JP2024046878A - Epoxy resin composition, prepreg and fiber-reinforced composite material - Google Patents

Epoxy resin composition, prepreg and fiber-reinforced composite material Download PDF

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JP2024046878A JP2022152223A JP2022152223A JP2024046878A JP 2024046878 A JP2024046878 A JP 2024046878A JP 2022152223 A JP2022152223 A JP 2022152223A JP 2022152223 A JP2022152223 A JP 2022152223A JP 2024046878 A JP2024046878 A JP 2024046878A
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宏明 坂田
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Abstract

【課題】本発明は、硬化させることにより、難燃性、力学特性および耐熱性に優れた樹脂硬化物を得ることができるエポキシ樹脂組成物、並びに、それを用いたプリプレグおよび耐火性に優れた繊維強化複合材料を提供することを目的とする。【解決手段】上記目的を達成するエポキシ樹脂を含むエポキシ樹脂組成物は、[A]4員環以上の環構造を一つ以上有する2官能以下のグリシジルアミン型エポキシ樹脂、[B]3官能以上のエポキシ樹脂、[C]特定の構造を有するリン系化合物または赤リンからなる群から選ばれるリン系難燃剤、[D]金属水酸化物からなるフィラーを含むものであり、エポキシ樹脂の総量100質量部に対して、成分[A]および成分[B]のそれぞれが所定の配合量含まれ、樹脂組成物中において、成分[D]の含有率のリン原子含有率に対する比が特定範囲のものである。【選択図】なし[Problem] The present invention aims to provide an epoxy resin composition which, when cured, can give a resin cured product having excellent flame retardancy, mechanical properties and heat resistance, and a prepreg and a fiber-reinforced composite material having excellent fire resistance, each of which uses the epoxy resin composition. [Solution] The epoxy resin composition containing an epoxy resin which achieves the above-mentioned object contains [A] a glycidylamine-type epoxy resin having two or less functional groups and having at least one ring structure having four or more members, [B] an epoxy resin having three or more functional groups, [C] a phosphorus-based flame retardant selected from the group consisting of phosphorus-based compounds having a specific structure and red phosphorus, and [D] a filler made of a metal hydroxide, in which each of components [A] and [B] is contained in a predetermined amount relative to 100 parts by mass of the total epoxy resin, and the ratio of the content of component [D] to the content of phosphorus atoms in the resin composition is within a specific range. [Selected Figure] None

Description

本発明は、エポキシ樹脂組成物、プリプレグおよび耐火性に優れた繊維強化複合材料に関する。 The present invention relates to an epoxy resin composition, a prepreg, and a fiber-reinforced composite material with excellent fire resistance.

炭素繊維、ガラス繊維などを強化繊維とし、エポキシ樹脂やフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂とした複合材料において、強化繊維を樹脂に含浸させた中間基材、いわゆるプリプレグが、釣竿、テニスやバドミントンのラケットなどスポーツ・レジャー用品から、各種工業機器、土木建築、航空宇宙分野まで、幅広い用途に使用されている。しかし、大抵の複合材料に用いられる熱硬化性樹脂は燃えやすく、火災の原因となるため、特に航空機や車両などの構造材料においては、着火燃焼による事故を防ぐために、難燃性の複合材料が求められている。また、電子・電気機器においても内部からの発熱により、筐体や部品が発火燃焼して、事故に繋がるのを防ぐために、材料の難燃化が求められている。 In composite materials that use carbon fiber, glass fiber, etc. as reinforcing fibers and thermosetting resins such as epoxy resin and phenol resin as matrix resin, intermediate substrates in which the reinforcing fibers are impregnated with resin, so-called prepregs, are used in a wide range of applications, from sports and leisure goods such as fishing rods and tennis and badminton rackets to various industrial equipment, civil engineering and construction, and the aerospace industry. However, the thermosetting resins used in most composite materials are flammable and can cause fires, so flame-retardant composite materials are required, especially in structural materials for aircraft and vehicles, to prevent accidents caused by ignition and combustion. In electronic and electrical equipment, materials that are flame-retardant are also required to prevent internal heat generation that can cause ignition and combustion of housings and parts, leading to accidents.

複合材料を難燃化する手段として、マトリックス樹脂のチャー形成を促進して、樹脂が熱分解した際の分解ガスの拡散を抑制する方法、樹脂の燃焼時の発熱を抑制する方法、もしくは厚み方向の放熱を促進させて、燃焼部表面の蓄熱を抑制する方法が挙げられる。 Methods for making composite materials flame retardant include promoting char formation in the matrix resin to suppress the diffusion of decomposition gases when the resin is thermally decomposed, suppressing heat generation when the resin is burned, or promoting heat dissipation in the thickness direction to suppress heat accumulation on the surface of the burning area.

マトリックス樹脂のチャー形成を促進する手段として、多くの場合、材料を燃えにくくする添加剤、いわゆる難燃剤を添加する。難燃剤として、リン化合物が一般的に用いられ、いくつかのリン化合物が工業的に利用されている。リン化合物は、燃焼中に脱水炭化作用のあるポリリン酸に変化し、これにより、チャー形成が促進されると考えられている。その様なリン化合物を用いた難燃化技術として、赤リンやリン酸エステルなどの添加型難燃剤をエポキシ樹脂組成物に添加する技術、あるいは分子内にリン原子を含み、樹脂と反応する反応型難燃剤を用いることにより、樹脂の架橋構造にリン原子を導入する技術がある。 To promote char formation in matrix resins, additives that make the material less flammable, so-called flame retardants, are often added. Phosphorus compounds are commonly used as flame retardants, and several phosphorus compounds are used industrially. Phosphorus compounds are converted to polyphosphoric acid, which has a dehydrating carbonization effect, during combustion, and it is believed that this promotes char formation. Flame retardant techniques using such phosphorus compounds include a technique in which additive flame retardants such as red phosphorus and phosphate esters are added to epoxy resin compositions, and a technique in which phosphorus atoms are introduced into the crosslinking structure of the resin by using reactive flame retardants that contain phosphorus atoms in the molecule and react with the resin.

また,マトリックス樹脂の燃焼時の発熱を抑制する手段として、多くの場合、吸熱剤を添加する。吸熱剤として、金属水酸化物が一般的に用いられ、工業的に利用されている。 In addition, heat absorbing agents are often added as a means of suppressing heat generation during combustion of the matrix resin. Metal hydroxides are commonly used as heat absorbing agents and are used industrially.

特許文献1では、特定の構造を有する反応性希釈剤と特定の構造を有するリン原子を含むアミン系硬化剤を含む樹脂組成物を用いた難燃化技術により、優れた粘度安定性とチャー形成促進効果を有すると共に、力学特性にも優れる材料を得る技術が報告されている。 Patent Document 1 reports a technology for obtaining a material that has excellent viscosity stability and char formation promotion effects as well as excellent mechanical properties, by using a flame retardant technology that uses a resin composition that contains a reactive diluent having a specific structure and an amine-based curing agent that contains a phosphorus atom and has a specific structure.

特許文献2には、特定のエポキシ樹脂と難燃剤として赤リンと水酸化アルミニウムを含む耐火性樹脂を得る技術が報告されている。 Patent Document 2 reports a technology for obtaining a fire-resistant resin that contains a specific epoxy resin and red phosphorus and aluminum hydroxide as flame retardants.

特許文献3には、積層体の片方の最表層付近に無機フィラーを添加することにより、難燃性と力学特性に優れた積層体を得る技術が紹介されている。 Patent document 3 introduces a technology that adds an inorganic filler near the outermost layer of one of the laminates to obtain a laminate with excellent flame retardancy and mechanical properties.

国際公開第2019/082595号International Publication No. 2019/082595 国際公開第2021/153644号International Publication No. 2021/153644 国際公開第2022/154041号International Publication No. 2022/154041

しかしながら、これらの特許文献に記載されるエポキシ樹脂とリン系難燃剤や無機フィラーを用いる場合には、難燃性、力学特性、耐熱性を全て満足する樹脂硬化物を得ることは困難であった。 However, when using the epoxy resins described in these patent documents with phosphorus-based flame retardants and inorganic fillers, it was difficult to obtain a cured resin that satisfied all of the following requirements: flame retardancy, mechanical properties, and heat resistance.

そこで、本発明は、上記の問題点を解決すること、すなわち、難燃性、力学特性および耐熱性に優れた樹脂硬化物を得ることができるエポキシ樹脂組成物、並びに、それを用いたプリプレグおよび耐火性に優れた繊維強化複合材料を提供すること、を課題とする。 The present invention aims to solve the above problems, that is, to provide an epoxy resin composition that can give a resin cured product with excellent flame retardancy, mechanical properties, and heat resistance, as well as a prepreg and a fiber-reinforced composite material with excellent fire resistance that use the epoxy resin composition.

