JP2022038218A - 積層体並びに該積層体に用いられる部材及び樹脂組成物 - Google Patents
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Abstract
Description
また、特許文献2には、高強度補強繊維と熱硬化性樹脂とからなるハードコンポジットに、高強度かつ高弾性率繊維からなる布帛に熱可塑性樹脂を含浸または接着したソフトコンポジットを、接着または非接着状態で積層一体化してなることを特徴とする高機能コンポジットが開示されており、ハードコンポジットで吸収しきれなかった衝撃を、ソフトコンポジットの布帛によって吸収することができるので、コンポジット構成材料が衝撃で飛散することがないと記載されている。
すなわち、本発明は、以下の[1]~[27]に関する。
[1] 樹脂成分(a-1)と強化繊維(a-2)とを含む繊維強化樹脂層(A)と、伸縮性硬化性樹脂(b-1)を含む硬化性樹脂層(B)とを有する、積層体。
[2] 前記硬化性樹脂層(B)の引張伸びが50%以上である、上記[1]に記載の積層体。
[3] 前記硬化性樹脂層(B)を構成する伸縮性硬化性樹脂(b-1)原材料の引張伸びが50%以上である、上記[1]又は[2]に記載の積層体。
[4] 前記硬化性樹脂層(B)の100℃及び200℃の引張貯蔵弾性率が1×104~6×107Paである、上記[1]~[3]のいずれか1つに記載の積層体。
[5] 前記硬化性樹脂層(B)を構成する伸縮性硬化性樹脂(b-1)原材料の100℃及び200℃の引張貯蔵弾性率が1×104~6×107Paである、上記[1]~[4]のいずれか1つに記載の積層体。
[6] 前記伸縮性硬化性樹脂(b-1)がエポキシ樹脂である、上記[1]~[5]のいずれか1つに記載の積層体。
[7] 前記硬化性樹脂層(B)の厚さが10μm以上1mm以下である、上記[1]~[6]のいずれか1つに記載の積層体。
[8] 前記積層体中の前記硬化性樹脂層(B)の厚さの割合が5%以上70%以下である、上記[1]~[7]のいずれか1つに記載の積層体。
[9] 積層体の表面から、積層体の厚さの40%以内の領域に、前記硬化性樹脂層(B)が少なくとも存在する、上記[1]~[8]のいずれか1つに記載の積層体。
[10] 積層体の表面から1mm以内の領域に存在する硬化性樹脂層(B)の厚さが10μm以上800μm以下である、上記[1]~[9]のいずれか1つに記載の積層体。
[11] 前記硬化性樹脂層(B)がエポキシ樹脂とポリエーテルアミン及び/又は脂環式構造を有する硬化剤とを含むエポキシ樹脂組成物を硬化してなる硬化物である、上記[1]~[10]のいずれか1つに記載の積層体。
[12] 前記硬化性樹脂層(B)がエポキシ樹脂と脂環式ポリアミンとを含むエポキシ樹脂組成物を硬化してなる硬化物である、上記[1]~[11]のいずれか1つに記載の積層体。
[13] 前記エポキシ樹脂が剛直成分と柔軟成分とのブロック構造を有する、上記[6]~[12]のいずれか1つに記載の積層体。
[14] 前記樹脂成分(a-1)がエポキシ樹脂である、上記[1]~[13]のいずれか1つに記載の積層体。
[15] 前記繊維強化樹脂層(A)がプリプレグ又はセミプレグを硬化してなる硬化物である、上記[1]~[14]のいずれか1つに記載の積層体。
[16] 上記[1]~[15]のいずれか1つに記載の積層体を用いてなる、航空機、自動車、船舶及び鉄道車両である移動体、スポーツ用品、家電製品並びに建築資材。
[17] 樹脂成分(a-1)と強化繊維(a-2)とを含む繊維強化樹脂複合体との積層体に用いられる部材であって、樹脂成分として伸縮性硬化性樹脂(b-1)を含む、部材。
[18] シートである、上記[17]に記載の部材。
[19] 引張伸びが50%以上である、上記[17]又は[18]に記載の部材。
[20] 100℃及び200℃の引張貯蔵弾性率が1×104~6×107Paである、上記[17]~[19]のいずれか1つに記載の部材。
[21] 前記繊維強化樹脂複合体がプリプレグ及び/又はセミプレグである、上記[17]~[20]のいずれか1つに記載の部材。
[22] 樹脂成分(a-1)と強化繊維(a-2)とを含む繊維強化樹脂複合体との積層体に用いられる樹脂組成物であって、剛直成分と柔軟成分とのブロック構造を有するエポキシ樹脂を含む、樹脂組成物。
[23] 前記繊維強化樹脂複合体がプリプレグ及び/又はセミプレグである、上記[22]に記載の樹脂組成物。
[24] プリプレグ及び/又はセミプレグと上記[17]~[21]のいずれか1つに記載の部材とを積層する工程と、該プリプレグ及び/又はセミプレグを硬化する工程とを含む、積層体の製造方法。
[25] 繊維強化樹脂複合体と上記[22]又は[23]に記載の樹脂組成物とを積層する工程と、該樹脂組成物を少なくとも硬化する工程とを含む、積層体の製造方法。
[26] プリプレグ及び/又はセミプレグと上記[22]又は[23]に記載の樹脂組成物とを積層する工程と、該プリプレグ及び/又はセミプレグと該樹脂組成物とを硬化する工程とを含む、積層体の製造方法。
[27] プリプレグ及び/又はセミプレグを硬化する工程と、該プリプレグ及び/又はセミプレグの硬化物と上記[22]又は[23]に記載の樹脂組成物とを積層する工程と、該樹脂組成物を硬化する工程とを含む、積層体の製造方法。
