JP2021172694A - プリプレグ - Google Patents
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Abstract
Description
耐衝撃性を改善する方法として、例えば特許文献1〜5に記載の方法が従来から知られている。
エポキシ樹脂組成物A:
エポキシ当量が120g/eq以下であるエポキシ樹脂を含むエポキシ樹脂組成物
エポキシ樹脂組成物B:
下記化学式(1)で示されるエポキシ樹脂およびエポキシ樹脂の硬化剤を含み、該硬化剤の含有量がエポキシ樹脂組成物Bに含まれるエポキシ樹脂の総量に対する当量比で150〜300%であるエポキシ樹脂組成物
(1)プリプレグの構造
本発明のプリプレグは、強化繊維基材と、該強化繊維基材が形成する強化繊維層内に含浸されたエポキシ樹脂組成物Aとからなる1次プリプレグと、該1次プリプレグの片面または両面に形成されるエポキシ樹脂組成物Bからなる表面層と、が一体化されてなるプリプレグである。
本発明において1次プリプレグは、プリプレグ断面における中央部のシート状の繊維強化基材と該強化繊維基材に含浸されたエポキシ樹脂組成物Aとからなる層である。1次プリプレグは、図2(b)および(c)中、1次プリプレグ10として表される。
以下、エポキシ樹脂組成物Aに用いられる各成分について説明する。
本発明で用いるエポキシ樹脂組成物Aは、エポキシ当量が120g/eq以下であるエポキシ樹脂を含む。エポキシ樹脂組成物Aにおける、エポキシ当量が120g/eq以下であるエポキシ樹脂の含有量は、エポキシ樹脂組成物Aの全質量を基準に60〜100質量%、好ましくは70〜90質量%である。エポキシ当量が120g/eq以下のエポキシ樹脂をこの範囲で含むことで、プリプレグ作製時に高い樹脂含浸性を得ることができるとともに、硬化樹脂の弾性率が向上し、本発明のプリプレグを用いて製造されたコンポジ
ットの各種物性を向上できる。
エポキシ樹脂組成物Aは、好ましくはエポキシ樹脂可溶性熱可塑性樹脂を含有する。ま
た、エポキシ樹脂組成物Aは、好ましくはエポキシ樹脂不溶性熱可塑性樹脂を含有する。特に好ましい態様は、エポキシ樹脂組成物Aが、エポキシ樹脂可溶性熱可塑性樹脂およびエポキシ樹脂不溶性熱可塑性樹脂の両方を含有する態様である。
エポキシ樹脂組成物Aがエポキシ樹脂可溶性熱可塑性樹脂を含有することにより、エポキシ樹脂組成物の粘度を調整するとともに、得られるコンポジットの耐衝撃性が向上する。
エポキシ樹脂可溶性熱可塑性樹脂は、190℃でエポキシ樹脂に80質量%以上溶解する樹脂が好ましい。
エポキシ樹脂可溶性熱可塑性樹脂には、アミン末端基を有する反応性芳香族オリゴマー(以下、単に「芳香族オリゴマー」ともいう)を含むことが好ましい。
ことが困難となる場合があり好ましくない。他方50μmを超える場合、エポキシ樹脂組成物をシート状に加工する際、均質な厚みのシートが得られ難くなる場合があり、また、エポキシ樹脂への溶解速度が遅くなり、プリプレグから得られるコンポジットが不均一となるため好ましくない。
エポキシ樹脂不溶性熱可塑性樹脂は、プリプレグを用いてコンポジットを成形する温度またはそれ以下の温度において、エポキシ樹脂に実質的に溶解しない熱可塑性樹脂をいう。すなわち、エポキシ樹脂100質量部に対して、平均粒子径が20〜50μmの熱可塑性樹脂10質量部を混合して190℃で1時間撹拌した際に、粒子の大きさが10%以上変化しない熱可塑性樹脂をいう。なお、一般的に、コンポジットを成形する温度は100〜190℃である。また、粒子径は、顕微鏡によって目視で測定され、平均粒子径とは、無作為に選択した100個の粒子の粒子径の平均値を意味する。
エポキシ樹脂不溶性熱可塑性樹脂の好ましい平均粒子径や形態は、エポキシ樹脂可溶性熱可塑性樹脂と同様である。
エポキシ樹脂組成物Aには、導電性粒子や難燃剤、無機系充填剤、内部離型剤が配合されてもよい。