本発明のエポキシ樹脂組成物は、上記目的を達成するために次の1~7の構成を有する。
1. 下記の成分[A]~[D]を含むエポキシ樹脂組成物であって、エポキシ樹脂の総量100質量部に対して、成分[A]を10~50質量部含み、成分[B]を50~90質量部含み、樹脂組成物中の成分[D]の質量含有率(%)のリン原子含有率(%)に対する比が1以上である。
[A]4員環以上の環構造を一つ以上有する2官能以下のグリシジルアミン型エポキシ樹脂
[B]3官能以上のエポキシ樹脂
[C]下記一般式(1)もしくは(2)で表されるリン系化合物または赤リンから選ばれるリン系難燃剤
[D]金属水酸化物からなるフィラー
In order to achieve the above object, the epoxy resin composition of the present invention has the following constitutions 1 to 7.
1. An epoxy resin composition comprising the following components [A] to [D], wherein, relative to 100 parts by mass of a total amount of epoxy resin, the composition contains 10 to 50 parts by mass of component [A] and 50 to 90 parts by mass of component [B], and the ratio of the mass content (%) of component [D] to the phosphorus atom content (%) in the resin composition is 1 or more.
[A] A glycidyl amine type epoxy resin having one or more ring structures of four or more members and having two or less functional groups; [B] An epoxy resin having three or more functional groups; [C] A phosphorus-based flame retardant selected from phosphorus-based compounds represented by the following general formula (1) or (2) or red phosphorus; [D] A filler made of a metal hydroxide.

Figure 2024046878000001
Figure 2024046878000001

Figure 2024046878000002
Figure 2024046878000002

(一般式(1)中、Rは、炭素数1~4の炭化水素基を表す。一般式(2)中、Rは、水素原子、またはアミノ基を表す。)
2. 180℃の温度で2時間硬化させて得られる樹脂硬化物について、
空気下の600℃におけるチャー生成率が20%以上50%未満、曲げ弾性率が5GPa以上7GPa未満、かつ、ガラス転移温度が180℃以上210℃未満である、上記1に記載のエポキシ樹脂組成物。
3. 成分[D]が水酸化アルミニウムからなるフィラーである、上記1または2に記載のエポキシ樹脂組成物。
4. 成分[C]が一般式(1)または(2)で表されるリン系難燃剤である、上記1~3のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。
5.成分[A]が下記一般式(3)または(4)で表される構造を有する、上記1~4のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。
(In general formula (1), R 1 represents a hydrocarbon group having 1 to 4 carbon atoms. In general formula (2), R 2 represents a hydrogen atom or an amino group.)
2. The resin cured product obtained by curing at 180°C for 2 hours was
2. The epoxy resin composition according to 1 above, having a char formation rate of 20% or more and less than 50%, a flexural modulus of 5 GPa or more and less than 7 GPa, and a glass transition temperature of 180°C or more and less than 210°C at 600°C in air.
3. The epoxy resin composition according to the above item 1 or 2, wherein component [D] is a filler made of aluminum hydroxide.
4. The epoxy resin composition according to any one of 1 to 3 above, wherein component [C] is a phosphorus-based flame retardant represented by general formula (1) or (2).
5. The epoxy resin composition according to any one of 1 to 4 above, wherein component [A] has a structure represented by the following general formula (3) or (4):

Figure 2024046878000003
Figure 2024046878000003

(一般式(3)中、R3は、水素原子、炭素数1~4の脂肪族炭化水素基、炭素数3~6の脂環式炭化水素基、炭素数6~10の芳香族炭化水素基、ハロゲン原子、アシル基、トリフルオロメチル基およびニトロ基から選ばれる一つを表す。mは1~4の整数を表す。Xは,水素原子、または4員環以上の環構造を有する置換基を表す。) (In the general formula (3), R3 represents one selected from a hydrogen atom, an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 4 carbon atoms, an alicyclic hydrocarbon group having 3 to 6 carbon atoms, an aromatic hydrocarbon group having 6 to 10 carbon atoms, a halogen atom, an acyl group, a trifluoromethyl group, and a nitro group. m represents an integer of 1 to 4. X represents a hydrogen atom or a substituent having a ring structure having four or more members.)

Figure 2024046878000004
Figure 2024046878000004

(一般式(4)中、Rは、水素原子、炭素数1~4の脂肪族炭化水素基、炭素数3~6の脂環式炭化水素基、炭素数6~10の芳香族炭化水素基、ハロゲン原子、アシル基、トリフルオロメチル基およびニトロ基から選ばれる一つを表す。nは1~4の整数を表す。Yは,水素原子、または4員環以上の環構造を有する置換基を表す。)
6.さらに成分[E]熱可塑性樹脂を含む、上記1~5のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。
7.さらに成分[F]熱可塑性樹脂を主成分とした粒子を含む、上記1~6のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。
(In general formula (4), R4 represents one selected from a hydrogen atom, an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 4 carbon atoms, an alicyclic hydrocarbon group having 3 to 6 carbon atoms, an aromatic hydrocarbon group having 6 to 10 carbon atoms, a halogen atom, an acyl group, a trifluoromethyl group, and a nitro group. n represents an integer of 1 to 4. Y represents a hydrogen atom or a substituent having a ring structure having four or more members.)
6. The epoxy resin composition according to any one of 1 to 5 above, further comprising a component [E] a thermoplastic resin.
7. The epoxy resin composition according to any one of 1 to 6 above, further comprising component [F] particles containing a thermoplastic resin as a main component.

また、本発明のプリプレグ、または繊維強化複合材料は、それぞれ次の8、または9~10の構成を有する。
8.上記1~7のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物を強化繊維に含浸させてなるプリプレグ。
9.上記8に記載のプリプレグを硬化してなる繊維強化複合材料。
10.上記1~7のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物を硬化させてなる樹脂硬化物と、強化繊維とを含む繊維強化複合材料。
The prepreg or fiber-reinforced composite material of the present invention has the following constitution 8 or 9 to 10, respectively.
8. A prepreg obtained by impregnating reinforcing fibers with the epoxy resin composition according to any one of 1 to 7 above.
9. A fiber-reinforced composite material obtained by curing the prepreg according to 8 above.
10. A fiber-reinforced composite material comprising a cured resin obtained by curing the epoxy resin composition according to any one of 1 to 7 above, and reinforcing fibers.

本発明により、硬化させることにより、難燃性、力学特性および耐熱性に優れた樹脂硬化物を得ることができるエポキシ樹脂組成物、並びに、それを用いたプリプレグおよび耐火性に優れた繊維強化複合材料を提供することが可能となる。 The present invention makes it possible to provide an epoxy resin composition that can be cured to give a resin cured product that has excellent flame retardancy, mechanical properties, and heat resistance, as well as a prepreg and a fiber-reinforced composite material that has excellent fire resistance using the epoxy resin composition.

本発明におけるエポキシ樹脂組成物は、[A]4員環以上の環構造を一つ以上有する2官能以下のグリシジルアミン型エポキシ樹脂、[B]3官能以上のエポキシ樹脂、[C]上記一般式(1)もしくは(2)で表されるリン系化合物または赤リンから選ばれるリン系難燃剤、[D]金属水酸化物からなるフィラーを含む。 The epoxy resin composition of the present invention contains [A] a glycidylamine type epoxy resin having two or less functional groups and having at least one ring structure having four or more members, [B] an epoxy resin having three or more functional groups, [C] a phosphorus-based flame retardant selected from the phosphorus-based compounds represented by the above general formula (1) or (2) or red phosphorus, and [D] a filler made of a metal hydroxide.

成分[A]は、4員環以上の環構造を一つ以上有する2官能以下のグリシジルアミン型エポキシ樹脂である。なかでも、成分[A]が上記一般式(3)または(4)で表されることが、優れた難燃性と力学特性を得られることから、好ましい。 Component [A] is a glycidylamine type epoxy resin having one or more ring structures of four or more members and having two or less functionalities. In particular, it is preferable that component [A] is represented by the above general formula (3) or (4), since excellent flame retardancy and mechanical properties can be obtained.