本発明の積層体(以下、単に「積層体」ともいう)は、樹脂成分(a-1)と強化繊維(a-2)とを含む繊維強化樹脂層(A)と、伸縮性硬化性樹脂(b-1)を含む硬化性樹脂層(B)とを有する。
繊維強化樹脂層(A)は、樹脂成分(a-1)と強化繊維(a-2)とを含む。
樹脂成分(a-1)は特に限定はなく、硬化性樹脂であってもよいし熱可塑性樹脂であってもよいが、耐熱性の観点から硬化性樹脂であることが好ましく、成形加工のプロセスに適用しやすい観点から熱硬化性樹脂であることがより好ましい。熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和イミド樹脂、シアネート樹脂、イソシアネート樹脂、ベンゾオキサジン樹脂、オキセタン樹脂、アミノ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アリル樹脂、ジシクロペンタジエン樹脂、シリコーン樹脂、トリアジン樹脂及びメラミン樹脂等が挙げられる。これらの中でも、樹脂成分(a-1)は、耐熱性、硬化性樹脂層(B)との密着性、電気絶縁性、耐薬品性、耐腐食性等の観点から、好ましくはエポキシ樹脂である。これらは、1種を単独で使用してもよいし、2種以上を混合して使用してもよい。
強化繊維(a-2)としては、特に限定されないが、炭素繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維等の無機繊維、液晶ポリマー繊維、ポリエチレン繊維、アラミド繊維、ポリパラフェニレンベンズオキサゾール繊維等の有機繊維、アルミニウム繊維、マグネシウム繊維、チタン繊維、SUS繊維、銅繊維、金属を被覆した炭素繊維等の金属繊維等が挙げられる。これらの中でも、強化繊維(a-2)は、剛性の観点から好ましくは炭素繊維及びガラス繊維からなる群より選ばれる1種以上であり、軽量性及び剛性の観点からより好ましくは炭素繊維である。
これらの中でも、引張弾性率、引張強度等の機械的特性の観点から、織物、編物、UD材などの連続繊維であることが好ましい。
例えば、樹脂成分(a-1)が硬化性樹脂の場合は、強化繊維(a-2)に樹脂成分(a-1)を含浸させたプリプレグ、又は強化繊維(a-2)に樹脂成分(a-1)を部分的に含浸(半含浸)させ空隙量を制御した所謂セミプレグを用いて熱等により硬化して、繊維強化樹脂層(A)を形成する方法が好ましい。すなわち、繊維強化樹脂層(A)は、プリプレグ又はセミプレグを硬化してなるものであることが好ましい。
樹脂成分(a-1)が熱可塑性樹脂の場合は、樹脂成分(a-1)と強化繊維(a-2)とを複合化し、押出成形、射出成形、真空成形、圧空成形、プレス成形等を採用することにより、繊維強化フィルム、繊維強化シート、繊維強化板等に成形し、繊維強化樹脂層(A)とすることができる。また、強化繊維(a-2)と熱可塑性樹脂繊維とからなる所謂混抄マットを用い、該熱可塑性樹脂繊維の流動開始温度以上においてプレス成形等することによっても、繊維強化樹脂層(A)を形成することができる。
硬化性樹脂層(B)は、伸縮性硬化性樹脂(b-1)を含む。本発明の積層体は、硬化性樹脂層(B)が伸縮性硬化性樹脂(b-1)を含むことにより、耐衝撃性及び耐熱性に優れ、さらに制振性にも優れる。
伸縮性硬化性樹脂(b-1)としては、硬化性樹脂層(B)の引張伸びが好ましくは50%以上となり、伸縮性を有する硬化性樹脂層(B)となるものであれば特に限定されない。ここで、「伸縮性硬化性樹脂」とは、例えば、伸縮性硬化性樹脂のシート又はフィルムを手で引っ張った際に、目視で伸び縮みが確認できるものをいう。
伸縮性硬化性樹脂(b-1)は、好ましくはエポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂であり、耐熱性及び繊維強化性樹脂層(A)との接着性の観点からより好ましくはエポキシ樹脂である。また、伸縮性硬化性樹脂(b-1)は、成形加工のプロセスに適用しやすい観点から熱硬化性樹脂であることが好ましい。
硬化性樹脂層(B)は、伸縮性硬化性樹脂(b-1)以外の樹脂を含んでいてもよいが、その場合の硬化性樹脂層(B)中の伸縮性硬化性樹脂(b-1)の割合は、好ましくは50質量%以上であり、より好ましくは60質量%以上であり、さらに好ましくは70質量%以上であり、よりさらに好ましくは80質量%以上であり、特に好ましくは90質量%以上であり、最も好ましくは95質量%以上である。
以下、伸縮性硬化性樹脂(b-1)として好ましく用いられるエポキシ樹脂について説明する。
なお、本発明において「エポキシ樹脂」という用語は、硬化前の原料樹脂と、硬化後の樹脂(硬化物)の双方に対して用いる。なお、硬化反応によってエポキシ基は消費されるため、硬化後の樹脂はエポキシ基(エポキシ構造)を有していない場合がある。
前記伸縮性硬化性樹脂(b-1)の好ましい樹脂であるエポキシ樹脂は、剛直成分と柔軟成分とのブロック構造を有するエポキシ樹脂であることがより好ましい。このような構造を有することにより、伸縮性に優れるものとなりやすい。
エポキシ樹脂は、例えば、少なくとも主剤と硬化剤とを含むエポキシ樹脂組成物を硬化することによって得ることができる。以下、硬化前のエポキシ樹脂組成物に説明する。
前記エポキシ樹脂組成物は、主剤としてエポキシ樹脂を含むことが好ましく、剛直成分と柔軟成分とのブロック構造を有するエポキシ樹脂(以下、「エポキシ樹脂(α)」という)を含むことが好ましい。