導電性粒子としては、ポリアセチレン粒子、ポリアニリン粒子、ポリピロール粒子、ポリチオフェン粒子、ポリイソチアナフテン粒子およびポリエチレンジオキシチオフェン粒子等の導電性ポリマー粒子、カーボン粒子、炭素繊維粒子、金属粒子、無機材料または有機材料から成るコア材を導電性物質で被覆した粒子が例示される。
エポキシ樹脂組成物Bは、化学式(1)で示されるエポキシ樹脂およびエポキシ樹脂の硬化剤を含む。該硬化剤の含有量は、エポキシ樹脂組成物Bに含まれるエポキシ樹脂の総量に対する当量比で150〜300%である。
このエポキシ樹脂組成物Bは、図2(c)中において、本発明のプリプレグの表面層15aを構成する成分である。以下、エポキシ樹脂組成物Bに用いられる各成分について説明する。
エポキシ樹脂組成物Bは、下記化学式(1)で示されるエポキシ樹脂を含む。
であることが好ましい。
エポキシ樹脂組成物Bに用いる硬化剤には、公知のエポキシ樹脂用の硬化剤を用いることができる。中でも、アミン系硬化剤を用いることが好ましい。アミン系硬化剤としては、例えば、ジシアンジアミド、芳香族アミン系硬化剤の各種異性体、アミノ安息香酸エステル類が挙げられる。
エポキシ樹脂組成物Bは、エポキシ樹脂に溶解した熱可塑性樹脂を含有してもよい。この熱可塑性樹脂は、既に説明したエポキシ樹脂可溶性熱可塑性樹脂である。エポキシ樹脂組成物Bに配合されるエポキシ樹脂可溶性熱可塑性樹脂は、エポキシ樹脂組成物Aに配合されるエポキシ樹脂可溶性熱可塑性樹脂と同一のものであってもよく、それぞれ異なるも
のであってもよい。
エポキシ樹脂組成物Bには、さらに、既に説明した導電性粒子や難燃剤、無機系充填剤、内部離型剤が配合されてもよい。
エポキシ樹脂組成物Aおよびエポキシ樹脂組成物Bは、エポキシ樹脂組成物Aのエポキシ樹脂およびエポキシ樹脂組成物Bを構成する成分を混合することにより製造することができる。これらの混合の順序は問わない。従来公知の方法を適用することができ、混合温度は、例えば40〜120℃、好ましくは50〜100℃、さらに好ましくは50〜90℃である。120℃を超える場合、部分的に硬化反応が進行して強化繊維基材層内への含浸性が低下したり、得られるエポキシ樹脂組成物およびそれを用いて製造されるプリプレグの保存安定性が低下する場合がある。40℃未満である場合、エポキシ樹脂組成物の粘度が高く、実質的に混合が困難となる場合がある。
本発明のプリプレグは、上記のエポキシ樹脂組成物Aおよびエポキシ樹脂組成物Bを用いて、従来公知の方法を利用して製造することができる。加熱により粘度を低下させた樹脂組成物Aを強化繊維層内に含浸させる乾式法によって製造されることが好ましい。かかる乾式法は、有機溶媒に溶解させたエポキシ樹脂組成物Aを強化繊維層内に含浸させた後に該有機溶媒を除去する湿式法と比べて、有機溶媒が残存しないため好ましい。以下、乾式法による製造方法により本発明のプリプレグの製造方法を説明する。
から成る樹脂Aフィルム13aが積層される(図2(a))。この強化繊維層12と樹脂Aフィルム13aとは、熱ローラー等により熱プレスされる。これにより、エポキシ樹脂組成物Aが強化繊維層12に含浸され、1次プリプレグ10が得られる(図2(b))。その後、この1次プリプレグ10の厚さ方向の片側または両側に、エポキシ樹脂組成物Bから成る樹脂Bフィルム15aが積層される(図2(c))。次いで、熱ローラー等により熱プレスされて、1次プリプレグ10と樹脂Bフィルム15aとは一体化される。これにより、本発明のプリプレグ100が得られる(図1)。
プリプレグの生産速度は、生産性や経済性などを考慮すると、例えば0.1m/min以上、好ましくは1m/min以上、さらに好ましくは、5m/min以上である。
本発明のプリプレグには、本発明の効果を妨げない範囲において、安定剤や離型剤、フィラー、着色剤等が配合されていてもよい。
本発明のプリプレグを特定の条件で加熱加圧して硬化させることにより、繊維強化複合材料(コンポジット)を得ることができる。本発明のプリプレグを用いて、コンポジットを製造する方法として、オートクレーブ成形やプレス成形といった公知の成形法を挙げることができる。