成分[A]の具体例として、N,N-ジグリシジルアニリン、N,N-ジグリシジル-4-フェノキシアニリン、N,N-ジグリシジル-o-トルイジン、N,N-ジグリシジル-m-トルイジン、N,N-ジグリシジル-p-トルイジン、N,N-ジグリシジル-2,3-キシリジン、N,N-ジグリシジル-2,4-キシリジン、N,N-ジグリシジル-3,4-キシリジン、などのモノアミン型エポキシ樹脂、N-グリシジルフタルイミド、N-グリシジル-4-メチルフタルイミド、などのイミド型エポキシ樹脂が挙げられる。なかでもモノアミン型エポキシ樹脂は、耐熱性に優れており、また、多くが液状であることから、反応性希釈剤として用いることもでき、無機フィラーを添加したときに樹脂組成物の粘度を適正な範囲に制御することが比較的容易で、優れた樹脂含浸性が得られやすいため、特に好ましい。これらの成分[A]のエポキシ樹脂は単独で用いてもよく、また2種類以上を混合して用いることも可能である。 Specific examples of component [A] include monoamine-type epoxy resins such as N,N-diglycidylaniline, N,N-diglycidyl-4-phenoxyaniline, N,N-diglycidyl-o-toluidine, N,N-diglycidyl-m-toluidine, N,N-diglycidyl-p-toluidine, N,N-diglycidyl-2,3-xylidine, N,N-diglycidyl-2,4-xylidine, and N,N-diglycidyl-3,4-xylidine, and imide-type epoxy resins such as N-glycidylphthalimide and N-glycidyl-4-methylphthalimide. Among them, monoamine-type epoxy resins are particularly preferred because they have excellent heat resistance, and many of them are liquid, so they can be used as reactive diluents, and it is relatively easy to control the viscosity of the resin composition to an appropriate range when an inorganic filler is added, and excellent resin impregnation is easily obtained. These epoxy resins of component [A] may be used alone or in combination of two or more types.

本発明における成分[A]の含有量は、エポキシ樹脂総量100質量部に対して、10~50質量部である。20~40質量部であると、高い力学特性および耐熱性が得られることから、好ましい。 The content of component [A] in the present invention is 10 to 50 parts by mass per 100 parts by mass of the total amount of epoxy resin. A content of 20 to 40 parts by mass is preferable because it provides high mechanical properties and heat resistance.

本発明において用いられる成分[B]は3官能以上のエポキシ樹脂である。3官能または4官能であることが好ましい。
成分[B]の具体例として、以下のエポキシ樹脂が挙げられる。すなわち、3官能エポキシ樹脂として、N,N,O-トリグリシジル-m-アミノフェノール、N,N,O-トリグリシジル-p-アミノフェノール、N,N,O-トリグリシジル-4-アミノ-3-メチルフェノール、などのアミノフェノール型エポキシ樹脂が挙げられる。4官能エポキシ樹脂として、N,N,N’,N’-テトラグリシジル-4,4’-メチレンジアニリン、N,N,N’,N’-テトラグリシジル-2,2’-ジエチル-4,4’-メチレンジアニリン、N,N,N’,N’-テトラグリシジル-m-キシリレンジアミン、などのジアミン型エポキシ樹脂を挙げることができる。なかでも、4官能のジアミン型エポキシ樹脂は、1分子中に4個のグリシジル基を有するため、高い耐熱性と弾性率を有する硬化物が得られる。そのため、航空宇宙用途に好適に用いられる。
本発明における成分[B]の含有量は、エポキシ樹脂総量100質量部に対して、50~90質量部である。60~80質量部であることが、優れた耐熱性と力学特性を確保する点から好ましい。
The component [B] used in the present invention is an epoxy resin having three or more functionalities, preferably three or four functionalities.
Specific examples of component [B] include the following epoxy resins. That is, trifunctional epoxy resins include aminophenol-type epoxy resins such as N,N,O-triglycidyl-m-aminophenol, N,N,O-triglycidyl-p-aminophenol, and N,N,O-triglycidyl-4-amino-3-methylphenol. Tetrafunctional epoxy resins include diamine-type epoxy resins such as N,N,N',N'-tetraglycidyl-4,4'-methylenedianiline, N,N,N',N'-tetraglycidyl-2,2'-diethyl-4,4'-methylenedianiline, and N,N,N',N'-tetraglycidyl-m-xylylenediamine. Among them, tetrafunctional diamine-type epoxy resins have four glycidyl groups in one molecule, and therefore can provide a cured product with high heat resistance and elastic modulus. Therefore, they are suitable for use in aerospace applications.
The content of component [B] in the present invention is 50 to 90 parts by mass relative to 100 parts by mass of the total amount of the epoxy resin. A content of 60 to 80 parts by mass is preferred from the viewpoint of ensuring excellent heat resistance and mechanical properties.

本発明の成分[C]は、リン系の難燃剤である。上記一般式(1)もしくは一般式(2)で表される構造を有するリン系化合物が挙げられ、これらはアミン系硬化剤としても作用する。または、赤リンであってもよい。かかるリン系難燃剤をエポキシ樹脂組成物に添加することにより、チャー形成が促進される。 Component [C] of the present invention is a phosphorus-based flame retardant. Examples of such compounds include phosphorus-based compounds having a structure represented by the above general formula (1) or general formula (2), which also act as amine-based curing agents. Alternatively, red phosphorus may be used. Adding such a phosphorus-based flame retardant to an epoxy resin composition promotes char formation.

一般式(1)または(2)で表されるリン系化合物について、これらの1つを用いた場合、曲げ強度などにおいて、優れた力学特性を有する硬化物が得られる点から好ましい。
炭素数1~4の炭化水素基を表す。
Regarding the phosphorus-based compound represented by the general formula (1) or (2), when one of these is used, it is preferable since a cured product having excellent mechanical properties such as bending strength can be obtained.
It represents a hydrocarbon group having 1 to 4 carbon atoms.

一般式(1)において、Rは炭素数1~4の炭化水素基を表すが、Rの炭素数が減少すると、一般式(1)で表される構造を有するアミン系硬化剤の疎水性が低下するため、得られる樹脂硬化物の耐吸湿性が低下することがある。そのため、Rの炭素数は4であることが好ましい。 In general formula (1), R 1 represents a hydrocarbon group having 1 to 4 carbon atoms, but if the number of carbon atoms in R 1 is reduced, the hydrophobicity of the amine-based curing agent having the structure represented by general formula (1) decreases, and the moisture absorption resistance of the obtained cured resin may decrease. Therefore, the number of carbon atoms in R 1 is preferably 4.

本発明における成分[C]の赤リンについて、未処理の赤リンのみでなく、赤リンの表面を金属水和物および樹脂を用いて被覆し安定性を高めたものも用いられる。金属水和物としては、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、水酸化亜鉛、水酸化チタンなどが挙げられる。樹脂の種類、被覆量について特に限定はないが、樹脂としては、本発明で用いられるエポキシ樹脂との親和性が高いフェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリメチルメタクリレートなどが好ましい。また、高温での混練時などにホスフィンガスが発生することを抑制するために、被覆量は赤リンに対して1質量%以上が好ましい。かかる被覆量は安定性という意味では多ければ多いほど好ましいが、難燃性の観点から30質量%を超えないことが好ましい。 The red phosphorus of component [C] in the present invention may be not only untreated red phosphorus, but also red phosphorus whose surface is coated with a metal hydrate and a resin to enhance stability. Examples of metal hydrates include aluminum hydroxide, magnesium hydroxide, zinc hydroxide, and titanium hydroxide. There are no particular limitations on the type and amount of coating of the resin, but the resin is preferably a phenolic resin, an epoxy resin, or polymethyl methacrylate, which has a high affinity with the epoxy resin used in the present invention. In addition, in order to suppress the generation of phosphine gas during kneading at high temperatures, the amount of coating is preferably 1% by mass or more relative to the red phosphorus. The greater the amount of coating, the better in terms of stability, but it is preferable that the amount of coating does not exceed 30% by mass from the viewpoint of flame retardancy.