前記エポキシ樹脂の剛直成分は、芳香族性を有する環構造、例えばベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン環、ピレン環などの縮合芳香環構造や、ビフェノール環、カルド構造、フルオレン環などの芳香環構造を多数含む構造や、ピロール環、チオフェン環などのヘテロ環式構造を含むことが好ましい。
柔軟成分は、脂肪族炭化水素、例えば炭素数1~8のアルキレン基、エチレングリコール基、プロピレングリコール基、ブチレングリコール基を含むことが好ましい。
エポキシ樹脂組成物がこのようなエポキシ樹脂(α)を含むことで、硬化後の硬化性樹脂層(B)に柔軟性を付与しやすい傾向となる。
これらは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で混合して用いてもよい。これらの中でも、柔軟性付与の観点から、エポキシ樹脂(α)は、ビスフェノールFと1,6-ヘキサンジオールジグリシジルエーテルとの共重合体を含むことが好ましい。
エポキシ樹脂(β)としては、例えばビスフェノール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、ビフェニル型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂等のグリシジルエーテル型エポキシ樹脂、グリシジルエステル型エポキシ樹脂、グリシジルアミン型エポキシ樹脂、線状脂肪族エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、複素環式エポキシ樹脂等の各種エポキシ樹脂が挙げられる。
これらは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で混合して用いてもよい。
エポキシ樹脂(β)の割合が上記下限値以上であることにより、エポキシ樹脂(β)を配合することによる物性向上効果を十分に得ることができる。一方、エポキシ樹脂(β)の割合が上記上限値以下であることにより、エポキシ樹脂(α)による柔軟性付与及び可撓性向上の効果を十分に得ることができる。
また、「全エポキシ成分」とは、エポキシ樹脂(α)と前述のエポキシ樹脂(β)との合計を意味する。
硬化剤は、上記のエポキシ樹脂のエポキシ基と、エポキシ基と反応性を有する基との架橋反応に寄与するものをいう。硬化剤としては特に制限はなく、一般的にエポキシ樹脂硬化剤として知られているものはすべて使用できる。
例えばフェノール系硬化剤、脂肪族アミン、ポリエーテルアミン、脂環式アミン、芳香族アミンなどのアミン系硬化剤、酸無水物系硬化剤、アミド系硬化剤、第3級アミン、イミダゾールおよびその誘導体、有機ホスフィン類、ホスホニウム塩、テトラフェニルボロン塩、有機酸ジヒドラジド、ハロゲン化ホウ素アミン錯体、ポリメルカプタン系硬化剤、イソシアネート系硬化剤、ブロックイソシアネート系硬化剤等が挙げられる。
これらは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で混合して用いてもよい。これらの中でも、高透明性及び着色が少ない観点から、硬化剤としては、脂環式構造を有する硬化剤が好ましい。
具体的には、例えば脂環式ポリアミン、脂環式酸無水物等が挙げられる。
より具体的には、脂環式ポリアミンとしては、1,4-ジアザビシクロ[2.2.2]オクタン、1,8-ジアザビシクロ[5.4.0]ウンデカ-7-エン、N,N’-ジメチルピペラジン、N-アミノエチルピペラジン、メンセンジアミン、イソホロンジアミン、ヘキサメチレンテトラミン、メチレンビス(シクロヘキサナミン)、1,3-ビス(アミノメチル)シクロヘキサン、ノルボルネンジアミン、1,2-ジアミノシクロヘキサン、及びこれらの脂環式ポリアミンをエポキシ変性又はエチレンオキシド変性、ダイマー酸変性、マンニッヒ変性、マイケル付加、チオ尿素縮合、ケチミン化した変性脂環式ポリアミンが挙げられる。脂環式酸無水物としては、無水ヘキサヒドロフタル酸、無水メチルヘキサヒドロフタル酸等が挙げられる。
これらの中でも脂環式ポリアミンが好ましく、その中でもイソホロンジアミン、ヘキサメチレンテトラミン、メチレンビス(シクロヘキサナミン)、1,3-ビス(アミノメチル)シクロヘキサン、ノルボルネンジアミン、1,2-ジアミノシクロヘキサン、及びこれらの変性物が特に好ましい。
硬化性樹脂層(B)を形成する際の取り扱い時に粘度を適度に調整するために、エポキシ樹脂組成物に溶剤を配合し、希釈してもよい。溶剤は、硬化性樹脂層(B)の成形における取り扱い性、作業性を確保するために用いられ、その使用量には特に制限がない。
なお、本発明においては「溶剤」という語と「溶媒」という語をその使用形態により区別して用いるが、それぞれ独立して同種のものを用いても異なるものを用いてもよい。
エポキシ樹脂組成物は、以上に挙げた成分の他にその他の成分を含有することができる。その他の成分は、エポキシ樹脂組成物の所望の物性により適宜組み合わせて用いることができる。
これらの配合量は、エポキシ樹脂と硬化剤との和の100質量部に対して、20質量部以下が好ましく、15質量部以下がより好ましく、10質量部以下がさらに好ましい。下限値については特に限定されないが、0.1質量部が好ましく、0.5質量部がより好ましく、1質量部がさらに好ましい。