本発明のプリプレグを用いてコンポジットを製造する場合、オートクレーブ成形法を好ましく用いることができる。オートクレーブ成形法は、金型の下型にプリプレグおよびフィルムバッグを順次敷設し、該プリプレグを下型とフィルムバッグとの間に密封し、下型とフィルムバッグとにより形成される空間を真空にするとともに、オートクレーブ成形装置で、加熱と加圧をする成形方法である。成形時の条件は、昇温速度を1〜50℃/分とし、0.2〜0.7MPa、130〜180℃で10〜300分間、加熱および加圧することが好ましい。
本発明のプリプレグを用いてコンポジットを製造する他の方法として、プレス成形法を好ましく用いることができる。プレス成形法による繊維強化複合材料の製造は、本発明のプリプレグまたは本発明のプリプレグを積層して形成したプリフォームを、金型を用いて加熱加圧することにより行う。金型は、予め硬化温度に加熱しておくことが好ましい。
℃以上であれば、十分に硬化反応を起こすことができ、高い生産性で繊維強化複合材料を得ることができる。また、成形温度が210℃以下であれば、樹脂粘度が低くなり過ぎることがなく、金型内における樹脂の過剰な流動を抑えることができる。その結果、金型からの樹脂の流出や繊維の蛇行を抑制できるため、高品質のコンポジットを得ることができる。
用いた成分の詳細は、以下のとおりである。
・テトラグリシジル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン(ハンツマン社製 Araldite MY721、グリシジルエーテル個数/芳香環個数=0、エポキシ当量=112g/eq、以下「4,4’−TGDDM」と略記する)
・テトラグリシジル−3,4’−ジアミノジフェニルエーテル(下記の合成例1の方法で合成したもの。化(1)で表される。エポキシ当量=112g/eq、以下「3,4’−TGDDE」と略記する)
・レゾルシノールジグリシジルエーテル(ナガセケムテックス社製 EX−201、グリシジルエーテル個数/芳香環個数=2、エポキシ当量=115g/eq、以下「Resorcinol−DG」と略記する)
・3,3’−ジアミノジフェニルスルホン(小西化学工業株式会社製、以下、「3,3’−DDS」と略記する)
・TR−55(商品名):(エムスケミージャパン社製 グリルアミド、平均粒子径5〜35μm、以下「TR−55」と略記する)
・VEST0SINT 2158(商品名):(ダイセル・エボニック社製 ポリアミド12、平均粒子径5〜35μm、以下「PA12」と略記する)
・ポリエーテルスルホン(住友化学工業株式会社製 スミカエクセルPES−5003P、平均粒子径20μm、以下「PES」と略記する)
・テナックス(登録商標)IMS65 E23 830tex:(炭素繊維ストランド、引張強度 5.8GPa、引張弾性率 290GPa、サイジング剤付着量 1.2質量%、帝人株式会社製)
・テナックス(登録商標)IMS65 E22 830tex(炭素繊維ストランド、引張強度 5.8GPa、引張弾性率 290GPa、サイジング剤付着量 0.5質量%、帝人株式会社製)
3,4’−TGDDEを以下の方法で合成した。温度計、滴下漏斗、冷却管および攪拌機を取り付けた四つ口フラスコに、エピクロロヒドリン1110.2g(12.0mol)を仕込み、窒素パージを行いながら温度を70℃まで上げて、これにエタノール1000gに溶解させた3,4’−ジアミノジフェニルエーテル200.2g(1.0mol)を4時間かけて滴下した。さらに6時間撹拌し、付加反応を完結させ、N,N,N’,N’−テトラキス(2−ヒドロキシ−3−クロロプロピル)−3,4’−ジアミノジフェニルエーテルを得た。続いて、フラスコ内温度を25℃に下げてから、これに48%NaOH水溶液500.0g(6.0mol)を2時間で滴下してさらに1時間撹拌した。環化反応が終わってからエタノールを留去して、400gのトルエンで抽出を行い5%食塩水で2回洗浄を行った。有機層からトルエンとエピクロロヒドリンを減圧下で除くと、褐色の粘性液体が361.7g(収率85.2%)得られた。主生成物である3,4’−TGDDEの純度は、84%(HPLC面積%)であった。