一般式(1)で表される構造を有するアミン系硬化剤の例として、ビス(4-アミノフェニル)メチルホスフィンオキサイド、ビス(3-アミノフェニル)メチルホスフィンオキサイド、ビス(2-アミノフェニル)メチルホスフィンオキサイド、ビス(4-アミノフェニル)エチルホスフィンオキサイド、ビス(3-アミノフェニル)エチルホスフィンオキサイド、ビス(2-アミノフェニル)エチルホスフィンオキサイド、ビス(4-アミノフェニル)n-プロピルホスフィンオキサイド、ビス(3-アミノフェニル)n-プロピルホスフィンオキサイド、ビス(4-アミノフェニル)イソプロピルホスフィンオキサイド、ビス(3-アミノフェニル)イソプロピルホスフィンオキサイド、ビス(4-アミノフェニル)n-ブチルホスフィンオキサイド、ビス(3-アミノフェニル)n-ブチルホスフィンオキサイド、ビス(4-アミノフェニル)イソブチルホスフィンオキサイド、ビス(3-アミノフェニル)イソブチルホスフィンオキサイドなどが挙げられる。なかでも、力学特性、難燃性および耐湿熱性に優れる点から、ビス(3-アミノフェニル)n-ブチルホスフィンオキサイドが好ましく用いられる。一般式(2)で表される構造を有するアミン系硬化剤の例として、トリス(4-アミノフェニル)ホスフィンオキサイド、トリス(3-アミノフェニル)ホスフィンオキサイド、トリス(2-アミノフェニル)ホスフィンオキサイド、ビス(4-アミノフェニル)フェニルホスフィンオキサイド、ビス(3-アミノフェニル)フェニルホスフィンオキサイドなどが挙げられる。なかでも、力学特性および耐熱性に優れる点から、トリス(3-アミノフェニル)ホスフィンオキサイド、あるいはビス(3-アミノフェニル)フェニルホスフィンオキサイドが好ましく用いられ、この両化合物のうち後者がさらに好ましく用いられる。 Examples of amine-based curing agents having a structure represented by general formula (1) include bis(4-aminophenyl)methylphosphine oxide, bis(3-aminophenyl)methylphosphine oxide, bis(2-aminophenyl)methylphosphine oxide, bis(4-aminophenyl)ethylphosphine oxide, bis(3-aminophenyl)ethylphosphine oxide, bis(2-aminophenyl)ethylphosphine oxide, bis(4-aminophenyl)n-propylphosphine oxide, bis(3-aminophenyl)n-propylphosphine oxide, bis(4-aminophenyl)isopropylphosphine oxide, bis(3-aminophenyl)isopropylphosphine oxide, bis(4-aminophenyl)n-butylphosphine oxide, bis(3-aminophenyl)n-butylphosphine oxide, bis(4-aminophenyl)isobutylphosphine oxide, and bis(3-aminophenyl)isobutylphosphine oxide. Among these, bis(3-aminophenyl)n-butylphosphine oxide is preferably used because of its excellent mechanical properties, flame retardancy, and wet heat resistance. Examples of amine-based curing agents having a structure represented by general formula (2) include tris(4-aminophenyl)phosphine oxide, tris(3-aminophenyl)phosphine oxide, tris(2-aminophenyl)phosphine oxide, bis(4-aminophenyl)phenylphosphine oxide, bis(3-aminophenyl)phenylphosphine oxide, etc. Among these, tris(3-aminophenyl)phosphine oxide or bis(3-aminophenyl)phenylphosphine oxide is preferably used because of its excellent mechanical properties and heat resistance, and the latter of these two compounds is more preferably used.

本発明における成分[C]の含有量は、赤リンであれば、エポキシ樹脂総量100質量部に対して、1~10質量部であることが、樹脂組成物の粘度安定性、得られる硬化物や繊維強化複合材料の難燃性と力学特性を確保する点から好ましく、さらに好ましくは3~6質量部である。また、一般式(1)または(2)で表される構造を有するアミン系硬化剤から選ばれるリン系難燃剤であれば、エポキシ樹脂総量100質量部に対して、10~100質量部であることが、樹脂組成物の粘度安定性、得られる硬化物や繊維強化複合材料の難燃性と力学特性を確保する点から好ましく、さらに好ましくは25~100質量部である。 In the present invention, the content of component [C] is preferably 1 to 10 parts by mass, and more preferably 3 to 6 parts by mass, per 100 parts by mass of the total epoxy resin, in the case of red phosphorus, from the viewpoint of ensuring the viscosity stability of the resin composition and the flame retardancy and mechanical properties of the resulting cured product and fiber-reinforced composite material. Also, in the case of a phosphorus-based flame retardant selected from amine-based curing agents having a structure represented by general formula (1) or (2), the content is preferably 10 to 100 parts by mass, and more preferably 25 to 100 parts by mass, per 100 parts by mass of the total epoxy resin, in the case of red phosphorus, from the viewpoint of ensuring the viscosity stability of the resin composition and the flame retardancy and mechanical properties of the resulting cured product and fiber-reinforced composite material.

本発明において、エポキシ樹脂組成物中のリン原子含有率が0.1~5.0質量%であると好ましく、得られる硬化物や繊維強化複合材料の難燃性と力学特性を両立できる。前記リン原子含有率は、好ましくは、0.5~4.0質量%である。ここでいうリン原子含有率(質量%)は、全エポキシ樹脂組成物中のリン原子の質量(g)/全エポキシ樹脂組成物の質量(g)×100で求められる。リン原子の質量は、成分[C]が赤リンの場合、赤リン中のリン原子の質量%である。成分[C]が上記式(1)または(2)の構造のアミン系硬化剤の場合、その1分子あたりのリン原子の質量を、リン原子の原子量から求め、これに、全エポキシ樹脂組成物中に含まれる、成分[C]の化合物の分子数をモル数から求めて掛け算することにより得られる。 In the present invention, the phosphorus atom content in the epoxy resin composition is preferably 0.1 to 5.0% by mass, and the resulting cured product and fiber-reinforced composite material can have both flame retardancy and mechanical properties. The phosphorus atom content is preferably 0.5 to 4.0% by mass. The phosphorus atom content (mass%) here is calculated by mass (g) of phosphorus atoms in the entire epoxy resin composition / mass (g) of the entire epoxy resin composition × 100. When component [C] is red phosphorus, the mass of phosphorus atoms is the mass% of phosphorus atoms in red phosphorus. When component [C] is an amine-based curing agent having the structure of the above formula (1) or (2), the mass of phosphorus atoms per molecule is calculated from the atomic weight of phosphorus atoms, and this is multiplied by the number of molecules of the compound of component [C] contained in the entire epoxy resin composition calculated from the number of moles.

本発明に係るエポキシ樹脂組成物は、上記のとおり、成分[C]の一般式(1)または(2)で表される構造のリン系化合物は、アミン系硬化剤として作用するが、これら以外の硬化剤を含有することも出来る。赤リンは、硬化剤としての作用を有し得ないことから、成分[C]として赤リンを用いる場合は、一般式(1)または(2)のリン化合物以外の硬化剤を用いることが特に好ましい。ここでいう硬化剤は、エポキシ樹脂の硬化剤であり、エポキシ基と反応し得る活性基を有する化合物である。そのような硬化剤の例として、ジシアンジアミド、芳香族ポリアミン、アミノ安息香酸エステル類、各種酸無水物、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、ポリフェノール化合物、イミダゾール誘導体、脂肪族アミン、テトラメチルグアニジン、チオ尿素付加アミン、メチルヘキサヒドロフタル酸無水物のようなカルボン酸無水物、カルボン酸ヒドラジド、カルボン酸アミド、ポリメルカプタンおよび三フッ化ホウ素エチルアミン錯体のようなルイス酸錯体などが挙げられる。このなかでも、芳香族ポリアミンを硬化剤として用いると、耐熱性の良好なエポキシ樹脂硬化物が得られやすくなる。特に、芳香族ポリアミンのなかでも、4,4’-ジアミノジフェニルスルホン、3,3’-ジアミノジフェニルスルホンなど、ジアミノジフェニルスルホンの各種異性体を用いることにより、耐熱性の良好なエポキシ樹脂硬化物が得られやすくなる。 As described above, the epoxy resin composition according to the present invention can contain a phosphorus-based compound having a structure represented by general formula (1) or (2) of component [C] as an amine-based curing agent, but can also contain other curing agents. Since red phosphorus cannot act as a curing agent, it is particularly preferable to use a curing agent other than the phosphorus compound of general formula (1) or (2) when red phosphorus is used as component [C]. The curing agent here is a curing agent for epoxy resins and is a compound having an active group that can react with epoxy groups. Examples of such curing agents include dicyandiamide, aromatic polyamines, aminobenzoic acid esters, various acid anhydrides, phenol novolac resins, cresol novolac resins, polyphenol compounds, imidazole derivatives, aliphatic amines, tetramethylguanidine, thiourea adduct amines, carboxylic acid anhydrides such as methylhexahydrophthalic anhydride, carboxylic acid hydrazides, carboxylic acid amides, polymercaptans, and Lewis acid complexes such as boron trifluoride ethylamine complexes. Among these, when aromatic polyamines are used as curing agents, it becomes easier to obtain epoxy resin cured products with good heat resistance. In particular, among aromatic polyamines, by using various isomers of diaminodiphenyl sulfone, such as 4,4'-diaminodiphenyl sulfone and 3,3'-diaminodiphenyl sulfone, it becomes easier to obtain epoxy resin cured products with good heat resistance.

上記成分[C]以外の硬化剤の含有量は、成分[C]の硬化剤と成分[C]以外の硬化剤を含む硬化剤総量100質量部に対して、90質量部以下であることが、得られる硬化物や繊維強化複合材料の難燃性を確保しやすくなる点から好ましい。 The content of the curing agent other than the above component [C] is preferably 90 parts by mass or less per 100 parts by mass of the total amount of the curing agent, including the curing agent of component [C] and the curing agent other than component [C], since this makes it easier to ensure the flame retardancy of the resulting cured product and fiber-reinforced composite material.