例えば、シアネートエステル樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、ポリエステル樹脂等の1種又は2種以上の組み合わせを挙げることができる。
これら樹脂類の配合割合は、エポキシ樹脂の本来の性質を損なわない範囲の量、すなわち、エポキシ樹脂と硬化剤の和の100質量部に対して、50質量部以下が好ましく、40質量部以下がより好ましく、30質量部以下がさらに好ましい。下限値については特に限定されないが、1質量部が好ましく、5質量部がより好ましく、10質量部がさらに好ましい。
硬化性樹脂層(B)を形成する方法は特に限定されず、例えば、好ましい態様として上述した主剤と硬化剤等とを含有する伸縮性硬化性樹脂組成物を硬化させる方法が挙げられる。ここでいう「硬化」とは、熱、光、電子線等により、伸縮性硬化性樹脂組成物を硬化させることを意味する。なお、例えば、硬化前の伸縮性硬化性樹脂組成物を長期に保管することによって、熱や光による経時的な影響で徐々に硬化するような場合も包含する。硬化の程度も特に限定されるものではなく、完全又は完全に近い程度の硬化物であってもよいし半硬化物であってもよい。目的、用途等に応じて適宜硬化の程度を調整すればよい。
硬化性樹脂層(B)は、伸縮性硬化性樹脂組成物を所定の厚さのシートやフィルム(以下、「シート等」という。)状に調整した状態で硬化させることにより製造することができる。また、伸縮性硬化性樹脂組成物より得られた半硬化物を所定の厚さのシート等状に成形するとともに、さらに硬化させることにより製造することもできる。
シート等状に調整する方法は特に限定されないが、例えば、キャリアシート上に伸縮性硬化性樹脂組成物を塗布し、該樹脂組成物を硬化して伸縮性硬化性樹脂シート等を形成した後、該キャリアシートを剥離して伸縮性硬化性樹脂のシート等にする方法、第一キャリアシート上に伸縮性硬化性樹脂組成物を塗布し、該樹脂組成物の該第一キャリアシートが設けられた面と反対の面に対して第二キャリアシートを張り合わせた後、該樹脂組成物を硬化して伸縮性硬化性樹脂シート等を形成し、両方のキャリアシートを剥離する方法等が挙げられる。
(引張伸び)
硬化性樹脂層(B)の引張伸びは、伸縮性に優れる硬化性樹脂層(B)を用いて、積層体の耐衝撃性を向上させる観点から、好ましくは50%以上であり、より好ましくは100%以上であり、さらに好ましくは150%以上であり、よりさらに好ましくは200%以上であり、よりさらに好ましくは300%以上であり、そして、その上限は、好ましくは500%である。
硬化性樹脂層(B)の引張伸び(引張破断伸び)は、積層体から硬化性樹脂層(B)以外の層を削り取り、JIS K 7127:1999に準じて、23℃、50%RHの環境下、試験速度200mm/分で引張試験を行い、引張破断した際の伸びを測定することで求めることができる。
硬化性樹脂層(B)を構成する伸縮性硬化性樹脂層(b-1)原材料の引張伸びは、具体的には実施例に記載される方法で測定することができる。
硬化性樹脂層(B)の100℃及び200℃の引張貯蔵弾性率は、柔軟性の観点から、好ましくは1×104~6×107Paであり、より好ましくは6×104~1×107Paであり、さらに好ましくは4×105~9×106Paである。特に好ましいのは、100~200℃の引張弾性率が1×104~6×107Paである。なお、「100~200℃の引張貯蔵弾性率が1×104~6×107Pa」とは、100~200℃の全温度範囲において、引張貯蔵弾性率が1×104Pa以上、かつ、6×107Pa以下の値を維持することを意味する。他の数値範囲の場合についても同様に取り扱うものとする。
硬化性樹脂層(B)の100~200℃の引張貯蔵弾性率は、積層体から硬化性樹脂層(B)以外の層を削り取り、幅10mm×長さ50mmに切り出して試験片とし、JIS K 7244-4:1999に記載される動的粘弾性測定法により、動的粘弾性測定装置(例えば、アイティー計測制御株式会社製「DVA-200」)を用いて、周波数1Hz、昇温速度3℃/分、両持ち引張モードの測定条件で試験片の測定を行うことにより求めることができる。
硬化性樹脂層(B)を構成する伸縮性硬化性樹脂(b-1)原材料の引張貯蔵弾性率は、実施例に記載される方法で測定することができる。
硬化性樹脂層(B)のJIS K 7244-4:1999に準拠し動的粘弾性測定法により測定されるガラス転移温度は、伸縮性に優れる硬化性樹脂層(B)を得る観点から、好ましくは100℃以下であり、より好ましくは80℃以下であり、さらに好ましくは60℃以下であり、よりさらに好ましくは40℃以下であり、そして、その下限値は、特に限定されないが、好ましくは-100℃であり、より好ましくは-80℃であり、さらに好ましくは-60℃である。
ガラス転移温度は、動的粘弾性測定の損失弾性率E’’及び貯蔵弾性率E’から算出される引張損失係数(tanδ)のピークトップ温度をいうが、ピークが2つ以上存在する場合は、ピーク面積の大きい方のピークトップ温度をガラス転移温度とし、以下同様である。
硬化性樹脂層(B)の動的粘弾性測定及び示差走査熱量測定によるガラス転移温度は、積層体から硬化性樹脂層(B)以外の層を削り取ったものをサンプルとして、上述した条件で測定することができる。
硬化性樹脂層(B)を構成する伸縮性硬化性樹脂(b-1)原材料の動的粘弾性測定及び示差走査熱量測定によるガラス転移温度は、実施例に記載される方法で測定することができる。