(1−1)含浸性
繊維基材への樹脂の含浸性をプリプレグの吸水率により評価した。この評価では、得られたプリプレグの吸水率が低い方が樹脂の含浸性が高い。
プリプレグを一辺が100mmの正方形にカットし、質量(W1)を測定した。その後、デシケーター中で、プリプレグを水中に沈めた。デシケーター内を、10kPa以下に減圧し、プリプレグ内部の空気と水を置換させた。プリプレグを水中から取り出し、表面の水を拭き取り、プリプレグの質量(W2)を測定した。これらの測定値から下記式
吸水率(%)=[(W2−W1)/W1]×100
W1:プリプレグの質量(g)
W2:吸水後のプリプレグの質量(g)
を用いて吸水率を算出し、以下の基準で評価した。
○:吸水率が10%未満。
×:吸水率が10%以上
プリプレグを温度26.7℃、湿度65%に10日間保存した後に、プリプレグをカットし、金型に積層することにより評価した。評価基準は以下のとおりとした。
○:金型へ積層しても十分追従し、製造直後とほとんど変わらない取扱い性。
△:プリプレグの硬化反応が進行し、タック・ドレープ性が低下しているが、金型へ積層しても、使用するには問題の無いレベル。
×:プリプレグの硬化反応が進行し、タック・ドレープ性が著しく低下しており、金型へ積層することが困難な状況。
(2−1)有孔圧縮強度(OHC)
上記(1−2)で得られたプリプレグを一辺が360mmの正方形にカット、積層し、積層構成[+45/0/−45/90]3Sの積層体を得た。通常の真空オートクレーブ成形法を用い、0.59MPaの圧力下、180℃の条件で2時間成形した。得られた成形物を幅38.1mm×長さ304.8mmの寸法に切断し、試験片中心に直径6.35mmの穴あけ加工を施し、有孔圧縮強度(OHC)試験の試験片を得た。試験片と試験は、SACMA SRM3に則って測定し、最大点荷重から有孔圧縮強度を算出した。
上記(1−2)で得られたプリプレグを一辺が360mmの正方形にカット、積層し、積層構成[+45/0/−45/90]3Sの積層体を得た。通常の真空オートクレーブ成形法を用い、0.59MPaの圧力下、180℃の条件で2時間成形した。得られた成形物を幅38.1mm×長さ304.8mmの寸法に切断し、試験片中心に直径6.35mmの穴あけ加工を施し、有孔圧縮強度(OHC)試験の試験片を得た。プレッシャークッカー(エスペック社製、HASTEST PC−422R8)を用い、121℃、72時間の条件にて準備したOHC試験片の吸水処理を行った。
試験は、SACMA SRM3に則って実施し、最大点荷重から有孔圧縮強度を算出した。なお、測定は104℃および121℃で行った。
上記(1−2)で得られたプリプレグを一辺が360mmの正方形にカットした後、積層し、0°方向に10層積層した積層体を2つ作製した。初期クラックを発生させるために、離型シートを2つの積層体の間に挟み、両者を組み合わせ、積層構成[0]20のプリプレグ積層体を得た。通常の真空オートクレーブ成形法を用い、0.59MPaの圧力下、180℃の条件で2時間成形した。得られた成形物を幅25.0mm×長さ160.0mmの寸法に切断し、層間破壊靭性モードI(GIc)の試験片を得た。
上記(1−2)で得られたプリプレグを一辺が360mmの正方形にカット、積層し、積層構成[+45/0/−45/90]4Sの積層体を得た。通常の真空オートクレーブ成形法を用い、0.59MPaの圧力下、180℃の条件で2時間成形した。得られた成形物を幅40.0mm×長さ40.0mmの寸法に切断し、厚み方向体積抵抗率測定の試験片を得た。試験片の表面・裏面間に電圧を印加して、厚み方向体積抵抗率(Ω・cm)
を測定した。なお、測定は、デジタルオームメータを利用して行った。