本発明の成分[D]は、金属水酸化物からなるフィラーであり、燃焼時に分解して、吸熱効果を発現することにより、燃焼による発熱を抑制すると考えられる。金属水酸化物としては、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、水酸化亜鉛、水酸化チタン、水酸化スズなどが挙げられる。吸熱効果の点から、水酸化アルミニウムが好ましい。 Component [D] of the present invention is a filler made of a metal hydroxide, which decomposes during combustion and exerts an endothermic effect, which is thought to suppress heat generation due to combustion. Examples of metal hydroxides include aluminum hydroxide, magnesium hydroxide, zinc hydroxide, titanium hydroxide, and tin hydroxide. From the viewpoint of endothermic effect, aluminum hydroxide is preferred.

成分[D]としては、通常、粒子状のものを使用することができ、粒径は特に限定されないが、難燃性と分散性の観点から、算術平均からもとめた平均径が0.8~10.0μmであることが好ましく、より好ましくは0.8~3.0μmである。かかる粒径は、レーザー散乱式粒子径分布測定により測定する。エポキシ樹脂組成物の組成にもよるが、難燃性とタック性のバランスから、成分[D]の含有量は、エポキシ樹脂の総量100質量部に対し、5~60質量部であることが好ましく、より好ましくは10~55質量部であり、さらに好ましくは15~50質量部である。 Component [D] can usually be in the form of particles, and although there are no particular limitations on the particle size, from the viewpoint of flame retardancy and dispersibility, the average diameter calculated from the arithmetic mean is preferably 0.8 to 10.0 μm, and more preferably 0.8 to 3.0 μm. Such particle size is measured by laser scattering particle size distribution measurement. Depending on the composition of the epoxy resin composition, from the viewpoint of the balance between flame retardancy and tackiness, the content of component [D] is preferably 5 to 60 parts by mass, more preferably 10 to 55 parts by mass, and even more preferably 15 to 50 parts by mass per 100 parts by mass of the total epoxy resin.

上記によって求められるリン原子含有率(%)に対する成分[D]の樹脂組成物総量中の質量%の比(以下、[D]/Pで表される質量比。以下同様)は1以上である。なお、この場合のリン原子含有率は、上記した好ましい範囲に特に限定されない。これにより、成分[D]の熱分解時の吸熱により燃焼初期の炭化物の分解を抑えることができるため、リンによる炭化物(チャー)形成をより効果的に促進させることができる。また、[D]/Pはリンによる炭化物形成と金属水酸化物による吸熱効果のバランスから25未満であることが好ましい。 The ratio of the mass % of component [D] in the total amount of the resin composition to the phosphorus atom content (%) determined above (hereinafter, the mass ratio represented by [D]/P; the same applies below) is 1 or more. Note that the phosphorus atom content in this case is not particularly limited to the preferred range described above. This makes it possible to suppress the decomposition of char at the early stage of combustion due to the endothermic heat absorbed during the thermal decomposition of component [D], thereby more effectively promoting the formation of char by phosphorus. In addition, it is preferable that [D]/P is less than 25 in order to balance the char formation by phosphorus and the endothermic effect of the metal hydroxide.

本発明におけるエポキシ樹脂組成物は、180℃の温度で2時間硬化させて得られる樹脂硬化物について、空気下の600℃におけるチャー生成率が20%以上50%未満であることが好ましい。さらに好ましくは、上記チャー生成率が30%以上50%未満である。この範囲であると、分解ガスの熱拡散が十分に抑制されて耐火性に優れた繊維強化複合材料を得ることができる。ここで、空気下の600℃におけるチャー生成率とは、熱重量測定装置を用いて、空気雰囲気下で室温から10℃/minの昇温速度で加熱した場合の600℃到達時における熱分解残渣の残存率である。 The epoxy resin composition of the present invention preferably has a char generation rate of 20% or more and less than 50% at 600°C in air for the resin cured product obtained by curing at a temperature of 180°C for 2 hours. More preferably, the char generation rate is 30% or more and less than 50%. When the char generation rate is within this range, the thermal diffusion of the decomposition gas is sufficiently suppressed, and a fiber-reinforced composite material with excellent fire resistance can be obtained. Here, the char generation rate at 600°C in air refers to the remaining rate of thermal decomposition residue when the temperature reaches 600°C when heated from room temperature at a heating rate of 10°C/min in an air atmosphere using a thermogravimetric measuring device.

また、本発明におけるエポキシ樹脂組成物は、上記の条件で硬化させて得られる樹脂硬化物について、曲げ弾性率が5GPa以上7GPa未満であることが好ましい。さらに好ましくは、5.5GPa以上7GPa未満である。この範囲であると、圧縮特性に優れた繊維強化複合材料を得ることができる。 The epoxy resin composition of the present invention preferably has a flexural modulus of 5 GPa or more and less than 7 GPa for the resin cured product obtained by curing under the above conditions. More preferably, it is 5.5 GPa or more and less than 7 GPa. If it is in this range, a fiber-reinforced composite material with excellent compression properties can be obtained.

さらに、本発明におけるエポキシ樹脂組成物は、上記の条件で硬化させて得られる樹脂硬化物について、ガラス転移温度が180℃以上210℃未満であることが好ましい。さらに好ましくは、190℃以上210℃未満である。この範囲であると、耐熱性に優れた繊維強化複合材料を得ることができる。 Furthermore, the epoxy resin composition of the present invention preferably has a glass transition temperature of 180°C or higher and lower than 210°C for the resin cured product obtained by curing under the above conditions. More preferably, it is 190°C or higher and lower than 210°C. When it is in this range, a fiber-reinforced composite material with excellent heat resistance can be obtained.

本発明においては、得られるプリプレグのタック性の制御、エポキシ樹脂組成物を強化繊維に含浸する際の樹脂の流動性の制御、および得られる繊維強化複合材料に靱性を付与するために、さらに成分[E]熱可塑性樹脂をエポキシ樹脂組成物に溶解して用いることができる。かかる成分[E]の熱可塑性樹脂としては、使用するエポキシ樹脂に常温で可溶な化合物であればよいが、ポリアリールエーテル骨格で構成される熱可塑性樹脂が好ましい。具体的には、例えば、ポリスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルエーテルスルホンなどを挙げることができる。これらのポリアリールエーテル骨格で構成される熱可塑性樹脂は単独で用いてもよいし、適宜併用して用いてもよい。なかでも、ポリエーテルスルホンおよびポリエーテルイミドは、得られる繊維強化複合材料の耐熱性や力学物性を低下することなく靭性を付与することができるため好ましく用いることができる。 In the present invention, in order to control the tackiness of the resulting prepreg, control the fluidity of the resin when the epoxy resin composition is impregnated into the reinforcing fiber, and impart toughness to the resulting fiber-reinforced composite material, a thermoplastic resin (component [E]) can be dissolved in the epoxy resin composition and used. The thermoplastic resin of component [E] may be any compound that is soluble in the epoxy resin used at room temperature, but a thermoplastic resin composed of a polyaryl ether skeleton is preferred. Specific examples include polysulfone, polyphenylsulfone, polyethersulfone, polyetherimide, polyphenylene ether, polyetheretherketone, and polyetherethersulfone. These thermoplastic resins composed of a polyaryl ether skeleton may be used alone or in combination as appropriate. Among them, polyethersulfone and polyetherimide are preferably used because they can impart toughness to the resulting fiber-reinforced composite material without reducing the heat resistance and mechanical properties.

本発明に係るエポキシ樹脂組成物は、得られる繊維強化複合材料の耐衝撃性を向上させるために、成分[F]として、熱可塑性樹脂を主成分とする粒子(熱可塑性樹脂粒子)を含有することが好ましい。かかる熱可塑性樹脂粒子は、成分[E]と異なり、エポキシ樹脂組成物の他の構成要素に不溶であり、エポキシ樹脂組成物をプリプレグ化して、さらに繊維強化複合材料としても、粒子として存在するものである。 In order to improve the impact resistance of the resulting fiber-reinforced composite material, the epoxy resin composition according to the present invention preferably contains particles (thermoplastic resin particles) mainly composed of a thermoplastic resin as component [F]. Unlike component [E], such thermoplastic resin particles are insoluble in other components of the epoxy resin composition, and exist as particles even when the epoxy resin composition is made into a prepreg and further into a fiber-reinforced composite material.