硬化性樹脂層(B)のJIS K 7244-4:1999に準拠し動的粘弾性測定法により測定される引張損失係数(tanδ)の最大値は、衝撃吸収に優れる硬化性樹脂層(B)を得る観点から、好ましくは0.3以上であり、より好ましくは0.5以上であり、さらに好ましくは1以上であり、よりさらに好ましくは1.5以上であり、その数値が大きいほど衝撃吸収に優れ、その上限値は、特に限定されないが、好ましくは5である。
硬化性樹脂層(B)の引張損失係数(tanδ)の最大値は、積層体から硬化性樹脂層(B)以外の層を削り取り、幅10mm×長さ50mmに切り出して試験片とし、JIS K 7244-4:1999に記載される動的粘弾性測定法により、動的粘弾性測定装置(例えば、アイティー計測制御株式会社製「DVA-200」)を用いて、周波数1Hz、昇温速度3℃/分、両持ち引張モードの測定条件で試験片の測定を行うことにより求めることができる。
硬化性樹脂層(B)を構成する伸縮性硬化性樹脂(b-1)原材料の引張損失係数(tanδ)の最大値は、実施例に記載される方法で測定することができる。
硬化性樹脂層(B)の厚さは、積層体の使用用途により適宜変更されるが、耐衝撃性の観点から、好ましくは10μm以上であり、より好ましくは20μm以上であり、さらに好ましくは30μm以上であり、よりさらに好ましくは50μm以上であり、そして、好ましくは1mm以下であり、より好ましくは800μm以下であり、さらに好ましくは700μm以下であり、よりさらに好ましくは650μm以下であり、特に好ましくは600μm以下であり、最も好ましくは550μm以下である。
積層体中の硬化性樹脂層(B)の厚さの割合は、耐衝撃性の観点から、好ましくは5%以上であり、より好ましくは8%以上であり、さらに好ましくは10%以上であり、そして、好ましくは70%以下であり、より好ましくは65%以下であり、さらに好ましくは60%以下である。なお、硬化性樹脂層(B)が複数ある場合は、積層体の厚さに対するこれらの合計厚みを積層体中の硬化性樹脂層(B)の厚さの割合とする。
硬化性樹脂層(B)及び積層体の厚さ(平均厚さ)は、積層体断面を顕微鏡等で観察することにより測定され、それらの算術平均により求められる。
積層体中の硬化性樹脂層(B)は、積層体の使用用途により適宜変更されるが、耐衝撃性の観点から、積層体の表面から、積層体の厚さの40%以内の領域に少なくとも存在することが好ましく、表面から37%以内の領域に少なくとも存在することがより好ましく、表面から積層体の厚さの35%以内の領域に少なくとも存在することがさらに好ましく、表面から積層体の厚さの32%以内の領域に少なくとも存在することがよりさらに好ましく、表面から積層体の厚さの30%以内の領域に少なくとも存在することが特に好ましい。なお、本発明において「積層体の表面」とは、積層体の2つの最外層において、別の層と積層されている面とは反対側の面を意味し、積層体は2つの表面を有する。
なお、積層体の最外層は、耐衝撃性の観点から、繊維強化樹脂層(A)であることが好ましいが、積層体の使用用途によっては、硬化性樹脂層(B)であってもよい。
積層体は、繊維強化樹脂層(A)と硬化性樹脂層(B)とが交互に積層されてなるものであってもよいし、繊維強化樹脂層(A)と硬化性樹脂層(B)とが交互に積層されてなるものでなくてもよい。
積層体は、耐衝撃性の観点から、その両表面に、好ましくは400μm以下の厚さを有する少なくとも2層の繊維強化樹脂層(A)を有し、好ましくは積層体の表面から積層体の厚さの40%以内の領域又は積層体表面から1mm以内の領域に、上記の好適な厚さを有する硬化性樹脂層(B)を有し、残りの層が、繊維強化樹脂層(A)を複数層積層してなるものであってもよい。また、積層体は、断面視において、積層体の中央から両表面に向かって、繊維強化樹脂層(A)及び硬化性樹脂層(B)の層構成が対称であってもよいし、非対称であってもよい。
積層体の具体的な層構成の例としては、繊維強化樹脂層(A)を「A」とし、硬化性樹脂層(B)を「B」とすると、A/B/A、A/B/A/B/A、A/B/A・・・A/B/A、A/A/B/A・・・A/B/A、A/A/B/A・・・A/B/A/A等が挙げられる。また、目的の用途、性能等に応じて繊維強化樹脂層(A)及び硬化性樹脂層(B)以外のその他の層(C)を適宜含んでいてもよい。
(i)繊維強化樹脂層(A)に用いるプリプレグ、セミプレグ等の材料(繊維強化樹脂複合体)と、硬化性樹脂層(B)に用いる伸縮性硬化性樹脂(b-1)のシート、フィルム等の材料とを積層し、熱等により樹脂成分を硬化及び接着させて一体化する方法、
(ii)繊維強化樹脂層(A)に用いるプリプレグ、セミプレグ等の材料(繊維強化樹脂複合体)に、硬化性樹脂層(B)に用いる伸縮性硬化性樹脂組成物(未硬化物)を塗布等の方法により積層し、熱等により樹脂成分を硬化及び接着させて一体化する方法、
(iii)プリプレグ、セミプレグ等の材料(繊維強化樹脂複合体)を予め硬化して繊維強化樹脂層(A)を得た後、該繊維強化樹脂層(A)に伸縮性硬化性樹脂組成物(未硬化物)を塗布等により積層し、熱等により硬化及び接着させて一体化する方法
さらに、繊維強化樹脂層(A)に用いるプリプレグ等の材料が半硬化状態であるため、プレス成形等の賦形成形で実際の製品に賦形する際に、賦形と同時にプリプレグ等と伸縮性硬化性樹脂シートとを接着及び一体化させることも可能となり、工程が簡略化されるという利点もある。