攪拌機を用いてエポキシ樹脂(TG−mAP)に熱可塑性樹脂(PES5003PおよびPA−12)を120℃で溶解させた。その後、80℃まで降温し、30分間混合し、エポキシ樹脂組成物Aを調製した。用いた成分の種類および量は表1に記載のとおりとした。
リバースロールコーターを用いて、離型紙上にエポキシ樹脂組成物Aを塗布して樹脂フィルムAを作製した。また、リバースロールコーターを用いて、離型紙上にエポキシ樹脂組成物Bを塗布して樹脂フィルムBを作製した。目付は、樹脂フィルムAを60g/m2、樹脂フィルムBを40g/m2とした。
その後、樹脂Bフィルム2枚の間に前記一次プリプレグを供給し、ローラーを用いて、温度60〜120℃および圧力1.5kg/cmで加圧および加熱して、ロールに巻き取り、プリプレグを得た。
実施例1においてエポキシ樹脂組成物Aに用いるエポキシ樹脂としてTG−mAPおよび4,4’−TGDDMを表1に記載の量で用い、熱可塑性樹脂PES5003Pを表1記載の量で添加した以外は実施例1と同様に実施してプリプレグを得た。
エポキシ樹脂組成物Aおよびエポ期樹脂組成物Bを得るために用いる成分および量を表1に記載のものに変更した他は実施例1と同様に実施してプリプレグを得た。
OHCが低下した。
OHCが低下した。
エポキシ樹脂組成物Aおよびエポ期樹脂組成物Bを得るために用いる成分および量を表1に記載のものに変更した他は実施例1と同様に実施してプリプレグを得た。
10・・・1次プリプレグ
11・・・炭素繊維
12・・・強化繊維層
13・・・エポキシ樹脂組成物A
13a・・・樹脂Aフィルム
14a・・・離型紙
15・・・エポキシ樹脂組成物B
15a・・・樹脂Bフィルム
21・・・強化繊維層
23・・・樹脂Aフィルムのロール
24・・・離型紙の巻き取りロール
25・・・樹脂Bフィルムのロール
40、41・・・熱ローラー
101・・・プリプレグの巻き取りロール
Claims (10)
- 強化繊維基材と、該強化繊維基材が形成する強化繊維層内に含浸されたエポキシ樹脂組成物Aとからなる1次プリプレグと、該1次プリプレグの片面または両面に形成されるエポキシ樹脂組成物Bからなる表面層と、からなるプリプレグであって、エポキシ樹脂組成物Aとエポキシ樹脂組成物Bがそれぞれ、以下に示す配合であることを特徴とするプリプレグ。
エポキシ樹脂組成物A:
エポキシ当量が120g/eq以下であるエポキシ樹脂を含むエポキシ樹脂組成物
エポキシ樹脂組成物B:
下記化学式(1)で示されるエポキシ樹脂およびエポキシ樹脂の硬化剤を含み、該硬化剤の含有量がエポキシ樹脂組成物Bに含まれるエポキシ樹脂の総量に対する当量比で150〜300%であるエポキシ樹脂組成物
- エポキシ樹脂組成物Aがエポキシ樹脂の硬化剤を実質的に含まない、請求項1記載のプリプレグ。
- エポキシ樹脂組成物Aおよびエポキシ樹脂組成物Bに含まれるエポキシ樹脂の合計量の30質量%以上が3官能基のエポキシ樹脂である、請求項2に記載のプリプレグ。
- エポキシ樹脂組成物Aがさらにエポキシ樹脂可溶性熱可塑性樹脂を含む、請求項1乃至3のいずれかに記載のプリプレグ。
- 前記エポキシ樹脂可溶性熱可塑性樹脂が、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリエーテルイミドまたはポリカーボネートである、請求項4に記載のプリプレグ。
- エポキシ樹脂組成物Aがさらにエポキシ樹脂不溶熱可塑性樹脂を含む、請求項1乃至5のいずれかに記載のプリプレグ。
- エポキシ樹脂不溶性熱可塑性樹脂が、非晶性ポリアミド、ポリアミド6、ポリアミド12または非晶性ポリイミドである、請求項6に記載のプリプレグ。
- エポキシ樹脂組成物Bに含まれる硬化剤が芳香族ジアミン化合物である、請求項1乃至7のいずれかに記載のプリプレグ。
- 芳香族ジアミン化合物が、3,3’−ジアミノジフェニルスルホンである請求項8記載のプリプレグ。
- 強化繊維基材が炭素繊維からなる、請求項1乃至9のいずれかに記載のプリプレグ。
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