熱可塑性樹脂粒子としては、ポリアミドが最も好ましく、ポリアミドのなかでも、ポリアミド12、ポリアミド6、ポリアミド11、ポリアミド66、ポリアミド6/12共重合体、特開平1-104624号公報の実施例1記載のエポキシ化合物にてセミIPN化されたポリアミド(セミIPNポリアミド)は、特に良好なエポキシ樹脂との接着強度を与える。ここで、IPNとは相互侵入高分子網目構造体(Interpenetrating Polymer Network)の略称で、ポリマーブレンドの一種である。ブレンド成分ポリマーが橋架けポリマーであって、それぞれの異種橋架けポリマーが部分的あるいは全体的に相互に絡み合って多重網目構造を形成しているものをいう。セミIPNとは、橋架けポリマーと直鎖状ポリマーによる重網目構造が形成されたものである。セミIPN化した熱可塑性樹脂粒子は、例えば熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂を共通溶媒に溶解させ、均一に混合した後、再沈等により得ることができる。エポキシ樹脂とセミIPN化したポリアミドからなる粒子を用いることにより、優れた耐熱性と耐衝撃性をプリプレグに付与することができる。これら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、また多孔質粒子でもよいが、球状の方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態様である。ポリアミド粒子の市販品としては、SP-500、SP-10、TR-1、TR-2、842P-48、842P-80(以上、東レ(株)製)、“オルガソール(登録商標)”1002D、2001UD、2001EXD、2002D、3202D、3501D,3502D、(以上、アルケマ社製)等を使用することができる。これらのポリアミド粒子は、単独で使用しても複数を併用してもよい。 As the thermoplastic resin particles, polyamide is most preferable, and among polyamides, polyamide 12, polyamide 6, polyamide 11, polyamide 66, polyamide 6/12 copolymer, and polyamides semi-IPNed with the epoxy compound described in Example 1 of JP-A-1-104624 (semi-IPN polyamides) provide particularly good adhesive strength with epoxy resins. Here, IPN is an abbreviation for Interpenetrating Polymer Network, a type of polymer blend. The blend component polymers are crosslinked polymers, and each of the different crosslinked polymers is partially or entirely entangled with each other to form a multiple network structure. Semi-IPN is a structure in which a double network structure is formed by crosslinked polymers and linear polymers. Semi-IPNed thermoplastic resin particles can be obtained, for example, by dissolving a thermoplastic resin and a thermosetting resin in a common solvent, mixing them uniformly, and then reprecipitation. By using particles made of epoxy resin and semi-IPN polyamide, excellent heat resistance and impact resistance can be imparted to the prepreg. The shape of these thermoplastic resin particles may be spherical, non-spherical, or porous, but spherical particles are preferred because they do not reduce the flow characteristics of the resin, have excellent viscoelasticity, have no starting point for stress concentration, and provide high impact resistance. Commercially available polyamide particles include SP-500, SP-10, TR-1, TR-2, 842P-48, and 842P-80 (all manufactured by Toray Industries, Inc.), and Orgasol (registered trademark) 1002D, 2001UD, 2001EXD, 2002D, 3202D, 3501D, and 3502D (all manufactured by Arkema). These polyamide particles may be used alone or in combination.

本発明のエポキシ樹脂組成物は、本発明の効果を妨げない範囲で、カップリング剤や、熱硬化性樹脂粒子、または、シリカゲル、カーボンブラック、クレー、カーボンナノチューブ、グラフェン、カーボン粒子あるいは金属粉体といった無機フィラー等を配合することができる。 The epoxy resin composition of the present invention can be blended with a coupling agent, thermosetting resin particles, or inorganic fillers such as silica gel, carbon black, clay, carbon nanotubes, graphene, carbon particles, or metal powder, within the scope of the invention.

本発明のプリプレグは、本発明のエポキシ樹脂組成物を強化繊維に含浸させてなる。すなわち、上述したエポキシ樹脂組成物をマトリックス樹脂とし、このエポキシ樹脂組成物を強化繊維と複合させたものである。強化繊維の例としては、炭素繊維、黒鉛繊維、アラミド繊維、ガラス繊維等を好ましく挙げることができる。なかでも力学特性の点から炭素繊維が特に好ましい。 The prepreg of the present invention is formed by impregnating reinforcing fibers with the epoxy resin composition of the present invention. In other words, the above-mentioned epoxy resin composition is used as a matrix resin, and this epoxy resin composition is composited with reinforcing fibers. Preferred examples of reinforcing fibers include carbon fibers, graphite fibers, aramid fibers, and glass fibers. Of these, carbon fibers are particularly preferred from the viewpoint of mechanical properties.

本発明のプリプレグは、様々な公知の方法、例えばウエット法やホットメルト法などにより製造することができる。中でも、ホットメルト法が本発明の効果を発揮しやすい点において好ましい。 The prepreg of the present invention can be manufactured by various known methods, such as the wet method and the hot melt method. Among them, the hot melt method is preferred because it is easy to achieve the effects of the present invention.

本発明のプリプレグにおいては、強化繊維の目付が100~1000g/mであることが好ましい。強化繊維目付が100g/m未満では、繊維強化複合材料成形の際に所定の厚みを得るために積層枚数を多くする必要があり、積層作業が煩雑になることがある。一方、1000g/mを超える場合は、プリプレグのドレープ性が悪くなる傾向がある。また、繊維質量含有率は、好ましくは40~90質量%であり、より好ましくは50~80質量%である。繊維質量含有率が40質量%未満では樹脂の比率が多すぎるため、強化繊維の優れた機械特性の利点を活かすことができないことや、繊維強化複合材料の硬化時の発熱量が高くなりすぎる可能性がある。また、繊維質量含有率が90質量%を超える場合、樹脂の含浸不良を生じるため、得られる繊維強化複合材料はボイドが多いものとなる恐れがある。 In the prepreg of the present invention, the weight of the reinforcing fiber is preferably 100 to 1000 g/m 2. If the weight of the reinforcing fiber is less than 100 g/m 2 , the number of layers needs to be increased to obtain a predetermined thickness when molding the fiber-reinforced composite material, and the lamination work may become complicated. On the other hand, if it exceeds 1000 g/m 2 , the drapeability of the prepreg tends to deteriorate. In addition, the fiber mass content is preferably 40 to 90 mass%, more preferably 50 to 80 mass%. If the fiber mass content is less than 40 mass%, the ratio of the resin is too high, so that the advantage of the excellent mechanical properties of the reinforcing fiber cannot be utilized, and the heat generation during curing of the fiber-reinforced composite material may be too high. In addition, if the fiber mass content exceeds 90 mass%, impregnation of the resin occurs poorly, and the obtained fiber-reinforced composite material may have many voids.

本発明のプリプレグの形態は、UniDirection(UD)プリプレグでも、織物プリプレグ、またシートモールディングコンパウンド等の不織布等いずれでもよい。 The prepreg of the present invention may be in the form of a unidirectional (UD) prepreg, a woven fabric prepreg, or a nonwoven fabric such as a sheet molding compound.

本発明の繊維強化複合材料の第一の態様は、本発明のプリプレグを硬化させてなる。かかる繊維強化複合材料は、例えば、前記本発明のプリプレグを所定の形態で積層した後、加熱加圧して樹脂を硬化させることにより得ることができる。ここで、熱および圧力を付与する方法としては、オートクレーブ成形法、プレス成形法、バッギング成形法、ラッピングテープ法、内圧成形法など公知の方法を用いることができる。 The first aspect of the fiber-reinforced composite material of the present invention is obtained by curing the prepreg of the present invention. Such a fiber-reinforced composite material can be obtained, for example, by laminating the prepreg of the present invention in a predetermined form, and then applying heat and pressure to cure the resin. Here, known methods such as autoclave molding, press molding, bagging molding, wrapping tape method, and internal pressure molding can be used as the method for applying heat and pressure.

本発明の繊維強化複合材料の第二の態様は、本発明のエポキシ樹脂組成物を硬化させてなる樹脂硬化物と、強化繊維とを含む。かかる繊維強化複合材料は、プリプレグを用いずに、強化繊維基材に液状のエポキシ樹脂を直接に含浸させ、硬化させる方法により得ることができる。具体的には、例えば、レジントランスファーモールディング法、フィラメントワインディング法、プルトルージョン法、ハンド・レイアップ法などにより、かかる繊維強化複合材料を得ることができる。 A second embodiment of the fiber-reinforced composite material of the present invention includes a resin cured product obtained by curing the epoxy resin composition of the present invention, and reinforcing fibers. Such a fiber-reinforced composite material can be obtained by a method in which a reinforcing fiber substrate is directly impregnated with a liquid epoxy resin and cured, without using a prepreg. Specifically, such a fiber-reinforced composite material can be obtained by, for example, a resin transfer molding method, a filament winding method, a pultrusion method, a hand layup method, or the like.