本発明は、別の態様として、樹脂成分(a-1)と強化繊維(a-2)とを含む繊維強化樹脂複合体との積層体に用いられる部材(X)を提供する。該部材(X)は樹脂成分として伸縮性硬化性樹脂(b-1)を含むものである。
樹脂成分(a-1)、強化繊維(a-2)、伸縮性硬化性樹脂(b-1)の詳細及び好ましい態様は、前記した繊維強化樹脂層(A)と硬化性樹脂層(B)とを有する積層体と同様であり、その説明は省略する。
本発明は、さらに別の態様として、樹脂成分(a-1)と強化繊維(a-2)とを含む繊維強化樹脂複合体との積層体に用いられる樹脂組成物(Y)を提供する。該繊維強化樹脂複合体は、樹脂成分(a-1)と強化繊維(a-2)とを含むものであれば特に限定はなく、例えば、プリプレグ、セミプレグ、混抄マット、繊維強化フィルム、繊維強化シート、繊維強化板等が挙げられるが、プリプレグ及び/又はセミプレグであることが好ましい。
該樹脂組成物(Y)は、剛直成分と柔軟成分とのブロック構造を有するエポキシ樹脂を含むものである。
樹脂成分(a-1)、強化繊維(a-2)、エポキシ樹脂組成物の詳細及び好ましい態様は、前記した繊維強化樹脂層(A)と硬化性樹脂層(B)とを有する積層体と同様であり、その説明は省略する。
本発明の樹脂組成物(Y)を用いる積層体の製造方法は、繊維強化樹脂複合体と樹脂組成物(Y)とを積層する工程と、該樹脂組成物(Y)を少なくとも硬化する工程とを含むものである。繊維強化樹脂複合体がプリプレグ及び/又はセミプレグである場合は、プリプレグ及び/又はセミプレグと樹脂組成物(Y)とを積層する工程と、該プリプレグ及び/又はセミプレグと該樹脂組成物(Y)とを硬化する工程とを含むものである。
以下における各種物性ないし特性の分析、評価及び測定方法は次のとおりである。
下記記載の方法で得られた硬化性樹脂層(B)に用いる硬化性樹脂シートから幅15mm×長さ150mmに切り出して試験片とした。JIS K 7127:1999に準じて、23℃、50%RHの環境下、試験速度200mm/分で試験片の引張試験を行い、引張破断した際の伸びを測定した。
下記記載の方法で得られた硬化性樹脂層(B)に用いる硬化性樹脂シートから幅10mm×長さ50mmに切り出して試験片とした。JIS K 7244-4:1999に記載される動的粘弾性測定法により、動的粘弾性測定装置(アイティー計測制御株式会社製「DVA-200」)を用いて、周波数1Hz、昇温速度3℃/分、両持ち引張モードの測定条件で試験片の測定を行い、50℃、100℃、150℃、200℃における貯蔵弾性率E’を求めた。なお、表1中「測定不可」とは、測定中に試験片が破断し引張貯蔵弾性率を測定できなかったことを意味する。
前記(2)の測定において、損失弾性率E’’及び貯蔵弾性率E’から算出される引張損失係数(tanδ)のピークトップ温度を、ガラス転移温度(Tg)とした。
下記記載の方法で得られた硬化性樹脂層(B)に用いる硬化性樹脂シートについて、JIS K 7121:2012に準じて、示差走査熱量計Pyris1 DSC(パーキンエルマー社製)を用いて、温度範囲-50~100℃、昇温速度10℃/分の条件で測定した。
前記(2)の測定において、損失弾性率E’’及び貯蔵弾性率E’から算出される引張損失係数(tanδ)のピークトップの高さの最大値を、引張損失係数(tanδ)の最大値とした。
硬化性樹脂層(B)、積層体、及び積層体表面から所定の厚さの領域に存在する硬化性樹脂層(B)の厚さは、積層体断面を電子顕微鏡で観察することによって測定し、それらの算術平均(任意の10点)により求めた。
積層体を幅50mm×長さ50mmに切り出して試験片とし、JIS K 5600-5-3:1999を参考に、デュポン衝撃試験装置(株式会社東洋精機製作所製)の撃ち型(半径6.5mm、先端1/4インチ型)と受け台(1/4インチ型用)の間にセットし、落下錘を落下させ試験を行った。硬化性樹脂層(B)による耐衝撃性の向上効果を明確にする目的で、各実施例、比較例は下記条件において試験を行い、試験後の試験片の損傷具合については、以下の基準で評価した。
[1]
試験条件:おもり1kg、おもりの高さ30cm
評価基準:材料の飛散はないが強化繊維の破断があるものを「A」
厚み方向におもりが貫通し材料が飛散しているものを「C」
[2]
試験条件:おもり300g、おもりの高さ20cm
評価基準:受け面に強化繊維の破断があるものを「A」
受け面及び裏面の両方に強化繊維の破断があるものを「C」
[1]
試験条件:おもり1kg、おもりの高さ30cm
評価基準:受け面に打痕のみあるものを「A」
受け面に強化繊維の破断はないが、樹脂層に亀裂があるものを「B」
厚み方向におもりが貫通し材料が飛散しているものを「C」
[2]
試験条件:おもり300g、おもりの高さ20cm
評価基準:受け面に打痕のみあり、受け面及び裏面ともに強化繊維の破断がないものを「A」
受け面は打痕のみあるが、裏面の樹脂層に亀裂があるものを「B」
受け面及び裏面の両方で、樹脂層に亀裂があるものを「C」
積層体を20cm角に切り出して試験片とし、自由支持(四隅の1ヶ所に径5mmの穴をあけシリコーンの紐で吊るした状態)で治具に固定した。試験片の片面中心に、ペトロワックスを用いてPCB Piezotronics社製の加速センサー「PCB PIEZOTRONICS Model:352A26」をつけ、もう一方の面からPCB Piezotronics社製のインパルスハンマ「PCB PIEZOTRONICS Model:086C03」で加振し、インパルスハンマで試験片に加えられた力を検出すると同時に、試験片にかかった加速度を加速センサーで検出し、イナータンス(加速度/力)を計算してイナータンス-時間のグラフを作成した。イナータンスが5(m/s2)/N以下になるまでの時間(ms)を求め、下記の基準で制振性を評価した。
