜７のいずれか１項に記載のプリプレグから成形された炭素繊維複合材料。