以上に記した数値範囲の上限及び下限は、任意に組み合わせることができる。 The upper and lower limits of the numerical ranges described above can be combined in any way.

以下、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれらの例によって限定されるものではない。
本発明の実施例および比較例において用いられた材料を次に示す。
The present invention will be described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
The materials used in the examples and comparative examples of the present invention are shown below.

<成分[A]:4員環以上の環構造を一つ以上有する2官能以下のグリシジルアミン型エポキシ樹脂>
・N,N-ジグリシジルアニリン(GAN、日本化薬(株)製)
・N-グリシジルフタルイミド(“デナコール(登録商標)”EX-731、ナガセケムテックス(株)製)
・N,N-ジグリシジル-o-トルイジン(GOT、日本化薬(株)製)
<成分[A]以外の2官能以下のエポキシ樹脂>
・液状ビスフェノールA型エポキシ樹脂(“jER(登録商標)”828、三菱ケミカル(株)製)
・液状ビスフェノールF型エポキシ樹脂(“Epc(登録商標)”830、DIC(株)製)
・固形ビスフェノールA型エポキシ樹脂(“jER(登録商標)”1001、三菱ケミカル(株)製)
・1,4-ブタンジオールジグリシジルエーテル(“デナコール(登録商標)”EX-214L、ナガセケムテックス(株)製)
<成分[B]:3官能以上のエポキシ樹脂>
・テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン(“アラルダイト(登録商標)”MY721、ハンツマン・アドバンスト・マテリアルズ社製)
・フェノールノボラック型エポキシ樹脂(“jER(登録商標)”154、三菱ケミカル(株)製)
<成分[C]:赤リン>
・赤リン(“ノーバレッド(登録商標)”120UF、燐化学工業(株)製)。
<Component [A]: Difunctional or less glycidylamine-type epoxy resin having one or more four-membered or larger ring structures>
N,N-diglycidylaniline (GAN, manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.)
N-glycidylphthalimide (Denacol (registered trademark) EX-731, manufactured by Nagase ChemteX Corporation)
N,N-diglycidyl-o-toluidine (GOT, manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.)
<Difunctional or lower epoxy resin other than component [A]>
Liquid bisphenol A epoxy resin ("jER (registered trademark)" 828, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation)
Liquid bisphenol F type epoxy resin ("Epc (registered trademark)" 830, manufactured by DIC Corporation)
Solid bisphenol A epoxy resin ("jER (registered trademark)" 1001, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation)
1,4-butanediol diglycidyl ether (Denacol (registered trademark) EX-214L, manufactured by Nagase ChemteX Corporation)
<Component [B]: Tri- or higher functional epoxy resin>
Tetraglycidyldiaminodiphenylmethane ("Araldite (registered trademark)" MY721, manufactured by Huntsman Advanced Materials)
Phenol novolac type epoxy resin ("jER (registered trademark)" 154, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation)
<Component [C]: Red phosphorus>
Red phosphorus ("Nova Red (registered trademark)" 120UF, manufactured by Rinkagaku Kogyo Co., Ltd.).

<成分[C]:一般式(2)で表される構造を有するリン系化合物(アミン系硬化剤)>
・ビス(3-アミノフェニル)フェニルホスフィンオキサイド(BAPPO、片山化学工業(株)製)。
<成分[C]以外の硬化剤>
・4,4’-ジアミノジフェニルスルホン(セイカキュアS、和歌山精化工業(株)製)
・ジシアンジアミド(Dicy7T、三菱ケミカル(株)製)。
<Component [C]: Phosphorus-based compound having a structure represented by general formula (2) (amine-based curing agent)>
Bis(3-aminophenyl)phenylphosphine oxide (BAPP0, manufactured by Katayama Chemical Industry Co., Ltd.).
<Curing agents other than component [C]>
4,4'-diaminodiphenyl sulfone (Seikacure S, manufactured by Wakayama Seika Kogyo Co., Ltd.)
-Dicyandiamide (Dicy7T, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation).

<成分[D]:金属水酸化物からなるフィラー>
・水酸化アルミニウム(C-301N、住友化学(株)製)
<成分[E]:熱可塑性樹脂>
・ポリエーテルスルホン(“VIRANTAGE(登録商標)”VW-10700RFP、Solvay Advanced Polymers社製)
・ポリビニルホルマール(“ビニレック(登録商標)K、JNC(株)製)。
<その他の添加剤>
・2,4’-トルエンビス(3,3-ジメチルウレア)(“オミキュア(登録商標)”24)
(1)エポキシ樹脂組成物の調製方法
混練装置中に、表1および2に記載の硬化剤以外の成分を投入後、140℃以上の温度まで昇温させ、加熱混練を行った。次いで、80℃以下の温度まで降温させ、表1および2に記載の成分[C]の硬化剤および成分[C]以外の硬化剤を加えて撹拌し、エポキシ樹脂組成物を得た。
<Component [D]: Filler composed of metal hydroxide>
Aluminum hydroxide (C-301N, manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.)
<Component [E]: Thermoplastic resin>
Polyethersulfone ("VIRANTAGE (registered trademark)" VW-10700RFP, manufactured by Solvay Advanced Polymers)
Polyvinyl formal ("Vinylec (registered trademark) K, manufactured by JNC Corporation).
<Other additives>
2,4'-toluenebis(3,3-dimethylurea) ("Omicure (registered trademark)" 24)
(1) Method for preparing an epoxy resin composition After the components other than the curing agent shown in Tables 1 and 2 were charged into a kneading device, the temperature was raised to 140° C. or higher and kneading was performed under heat. The temperature was then lowered to 80° C. or lower, and the curing agent of component [C] and the curing agents other than component [C] shown in Tables 1 and 2 were added and stirred to obtain an epoxy resin composition.

(2)樹脂硬化物のチャー生成率測定
熱重量測定TGAによるチャー生成率の測定は以下の様にして行った。
(2) Measurement of char formation rate of cured resin The measurement of char formation rate by thermogravimetry (TGA) was carried out as follows.

(1)で調製したエポキシ樹脂組成物を真空中で脱泡した後、2mmまたは3mm厚の“テフロン(登録商標)”製スペーサーを挿入して、生成される硬化物の厚みが2mmまたは3mmに制限されるように設定したモールド中で、所定の硬化条件で硬化させて、厚さ2mmまたは3mmのエポキシ樹脂硬化物を得た。難燃性の評価は熱重量測定装置TG-DSC(パーキンエルマー社STA6000システム)を用いて行った。エポキシ樹脂硬化物から約10mgの試験片を切り出し、空気下で、昇温速度10℃/minで単純昇温し、600℃におけるチャー生成率(%)を難燃性の指標とした。ここでいうチャー生成率とは、(600℃における熱分解残渣の質量(g))/(昇温前のエポキシ樹脂硬化物の質量(g))×100で表される値である。
(3)樹脂硬化物の発熱特性評価
発熱特性の評価はコーンカロリーメータ試験装置Cone Calorimeter C3((株)東洋精機製作所製)を用いて行った。(2)で作製した3mm厚のエポキシ樹脂硬化物から100mm×100mm角の試験片を切り出し、ヒーター輻射量を50kW/mとして試験を行い、5分間のうちの最大発熱速度(kW/m)を難燃性の指標とした。
(4)樹脂硬化物の力学特性評価
樹脂硬化物の力学特性の評価は以下の様にして行った。
(2)で作製した2mm厚のエポキシ樹脂硬化物を10mm×60mm角のサイズにカットした試験片について、3点曲げ試験をJIS K7171(2006)に基づいて行い、力学特性を評価した。インストロン5565万能試験機(インストロン社製)を用いて、クロスヘッドスピード2.5mm/min、スパン長40mm、圧子径10mm、支点径4mmの条件で曲げ試験を行い、曲げ弾性率を測定した。
(5)樹脂硬化物の耐熱性評価
(2)で作製した2mm厚のエポキシ樹脂硬化物を12.7mm×45mm角のサイズにカットした試験片について、動的機械分析(DMA)によるガラス転移温度の測定をASTM 7028-07に基づいて行った。
The epoxy resin composition prepared in (1) was degassed in a vacuum, and then cured under the prescribed curing conditions in a mold set so that a 2 mm or 3 mm thick "Teflon (registered trademark)" spacer was inserted to limit the thickness of the resulting cured product to 2 mm or 3 mm, to obtain a cured epoxy resin product having a thickness of 2 mm or 3 mm. Flame retardancy was evaluated using a thermogravimetric analyzer TG-DSC (PerkinElmer STA6000 system). A test piece of about 10 mg was cut out from the cured epoxy resin product and simply heated at a heating rate of 10°C/min in air, and the char generation rate (%) at 600°C was used as an index of flame retardancy. The char generation rate here is a value expressed as (mass (g) of thermal decomposition residue at 600°C)/(mass (g) of cured epoxy resin product before heating)×100.
(3) Evaluation of heat generation properties of cured resin Heat generation properties were evaluated using a cone calorimeter test device, Cone Calorimeter C3 (manufactured by Toyo Seiki Seisakusho, Ltd.) Test pieces measuring 100 mm x 100 mm square were cut out from the 3 mm thick cured epoxy resin products prepared in (2) and tested with a heater radiation amount of 50 kW/ m2 . The maximum heat generation rate (kW/ m2 ) within 5 minutes was used as an index of flame retardancy.
(4) Evaluation of Mechanical Properties of Cured Resin Products Evaluation of mechanical properties of cured resin products was carried out as follows.
The 2 mm thick epoxy resin cured product prepared in (2) was cut into a test piece having a size of 10 mm x 60 mm square, and a three-point bending test was performed based on JIS K7171 (2006) to evaluate the mechanical properties. The bending test was performed using an Instron 5565 universal testing machine (manufactured by Instron Corporation) under the conditions of a crosshead speed of 2.5 mm/min, a span length of 40 mm, an indenter diameter of 10 mm, and a fulcrum diameter of 4 mm, to measure the flexural modulus.
(5) Evaluation of heat resistance of cured resin The 2 mm thick cured epoxy resin prepared in (2) was cut into test pieces measuring 12.7 mm × 45 mm square, and the glass transition temperature was measured by dynamic mechanical analysis (DMA) in accordance with ASTM 7028-07.