A:時間が350ms未満(制振効果あり)
B:時間が350ms以上(制振効果なし)
基材を備える積層体から幅15mm×長さ150mmに切り出して試験片とし、万能材料試験機(株式会社島津製作所製「AGS-X」)を用いて、試験速度50mm/分で、繊維強化樹脂層(A)と硬化性樹脂層(B)との界面について180°剥離試験を行い、剥離モードを観察し、以下の基準で評価した。
A:繊維強化樹脂層(A)と硬化性樹脂層(B)が剥離せず、持ち手側の基材が破断した
B:層(B)に凝集破壊が発生した
C:繊維強化樹脂層(A)と層(B)との界面が破壊された
(硬化性樹脂シートの主剤エポキシ樹脂(α)の作製)
撹拌機、滴下ロート及び温度計を備えた1L容ガラス製フラスコに予め45℃に加熱した1,6-ヘキサンジオール141.8質量部、三弗化ホウ素エチルエーテル0.51質量部を仕込み、80℃まで加熱した。85℃以上にならないように時間をかけてエピクロロヒドリン244.3質量部を滴下した。80~85℃に保ちながら1時間熟成を行った後、45℃まで冷却した。ここへ22質量%水酸化ナトリウム水溶液528.0質量部を加え、45℃で4時間激しく撹拌した。室温まで冷却して水相を分離除去し、減圧下加熱して未反応のエピクロロヒドリン、水を除去し、粗1,6-ヘキサンジオールジグリシジルエーテル283.6質量部を得た。
この粗1,6-ヘキサンジオールジグリシジルエーテルは、オールダショウ蒸留塔(15段)にて蒸留精製し、圧力1300Pa、170~190℃の留分を主留分とすることで、ガスクロマトグラフィ法によるジグリシジル体純度が97質量%、全塩素量が0.15質量%、エポキシ当量が116g/eqである1,6-ヘキサンジオールジグリシジルエーテルを127.6質量部得た。
上記1,6-ヘキサンジオールジグリシジルエーテル100質量部、ビスフェノールF(フェノール性水酸基当量:100g/eq)69.3質量部、エチルトリフェニルホスホニウムアイオダイド(30質量%メチルセロソルブ溶液)0.13質量部を耐圧反応容器に入れ、窒素ガス雰囲気下、165~170℃で5時間、重合反応を行うことで、エポキシ当量が1,000g/eq、数平均分子量が3,000であるビスフェノールFと1,6-ヘキサンジオールグリシジルエーテルとの共重合体を得た。
(硬化性樹脂シートの作製)
上記エポキシ樹脂(α)100質量部に、硬化剤(三菱ケミカル株式会社製「jERキュアST-14」)8.5質量部を配合し、硬化性樹脂組成物を調製した。該組成物をセパレータフィルム(三菱ケミカル株式会社製「ダイアホイルMRF-75」、片面シリコーンコートしたポリエチレンテレフタレートフィルム、厚み75μm)の間に挟み、所望の厚みに調整して、40℃で16時間一次加熱処理をして、さらに80℃で6時間二次加熱処理を行い、厚さ200μmの硬化性樹脂シートを得た。
(積層体の作製)
繊維強化樹脂層(A)に用いる材料として、三菱ケミカル株式会社製「TR3110 381GMX」のプリプレグのセパレータフィルムを剥がし、硬化性樹脂シートの両面に積層した。ついで、熱プレス機で0.8MPaの圧力をかけ、130℃で90分間熱プレスし、厚さ630μmの積層体を得た。
硬化性樹脂シートの厚さを500μmとした以外は、実施例1と同様にして、厚さ910μmの積層体を作製した。
実施例1と同様にして、厚さ125μmの硬化性樹脂シートを2枚作製した。ついで、実施例1と同様に、2枚の硬化性樹脂シートそれぞれの両面にセパレータフィルムを剥がしたプリプレグを積層した。両面にプリプレグが積層された硬化性樹脂シート2枚の間に、さらにセパレータフィルムを剥がしたプリプレグを4層積層した。ついで、熱プレス機で0.8MPaの圧力をかけ、130℃で90分間熱プレスし、厚さ1910μmの積層体を得た。
実施例1と同様にして、厚さ125μmの硬化性樹脂シートを2枚作製した。ついで、2枚の硬化性樹脂シートそれぞれの両面に、セパレータフィルムを剥がしたプリプレグ(三菱ケミカル株式会社製「TR3110 381GMX」)を2層積層した。その後、両面にプリプレグが2層ずつ積層された2枚の硬化性樹脂シートを積層した。ついで、熱プレス機で0.8MPaの圧力をかけ、130℃で90分間熱プレスし、厚さ1910μmの積層体を得た。
実施例1と同様にして、厚さ125μmの硬化性樹脂シートを作製した。硬化性樹脂シートの片面にセパレータフィルムを剥がしたプリプレグ(三菱ケミカル株式会社製「TR3110 381GMX」)を3層積層し、硬化性樹脂シートのもう一方の面に基材(ポリエチレンテレフタレートフィルム、三菱ケミカル株式会社製「ダイアホイル T100」)を積層し、熱プレス機で0.8MPaの圧力をかけ、130℃で90分間熱プレスし、層間密着性試験用の積層体を得た。
2つの三菱ケミカル株式会社製「TR3110 381GMX」のプリプレグのセパレータフィルムを剥がして2層積層し、熱プレス機で0.8MPaの圧力をかけ、130℃で90分間熱プレスし、厚さ440μmの積層体を得た。
以下のとおり作製した硬化性樹脂シートを用いた以外は、実施例1と同様にして、厚さ630μmの積層体を得た。
エポキシ樹脂(三菱ケミカル株式会社製「jER828」)100質量部に、硬化剤(三菱ケミカル株式会社製「jERキュアST14」)50質量部を配合して樹脂組成物を調製した。該組成物をセパレータフィルムの間に挟み、所望の厚みに調整して、40℃で16時間一次加熱処理をして、さらに80℃で6時間二次加熱処理を行い、厚さ200μmの硬化性樹脂シートを得た。
8つの三菱ケミカル株式会社製「TR3110 381GMX」のプリプレグのセパレータフィルムを剥がして8層積層した以外は、比較例1と同様にして、厚さ1650μmの積層体を得た。
2枚の硬化性樹脂シートを、無機フィラー含有ポリエステルシート(光洋産業株式会社製「ネオフェード4140」、厚さ125μm)とした以外は、実施例3と同様にして、厚さ1900μmの積層体を得た。
硬化性樹脂シートを、無機フィラー含有ポリエステルシート(光洋産業株式会社製「ネオフェード4140」、厚さ125μm)とした以外は、実施例5と同様にして、層間密着性試験用の積層体を得た。
Claims (27)
- 樹脂成分(a-1)と強化繊維(a-2)とを含む繊維強化樹脂層(A)と、伸縮性硬化性樹脂(b-1)を含む硬化性樹脂層(B)とを有する、積層体。
- 前記硬化性樹脂層(B)の引張伸びが50%以上である、請求項1に記載の積層体。
- 前記硬化性樹脂層(B)を構成する伸縮性硬化性樹脂(b-1)原材料の引張伸びが50%以上である、請求項1又は2に記載の積層体。
- 前記硬化性樹脂層(B)の100℃及び200℃の引張貯蔵弾性率が1×104~6×107Paである、請求項1~3のいずれか1項に記載の積層体。
- 前記硬化性樹脂層(B)を構成する伸縮性硬化性樹脂(b-1)原材料の100℃及び200℃の引張貯蔵弾性率が1×104~6×107Paである、請求項1~4のいずれか1項に記載の積層体。
- 前記伸縮性硬化性樹脂(b-1)がエポキシ樹脂である、請求項1~5のいずれか1項に記載の積層体。
- 前記硬化性樹脂層(B)の厚さが10μm以上1mm以下である、請求項1~6のいずれか1項に記載の積層体。
- 前記積層体中の前記硬化性樹脂層(B)の厚さの割合が5%以上70%以下である、請求項1~7のいずれか1項に記載の積層体。
- 積層体の表面から、積層体の厚さの40%以内の領域に、前記硬化性樹脂層(B)が少なくとも存在する、請求項1~8のいずれか1項に記載の積層体。
- 積層体の表面から1mm以内の領域に存在する硬化性樹脂層(B)の厚さが10μm以上800μm以下である、請求項1~9のいずれか1項に記載の積層体。
- 前記硬化性樹脂層(B)がエポキシ樹脂とポリエーテルアミン及び/又は脂環式構造を有する硬化剤とを含むエポキシ樹脂組成物を硬化してなる硬化物である、請求項1~10のいずれか1項の記載の積層体。
- 前記硬化性樹脂層(B)がエポキシ樹脂と脂環式ポリアミンとを含むエポキシ樹脂組成物を硬化してなる硬化物である、請求項1~11のいずれか1項に記載の積層体。
- 前記エポキシ樹脂が剛直成分と柔軟成分とのブロック構造を有する、請求項6~12のいずれか1項に記載の積層体。
- 前記樹脂成分(a-1)がエポキシ樹脂である、請求項1~13のいずれか1項に記載の積層体。
- 前記繊維強化樹脂層(A)がプリプレグ又はセミプレグを硬化してなる硬化物である、請求項1~14のいずれか1項に記載の積層体。
- 請求項1~15のいずれか1項に記載の積層体を用いてなる、航空機、自動車、船舶及び鉄道車両である移動体、スポーツ用品、家電製品並びに建築資材。
- 樹脂成分(a-1)と強化繊維(a-2)とを含む繊維強化樹脂複合体との積層体に用いられる部材であって、樹脂成分として伸縮性硬化性樹脂(b-1)を含む、部材。
- シートである、請求項17に記載の部材。
- 引張伸びが50%以上である、請求項17又は18に記載の部材。
- 100℃及び200℃の引張貯蔵弾性率が1×104~6×107Paである、請求項17~19のいずれか1項に記載の部材。
- 前記繊維強化樹脂複合体がプリプレグ及び/又はセミプレグである、請求項17~20のいずれか1項に記載の部材。
- 樹脂成分(a-1)と強化繊維(a-2)とを含む繊維強化樹脂複合体との積層体に用いられる樹脂組成物であって、剛直成分と柔軟成分とのブロック構造を有するエポキシ樹脂を含む、樹脂組成物。
- 前記繊維強化樹脂複合体がプリプレグ及び/又はセミプレグである、請求項22に記載の樹脂組成物。
- プリプレグ及び/又はセミプレグと請求項17~21のいずれか1項に記載の部材とを積層する工程と、該プリプレグ及び/又はセミプレグを硬化する工程とを含む、積層体の製造方法。
- 繊維強化樹脂複合体と請求項22又は23に記載の樹脂組成物とを積層する工程と、該樹脂組成物を少なくとも硬化する工程とを含む、積層体の製造方法。
- プリプレグ及び/又はセミプレグと請求項22又は23に記載の樹脂組成物とを積層する工程と、該プリプレグ及び/又はセミプレグと該樹脂組成物とを硬化する工程とを含む、積層体の製造方法。
- プリプレグ及び/又はセミプレグを硬化する工程と、該プリプレグ及び/又はセミプレグの硬化物と請求項22又は23に記載の樹脂組成物とを積層する工程と、該樹脂組成物を硬化する工程とを含む、積層体の製造方法。
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