(実施例1~9、比較例1~3)
各成分を表1および2に示すとおりの比率(質量部)で用いて、上記(1)エポキシ樹脂組成物の調製方法により、エポキシ樹脂組成物の調製を行った。比較例4のみ130℃の温度で90分硬化させ、それ以外は180℃の温度で2時間硬化させて得られた樹脂硬化物について、上記(2)、(4)または(5)にしたがって、チャー生成率、力学特性および耐熱性の評価を行った。また、実施例1および2と比較例1および2については、上記(3)にしたがって発熱特性の評価も行った。評価結果は表1および2のとおりであった。
(Examples 1 to 9, Comparative Examples 1 to 3)
Epoxy resin compositions were prepared by the above (1) method for preparing an epoxy resin composition using the ratios (parts by mass) of each component shown in Tables 1 and 2. Comparative Example 4 was cured at 130°C for 90 minutes, while the other examples were cured at 180°C for 2 hours. The cured resins were evaluated for char generation rate, mechanical properties, and heat resistance according to the above (2), (4), or (5). Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 were also evaluated for heat generation properties according to the above (3). The evaluation results are shown in Tables 1 and 2.

Figure 2024046878000005
Figure 2024046878000005

Figure 2024046878000006
Figure 2024046878000006

Claims (10)

下記の成分[A]~[D]を含むエポキシ樹脂組成物であって、エポキシ樹脂の総量100質量部に対して、成分[A]を10~50質量部含み、成分[B]を50~90質量部含み、樹脂組成物中の成分[D]の質量含有率(%)のリン原子含有率(%)に対する比が1以上である。
[A]4員環以上の環構造を一つ以上有する2官能以下のグリシジルアミン型エポキシ樹脂
[B]3官能以上のエポキシ樹脂
[C]下記一般式(1)もしくは(2)で表されるリン系化合物または赤リンから選ばれるリン系難燃剤
[D]金属水酸化物からなるフィラー
Figure 2024046878000007
Figure 2024046878000008
(一般式(1)中、Rは、炭素数1~4の炭化水素基を表す。一般式(2)中、Rは、水素原子、またはアミノ基を表す。)
The epoxy resin composition comprises the following components [A] to [D], wherein the composition contains 10 to 50 parts by mass of component [A] and 50 to 90 parts by mass of component [B] relative to 100 parts by mass of a total amount of epoxy resins, and the ratio of the mass content (%) of component [D] to the phosphorus atom content (%) in the resin composition is 1 or more.
[A] A glycidyl amine type epoxy resin having one or more ring structures of four or more members and having two or less functional groups; [B] An epoxy resin having three or more functional groups; [C] A phosphorus-based flame retardant selected from phosphorus-based compounds represented by the following general formula (1) or (2) or red phosphorus; [D] A filler made of a metal hydroxide.
Figure 2024046878000007
Figure 2024046878000008
(In general formula (1), R 1 represents a hydrocarbon group having 1 to 4 carbon atoms. In general formula (2), R 2 represents a hydrogen atom or an amino group.)
180℃の温度で2時間硬化させて得られる樹脂硬化物について、
空気下の600℃におけるチャー生成率が20%以上50%未満、曲げ弾性率が5GPa以上7GPa未満、かつ、ガラス転移温度が180℃以上210℃未満である、請求項1に記載のエポキシ樹脂組成物。
The resin cured product obtained by curing at 180°C for 2 hours was
2. The epoxy resin composition according to claim 1, which has a char formation rate of 20% or more and less than 50% at 600°C in air, a flexural modulus of 5 GPa or more and less than 7 GPa, and a glass transition temperature of 180°C or more and less than 210°C.
成分[D]が水酸化アルミニウムからなるフィラーである、請求項1または2に記載のエポキシ樹脂組成物。 The epoxy resin composition according to claim 1 or 2, wherein component [D] is a filler made of aluminum hydroxide. 成分[C]が一般式(1)または(2)で表されるリン系難燃剤である、請求項1に記載のエポキシ樹脂組成物。 The epoxy resin composition according to claim 1, wherein component [C] is a phosphorus-based flame retardant represented by general formula (1) or (2). 成分[A]が下記一般式(3)または(4)で表される構造を有する、請求項1に記載のエポキシ樹脂組成物。
Figure 2024046878000009
(一般式(3)中、R3は、水素原子、炭素数1~4の脂肪族炭化水素基、炭素数3~6の脂環式炭化水素基、炭素数6~10の芳香族炭化水素基、ハロゲン原子、アシル基、トリフルオロメチル基およびニトロ基から選ばれる一つを表す。mは1~4の整数を表す。Xは,水素原子、または4員環以上の環構造を有する置換基を表す。)
Figure 2024046878000010
(一般式(4)中、Rは、水素原子、炭素数1~4の脂肪族炭化水素基、炭素数3~6の脂環式炭化水素基、炭素数6~10の芳香族炭化水素基、ハロゲン原子、アシル基、トリフルオロメチル基およびニトロ基から選ばれる一つを表す。nは1~4の整数を表す。Yは,水素原子、または4員環以上の環構造を有する置換基を表す。)
2. The epoxy resin composition according to claim 1, wherein the component [A] has a structure represented by the following general formula (3) or (4):
Figure 2024046878000009
(In the general formula (3), R3 represents one selected from a hydrogen atom, an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 4 carbon atoms, an alicyclic hydrocarbon group having 3 to 6 carbon atoms, an aromatic hydrocarbon group having 6 to 10 carbon atoms, a halogen atom, an acyl group, a trifluoromethyl group, and a nitro group. m represents an integer of 1 to 4. X represents a hydrogen atom or a substituent having a ring structure having four or more members.)
Figure 2024046878000010
(In the general formula (4), R4 represents one selected from a hydrogen atom, an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 4 carbon atoms, an alicyclic hydrocarbon group having 3 to 6 carbon atoms, an aromatic hydrocarbon group having 6 to 10 carbon atoms, a halogen atom, an acyl group, a trifluoromethyl group, and a nitro group. n represents an integer of 1 to 4. Y represents a hydrogen atom or a substituent having a ring structure having four or more members.)
さらに成分[E]熱可塑性樹脂を含む、請求項1に記載のエポキシ樹脂組成物。 The epoxy resin composition according to claim 1, further comprising component [E] a thermoplastic resin. さらに成分[F]熱可塑性樹脂を主成分とした粒子を含む、請求項1に記載のエポキシ樹脂組成物。 The epoxy resin composition according to claim 1, further comprising component [F] particles whose main component is a thermoplastic resin. 請求項1に記載のエポキシ樹脂組成物を強化繊維に含浸させてなるプリプレグ。 A prepreg obtained by impregnating reinforcing fibers with the epoxy resin composition according to claim 1. 請求項8に記載のプリプレグを硬化させてなる繊維強化複合材料。 A fiber-reinforced composite material obtained by curing the prepreg according to claim 8. 請求項1に記載のエポキシ樹脂組成物を硬化させてなる樹脂硬化物および強化繊維を含む、繊維強化複合材料。
A fiber-reinforced composite material comprising a cured resin obtained by curing the epoxy resin composition according to claim 1 and reinforcing fibers.
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